СИСТЕМА И СПОСОБ ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ
INTERACTIVE TEACHING SYSTEM AND METHOD

Изобретение относится к системе и способу обучения и может быть использовано для групповой и/или индивидуальной подготовки и повышения квалификации персонала, эксплуатирующего и обслуживающего сложное техническое оборудование, например основных и вспомогательных объектов магистрального газопровода (МГ).
Из существующего уровня техники известен комплексный тренажер Северной водопроводной станции, который является программно-техническим средством, содержащим математическую модель энергообъекта, рабочие места пользователей на базе персональных компьютеров, рабочее место инструктора для осуществления управления работой тренажера, предназначенный для формирования и совершенствования у обучаемых навыков и умений по управлению энергообъектом в штатных и аварийных ситуациях. Обучение проводится в реальном замедленном и ускоренном масштабе времени на основе заложенных четырех автоматизированных сценариев типовых оперативных переключений и четырех сценариев противоаварийных тренировок. Действие тренирующегося с последующей возможностью анализа и выявления ошибок осуществляется посредством автоматического ведения протокола (см. статью «Реализация IT-тренажеров для подготовки персонала энергопотребляющих предприятий современной промышленности инфраструктуры. Новые разработки» д.т.н. Магид С.И., к.т.н. Архипова Е.Н.; Кудинов В.В., Богачев О.А.).
Близким аналогом заявленного изобретения является полигон полномасштабного специализированного тренажера учебного центра МГУП «Мосводоканал», предназначенный для обучения, аттестации и переподготовки персонала (см. статью «Реализация IT-тренажеров для подготовки персонала энергопотребляющих предприятий современной промышленности инфраструктуры. Новые разработки» д.т.н. Магид С.И., к.т.н. Архипова Е.Н.; Кудинов В.В., Богачев О.А.). Хотя данный тренажер содержит пять реально действующих ячеек типа КСО-298 с коммутационным оборудованием и устройствами защиты и компьютерный тренажер на базе всережимной математической модели энергообъекта, он представлен лишь энергообъектами, которые не связаны с компьютерной частью и работают независимо друг от друга. Хотя обучение проводится на реальном оборудовании полигона и дополняется многократным повторением тех же операций на компьютерной части посредством пяти сценариев «правильных действий» и четырех сценариев противоаварийных тренировок или по заданию инструктора в свободной форме, не предоставляется комплексного режима функционирования с информационным обменом между действующим оборудованием и компьютерной частью.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип системы интерактивного обучения, является Лаборатория Автоматизации Единой системы газоснабжения (ЕСГ) РФ (см. статью журнала «Сфера Нефтегаз», полугодовой № 1 2008 «Организация повышения квалификации специалистов в области автоматизации на базе действующих стендов последнего поколения средств АСУ ТП» Р.Я.Берман, Попадько, Ю.В.Раушкин, ОАО «Газавтоматика» ОАО «Газпром»).
Лаборатория Автоматизации ЕСГ РФ представляет собой модель отраслевой многоуровневой системы автоматизации технологических процессов (ТП) добычи, транспорта и распределения газа, выбранная в качестве прототипа, включает действующие макеты оборудования, имитаторы физических сигналов, комплекс средств телемеханики, систему автоматизированного управления компрессорного цеха (САУ КЦ), автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера предприятия и автоматизированные рабочие места операторов, объединенные высокопроизводительной сетью передачи данных.
Основной принцип, реализованный в программно-технических средствах лаборатории для удобства организации учебного и творческого процессов, заключается в наличии двух режимов: автономного, при котором каждый стенд может работать самостоятельно, без информационного взаимодействия и не влияя на функционирование прочих; и комплексного, при котором обеспечивается информационный обмен между стендами и макетами от датчика или имитатора до АРМ диспетчера всех уровней. При комплексном режиме не требуется одновременного участия всех стендов - он может быть реализован между любым их числом, однако только в соответствии с иерархией управления.
Данная система не позволяет проводить обучение на полномасштабном действующем оборудовании объектов, создавать виртуальные объекты и их САУ, централизованно управлять, контролировать и анализировать учебный процесс в реальном режиме времени.
