ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИМИТАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ В ТЮМГНГУ

М.Д.Гаммер, В.И.Колесов, Е.В.Курылёв

 

Состояние зарубежного рынка компьютерных имитационных тренажеров (КИТ), исходя из отчета компании Sensics (www.sensics.com) и консалтинговой компании Insight Media, в США и Европе, показывает стремительный рост данного направления. Выпуск одного только оборудования для учебных центров и центров научной визуализации увеличивается, согласно прогнозам, со 150 миллионов долларов в 2005 году до 600 миллионов долларов к 2010 году. Кроме того, появились и успешно функционируют множество  международных конференций в области современных средств обучениякаких как International Training and Education Conference (ITEC), The Society for Modeling and Simulation International (SCS), Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques  (SigGraph), International Conference on Artificial Reality and Tele-existence и др.

Причина возрастающей популярности компьютерных имитационных тренажеров заключается в их способности реализовать принципиально новый и очень эффективный способ обмена информацией. Возможности исследования и запоминания информации в несколько раз превосходит традиционные способы. Эти и другие качества компьютерных имитационных тренажеров имеют большую значимость при подготовке и повышении квалификации персонала, особенно, персонала занятого на опасных участках производства и там, где цена ошибки существенно выше расходов на обучение.

Области применения компьютерных тренажеров постоянно расширяются. В США и Европе они применяются в авиации, вооруженных силах, медицине, космонавтике, и тех областях, где проведение физического обучения сопряжено с существенными трудностями технического плана и значительными материальными затратами: высокая стоимость учебного оборудования и его эксплуатации; большая удаленность обучаемого от места расположения учебного оборудования; высокая опасность выполняемых работ; высокая сложность изменения конфигурации оборудования и параметров среды; большая длительность проведения работ  и т.д.

Как результат, полномасштабные тренажерные системы (в т.ч. на базе центров формирования виртуальной реальности) имеют большинство ведущих зарубежных компаний — Boeing, Ford, General Motors и многие другие.  Разнообразные тренажеры с использованием элементов виртуальной реальности реализованы для армейской и  гражданской сферы. Так, например,  инвестиции Boeing в создание виртуальных инструкций по ремонту выпускаемых лайнеров составляют несколько десятков миллионов. Использование таких систем повышает качество подготовки персонала и коммерчески оправдано.

Для России использование КИТ при подготовке персонала скорее исключение, чем правило.  Основная причина такого положения заключается в том, что компьютерные имитационные тренажеры создаются преимущественно с использованием специализированного программного обеспечения, предназначенного для команд профессиональных программистов, имеющих соответствующую квалификацию и специализацию. Кроме того, существующие технологии в областях распределенной имитации, систем виртуальной реальности  и т.д. не полностью стандартизированы, достаточно ресурсоемки и ориентированы, в большей степени, на профессиональную команду разработчиков-программистов. Главная проблема состоит в том, что многие предприятия, занимающиеся повышением квалификации персонала и создающие интерактивные руководства по использованию выпускаемой ими продукции, а также учебные заведения, очень редко имеют такой ресурс, и именно по этой причине современные компьютерные имитационные тренажеры, в т.ч. основанные  на системе виртуальной реальности, не получили массового распространения.

 

Для решения этой проблемы необходима комплексная автоматизация проектирования КИТ, позволяющая разрабатывать современные компьютерные имитационные тренажеры пользователями, не имеющими профессиональных знаний в области программирования, компьютерной графики и т.д.

Для реализации этой цели были решены следующие задачи:

1.            Анализ современного состояния автоматизации проектирования компьютерных имитационных тренажеров.

2.            Определение специфики компьютерных имитационных тренажеров, как класса программного обеспечения.

3.            Определение требований к проектируемым имитационным тренажерам.

4.            Определение критериев эффективности КИТ, анализ математической модели КИТ.

5.            Разработка лингвистического,  информационного, технического и программного обеспечения системы автоматизированного проектирования компьютерных имитационных тренажеров (САПР КИТ).

6.            Анализ возможности системы при решении задач проектирования компьютерных имитационных тренажеров.

