Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 12. -
Вып. 1. - 2013. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-37-html/TITL-37.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-37-html/cont.htm
УДК
621.396
Облик комплекса учебно-тренировочных средств для специалистов, эксплуатирующих
сложные технические системы специального назначения
Ó 2013 г. Андреев С. Г., Бирко Н. И.
В данной работе рассмотрены
вопросы необходимости разработки и создания тренажёрной системы модульного типа
с автоматизированной оценкой и анализом действий обучающихся специалистов при выполнении
функциональных обязанностей с использованием
сложных технических систем специального назначения в целях повышения их
уровня подготовленности. Представлена структура научно-методического аппарата
обоснования требований к современным тренажным средствам – комплексам
учебно-тренировочных средств.
Ключевые слова: тренажёрные системы
модульного типа.
В связи с тем, что учебно-тренировочные средства (УТС) функционируют в качестве материальной основы для обучения специалистов по эксплуатации сложных технических систем (СТС) различного назначения, то общее количество факторов, влияющих на их эффективность, велико.
Выполнение задач обучения в
соответствии с ограничениями напрямую связано с суммарным ресурсом учебного времени,
используемого на подготовку таких специалистов. Это особенно важно в связи с
внедрением подобных систем в различных областях науки и техники.
Характер влияния этих
ограничений оценивается на основе сравнения реально используемого в процессе
подготовки ресурса учебного времени с его требуемыми значениями для поддержания
заданного уровня обученности специалистов по эксплуатации сложных технических
систем.
Объем учебного времени,
используемого на занятиях с применением УТС, по выполнению элементов видов
деятельности в течение периода обучения, определяется:
ресурсом учебного времени,
отводимым на обучение специалистов по эксплуатации СТС;
объемом непроизводительных
затрат учебного времени на организацию и обеспечение занятий;
количеством учебных задач,
обеспечивающих отработку данных элементов деятельности;
частотой выполнения операции
в процессе выполнения учебной задачи.
Поэтому в целях обеспечения
необходимой периодичности и длительности занятий по совершенствованию навыков
специалистов по эксплуатации СТС, УТС на современном этапе в системе учебного
процесса должны обеспечивать:
распределение учебных задач
между тренажными средствами в системе;
возможность полного охвата
отрабатываемых учебных вопросов.
Одним из показателей
качества деятельности специалистов по эксплуатации СТС является выполнение ими
различных нормативов, так как норматив
– это конкретное значение показателя, определяющее достаточное условие решения
задачи.
Таким образом, основным
предназначением нормативов является оценка уровня подготовленности специалистов
по эксплуатации СТС к выполнению задач по функциональному предназначению.
В связи с этим, УТС должны
обеспечивать взаимооднозначное соответствие между значениями нормативов, определяющими
высокие уровни обученности и показателями, обеспечивающими требуемый уровень
выполнения задач. Только при условии обеспечения такого соответствия, нормативы
по выполнению тех или иных операций действительно могут использоваться для
объективной оценки уровня обученности и готовности к деятельности специалистов
по эксплуатации СТС.
Одним из основных параметров
УТС является степень обеспечения соответствия процесса обучения на тренажерах реальному
процессу деятельности, которая может быть определена, исходя из следующих
соображений.
Специалист по эксплуатации
СТС при обучении, как правило, лишен возможности оценивать окружающую
обстановку (ситуацию), а так же результаты своих действий, и вынужден
пользоваться информацией, поступающей к нему по различным каналам. Данные,
поступающие от управляемых объектов, характеризующие обучающую среду, отображаются
на тех или иных устройствах и образуют то, что принято называть информационной
моделью (ИМ) реальных объектов.
ИМ представляет собой
важнейший элемент системы управления средствами сложных технических систем, так
как обучающийся на основе сведений, полученных через нее, должен принимать
решения, которые обеспечивают выполнение возложенных на него задач. Если
информационная модель отображает действительность неадекватно или не дает
возможности специалисту надлежащим образом воспринять информацию, необходимую
для понимания и осознания действительной ситуации, то она не годна для рассматриваемой
системы управления.
УТС должны быть способны
дать количество информации того же порядка, что и сложные технические системы в
реальных условиях.
Таким образом, УТС должны
создавать учебно-информационную модель (УИМ), которая способна обеспечивать возможность
выполнения всех операций деятельности специалистов по эксплуатации СТС, а так
же обеспечивать адекватность эргономических характеристик, адекватность реакции
УТС на действия обучающихся, функционировать в реальном масштабе времени,
обеспечивать полноту имитации требуемой обстановки, формировать условия,
соответствующие возможным внешним воздействиям на систему, учитывать влияние
физико-географических условий, учитывать динамику деятельности, обеспечивать
комплексное воздействие условий создаваемой обстановки на органы чувств обучающихся
[4].
