СПОСОБ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРЕНАЖЁРНОЙ ПОДГОТОВКОЙ ОПЕРАТОРОВ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
METHOD FOR ADAPTIVE CONTROL OF SIMULATION TRAINING FOR OPERATORS OF COMPLEX SYSTEMS

Изобретение относится к области тренажных средств для подготовки операторов сложных систем, в частности для подготовки космонавтов на тренажерах к действиям по управлению космическим кораблем или орбитальной станцией и выполнению на них различных целевых задач, предусмотренных программой полета.
Известен «Способ обучения авиадиспетчеров диспетчерских пунктов руления, старта и посадки на реальном летном поле» по патенту РФ №2493606, предназначенный для обучения с использованием тренажеров, заключающийся в использовании для тренировок реальных и моделируемых изображений внешней визуальной обстановки.
Известен «Способ обучения пилотов» по патенту РФ №2484534, предназначенный для обучения и подготовки пилотов с использованием тренажеров, заключающийся в выполнении серии последовательных полетов в разных условиях.
Недостатками данных способов является то, что они не позволяют учитывать уровень подготовки операторов и корректировать программы обучения в зависимости от текущего уровня подготовленности оператора.
В качестве прототипа выбран способ проведения комплексной тренажерной подготовки экипажей МКС (см. Сохин И.Г. Комплексная подготовка экипажей МКС как управляемый технологический процесс. Монография. - Звездный городок, 2007. - с. 129-143). Перед началом комплексной подготовки на основе количественных требований к тренажерной подготовке оператора и типовых программ разрабатывается программа подготовки каждого конкретного экипажа МКС, которая с учетом специфики программы предстоящего полета и начального уровня подготовленности членов экипажа регламентирует количество, содержание и последовательность проведения тренировок для данного экипажа. На основании программы и имеющихся баз данных инструктором экипажа разрабатывается циклограмма каждой конкретной тренировки. При этом инструктор, оставляя неизменными задачи тренировки, варьирует составом вводимых нештатных ситуаций из имеющегося перечня. Исходные данные по тренировке вводятся в тренажер и проводится тренировка оператора на тренажере по сформированной циклограмме тренировки. Оператор выполняет заданную последовательность операций и нештатных ситуаций с помощью органов управления тренажера, пультов и средств визуализации информации. Параметры деятельности оператора по выполнению операций и НшС регистрируются с помощью технических средств тренажера. В ходе тренировки инструктор оценивает отклонения от норм в деятельности экипажа и в соответствии с установленной процедурой рассчитывает интегральную оценку качества деятельности экипажа на тренировке в баллах от 2,00 до 5,00. Окончательная оценка готовности экипажа к полету производится комиссией на заключительной экзаменационной тренировке. Указанные операции проводятся до завершения всех тренировок.
Недостатками аналогов и прототипа является то, что они, во-первых, не регламентируют порядок выбора нештатных ситуаций для тренировок из имеющегося перечня, что может приводить к недостоверной оценке подготовленности экипажа, во-вторых, не позволяют систематично, опираясь на установленные процедуры, адаптировать тренировочный процесс к индивидуальным возможностям конкретного экипажа.
Целью данного изобретения является повышение качества тренажерной подготовки операторов сложных систем, повышение эффективности их обучения путем адаптивного управления тренажерной подготовкой операторов, основанного на систематическом репрезентативном выборе нештатных ситуаций для тренировок, сложность которых соответствует текущему состоянию подготовленности экипажа.
В настоящее время тренажерная подготовка операторов сложных систем «человек-машина» (СЧМ) осуществляется по типовым программам. Существующие программы тренажерной подготовки операторов СЧМ, как правило, оптимизированы по составу представительной выборки штатных операций и количеству их повторений. Нештатные ситуации (НшС) на тренировку выбираются инструктором произвольно из установленного перечня расчетных НшС. При этом состояние подготовленности оператора оценивается по безошибочности его действий по схеме «вход-выход». При ограничениях на количество тренировок программы подготовки оператора (экипажа) не представляется возможным отработать на тренажере все расчетные НшС перечня и, тем более, различные их комбинации. В результате выборка нештатных ситуаций, которые предъявляются экипажу на тренировках, может оказаться недостаточно представительной для статистической оценки состояния его подготовленности. Поэтому существующая система управления тренажерной подготовкой не может гарантировать способность экипажей надежно и безошибочно действовать в возможных расчетных нештатных ситуациях, которые не отрабатывались на тренажерах.
