Software & Systems

Тренажерно-обучающие системы (далее тре­нажеры) – разновидность технических систем, позволяющих решать задачи подготовки персонала с целью обучения управлению сложными техническими системами, в том числе в условиях, создающих угрозу жизни (агрессивные среды) или принудительно не реализуемых в реальной среде. К принудительно не реализуемым условиям можно отнести состояние государства в отсутствие военных действий, состояние среды, загрязненной опасными для человека отходами, экспериментальные условия, для реализации которых необходимы существенные материальные затраты, и т.д.

В зависимости от объема решаемых задач тренажерно-обучающие системы можно разделить на комплексные, специализированные, процедурные. Комплексные тренажеры предназначены для решения задач практического обучения и подготовки операторов, в полном объеме охватывающих их профессиональную деятельность, и должны обеспечивать отработку и формирование всех профессиональных навыков. Специализированные тренажеры рассчитаны на подготовку операторов к выполнению определенных проблемно-ориен­тированных задач. Процедурные тренажеры предназначены для выработки устойчивых навыков в конкретных видах деятельности, отработки отдельных важных процедур управления определенным видом оборудования, выполняемых на конкретных этапах эксплуатации и в определенных условиях.

Данная классификация тренажерных систем обусловлена высокой стоимостью самого комплексного тренажера сложной технической системы и его эксплуатации, а также тем, что отработка отдельных частных процедур управления, задействует малую часть функционала комплексного тренажера. Таким образом, отработка отдельных частных процедур на комплексном тренажере, как правило, экономически нецелесообразна, поэтому создаются специализированные и процедурные тренажеры.

Отдельно необходимо выделить программно-аппаратные комплексы для моделирования функционала новых технических систем. Стоимость исправления ошибок на этапах испытаний опытного образца намного превышает стоимость исправления ошибок на этапе проектирования. Следовательно, основой разработки тренажерного комплекса является моделирование функционирования новой технической системы на этапах проектирования.

Режимы работы тренажерной системы: первоначальное обучение, переучивание, периодические тренировки, повышение квалификации, восстановление квалификации после перерыва в практике.

Функции тренажерной системы:

·    освоение информационно-управляющего поля рабочего места;

·     отработка действий оператора c начала работы по включению и подготовке оборудования, в том числе проверка систем и оборудования;

·     выполнение основного комплекса действий, в том числе приобретение навыков действий с органами управления и чтение показаний средств индикации;

·     выполнение специфического комплекса действий, связанного с особенностями функционирования конкретного объекта управления;

·     отработка групповых операций;

·     отработка заданного сценария для выполнения поставленной задачи;

·     анализ записи проведенных тренировок;

·     ввод новых нештатных ситуаций на основании анализа ранее произошедших на объекте управления.

Функции подсистемы инструкторского контроля:

·               контроль действий оператора, в том числе автоматизация контроля и оценки действий оператора, сбор, обработка, документирование, анализ и выдача статистических данных;

·     ввод начальных условий;

·                задание нештатных ситуаций (отказов систем и оборудования и пр.);

·     задание параметров окружения;

·     обеспечение переговоров с оператором;

·     аварийное отключение тренажера;

·     коррекция действий оператора.

Состав тренажера:

-   рабочее место оператора;

-    рабочее место инструктора;

-    система имитации органов управления, содержащая подсистему передачи обратных управляющих воздействий на органы управления;

-    устройство сопряжения с объектом;

-    система математического моделирования объекта с БД описаний объекта моделирования и подсистемой моделирования электронных и механических средств отображения состояния объекта;

-    система математического моделирования окружающей обстановки, в том числе БД объектов реального окружения, подсистема физического моделирования, а также подсистемы моделирования подстилающей поверхности, зданий, метеоусловий, состояния среды (в зависимости от времени суток, времени года), движущихся объектов, включая подсистему автоматического управления движущимися объектами;

-    система визуализации с применением оптико-коллимационных устройств, проекционных поляризационных стреоскопических систем, а также систем на основе цилиндрических и сферических экранов;

-    система имитации акустической обстановки, включающая подсистему обеспечения переговоров операторов, моделирующая в том числе и звук силовой установки;

-    система электропитания;

-    система подвижности на основе электрогидравлических и электромеханических систем.

Подсистема математического моделирования выполняет функции по отработке введенных инструктором начальных условий, по расчету системы автоматического управления (при ее наличии) и по расчету параметров объекта с учетом управляющих воздействий с определением пространственного положения объекта в виртуальном окружении и расчетом параметров для приборов и рычагов управления.