Для организации процесса
формирования и поддержания навыков работы у специалистов по эксплуатации СТС
недостаточно сформировать адекватную УИМ на используемых тренажных средствах,
необходимо, кроме того, обеспечить возможность управления ее параметрами в
соответствии с задачами обучения.
Для реализации оптимального
управления параметрами эргатических элементов СТС необходимо учитывать их неопределенность
и неоднозначность ситуаций, в которых функционируют эти элементы, так как
данному специалисту присущи способности к индивидуальному усвоению обучающей
информации, а, следовательно, определенная субъективная особенность динамики
изменения показателей качества его деятельности.
Именно эти условия возникают
при решении задачи управления параметрами учебно-информационной среды на основе
сформированных задач обучения, с учетом текущего уровня подготовки специалистов
по эксплуатации сложных технических систем – как объекта управления. Только на
основе гибких стратегий управления качеством их деятельности, способных адаптироваться
к изменению условий, может быть достигнута высокая эффективность использования
тренажных средств. При этом система, реализующая метод ситуационного управления
должна обеспечить комплексное решение всех задач, определяющих процессы
анализа, контроля, прогнозирования, обучения и восстановления функциональных
характеристик специалистов по эксплуатации СТС.
Принципы ее построения,
состав и программно-математический аппарат должны обеспечивать учебный процесс,
создавать адекватную реальной УИМ и
управлять ее параметрами на всех этапах подготовки [2].
На каждом из этапов
подготовки организуется процесс обучения, обладающий своими специфическими
особенностями. В зависимости от дальнейшего предназначения специалиста этот
процесс может включать:
в учебных учреждениях –
передачу знаний обучающихся и формирование у них навыков использования СТС;
в производственных и других
учреждениях – поддержание навыков
индивидуальной и коллективной деятельности на требуемом уровне.
Специфическими особенностями
организации управляемого процесса обучения в тренажных средствах является то,
что управляемыми параметрами являются навыки специалистов при эксплуатации СТС,
оценить которые непосредственно не представляется возможным. Для оценки
состояния объекта управления в данном случае необходимо:
сформировать условия для
выполнения производимых действий;
зафиксировать процесс и
результаты этой деятельности;
провести анализ показателей
ее качества;
оценить психофизиологическое
состояние;
соотнести показатели
качества деятельности с ее условиями и состоянием субъекта деятельности.
Для решения этих задач в УТС
должна быть создана система объективного контроля (ОК). Система ОК должна обеспечивать
взаимосвязи между знаниями о конкретно сложившемся состоянии объекта
управления, результатами анализа индивидуальных характеристик специалиста по
эксплуатации СТС и знаниями базы данных учебных задач с целью выработки адекватных
решений для обучения.
Она должна обеспечивать сбор
первичной информации о значениях функциональных характеристик данных специалистов
и преобразовывать ее в необходимый для управления вид. При этом необходимо
иметь в виду, что основные требования к системам, работающим в режиме контроля
деятельности специалистов по эксплуатации СТС, могут быть сформулированы в виде
определенных положений:
система контроля должна
обеспечивать решение задач в реальном масштабе времени; длительность решения
задачи контроля и темп выдачи информации участвующих в процессе обучения;
в течение ограниченного
времени система контроля должна не только решать большое количество задач, но и
осуществлять обмен со многими внешними абонентами;
от системы контроля
требуется высокая надежность и программная устойчивость к сбоям и отказам
аппаратуры.
В ходе тренировки
руководителей различных уровней должна быть предусмотрена возможность
проведения объективного контроля, автоматизированной оценки их деятельности, а
также принятия решения на изменение управляющих воздействий в ходе последующих
тренировок.
Информация о значениях
показателей качества деятельности обучающихся должна храниться и накапливаться
от тренировки к тренировке. Это вызвано необходимостью анализа хода подготовки
специалистов по эксплуатации СТС не только руководителем тренировки с целью
последующей корректировки процесса обучения, но и необходимостью формирования
статистического материала, характеризующего эргатические элементы в составе сложной
технической системы. Для этого в состав системы ОК должны входить средства для
накопления результатов измерений, обеспечивающие хранение значений, полученных
в ходе сбора первичной информации, а также в процессе ее обработки. В качестве
средств хранения могут использоваться базы данных.
По полученной информации о
значениях функциональных характеристик осуществляется оценка специалистов по эксплуатации
СТС и принятие решения на изменение управляющих воздействий в ходе последующих
тренировок.
