CC BY
158
УДК 681.324:371.694
Д.А. Фролов АРХИТЕКТУРА И СЦЕНАРИИ КОМПЬЮТЕРНОГО ТРЕНАЖЕРА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Рассматривается построение компьютерного тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий. Проводится обоснование выбора представлений многоуровневой клиент-серверной архитектуры тренажера. Разработаны сценарии работы компьютерного тренажера для всех групп пользователей.
Компьютерный обучающий тренажер, персонал промышленных предприятий, многоуровневая архитектура, сценарии работы тренажера.
D.A. Frolov SOFTWARE IMPLEMENTATION AND SCENARIOS OF A LEARNING MANAGEMENT SYSTEM FOR THE PERSONNEL TRAINING AT INDUSTRIAL ENTERPRISES
The construction of a computer simulator for the staff training at industrial enterprises is considered. The choice of representations for the multi-tier architecture simulator is conducted. Operation scenarios of computer simulators are developed for all user groups.
Computer simulator training, the staff at industrial enterprises, multi-tier architecture, the simulator scenarios
Подготовка квалифицированных профессиональных кадров для высокотехнологичных промышленных предприятий проводится в учебно-тренировочных центрах повышения квалификации и переподготовки персонала. Причем, обучение предполагает как изучение теоретического материала, включая документы по требованиям охраны труда, инструкции, стандарты и руководящие нормативные документы по организации производства работ. Изучение учебных и нормативных материалов обязательно должно сопровождаться изучением оборудования и производства работ на этом оборудовании. Учитывая, что номенклатура оборудования, используемого на промышленных предприятиях, представлена большим количеством видов и типов, а также, как правило, имеет значительные габариты, поэтому использование натурных тренажеров достаточно затруднено. Поэтому в настоящее время в учебно-тренировочных центрах стали большое внимание уделять использованию компьютерных обучающих тренажеров [1].
Компьютерный обучающий тренажер для подготовки персонала промышленного предприятия представляет собой обучающую систему, в которой выделены следующие основные подсистемы: управления, обучающая, контролирующая [2]. Эти подсистемы предоставляют учебно-методический материал, возможность отработки практических навыков производства работ на изучаемом оборудовании, а также управленческую информацию. То есть обеспечивается всесторонняя поддержка управленческих функций преподавателя-инструктора, поддержка функций самоуправления учебной деятельности обучаемых. Причем, следует учитывать, что особенность представления учебнометодических материалов связана с выбором технологии и платформы для реализации обучающей среды [3]. При этом комфортность работы обучаемых и преподавателя-инструктора с такими компьютерными обучающими тренажерами во многом определяется уровнем их программной реализации. В настоящее время существует несколько направлений программной реализации обучающих систем:
использование инструментальных систем общего назначения, использование учебных пакетов, применение метода «прямого» программирования [4]. При разработке компьютерного обучающего тренажера выбран метод «прямого» программирования, поэтому особое внимание следует уделять разработке архитектуры тренажера. В связи с этим проведем анализ представлений клиент-серверной архитектуры, что позволит произвести выбор архитектуры разрабатываемого компьютерного обучающего тренажера.
Понятие архитектуры системы в специализированной литературе трактуется по-разному, причем часто синонимом данного понятия выступает «структура системы», что предполагает деление любой прикладной программы на три основных компонента:
— компонент представления данных;
— компонент прикладной логики;
— компонент управления базой данных.
Функция обработки данных, как правило, выносится на несколько серверов, что указывает на многоуровневую клиент-серверную архитектуру. В таких системах функции сбора, хранения, обработки и представления информации разделяются для более эффективного использования вычислительных ресурсов серверов и клиентов. Самыми распространенными представлениями многоуровневой архитектуры являются двухуровневая и трехуровневая архитектура. В любом современном сетевом приложении между пользователем и сервером осуществляется взаимодействие как минимум на основе двухуровневой архитектуры. В таком случае под клиент-серверным приложением чаще всего понимается информационная система, базирующаяся на использовании серверов баз данных, но существуют и другие варианты использования:
— файловый сервер предназначен для выполнения операций ввода/вывода и долговременного хранения файлов;
— сервер приложений (рис. 1) предназначен для размещения функциональных блоков на стороне сервера, доступ к которым происходит при помощи интерфейса прикладного программирования (API);
— сервер терминалов.