Известен способ интерактивного обучения (заявка на изобретение 2004115412/09, 21.05.2004, система и способ интерактивного обучения), выбранный в качестве прототипа, который заключается в том, что в соответствии с целями и задачами обучения слушатели проходят обучение по сценарию индивидуально и/или в группах при участии преподавателя, осуществляющего организацию и контроль за учебным процессом с АРМ преподавателя, связанного с базой данных, а также каналов и средств связи, оснащенных соответствующим программным и аппаратным обеспечением. Данный способ дает только теоретические знания и контроль их усвоения и не позволяет проводить отработку практических навыков.
Для решения указанных выше проблем задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание интерактивной системы и способа обучения для повышения уровня, качества и эффективности обучения путем отработки практических навыков с использованием полномасштабного действующего оборудования объектов, создания виртуальных объектов и их САУ, централизованного управления, контроля и анализа учебного процесса в реальном режиме времени.
Поставленная задача решается тем, что система интерактивного обучения, как и прототип, содержит действующие макеты оборудования, имитаторы параметров, комплекс средств телемеханики, систему автоматизированного управления КЦ, АРМ диспетчера предприятия и автоматизированные рабочие места операторов, объединенные высокопроизводительной сетью передачи данных, согласно изобретению в нее дополнительно введено оборудование основных и вспомогательных объектов МГ, система сжатого воздуха, эмуляторы САУ объектов МГ, автоматизированные рабочие места обучаемых и комплекс видеонаблюдения, АРМ преподавателя, которое снабжено аппаратно-программным обеспечением для управления технологическими и учебным процессами и интерпретатором для создания сценариев.
Рационально, что система интерактивного обучения включает электроприводной компрессор и ресивер, обеспечивающие сжатым воздухом в качестве рабочего тела постоянную работу действующего оборудования объектов МГ.
Целесообразно, что система интерактивного обучения включает оборудование основных объектов МГ, которое является полномасштабным и/или действующим оборудованием.
Предусмотрено, что отдельные объекты МГ - крановый узел и камера приема-запуска очистных устройств - смонтированы в единый объект с соблюдением конструктивных и технологических параметров.
Рационально, что система интерактивного обучения включает макеты магистральных и наружных труб газопровода типовых размеров с катушками и технологическими отверстиями, гидропневмоприводной шаровой кран с выполненными разрезами пневмопривода и запирающего устройства с действующей системой гидропривода, макет мультициклонного пылеуловителя с выполненными разрезами мультициклонной части.
Целесообразно, что действующее оборудование представлено автоматизированной газораспределительной станцией, в которую входит блок переключений, блок редуцирования газа, блок одоризации газа с емкостью хранения одоранта, узел учета газа, блок подогрева газа, газораспределительный пункт и водогрейный котел, вместо одоранта используется ароматизированная жидкость.
Предусмотрено, что система интерактивного обучения включает участок подземного газопровода с действующей станцией катодной защиты.
Рационально, что система интерактивного обучения включает макет газотурбинного газоперекачивающего агрегата с нагнетателем и системой маслоснабжения.
Целесообразно, что система интерактивного обучения включает оборудование вспомогательных объектов МГ, которое является полномасштабным и/или действующим.
Предусмотрено, что система интерактивного обучения включает действующую колонку газовую, в состав которой входят пульт оператора, кассета баллонов со сжатым воздухом, емкость, имитирующую бак автомобиля.
Рационально, что система интерактивного обучения включает макеты высоковольтной ячейки с выключателем, опор воздушной линии электропередач, трансформаторную подстанцию, щит постоянного тока с выпрямителем, действующую аварийную дизельную электростанцию.
Целесообразно, что система интерактивного обучения включает макет блочной котельной с выполненными разрезами водогрейного котла, расширительного бака и центробежного насоса, с действующими контрольно-измерительными приборами и шкафом автоматического управления котельной.
Предусмотрено, что система интерактивного обучения включает колодец для проведения газоопасных работ.
Рационально, что система интерактивного обучения включает действующие объекты теплоснабжения, объекты вентиляции, объекты электроснабжения.
Целесообразно, что система интерактивного обучения включает действующий мобильный бензоэлектрический агрегат с осветительной установкой.