При создании системы учитывался ряд основных требований.

1.            Возможность быстрого создания тренажера специалистом, не имеющим знаний в области компьютерной графики и языков программирования.

2.            Возможность работы на различных платформах и ОС (Windows/Linux/MacOS).

3.            Возможность многопользовательского режима, в том числе распределенной интерактивной имитации по стандарту IEEE 1516.

4.            Совместимость со стандартом предоставления электронного образовательного контента SCORM.

5.            Поддержка наиболее распространенных устройств формирования виртуальной реальности (VR).

6.            Обеспечение разработчиков библиотекой часто используемых объектов.

Как результат,  на сегодняшний день в учебном процессе ТюмГНГУ используются свыше 40 компьютерных тренажеров и лабораторных работ (рисунок 2,3), созданных с помощью САПР КИТ. Эти разработки с успехом дополняют или заменяют традиционный лабораторный практикум, что существенно увеличивает качество подготовки специалистов, особенно при использовании систем формирования виртуальной реальности (шлем виртуальной реальности, виртуальные перчатки, трекеры и т.д.).

 

Рисунок 1. Устройства формирования виртуальной реальности.

 

Рисунок 2. Компьютерный имитационный тренажер «Испытания поршневого насоса».

 

Рисунок 3. Компьютерный имитационный тренажер «Динамическая балансировка роторов центробежных магистральных насосов».

В процессе использования компьютерных имитационных тренажеров в учебном процессе были получены дополнительные данные об их эффективности.

Большинство исследований связывает эффективность электронных образовательных ресурсов (ЭОР) с тем, сколько запоминает обучаемый (это можно легко измерить). Хотя отмечаются и другие факторы, такие как формирование и совершенствование профессиональных навыков и умений, развитие творческих способностей, профессиональной интуиции и т.д., но единое мнение об оценке этих факторов отсутствует. В вопросе эффективности восприятия и запоминания информации наблюдается большая схожесть взглядов. Так, например, по мнению Haskett consulting inc. (HCI): "Люди запоминают 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат и 70 % того, что они видят, слышат и делают". Как видно из приведенных данных, компьютерные тренажеры имеют достаточно высокую эффективность среди ЭОР в плане запоминания информации, а также, имеют некоторые дополнительные возможности.

Существует масса рекомендаций, касающихся увеличения эффективности электронных образовательных ресурсов. Однако большая их часть не может быть применена к имитационным компьютерным тренажерам, так как не учитывает специфику тренажеров. На основе собственного опыта проектирования и использования виртуальных лабораторных работ и тренажеров [1,2,3,4,5] были найдены и сформулированы ключевые факторы, влияющие на  эффективность имитационных тренажеров:

·               высокий уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу;

·               высокий уровень соответствия синтезируемого звукового окружения;

·               адекватная математическая  модель оборудования и процессов;

·               возможность синтеза изображения, просчета математической модели и взаимодействия с пользователем, как в “реальном времени”, так и с изменением масштаба времени;

·               возможность многопользовательского доступа;

·               соответствие имитируемой модели оборудования и выполняемых операций требованиям ГОСТ и другим нормативным документам.

Высокий уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу. Этот фактор является определяющим при оценке эффективности тренажера. Синтезируемое изображение какого-либо объекта или детали должно быть узнаваемо. Несоблюдение этого требования может привести к потере времени пользователя в попытках понять что он видит.  При оценке степени соответствия синтезируемого изображения оригиналу целесообразно использовать, как в кинематографии и телевидении, три уровня подобия: физическое, психофизическое (физиологическое) и психологическое.

В применении к машинной графике физическое подобие означает, что синтезированное изображение по основным физическим характеристикам повторяет оригинал. Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: геометрических (пространственных), яркостных (энергетических) и временных. При физически точном подобии определенные характеристики синтезированного изображения должны полностью соответствовать характерис­тикам оригинала либо быть пропорциональными им. Стоит отметить, что условия физического подобия не могут быть реализованы в полной мере,  если синтезируется двухмерное изображение (в котором теряется информация, определяемая бинокулярным зрением) без применения специальных средств, образующих стереоизображение.

