Способ интерактивного обучения

Изобретение относится к области автоматизированных методов подготовки специалистов по диагностике оборудования основных и вспомогательных технических объектов, в частности по подготовке специалистов по диагностике оборудования по дистанционно полученным данным, например, с помощью космических систем дистанционного зондирования Земли, пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, например, для контроля состояния трубопроводов, оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций и пр.

Способы и системы интерактивного обучения на тренажерах широко известны [1…5]. В современных условиях подготовка высококвалифицированных специалистов невозможна без современных технических средств обучения. Тренажеры, имитирующие работу как самой техники, так и процессы управления технологиями и системами, широко применяются в учебном процессе [Энциклопедия «Оружие и технологии России. XXI век». Том 18. «Тренажеры и технические средства обучения». М., Оружие и технологии, 2009 г., 624 стр.]. Развитие вычислительной техники привело к распространению компьютерных тренажеров, применяемых как при изучении устройства и принципов работы высокотехнологических установок, так и при обучении работе на них. Так, в США федеральный стандарт предписывает обязательный компьютерный тренинг для всех принимаемых на работу кандидатов и тренажерный курс переподготовки для всех действующих специалистов не реже одного раза в год. Техническое исполнение тренажеров существенно зависит от области целевого использования специалистов, проходящих подготовку на тренажерах, от целей и задач имитируемой техники и отрасли народного хозяйства, в которой функционируют физические аналоги тренажеров. Наиболее эффективно применение тренажеров в тех областях народного хозяйства, которые используют дорогие и уникальные системы, а также пространственно удаленные объекты. К таким областям относятся система трубопроводной транспортировки, авиационная и морская отрасли и др. Например, известна комплексная обучающая система для авиационных специалистов [SU 2267163, G09B 09/08, 09.10.2002], содержащая вычислительный комплекс, соединенный с функционально-ориентированными серверами локальных сетей, каждый из которых включает рабочее место по соответствующей специальности: летчик, инструктор, руководитель полетов и т.д. Достоинство этой системы состоит в комплексности и максимальном приближении обучающихся к реальным условиям решения задач по предназначению, а также в удешевлении стоимости обучения и эксплуатации системы в целом. Вместе с тем, система работает только по заранее разработанным стандартным программам. В ней не предусмотрено введение нештатных ситуаций и не производится анализ деятельности обучающихся в таких ситуациях. Система не позволяет применять при обучении дистанционно полученные данные, в том числе изображения, что не позволяет обучать на ней таких специалистов, как штурманы, интерпретаторы. Тренажерные средства, на которых могут быть реализованы способы подготовки таких специалистов, должны включать функционально ориентированные средства, обеспечивающие получение навыков работы с дистанционно полученными данными. К таким способам относится способ профессиональной подготовки специалистов в области ультразвуковой и/или лучевой диагностики [SU 2405440, А61В 8/00, G09B 23/28, 30/04/2009]. Способ реализуется с помощью компьютеров, на мониторы которых воспроизводятся предварительно подготовленные изображения изучаемого объекта. Способ предусматривает проведение измерений на изображениях с выставлением оценки за проведенные измерения. Недостатки данного способа состоят в невозможности введения в процесс обучения нештатных ситуаций, именуемых обычно ситуационными задачами, и в отсутствии комплексного оценивания действий обучающегося, в том числе в нештатных условиях. При отсутствии современной тренажерной базы для обучения специалистов по принятию решения на основе дистанционно полученных данных в нештатных ситуациях, заинтересованные организации вынуждены внедрять собственные методики дополнительной подготовки специалистов на штатной технике с использованием специальной базы данных, позволяющей вводить нештатные ситуации [Колмыков Г.Н., Ачкасов Н.Б., Севастьянов B.C. Методика дополнительной подготовки операторов-дешифровщиков с использованием специальной базы данных, // Информация и космос, 2010. №1, с. 176-181]. Дополнительная подготовка осуществляется на штатных технических средствах и приводит к расходованию технического ресурса штатных средств, что экономически нецелесообразно. Такая подготовка не предусматривает рассмотрение нештатных ситуаций при обучении с возможностью последующего анализа и выставления оценки действиям специалиста.