Требования к тренажеру:

·    использование операционной среды реального времени;

·     имитация всех процедур в реальном режиме времени (латентность тренажера не более 20 мс, для реализации необходимо выполнять вычисления в течение 15 мс и иметь 5 мс в запасе);

·     отсутствие разрывов изображения при многоканальной визуализации;

·     учет прочностных характеристик рабочего места оператора в случае использования системы подвижности;

·     использование оригинальных элементов управления;

·     адекватное моделирование нештатных эксплуатационных режимов, математическое описание которых в значительной степени отличается от штатных;

·     исключение привития ложных навыков;

·     отработка навыков командной работы операторов;

·     модульная архитектура построения, позволяющая без глубокой переработки системы удалять, заменять и создавать модули;

·    обязательная (для отдельных отраслей) сертификация по утвержденным программам.

Занятия на тренажере для отработки некоторых групп навыков занимают меньше времени, чем отработка тех же навыков на реальной системе. Это обусловлено тем, что для приведения реальной системы в состояние S1, которое будет исходным для начала отработки навыка, необходимо выполнить некий алгоритм, затратив t1 времени (причем t1 может исчисляться часами, месяцами). В тренажерной системе для перевода рассматриваемой системы в состояние, идентичное S1, необходимо только задать значения переменных параметров системы.

Для воспроизведения ощущений реального мира при проведении тренировочных занятий необходимо воссоздать все сигналы, получаемые оператором во время выполнения операций. При невозможности точного воспроизведения сигналов используются их упрощенные модели. Для тренажеров различных областей некоторые группы сигналов могут не воспроизводиться ввиду их невостребованности для данной тренировки, что приведет к снижению сложности тренажера, его удешевлению. Сигналы от тренажерного комплекса должны быть согласованными, так как мозг человека для получения полной картины происходящего совмещает сигналы, получаемые различными органами чувств.

Для сигналов, получаемых посредством зрительных органов, в среднем принимается угол обзора ±90º по горизонтали, 50º и 70º по вертикали и угловое разрешение 1′.

Информация, поступающая в результате визуального наблюдения, воспринимается в зависимости от отдаленности наблюдаемых объектов. Существует разделение на три зоны: до 1 метра, от 1 до 30 метров и свыше 30 метров от наблюдателя. В зоне далее 30 метров, когда бинокулярное зрение ослабевает (оба глаза получают одинаковое изображение), для адекватного восприятия важны окклюзия и размеры.

Если экран помещен на расстояние порядка 3 метров от обучаемого, а объект по сценарию тренировки удален от наблюдателя менее чем на 3 метра, при использовании проекционных систем отображения информации может происходить рассогласование.

В тренажере передача зрительных сигналов о перемещении основана на том, что мозг человека, используя только зрительный канал, с трудом различает изменения ситуаций, когда наблюдатель неподвижен, а окружающие объекты находятся в движении и когда движется наблюдатель, а объекты неподвижны. Поэтому генерируется движущаяся окружающая обстановка, создавая иллюзию перемещения наблюдателя (подвижная платформа способствует усилению восприятия движения).

Детализация воспроизведения окружающей обстановки напрямую связана с производительностью тренажерной системы. Для повышения эффективности использования ресурсов тренажера необходимо определить, какие группы объектов наиболее важны для достижения целей тренировки, следовательно, необходимо детально воспроизводить именно эти группы.

Для оценки эффективности подготовки на тренажерной системе вводится коэффициент переноса навыков [1]. Значение этого коэффициента вычисляется по формуле

,                                                                                                                                                                  (1)

где TP – время, затраченное группой на подготовку до определенного уровня на реальной системе; Tэ – время, затраченное группой на подготовку до того же уровня, но частично с использованием тренажера. Если количество часов, необходимое для достижения определенного уровня подготовки на реальной системе, может быть сокращено в результате занятий на тренажере, значения коэффициента будут положительными. Если после занятий на тренажере нужно проводить дополнительные занятия на реальной системе, значения коэффициента будут отрицательными.

При необходимости учета времени, проведенного на тренажере, для численной оценки используется показатель эффективности переноса навыков [2], вычисляемый по формуле

,                                                                                                                                                                        (2)

где Xтрен – время, затраченное на подготовку на тренажере.