При психофизическом     (физиологическом)     подобии     соответствие устанавливается на уровне зрительных ощущений.   В силу ограниченных возможностей зрительного аппарата наблюдатель, при некотором уровне искажений, не может ощутить  разницы между  синтезированным изображением и оригиналом, так как зрительные ощущения идентичны, хотя яркость, форма и цвет неодинаковы.

Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. Вследствие этого синтезированное изображение обеспечивает формирование у наблюдателя вполне определенного суждения о реальном объекте или сюжете, хотя синтезированное изображение и оригинал значительно различаются по физическим характеристикам.

Оптимальный  результат может быть получен при совместном использовании психофизического и психологического подобия синтезируемого изображения. Использование психофизического подобия разумно применять к ключевым объектам тренажера, в то время как второстепенные объекты могут иметь психологическое подобие.

Высокий уровень соответствия синтезируемого звукового окружения. Данный фактор улучшает эффективность имитационного тренажера лишь в некоторых случаях. Работа  реального оборудования редко бывает бесшумной. Очень часто звук несет в себе немало информации о работе оборудования или происходящих процессах. Изменение звуковой картины часто свидетельствует об аварии.  При решении о необходимости имитации звука следует принять во внимание тот факт, что существующие на сегодняшний день технологии позволяют создавать достаточно реалистичные звуковые картины.  Использование технологии пространственного звучания,  эффект Доплера,  прохождение препятствий, отражение звука и т.д. может повысить эффективность имитационного тренажера в целом, за счет более полного представления пользователя о происходящих действиях. В руководстве по оценке качества реализации позиционированного звука Creative Technology определены 6 тестов, позволяющих оценить итоговую эффективность синтеза звука.

Адекватная математическая модель увеличивает эффективность тренажера за счет реалистичности поведения модели. Дело в том, что правдоподобное поведение модели создает так называемый эффект личного участия (ощущается меньшая разница между реальной и виртуальной обстановкой). Эффект личного участия в свою очередь влияет на запоминание информации. Развитая математическая модель позволяет в случае необходимости учитывать влияние большего числа параметров, что представляет больший исследовательский интерес. При работе с реальным оборудованием нередко возникают ситуации, изменяющие условия его работы. Примерами могут служить изменение состояния атмосферного воздуха (температура, давление, влажность), износ оборудования, аварии и т.д. По этой причине, важно иметь возможность имитации подобных ситуаций, т.е. необходима система коррекции работы тренажера. Возможность изучения влияния различных факторов на работу оборудования также увеличивает эффективность. Коррекция должна выполнятся не только на стадии запуска, но и на протяжении всего процесса работы тренажера. Возможно использование заранее подготовленных сценариев. Сценарии представляют собой отмеченные на временной шкале вероятности появления каких-либо событий, изменений или  аварий. Применение сценариев позволяет повысить эффективность эксплуатации тренажера за счет имитации большего количества ситуаций.

Возможность работы в реальном времени увеличивает эффективность имитационного тренажера. Работая с реальным оборудованием, зачастую приходится принимать решения и производить необходимые действия не имея запаса времени. По этой причине имитационный тренажер не должен переходить в режим “ожидания” действий пользователя, а продолжать имитировать процесс. Если синтезируемое изображение “запаздывает” или “ускоряется”,  возникает состояние дискомфорта, кроме того, может сложиться неправильное представление о работе какого-либо устройства или системы в целом.  В свою очередь работа в режиме “реального времени” накладывает очень жесткие требования к процессу  взаимодействия пользователя с имитационным тренажером. Возможна ситуация, когда пользователь, зная, какие действия нужно произвести, может не успеть этого сделать. Это возможно при непродуманной системе управления тренажером. С другой стороны система управления не должна позволять большего количества действий в единицу времени, чем это возможно в реальности.

Возможность коррекции масштаба времени может быть необходима для ускорения или замедления происходящих процессов. Это может потребоваться при длительном сроке  наступления какого-либо события. Примером может служить испытания материалов на усталость. Время усталостных испытаний превышает целые дни, что не позволяет проводить такие и подобные испытания в рамках учебного процесса. Как показывает практика, при использовании масштаба времени такие испытания могут быть проведены за 20-30 минут.