Для повышения качества подготовки операторов сложных систем, повышения эффективности их обучения необходимо корректировать программу тренировок и сложность каждой тренировки по результатам проведенных тренировок и учитывать текущий уровень подготовленности космонавтов, формировать адаптивные траектории тренажерной подготовки, рекуррентно обеспечивающие достижение требуемых значений операторских функций в соответствии с индивидуальными возможностями конкретного оператора.
Для достижения поставленной цели разработан способ, предполагающий осуществление следующей последовательности операций: задание следующих количественных требований к тренажерной подготовке оператора:
пред
u - предельная интенсивность потоков информации, которую оператор должен уметь обработать при реализации операторских функций,
пред
y - предельное значение исходов ошибок оператора (отклонений от норм деятельности), приводящее к недопустимым последствиям,
треб
P - требуемое значение вероятности реализации операторских функций с допустимым исходом;
время подготовки и общее количество тренировок N,
формирование баз данных операций, нештатных ситуаций, операторских функций, формирование из базы данных операций массива операций для выполнения оператором на тренировках и определение необходимого количества их повторений, формирование из базы данных нештатных ситуаций массива наиболее критических ситуаций, в наибольшей степени влияющих на безопасность, и определение необходимого количества их повторений оператором на тренировках, формирование исходных циклограмм всех N тренировок программы тренажерной подготовки, в которых определяют логическую последовательность требуемых операций и критических нештатных ситуаций, задание закона формирования планируемых максимальных интенсивностей потоков информации по формуле
план
где: u - планируемая на конкретную тренировку интенсивность потоков информации, которую оператор должен уметь обработать при реализации операторских функций;
b(t) и с(t) - коэффициенты, определяющие форму траектории тренажерной подготовки оператора;
определение планового значения максимальных интенсивностей потоков информации в соответствии с законом (1) для очередной тренировки, определение распределения интенсивностей потоков информации, обрабатываемых оператором при реализации каждой из N исходных циклограмм тренировок с учетом наложения штатных операций и НшС, по формуле
исх
где: u(τ) - интенсивность потока информации, обрабатываемой оператором в момент τ с учетом наложения штатных операций и НшС;
τ - момент времени по циклограмме тренировки;
расп
τ - располагаемое время для реализации ОФ;
опер
Н(τ) - интенсивность потока информации, обрабатываемой оператором в момент τ при выполнении штатной операции;
ншс
Н(τ) - интенсивность потока информации, обрабатываемой оператором в момент τ при выполнении нештатной ситуации;
пред
оф
пред
пред
итерационный выбор из БД нештатных ситуаций дополнительного набора НшС, варьируя их сложностью и моментом их ввода на циклограмме тренировки таким образом, чтобы рассчитанное по формуле (2) значение максимальной интенсивности потоков информации при реализации операторских функций было равно плановому значению, формирование скорректированной циклограммы тренировки, соответствующей планируемой сложности в соответствии с законом (1), введение исходных данных по тренировке (циклограммы) в тренажер, проведение тренировки оператора на тренажере по сформированной циклограмме тренировки, выполнение оператором заданной последовательности операций и нештатных ситуаций с помощью органов управления тренажера, пультов и средств визуализации информации, регистрацию параметров деятельности оператора по выполнению операций и НшС с помощью технических средств тренажера, сравнение фактических параметров деятельности оператора с требуемыми, установленными в нормативной эксплуатационной документации, оценивание исходов отклонений от норм деятельности оператора относительно предельных значений y, введение в базу данных операторских функций оценок исходов отклонений от норм деятельности оператора и фактической интенсивности потоков информации, полученных после очередной тренировки, выполнение расчета текущих статистических оценок Р(t) операторских функций на основании информации базы данных ОФ, в случае, если отсутствуют отклонения от норм или их исходы не превышают предельных значений y, то возвращаются к операции определения планового значения максимальных интенсивностей потоков информации для следующей тренировки, в случае, если оператор при реализации задания на тренировку допустил отклонения от норм с исходами, превышающими предельные значения y, то возвращаются к операции задания закона формирования планируемых максимальных интенсивностей потоков информации по формуле (1), операции от задания закона формирования планируемых максимальных интенсивностей потоков информации повторяют до выполнения всех N тренировок программы тренажерной подготовки.
