Программные продукты и системы

Существующие методы построения средств обучения сводятся к созданию таких технических средств, которые должны приближать обучаемых к режиму выполнения поставленных задач. Важнейшей задачей при проектировании и разработке средств обучения является степень адекватности в ходе моделирования. Моделирование гидроакустических средств и комплексов не позволяет воспроизвести все факторы деятельности оператора в различных условиях. Основной причиной неполного подобия модели оригиналу сегодня является невозможность создания всех условий работы системы. Преодоление данной трудности достигается расчетом и прогнозированием наиболее характерных фрагментов процесса функционирования системы человек–машина (СЧМ) с выде- лением множества факторов, влияющих на ее работу.

Одним из условий разработки (построения) технического средства обучения (ТСО) по ГОСТу РВ 29.05.005-95 является адекватность его органов управления, индикации и реакции на управляющие воздействия. Исходя из этого, выделим критерии адекватности тренажера гидроакустического комплекса (ГАК) реальному аналогу.

Процедурная адекватность заключается в идентичности перечня процедур, выполнение которых решает конкретную задачу, и в совпадении временных последовательностей при выполнении этих процедур на ТСО и моделируемой системе. Кроме этого, стереотип действий оператора должен быть идентичен при выполнении учебных и реальных процедур. Без применения процедурной адекватности невозможно отработать в полном объеме моторные навыки. Данное условие выполнимо только при соблюдении идентичности информационного и моторного полей на реальном и учебном рабочих местах оператора (по перечню, расположению и физической реализации). Процедурный базис – это выбор рабочего места оператора (пульт управления (ПУ) реального ГАК, программный имитатор (ПИ) или аппаратно-программный имитатор (АПИ)).

Функциональная адекватность фиксирует адекватность перечней реализуемых в ТСО функций реального ГАК и адекватность информационного базиса задач, реализующих эти функции. Информационным базисом является совокупность входных и выходных данных, используемых оператором в процессе учебного решения задачи. Следовательно, информационный базис, представленный в ТСО, должен максимально соответствовать моделируемой системе.

Таким образом, при проектировании ТСО, обеспечивающих требуемую адекватность, следует решить вопросы выбора типа (вида) рабочего места оператора, метода имитации процессов, происходящих внутри ГАК, имитатор которого создается, а также обоснования достаточности выбранного метода имитации.

По форме и композиции АРМ оператора ГАК должно соответствовать ПУ ГАК по перечню, расположению и физической реализации. В состав ТСО могут входить:

1) реальные ПУ, то есть ПУ образцами техники конкретного вида, типа и модификации;

2) физический имитатор ПУ моделируемой СЧМ, габаритные размеры и панели управления которой идентичны реальным, но имитация их функционирования реализуется программными средствами; такое АРМ оператора и есть АПИ.

3) видеотерминальный имитатор ПУ моделируемой СЧМ, представляющий собой точное (с учетом масштаба предъявления) изображение реальной панели управления на экране монитора ЭВМ. Функционирование такой модели, как и ее изображение, осуществляется программными средствами, а доступ к панелям управления и собственно управление их работой – с помощью различного рода стандартных манипуляторов: клавиатуры, мыши, трекбола, джойстика и т.п. Такое АРМ оператора есть ПИ.

Реальные ПУ и АПИ обеспечивают как функциональную, так и процедурную адекватность отработки учебных задач, доступных имитируемому типу ПУ. Как уже отмечено, включение в состав ТСО реальных пультов ведет к значительному повышению стоимости, несоизмеримой с положительным эффектом, поэтому предпочтительнее использовать АПИ. Недостатком использования АПИ по сравнению с реальным пультом является невозможность обучения вопросам ремонтной подготовки ПУ. Недостатком по сравнению с ПИ является невозможность обучения операторов различных ГАК с помощью одного ТСО.

С точки зрения стоимостного показателя экономически наиболее выгодным является использование ПИ. ПИ вполне может применяться для отработки операторских навыков у операторов-гидроакустиков, поскольку адекватно отражает средства отображения информации и обеспечивает возможность построения в ТСО адекватной информационной модели СЧМ, для адекватного воспроизведения, визуального, сигнального и информационного отображения динамики процесса функционирования СЧМ, моделирования динамики операторской деятельности по управлению данными процессами.

Это позволяет с помощью ПИ привить обучающимся навыки восприятия информации, ее хранения, переработки и (частично) навыки передачи переработанной информации. Другими словами, ПИ должен предоставлять возможности не только для детального изучения состава и структуры изучаемого технического средства, процессов его функционирования и правил эксплуатации, но и для проведения тренировок по отработке (в динамике) задач, решаемых с использованием реальной СЧМ.

Однако ПИ, обеспечивая функциональную адекватность отработки учебной задачи, в определенной степени изменяет стереотип профессиональной деятельности оператора.