Возможность многопользовательского доступа. Практика создания имитационных тренажеров показывает, что для работы с несложным оборудованием, например, компрессором или насосом, вполне достаточно одного пользователя. При создании более сложного виртуального тренажера, например, буровой установки, необходимо предусмотреть доступ к тренажеру не одного, а нескольких пользователей. Например, в случае с буровой установкой это могут быть бурильщик, помощники бурильщика, механик и т.д.

Соответствие имитируемой модели оборудования и выполняемых операций требованиям ГОСТ  и другим нормативным документам. Смысл данной рекомендации состоит в том, что если в каких-либо нормативных документах определен порядок необходимых операций, имитационный тренажер должен обеспечить возможность выполнения этих действий и операций пользователем. Кроме того, планировка зданий, монтаж соответствующего оборудования, необходимые инструменты также должны соответствовать правилам. Выполнение указанной рекомендации разрешает вопрос о корректности имитируемых действий и ситуаций.

Для приблизительной количественной оценки указанных факторов было проведено сравнение результатов использования эталонного КИТ (имеющий максимальное качество всех факторов) с КИТ, имеющим более низкие показатели качества, при проведении лабораторных работ – таблица 1.

 

Таблица 1. Оценка влияния  различных факторов эффективность КИТ

Фактор

Процент запоминания информации, %

Уровень соответствия  синтезируемого изображения

физическое

90

психофизическое

75

психологическое

60

Уровень соответствия синтезируемого звукового окружения

стерео

70

пространственный звук

80

пространственный звук + акустические эффекты

90

Адекватная математическая модель

жесткая последовательность действий

30

жесткая последовательность, возможность изменения параметров

45

отсутствие заданной последовательности, свободная работа студента

90

Многопользовательский доступ

одиночная работа

80

коллективная работа

90

 

В настоящее время продолжается развитие системы и выпуск новых версий программы. Основными направлениями развития системы является следующее:

·               возможность использования в описании математических моделей элементов нейронных сетей, нечеткой логики и т.д., поскольку достаточно часто, с помощью этих средств можно, с большей скоростью, имитировать процесс или явление;

·               более полное использование средств формирования виртуальной реальности при проектировании КИТ;

·               предоставление возможности параметрического задания 3D объектов;

·               возможность графического представления и проектирования имитационных моделей;

·               дальнейшая интеграция с программным обеспечением сторонних производителей (MathCad, MathLab, LabView и т.д.);

·               создание полнофункционального центра виртуальной реальности.

 

Список литературы

 

1.             Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Компьютерные тренажеры для обучения студентов нефтегазового направления / М.Д. Гаммер, К.М. Черезов // Бурение и нефть, 2006. - №10. - С.34 – 36.

2.             Гаммер М.Д. Виртуальный стенд для испытаний компрессора 4ВУ1-5/9 / М.Д.  Гаммер // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения: Материалы Всероссийской науч.-техн. Конференции  4-5 ноября 2004 г.- Уфа, 2004. - С. 166-168.

3.             Колесов В. И. Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине «Гидромашины и компрессоры» / В. И. Колесов, М. Д. Гаммер, А.В. Немков // Новые информационные технологии в нефтегазовой промышленности и энергетике: материалы международ. научн.-техн. конф., 7-9 октября 2003 г.– Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С.91-93.

4.             Колесов В.И. Имитационное моделирование испытаний насосных установок / В.И. Колесов, М.Д. Гаммер, А.В. Немков // Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе: труды Междун. науч.-техн. конф., посвященной 40-ю Тюменского государственного нефтегазового университета, 25-27 сент. 2003 г.  - Тюмень: ТюмГНГУ 2003. - С.98-100.

5.             Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Разработка и внедрение компьютерных тренажеров на кафедре МОНиГП в ТюмГНГУ / В.Н. Сызранцев, М.Д. Гаммер // Сборник уч.-мет. мат./ сост. М.М. Афанасенкова, Н.А. Аксенова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005 - С.134-138.