CC BY
32
Применение компьютерного тренинга в корпоративном
обучении
Кривов Максим Викторович доцент, к.т.н., заведующий кафедрой вычислительных машин и комплексов, Ангарский государственный технический университет, ул. Чайковского, 60, г. Ангарск, 665835, (3955)674396 vmk@angtu.ru
Благодарный Николай Семенович профессор, к.т.н., заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов, Ангарский государственный технический университет, ул. Чайковского, 60, г. Ангарск, 665835, (3955)678915 atp@angtu.ru
Аннотация
Описан состав, особенности и функциональные возможности компьютерных тренажерных комплексов, разрабатываемых в Ангарском государственном техническом университете для подготовки операторов-технологов химических и нефтехимических производств. Рассматриваются подходы к построению системы автоматизированного обучения и оценки действий оперативного персонала на компьютерных тренажерных комплексах. Приведена структура системы и описан метод оценки действий оператора, основанный на сопоставлении его действий, формализованных в форме текущей ситуации на тренажерной модели, с заранее записанным в виде ситуационного графа эталонным алгоритмом действий. Продемонстрирована реализация системы автоматизированного обучения и оценки действий оператора на уже внедренном в производство компьютерном тренажерном комплексе. Указаны возможности развития и совершенствования методик обучения операторов.
The composition, features and functionality of computer simulators developed in the Angarsk State Technical University for the training of operators-technologists of chemical and petrochemical industries are described. The approaches to the construction of the system of automated training and evaluation of operations personnel on computer simulators are considered. The structure of the system is given and the method of evaluation of the operator's actions based on comparison of his actions formalized in the form of the current situation on the training model with the reference algorithm of actions written in the form of the situational graph is described. The implementation of the system of automated training and evaluation of the operator's actions on the computer training complex already implemented in production is demonstrated. Possibilities of development and improvement of methods of training of operators are specified
Ключевые слова
Компьютерный тренинг, подготовка персонала, оценка действий персонала, компьютерные тренажеры
Computer training, staff training, personnel actions evaluation, computer simulators
Введение
Компьютерный тренинг, применяемый в профессиональной подготовке технологического персонала, является эффективным средством сформирования практических навыков и компетенций безопасной эксплуатации производственных процессов. Такой вид подготовки оперативного персонала крайне необходим для взрывопожароопасных производств, поэтому разработка тренажеров-имитаторов технологических процессов и их систем управления является актуальной задачей.
Основы построения автоматизированной системы обучения
В Ангарском государственном техническом университете (АнГТУ) налажена разработка компьютерных тренажерных комплексов (КТК). Данные тренажерные комплексы применяются на нефтехимических производствах Восточно-Сибирского региона в корпоративном обучении операторов-технологов. КТК предназначен для выработки у оперативного персонала нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств устойчивых навыков по выполнению безопасных действий в процессе нормальной эксплуатации, пуска и нормальной остановки производства, аварийной остановки, а также при локализации и ликвидации возникающих нештатных и аварийных ситуаций.
Основные задачи обучения персонала, связанные с применением КТК: приобретение и отработка навыков безопасного ведения процесса в соответствии с нормами технологического регламента;
усвоение компетенций безошибочного распознавания нештатных ситуаций и навыков их устранения по заранее подготовленным сценариям;
отработка индивидуальных и групповых (до 3 человек одновременно) действий оперативного персонала по пуску и остановке процесса, а также по локализации и ликвидации аварийных ситуаций в соответствие с заранее разработанными планами.
Важной особенностью КТК является то, что тренинг может проводиться обучаемым самостоятельно, без участия инструктора, в режиме со всплывающими на экране подсказками и подтверждениями выполненных действий, либо в режиме без них. В КТК реализован автоматизированный контроль знаний и навыков персонала, включая фиксацию действий обучаемого и протоколирование результатов контроля.
КТК представляет собой комплекс программных и аппаратных средств, работающих по технологии «клиент-сервер». В состав КТК входят:
рабочая станция инструктора (совмещена с сервером моделирования); три рабочих станции оператора (каждая с двумя мониторами); локальная вычислительная сеть.
На рабочей станции инструктора установлены три основных приложения: «Сервер моделирования» - программное приложение, предназначенное для моделирования всех компонентов КТК, а также для обеспечения сетевого взаимодействия между участниками тренинга;
«АРМ Инструктора» - программное приложение, предназначенное для управления процессом тренинга;
«База данных КТК» - предназначена для хранения начальных и текущих переменных модели, протоколов тренинга, настроечных параметров модели и системы управления стартовых состояний для инициализации аварийных ситуаций и др. Управляется при помощи СУБД MySQL и является общей для всех пользователей КТК.