Оценка деятельности таких
специалистов должна осуществляться как руководителем тренировки, так и
автоматизировано программно-аппаратными средствами. Система должна производить
оценку не только отдельных специалистов по эксплуатации СТС, но и учебных,
производственных и других учреждений, использующих СТС, в целом. Решать такие
задачи в тренажном средстве может система автоматической оценки. Оценки специалистов
по эксплуатации СТС, а так же учреждения должны учитываться и храниться в базах
данных с целью их дальнейшего использования при анализе динамики изменения уровня
обученности персонала и планировании с ним учебного процесса.
Контур управления УТС должен
быть построен так, чтобы принятие решения на выбор управляющего воздействия осуществлялось
не только по субъективным оценкам руководителя тренировки, но и по данным
автоматической оценки специалистов по эксплуатации СТС, учреждения или по данным
ОК, полученным от соответствующей системы.
Принятие решений на
управление процессом тренировки, а также оценка качества деятельности
специалистов по эксплуатации СТС должны осуществляться на основе установленных
правил с использованием имеющихся знаний. Поэтому в состав тренажного средства
должна входить база знаний, включающая в свой состав факты и данные из области
условий необходимого вида деятельности, правила управления знаниями и классы
ситуаций и задач для тренировки. Эти данные должны быть получены от специалистов-экспертов
в ходе формирования базы знаний. В связи с тем, что при управлении процессом
тренировки должна обеспечиваться
подготовка специалистов по эксплуатации СТС в соответствии с тематикой
программы обучения, а также и с учетом решаемых задач, достижений в науке и
технике, то должна быть предусмотрена возможность изменения содержимого базы знаний. Для выполнения этой функции, а также для
извлечения данных от экспертов должны быть предусмотрены средства, позволяющие
пополнять базу данных учебных задач, изменять существующие и удалять старые
учебные задачи.
Использование экспертной
информации, а также возможность ее изменения при трансформации, добавлении и
удалении знаний, вызывает необходимость построения тренажного средства по
принципу экспертных систем или с применением отдельных элементов таких систем.
Таким образом, тренажные
средства должны строиться как системы, реализующие метод ситуационного
управления, на базе мощных персональных ЭВМ, обладать свойствами систем
искусственного интеллекта и включать в свой состав [2]:
систему управления процессом
обучения;
систему объективного
контроля;
систему автоматизированной
оценки;
систему принятия решений;
систему формирования учебной
информационной модели;
систему информационного
обеспечения.
Кроме того, современные УТС
модульного типа должны соответствовать необходимым требованиям по обеспечению
эффективного процесса обучения специалистов по эксплуатации СТС различного
назначения.
Оптимальное
использование тренажной системы расширяет диапазон устойчивости процесса
обучения, что, в свою очередь, позволяет уточнить допустимые интервалы значений
параметров тренажных средств, то есть решить задачу параметрического синтеза в
новых условиях.
Итерационное
решение этих задач позволяет обосновать требования к тренажным системам и их
элементам, максимально приближенные к предельно возможным значениям их
характеристик и обеспечивающие возможность выполнения задач учебного процесса
специалистов по эксплуатации СТС.
Структурная схема предлагаемого научно-методического
аппарата приведена на рис. 1.
Так
как тренажные средства и системы функционируют в качестве материальной основы
такой сложной организационной системы, как процесс обучения специалистов по
эксплуатации СТС, то общее количество факторов, влияющих на их эффективность, огромно.
Сокращение их числа для проведения факторного анализа на основе теории планирования
эксперимента возможно, исходя из анализа ограничений (критериальных, функциональных,
параметрических), не позволяющих рассматривать наиболее эффективные варианты
построения тренажных систем в процессе обоснования требований к ним. Кроме
того, результаты факторного анализа в значительной степени определяются рассматриваемым
диапазоном изменения значений каждого фактора, то есть областью существования
этих значений в рассматриваемых условиях.
Рисунок 1 –
Научно-методический аппарат обоснования требований к УТС СТС
В
процессе решения задачи структурного синтеза тренажных систем было определено,
что одними из важнейших являются ограничения, накладываемые на суммарный ресурс
учебного времени.
Характер
влияния этих ограничений оценивался на основе сравнения реально используемого в
процессе подготовки специалистов по эксплуатации СТС ресурса учебного времени с
его требуемыми значениями для поддержания заданного их уровня обученности.
При
этом для определения требуемого ресурса учебного времени, обеспечивающего
качественное выполнение учебного процесса, использовалась математическая модель
обучаемости [1, 5]. В соответствии с этой моделью в процессе обучения и
тренировочных занятий навыки у обучающихся приобретаются по закону:
.
