МОРСКОЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ, ТРЕНИРОВКИ И ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ ОПЕРАТОРОВ И СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ АНОМАЛИЙ ВОДНОЙ СРЕДЫ
MARINE SIMULATOR FOR INSTRUCTION, TRAINING AND RAISING QUALIFICATIONS OF OPERATORS AND SPECIALISTS ON USING HYDROPHYSICAL SYSTEMS FOR DETECTION AND CLASSIFICATION OF ANOMALIES IN AQUATIC ENVIRONMENT

Изобретение относится к информационным системам моделирования и тренинга и может быть использовано для обучения, тренировки и повышения квалификации операторов и специалистов по применению гидрофизических комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды, для решения задач исследования, проектирования, испытания и поддержки указанных комплексов.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании информационной системы моделирования и тренинга, обеспечивающей решение задач исследования, проектирования, испытания и поддержки гидрофизических комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды, а также для осуществления обучения и тренинга операторов этих комплексов.
Известен морской интеллектуальный тренажер. (Патент на изобретение RU №2251157 С2, 20.08.2004, МПК G09B 9/06). Тренажер предназначен для обучения, тренировки и повышения квалификации судоводителей морского флота. Известный тренажер содержит рабочие места обучаемых, снабженные средствами взаимодействия с виртуальной средой, блок моделирования, блок генерации виртуальной реальности, блок характеристик судна, блок внешней среды, блок программного управления, блок руководителя обучения, блок оценки действий обучаемого, блок модели обучаемого, средства адаптации, автоматическую систему с блоком интеллектуального интерфейса и блок документирования результатов обучения.
Недостатком известного тренажера является отсутствие блоков формирования и хранения сценариев обучения, блоков информирования руководителя обучения о действиях обучаемого и формирования корректирующих действий. Это существенно снижает эффективность учебного мероприятия, т.к. руководитель обучения не может влиять на процесс приобретения технических навыков обучаемым непосредственно во время обучения.
Известен морской тренажер для обучения, тренировки и повышения квалификации операторов и специалистов по применению гидрофизических комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды. (Патент на изобретение RU №2348060, 08.08.2007, МПК G03B 9/06).
Данный тренажер является наиболее близким по решаемым задачам, принципам построения, по существу проведения учебного процесса обучения и может быть принят за прототип заявляемого тренажера.
Известный тренажер-прототип содержит рабочее место руководителя обучения, соединенное с блоком программного управления и блоком оценки действий обучаемого, первый выход которого соединен с первым входом блока документирования результатов обучения, рабочее место обучаемого, связанное с блоком моделирования функционирования комплекса и соединенное первым выходом со вторым входом блока документирования результатов обучения, блок формирования корректирующих действий, подключенный ко второму выходу блока оценки действий обучаемого и соединенный с входом рабочего места обучаемого, блок информирования руководителя обучения о действиях обучаемого, подключенный ко второму выходу рабочего места обучаемого и входу рабочего места руководителя обучения, блок формирования природных аномалий гидрофизических полей, блок формирования искусственных аномалий, блок моделирования движения судна и блок моделирования источников искусственных аномалий гидрофизических полей, связанные каждый с блоком программного управления, соединенным с блоком хранения картографической информации о районе плавания, выходы которого соединены с входами блока формирования природных и блока формирования искусственных аномалий и входом блока формирования сценариев обучения, подключенного к рабочему месту руководителя обучения и соединенного с входом блока программного управления и блока хранения сценариев обучения, соединенного с входами рабочего места руководителя обучения и блока оценки действий обучаемого.
Известный тренажер-прототип имеет ряд недостатков, являющихся существенными при овладении обучаемыми навыками работы с гидрологическими комплексами обнаружения и классификации аномалий водной среды. Тренажер-прототип не обеспечивает возможность задания и изменения тактической обстановки расположения природных и искусственных (техногенных) аномалий в различных морских акваториях, не обеспечено обучение по правильному выбору рабочей глубины погружения датчиков гидрофизических полей (ГФП), при которой эффективность работы комплекса максимальна. В тренажере-прототипе отсутствуют элементы для обеспечения обучения при адаптации характеристик к изменению скорости движения судна, не обеспечено обучение при адаптации комплексов к работе в фоновых условиях, без которых не обеспечивается оптимальность характеристик обнаружения искусственных аномалий и невозможно обучение правилам выбора порога обнаружения и классификации искусственных аномалий по возрасту, соответствующему интервалу времени от момента возникновения аномалии до момента обнаружения их комплексом.
