Построение компьютерных учебно-тренировочных комплексов по эксплуатации ракетно-космической техники

ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ УЧЕБНО-ТРЕНИРОВОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Р.В. Бизяев, П.А. Иосифов, А.К. Недайвода, В.Н. Решетников, В.П. Соколов

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности общества создаются сложные технические системы (атомные электростанции, ракетно-космические системы и комплексы и др.). Создание, функционирование, сопровождение и модернизация - это процессы, которые при допущении ошибочных действий могут привести к техногенным катастрофам, подобным Чернобыльской.

Важнейшую роль для исключения подобных просчетов и выбора оптимальных проектно-конструкторских решений играют компьютерные моделирующие тренажерные комплексы, которые позволяют при выборе проектных решений отбрасывать заведомо непригодные решения, а при подготовке соответствующих кадров отрабатывать действия персонала в критических ситуациях, не воспроизводя их в натурных экспериментах. Последнее может сохранить и человеческие жизни, и окружающую среду. Очевидно, что такие моделирующие тренажерные комплексы должны строиться на базе моделей высокого уровня, обладать качественным интеллектуальным программным обеспечением, предоставлять пользователю удобный и простой в работе, естественный в данной проблемно-ориентированной области интерфейс, обеспечивать необходимую визуализацию происходящих процессов. Другими словами, должна быть создана виртуальная среда, адекватно отображающая все стороны решаемой задачи.

Ракетно-космическая техника (РКТ) в силу своей сложности, особенностей использования различных компонент, в том числе и химических, относится к числу таких сложных технических систем, эффективное освоение и эксплуатация которых требует создания моделирующих тренажерных комплексов.

Одним из важных процессов, при подготовке к эксплуатации РКТ, является подготовка ракеты-носителя (РН), разгонного блока (РБ) и космического аппарата (КА), которые характеризуются высокой сложностью, большим числом операций управления и контроля с привлечением значительного числа оперативного персонала, задействованного в процессе принятия решения.

Возрастающая сложность современной РКТ и технологического оборудования подготовки и обслуживания РН, РБ и КА на техническом и стартовом комплексах достигла такого уровня, при котором упущение в процедурах технического обслуживания может оказаться предпосылкой к опасному запуску, возникновению нештатных и

даже аварийных ситуаций или к выводу из строя дорогостоящего технологического оборудования.

Повышаются требования к степени освоения РКТ личным составом эксплуатирующей организации, к профессиональной подготовке специалистов, обслуживающих современную РКТ, удовлетворить которые при сохранении традиционных программ и методов первоначального обучения и практики в настоящих условиях становится все более затруднительно (из-за высокой стоимости реальных объектов и достаточно небольшой программы запусков). Из этого вытекает требование непрерывного совершенствования процесса обучения, методов, форм и приемов обучения, сокращения сроков освоения новых образцов РКТ, а также времени, необходимого на подготовку специалиста. Таким образом, стоит задача выявлять новые формы и методы совершенствования подготовки.

Объективной предпосылкой создания учебно-тренировочных средств (УТС) является необходимость повышения качества подготовки личного состава эксплуатирующих организаций, принципа действия, правил эксплуатации образцов техники, а также отработки, совершенствования и поддержания профессиональных навыков и умений по выполнению технологических операций на всех этапах эксплуатации изделий РКТ по назначению.

УТС способны обеспечить достаточную квалификацию обслуживающего персонала за счет постоянной работы на тренажерах и осуществления контроля знаний в целях предотвращения грубых ошибок при проведении процессов подготовки РН, РБ и КА на космодроме. Естественно, принятие решений человеком в таких ситуациях надо максимально облегчить посредством применения экспертных систем и прогнозирующих моделей развития аномальных процессов в объектах управления.

Традиционно подготовка взаимодействия личного состава эксплуатирующей организации проводится с использованием макетов штатных систем управления, объектов РКТ и их систем, технологического оборудования и представляет собой сложный трудоемкий и малоэффективный процесс - комплексную тренировку. Как правило, процесс такой тренировки увязывает поиск неисправностей в системах управления и устранение нестыковок в программном обеспечении систем управления различных уровней.

Решением данных проблем, связанных с финансовыми ограничениями, может служить создание комплексов УТС на основе компьютерных систем обучения (КСО).

Современный учебный процесс сложно представить без использования компьютерных учебников, задачников, тренажеров, справочников, тестирующих и контролирующих систем и других КСО, которые составляют обширный класс средств, относящихся к образовательным информационным технологиям (ИТ).

Роль ИТ в системе образования соотносится с тремя уровнями их применения (рис. 1). На пер-

вом ИТ выступают в качестве инструментария для решения отдельных педагогических задач в рамках традиционных форм образования и методов обучения. КСО на данном уровне обеспечивают поддержку учебного процесса наравне с прочими (некомпьютерными) учебно-методическими средствами. Место КСО и возлагаемые на них функции определяются сложившимися принципами организации обучения. Другими словами, КСО используются в пассивном качестве, то есть не оказывают влияния на образовательную систему.