Операции задания времени подготовки и общего количества тренировок N, формирования баз данных операций, нештатных ситуаций, формирования из базы данных операций массива операций для выполнения оператором на тренировках и определение необходимого количества их повторений, формирования из базы данных нештатных ситуаций массива наиболее критических ситуаций, в наибольшей степени влияющих на безопасность, и определение необходимого количества их повторений оператором на тренировках, формирования исходных циклограмм всех N тренировок программы тренажерной подготовки, в которых определяют логическую последовательность требуемых операций и критических нештатных ситуаций, ввода исходных данных по тренировке в тренажер, проведения тренировки оператора на тренажере по сформированной циклограмме тренировки, выполнения оператором заданной последовательности операций и нештатных ситуаций с помощью органов управления тренажера, пультов и средств визуализации информации, регистрации параметров деятельности оператора по выполнению операций и НшС с помощью технических средств тренажера, сравнения фактических параметров деятельности оператора с требуемыми, установленными в нормативной эксплуатационной документации, повторения операции от ввода исходных данных по тренировке в тренажер до выполнения всех N тренировок программы тренажерной подготовки, являются общими для операций прототипа и разработанного способа.
Новыми операциями, выполняемыми в данном способе являются:
задание дополнительных количественных требований к тренажерной подготовке оператора:
треб
P - требуемое значение вероятности реализации операторских функций с допустимым исходом,
пред
u - предельная интенсивность потоков информации, которую оператор должен уметь обработать при реализации операторских функций,
пред
y - предельное значение исходов ошибок оператора (отклонений от норм деятельности), приводящее к недопустимым последствиям, задание закона формирования планируемых максимальных интенсивностей потоков информации по формуле (1),
определение плановых значений максимальных интенсивностей потоков информации в соответствии с законом (1) для очередной тренировки,
определение распределения интенсивностей потоков информации, обрабатываемых оператором при реализации каждой из N исходных циклограмм тренировок с учетом наложения штатных операций и НшС, по формуле (2),
итерационный выбор из БД нештатных ситуаций дополнительного набора НшС,
формирование скорректированной циклограммы тренировки, соответствующей закону (1),
пред
оценивание исходов отклонений от норм деятельности оператора относительно предельных значений y,
ввод в базу данных операторских функций оценок исходов отклонений от норм деятельности оператора и фактической интенсивности потоков информации, полученных по результатам очередной тренировки,
oф
выполнение расчета текущих значений статистических оценок операторских функций P(t) на основании информации базы данных операторских функций,
выбор выполняемых операций в случае отсутствия и наличия отклонений от норм или величин исходов тренировки.
Новые операции, выполняемые в данном способе, обеспечивают новизну разработанного способа.
В данном способе предполагается выполнение комплекса операций с техническими средствами - тренажерами, состоящими из пультов, органов управления, средств визуализации информации, на которых отрабатываются циклограммы тренировок, средствами измерения и регистрации параметров деятельности оператора по выполнению заданных операций, базами данных, т.е. выполнение действий с материальными объектами. Способ может быть реализован с использованием тренажеров разного типа в разных отраслях деятельности. Вследствие этого, данный способ удовлетворяет условию промышленной применимости
Изобретательский уровень разработанного технического решения достигается за счет того, что предлагается адаптивно управлять тренажерной подготовкой операторов, осуществляя систематический репрезентативный выбор нештатных ситуаций для тренировок, сложность которых соответствует текущему состоянию подготовленности экипажа, определять требуемые параметры тренировки по новым аналитическим соотношениям.
На фигуре 1 графически представлен процесс формирования адаптивных траекторий управления тренажерной подготовкой операторов в соответствии с формулой (2).
На фигуре 2 представлена блок-схема процесса реализации способа.
