Теоретические основы создания виртуального тренажерного комплекса по экологической безопасности

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАЗОВАНИЯ

УДК 502.35:659.1

Теоретические основы создания виртуального тренажерного комплекса по экологической безопасности

А. П. Хаустов,

доктор

геолого-минералогических наук, профессор РУДН, академик Российской экологической академии

М. М. Редина,

кандидат экономических наук, доцент РУДН

Рассмотрены теоретические основы создания компьютерных обучающих технологий по экологической безопасности. Впервые обосновано применение виртуальных тренажерных комплексов для подготовки специалистов в сфере HSE-менеджмента. На основе содружества коллективов МИЭЭ и РУДН создан первый в России виртуальный тренажер по экологической безопасности.

Ключевые слова: HSE-менеджмент, виртуальная модель, виртуальный тренажер, экологическая безопасность, компьютерные технологии обучения.

Введение

HSE (от англ. Health, Safety, Environment -здоровье, безопасность, окружающая среда) -новое комплексное направление, сравнительно недавно введенное в практику в передовых компаниях России. Это направление объединяет охрану труда, промышленную и экологическую безопасность.

Такие компании, как Татнефть, ТНК-BP, Лукойл и другие взяли курс на интенсификацию этой сферы менеджмента и рассматривают его как неотъемлемую часть общей стратегии управления.

В зарубежных вузах направление «HSE-менеджмент» развивается в рамках магистратуры, так как необходима основательная подготовка по казалось бы разным, но взаимосвязанным на производстве видам деятельности. В России такая подготовка начата в РУДН на экологическом факультете. К данной программе многие учебные заведения проявляют значительный интерес.

Индустрия тренажерных технологий

Проблемы подготовки специалистов обусловлены многообразием ситуаций, возникающих на опасных производственных объектах. Такие ситуации зачастую можно предотвратить благодаря превентивным мерам и действиям лиц, принимающих решения. Именно на таких лиц и рассчитана подготовка в области НБЕ-менеджмента.

Подготовка современных квалифицированных специалистов невозможна без организации и проведения лабораторных практикумов по базовым учебным дисциплинам общей профессиональной и специальной подготовки. Однако лабораторные работы -наиболее дорогостоящий вид учебных занятий, и их организация иногда оказывается практически недоступной по экономическим причинам для многих учебных заведений в России. В настоящее время сделана ставка на развитие профессиональной виртуальной среды. Под этим термином мы понимаем широкое применение ГИС-моделей для воссоздания

нмияииии

информационной среды, служащей для визуализации результатов и моделирования воздействия на те или иные компоненты среды с последующим устранением и/или предупреждением данных воздействий на специальных тренажерных комплексах.

Очевидна необходимость автоматизации учебных лабораторных исследований с применением вычислительной техники, которая позволяет решать целый ряд задач, ранее недоступных в учебной практике:

1) детальное исследование статических и динамических характеристик испытуемых объектов;

2) поиск алгоритмов эффективного управления этими объектами при учете нескольких целевых показателей и ограничений;

3) оперативная диагностика технического состояния моделируемых объектов;

4) идентификация параметров математических моделей;

5) прогнозирование качества функционирования объекта;

6) модели функционирования объекта в условиях нештатной (аварийной) ситуации и ситуации, сложившейся в данном регионе.

В настоящее время в практику передовых методов обучения входит понятие «синергетическая технология». В ее основе лежат виртуальные модели объектов или процессов, позволяющие обучаемому почувствовать себя в непосредственной профессиональной среде. Это своеобразный отход от классической системы образования (традиционные лекции, лабораторный практикум, семинары, курсовое и дипломное проектирование). Суть новой образовательной технологии заключается в том, что среда деятельности обучаемого становится информационной, он выступает в ней как приемник-детектор, преобразователь, генератор и транслятор информации.

В традиционной схеме обучаемые получают глубокие знания лишь по отдельным дисциплинам, объединить же эти знания на практике представляется возможным только после нескольких лет работы, да и то в должности руководителя с необходимостью принимать ответственные решения. Оперативность принятия таких решений требуется практически на всех опасных производственных объектах, учитывая износ основных производственных фондов России. Виртуальная же среда дает возможность почувствовать себя в роли должностного лица непосредственно на практике в самом процессе обучения на определенных сценариях «воздействие техногенеза -результат» с самооценкой и тестированием уровня теоретических знаний. Это своего рода компьютерная «игра», которая позволяет идти от простых моделей оценок воздействия производственной среды (техносферы) к управлению и минимизации этих воздействий, ликвидации последствий с оценками экономических ущербов. Именно в этом мы видим главные положительные качества обучения с погружением в виртуальную профессиональную среду.