Рис.1. Представление двухуровневой клиент-серверной архитектуры
В случае размещения компонентов визуализации данных и прикладной логики на стороне клиента взаимодействие с сервером СУБД осуществляется при помощи структурированных запросов SQL, то есть по типу архитектуры с «толстым клиентом». Однако, масштабируемость системы, обусловленная увеличением количества клиентов, может доставить некоторые неудобства из-за использования пользовательских компьютеров с различными характеристиками и операционными системами. Частично такую проблему позволяет решить кроссплатформенное программное обеспечение Java. При реализации двухуровневой архитектуры с «тонким клиентом» на клиентской стороне раз-
мещается только графический интерфейс пользователя ^Ш), а вся бизнес-логика с базой данных размещается на сервере. Функции GUI может выполнять обычный браузер, что существенно упрощает масштабирование системы.
Трехуровневая архитектура предполагает использование клиентского приложения, подключенного к серверу приложений, который в свою очередь подключен к СУБД (рис. 2). На первом уровне размещается GUI-компонент, который не реализует основную бизнес-логику системы, а также не имеет прямой связи с базой данных. Данный компонент выполняет простейшие функции авторизации пользователя, шифрования, проверки правильности ввода данных и так далее. На втором уровне располагается сервер приложений, который отвечает за бизнес-логику системы и осуществляет взаимодействие с клиентом и СУБД. На третьем уровне функционирует сервер базы данных.
Клиент N
Рис. 2. Представление трехуровневой клиент-серверной архитектуры
Серверы приложений и баз данных могут быть размещены и на одном компьютере, но в таком случае нарушаются принципы безопасности и надежности обработки данных. Наиболее оптимальной конфигурацией является реализация сервера баз данных на отдельном компьютере, к которому подключается сервер приложений. При большом количестве пользователей нужен незагруженный другими сетевыми файловыми задачами сервер баз данных. Это позволит максимально быстро и без потерь обрабатывать большой объем данных.
Таким образом, на основании проведенного анализа с точки зрения безопасности, надежности и масштабируемости в качестве основного типа архитектуры компьютерного тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий используем трехуровневое представление клиент-серверной архитектуры. В качестве программного инструментария для разработки тренажера оптимальным решением будет использование возможностей платформы Java и баз данных Oracle Database. Это решение обусловлено невозможностью использования стандартных средств описания HTML и CSS, воспроизводимых браузерами, ввиду обширного использования трехмерной графики для визуализации технологических процессов промышленного предприятия.
На рис. 3 детально представлена архитектура тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий. В соответствии с моделью трехуровневой клиент-серверной архитектурой функционал обучающего тренажера вынесен на три различных уровня:
— уровень клиента;
— уровень сервера приложений;
— уровень сервера данных.
Каждая подсистема тренажера разработана в соответствии с главными функциональными требованиями, что обеспечивает динамичность и адаптивность учебных материалов для индивидуальных пользователей. Права доступа определяют набор действий, разрешенных для выполнения
пользователям системы над объектами данных. В качестве основного принципа контроля доступа в тренажере используется избирательное управление доступом.
Основных пользователей системы разделяем на три группы: администраторы, инструкторы и обучаемые. Так как каждый из них выполняет свою функциональную задачу, то интерфейс пользователя для группы является уникальным. Интерфейсы располагаем на уровне клиента, то есть программные модули GUI размещаем на локальных компьютерах пользователей. На уровне сервера приложений реализуем основную бизнес-логику тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий, а на уровне сервера данных располагаем основное файловое хранилище и СУБД.
Доступ к подсистеме управления инструкторами осуществляется только администраторами тренажера. Данная подсистема позволяет выполнять весь цикл CRUD-операций (Create Read Update Delete - Создание Чтение Обновление Удаление) с профилями инструкторов, размещенными в базе пользователей тренажера. Также в этой базе хранятся профили всех обучаемых, которых в тренажер добавляют уже инструкторы через подсистему управления обучаемыми. Помимо администрирования и мониторинга обучаемых в задачи инструктора входит создание и поддержка учебных курсов тренажера.