план
пред
0
0
0
пред
1
2
i
0
i
0
факт
На фигуре 1 изображен пример рекуррентного изменения максимальных значений интенсивности потоков информации, обрабатываемой оператором на тренировке, в зависимости от результатов его действий на предыдущих тренировках. Исходная планируемая траектория подготовки u(t) согласно закону управления (1) задается значениями предельной интенсивности u и коэффициентами b(t) и с(t), определяемыми исходным состоянием подготовленности оператора к началу тренажерной подготовки t и исходной программой подготовки. Если в ходе реализации тренировочных заданий оператор допустил ошибки с исходом, превышающим y (на фиг. 1 это соответствует тренировкам за номерами t и t), то, за счет изменения коэффициентов b(t)=b(t)+Δb, с(t)=с(t)-Δс в формуле (1), фактическая траектория подготовки u(t) становится более «пологой», подстраиваясь по индивидуальные особенности оператора.
На фигуре 2 представлена блок-схема, которая отражает логико-временную последовательность операций для реализации способа. Реализация способа осуществляется следующим образом.
Задают требования к тренажерной подготовке оператора:
a) требования к подготовленности оператора:
пред
- u - предельная интенсивность потоков информации, которую оператор должен уметь обработать при реализации ОФ;
o
- u - исходный уровень ОФ оператора перед началом подготовки;
пред
- y - предельное значение исходов ошибок оператора (отклонений от норм деятельности), приводящее к недопустимым последствиям;
треб
пред
пред
- Р - требуемое значение ОФ, т.е. условной вероятности реализации ОФ с исходом не хуже y при интенсивности потоков информации не ниже u;
b) требования ко времени подготовки и общему количеству тренировок N.
При разработке программы тренажерной подготовки (перед началом тренировок) формируют:
- базу данных операций;
- базу данных нештатных ситуаций;
- базу данных операторских функций.
База данных операций содержит описание штатных операций, включающее наименование операции, ее исходную интенсивность без учета нештатных ситуаций, временную длительность, способ выполнения. Из базы данных операций выбирают (формируют массив) операции, которые будут отрабатываться оператором на тренировках, и определяют необходимое количество их повторений.
База данных нештатных ситуаций содержит описание множества НшС, отобранных для тренировок оператора, которое включает наименование НшС, исходную интенсивность потоков информации, которые должен обработать оператор при реализации операторских функций ОФ по ее обнаружению и парированию, критичность НшС по возможным исходам, способ обнаружения, способ парирования, условия ввода, располагаемое время в зависимости от условий ввода. Из базы данных нештатных ситуаций выбирают (формируют массив) наиболее критические ситуации, которые в наибольшей степени влияют на безопасность, и определяют необходимое количество их повторений оператором на тренировках и включают в исходные циклограммы тренировок.
База данных операторских функций содержит формализованное описание всех событий, связанных с реализацией какой-либо ОФ, и представляет собой описание временных рядов входо-выходных данных, полученных по результатам тренировок. Входными данными являются характеристики штатных операций и НшС, предъявленные на тренировке, а выходными - оценки исходов действий оператора. Описание каждой реализации ОФ включает время (номер) тренировки, характеристики предъявленных штатных операций и НшС, и характеристики их фактических исходов.
o
пред
пред
треб
пред
пред
Задают (блок 1) количественные требования к подготовке оператора: интенсивность потоков информации, которую оператор должен уметь обработать при реализации ОФ к началу подготовки u и ее завершению u, которые поступают в блок 5; предельное значение исходов ошибок оператора (отклонений от норм деятельности), приводящее к недопустимым последствиям y, которое поступает в блок 14; требуемое значение условной вероятности Р реализации ОФ с исходом не хуже y при интенсивности потоков информации не ниже u, которое поступает в блок 13; общее количество тренировок N, которое используется в блоке 4 при разработке исходных циклограмм тренировок.
Формируют исходную программу тренажерной подготовки оператора. Для чего из баз данных операций (16) и НшС (17) выбирают набор штатных операций (2) и наиболее критичных НшС (3), которые обязательно должны быть включены в исходную программу тренажерной подготовки. В (2, 3) также определяют количество повторений каждой операции и критической НшС, необходимое для формирования и поддержания устойчивых навыков оператора. Данные из (2, 3) поступают на вход (4).