Предусмотрено, что система интерактивного обучения включает электроприводную кран-балку с такелажной оснасткой.
Рационально, что имитаторы могут пропускать и/или подменять параметры с оборудования объектов МГ, работа которых может меняться посредством сценариев с АРМ преподавателя.
Целесообразно использование эмуляторов, предназначенных для создания виртуальных объектов МГ и их САУ, работа которых может меняться посредством сценариев с АРМ преподавателя.
Предусмотрено, что система интерактивного обучения содержит автоматизированные рабочие места оператора КЦ автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС) и энергетика.
Рационально, что система интерактивного обучения содержит автоматизированные рабочие места обучаемых, отображающие текущее состояние объектов МГ.
Целесообразно, что система интерактивного обучения содержит комплекс видеонаблюдения за оборудованием объектов МГ, который предназначен для обработки и управления видеопотоком с камер видеонаблюдения.
Также поставленная задача решается тем, что способ интерактивного обучения, заключающийся в том, что, как и в прототипе, в соответствии с целями и задачами обучения слушатели проходят обучение по сценарию индивидуально и/или в группах при участии преподавателя, осуществляющего организацию и контроль за учебным процессом с АРМ преподавателя, связанного с базой данных, а также каналов и средств связи, оснащенных соответствующим программным и аппаратным обеспечением. В соответствии с изобретением обучение слушателей проводят на полномасштабном и/или действующем оборудовании основных и вспомогательных объектов, автоматизированных рабочих местах операторов и АРМ диспетчера, при этом преподаватель задает и/или изменяет сценарии работы оборудования объектов МГ и/или их САУ, а также управляет, контролирует и анализирует процесс обучения через комплекс видеонаблюдения и организует обучение в автономном и/или комплексном режимах работы системы.
Предусмотрено, что в способе интерактивного обучения изменение сценариев преподаватель осуществляет посредством изменения текущих параметров оборудования в реальном режиме времени и/или создания сценариев работы оборудования объектов МГ с использованием интерпретатора.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема системы интерактивного обучения.
Система интерактивного обучения содержит автоматизированные рабочие места обучаемых 1, АРМ преподавателя 2, АРМ диспетчера 3, автоматизированные рабочие места операторов 4, комплекс видеонаблюдения - блок управления видеонаблюдением 7 и камеры видеонаблюдения 9 объектов для осуществления визуального контроля действий слушателей на объектах в реальном режиме времени на АРМ преподавателя 2 и автоматизированные рабочие места обучаемых 1, а также для создания видеоархива. Также система включает системы автоматизированного управления 6, предназначенные для управления и контроля работы оборудования объектов МГ, имитаторы 8, как комплекс программно-технических средств, позволяющий воспроизвести поведение оборудования объектов МГ, то есть заменить физические сигналы оборудования объектов МГ, выдаваемые на их САУ 6. Помимо этого система включает эмуляторы 10, как комплекс программно-технических средств, эмулирующие (эмуляция - это имитация функционирования одного устройства посредством другого устройства или устройств вычислительной машины, при которой имитирующее устройство воспринимает те же данные, выполняет ту же программу и достигает того же результата, что и имитируемое. ГОСТ 15971-90 «Системы обработки информации. Термины и определения») функции имитаторов 8 объектов и их САУ 6 и полномасштабного действующего оборудования объектов МГ 11. АРМ преподавателя 2 снабжено программным интерпретатором создания сценариев штатной или нештатной работы оборудования объектов МГ. Автоматизированные рабочие места операторов 4 предназначены для управления, контроля и анализа работы отдельных объектов МГ, например компрессорного цеха. АРМ диспетчера 3 предназначен для управления, контроля и анализа работы комплекса объектов МГ. Для работы полномасштабного действующего оборудования объектов МГ 11 требуется наличие постоянного давления и расхода газовой среды. Поэтому в учебных целях в качестве рабочего тела используется сжатый воздух, подаваемый электроприводным компрессором через ресивер (на чертежах не показаны). Взаимосвязь между вышеперечисленными элементами системы организована посредством высокопроизводительной сети передачи данных через сервер 5, представляющий собой промышленно реализуемый программно-аппаратный комплекс, в частности SCADA- и SQL-сервер, который предоставляет удаленный доступ к своим службам и/или ресурсам с целью хранения, использования и обмена информацией между элементами системы.