Сущность изобретения заключается в том, что в морской тренажер для обучения, тренировки и повышения квалификации операторов и специалистов по применению гидрофизических комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды, содержащий рабочее место обучаемого, соединенное с блоком формирования корректирующих действий, блоком документирования результатов обучения, подключенного к блоку оценивания действий обучаемого, с блоком информирования руководителя обучения о действиях обучаемого и связанного с блоком моделирования функционирования комплекса, первый вход которого соединен с выходом блока формирования природных аномалий, второй вход - с выходом блока формирования искусственных аномалий, а третий вход - с выходом блока моделирования движения судна, рабочее место руководителя обучения, связанное с блоком хранения сценариев обучения и соединенное первым входом с выходом блока информирования руководителя обучения о действиях обучаемого, а выходами - с блоком формирования корректирующих действий, с блоком оценки действий обучаемого, подключенного к блоку формирования корректирующих действий, и с блоком формирования сценариев обучения и связанное с блоком хранения сценариев обучения, который подключен к блоку оценки действий обучаемого и связан с блоком формирования сценариев обучения, подключенного к блоку программного управления, связанного с блоком формирования природных аномалий, с блоком формирования искусственных аномалий, с блоком моделирования движения судна и соединенного с выходом рабочего места руководителя обучения и входом блока хранения картографической информации, подключенного выходами к блоку формирования природных аномалий, к блоку формирования искусственных аномалий и блоку формирования сценариев обучения, введены блок задания тактической обстановки, подключенный входом к рабочему месту руководителя обучения, а выходом - к входу блока формирования сценариев обучения, блок формирования данных по выбору рабочей глубины погружения датчиков гидрофизических полей, подключенный входами к выходам блока программного управления, блока формирования сценариев обучения и блока хранения картографической и гидрофизической информации о районе плавания, а выходом - к входам блока моделирования функционирования комплекса и блока моделирования движения судна, выход которого соединен со входом блока адаптации к скорости движения судна, подключенного к блоку моделирования функционирования комплекса, блок моделирования адаптации к фоновым условиям, подключенный входами к выходам блоков формирования сценариев обучения, формирования природных аномалий и программного управления, а выходом - к входу блока формирования порогового уровня обнаружения аномалии, соединенного с блоком формирования обнаружения аномалий, подключенного к первому входу блока моделирования классификации аномалий, соединенного выходом с блоком моделирования функционирования комплекса, вторым входом - с блоком программного управления, третьим входом - с блоком формирования искусственных аномалий, а четвертым входом - с блоком хранения классификационных признаков, соединенным входами с рабочим местом руководителя обучения и с блоком программного управления.
Сущность изобретения поясняется дальнейшим описанием и чертежом, на котором изображена функциональная схема тренажера.
На функциональной схеме обозначены:
1 - рабочее место обучаемого;
2 - блок моделирования функционирования комплекса;
3 - блок формирования природных аномалий;
4 - блок моделирования движения судна;
5 - блок адаптации к скорости движения судна;
6 - блок программного управления;
7 - рабочее место руководителя обучения;
8 - блок оценки действий обучаемого;
9 - блок хранения картографической и гидрофизической информации о районе плавания;
10 - блок информирования руководителя обучения о действиях обучаемого;
11 - блок формирования корректирующих действий;
12 - блок формирования искусственных (техногенных) аномалий;
13 - блок документирования результатов обучения;
14 - блок хранения сценариев обучения;
15 - блок формирования сценариев обучения;
16 - блок задания тактической обстановки;
17 - блок формирования данных по выбору рабочей глубины погружения датчиков гидрофизических полей;
18 - блок моделирования адаптации к фоновым условиям;
19 - блок формирования порогового уровня обнаружения аномалий;
20 - блок формирования обнаружения аномалий;
21 - блок моделирования классификации аномалий;
22 - блок хранения классификационных признаков.
Рабочее место 1 обучаемого представляет собой набор стандартных аппаратных средств в виде электронно-вычислительной машины (ЭВМ), плоскопанельных мониторов, клавиатуры, графического манипулятора, органов управления специального назначения.
Рабочее место 1 обучаемого взаимодействует с блоком 2 моделирования функционирования гидрофизического комплекса, блоком 10 информирования руководителя обучения о действиях обучаемого, блоком 11 формирования корректирующих действий и блоком 13 документирования результатов обучения.