Активная роль ИТ проявляется на втором и третьем уровнях. Она обусловлена тем, что по сравнению с традиционными учебно-методическими средствами КСО обеспечивают новые возможности, а многие существующие функции реализуются с более высоким качеством. Основные преимущества КСО:

- создание условий для самостоятельной проработки учебного материала (самообразования), позволяющих обучаемому выбирать удобные для него место и время работы с КСО, а также темп учебного процесса;

- более глубокая индивидуализация обучения и обеспечение условий для его вариативности (особенно в адаптивных КСО, способных настраиваться на текущий уровень подготовки обу-

чаемого и области его интересов); возможность работы с моделями изучаемых объектов и процессов (в том числе тех, с которыми сложно познакомиться на практике);

- возможность представления и взаимодействия с виртуальными трехмерными образами изучаемых объектов; возможность представления в мультимедийной форме уникальных информационных материалов (картин, рукописей, видеофрагментов, звукозаписей и др.); возможность автоматизированного контроля и более объективное оценивание знаний и умений; возможность автоматической генерации большого числа не повторяющихся заданий для контроля знаний и умений;

- возможности поиска информации в КСО и более удобного доступа к ней (гипертекст, гипермедиа, закладки, автоматизированные указатели, поиск по ключевым словам, полнотекстовый поиск и др.);

- создание условий для эффективной реализации прогрессивных психолого-педагогических методик (игровые и состязательные формы обучения, экспериментирование, «погружение» в виртуальную реальность и др.).

Перечисленные достоинства характеризуют КСО в дидактическом и функциональном отношениях. К технологическим преимуществам КСО относятся: повышение оперативности разработки; более простое обновление и развитие; легкое тиражирование; более простое распространение (особенно при использовании Internet).

Из сказанного следует, что в современной системе образования при возникновении потребности в определенных учебно-методических средствах при прочих равных условиях КСО будет отдаваться предпочтение перед традиционными средствами. В дальнейшем, на наш взгляд, ситуация еще больше изменится в пользу КСО, то есть даже при наличии удовлетворительных традиционных учебно-методических средств будет ставиться задача создания или приобретения соответствующих КСО.

Наиболее широкое распространение тренажерные комплексы на основе компьютерной техники и информационных технологий нашли в процессе подготовки пилотов авиационной техники. Также существуют компьютерные тренажерные системы подготовки космонавтов. В системе эксплуатации активно начинают появляться как за рубежом (фирма «Boeing»), так и в нашей стране (Корпорация «Иркут», АВПК «Сухой» и др.), интерактивные электронно-графические технические руководства, основанные на технологии виртуальных

Уровни применения ИТ в системе образования Развитие функциональной и организационной структуры образования, воплощение их в новых формах образования

i L Новые методы и формы обучения ^ Активная роль ИТ

Развитие дидактики и методики J

i L Новые возможности, обеспечиваемые ИТ 4 Пассивная роль ИТ

ИТ как инструментарий для решения отдельных педагогических задач в рамках традиционных форм образования и методов обучения

Рис. 1. Уровни применения ИТ в системе образования

руководств, которые, как правило, используют трехмерные электронные СЛБ/СЛМ/СЛБ-модели.

УТС на основе КСО для личного состава, обеспечивающего подготовку к эксплуатации изделий РКТ, содержат:

- техническую документацию, представленную в виде дерева технологического процесса и сопровождаемую показом видео- и фотоматериалов реального объекта, что дает полное представление обучаемому о всех этапах подготовки объекта эксплуатации;

- интерактивные динамические модели режимов работы и функционирования реальных блоков, узлов и систем, как объекта эксплуатации так и технологического оборудования, реализованные с применением технологии виртуальной реальности, позволяющие повысить эффект присутствия и тем самым эффективность процессов обучения и тренажа;

- базы данных, содержащие информацию о составе объекта эксплуатации, наземного оборудования, условий проведения технологических операций, о предприятиях и организациях, участвующих в подготовке изделий к эксплуатации, статистические данные реальных процессов, возможные и фактические нештатные ситуации и пути выхода из них, способствующие правильной оценке имитируемой обстановки и повышающие скорость принятия решения.

Прогресс в развитии аппаратных и инструментальных программных средств в области компьютерной индустрии предоставляет хорошие технические возможности для реализации различных методических и дидактических идей при создании УТС. Однако, как показывает анализ отечественных и зарубежных компьютерных систем учебного назначения, многие из них не отвечают своим первоначальным требованиям. Дело в том, что уровень качества продукта учебного назначения закладывается на этапе его проектирования, при подготовке учебного материала в процессе формирования информационного обеспечения УТС, при создании сценариев учебной работы с компьютерными системами моделирующего типа, при разработке задач и упражнений.

Основная трудность в создании УТС подготовки личного состава обусловлена многообразием целей, методов и средств, используемых в процессе обучения. Каждый компонент системы обучения должен быть реализован на одинаково высоком уровне. Если говорить о требованиях по назначению, то УТС должны обеспечивать обучение специалистов (руководящего и рядового состава) на всех этапах их профессиональной деятельности:

- обучение в учебном заведении;

- подготовка, переподготовка и допуск к самостоятельной работе в эксплуатирующей организации;

- поддержание требуемого уровня и совершенствование профессиональных навыков в условиях эксплуатирующей организации.

