Разработка подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет Факультет: Электротехнический (ЭТФ)

Направление: 09.03.01 - Информатика и вычислительная техника (ИВТ)

Профиль: Автоматизированные системы обработки информации и управления

Кафедра информационных технологий и автоматизированных систем

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на соискание академической степени бакалавра

на тему

Разработка подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины

Выполнил: Узякаев Марат

Студент группы АСУ-12бзу

Руководитель ВКР: к.пед.н.,

Доцент Щемелева Т.К.

Пермь -- 2016



ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы бакалавра

Фамилия, имя, отчество: Узякаев Марат Александрович

Группа: АСУ-12бзу

Начало выполнения работы: 14.12.15 Контрольные сроки просмотра работы кафедрой: 1) 12.02.16, 2) 18.02.16, 3) 26.01.16

Защита работы на заседании ГЭК:

Наименование темы: «Разработка подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины»

Исходные данные к работе: научные публикации в области автоматизированного обучения операторов перегрузочных машин на компьютерных тренажерах; типовая инструкция по работе оператора перегрузочной машины на реальном оборудовании.

Содержание пояснительной записки:

а) Исследовательский раздел.

Анализ особенностей профессионального обучения крановщиков с использованием компьютерных тренажеров.

б) Конструкторский раздел:

Разработка функциональных и информационных моделей компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины.

в) Технологический раздел:

Реализация программного и информационного обеспечения подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины.

Дополнительные указания: отсутствуют.

Основная литература:

Файзрахманов Р.А., Полевщиков И.С. Модели и алгоритмы автоматизированного управления формированием профессиональных знаний оператора перегрузочной машины // Фундаментальные исследования. 2015 г. №6. С. 73-78.

Файзрахманов Р.А., Полевщиков И.С. Методика автоматической оценки качества выполнения упражнений на компьютерном тренажере оператора производственно-технологической системы с использованием нечетких множеств // Инженерный вестник Дона. 2014. №4.

Леоненков А.В. Самоучитель UML - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВПетербург, 2006. - 432 с.: ил.

Руководитель ВКР: канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.

Консультант по предметной области: ассистент Полевщиков И.С.

Задание получил: Узякаев Марат Александрович

Календарный график выполнения выпускной квалификационной работы

Наименование этапа	Объем (в %)	Начало	Конец	Отметка об исполнении
1. Сбор и анализ исходных данных, постановка задачи	15	14.12.15	20.12.15	Канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.:
2. Изучение теоретического материала по предметной области; анализ и выбор методов и средств решения задачи	20	21.12.15	25.12.15	Канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.:
3. Разработка теоретической части, методики решения; Выбор и разработка средств решения задачи	20	26.12.15	31.12.15	Канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.:
4. Тестирование разработки, постановка экспериментов, формулировка выводов	20	01.01.16	05.01.16	Канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.:
5. Оформление пояснительной записки	25	06.01.16	11.01.16	Канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.:
6. Представление работы на проверку и отзыв руководителя квалификационной работы	-	12.01.16	20.01.16	Канд. пед. наук, доцент Щемелева Т.К.:
7. Предварительная защита работы	-			Канд. техн. наук, доцент Мурзакаев Р.Т.:
8. Прохождение нормоконтроля	-			Ассистент Мехоношин А.С.:
9. Представление работы на кафедру	-			-
10. Защита на заседании ГЭК	-			-

Реферат

Выпускная квалификационная работа состоит из 5 глав, 89 страниц, 43 рисунков, 4 таблиц, 24 источников, 11 приложений.

Перечень ключевых слов: формирование профессиональных знаний, умений и навыков, диаграмма вариантов использования UML, диаграмма деятельности UML, алгоритм управления, пользовательский интерфейс.

Объектом автоматизации в рамках данной выпускной квалификационной работы является процесс формирования профессиональных знаний, умений и навыков оператора перегрузочной машины.

Цель работы: Разработка подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины. В результате выполнения выпускной квалификационной работы был исследован процесс формирования профессиональных знаний, умений и навыков оператора перегрузочной машины; созданы: диаграммы вариантов использования, отображающие функции, предоставляемые компьютерным тренажером для освоения профессиональных знаний, умений и навыков, алгоритмы для автоматизированного управления процессом формирования профессиональных знаний, умений и навыков у обучаемого, модели данных, а также пользовательские интерфейсы.

Практическая значимость заключается в автоматизации процесса управления формированием профессиональных знаний, умений и навыков оператора перегрузочной машины, что способствует получению высокого уровня освоения профессиональных знаний, умений и навыков эксплуатационному персоналу предприятий для эффективного и безопасного выполнения работ с использованием сложного технологического оборудования.



Оглавление

Список условных обозначений и сокращений

Введение

1. Анализ методов и средств обучения операторов перегрузочных машин

1.1 Особенности автоматизации процесса профессионального обучения в различных отраслях с использованием компьютерных тренажеров

1.2 Автоматизация процесса обучения операторов перегрузочных машин

1.3 Построение функциональной модели существующей версии компьютерного тренажера оператора портального крана

Выводы

2. Разработка моделей программного и информационного обеспечения подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса

2.1 Функциональная модель АРМ администратора

2.2 Функциональная модель АРМ обучаемого для теоретического этапа обучения

2.3 Функциональная модель АРМ обучаемого для практического этапа обучения

2.4 Функциональная модель АРМ инструктора

2.5 Логическое моделирование базы данных

Выводы

3. Выбор средств разработки подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса. Проектирование пользовательских интерфейсов