В перерывах между тренировочными занятиями
сформированные до определённого уровня навыки утрачиваются по закону:
,
где: 
– уровень
обученности в конце тренировочного занятия;
– уровень обученности
в начале тренировочного занятия;
– предельный уровень обученности;
– длительность
тренировочного занятия;
– показатель,
характеризующий скорость приобретения навыка по i-й операции (этапу)
деятельности специалиста по эксплуатации СТС;
– уровень
обученности в конце перерыва между тренировочными занятиями длительностью 
;
– уровень
обученности в начале перерыва;
– остаточный уровень
обученности при 
;
– длительность
перерыва между тренировочными занятиями;
– показатель,
характеризующий скорость утраты навыка по выполнению i-й операции (этапу)
деятельности специалиста по эксплуатации
СТС.
В
[3] показано, что допустимое время перерывов между тренировочными занятиями,
обеспечивающее выполнение условия 
, рассчитывается по формуле
(при расчёте принимается,
что 
; 
; 
; 
).
Очевидно,
что, задавая длительность тренировочных занятий и определяя соответствующую
длительность перерывов между ними, можно вычислить ресурс учебного времени,
требуемый для поддержания навыка по выполнению каждой операции на заданном
уровне в течение периода обучения. Зависимости суммарного времени, необходимого
на поддержание навыков выполнения операций (этапов) деятельности специалистов
СТС специального назначения в процессе обучения, от соотношения требуемого
уровня навыков 
к предельному их значению 
для реальных значений показателей 
и 
показаны на рис. 2. Зависимость допустимого времени
перерыва между тренировками от сложности операций работы СТС специального
назначения приведена на рис. 3 [4].
Рисунок 2 – Зависимость
потребного ресурса учебного времени от соотношения требуемого уровня навыка к
его предельному значению в диапазоне сложности операций работы СТС специального
назначения
Рисунок 3 – Зависимость допустимого времени перерыва
между тренировками от сложности операций работы СТС специального назначения
Следует отметить, что для
решения всего множества задач, поставленных перед тренажными средствами, они
должны строиться на современной элементной базе. В качестве их элементной базы
необходимо использовать современные мощные персональные ЭВМ с требуемым
программным обеспечением. Кроме того, принципиально значимым в настоящее время
становится принцип «модульности» СТС, обеспечивающий необходимую «гибкость» и
эффективность процесса обучения специалистов по эксплуатации СТС, за счёт чего
достигается повышение уровня знаний и умений обучающихся.
Таким образом, реальной основой подготовки
специалистов по эксплуатации СТС могут служить тренажёрные средства,
позволяющие обеспечить: обучение различных специалистов в условиях, адекватных
реальным; проведение тренировок с периодичностью, позволяющей поддерживать
приобретённые умения и навыки на требуемом уровне; управлять качеством работы СТС; производить ОК и давать оценку
действиям обучающихся с последующим документированием результатов в базе данных
тренажной системы.
Литература
1. Аткинсон Р. и др. Введение в математическую
теорию обучения. - М.: Мир, 1969. - 486 с.
2. Андреев С. Г. Модель оценки
боевой работы стрелков-зенитчиков на тренажёрах ПЗРК с использованием нечётких
экспертных систем: дис. канд. техн. наук 20.02.12 защищена 26.06.2009 г. /
Станислав Геннадьевич Андреев; ВА ВПВО ВС РФ, инв. № 20483. – Смоленск, 2009. – 219 с.
3. Букшин Ю. П., Полосин В. Г. Метод определения параметров математической
модели обучаемости по ограниченному числу экспериментов. - НММ в/ч 03444,
1980.- Вып. 29.- С. 11-19.
4.
Касьян М. И. Основы теории построения тренажёрно-моделирующих комплексов и
систем для войск ПВО СВ: дис. доктора технических работ 20.02.14 : защищена 19. 11. 97 г. / Михаил
Иванович Касьян; Санкт-Петербургское
высшее зенитное ракетное училище - Санкт-Петербург, 1997. - 397 с.
5. Шенон Р. Имитационное моделирование – искусство и наука.- М.:
Мир, 1978. - 414 с.
Integrated
system of simulators for solving problem
of
increasing specialists training effectiveness
in
utilization of complex technical systems
Andreev S. G., Birko N. I.
The need is stressed to develop module type simulators with objective control,
actions estimation and results storage of training for providing of increasing
specialists training effectiveness in utilization of complex technical systems.
The structure of science-methodical description for basing of requirements to
modern simulators is given in this article.
Key words: module type simulators.
Академия войсковой ПВО Вооруженных Сил РФ
им. Маршала Советского Союза А.М. Василевского, г. Смоленск
Поступила в редакцию 21.02.2013.