Появление тренажеров в современном понимании было обусловлено необходимостью массовой подготовки специалистов для работы либо на однотипном оборудовании, либо со схожими рабочими действиями и, в первую очередь, для военных нужд. Индустрия тренажерных технологий сформировалась в последней четверти двадцатого века преимущественно в образовательном направлении «безопасность в техносфере». Сегодня тренажерные технологии - это сложные комплексы, системы моделирования и симуляции, компьютерные программы и физические модели, специальные методики, создаваемые для того, чтобы подготовить личность к принятию качественных и быстрых решений (рис. 1).

Рис. 1. Современная структура компьютерных обучающих технологий

Тренажерные комплексы, отражающие негативные процессы в окружающей среде при эксплуатации природных ресурсов с последующей их реме-диацией, до настоящего времени созданы не были. Имелись лишь отдельные фрагменты, иллюстрирующие развитие того или иного процесса, например, распространение примеси в водотоке или атмосфере, рекультивация земель от загрязнения, ОТ и др. Чаще они представляли собой учебные фильмы или тестовые системы проверки знаний. Но модель может стать тренажером только тогда, когда она эво-люционна, т.е. допускает всевозможные надстройки в виде изменения ситуации, дает возможность производить оценку тех или иных действий и способна многократно реализовываться в различных формах и целевых задачах.

Очевидно, что необходимым элементом эффективного обучения являются постоянные тренировки или действия обучаемого в реальной ситуации. От того, как представлена эта деятельность в тренажерном комплексе, зависит очень многое. Иными словами, акцент обучения должен быть смещен на многократно изменяющиеся ситуации с постоянным тестированием правомерности действий обучаемого с помощью виртуальных информационных моделей.

С точки зрения образования для устойчивого развития (принципы комплексности, модульности и вариативности, прогностичности, технологичности и практичности) важны ситуации, связанные с воздействием чрезвычайных событий природного и техногенного характера. Именно здесь мы видим широкую перспективу применения тренажерных комплексов в обучении.

Современные обучающие программные продукты

Современные программные продукты представлены разнообразными типами моделей, которые в зависимости от объекта моделирования подразделяются:

- на модели объектов и процессов естественной природы;

- модели объектов второй природы (технические сооружения) и технологические процессы;

- модели различных видов деятельности - экспериментов, систематизации, обобщения, решения задач, научных исследований.

Для любой виртуальной модели создаются три основных блока: блок ввода данных, блок обработки и блок вывода результата на экран. Существуют различные формы доступа к этим блокам, а в зависимости от способа представления результатов их можно разделить на статичные, динамичные и комбинированные.

Статичные модели виртуальной среды - это прочно вошедшие в систему образования электронные учебники. Динамичные (анимационные) модели подразделяются на демонстрационные и мани-пулятивные. Первые - это так называемые «живые рисунки» (графики, диаграммы), параметры моделей изначально заданы в алгоритмах программы и не могут изменяться пользователем. Демонстрационные - это также электронные учеб-

ные издания с применением некоторых имитационных (интерактивных) процедур (чаще «воздействие - эффект»).

Наиболее перспективными (дидактивными) моделями являются, на наш взгляд, манипулятивно-динамические, в которых пользователь может управлять их работой, чаще - через ввод определенных данных, которые обусловливают характер поведения модели.

Блок обработки может быть закрытым, однако принципы расчета должны быть доступны в виде теоретической части комплекса, желательно с тестированием обучающего для представления применяемого аппарата.

Лежащая в основе тренажера виртуальная информационная модель (ВИМ) - созданная на основе компьютерного моделирования система, отражающая форму, внутреннюю структуру и функции природного (биологического) объекта. Основная задача ВИМ - воссоздание в компьютерном варианте структурно-функциональных и тех-ногенно измененных процессов, происходящих в природных прототипах. Степень подобия модели с реальным объектом, а также модели самого прототипа может быть различной и определяется характером решаемых задач.

Основными постоянными элементами ВИМ являются база данных модели, моделирующие программы (основная и вспомогательные -они обращаются к БД и осуществляют непосредственный процесс моделирования) и сценарий, определяющий выбор моделирующих программ и последовательность их использования согласно характеру воссоздаваемой функции (рис. 2). Функциональная структура основана на принципе интерактивности, т.е. постоянного взаимодействия обучаемого с тематическими модулями тренажера.

Информационная модель, создаваемая с использованием принципов ВИМ, обладает следующими свойствами, особенно важными для имитации состояния экосистем [1]:

• универсальность - моделируется любой природный объект, от которого можно получить послойные электронные изображения любым методом;

• реляционность - ВИМ учитывает все необходимое множество связей между элементами и непрерывно поддерживает их динамическое соответствие;

• полифункциональность - в одной модели может быть одновременно воспроизведено множество функций, характерных для конкретного моделируемого объекта;

• динамичность - возможность изменения числовых характеристик точек в течение условного времени;

• фрактальность - каждая точка модели одновременно может отражать все многообразие свойств и характеристик конкретной области объекта;

• иерархичность - каждая точка многоуровневой модели может сама по себе являться отдельной ВИМ, но в системе они соподчинены и взаимоувязаны относительно иерархии;

№ШШ2Ж0

Рис. 2. Функциональная структура виртуального тренажера

• способностью к саморазвитию - в случае изменения значений числовых характеристик отдельных точек в ВИМ предусмотрено изменение числовых характеристик соседних точек, а также направленности и силы связей между точками.