3.1 Обоснование выбора технологий разработки

3.2 Проектирование пользовательских интерфейсов

Выводы

4. Определение экономической эффективности разработки

4.1 Цели и задачи

4.2 Эффекты от внедрения подсистемы

4.3 Защита информации

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Приложение А. Диаграмма деятельности UML по установке преподавателем настроек для теоретического этапа обучения

Приложение Б. Диаграмма деятельности UML по установке преподавателем настроек для практического этапа обучения

Приложение В. Диаграмма деятельности работы обучаемого в АРМ для теоретического этапа

Приложение Г. Диаграмма деятельности работы администратора в АРМ

Приложение Д. Логическая модель данных

Приложение Е. Физическая модель данных

Приложение Ж. Протокол проверки теоретических знаний

Приложение И. Техническое задание

Приложение К. Текст программы

Приложение Л. АРМ инструктора. Руководство пользователя

Приложение М. АРМ обучаемого. Руководство пользователя



Список условных обозначений и сокращений

GUI - англ. graphical user interface, графический интерфейс пользователя

IDE - англ. Integrated Drive Electronics, интегрированная среда разработки php- англ. Hypertext Preprocessor, предпроцессор гипертекста

UML - англ. Unified Modeling Language, унифицированный язык моделирования

АМК - аналоговая модель крана

АОС - автоматизированные обучающие системы

АРМ - автоматизированное рабочее место

ЗУН - знания, умения, навыки

КТК - компьютерный тренажерный комплекс

МАИ - метод анализа иерархий

ОС - операционная система

ОУ - объект управления

СОИ - система отображения информации

СУБД - система управления базами данных

УУ - устройство управления

ХП - хранимые процедуры



Введение

Актуальность работы. По данным исследований, нехватка высококвалифицированных рабочих заняла значимое место в ряду проблем, мешающих развитию экономики России в некоторых из отраслей, например в транспорте, оборонной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. По статистике Ростехнадзора РФ [1], работы в этих отраслях характеризуются высокой аварийностью и травматизмом, одним из источников которых является человеческий фактор. В данных отраслях эффективность и безопасность производственных процессов во многом зависит от такого важного фактора, как уровень владения операторами производственного оборудования необходимым набором профессиональных знаний, умений и навыков. Данными профессиональными навыками являются как сенсомоторные навыки, так и навыки ситуационной осведомленности операторов.

В процессе обучения будущий оператор должен освоить необходимые профессиональные знания (например, об устройстве перегрузочной машины, об технике безопасности при работе на ней и пр.), научиться своевременно, точно, в соответствии с ситуацией выполнять требуемые технологические операции, опираясь на знания о желаемой траектории процесса, оценивая фактическое протекание процесса, выбирая из возможных наиболее эффективные действия, направленные на выполнение поставленной задачи.

С целью повышения эффективности процесса приобретения таких навыков созданы различные программно-аппаратные средства, используемые в процессе профессионального обучения операторов [2-4]. Однако, в существующих программно-аппаратных средствах профессионального обучения, и, в частности, в моделях и алгоритмах, лежащих в основе этих средств, не учтены некоторые важные специфические особенности работы операторов производственных процессов. Также, фактически отсутствуют программно-аппаратные средства, позволяющие интегрировать в единой автоматизированной обучающей системе одновременно процессы управления освоением знаний, умений, и навыков.

Очевидным становится противоречие между необходимостью развития профессиональной компетентности будущих операторов сложных производственно-технологических систем (например, перегрузочных машин) и отсутствием необходимого научно-технического обеспечения этого процесса. Проектированию информационной системы, позволяющей устранить данные недостатки, посвящена настоящая выпускная квалификационная работа.

Цель данной работы:

Разработка подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса оператора перегрузочной машины.

Задачи. Для достижения поставленной цели сформированы следующие задачи:

- проанализировать особенности обучения крановщиков с использованием компьютерных тренажеров;

- построить функциональную модель процесса обучения крановщиков с использованием компьютерного тренажерного комплекса до внедрения подсистемы автоматизированного обучения, выявить недостатки данной модели;

- построить функциональную модель процесса обучения крановщиков с использованием компьютерного тренажерного комплекса после внедрения подсистемы автоматизированного обучения;

- выбрать язык программирования, среду программирования и СУБД для реализации подсистемы автоматизированного обучения;

- построить логическую и физическую модели базы данных подсистемы автоматизированного обучения;

- составить техническое задание на разработку подсистемы автоматизированного обучения;

- спроектировать пользовательские интерфейсы подсистемы автоматизированного обучения;

- реализовать подсистему автоматизированного обучения на основе разработанных моделей с использованием выбранных средств;

- разработать руководства пользователей подсистемы автоматизированного обучения.

Компьютерный тренажерный комплекс (КТК), включающий разработанную подсистему, позволит сократить время подготовки операторов, повысить объективность оценивания их профессиональных знаний и навыков.



1. Анализ методов и средств обучения операторов перегрузочных машин

1.1 Особенности автоматизации процесса профессионального обучения в различных отраслях с использованием компьютерных тренажеров

Тренажер представляет собой техническое средство обучения, позволяющее имитировать трудовые условия в учебном процессе.

Тренажеры позволяют повысить эффективность формирования у обучающихся производственных навыков управления технологическими процессами, определения причин неисправностей в технических объектах, выполнения и отработки сложных движений и т.д.

