Основы моделирования и управления когнитивным процессом Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

КОГНИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕТОДИКЕ ПРЕПОДАВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ НА УК

УДК 007.51

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ КОГНИТИВНЫМ ПРОЦЕССОМ

Т. А. Акименко

Представлена обобщенная структура тренажеров, структурная схема рабочего места оператора, информационная модель работы оператора на тренажере; рассмотрены различные этапы деятельность оператора, физические факторы, воздействующие на оператора в реальных объектах: изменение пространственного положения рабочего места, шум функционирующей аппаратуры и механизмов, вибрации органов управления и средств индикации.

Ключевые слова: когнитивный процесс, тренажёр, оператор, эргатические системы, память, внимание.

Современный процесс обучения на тренажёрах опирается на понятие когнитивной образовательной технологии связанной, в свою очередь, с целенаправленным управлением когнитивными функциями обучаемого оператора - высшими мозговыми функциями, такими как память, внимание, психомоторная координация, речь, счет, мышление, ориентация, планирование и контроль высшей психической деятельности [1,3]. Когнитивные функции характеризуют способность человека к восприятию и переработке информации, а также к использованию ее для коррекции своих действий.

В настоящем исследовании предлагается применение когнитивных образовательных технологий как основного инструмента управления тренингом операторов. Тренажеры представляют собой физические модели реальных эргатических систем [2], предназначенные для выработки навыков управления сложной техникой. В задачу тренажера входит создание у оператора иллюзии управления объектом за счет воспроизведения условий, в которых находится оператор в процессе выполнения задания. Ука-

282

занное воспроизведение условий можно планировать заранее, с учетом психофизиологических особенностей отдельных операторов и реальных ситуаций, возникающих в процессе функционирования объекта. Это, в свою очередь позволяет решать широкий круг задач профессиональной подготовки, от первоначального знакомства с эргатическим комплексом, до наработки навыков принятия и исполнения решений в сложных, в том числе и нештатных, ситуациях.

Подготовка операторов к работе на эргатическом объекте - это поэтапный, управляемый и контролируемый процесс, включающий две основные функции, которые должны быть реализованы в каждом тренажере [2]:

- воспроизведение условий работы оператора;

- управление воспроизведением реальных условий функционирования со стороны инструктора с сопутствующим контролем действий оператора.

В процессе обучения на тренажеры возлагаются следующие задачи:

- подготовка операторов;

- поддержание навыков;

- профессиональный отбор операторов для решения конкретных задач;

- переподготовка операторов;

- отработка методик и программ обучения.

В частности тренажеры, предназначенные для подготовки водителей и операторов подвижных наземных объектов (ПНО) должны обеспечивать [4]:

- ознакомление с рабочим местом, размещением и взаимным расположением приборов и элементов управления;

- изучение бортовых систем управления, приборного оборудования, систем внутренней и внешней связи;

- изучение характеристик двигательных установок транспортного средства во всех режимах;

- изучение маневренных характеристик ПНО при номинальных и максимальных скоростях;

- отработку задач вождения и применения специальных средств;

- тренировку в аномальных условиях при естественных отказах оборудования и неисправностях, возникающих вследствие внешних воздействий.

Вследствие того, что любой тренажер является физической моделью конкретного реального объекта, в той или иной мере воспроизводящей условия работы оператора, аппаратный состав тренажера определяется спецификой объектов, для которых готовятся операторы. Однако, несмотря на большое разнообразие объектов, различие в степенях адекватности, и элементной базе отдельных реализаций тренажеров, может быть сформи-

рована их типовая обобщенная структура, приведенная на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структура тренажеров

В состав любого тренажера входит рабочее место инструктора (РМИ), рабочее место оператора (РМО), и устройство управления (УУ). Инструктор (И) и оператор (О) могут взаимодействовать, также, непосредственно, минуя технические средства тренажера.

Основным элементом этой структуры является рабочее место оператора, на котором воссоздаются условия имитируемого процесса. РМО представляет собой выполненный в натуральную величину макет рабочей зоны реального объекта. На рабочем месте устанавливаются макеты всех органов управления, связанные через датчики сенсорной системы с управляющими системами и средства наблюдения, которыми пользуется оператор при управлении реальным объектом. Структурная схема рабочего места приведена на рис. 2.

На рис. 2 обычными стрелками обозначены электрические связи, двойными стрелками - механические связи, а тонкими стрелками - информационные связи. В состав современного РМО входит управляющая ЭВМ,

средства отображения визуальной обстановки, приборы управления, органы управления, технические средства физического воздействия на оператора (исключая средства отображения визуальной обстановки и приборы управления), органы управления и сенсорная система, включающая датчики обратной связи средств физического воздействия и датчики цифровые (ДЦ) и аналоговые (ДА) органов управления. Последним для включения в схему ЭВМ требуются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Кроме того, рабочее место оператора через внешний интерфейс 1п соединяется с рабочим местом инструктора (РМИ).

Взаимодействие оператора с реальным объектом производится в соответствии с информационной моделью, приведенной на рис. 3. Информация в тренажере формируется инструктором в соответствии с учебнотренировочной задачей, а также при моделировании с помощью ЭВМ процессов, протекающих в реальном объекте. Инструктор, как правило, имеет возможность целенаправленного вмешательства в моделируемый процесс: ввода начальных условий, прерывания процесса при опасности возникновения аварийных ситуаций, корректировки действий обучаемого, корректировки условий выполнения учебно-тренировочной задачи и т.п.