По своей сути данные свойства обязательны при моделировании любых систем и широко применяются в имитационном моделировании с начала 70-х годов прошлого столетия. Новым является возможность графического отображения процессов в динамике, что обусловлено техническими возможностями вычислительных средств.

Рассмотрим пример применения ВИМ для оценки негативных процессов при аварии на магистральном нефтепроводе (МН). Создание таких тренажерных комплексов проводится в настоящее время в рамках проекта РУДН для использования в образовательном процессе при подготовке НБЕ-менеджеров1.

«Нулевым» шагом является предварительное тестирование с целью определения уровня теоретической подготовки студента и допуска его к модели. При условии успешного прохождения тестирования возможна дальнейшая работа с моделью.

Общий ход создания ВИМ включает следующие этапы (рис. 3).

1. Первым этапом формирования модели является создание БД. Согласно вышеизложенным принци-

1 В настоящее время магистерская программа по Н8Е-менеджменту создается в РУДН. Проект проводится в рамках Программы «Конкурс грантов ОАО «ТНК-ВР Менеджмент» для профильных высших учебных заведений Российской Федерации», финансируемой ОАО «ТНК-ВР Менеджмент»

пам ВИМ, ландшафтная обстановка будет представлена серией послойных изображений (рельефа, почвы, растительности, источников воздействия и др.). Она рассматривается как совокупность точек (пикселей) электронного изображения. Таким образом, БД позволяет формировать различные сценарии воздействия на компоненты окружающей природной среды. В качестве первичных источников информации выступают топографические карты, карты растительности, почвенные карты, аэрофотоснимки, которые оцифровываются для создания 3D моделей. Таким образом, оцениваются естественная защищенность ландшафта и возможности ассимиляции нефти и нефтепродуктов, а также размещение механизмов, сил и средств при возможной аварии на МН; технологии, минимизирующие воздействия на окружающую среду.

2. Блок воздействий. С помощью утвержденных методик рассчитываются объемы возможных разливов нефти или нефтепродуктов. Эти объемы могут варьироваться в широких пределах в зависимости от ряда технических параметров: диаметра трубопровода, объемов перекачиваемой нефти, ее вязкости, температуры, диаметра отверстия и др. В зависимости от выбранного сценария (от незначительного до катастрофического) данными параметрами задается модуль техногенного давления.

3. Блок организационных мероприятий. Имитируется реагирование на ЧС в зависимости от ее уровня - информирование соответствующих структур (МЧС, руководство объекта, пресса), развертывание сил реагирования, порядок действий в ЧС и др.

«Нулевой» шаг. Предварительное тестирование с целью определения уровня теоретической подготовки и допуска его к модели. При условии успешной сдачи тестирования возможна дальнейшая работа с моделью

1. Создание БД. Ландшафтная обстановка представлена серией послойных изображений (рельефа, почвы, растительности, источников воздействия и др.). Она рассматривается как совокупность точек (пикселей) электронного изображения. БД позволяет формировать различные сценарии воздействия на компоненты окружающей природной среды

2. Блок воздействий. Расчет объемов возможных разливов нефти или нефтепродуктов. В зависимости от выбранного сценария (от незначительного до катастрофического) данными параметрами задается модуль техногенного давления

3. Блок организационных мероприятий. Имитируется реагирование на ЧС в зависимости от ее уровня - информирование соответствующих структур, развертывание сил реагирования, порядок действий в ЧС и др.

(-

4. Блок сценариев развития нежелательных процессов. Формируется от относительно благоприятных условий до крайне неблагоприятных

5. Природозащитный блок. Подбор технических средств по ликвидации аварии и восстановлению территории

6. Блок организации постмониторинга. Размещение постов, сроки, состав наблюдения

7. Блок оценки (анализа деятельности оператора). Основан на системе тестов, которые сопровождают весь ход манипуляций. В блоке анализируются слабые места в знаниях, выявляется необходимость дополнительной подготовки

Рис. 3. Этапы создания виртуального тренажера

4. Блок сценариев развития нежелательных процессов. Формируется от относительно благоприятных условий (небольшие объемы нефти изливаются на слабопроницаемые породы с незначительными масштабами распространения) до крайне неблагоприятных (разливы федерального уровня в условиях хорошо проницаемых отложений, с большими уклонами местности и водными и жилыми объектами в непосредственной близости от места аварии).