Главным преимуществом и отличием от других средств обучения является то, что с помощью тренажеров воспроизводится работа на различном дорогостоящем, сложном и опасном оборудовании. Известно, что при обучении на реальном оборудовании возможности повторить какие-либо приемы ограничены, а в некоторых ситуациях обучение на реальном оборудовании является невозможным из-за опасности (в первую очередь во время начального периода обучения) возникновения аварийных ситуаций, травм обучаемых, поломок техники и т.д. Также в процессе обучения на производственном оборудовании недопустимо каким-либо образом «разделить» деятельность обучаемых на составляющие этапы, действия, компоненты, чтобы дать им возможность освоить их по отдельности.

Одним из существенных преимуществ использования тренажеров как средств обучения является то, что они способствуют повышению интереса к обучению и тем самым обеспечивают ускорение процесса формирования навыков. Упражнения на тренажере проводятся до тех пор, пока действия обучаемых не будут доведены до автоматизма, т.е. не станут в необходимой степени точными и уверенными. Говоря другими словами, тренажеры представляют собой эффективное средство формирования навыков.

С одной стороны, согласно работе, в тренажерах должны моделироваться наиболее трудные в обучении и наиболее значимые трудовые операции. Однако, чем больше обучение на тренажере соответствует реальным условиям выполнения операций, тем выше эффективность обучения на нем.

1.1.1 Классификации тренажеров

В первую очередь, тренажеры принято [3] классифицировать по принципам моделирования, заложенным в них. Тренажеры, моделирующие устройства и функции технических объектов, могут быть построены на принципах физического и математического моделирования:

- Под физической моделью подразумевается предмет, процесс, ситуация и др., обладающие рядом физических свойств, сходных с оригиналом, но отличающиеся размерами, массой и отсутствием второстепенных явлений и деталей.

- На принципах математического моделирования создаются тренажеры на базе вычислительной техники. В том числе компьютерные тренажеры, а также тренажеры на базе аналоговых вычислительных машин. Остановимся более подробно на классификациях компьютерных тренажеров, поскольку именно данный вид тренажеров получил наиболее широкое распространение в настоящее время.

Компьютерные тренажеры для обучения персонала появились раньше всего в потенциально опасных сферах человеческой деятельности: атомная энергетика, авиация, космонавтика, судовождение и т.д. [3]. Это было связано главным образом с большим риском для жизни и безопасности людей, а также со строгим законодательством, предусматривающим обязательное использование компьютерного тренинга персонала в указанных областях деятельности.

Важным основанием для классификации компьютерного тренажера является тип модели мира, на основе которой он построен:

- Тренажеры, построенные на основе статической модели мира. С помощью таких тренажеров обучают действиям с некоторыми статичными объектами при отсутствии внешних возмущений. В таких тренажерах не предусмотрены какие-либо ситуации, развивающихся во времени. На основе статической модели мира строятся тренажеры, представляющие собой виртуальные стенды для отработки действий с некоторыми приборами и оборудованием.

- Тренажеры на основе динамической модели мира. Такие тренажеры предназначены для обучения действиям с некоторыми объектами при наличии внешних возмущений. Возникающие в ходе работы на тренажере ситуации могут развиваться во времени. На основе динамической модели мира строятся тренажеры для обучения процессу управления различными транспортными средствами, например, автомобилем, самолетом, а также технические тренажеры для отработки действий в нештатных ситуациях. Внешние возмущения мира тренажера могут задаваться преподавателем при составлении упражнения, а также в процессе работы обучаемого на тренажере.

Рассмотрим классификацию компьютерных тренажеров по их назначению [2]:

Тренажеры, обучающие моторным навыкам. Данные тренажеры применяются для обучения вождению различных транспортных средств, сварочным работам, стрельбе и т.п.

Особая разновидность тренажеров - тренировочные устройства, которые предназначены для облегчения формирования какого-либо одного двигательного навыка. Формирование выделенных навыков осуществляется с применением несложных приборов и приспособлений. Например, тренировочные установки для отработки координации движений рук при опиливании металла напильником, резания слесарной ножовкой, координации движений рук при фигурном обтачивании деталей и т.п.

Тренажеры, обучающие распознаванию образов. Используются для подготовки специалистов в области медицинской диагностики, операторов различных военных специальностей, для обучения навыкам синхронного перевода и т.д.

Тренажеры, обучающие работе с исключительно исправной техникой по жесткому сценарию обучения. Эти тренажеры строятся на статической модели мира, не предусматривающей влияния какихлибо внешних возмущений на объекты мира. Они предназначены для обучения методикам работы с оборудованием, эксплуатации сложной техники, например, медицинской.

Тренажеры, обучающие поведению в нештатных (аварийных) ситуациях. Используются для обучения работников атомных электростанций, химических предприятий, а также при обучении управлению различными движущимися объектами, например такими, как самолет или подводная лодка в сложных ситуациях (например, в случае опасности столкновения с каким-либо объектом).

Тренажеры, обучающие решению задач с разветвленным деревом допустимых решений. Предназначены в первую очередь для обучения навыкам проектирования, монтажа, сборки каких-либо систем, а также навыкам поиска неисправностей и ремонта оборудования. Рассмотрим далее наиболее важные и тесно взаимосвязанные функции, реализуемые в современных компьютерных тренажерах - функцию имитации объектов реального мира, функцию интерактивного взаимодействия с обучаемым и функцию контроля действий обучаемого.

1.1.2 Имитация объектов реального мира в компьютерном тренажере

Реализация этой функции связана с воспроизведением образов реального мира. Имитация объектов мира имеет две составляющие [5]: визуальная имитация и функциональная имитация.

Факторами, влияющими на эффективность визуальной имитации объектов реального мира в компьютерном тренажере являются высокий уровень подобия синтезируемого изображения оригиналу и высокий уровень соответствия синтезируемого звукового окружения [6].