Рис. 1. Структура системы оценки действий оператора
На каждой из 3-х рабочих станций оператора установлено приложение «АРМ оператора», предназначенное для обеспечения процесса тренинга операторов при взаимодействии с инструктором или без него.
При виртуализации рабочей среды оператора применяется воссоздание экранных форм системы управления и фотопанораммирование «полевого» оборудования.
Важным потребительским качеством тренажера является реализация различного рода форм обучения, таких как индивидуальная работа с поставленными задачами, диалоговая работа с инструктором и групповая работа (в смене) над общей задачей.
В идеологии построения современных тренажеров-имитаторов для подготовки и контроля профессиональных навыков операторов-технологов происходят существенные изменения, связанные с отказом от роли эксперта-инструктора в структуре тренажера. Связанно это как с сокращением затрат на обучение персонала, так и со сложностями высвобождения высококвалифицированных кадров для нужд профессиональной подготовки. Таким образом, актуальна задача реализации в КТК автоматизированной системы обучения и контроля уровня подготовленности оператора для решения практических задач безопасного управления процессом.
В КТК, разрабатываемых в АнГТУ, для обучения безопасной эксплуатации производств авторами разработан и применен ситуационный метод обучения и контроля действий оператора (рис.1) [1]. Тренажерная модель, основанная на аналитической модели процесса [2], формирует текущую ситуацию в виде кортежа = (7т1,:у1,(11), где г - вектор управляющих воздействий, у - вектор переменных процесса, а - вектор параметров модели.
Метод оценки основан на сопоставлении действий обучаемого оператора, формализованных в форме текущей ситуации на тренажерной модели , с эталонным алгоритмом действий, заранее записанным в форме графа 5*. Каждая вершина
эталонного графа представляет контрольную точку во времени, которой соответствует некоторое технологическое событие, либо последствия событий. При движении по вершинам графа происходит параметрическое, либо структурное изменение тренажерной модели с последующим контролем поведения обучаемого оператора. Время активации контрольной точки определяется либо детерминированной величиной, либо случайной с заданным математическим ожиданием. Последний прием используется для придания событию эффекта неожиданности.
При активации контрольной точки тренажерная модель определяет тип события. Если событие связано с изменением тренажерной модели, выполняется изменение параметров модели, либо переключение ее структуры. Эти изменения имитируют внутренние и внешние процессы, связанные с изменением режима работы моделируемого оборудования - поломки, аварии и т.п. В процессе обучения необходимо давать рекомендации, либо пояснения о текущей моделируемой ситуации и о действиях оператора. События типа «Оповещения» генерируют сообщения на экране тренажера-имитатора для обучаемого оператора. Активированные события типа «Контроль» проверяют выполнение заданных условий по значениям технологических переменных моделируемого процесса, либо по признакам состояния оборудования (включен/выключен, закрыт/открыт и т.п.). По результатам проверки начисляются положительные баллы в случае успешной проверки, либо отрицательные, если требуемого условие не выполнено.
Реализация обучающей системы на КТК
Практическая работа с компьютерным тренажерным комплексом [3] начинается с аутентификации пользователя и выбора типа тренинга: самостоятельное обучение, экзамен или групповое обучение (в режиме смены).
Рабочая среда обучаемого оператора формируется из эмулированных компонентов:
эмулятора экранных форм станции оператора реальной системы управления (рис.2), воспроизводящего элементы контроля и управления технологическим процессом;
Рис.2. Эмулятор экранной формы станции оператора
Интерактивной технологической схемы (рис. 3), позволяющей с помощью дополнительных динамических элементов отображать состояния оборудования и управлять процессом посредством ручной запорно-регулирующей арматуры;
Рис.3. Интерактивная технологическая схема КТК
Интерактивных панорам размещения «полевого» технологического оборудования для эмулирования управляющих операций по месту расположения оборудования (рис.4).
Рис. 4. Панорама технологической площадки, эмулируемая на КТК
Процесс работы обучаемого оператора на тренажере сопровождает автоматизированная обучающая система (АОС). АОС позволяет оператору самостоятельно проходить обучение и осуществлять самоконтроль на тренажере без участия инструктора, а также контролировать свои знания при помощи автоматической системы оценки действий. Сеанс обучения в АОС реализован в виде системы автоматически появляющихся подсказок и оповещений (рис. 5).
