Методология разработки высокоэффективных кибернетических систем управления технологическим процессом

Информатика, вычислительная техника и управление

Благодарности

Исследования выполнены в рамках инициативного проекта Российского фонда фундаментальных исследований «Разработка методов вычислительного моделирования динамики подвергавшихся чрезмерному промысловому изъятию популяций рыб и оценки эффективности мер по их искусственному восстановлению на основе собы-тийно-управляемых модельных сценариев» (грант РФФИ № 15-07-01230, руководитель проф. В.В. Михайлов). Автор благодарен проф. Ю.Б. Се-ниченкову за предоставление возможности использования среды разработки гибридных моделей Rand Model Designer для научных задач.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Vul Е. B..Y. G., Khanin K. M/ Feigenbaum Universality and the Thermodynamic Formalism Sinai // Russian Mathematical Surveys. 1984. Vol. 39/ № 3. P. 1-40.

2. Feigenbaum M. J. Universal Behavior in Nonlinear Systems // Physica D.1983. Vol. 7, № 1-3. P. 16-39.

3. Perevaryukha A. Yu. Cyclic and Unstable Chaotic Dynamics in Models of Two Populations of sturgeon Fish // Numerical Analysis and Applications. 2012. Vol. 5, № 3. Р. 254-264.

4. Singer D. Stable Orbits and Bifurcations of the Maps on the Interval // SIAM journal of applied math. 1978. V. 35. P. 260-268.

5. Vellekoop М., Berglund R. On intervals, transitivity = chaos // The American Mathematical Monthly. 1994. Vol. 101. № 4. PP. 353-355.

6. Ricker W. E. Stock and Recruitment // Journal Fisheries research board of Canada. 1954. Vol. 11. № 5. P.559-623.

7. Paar V.. Pavin N. Sensitive Dependence of Lifetimes of Chaotic Transient on Numerical Accuracy for a Model with Dry Friction and Frequency Dependent Driving Amplitude // Modern Physics Letters B. 1996. Vol. 10, № 4. P. 153-159.

8. Grebogi C., Ott E., Yorke J. A. Chaotic Attractors in Crisis // Physical Review Letters. 1982. Vol. 48. № 22. P.1507-1510.

9. Grebogi C., Ott E., Yorke J. A. Chaos, Strange Attractors and Fractal Basin Boundaries in Nonlinear Dynamics // Science. 1987. Vol. 238. № 4827. PP. 632-638.

10.Minto C., Myers R. A., Blanchard W. Survival Variability and Population Density in Fish Populations // Nature. 2008. Vol. 452. P. 344-348.

11.Ерохин В.Г., Шершнева В.И. Динамика потребления и расходования энергии у молоди лососей в период посткатадромного нагула в Охотском и Беринговом морях // Известия ТИНРО. 2007. Т. 150. С. 122-136.

12.Subbotkin M.F., Subbotkina T.A. Variability of Some Blood Serum p-globulins in Life Cycle of Sturgeons (Acipenseridae) // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2008. Vol. 44. № 4. С.462-469.

13.Perevaryukha Y.N., Geraskin P.P., Perevaryukha T.Y. Comparative Immunochemical Analysis of Intraspecies Distinctions of Serum Proteins of Starred Sturgeon Acipenser stellatus (Acipenser-iformes, Acipenseridae) from the Caspian basin // Journal of Ichthyology. 2011. Vol. 51. № 5. С. 392-397.

УДК 519.68 Александрова Елена Григорьевна,

аспирант направления «Информатика и вычислительная техника», Ангарский государственный технический университет, тел. 89027692446, e-mail: ae.qt@yandex.ru Кривов Максим Викторович, к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Вычислительные машины и комплексы», Ангарский государственный технический университет, тел. 8(3955) 67-43-96, e-mail: Krivov_MV@agta.ru Бадеников Виктор Яковлевич, д. т. н., профессор, Ангарский государственный технический университет,

тел. 8 (3955) 67-18-32, e-mail:info@angtu.ru

МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ КИБЕРНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

E. G. Aleksandrova, M. V. Krivov, V. Ya. Badenikov

HIGHLY EFFECTIVE CYBERNETIC SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL PROCESS CONTROL

DEVELOPMENT METHODOLOGY

Аннотация. В работе рассмотрены основные принципы суггестокибернетики в разработке и реализации кибернетических систем управления технологическим процессом. Рассмотрены основные черты компьютерных тренажеров, их место в

подготовке оперативного персонала производственного процесса, а также причины популярности при подготовке персонала. Рассмотрены принципиальные отличия компьютерного тренажера и автоматизированной системы обучения, произведён анализ современных компьютерных тренажеров на предмет их отношения к этим двум категориям. Приведен подробный анализ разработанного тренажера оперативного персонала узла хранения и выделения этилена для производства этилена установки ЭП-300, его характерных черт и реализованных принципов суггестокибернетики. Приведено подробное описание основных экранных форм тренажера и их функционала при подготовке оперативного персонала установки ЭП-300. Сделан вывод о месте психофизиологического воздействия на обучение персонала.

