Гаммер Максим Дмитриевич

Сызранцев Владимир Николаевич

Голофаст Сергей Леонидович











Имитаторы на базе программно-аппаратной платформы в техническом образовании



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"










Гаммер Максим Дмитриевич

Сызранцев Владимир Николаевич

Голофаст Сергей Леонидович






Имитаторы на базе программно-аппаратной платформы в техническом образовании











Тюмень 2011

УДК 004.946 : 004.942


Гаммер М.Д. Сызранцев В.Н. Голофаст С.Н. Имитаторы на базе программно-аппаратной платформы в техническом образовании. - Новосибирск: Наука, 2011. - 275 с.


В книге приводится комплексное исследование имитаторов на базе программно-аппаратной платформы (computer-base) в области технического образования. Подробно рассмотрена классификация различных типы имитаторов, их характеристики и специфика. Приводятся практические примеры имитаторов, используемые в образовательных учреждениях и на предприятиях.

Особое внимание уделяется вопросу систематизации пользовательских требований и критериев оценки имитаторов, такие как уровень подобия синтезируемого изображения оригиналу, адекватность и универсальность математической модели и т.д.

Рассмотрены вопросы определения и обоснования принципиального состав имитаторов и методы реализации составных элементов. Представлены технологии, используемые при создании имитаторов, такие как синтез графического и звукового представления, системы виртуальной реальности, распределенные вычисления, распределенные тренажерные системы и т.д.

Отдельно обсуждается вопрос определения и обоснования понятия эффективности и ключевые показатели эффективности имитаторов в образовательном процессе.

Книга представляет интерес для разработчиков имитаторов, а также для потенциальных пользователей: профессорско-преподавательского состава учебных заведений, руководителей и инструкторов учебных центров предприятий, студентов и других заинтересованных лиц.


Табл. 26, ил. 156, библиогр.: 120 назв.



Рецензенты:







ISBN Х-ХХХХХ-ХХХ-Х


© Гаммер Максим Дмитриевич, Сызранцев Владимир Николаевич, Голофаст Сергей Леонидович,

авторы, 2011





Оглавление

Введение 7

1. Классификация имитаторов на базе программно-аппаратной платформы, характеристики и специфика различных типов 12

1.1. Имитаторы для задач тренинга и повышения квалификации (компьютерные тренажеры) 22

1.1.1. Тренажеры DRILLSIM 5000 и АМТ-221 23

1.1.2. Тренажеры FORWARD. 25

1.2. Имитаторы для проведения лабораторных работ 27

1.2.1. Исследование КПД цилиндрического и червячного редуктора 27

1.2.2. Испытания образцов на выносливость при изгибе с вращением 31

1.3. Имитаторы для проведения практикума 34

1.3.1. Изучение методики проведения балансировки ротора центробежного насоса 34

1.4. Имитаторы для задач курсового проектирования 38

1.4.1. Компрессорная установка 4ВУ1-5/9 38

1.5. Имитаторы для проведения сертификации и аттестации 44

1.5.1. Компрессорный цех по перекачке газа 44

1.6. Имитаторы для проведения лекций и семинаров 48

2. Определение и обоснование понятия эффективности. Ключевые показатели эффективности имитаторов в производстве и образовательном процессе 49

2.1. Снижение стоимости образовательных услуг 52

2.2. Снижение потенциальных потерь 60

2.2.1. Снижение опасности при обучении 61

2.2.2. Повышение эффективности охраны труда 61

2.2.3. Повышение промышленной безопасности 64

2.2.4. Повышение экологической безопасности 75

2.3. Ускорение обучения 77

2.3.1. Возможность ускорения «длительных» процессов 77

2.3.2. «Потоковое» обучение — снижение временных затрат 80

2.3.3. Возможность обучения специалистов еще до постройки нового технологического объекта 81

2.4. Повышение качества обучения 83

2.5. Доходы от экспорта образовательных услуг 87

2.6. Проведение исследований с помощью имитаторов 88

2.7. Увеличение эффективности управления персоналом предприятия 90

2.7.1. Увеличение эффективности процедуры сертификации и аттестации специалистов 91

2.7.2. Увеличение эффективности обучения персонала с использованием технологий дистанционного обучения 92