Здесь решаются следующие задачи:

- оценка скорости распространения потока;

- возможности достижения жилых объектов, водных потоков, водозаборов, особо охраняемых природных территорий;

- оценка потерь легких фракций на испарение с загрязнением атмосферы;

- оценка возможной инфильтрации в почвы с расчетом объема загрязненных почв и отнесением их к категории отходов;

- оценка достижения фронтом загрязнения зоны насыщения и возможности миграции с подземным потоком в водные объекты или объекты водопользования.

5. Далее формируется природозащитный блок. Это технические средства, препятствующие движению нефти (расчет согласно СНиП ограждающих дамб), водоемов-сифонов для сбора плавающей нефти, технологий сбора загрязненных грунтов с последующей ремедиацией; применение сорбентов, термических, химических и биологических методов очистки грунтов и водоемов.

6. Блок организации постмониторинга - размещение наблюдательной сети, сроки и состав наблюдения.

7. Блок оценки (анализа деятельности оператора). Основан на системе тестов, которые сопровождают весь ход манипуляций. В блоке выявляются слабые

места в знаниях и необходимость дополнительной подготовки [2-4].

Таким образом, концепция виртуальных тренажерных комплексов основана на следующей непрерывной схеме обучения: теоретические знания ^ погружение в производственную среду (с использованием виртуальных тренажеров) ^ тестирование ^ выявление узких мест ^ выбор направлений дополнительной подготовки ^ необходимые материалы ^ погружение в производственную среду.

В качестве примера приведем опыт создания виртуального тренажерного комплекса по экологической безопасности, создаваемого в сотрудничестве коллективами РУДН и МИЭЭ.

Работы по созданию виртуального тренажера проводились в тесном взаимодействии с профильными подразделениями ОАО «ТНК-ВР Менеджмент» и других структур ТНК-ВР.

Целевая группа проекта - прежде всего, студенты-экологи старших курсов (студенты экологического факультета РУДН и других заинтересованных вузов). Однако создатели ВТК считают, что предлагаемый комплекс может быть использован гораздо шире. Комплекс может применяться при подготовке сотрудников МЧС, надзорных органов МПР, органов местного самоуправления, осуществляющих свою деятельность в области экологической безопасности, студентов и аспирантов, специализирующихся в области охраны окружающей среды и по родственным специальностям.

Выводы

В электронном тренажере предпринята попытка интегрировать несколько электронных средств учебного назначения с элементами научного творчества, которые могут рассматриваться как деятельность обучаемого по обработке информации и представле-

нмияииии

нию ее в виде отчетной документации. Основная цель ВТК состоит в отработке практических навыков ликвидации последствий аварий на магистральных нефтепроводах и предполагает решение следующих задач:

- получение теоретических знаний в области экологической безопасности;

- обучение составлению ПЛАРН;

- категоризация аварийных ситуаций и организация управления операциями ЛАРН и систем мониторинга аварий;

- оценка влияния реальных и отдаленных последствий аварийного разлива нефти на компоненты окружающей среды;

- выбор наиболее эффективных технологий и технических средств для ликвидации аварийных разливов нефти;

- разработка алгоритмов действий спасательных служб и подразделений в условиях ЧС;

- создание эффективной системы мониторинга негативных последствий и оценки эффективности реабилитационных мероприятий;

- эколого-экономическая оценка ликвидации последствий аварии и нанесенного ущерба компонентам окружающей среды.

Результаты проекта были представлены на российских и международных форумах различного уровня (таких, как Российско-французские дни высшего образования, научных исследований и инноваций в области окружающей среды и устойчивого развития, Всемирная конференция по образованию для устойчивого развития и др.). В 2009 году проект стал лауреатом Национальной экологической премии, присуждаемой Фондом им. В. И. Вернадского.

Литература

1. Золотов Е. В., Ионичевский В. А., Кондратьев А. И., Савин С. З. Информационное моделирование живых систем.- Владивосток: Дальнаука, 1991.- 240 с.

2. Хаустов А. П., Редина М. М. Подготовка НБЕ-менеджеров - новое направление в экологическом образование/Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность территорий регионов России: IV Всеросс. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2007. - С. 117-119.

3. Редина М. М., Хаустов А. П. НБЕ-менеджмент - это актуально//Охрана труда и социальное страхование.- 2008.- №5. - С. 32-35.

4. Хаустов А. П., Редина М. М. Подготовка НБЕ-менеджеров - новое направление в образовании для устойчивого развития // Образование для устойчивого развития в высшей школе России: научные основы и стратегия развития. Материалы / Под ред. акад. РАН Н. С. Касимова - М.: МГУ, 2008. - С. 182-189.

НЛШИИЕИ1И