Рис. 5. Окно подсказок и оповещений
Подсказки (при выборе режима контроля знаний подсказки подавляются) указывают на необходимость выполнения оператором обязательных действий для
текущего упражнения согласно технологическому регламенту и плану ликвидации аварии. На выполнение каждого действия отводится определенное время, которое варьируется для каждого упражнения в зависимости от его сложности и длительности. Правильно выполненные действия оценивается системой по заранее сформированной экспертной шкале.
Все набранные баллы автоматически суммируются, в конце упражнения на основании полученной суммы вычисляется рейтинг оператора при выполнении им данного упражнения, как процентное отношение набранных баллов к максимально возможному количеству баллов. Этот рейтинг заносится в итоговый протокол тренинга. Разработчиками реализована аналитическая форма отображения результатов тренинга в форме статистики результатов обучения (рис.6).
Рис.6. Сводная статистика тренинга персонала на КТК.
Развитие обучающих методик
Особенностью данного подхода является необходимость действий оператора строго по заданному шаблону, хотя зачастую требуемое условие можно обеспечить несколькими альтернативными действиями. Однако известно, что производственная дисциплина требует строго исполнения действий инструкций.
Увеличение эффективности функциональных возможностей обучающей системы видится в ориентации тренажеров и автоматизированной обучающей системы на дополнительную методическую базу со следующими задачами:
формирования навыка идентификации операторами тенденции выхода из нормального режима эксплуатации (в предаварийных режимах) с последующим нахождением причин и локализацией нештатной ситуации;
формирования навыка прогнозирования операторами развития технологического режима.
В первой задаче предполагается, что сценарий обучающей системы включает события, приводящее к нештатной ситуации без уведомления оператора. Перед локализацией нештатной ситуации оператор должен в специальной экранной форме тренажера указать, какой тип аварии или внештатной ситуации он собирается устранять, тем самым появляется возможность на раннем этапе контролировать
стратегию действий обучаемого и при необходимости ее корректировать. Наиболее долго и трудно формируемым является навык распознавания аварийной ситуации на ранней стадии ее развития по тенденциям изменения переменных процесса. Для формирования этого навыка предлагается использовать интеллектуальную систему, базирующуюся на логике рассуждений экспертов при анализе аварийности процесса. В системе эта логика формализуются в математическую модель рассуждений с использованием теории нечетких множеств. Знания эксперта о признаках аварийных ситуаций заносятся в базу, и система автоматически идентифицирует ту или иную аварийную ситуацию так, как это сделал бы эксперт по тенденциям изменения переменных процесса. При идентификации конкретной аварии используется превышение порога степени нечеткого равенства двух ситуаций: смоделированной на КТК и предсказанной экспертом для данной аварии.[4]. В процессе тренинга реализуются различные нештатные и аварийные ситуации, и оператору ставится задача максимально быстро и безошибочно распознать имитируемую аварию. Система автоматически оценивает правильность вывода оператора, сопоставляя его оценку возникшей ситуации с имитируемой на тренажере.
Вторая задача является развитием первой. В процессе работы оператор с помощью специальной формы должен качественно указать тенденции изменения технологических переменных. Упражнение позволяет сформировать у операторов компетенции уяснения причинно-следственных связей при возникновении и развитии нештатных ситуаций.
Заключение
Опыт внедрения КТК показал, что область применения автоматизированных систем обучения далеко не исчерпана. Первоочередной задачей является расширение суггестокибернетических возможностей тренажера за счет добавления мультимедийного контента, что означает возможность голосового сопровождения тренинга, а также визуализацию и озвучивание ситуационных комментариев.
Литература
1. Методика автоматизированной оценки качества управления технологическим процессом операторами котлов - утилизаторов / Кривов М.В., Благодарный Н.С. Колмогоров А.Г., Кобозев В.Ю., Бадеников В.Я. // Вестник АнГТУ. Ангарск: АнГТУ. - 2015. - № 9. - С. 122-127.
2. Динамический структурный синтез тренажерных моделей / Кривов М.В., Благодарный Н.С. Колмогоров А.Г., Кобозев В.Ю. // Сборник научных трудов АнГТУ. Ангарск: АнГТУ. - 2016. - С. 131-138
3. Свид. РФ № 2017613074, 09.03.2017. Благодарный Н.С., Кобозев В.Ю., Колмогоров А.Г., Кривов М.В. Компьютерный тренажерный комплекс склада сжиженных углеводородных газов //Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. 2017. Бюл. № 3
4. Благодарный Н.С. Интеллектуальная система поддержки компьютерного тренинга // Вестник АнГТУ. Ангарск: АнГТУ. - 2016. - № 10. - С. 136-143.