2.7.3. Увеличение эффективности обучения специалистов за счет увеличения внутренней мотивации 93

2.7.4. Подготовка «смежных» категорий (профессий) специалистов 93

2.7.5. Повышение имиджа предприятия и его руководства 93

2.7.6. Решение проблемы «текучести кадров» и сокращение времени на обучение 94

2.8. Преимущества для учебных заведений 95

2.9. Вывод 97

3. Систематизация пользовательских требований и критериев оценки имитаторов 98

3.1. Базовые эргономические требования и рекомендации 100

3.2. Уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу 105

3.3. Уровень соответствия синтезируемого звукового окружения оригиналу 108

3.4. Уровень соответствия механизмов взаимодействия между пользователем и имитатором оригиналу 109

3.5. Адекватность, универсальность и экономичность математической модели 116

3.5.1. Требования к адекватности 117

3.5.2. Требования к экономичности модели 119

3.6. Возможность работы в реальном времени, а также в ином масштабе времени 124

3.7. Многопользовательский доступ 125

3.8. Соответствие и выполняемых операций требованиям, утвержденному регламенту, ГОСТ и другим нормативным документам 127

3.9. Возможность использования имитаторов в системах управления обучением, сертификация ADL 129

3.10. Распределенные имитационные системы 132

3.11. Поддерживаемые программно-аппаратные платформы 136

3.12. Сертификация имитаторов 138

3.12.1. Отраслевая сертификация 138

3.12.2. Обязательная сертификация продукции и услуг 138

3.13. Схемы лицензирования и защита авторских прав 141

3.13.1. Сопровождение имитатора лицензией 141

3.13.2. Совместимость лицензий 141

3.13.3. Защита ПО свидетельствами «официальной регистрации программы для ЭВМ» 142

3.14. Встроенные средства автоматического и полуавтоматического диагностирования и калибровки 144

4. Определение и обоснование принципиального состава имитаторов и методы реализации составных элементов 145

4.1. Построение математической модели 150

4.1.1. Содержательное описание объекта или процесса 150

4.1.2. Построение формализованной схемы 151

4.1.3. Построение математической модели 153

4.1.4. Исследование, тестирование и корректировка математической модели 166

4.1.5. Программная реализация 169

4.1.6. Определение экономичности модели (вычислительные ресурсы) 171

4.1.7. Профилирование программы 172

4.2. Формирование изображения (синтез изображения) 174

4.2.1. Оптимизация 178

4.2.2. Post-обработка изображения 188

4.2.3. Использование кластерных вычислений для синтеза изображения 189

4.3. Формирование звукового окружения (синтез звука) 193

4.3.1. Затухание звука 194

4.3.1. Звуковые эффекты окружающей среды 199

4.4. Реализация механизмов взаимодействия между пользователем и имитатором 203

4.5. Создание системы формирования виртуальной и смешанной реальности 208

4.5.1. Объемная визуализация 210

4.5.2. Стереоскопическая визуализация 211

4.5.3. Техническая реализация стереоскопического метода 216

4.5.4. Объемное звуковое сопровождение 228

4.5.5. Система позиционирования 228

4.5.6. Система имитации воздействия среды (осязания) 233

4.5.7. Смешанная реальность (Mix Reality) 235

4.5.8. Ограничения проводной передачи данных 237

4.5.9. Организация взаимодействия имитатора с устройствами VR 240

4.6. Построение систем распределенной имитации 241

4.6.1. Синхронизация времени 251

4.6.2. Программные библиотеки для реализации RTI 251

4.6.3. Замеры скорости взаимодействия федератов через RTI 252

4.6.4. Взаимодействие с реальными системами 256

4.7. Реализация возможности использования имитаторов в системах управления обучением 259

Вместо заключения 268

Литература 269





Введение

1. Классификация имитаторов на базе программно-аппаратной платформы, характеристики и специфика различных типов

2. Определение и обоснование понятия эффективности. Ключевые показатели эффективности имитаторов в производстве и образовательном процессе

3. Систематизация пользовательских требований и критериев оценки имитаторов

4. Определение и обоснование принципиального состава имитаторов и методы реализации составных элементов

Вместо заключения

Литература