ЭВМ

Математические модели

Окружающая

обстановка

Учебно-тре-

нировочные

задачи

Ш[

Ш[

Ш[

«>

Иі

И2

Ип

шс

шс

шс

Оператор

Восприятие

Концептуальная модель

Реакция

і

Уі

У2

Уп

Рис. 3. Информационная модель работы оператора на тренажере

Первичная информация содержится в задании инструктора и виртуальной модели эргатической системы. На основании условий учебнотренировочной задачи и положения имитаторов органов управления, измеренных датчиками информационно-измерительной системы, в ЭВМ рассчитывается текущее состояние виртуального объекта, которое отображается в показаниях макетов приборов, а также отображается на экранах мониторов, воспроизводящих окружающую обстановку в имитаторах средств наблюдения (смотровых окнах, иллюминаторах). В любом случае множество приборов может быть представлено как множество индикаторов Иь ..., Ип, которые доводят до обучаемого оператора некоторую информацию.

285

Кроме того, в тренажерах воспроизводятся физические факторы, воздействующие на оператора в реальных объектах, такие, как изменение пространственного положения, рабочего места, шум функционирующей аппаратуры и механизмов, вибрации органов управления и средств индикации и т.д., имитируется связь операторов с внешними абонентами и между собой.

В свою очередь, деятельность оператора включает следующие этапы.

Первый этап, восприятие информации, заключается в обнаружении в общем потоке визуальной, слуховой, тактильной и т.п. информации отдельных фрагментов, отвечающих стоящей перед оператором задаче; ознакомления с выделенными признаками и опознания объекта восприятия. Для осуществления этого этапа необходимо, чтобы все данные о состоянии модели подвижного объекта, как на приборной доске, так и на экране монитора представлялись в той форме, в которой они представляются в реальном объекте.

Второй этап - оценка информации, ее анализ и обобщение на основе заранее заданных или сформированных в процессе обучения критериев оценки. Оценка производится путем сопоставления воспринятой информационной модели со сложившейся у оператора внутренней образноконцептуальной моделью процесса.

Третий этап, принятие решения о действиях, акт, формируемый на основе проведенного анализа информационной и образно-концептуальной моделей обстановки. На этом этапе обучаемый оператор, на основании воспринятой информации, принимает решения по управлению объектом.

Четвертый этап - исполнение принятого решения посредством определенного действия или отдачи соответствующих распоряжений, при этом человек-оператор реализует принятые решения путем воздействия на имитаторы органов управления объекта (рис. 3).

Из анализа деятельности оператора видно, что для формирования и совершенствования профессиональных навыков необходимо создание такой когнитивной модели, которая позволяла бы генерировать учебнотренировочные задачи с дозировано возрастающей сложностью, позволяющие повысить качество и сократить сроки подготовки операторов.

Список литературы

1. Бершадский, М.Е. Когнитивная технология обучения: теория и практика применения /Серия: Библиотека журнала «Директор школы», Директор +, Эксперт, Издатель: Издательская фирма «Сентябрь», Москва, 2011. 256с.

2. Ларкин Е.В. Моделирование информационных процессов тренажерных систем [Текст]/Е.В., Ларкин, А.Н. Привалов. LAP LAMBERT

Academic Publishing, 2012. 240 с.

3. Привалов А.Н. Моделирование когнитивного процесса тренинга в эргатических системах [Текст]/ Е.В. Ларкин, А.Н. Ивутин, А.Н. Привалов. LAP LAMBERT Academic Publishing 2013. 232 с.

4. Бондаренко, В.Е. Семантические структуры для синтеза ситуационных тренажеров [Текст]/ В.Е. Бондаренко. // Моделирование в тренажерных системах. Киев: Наукова думка, 1990. С. 61 - 67.

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tantan72@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

PRINCIPLES OF MODELING AND CONTROL COGNITIVE PROCESSES

T.A. Akimenko

A generalized structure of simulators, a block diagram of the operator's station, the information model of the operator on the machine, consider the various stages of the activities of the operator, physical factors affecting the operator in real-world objects: changing the spatial position of workplace noise functioning of equipment and machinery, vibration controls and display facilities.

Key words: cognitive process simulator operator ergatic system, memory and attention.

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical science, docent, tan-tan72@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 519.217.2

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПЕТРИ-МАРКОВСКАЯ МОДЕЛЬ КОГНИТИВНОГО ПРОЦЕССА ОБУЧЕНИЯ В ТРЕНАЖЕРНЫХ

СИСТЕМАХ

А.Н. Ивутин

Предложены аналитические математические зависимости, описывающие модель когнитивного процесса обучения оператора с использованием тренажера как физической модели реального подвижного наземного объекта.

Ключевые слова: тренажерная система, алгоритм, полумарковский процесс, сеть Петри-Маркова

В условиях современного развития становится актуальной задача повышения эффективности обучения оператора за счет совершенствования процесса обучения, реализуемого в виде последовательности учебнотренировочных задач с дозировано нарастающей ситуационной сложно-