Ключевые слова: суггестокибернетика, суггестопедия, психофизиологическое воздействие, обучение персонала, компьютерный тренажер, автоматизированные обучающие системы.

Abstract. In the article the basic principles of suggestibility in the development and implementation of cybernetic systems of control of technological process are considered. The basic features of computer simulators and their role in training the operating personnel of the production process, as well as the reasons for their popularity in the training of staff are viewed. The fundamental differences between computer simulators and automated training system are presented, analysis of the modern computer simulators in terms of their relationship to these two categories is carried out. A detailed analysis of the developed simulator for operating personnel of the node of storage and isolation of ethylene for production of ethylene of EP-300 plant, its characteristics and the implemented principles of suggestibility is provided. The detailed description of the main screen forms of the simulator and their functionality in the preparation of operating staff of the EP-300 plant is given. The conclusion is made about the place ofpsycho-physiological impact on staff training.

Keywords: suggestibility, suggestopedia, psychological impact, staff training, computer simulator, automated training systems.

Введение

Задача снижения уровня аварийности стоит наиболее остро в промышленности. Для достижения этой цели реализуется ряд мероприятий на каждом производственном процессе. Большую роль в данном процессе играют средства автоматизации, благодаря которым производится доступное представление информации, а также реализация механизмов обучения и контроля уровня знаний персонала. Использование компьютерных тренажеров позволяет решить эти задачи [1].

Причины популярности компьютерных тренажеров обусловлены следующими факторами:

1) особенности операторской деятельности;

2) точные модели процессов;

3) воспроизведение операторской среды;

4) интерфейс полевого оператора;

5) методическая база тренинга;

6) критерии качества компьютерного тренажера.

К особенностям операторской деятельности можно отнести:

- многостадийный процесс работы в внештатных ситуациях, включающий обнаружение отклонений от нормального режима, диагностирование причин этих отклонений, планирование и реализацию компенсирующих действий;

- разнообразие по задействованным психическим механизмам и необходимым навыкам -реализация такой деятельности требует от оператора высокого уровня подготовки;

- сложность из-за значительного элемента рутинности;

- высокий уровень ответственности за последствия возможных неудачных действий;

- постоянное усложнение и процессов, и систем управления.

При разработке компьютерного тренажера учитываются все особенности операторской деятельности, чтобы сделать результирующий программный продукт максимально эффективным для оператора.

При создании компьютерного тренажера необходимо максимально точно и проработанно рассчитать математическую модель производственного процесса, так как это является основополагающей составляющей логики и алгоритмов работы тренажера. От правильности модели напрямую зависит эффективность, точность и работоспособность компьютерного тренажера [2].

В компьютерных тренажерах последнего поколения используется то же программное обеспечение, что работает в реальных операторных. Ключевое место в операторской деятельности принадлежит консольному оператору. Поэтому место консольного оператора подлежит максимально детальному отображению.

У полевого оператора должно быть автоматизированное рабочее место, на котором ему должна быть доступна только его неконсольная информация. При этом на консоли не должно быть «полевой» информации, чтобы консольный оператор понимал, что исполнение операций «по месту» реализуется другим обучаемым и занимает определенное время.

Методики обучения - ключевой элемент компьютерных тренажеров. В определенном смысле именно он является дифференциатором различных тренажерных решений, поскольку возможности основных производителей тренажеров в области моделирования и воспроизведения РСУ находятся на сравнимом уровне.

Все вышеописанные компоненты компьютерных тренажеров должны быть выполнены на высоком уровне, чтобы решать свои задачи. С ин-

Информатика, вычислительная техника и управление

женерно-психологических позиции тренажер -средство, направленное на выработку операторских навыков, и критерием его качества не может быть уровень исполнения его отдельных компонентов, пусть даже всех без исключения. В основе работы тренажера лежит принцип подобия деятельности оператора в тренинге его реальнои деятельности, соблюдение которого и рассматривается как критерий качества компьютерного тренажера [3]. Этот принцип применим и к отдельным компонентам тренажера, и к системе в целом.