Работа системы интерактивного обучения включает передачу значений технологических параметров в виде сигналов с полномасштабного действующего оборудования объектов МГ 11 через имитаторы 8, на котором сигналы или пропускаются, или подменяются частично или полностью, через сервер 5 на САУ 6, далее через сервер 5 на автоматизированные рабочие места операторов 4 и на АРМ диспетчера 3 или, если процесс эмулируется, с эмуляторов 10 через сервер 5 на автоматизированные рабочие места операторов 4 и на АРМ диспетчера 3, далее через сервер 5 на АРМ преподавателя 2 и далее на автоматизированные рабочие места обучаемых 1. Одновременно происходит передача видеосигналов с камер видеонаблюдения 9 объектов через блок управления видеонаблюдением 7 и сервер 5 на АРМ преподавателя 2, далее на автоматизированные рабочие места обучаемых 1.
Способ интерактивного обучения заключается в том, что на первом этапе преподаватель знакомит слушателей с составом, устройством и принципом работы как отдельных узлов оборудования, так и объектов МГ в целом непосредственно на полномасштабном оборудовании основных и вспомогательных объектов МГ 11, таких как крановый узел и камера приема-запуска очистных устройств, смонтированных в единый объект с соблюдением конструктивных и технологических параметров, макеты магистральных и наружных труб газопровода типовых размеров с катушками и технологическими отверстиями, гидропневмоприводной шаровой кран с выполненными разрезами пневмопривода и запирающего устройства с действующей системой гидропривода, макет мультициклонного пылеуловителя с выполненными разрезами мультициклонной части. Кроме того, в состав оборудования включена автоматизированная газораспределительная станция, в которую входит блок переключений, блок редуцирования газа, блок одоризации газа с емкостью хранения одоранта, узел учета газа, блок подогрева газа, газораспределительный пункт и водогрейный котел, где вместо одоранта используется ароматизированная жидкость. Также на данном этапе слушатели проходят обучение на участке подземного газопровода с действующей станцией катодной защиты, макете газотурбинного газоперекачивающего агрегата с нагнетателем и системой маслоснабжения, действующей колонкой газовой, в состав которой входят пульт оператора, кассета баллонов со сжатым воздухом, емкость, имитирующую бак автомобиля, макете блочной котельной с выполненными разрезами водогрейного котла, расширительного бака и центробежного насоса, с действующими контрольно-измерительными приборами и шкафом автоматического управления котельной. В системе представлены действующие объекты теплоснабжения, объекты вентиляции, объекты электроснабжения, действующий мобильный бензоэлектрический агрегат с осветительной установкой. Также слушатели знакомятся с безопасными приемами работ и отрабатывают навыки по проведению газоопасных работ с использованием колодца, работ с электрооборудованием на макетах высоковольтной ячейки с выключателем, трансформаторной подстанции, щита постоянного тока с выпрямителем, на действующей аварийной дизельной электростанции, работ на высоте на опорах воздушной линии электропередач и проведению стропальных работ с использованием электроприводной кран-балки с такелажной оснасткой.
Далее на втором этапе преподаватель задает штатный режим работы полномасштабного действующего оборудования объектов МГ 11 и каждый из слушателей в реальном режиме времени управляет, контролирует и анализирует либо непосредственно работу действующего оборудования объектов МГ 11, либо с САУ 6, либо с автоматизированных рабочих мест операторов 4. При этом преподаватель управляет, контролирует и анализирует процесс обучения двумя путями. В первом случае он непосредственно присутствует рядом со слушателем на действующем оборудовании объектов МГ 11. Во втором случае он осуществляет управление, контроль и анализ с АРМ преподавателя 2 либо, используя показания работы оборудования, получаемые с САУ 6 или с автоматизированных рабочих мест операторов 4, либо с помощью блока управления видеонаблюдением 7 и камер видеонаблюдения 9, установленных на объектах. Например, в процессе работы на смонтированных в единый объект с соблюдением конструктивных и технологических параметров крановом узле и камерах приема-запуска очистных устройств преподаватель дает задание на переключение на байпасную линию кранового узла, а слушатель должен проанализировать задание и произвести соответствующие действия. Аналогичным образом, проводится обучение на участке подземного газопровода с действующей станцией катодной защиты.