Сущность такого фактора, как высокий уровень подобия синтезируемого изображения оригиналу, заключается в том, что синтезируемое изображение какого-либо устройства, детали и т.п. должно быть узнаваемо для обучаемого. В противном случае обучаемый может просто не понять, что он видит, а это неизбежно приведет к потере времени, затрачиваемого на обучение. При оценке степени соответствия синтезируемого изображения оригиналу целесообразно использовать три уровня подобия [6]:

Физическое подобие означает, что синтезированное изображение по основным физическим характеристикам повторяет оригинал. Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: геометрических (пространственных), яркостных (энергетических) и временных.

Психофизическое подобие устанавливается на уровне зрительных ощущений. В силу того, что возможности зрительного аппарата человека ограничены, обучаемый при некотором уровне искажений не ощущает разницы между синтезированным изображением и оригиналом, так как зрительные ощущения одинаковы при различных яркости, форме и цвете объекта.

Как правило, работа некоторого реального оборудования часто сопровождается различным шумом. При этом звук может нести важную информацию о работе оборудования. Например, изменение звуковой картины, появление какого-либо шума может являться признаком аварии.

При решении о необходимости имитации звука следует принять во внимание тот факт, что существующие на сегодняшний день технологии позволяют создавать достаточно реалистичные звуковые картины (использование технологии пространственного звучания, прохождение препятствий, отражение звука и т.д.).

Психологическое подобие предполагает, что по общему восприя тию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. По этой причине синтезированное изображение позволяет сформировать у обучаемого достаточно определенное суждение о реальном объекте или процессе, хотя между синтезированным изображением и оригиналом есть значительные отличия по физическим характеристикам.

Наилучший результат может быть получен при совместном применении психофизического и психологического подобия синтезируемого изображения [6]. При этом психофизическое подобие рациональнее применять к наиболее важным объектам тренажера, а второстепенные объекты могут обладать психологическим подобием.

Далее следует отметить такой фактор, как высокий уровень соответствия синтезируемого звукового окружения [6]. Как правило, работа некоторого реального оборудования часто сопровождается различным шумом. При этом звук может нести важную информацию о работе оборудования. Например, изменение звуковой картины, появление какого-либо шума может являться признаком аварии.

При решении о необходимости имитации звука следует принять во внимание тот факт, что существующие на сегодняшний день технологии позволяют создавать достаточно реалистичные звуковые картины (использование технологии пространственного звучания, прохождение препятствий, отражение звука и т.д.).

В подавляющем большинстве существующих компьютерных тренажеров функциональная имитация объектов осуществляется на основе математических моделей.

Адекватная математическая модель оборудования и процессов увеличивает эффективность тренажера за счет того, что для обучаемого ощущается меньшая разница между реальной и виртуальной обстановкой. Эффект личного участия в свою очередь влияет на запоминание информации. В качестве примера можно привести математическую модель перемещения груза, подвешенного на стреле погрузочно-разгрузочного устройства. Математическая модель в случае необходимости должна позволить учитывать влияние большего числа различных параметров. Например, при работе с реальным оборудованием часто возникают ситуации, изменяющие условия его работы, такие как изменение температуры атмосферного воздуха, сильный порыв ветра, аварийные ситуации и т.п. Поэтому в математической модели должна быть предусмотрена возможность имитации данных ситуаций.

1.2.3 Интерактивное взаимодействие обучаемого и тренажера

Взаимодействие пользователя с объектами тренажера может быть реализовано путем использования специальных пультов управления, идентичных пультам на реальном оборудовании [5, 6]. В этом случае тренажер создается как аппаратно-программный комплекс, который позволяет изучить все органы управления реальных устройств и сформировать на высоком уровне моторные навыки, необходимые для работы с объектом.

Также стоит отметить, что одним из распространенных способов реализации функций взаимодействия обучаемого с тренажером является применение виртуальных органов управления. Однако виртуальные органы управления зачастую обладают существенными недостатками. Имеет место достаточно большое количество устаревших решений на базе клавиатуры для ввода команд - наборов символов, которые никак не связаны с работой на реальном оборудовании. Иногда используются так называемые «графические метафоры команд» кнопки на экране пользователя, активизирующие при щелчке мышью некоторое действие. Существенным недостатком использования таких устаревших решений является то, что начав работу на реальном оборудовании, обучаемому будет необходимо снова изучать органы управления.

Прежде, чем начать выполнение работы на тренажере, обучаемый должен быть ознакомлен со специальным визуальным языком, применяемом в компьютерном тренажере, например значками изображений, используемыми в различного рода дисплеях, индикаторах, экранах, табло.

Компьютерные тренажеры должны обеспечивать управление процессом тренировки обучаемого по разным параметрам - составу учебных заданий, их сложности, темпу освоения и т.д. [3]. При этом функциональная адекватность управления процессом тренинга определяется качеством интерфейсного обеспечения.

Интерфейс обучаемого в компьютерном тренажере должен обеспечивать интерактивный диалог и представление оперативной информации (по объему, времени и скорости предъявления) о технологическом процессе адекватно задачам обучения и психофизиологическим возможностям человека [3].