Подсистема управления учебным курсом позволяет настраивать хранимые на сервере данных справочную подсистему и подсистему учебных материалов. Справочная подсистема содержит основные методические рекомендации по работе с тренажером и учебным курсом и размещается в базе данных. Подсистема учебных материалов состоит из нескольких частей. Нормативно-техническая документация, фотографии оборудования, видеоролики, визуализированные модели и прочие документы хранятся в файловом хранилище, а описание и настройки обучающих и контролирующих подсистем - в базе данных. Все данные из подсистемы учебных материалов используются в дальнейшем процессе обучения, реализуемом уже на стороне сервера приложений.
Работа обучаемого в тренажере начинается с прохождения входного контроля. В ходе первичной проверки оцениваются не только теоретические знания, но и практические навыки выполнения виртуальных работ. По итогам полученных данных подсистема управления обучением составляет порядок изучения материалов обучаемым, тем самым создавая для него индивидуальную образовательную траекторию. После прохождения процесса обучения пользователь направляется в контролирующую подсистему, где осуществляется итоговая проверка знаний, умений и навыков. При получении неудовлетворительных результатов индивидуальный план обучения перестраивается с учетом ошибок, и цикл обучения повторяется вновь. Все действия инструкторов и обучаемых записываются в журнал транзакций, доступ к которому есть только у администраторов тренажера. Протоколирование всех действий пользователей тренажера позволит администраторам после возникновения неполадок понять их причины.
Сценарии работы компьютерного тренажера продемонстрированы на диаграмме прецедентов (рис. 4). Работа в компьютерном тренажере начинается с авторизации пользователя, а затем в зависимости от его группы подключается требуемый GUI. На данной диаграмме более подробно рассмотрен процесс управления обучаемыми. Помимо регистрации обучаемых инструктор должен объединить их в группы, а затем указать доступные учебные курсы для этих групп. Также инструктор на протяжении всего процесса обучения имеет доступ к подробной статистике и результатам обучения каждого пользователя, закрепленного за ним. Обучаемый в свою очередь может не пройти курс обучения за один сеанс работы с тренажером, поэтому каждое действие обучаемого фиксируется и сохраняется в базу данных, что позволит ему продолжить обучение с последней сохраненной контрольной точки.
Программная реализация компьютерного обучающего тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий на основе представления трехуровневой клиент-серверной архитектуры позволяет реализовывать сценарии работы администратора, инструктора по обучению и обучаемых. При этом обеспечивается управление со стороны администратора, включая настройку и поддержку функционирования компьютерного тренажера, управление со стороны инструктора, включая администрирование учебных курсов и управление обучаемыми, а также самоуправление обучаемыми своей учебной деятельностью при работе на тренажере.
Рис. 3. Архитектура компьютерного тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий
Рис. 4. Диаграмма прецедентов компьютерного тренажера для подготовки персонала промышленных предприятий
ЛИТЕРАТУРА
1. Фролов Д. А. Анализ видов компьютерных обучающих систем для подготовки персонала промышленного предприятия и современных технологий их построения / Д.А. Фролов // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 1. № 2. С. 431-434.
2. Виштак Н.М. Функционально-структурная модель интеллектуальной обучающей системы / Н.М. Виштак, Д.А. Фролов, Е.В. Варгина // Фундаментальные исследования. 2013. № 11-5. С. 871-874.
3. Большаков А.А. Использование технологий распределенных вычислений для решения сложных технических задач в дистанционной образовательной среде вуза / А. А. Большаков, В.П. Глазков, И.В. Егоров, А.В. Лавров, С.В. Пчелинцева // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. 2011. № 1. С. 99-107.
4. Виштак О.В. Направления программной реализации электронных образовательных ресурсов / О.В. Виштак // Сборник научных трудов Sworld. 2013. Т. 5. № 2. С. 36-39.
Фролов Дмитрий Александрович - Dmitriy A. Frolov -
аспирант Саратовского государственного Postgraduate
технического университета имени Гагарина Ю.А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 10.12.13, принята к опубликованию 15.12.13