Во время обучения предусмотрена возможность замены с АРМ преподавателя 2 в режиме реального времени значений текущих параметров работы оборудования 11 с использованием имитатора 8 и/или эмулятора 10. Например, в процессе работы автоматизированной газораспределительной станции (АГРС) преподаватель заменяет значение перепада давления на одном из фильтров ГРС, а слушатель должен проанализировать сложившуюся ситуацию и произвести соответствующие переключения для устранения нештатной ситуации. При этом преподаватель контролирует и оценивает действия слушателя и имеет возможность проводить анализ его действий с использованием видеоархива.
На следующем этапе обучения преподаватель вместо действующего оборудования объектов МГ использует имитаторы 8 и/или эмуляторы 10, которые выдают параметры штатной или нештатной работы оборудования по заданным сценариям. При этом предусмотрена возможность в режиме реального времени вносить изменения в загруженный сценарий путем замены значений отдельных параметров работы оборудования. Например, загружен сценарий штатной работы как электроприводного газоперекачивающего агрегата (ЭГПА), так и КЦ, и преподаватель имеет возможность в реальном режиме времени изменить один или несколько параметров работы агрегатов КЦ, а один из слушателей должен проанализировать сложившуюся ситуацию и выполнить соответствующие действия либо с САУ 6 ЭГПА, либо АРМ оператора 4 КЦ, при этом преподаватель и остальные слушатели контролируют и оценивают действия слушателя на АРМ преподавателя 2 и на автоматизированных рабочих местах обучаемых 1 соответственно. Аналогичным образом, проводится обучение на АРМ оператора 4 КЦ АГНКС, на котором имеется возможность анализировать и контролировать работу КЦ АГНКС.
Например, загружен сценарий нештатной работы ГРС, в котором задано повышение давления на линии потребителя и преподаватель имеет возможность в реальном режиме времени дополнительно обозначить неисправность регулятора давления на рабочей нитке редуцирования. При этом один из слушателей должен сделать соответствующие переключения на САУ 6 ГРС для устранения нештатной ситуации, а преподаватель и остальные слушатели контролируют и оценивают действия слушателя на АРМ преподавателя 2 и на автоматизированных рабочих местах обучаемых 1. Аналогичным образом, проводится обучение на АРМ оператора 4 энергетика, на котором имеется возможность анализировать и контролировать работу котельной и объектов теплоснабжения, объектов вентиляции и объектов электроснабжения.
Все данные с действующего оборудования 11, имитаторов 8 и эмуляторов 10, помимо АРМ преподавателя 2, поступают на АРМ диспетчера 3, с которого осуществляется анализ, контроль и управление взаимосвязанными объектами МГ. При этом предусмотрена возможность в реальном режиме времени изменять параметры работы как одного объекта МГ, так и нескольких. Например, загружен сценарий штатной работы объектов МГ, и преподаватель с АРМ преподавателя 2 в реальном режиме времени имеет возможность задать резкое понижение давления на одном из участков МГ. При этом один из слушателей должен проанализировать влияние данной ситуации на объекты МГ и сделать соответствующие переключения на АРМ диспетчера 3.
Видеоархив, создаваемый на комплексе видеонаблюдения, может использоваться преподавателем для контроля и оценки действий слушателя, а также в последующем позволяет проводить анализ его действий, что в конечном счете повышает эффективность обучения и позволяет использовать материалы видеоархива в системе дистанционного обучения.
Сценарии работы оборудования преподаватель составляет на АРМ преподавателя 2 посредством программного интерпретатора, который позволяет изменять любые параметры в имитаторах 8 и эмуляторах 10 оборудования объектов МГ, а также вносить изменения в ранее созданные сценарии.
Таким образом, применение данной системы и способа интерактивного обучения существенно повышает эффективность и качество обучения слушателей за счет получения и отработки практических навыков обслуживания и эксплуатации производственного оборудования, управления производственными процессами в штатном и нештатном режимах работы, кроме того, значительно сокращается время обучения.