Требования по содержанию информационного наполнения УТС заключаются в разностороннем освещении следующих основных вопросов:

• назначение образца, его тактико-технические и эксплуатационные характеристики, принцип действия (функционирования) и устройства;

• условия эксплуатации и режимы функционирования;

• объем и порядок выполнения работ по подготовке к использованию;

• приведение в различные состояния технической готовности и содержание в этих состояниях;

• поддержание в исправном, работоспособном состоянии, порядок поиска и устранения неисправностей;

• численность и квалификация обслуживающего и управленческого персонала;

• состав и взаимодействие между организациями, принимающими участие в эксплуатации комплекса;

• состав и содержание документации, определяющей порядок управления эксплуатацией комплекса, технологию проведения работ на всех этапах эксплуатации, права и обязанности должностных лиц;

• нормы расхода материальных, энергетических и других видов ресурсов;

• правила и меры безопасности при эксплуатации, защита от несанкционированных действий и других действий и процессах, выполняемых обслуживающим персоналом при планировании, организации, руководстве и непосредственной работе в процессе эксплуатации образца.

Такие УТС моделируют все режимы реальных средств, все виды и способы управления ими, а также позволяют отрабатывать вопросы подготовки, проверки и технического обслуживания аппаратуры средств, отображают логику работы аппаратуры после каждого действия оператора и контролируют усвоение учебного материала с помощью специальных тестов, фиксируют все ошибки операторов и отображают их на терминалах руководителя занятий и обучаемого.

Техническое обеспечение построено на основе стандартной вычислительной и организационной техники, что позволяет сократить затраты на разработку и производство специализированной тренажерной аппаратуры и повышает тиражируе-мость и совершенствование УТС.

Технические средства обучения наглядно отображают функциональную структуру, принципы работы изучаемых средств.

Программные средства УТС включают общесистемное обеспечение, состоящее из комплекса программ, с помощью которых реализуется конкретная конфигурация операционной системы, и

специального обеспечения в виде прикладных программ и программ пользователей.

Схема обобщенной архитектуры УТС программного обеспечения показана на рисунке 2.

Информационные компоненты УТС подразделяются на три класса:

1) информационные компоненты, входящие в УТС;

2) информационные компоненты для настройки УТС;

3) информационные компоненты, формируемые УТС и отражающие результаты работы обучаемых.

Информационные компоненты, входящие в УТС, в свою очередь, разбиваются на две группы. Первая включает компоненты, содержание которых ассоциируется с изучаемым процессом (объектом). К ней относятся различные составляющие учебного материала и множество учебно-тренировочных задач (УТЗ). Вторая группа объединяет компоненты, связанные в содержательном плане с УТС как с программным средством. На схеме архитектуры выделено два таких компонента: блок содержания УТС и справка по работе с УТС.

Учебный материал и УТЗ могут включать ссылки на информационные и программные объекты. Структурные единицы учебного материала

могут ссылаться на УТЗ и внешние программные модули (объекты), УТЗ - на структурные единицы учебного материала, а также на внешние программные модули (например, обеспечивающие моделирование изучаемых сущностей).

Таким образом, в процессе обучения специалистов, обслуживающих современную РКТ, основанном на применении компьютерных модели-

рующих систем и оценки их действий, можно получить значительный экономический эффект за счет внедрения новых информационных и компьютерных технологий, а также повысить их квалификацию.

Список литературы

1. Альбрехт А.В., Бизяев Р.В., Владимиров А.В., Баталин Н.Н., Пущенко Н.Н. Информационная модель сопровождения лабораторно-стендовой отработки изделий РКТ. // Полет.- М.: Машиностроение, 2003.

2. Михайлюк М.В., Решетников В.Н., Хураськин И.А. Технология взаимодействия человека с виртуальной средой. // Программные продукты и системы. - 2004. - № 2. - С.16 - 19.

3. Михайлюк М.В. Компьютерная графика в системах визуализации имитационно-тренажерных комплексов. // Программные продукты и системы - 2003. -№3. - С.7-15.

4. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. - М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003. - 616с.

5. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учеб. пособие. - Самара: СГАУ, 1993. -104 с.

Информационные компоненты , входящие в УТС Справка по работе с УТС ]

Блок содержания

Структурные единицы учебного материала

Учебно -тренировочные задачи

Комплект модулей обучаемых

Модули обеспечения работы с учебны м материалом

Модуль регистрации и идентификации обучаемых

Комплекс видеомоделей

Комплекс анимационных моделей

Модули обеспечения работы с УТЗ

Модуль управления учебным процессом

Комплекс имитационных моделей

Протоколы работы обучаемых

Информационные компоненты формируемые в УТС

Профили обучаемых

Настройка текущей конфигурации УТС

_т_

Модуль администрирования базы данных УТС

Электронные индивидуальные задания обучаемого

Информационные компоненты для настройки УТС

Рис. 2. Схема обобщенной архитектуры программного обеспечения УТС