Блок 2 моделирования функционирования комплекса реализует модели алгоритмов обработки информации, алгоритмов информационно-справочной системы, обеспечивающие моделирование штатной работы интерфейса оператор - система гидрофизического комплекса.
Блоки 3 и 12 формирования природных аномалий гидрофизических полей (ГФП) и искусственных аномалий ГФП являются функциональными блоками, в которых с помощью стохастических математических моделей производится имитационное моделирование сигналов гидрофизических полей, природного (фронтальные зоны, зоны спутных течений, зоны перепадов глубин и т.п.) и техногенного происхождения.
Исходные данные для моделирования сигналов ГФП в блоки 3 и 12 поступают из блока 9 хранения картографической и гидрофизической информации о районе плавания. Формирование наборов исходных данных о природных аномалиях ГФП в районах плавания производится с рабочего места 7 руководителя обучения, с учетом многолетних статистических данных по сезонным вертикальным гидрологическим разрезам, картографической информации для решения конкретных задач обучения. Формирование наборов исходных данных о искусственных (техногенных) аномалиях ГФП производится на основе гидродинамической модели искусственных аномалий с учетом гидрологических условий в районе плавания.
Блок 4 моделирования движения судна обеспечивает имитацию его скорости, курса и глубины погружения датчиков ГФП в соответствии с поставленной задачей обучения.
Блок 5 адаптации к скорости движения судна при взаимодействии с блоком 2 моделирования функционирования комплекса обеспечивает независимость основных параметров, влияющих на эффективность обнаружения и классификации техногенных аномалий гидрофизического комплекса, от скорости движения судна.
Расчетные данные, формируемые в блоках 3, 12, 4, 5, поступают в блок 2 моделирования функционирования гидрофизического комплекса и обеспечивают моделирование его работы в штатных режимах.
Рабочее место 7 руководителя обучения (пульт руководителя обучения) содержит ЭВМ, дисплей, клавиатуру, графический манипулятор и служит для формирования сценариев обучения, управления процессом обучения и оценки действий обучаемых в ходе выполнения заданного сценария обучения и степени подготовленности оператора к работе с гидрофизическим комплексом в целом.
Блоки 14 и 15 хранения и формирования сценариев обучения содержат базу данных сценариев обучения, содержащую необходимые перечни картографических, гидрофизических данных, параметры движения судна, параметры источников искусственных аномалий, описаний результатов работы гидрофизического комплекса в заданных условиях.
Блок 16 задания тактической обстановки определяет исходное расположение в исследуемой акватории (с указанием координат местоположения) элементов тактической обстановки - источников, порождающих техногенные аномалии, с их основными характеристиками.
Блок 17 формирования данных по выбору оптимальной глубины погружения датчиков гидрофизических полей обеспечивает определение глубины погружения датчиков в процессе движения судна, при которой обеспечивается наилучшая эффективность обнаружения техногенных аномалий.
Блок 18 моделирования адаптации к фоновым условиям формирует статистические характеристики исследуемых аномалий при движении судна на участках акватории для последующего формирования порогового уровня обнаружения блоком 19.
Блок 19 формирования порогового уровня обнаружения аномалий обеспечивает формирование порога обнаружения по заданному в комплексе критерию.
Блок 20 формирования обнаружения аномалий вырабатывает признак обнаружения при превышении сигналом порогового уровня, формируемого блоком 19.
Блоки 21 и 22 моделирования классификаций аномалий и хранения классификационных признаков обеспечивают классификацию обнаруженных аномалий на 2 класса - фоновая аномалия или техногенная аномалия и определение возраста аномалии, т.е. времени от момента образования техногенной аномалии до момента обнаружения ее гидрофизическим комплексом.
Блок 10 информирования руководителя обучения о действиях обучаемого формирует на мониторе рабочего места руководителя обучения информацию о действиях обучаемого в процессе выполнения заданного сценария обучения (переключение режимов работы, корректировка параметров работы гидрофизического комплекса и т.п.).
Блок 8 оценки действий обучаемого формирует рекомендации для руководителя обучения по оценке действий обучаемого в конкретных эпизодах действующего сценария обучения и обеспечивает фиксацию в электронном журнале успеваемости его ошибочных действий.
Блок 11 формирования корректирующих действий обеспечивает корректировку масштаба времени выполнения сценария (ускорение или замедление), возврат действующего сценария обучения в заданную руководителем обучения контрольную точку и повторение выбранного эпизода сценария.