Еще одна численная оценка коэффициента переноса подготовки дается через инкрементальный показатель эффективности переноса навыков, вычисляемый по формуле

,                                                                                                                                                                (3)

где YX–DX – время, затраченное группой на подготовку до определенного уровня, прошедшей X–DX этапов подготовки; YX – время, затраченное группой на подготовку до того же уровня, прошедшей X этапов подготовки; DX – число этапов.

Рассчитаем значение C, равное отношению стоимости подготовки на реальной системе к стоимости подготовки с применением тренажера. Тогда, если Tивр

В ряде отраслей затраты на подготовку операторов на реальной системе принесут организации-владельцу системы убытки от ее применения.

Для организаций есть два варианта финансирования подготовки специалистов – приобретение тренажера или его аренда.

В случае приобретения тренажера организация понесет следующие основные затраты:

·     на само приобретение тренажера;

·     на строительство помещения для его установки;

·     на обслуживание тренажера (оплата электроэнергии, обслуживания системы кондиционирования и вычислительных систем, закупка запасных частей и т.д.);

·     на оплату труда обслуживающего персонала (инструкторы, инженеры по обслуживанию техники, администраторы и др.).

На типичном тренажере подготовка может вестись 23 часа в сутки и около 360 дней в году. Учитывая, что тренажерное время планируется на несколько месяцев вперед, простои тренажера влекут за собой существенные финансовые потери. Для уменьшения рисков простоя рекомендуется:

·     заблаговременно приобретать модули тренажера, вероятность выхода из строя которых наиболее высока, и, используя преимущество модульной структуры тренажера, быстро заменять неисправный модуль;

·     постоянно контролировать работу систем тренажера, проводить профилактические работы до выхода из строя детали, модуля.

Обслуживание тренажера включает операции по проверке нахождения параметров систем в заданном диапазоне. При проектировании архитектуры тренажера целесообразно предусмотреть возможность компьютерной диагностики систем с выдачей отчетов по ее завершении и с возможностью сравнения с предыдущими результатами диагностики. Кроме того, целесообразно вести инструментальные записи всех неисправностей (и параметров состояния системы), выявляемых во время тренировочной сессии. Помимо автоматизированных средств сбора информации о неисправностях, необходимо дать возможность инструктору вносить свои замечания в отчеты о работе тренажера.

Владение тренажером предоставляет возможность организации-владельцу полностью контролировать программу подготовки операторов, оперативной корректировки деятельности по подготовке операторов в зависимости от текущей деятельности организации, получения дополнительной прибыли путем передачи тренажера в аренду. Основной риск состоит в обеспечении получения прибыли (в зависимости от отрасли) при изменении организацией-владельцем принципов работы, типа технической системы в результате модифицирования требований рынка.

В случае аренды тренажера основные затраты на подготовку на тренажере будут составлять арендная плата и командировочные расходы.

Основные риски состоят в зависимости организации-владельца технической системы от стоимости аренды тренажера, условий подготовки операторов, устанавливаемых арендодателем, наличия свободного тренажерного времени, командировочных расходов.

Для воссоздания картины реального мира при проведении тренировочных занятий необходимо воспроизвести все сигналы, получаемые оператором во время выполнения задач. Для повышения эффективности использования ресурсов тренажера необходимо определить наиболее важные для достижения целей тренировки группы объектов и, следовательно, детально воспроизводить именно эти группы. Для оценки эффективности подготовки на тренажерной системе вводится коэффициент переноса навыков, значение которого будет положительным в том случае, если количество часов, необходимое для достижения определенного уровня подготовки на реальной системе, может быть уменьшено путем занятий на тренажере.

Литература

1.   Rolfe J.M. and Caro P.W. Determining the training effectiveness of flight simulators: some basic issues and practical development // Applied Ergonomics. 1982. № 13 (4), pp. 243–250.

2.   Hays R.T. Flight simulator training effectiveness: a meta-analysis // Military Psychology. 1992. № 4 (2), pp. 63–74.

3.   Решетников В.Н., Мамросенко К.А. Методика и алгоритмы визуализации для обучающих модулей компьютерных тренажерно-обучающих систем: тр. Междунар. науч. конф. М.: Науч. фонд «Первая Исследовательская Лаборатория имени академика В.А. Мельникова», 2009. С. 76–80.

4.   Allerton D. Principles of flight simulation. Chichester. U.K.: Wiley, 2009.

5.  Mamrosenko K.A., Reshetnikov V.N. Algorithms and methods in allocated training systems // Proceedings International conference on scientific research in open and distance education. Hanoi, Vietnam: The Gioi, 2008, pp. 31–36.