Для того чтобы человеко-машинный интерфейс компьютерного тренажера был интуитивно понятен и информативен для обучаемых, целесообразно при этом руководствоваться следующими основными принципами при построении тренажеров:

- работа с клавиатурой и мышью не должны усложнять обучение на тренажере (к примеру, необходимо отказаться от реализации в тренажере таких действий, как двойной щелчок мыши, одновременное нажатие нескольких клавиш);

- минимальное количество возможных для выполнения обучаемым альтернативных действий в каждый момент времени;

- отказ от использования выпадающего меню и замена данного элемента управления функциональными кнопками, сменяющимися в определенной последовательности;

- отказ от действий программы «по умолчанию» (например, если обучаемому нужно совершить одно возможное в данный момент действие, он должен изучить описанием предстоящего действия и подтвердить совершение данного действия нажатием соответствующей кнопки);

- исключение отвлекающей информации с учетом начального уровня подготовки обучаемых.

Управление информационной поддержкой обучаемого реализуется в компьютерных тренажерах двумя способами:

Интерактивное управление подразумевает отображение информации по требованию обучаемого и с учетом ситуации, в которой он находится.

Контекстное управление подразумевает отображение информации не по инициативе учащегося, а в зависимости от возникшей ситуации (например, если обучаемым допущена какая-либо ошибка). Информация в данном случае может отображаться, например, в виде текстовых сообщений, а может сопровождаться загоранием сигнальной ламы, звонком и т.п. (в особенности при имитации аварии).

Таким образом, использование тренажеров позволяет предоставлять обучаемому дополнительную информацию о правильности его трудовых действий, что значительно ускоряет и улучшает процесс обучения.

Еще одним требованием является возможность многопользовательского доступа [6]. При создании сложного компьютерного тренажера, например, перегрузочной машины или буровой установки, необходимо предусмотреть доступ нескольких обучаемых, обладающих разными ролями. Например, в случае с буровой установкой это могут быть бурильщик, помощники бурильщика, механик и т.д., а в случае с перегрузочной машиной - крановщик, стропальщик и т.п. Также должна быть предусмотрена роль преподавателя, влияющего на процесс управления усвоением ЗУН посредством выдачи подсказок обучаемому, оцениванию результатов работы и т.д.

1.1.4 Учет масштаба времени в компьютерных тренажерах

Также важным фактором, влияющим на эффективность использования компьютерных тренажеров в процессе профессионального обучения и связанным как с функцией имитации объектов реального мира, так и с функцией интерактивного взаимодействия с обучаемым, является характеристика масштаба времени при обучении на компьютерном тренажере [3, 6]. С одной стороны, должна быть предусмотрена возможность работы в реальном времени. Это обусловлено тем, что, работая с настоящим оборудованием, оператору, как правило, приходится принимать решения и производить необходимые действия, почти не имея времени на обдумывание. По этой причине, если при обучении подобным ситуациям на тренажере масштаб времени не будет соответствовать реальному, то у обучаемого может сложиться неверное представление о работе какого-либо отдельного устройства или системы в целом.

С другой стороны, возможность коррекции масштаба времени может быть необходима для ускорения или замедления некоторых процессов. Например, у какого-то химического или физического процесса может быть длительный срок наступления - несколько дней. Естественно, что в рамках учебного процесса необходимо скорректировать масштаб времени с целью ускорения процесса до нескольких минут.

1.1.5. Функция контроля действий обучаемого

Рассмотрим основные виды контроля действий обучаемого в современных компьютерных тренажерах.

Достаточно редко в современных тренажерах реализуется входной контроль знаний, представляющий собой набор тестовых вопросов по основным понятиям и положениям теории [5]. По результатам входного контроля организуется допуск к выполнению упражнений на тренажере. Однако практически во всех без исключения тренажерах реализован профильный контроль, заключающийся в постоянном мониторинге действий обучаемого. Заключительный контроль обычно представляет проверку решения обучаемого, причем далеко не каждый тренажер способен проводить ее автоматически. Многие тренажеры предоставляют преподавателю функцию проведения проверки: например, с целью данной проверки сохраняются экраны тренажера в определенные моменты времени, а далее преподаватель проводит анализ этих изображений и формирует заключение о правильности хода выполнения работы и результата обучаемого. Отдельные тренажеры автоматически проверяют решения обучаемых. А в некоторых случаях поддерживается также и функция автоматического анализа хода работы обучаемого.

В заключение описания особенностей компьютерных тренажеров стоит отметить, что для обеспечения корректности имитируемая модель оборудования и процессов, а также выполняемые обучаемым операции на тренажере должны соответствовать требованиям имеющихся нормативных документов (ГОСТы, инструкции и т.п.), в которых содержится информация о необходимом порядке выполнения операций, входящих, например, в состав определенного технологического процесса [6].

1.2 Автоматизация процесса обучения операторов перегрузочных машин

Рассмотрим детальнее особенности компьютерных тренажеров как средств формирования профессиональных навыков на примере компьютерных тренажеров операторов перегрузочных машин.

Известно, что работы, связанные с перемещением грузов, были наиболее тяжелыми и трудоемкими во все времена [7, 8]. В настоящее время разработаны и находят широкое применение различные по конструкции и мощности машины, предназначенные для облегчения и повышения эффективности этих работ, т.е. перегрузочные машины: портальные краны, башенные краны, мостовые краны, одноковшовые экскаваторы, перегрузочные машины специального назначения и т.д.

Данные перегрузочные машины представляют собой дорогостоящее и опасное оборудование, имеющее специфические технические характеристики (динамические свойства, габариты и т.д.). Основным исполнителем перегрузочных работ является машинист крана, который посредством органов управления оказывает регулирующее воздействие на машину, задавая ей определенный режим.

Таким образом, перегрузочные работы представляют собой характерный пример, где требуются сенсомоторные навыки [7], а также навыки ситуационной осведомленности для эффективного и безопасного выполнения работ.