С учетом необходимого количества повторений в (4) разрабатывают циклограммы всех N тренировок программы тренажерной подготовки, в которых операции и критические нештатные ситуации распределены в требуемой логико-временной последовательности. На вход (4) также поступают данные о сложности штатных операций и НшС из (16) и (17) и по формуле (2) определяются значения максимальных интенсивностей потоков информации для каждой тренировки, которые поступают на вход (5).
o
пред
o
o
В блоке 5 по формуле (1) задают законы формирования планируемых максимальных интенсивностей потоков информации для каждой из ОФ. Форма исходной траектории тренажерной подготовки оператора для каждой из ОФ определяется граничными значений u, u и коэффициентами b(t) и c(t), которые подбираются с учетом заданного количества тренировок N и предварительного распределения максимальных интенсивностей потоков информации по циклограммам тренировок.
Задают i=1 и в блоке 6 для первой тренировки в соответствии с законом по формуле (1) определяют планируемые значения максимальных интенсивностей потоков информации для каждой из ОФ, которые поступают на вход (7).
Из (17) итерационно выбирают дополнительный набор НшС, варьируя их исходной сложностью и моментом их ввода на циклограмме тренировки таким образом, чтобы рассчитанное по формуле (2) значение максимальной интенсивности потоков информации при реализации ОФ было равно планируемому значению. Формируют скорректированную циклограмму тренировки, соответствующую закону управления (1). По формуле (2) определяют значения максимальных интенсивностей потоков информации для скорректированной циклограммы тренировки, которые поступают на вход (8) и (12).
Вводят исходные данные, соответствующие скорректированной циклограмме тренировки, в тренажер (9).
Оператор на тренажере, воздействуя на органы управления тренажера с помощью пультов управления и средств визуализации информации, отрабатывает заданную циклограмму операций и нештатных ситуаций (9).
С помощью средств тренажера регистрируют параметры деятельности оператора по выполнению операций и НшС. Сравнивают фактические параметры деятельности оператора с требуемыми, установленными в нормативной эксплуатационной документации, фиксируют имеющиеся отклонения от норм деятельности (10).
пред
Экспертным способом оценивают исходы отклонений от норм деятельности оператора относительно предельных значений y (11). При достижении оценок исходов предельных значений реализация ОФ считается неблагоприятной, в противном случае реализация ОФ успешна.
Заносят в БД ОФ (12) данные по входо-выходным характеристикам всех отклонений от норм деятельности на тренировке, которые включают: тип ОФ, интенсивность потока информации, обрабатываемой оператором при реализации данной ОФ, оценка исхода ее реализации, номер тренировки. Данные по успешным реализациям ОФ, в которых не зафиксированы отклонения от норм, по умолчанию поступают из (7).
оф
план
треб
По данным из (12) в (13) производят статистическую оценку текущих ОФ Р(t) как условной вероятности реализации ОФ Р(u<u, y<y).
пред
В случае, если оператор успешно выполнил задание на тренировку (отсутствуют отклонения от норм или их исходы не превышают предельных значений y), то переходят к операции выбора планового значение максимальных интенсивностей потоков информации для следующей тренировки (14).
В противном случае, путем изменения коэффициентов закона в (5) переходят к более «пологой» траектории подготовки (15).
оф
треб
Указанные операции повторяют итерационно до выполнения всех N тренировок программы тренажерной подготовки. По завершении подготовки сравнивают достигнутую оценку ОФ P(t=N) с требуемой Р.
Выполнение операций способа позволяет оперативно корректировать программу тренировок и сложность каждой последующей тренировки по результатам проведенных тренировок и учитывать текущий уровень подготовленности операторов, формировать адаптивные траектории тренажерной подготовки, рекуррентно обеспечивающие достижение требуемых значений, то есть адаптивно управлять тренажерной подготовкой операторов, осуществляя систематический репрезентативный выбор нештатных ситуаций для тренировок, сложность которых соответствует текущему состоянию подготовленности экипажа. Реализация способа позволит повысить качество и эффективность тренажерной подготовки операторов сложных систем.