Блок 6 программного управления осуществляет управление процессами формирования и реализации сценариев обучения.
Подготовка операторов и специалистов по применению гидрофизических комплексов проводится в двух режимах:
- с жестко заданными сценариями;
- с изменением сценария в процессе проведения учебного мероприятия.
В этих режимах на пульте обучаемого реализован интерфейс оператор - система, полностью совпадающий с интерфейсом гидрофизического комплекса. Учебное мероприятие имитирует движение судна с установленным на нем гидрофизическим комплексом в реальном или ускоренном масштабе времени. При режиме обучения с жестко заданными сценариями результаты работы гидрофизического комплекса по обнаружению и классификации аномалий заранее известны только руководителю обучения. В режиме с изменением сценария в процессе проведения учебного мероприятия руководитель обучения имеет возможность задать любую тактическую обстановку, менять траекторию движения носителя относительно местоположения искусственных и техногенных аномалий. В этом случае результаты действий обучаемого оцениваются руководителем обучения исходя из сложившейся обстановки. Руководитель обучения при подготовке учебных мероприятий может разрабатывать и вводить в тренажер новые сценарии обучения.
Предлагаемый тренажер работает следующим образом.
Руководитель обучения на пульте руководителя обучения 7 выбирает требуемый сценарий из списка сформированного в соответствии с изучаемыми темами (или создает текущий вариант сценария), зачитывает условие задачи обучаемому и запускает соответствующую программу блока 6 программного управления.
Обучаемый оператор на пульте обучаемого 1 наблюдает результаты работы гидрофизического комплекса, принимает необходимые решения в соответствии с требованиями по использованию гидрофизического комплекса.
Результаты действий обучаемого по управлению комплексом (переключение режимов работы, корректировка параметров комплекса, результаты расчетов и т.п.) руководитель обучения контролирует через блок 10 на пульте руководителя обучения 7. Для этого у него на пульте 7 индицируется в динамике разыгрываемая задача и есть возможность наблюдения штатного интерфейса оператор - система с результатами работы обучаемого (электронный журнал событий, индикация режимов работы, численные значения корректируемых параметров, результаты коммутации датчиков ГФП и т.п.). Контроль за действиями обучаемого осуществляется с помощью сообщений на пульте 7 руководителя обучения о необходимых действиях обучаемого. Сообщения информируют о том, как должен действовать обучаемый в соответствии со сценарием.
Результаты контроля действий обучаемого фиксируется в журнале успеваемости и определяют итоговую оценку по изучаемой теме. При необходимости повторить фрагмент сценария (при ошибочных действиях обучаемого, не требующих прекращения решения поставленной задачи) руководитель обучения проводит корректирующие действия с пульта 7 через блок 11, возвращая решаемую по сценарию задачу в заданную точку или изменяя масштаб времени (ускоряя или замедляя темп решения задачи).
Результаты обучения документируются на принтере для последующего разбора и подтверждения правильности выставляемой оценки.
Рассмотрим работу тренажера более подробно.
В соответствии с решением руководителя обучения о программе учебного мероприятия из рабочего места руководителя обучения в блоки тренажера поступают следующие команды:
- номер сценария - в блок 14 хранения сценариев обучения;
- номер варианта расположения техногенных и природных аномалий в районе - в блок 16 задания тактической обстановки;
- номер набора классификационных признаков - в блок 22 хранения классификационных признаков;
- номер подпрограммы - в блок 6 программного управления.
Если руководитель обучения считает необходимым использовать новый вариант сценария, то новый сценарий, разработанный руководителем обучения, поступает в блок 15 формирования сценариев обучения.
Команда запуска выбранной подпрограммы подается из блока 15 формирования сценариев обучения в блок 6 программного управления. Одновременно из блока 15 формирования сценариев обучения запускается моделирование блоком 18 адаптации к фоновым условиям. Адаптация к фоновым условиям соответствует номеру сценария. Блок 6 в соответствии с подпрограммой обеспечивает управление работой тренажера. Из блока 9 исходная картографическая и гидрофизическая информация о районе плавания поступает в блоки 3 и 12 формирования природных и техногенных аномалий, где происходит моделирование сигналов гидрофизических полей природного и техногенного происхождения. Формируются фронтальные зоны, зоны спутных течений, зоны перепада глубин и сигналы техногенного происхождения по всем информационным полям. В том случае, когда руководителем обучения вводится новый сценарий, информация из блока 9 записывается в блок 15 формирования сценариев обучения. Информация из блока 9 поступает также в блок 17 формирования данных по выбору оптимальной рабочей глубины погружения датчиков ГФП, где формируется рекомендованный диапазон глубины, при котором вероятность образования аномалии максимальна. Сигнал с блока 17 поступает в блок 4 моделирования движения судна и блок 2 моделирования функционирования комплекса. Рекомендованный диапазон глубины отображается на мониторе рабочего места оператора.