1.2.1 Традиционные методы и средства обучения крановщиков

Прежде чем перейти к особенностям тренажеров операторов перегрузочных машин, необходимо проанализировать традиционные методы обучения операторов перегрузочных машин и понять, почему возникла необходимость создания соответствующих тренажеров.

В первую очередь, необходимо пояснить специфику приобретаемых обучаемыми знаний, умений, навыков как частей компетенций применительно к обучению работе на перегрузочных машинах, основываясь на материалах [7].

Профессиональные знания - это сведения, усваиваемые учащимися в процессе профессионального обучения и деятельности для овладения данной специальностью. Перечень учебных дисциплин и программ определяется учебным планом. Кроме определенных общеобразовательных и общих технических дисциплин, операторы должны знать устройство, эксплуатацию и ремонт оборудования, технику безопасности, промышленную санитарию и противопожарные мероприятия, организацию труда, нормирование и планирование.

Учащийся должен научиться своевременно, точно, в соответствии с ситуацией выполнять действия, управляющие перемещением груза, а эти действия должны быть доведены до автоматизма, осуществляться наиболее экономно и с наименьшим напряжением. Поначалу, обучаясь выполнению действий, формируются соответствующие умения, а уже затем, когда действия доведены до автоматизма и выполняются на высоком качественном уровне, можно утверждать, что у обучаемых сформированы необходимые навыки. В деятельности машинистов перегрузочных машин ведущую роль играют моторные (двигательные), сенсорные навыки, восприятие состояния машины и технологической среды, а также их комплексы (сенсомоторные навыки).

Способности будущего оператора перегрузочной машины на практике самостоятельно и качественно осуществлять определенную работу базируются на приобретенных знаниях и навыках и называются компетенция ми. Компетенции в наибольшей степени проявляются при возникновении нестандартных ситуаций, требующих творческого использования знаний и навыков.

Традиционные методы обучения трудовым действиям предусматривают проведение занятий на реальном оборудовании [7] под руководством инструктора и, как правило, по индивидуальной форме. Но также не исключено проведение практических занятий с группой обучаемых для формирования практических знаний.

Одним из таких методов обучения является показ приемов трудовых действий, как на оборудовании, так и без него. Этот метод имеет целью создание в сознании обучающихся точного и четкого зрительного образа трудовых действий, с которым они сравнивают свои действия в процессе упражнений по отработке (разучиванию) соответствующих приемов и способов работы.

Полный и точный образ трудового действия в сознании обучающего ся возникает не мгновенно. Поэтому инструктор выполняет показываемые трудовые действия, отдельные составляющие его движения в замедленном темпе, расчленяя прием или целостное действие на отдельные изолированные части, делает паузы между ними, фиксирует внимание обучающихся не только на конечных, но и на промежуточных моментах действия.

Основным методом традиционного обучения являются упражнения - многократные повторения определенных действий в целях их сознательного совершенствования [2, 7].

Упражнения в процессе производственного обучения должны проводиться в определенной системе. Система упражнений предполагает взаимосвязь, иерархию их учебных целей; отработку правильности выполнения изучаемых трудовых действий, их точности (координации движений, сноровки, соблюдения технических требований к структуре и качеству и т.п.), достижение определенной скорости в работе (темпа, ритма, производительности труда), формирование профессиональной самостоятельности.

Для каждого этапа тренировок (в зависимости от класса упражнения) должны формулироваться критерии и показатели уровня подготовки [2, 7, 8] (освоения знаний, умений, навыков). Например, при изучении приемов и операций - это отработка правильности трудовых действий, далее - достижение точности, скорости, сноровки.

Управление процессом усвоения ЗУН в ходе выполнения упражнений происходит на основе наблюдения инструктора за действиями обучаемого, оценки его вопросов и ответов инструктору. В ходе обучения инструктор субъективно, но на основе собственного профессионального опыта оценивает качество выполнения упражнения и дает указания обучаемому, изменяет содержание и темп показа и объяснения, либо выставляет итоговую оценку. Инструктор может использовать для контроля простейшие измерительные приборы (например, секундомер), либо приборы, входящие в состав оборудования.

Согласно [8] примерная программа подготовки крановщика к управлению портальным краном без использования тренажера представлена в таблице 1.1.

Однако при обучении на реальных перегрузочных машинах возникают трудности в реализации таких важных принципов обучения, как поэтапность и непрерывность, нет объективного контроля и самоконтроля корректности действий обучаемого. Как правило, инструкторы не имеют педагогической подготовки. Ограничено время тренировок, недопустима самоподготовка и повышена вероятность создания аварийных ситуаций. Нельзя совместить теоретическую и практическую подготовку. Для обучения из производственного технологического процесса отвлекается высокопроизводительная техника, которая в процессе обучения изнашивается, дополнительно расходуется электроэнергия. Программы производственного обучения не основаны на методике обучения приемам управления, а определяются в основном опытом инструктора.

Согласно [9], все указанные недостатки обучения могут быть устранены, сроки подготовки операторов снижены, а качество подготовки улучшено за счет рационального использования в учебном процессе тренажеров.

Тренажеры операторов перегрузочных машин

Изначально используемые тренажеры для обучения операторов перегрузочных машин представляли собой уменьшенные модели реальных машин с вынесенными пультами управления. Пульты были снабжены рукоятками и педалями управления машиной, с их помощью учащийся управлял электроприводами, приводящими в движение механизмы модели машины.