К недостаткам ПИ относятся следующие:

·     модель, сохраняя содержательную сущность выполняемых с помощью органов управления и средств отображения информации реальных приборов действий, изменяет стереотип операторской деятельности, поскольку структура алгоритма профессиональной деятельности оператора на ПИ и на реальном образце техники различна;

·     модель не позволяет обучаемому осваивать и закреплять специфические элементы профессиональной деятельности в полном объеме;

·     изменение стереотипа профессиональной деятельности оператора на РМО данного типа приводит к вынужденному сокращению объема контролируемых параметров, по которым традиционно оценивается качество деятельности операторов СЧМ.

Подобные недостатки значительно снижают эффективность обучения с помощью ПИ.

Сравнительный анализ ПУ современных ГАК показывает общий подход в их формировании. Использование трехмониторных ПИ с сенсорными мониторами (третий расположен на горизонтальной панели вместо клавиатуры) позволяет максимально приблизить пульт ПИ к вышеперечисленным реальным пультам.

Время выполнения действия складывается из двух составляющих: латентного периода реакции (от момента появления сигнала до начала выполнения ответного действия) и моторного периода (длительности самого движения) [1]. Латентный период реакции операторов зависит от раздражителя и составляет от 0,12 (звуковые раздражители) до 0,22 сек. (зрительные раздражители) [2]. При сложных реакциях время анализа и принятия решения увеличивается, поскольку оператору необходимо отыскать в памяти программу действий. Использование ТСО с ПИ в тренажерах позволяет сделать вывод, что ПИ вполне могут использоваться для выработки латентного периода формирования навыков.

Пользователю компьютера требуется около 0,6 сек., чтобы переместить курсор и нажать нужную кнопку. Примерно такое же время необходимо оператору, чтобы переместить руку и нажать нужную кнопку [3]. Отсюда следует, что разница во времени на выполнение действий у реального пульта и электронной копии в большей степени зависит от расположения органов управления и реакции системы на действие, а не от времени, затрачиваемого на выполнение действия. Поскольку при разработке имитатора одним из важнейших условий является его адекватность (в том числе и быстродействие) реальной системе, считаем, что реакция на воздействие (например, на нажатие кнопки) реальной системы и электронного аналога должна быть одинаковой.

Таким образом, ПИ в трехмониторном исполнении с сенсорными мониторами могут использоваться для отработки моторных навыков и условно относиться к классу АПИ. Это позволит обеспечить как функциональную, так и процедурную адекватность отработки учебных задач, доступных имитируемым перечисленным ГАК. Кроме этого, указанные имитаторы могут использоваться как РМО при теоретическом обучении.

Существующие методы построения технических средств, предназначенных для отработки навыков функциональной адекватности, сводятся к созданию технических средств, приближающих обучаемых к режиму выполнения поставленных боевых задач. Технология их создания является реализацией технологий программированного обучения, учитывающих особенности и ограничения, накладываемые на эксплуатацию систем вооружения, в частности, гидроакустических систем подводных лодок. При разработке и создании подобных ТСО, как правило, применяются иконический, математический или структурный виды моделирования.

Иконические (изобразительные) виды представляют собой копии объектов моделирования, воспроизводящие их внешний вид. Применяются в основном при создании тренажерных пультовых приборов. Такой тренажер позволит изучить расположение органов управления, выработать первичные навыки по управлению ГАК. Однако ввиду отсутствия выводимой на экраны индикатора тактической обстановки отработать навыки операторов по боевому использованию ГАК на этом тренажере нельзя.

Математическая (физическая) модель строится на основе фундаментальных физических законов. В ней обязательно воспроизводятся процессы, описывающие внутреннее функционирование объекта с сохранением подобия его внутренних переменных.

Совокупность элементов реальной модели можно представить в виде Q={L,R,f,G}, где L={Х1,X2,…,Xi; w1,w2,…,wj;..., Z1,Z2,…,Zk} – множество воздействий, включающее вектор входных возмущений X, обусловленных действиями оператора, множество реакций Z внешней среды, а также множество переменных w, определяющих внутреннее состояние объекта; R – закономерности взаимодействия между различными внутренними переменными w и соотношения между внутренними переменными и внешней средой; f: {L,R®G) – отображение, определяющее выход G по заданным L,R; G={Y1,Y2,...,Yd; V1,V2,…,Vc} – множество реакций объекта на внешние возмущения, выдаваемых на средства отображения информации тренажерного средства У, а также выдаваемых во внешнюю среду Vi [1].

В исследовательских моделях обязательно обеспечение строгого изоморфизма между объектом и моделью, что ограничивает возможности идеализации и, как следствие, увеличивает размерность моделирования, решаемую средствами моделирующих устройств на базе ЭВМ. Использование математической модели реального ГАК предпочтительнее при создании имитатора вновь разрабатываемого ГАК. Опыт использования математической модели ГАК при создании ряда тренажеров позволил выявить и устранить ряд недоработок в боевых системах, связанных со стыковкой различных АРМ, и учесть влияние информационных потоков от других АРМ на процессы, протекающие в программном обеспечении ГАК.