Суггестокибернетический подход

к обучению

Таким образом, обучающемуся в период обучения предстоит усвоить большой объем информации, относящийся к специфике производственного процесса. Для усвоения большего количества информации за меньший период времени, для достижения максимально эффективного уровня обучения могут применяться различные подходы к интенсификации обучения, такие как суггестопедия.

Суггестопедические методы подразумевают не только традиционное логическое информационное усвоение учебного материала, еще и использование неосознаваемых компонентов высшей нервной деятельности обучаемого [4].

Сочетание суггестопедии с возможностями технических средств и ЭВМ вызвало к жизни новое направление, названное суггестокибернетиче-ским методом интенсификации обучения.

Возможности гипермнезии, суггестивной стимуляции и управления состоянием необходимо учитывать при разработке автоматизированных систем интенсивного обучения. Суггестивное воздействие принципиально поддается автоматизации с помощью современных аудиовизуальных средств. Реализация эффекта гипермнезии (сверхзапоминания) может быть также осуществлена с помощью аудиовизуальных средств предъявления больших объемов информации. Управление состоянием также возможно с помощью аудиовизуальных средств суггестивного воздействия.

При создании суггестокибернетического метода системно разработаны следующие аспекты:

1) форма предъявления информации при обучении с целью преодоления психологических барьеров;

2) средства и пределы управления состоянием и восприятием обучаемого для компенсации стресса, который возможен при преодолении психологических барьеров;

3) способ создания психологически стимулирующей установки у обучаемого на его «сверхвозможности»;

4) обобщен опыт реализации интенсивного обучения (при обучении преподавателем и с помощью технических средств), включая программированное обучение и суггестопедию;

5) способ преобразования исходных аудиовизуальных сигналов уже существующей учебной информации (учебное пособие) для предъявления их в режиме информационной стимуляции и дальнейшего усвоения на необходимом уровне;

6) учет психофизиологических показателей обучаемого для построения обучающей программы, адекватной особенностям его восприятия;

7) компенсация обратной связи в автоматизированной системе обучения при изменении функций преподавателя;

8) обеспечение необходимых обучаемым психофизиологических условий.

При грамотном создании тренажера с учетом подхода суггестокибернетики обучающийся выходит из зоны стресса обучения и усваивает больший объем информации за счет аудиовизуального воздействия. Также при реализации взаимодействия обучающегося с компьютерным тренажером, созданным с учетом свойств суггестоки-бернетики, отпадает необходимость наличия инструктора [5].

Таким образом, компьютерные тренажеры выполняют широкий спектр задач обучения персонала, но для создания эффективного продукта необходимо максимально точно определять возможности и пути развития компьютерных тренажеров на производстве. Особенно это актуально, учитывая, что компьютерные тренажеры приобретают все больший вес в процессе обучения персонала на опасных и вредных производствах.

Активные и интерактивные технические

средства обучения

Тренажеры. В автоматизированных системах тренажеры могут применяться для выработки начальных профессиональных навыков. Дидактические возможности тренажеров описаны в работах Ю.З. Гильбуха, М.Ф. Королева [5].

Тренажеры с внешней обратной связью позволяют организовать оперативный контроль за деятельностью учащихся, фиксировать и корректировать эту деятельность в процессе автоматизированного обучения.

Автоматизированные обучающие системы (АОС). Такие системы стали возможными благодаря развитию электронно-вычислительной техники [5]. Автоматизированные обучающие систе-

мы представляют собой, как правило, вычислительный комплекс (класс) с удобными для обучаемого пультами (терминалами), позволяющими вести диалог с ЭВМ на языке, близком к естественному. При этом ЭВМ предъявляет информацию на экране дисплея, а обучаемый при общении с машиной набирает информацию на клавиатуре дисплея. В память такой АОС закладывается учебный курс в виде основной информации, дополнений (разъяснений по отдельным разделам), контрольных вопросов и логической системы, составляющей стратегию взаимодействия с обучаемым. Каждый блок последующей информации предъявляется обучаемому в такой системе в соответствии с заложенной в машину стратегией. Эти системы отличаются значительным совершенством, однако в них все больше ощущается необходимость стыковки с аудиовизуальными средствами и создания обучающих программ более «интеллектуального» характера. Е.Н. Пасхин и А.И. Митин определяют автоматизированную систему обучения как функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного использования. Ниже представлены основные этапы обучения с помощью АОС:

1) определение начального уровня знаний; 2) предварительное ознакомление с предметом и общим планом учебной деятельности; 3) приобре-

тение и закрепление знаний; 4) обобщение знаний; 5) определение итогового качества [6].