Тренажеры, разработанные на базе физических моделей машин, отличались простотой, наглядностью и были весьма полезны на начальной стадии изучения устройства машин, способов управления ими, технологии перегрузочных работ. Однако им были присущи существенные недостатки:

- Поскольку учащийся на таких тренажерах располагается за выносным пультом, то восприятие им состояния машины не соответствует реальному, при котором машинист располагается непосредственно на объекте управления. В результате тренировок на таком тренажере у обучающегося формируются навыки, соответствующие иному образному восприятию состояния машины, нежели в реальных условиях.

Таблица 1.1

Примерная программа подготовки крановщика к управлению портальным краном без тренажера

Цель и содержание занятий	Кол. уч. часов
Изучение оборудования кабины крановщика. Знакомство с панорамой технологической площадки и объектами, расположенными на ней.	1
Изучение органов управления краном, взаимного соответствия направления перемещения рукояток и движения механизмов крана. Изучение способов и последовательности включения и выключения электрооборудования и механизмов.	1
Обучение управлению подъемным движением груза: выбор слабины каната; подъем груза на уровень контрольной остановки для проверки застоповки и тормозов с последующей плавной установкой груза и ослаблению канатов; подъем груза с контрольной остановкой на высоте, обеспечивающей безопасное перемещение над различными объектами с последующей плавной установкой.	3
Обучение перемещению груза путем изменения вылета стрелы с предварительным его подъемом и последующей плавной и точной установкой: объяснение и показ особенностей колебательного движения и способов его успокоения; перемещение груза на расстояние до 4 метров; перемещение груза на различные расстояния.	5
Обучение перемещению груза поворотным движениям крана с предварительным подъемом груза и последующей плавной и точной установкой: перемещение с поворотом до 300; перемещение с поворотом на любые углы.	6
Обучение перемещению груза путем совместного управления вылетом стрелы и поворотом с предварительным подъемом груза и последующей плавной его установкой с заданной точностью: перемещение груза в различные зоны рабочей площадки без препятствий; перемещение груза в различные зоны с обходом препятствий; перемещение различных грузов с соответствующими грузозахватными приспособлениями.	16
Обучение управлению передвижением крана по рельсовым путям	2
Всего:	34
Самостоятельная работа по управлению краном и уходу за ним под наблюдением инструктора (стажировка)	170
Квалификационные испытания	8

- Практически невозможно достичь соблюдения динамического подобия модели реальной машине.

- Невозможно осуществлять повторные упражнения с возрастающей трудностью, при постоянном самоконтроле, уточнении и совершенствовании качества действий.

Преодолеть перечисленные выше недостатки позволили электронные тренажеры (рисунок 1.1).

Согласно [7] впервые в мировой и отечественной практике разработку электронных тренажеров для подготовки крановщиков начали в 1971 году сотрудники кафедры вычислительной техники и автоматического управления Пермского политехнического института (в настоящее время кафедра информационных технологий и автоматизированных систем Пермского национального исследовательского политехнического университета).

Рисунок 1.1 - Электронный тренажер оператора портального крана

На рисунке 1.2 представлена упрощенная структурная схема разработанного электронного тренажера.

Рисунок 1.2 - Упрощенная схема электронного тренажера

Конструктивно тренажер состоял из двух блоков. Первый из них представлял собой рабочее место обучающегося. Он был оборудован органами управления краном (ОУ): рукоятками управления и педалью тормоза вращательного движения, а также системой отображения информации (СОИ). Во втором блоке были размещены электронная аналоговая модель крана (АМК), устройство управления тренажером (УУ) и устройство питания всех схем. Аналоговая модель крана в электронном тренажере заменяет физическую модель крана.

Эффективность процесса подготовки с использованием электронного тренажера достигалась за счет четкого дозирования заданий в сочетании с нарастанием их трудности, максимального использования принципов контроля и самоконтроля.

Важным преимуществом управления процессом освоения ЗУН на электронных тренажерах, по сравнению с традиционными методами обучения, стала возможность использовать объективные критерии при оценке знаний, умений и навыков обучаемых.

Согласно [8] программа обучения крановщика портального крана на электронном тренажере представлена в таблице 1.2.

Однако электронные тренажеры обладали и существенными недостатками. Во-первых, в данных тренажерах основные допущения были связаны со сведением пространственной картины рабочей обстановки к плоскостному ее изображению, а также с неподвижным рабочим местом обучаемого. В связи с этим при упражнениях на тренажере не осуществлялась объемная визуальная оценка обстановки и положения рабочего органа машины с грузом, а вестибулярный аппарат учащегося не участвовал в чувственном отражении вращательного движения. Во-вторых, многие предложенные разработчиками методы и приемы обучения и управления ходом тренировки обучаемого не были применены ввиду их сложной реализации на элементной базе того времени. Автоматизация управления процессом обучения не была реализована в достаточной степени.

Компьютерные тренажеры, широко распространенные в настоящее время для профессионального обучения крановщиков, позволили, сохранив преимущества электронных тренажеров, устранить их основные недостатки.