При анализе сложных систем возможность применения математических моделей в значительной степени зависит от сложности их программной реализации и времени моделирования, необходимого для расчета искомых характеристик. Использование алгоритмов реальных систем при формировании ТСО зачастую приводит к значительному увеличению их стоимости, а также к серьезным трудностям при решении вопросов при сопряжении различных компонентов изделия. Кроме того, использование штатного программного обеспечения ГАК в ТСО затруднено ограничениями на вычислительные ресурсы.

Как следствие, главным недостатком использования физических моделей реального ГАК является необходимость использования большого количества средств вычислительной техники для имитации помехо-сигнальной обстановки на входе антенных систем ГАК (в реальном масштабе времени) и функционирования в них штатного функционального программного обеспечения ГАК. Это делает такой подход к созданию имитатора ГАК, который уже принят на вооружение, не реализуемым по критерию стоимость–эффективность.

Структурные (кибернетические) методы реализуют подход черного ящика, используя лишь значения входных воздействий и выходных реакций объекта. Создание моделей этого типа сводится к поиску системы функций, осуществляющих преобразования вход–выход. Если точность рассчитываемых оценок задана, а время моделирования ограничено рядом технических условий или соображений, разработка алгоритмов моделей, сравнительно просто реализуемых на средствах используемой вычислительной техники, приобретает важное практическое значение.

Основное назначение модели – обеспечить на ПУ ТСО управление и отображение информации, предъявляемой оператору в ситуациях, аналогичных управлению реальным объектом. Поэтому при моделировании вполне закономерно оперирование только переменными, информация о которых доступна или может быть доступна оператору. Но эта информация должна быть адекватной аналогичной информации реального объекта. При создании моделей для учебных целей вполне допустимо отказаться от моделирования внутренних процессов объекта, описываемых соотношением R и переменными w. Главное – обеспечение ограниченного изоморфизма модели и объекта в смысле расхождения выделенных выходных переменных модели Ym и реального объекта Y в допустимых пределах ε, то есть обеспечение соблюдения неравенства |Y-Ym|<ε.

Таким образом, учебную модель процесса функционирования объекта достаточно описать тройкой переменных Qm=Хm,fm,Ym, гдe Xm – множество воздействий на модель; Ym – множество реакций модели на внешние воздействия (множество выходных переменных); fm: Xm→Ym – отображение, определяющее выход Ym по задан- ным Xm.

Такое описание позволяет перейти к более простым моделям, но сохранить при этом адекватность поведения реального объекта и модели по входным и выходным переменным в каждой из отрабатываемых на ТСО учебных задач.

Однако стремление к простоте математических описаний находится в известном противоречии с точностью имитации исследуемых процессов. Поэтому при разработке допустимых вариантов структурного описания каждого оператора модели ТСО нужно учитывать требования к точности оценок характеристик качества работоспособности или эффективности системы, возможность практической реализации моделей тренажеров на используемых ЭВМ, ограничения на время, необходимое для получения оценок.

Следует исходить из того, что из-за особенностей цифровой обработки информации в современных ГАК необходимо учитывать особенности поэтапной обработки информации. В процессе работы ГАК оператор может повлиять на качество информации, выдаваемой в систему обработки и регистрации данных на каждом из этапов обработки. Таким образом, при проектировании АРМ оператора ГАК необходимо учитывать фактор влияния деятельности оператора на этапы обработки информации.

Оператор на всех этапах обработки информации оказывает влияние на процессы, происходящие внутри реального ГАК. Выходная информация на экраны средств отображения информации также поступает с каждого этапа обработки и напрямую зависит от оказанного на систему обработки информации воздействия. Отсюда вытекает вывод о необходимости совершенствования структурного метода построения имитатора ГАК.

За описание такой модели возьмем функцию Qm={Lm,Rm,fm,Gm}.

Отличие от функции учебной модели заключается во множестве воздействий Lm, в котором множество переменных w, определяющих внутреннее состояние объекта, представлено переменными только этапов обработки информации.

Таким образом, выбор уровня имитации ГАК есть компромисс между степенью адекватности имитатора своему физическому прототипу и стоимости его (имитатора) разработки и изготовления.

Литература

1.   Бичаев Б.П., Зеленин В.М., Новик Л.И. Морские тренажеры. – Л.: Судостроение, 1986.

2.   Бойко Е.И. Время реакции человека. – М.: Медицина, 1964.

3.   Раскин Джеф. Интерфейс. Новые направления в проектировании компьютерных систем. – СПб–М.: Символ, 2006. – С. 122.

4.  Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. – СПб: Наука, 2003.