Современные компьютерные тренажеры

Это классические определения компьютерного тренажера и автоматизированной обучающей системы в терминологии суггестокибернетики. Современные компьютерные тренажеры не ограничиваются только выработкой первичных профессиональных навыков, а предназначены для выработки причинно-следственных связей. Для достижения этого в компьютерные тренажеры интегрируют характерные части автоматизированной обучающей системы [7].

Более подробно процесс интеграции можно проследить на примере тренажера оперативного персонала узла хранения и выделения этилена для производства этилена установки ЭП-300. На рис. 1 представлена экранная форма для выбора режима обучения.

Из представленной формы видно, что программный продукт имеет следующие черты автоматизированной обучающей системы: позволяет произвести знакомство с объектом изучения, выбрать режим обучения, возможность коллективного обучения.

В период обучения для обучающегося представляется точная копия схемы технологического процесса (рис. 2), что также является чертой автоматизированной обучающей системы, так как позволяет максимально правдоподобно погрузиться в изучаемую область и исключить стресс для прошедшего обучение при работе с реальным объектом, что является приемом суггестокибернетики.

Рис. 1. Экранная форма выбора режима обучения

Рис. 2. Интерактивная схема технологического процесса

Также для интенсификации обучения применены следующие приемы: максимально понятный интерфейс, подсказки и моментальная оценка правильности действий цветовой индикацией.

Помимо интерактивной схемы реализован интерфейс щита оператора установки (рис. 3). Сделано это для тех операторов, чей тип восприятия основан не на принципиальной схеме (где основные носители информации цифры и потоки), а на опытной работе с объектом автоматизации. У

операторов ориентиром может служить вид реальных приборов, положения стрелок на них и кривые изменения во времени. Для удобства обучения данной группы персонала реализована данная экранная форма. К тому же это помогает более наглядно передать опыт работников установки, чьими ориентирами служат приборы, что также является характерной чертой автоматизированной системы обучения персонала.

Во всех режимах обучения производится

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

Рис. 4. Система оценки деятельности оператора по ПЛАС

контроль не только правильности работы с установкой, но и правильности действий в аварийных ситуациях (рис. 4) [8].

Заключение

План ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС) является неотъемлемой частью обучения персонала на производственном объекте, поэтому знание действий является обязательным условием прохождения обучения и допуска к работе на производстве. Реализованный функционал позволяет отследить не только правильность набора действий, но и их последовательность, что является определяющим фактором.

В компьютерном тренажере реализованы непредвиденные ошибки производственного процесса, в режиме обучения решать которые помогает виртуальный инструктор, что позволяет более многогранно подготовить оператора и оградить его от стресса при возникновении подобной ситуации.

Таким образом, психофизиологические методы воздействия на обучение персонала приводят к большей эффективности обучения, что продемонстрировано на введенной в эксплуатацию на ОАО «Ангарский завод полимеров» системе оценки деятельности операторов, служащей для подготовки оперативного персонала. В рамках данной работы были приведены методы реализации сугге-стокибернетики в рамках компьютерного тренажера.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Компьютерные тренажеры-имитаторы для обучения персонала безаварийной эксплуатации энерготехнологических котлов / Н.С. Благодарный и др. // сб науч. тр. Ангарск. гос. техн. унта. 2015. Т. 1. № 1. 7-14 с.

2. 2.Артемьев С.Б., Бородин П.Е., Владов Р.А. Программный подход к разработке и внедрению АСУ производством // Автоматизация в промышленности. 2015. №4.

3. Методика автоматизированной оценки качества управления технологическим процессом операторами котлов утилизаторов / М.В. Кривов и др. // Вестник АнГТУ. 2015. № 9. 122-127 с.

4. Лозанов Г.К. Суггестология. София : Наука и изкуство, 1971. 518 с.

5. Петрусинский В.В. Автоматизированные системы интенсивного обучения. М., 2000. 177 с.

6. Формирование профессиональных компетенций оперативного персонала сложных технологических процессов / Е.Г. Александрова и др. // Вестник АнГТУ. 2015. С. 101-104.

7. Дмитриева М.А., Крылов А.А., Нафтельев А.И.. Психология труда и инженерная психология. Москва, 2005.

8. Критерий точности тренажёрной модели / Н.С. Благодарный и др. // Автоматизация в промышленности. 2010. № 7.