Таблица 1.2

Программа обучения крановщика портального крана на тренажере

Содержание занятия	Общее кол. уч. часов
Знакомство с тренажером. Уяснение информационной модели процесса	2
Отработка навыков управления подъемом и опусканием груза	2
Контрольное испытание	0.5
Отработка навыков управления переносом груза путем изменения вылета стрелы на 4м и выполнение необходимых элементов управления подъемом и опускания груза	1
То же, но на расстояние до 12 метров	5
Контрольное испытание	0.5
Отработка навыков управления переносом груза только изменением поворота стрелы на малые углы	1
То же, но на любые углы	2
Контрольное испытание	0.5
Отработка навыков управления переносом груза путем совместного изменения угла поворота и вылета стрелы	2
Контрольное испытание	1
Отработка навыков управления переносом груза при совмещении всех движении и наличии препятствий	2
Контрольное испытание	1
Отработка навыков путем погрузки - разгрузки с грузоперевозящего транспорта (водный, наземный)	2
Контрольное испытание	1

1.2.2 Компьютерные тренажеры перегрузочных машин

Различные организации занимаются разработкой компьютерных тренажеров крановщиков, с помощью которых проходят обучение будущие машинисты многих широко используемых в настоящее время перегрузочных машин: мостовой кран, башенный кран, козловой кран, портовой кран, автомобильный кран, бульдозер, экскаватор и т.д.

К типовым компонентами существующих в настоящее время и успешно используемых тренажеров крановщика можно отнести следующие: кабина с органами управления; джойстики; очки (или шлем) для 3D-визуализации рабочей зоны; динамическая платформа; экраны-окна; задания для тренажа; учебное пособие, инструкция пользователя; система тестирования знаний крановщика; персональный компьютер; прикладное и системное программное обеспечение.

Тренажеры крановщика могут иметь различные комплектации, и, следовательно, отличаться сложностью исполнения. Например, может быть как достаточно простая комплектация в виде 3D тренажера с джойстиками, так и достаточно сложная в форме 3D тренажера с креслом, динамической платформой (с тремя степенями подвижности) и несколькими плазменными видеопанелями.

Наиболее простые тренажеры хоть и способны весьма точно моделировать реальные условия эксплуатации крана, но крайне упрощенная модель рабочего места крановщика слишком далека от реальных условий. Напротив, более сложный, а, следовательно, и более дорогой комплект тренажера обеспечивает максимальное приближение к реальным условиям, такой тренажер оснащен макетами реальных кабин, органов управления и средств индикации, приборов и оборудования. Используется максимальное подобие передних панелей приборов реальным, соответствие подсветки оборудования, шкал приборов. Усилия на рычагах, педалях, пультах управления тренажеров соответствуют реальной технике.

Динамическая платформа с креслом позволяют учащемуся физически ощущать процесс управления краном при решении рабочих задач. Кроме того, в «кабине крановщика» может быть установлена видеокамера, которая позволяет не только вести наблюдение за действиями курсанта в кабине в режиме реального времени, но и транслировать их на мультимедийный проектор для демонстрации всей аудитории.

Интерактивные учебные тренажеры могут быть предназначены как для первоначального обучения машиниста (оператора) крана, так и для совершенствования или коррекции имеющихся навыков управления автокраном опытными машинистами (операторами). Основные функции таких учебных тренажеров:

- отработка базовых моторных навыков управления типичным автокраном;

- изучение состава, расположения органов управления и контрольно-измерительных приборов кабины машиниста автокрана;

- изучение общих принципов управления автокраном при разных метеорологических условиях и времени суток;

- отработка навыков по приведению автокрана в рабочее положение и его вывешиванию.

Подобные компьютерные тренажеры могут осуществлять автоматическую фиксацию ошибок обучающихся и сохранять результаты работы в базе данных. Для контроля знаний крановщика по технике безопасности и общим вопросам работы на кранах применяются различные системы тестирования.

Следует отметить типовые практические задачи, которые моделируют современные компьютерные тренажеры крановщиков:

- зацепление, подъем и обвод грузов различной формы вокруг поставленных на полу стоек, не задевая их (комплекс вариантов грузов, количества и расположения стоек);

- установка грузов в нарисованные на полу фигуры (разные по весу, величине и форме грузы, разное расположение фигур);

- подъем грузов из-под кабины, завод различных грузов в ворота (две ри), штабелировка грузов (одноярусно, многоярусно, шахматно и т.д.);

- установка грузов в специальные формы;

- зацепление разных грузов оптимальными способами;

- зацепление, подъем груза и перенос его на время, начиная от зацепления до установки (тренировка на точность установки и преодоление инерции);

- недопущение раскачивания грузов различного веса и конфигурации.

Средствами, обеспечивающими адекватное воздействие на все каналы восприятия обучаемого, являются: реалистичное видео, реализованное с помощью больших экранов, встроенных в кабину на место стекол; трехмерный звук; управление движением и наклоном реальной кабины во всех плоскостях; имитация перегрузок.

Необходимо отметить существенное количество научных работ, выполненных научным коллективом кафедры ИТАС ПНИПУ в области создания компьютерных тренажеров операторов портального крана и транспортно-заряжающей машины. В рамках данных исследований достаточно детально были рассмотрены следующие аспекты: математическое моделирование физических процессов, 3D-моделирование, разработка аппаратного обеспечения.

1.2.3 Управление процессом приобретения профессиональных навыков при обучении оператора на компьютерном тренажере

Некоторые научные работы посвящены вопросам управления приобретением профессиональных навыков на компьютерных тренажерах. Следует отдельно отметить работу [8], в которой приведены основные характеристики, которыми должен обладать процесс управления тренингом в ходе профессионального обучения будущих машинистов на современном компьютерном тренажере оператора портального крана: объективность, систематичность, адаптивность.

Объективность обеспечивается автоматическим вычислением численных значений качества и фиксацией допущенных нарушений правил выполнения перегрузочного цикла. Перечень значимых показателей и нарушений, а также их критических значений может быть выявлен методом экспертной оценки с привлечением ведущих специалистов предприятий, на которых используются перегрузочные машины. Систематичность достигается постоянным целенаправленным предъявлением обучаемому в процессе всего курса тренировок информации о качестве его работы.