Моделирование обнаружения и классификации аномалий в тренажере происходит в следующей последовательности.
Из блока 18 моделирования адаптации к фоновым условиям сигналы сформированных статистик информационных гидрофизических полей фонового уровня поступают в блок 19, где формируются значения пороговых уровней для каждой из сформированных статистик. В блоке 20 формирования обнаружения аномалий формируются факты превышения пороговых уровней, которые поступают в блок 21 моделирования классификации аномалий. В блоке 21 аномалии разбиваются на две группы. Те выделенные аномалии, которые соответствуют данным, поступающим из блока 12 формирования искусственных (техногенных) аномалий и набору классификационных признаков техногенных аномалий, хранящихся в блоке 22, относятся к классу техногенных аномалий, а остальные - к природным аномалиям.
Выделенные техногенные аномалии классифицируются по возрасту (времени их возникновения). Информация с блока 21 поступает в блок 2 моделирования, где вместе с данными, поступающими с блоков 3, 12, 4, 5, производится полное моделирование работы гидрофизического комплекса. В результате на ЭВМ рабочего места обучаемого 1 представляется интерфейс оператора, полностью повторяющий интерфейс оператора гидрофизического комплекса. Обучаемый, работая на тренажере, должен выполнить все правила работы с комплексом и принять правильные решения, соответствующие заданному руководителем обучения сценарию. Руководитель следит за действиями обучаемого на мониторе рабочего места руководителя обучения 7. Информация о действиях обучаемого поступает через блок 10 информирования руководителя обучения о действиях обучаемого.
При ошибочных действиях обучаемого руководитель вводит через блок 11 корректирующие действия с возвратом развития сценария в заданную точку траектории движения судна, после чего процесс обучения повторяется с соответствующего фрагмента сценария. Результаты выполнения учебного мероприятия документируются в блоке 13 документирования результатов обучения. По результатам выполнения учебного мероприятия выставляется оценка в блоке 8, которая также фиксируется в блоке 13 документирования.
Высокое качество обучения, тренировки и повышения квалификации операторов и специалистов по применению гидрофизических комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды в предлагаемом тренажере достигается следующими новыми техническими решениями:
1. Обеспечено задание тактической обстановки расположения природных и искусственных аномалий с координатами их местоположения и значениями глубины залегания для различных морских акваторий, которые могут быть введены преподавателем в сценарии обучения или использованы для тренировки на конкретном учебном мероприятии с новой тактической обстановкой.
2. Обеспечено обучение по правильному выбору рабочей глубины погружения датчиков гидрофизических полей, при которой эффективность работы комплекса максимальна.
3. Обеспечены тренировки по развитию навыков к адаптации параметров комплекса к изменению скорости движения судна и адаптации к фоновым условиям, а также правильному выбору порога обнаружения для обеспечения требуемых характеристик обнаружения искусственных аномалий.
4. Обеспечено обучение классификации искусственных аномалий по возрасту, соответствующему интервалу времени от момента возникновения аномалий до момента обнаружения их гидрофизическим комплексом.
Новые технические решения позволяют руководителю обучения ставить задачи учебных мероприятий, обеспечивающих изучение всех режимов работы гидрофизического комплекса, полностью исключая возможность приобретения оператором ложных навыков.
Общий технический результат заключается в создании информационной системы моделирования и тренинга, обеспечивающей решение задач исследования, проектирования, испытания и поддержки комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды, а также для осуществления обучения и тренинга операторов комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды.
Представленное описание и чертеж позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить предлагаемый тренажер в производстве и использовать его для обучения, тренировки и повышения квалификации операторов и специалистов по применению обнаружения и классификации аномалий водной среды, для решения задач исследования, проектирования, испытания и поддержки гидрофизических комплексов обнаружения и классификации аномалий водной среды, что характеризует изобретение как промышленно применимое.