Несмотря на многообразие форм целевого предназначения специалиста, моделируемых с помощью тренажеров технических средств и технологических процессов (авиация, медицина, трубопроводные системы доставки, чрезвычайные ситуации и пр.), общая методология построения тренажеров, определяемая, в конечном счете, способами их применения в задаче обучения специалистов, остается единой. Наиболее полно и обобщенно технология применения тренажерных средств для обучения специалистов в любой сфере их деятельности сформулирована в Способе интерактивного обучения [SU 2420811, G09B 19/00, F41G 3/26, 19.08.2009], который является наиболее близким к заявляемому по своей сущности.

Известный способ интерактивного обучения состоит в том, что в соответствии с целями и задачами обучающиеся проходят обучение по сценарию индивидуально и/или в группах при участии преподавателя, осуществляющего организацию и контроль за учебным процессом с автоматизированного рабочего места (АРМ) преподавателя, связанного с базой данных, а также каналов и средств связи, оснащенных соответствующим программным и аппаратным обеспечением. При этом обучение проводят на полномасштабном и/или действующем оборудовании основных и вспомогательных объектов, автоматизированных рабочих местах операторов и диспетчера, преподаватель задает и/или изменяет сценарий работы оборудования объектов, а также управляет, контролирует и анализирует процесс обучения через комплекс видеонаблюдения и организует обучение в автономном и/или комплексном режиме работы системы. При этом изменение сценариев преподаватель осуществляет посредством изменения текущих параметров оборудования. Известный способ интерактивного обучения может быть использован для повышения квалификации персонала, эксплуатирующего и обслуживающего сложное техническое оборудование, например основные и вспомогательные объекты магистральных газопроводов и нефтепроводов.

Вместе с тем, оборудование современных сложных технических систем, таких как, например, магистральные газопроводы и нефтепроводы, характеризуется значительной пространственной распределенностью. В таких системах основная часть оборудования функционирует автономно и может быть удалена от мест размещения обслуживающего персонала на значительные расстояния. Например, в трубопроводных системах подлежит обязательному контролю состояние трубопроводов на всем их протяжении, включая труднодоступные участки земной поверхности и подводные участки. Контроль функционирования таких участков осуществляется по косвенным данным, получаемым с помощью средств дистанционного зондирования, размещаемых, например, на борту летательного аппарата, на борту космического аппарата, или на специальных подводных аппаратах. Определение состояния системы на основе анализа косвенных признаков, полученных с помощью дистанционных средств, например, с помощью изображений участков этой системы, относится к классу решения ситуационных задач с помощью специальных датчиков, размещенных вдоль трассы и т.д. Под ситуационными понимают задачи, позволяющие обучающемуся осваивать интеллектуальные операции, которые ориентированы на формирование наиболее универсальных способов работы с информацией, в том числе имеющей косвенный характер по отношению к изучаемому процессу.

Для оценивания состояния сложной системы, как правило, требуется решение нескольких ситуационных подзадач, относящихся, например, к разным участкам трубопроводной системы, разнесенным в пространстве или находящимся в разной природной среде (на земной поверхности или в водной среде).

Таким образом, недостаток известного способа интерактивного обучения состоит в невозможности обеспечения обучения решению комплексных задач, включающих решение одной или нескольких ситуационных подзадач оценивания по косвенным данным состояния пространственно удаленного от обучающегося оборудования основных и дополнительных объектов, параметры которого получены опосредовано, например, с помощью средств дистанционного зондирования.

Цель настоящего предложения состоит в расширении функциональных возможностей способа интерактивного обучения за счет обучения решению комплексной задачи оценивания состояния оборудования основных и дополнительных объектов, включающей решение ситуационных задач определения состояния пространственно удаленного от обучающегося оборудования основных и дополнительных объектов по косвенным данным.

Поставленная цель достигается тем, что в сценарий обучения дополнительно включается ситуационная задача анализа косвенных данных о состоянии контролируемых объектов, состоящая из нескольких ситуационных подзадач, каждая из которых относится к соответствующему участку пространственно удаленного оборудования основных и вспомогательных объектов, исходными данными каждой из которых служат данные дистанционного зондирования соответствующего участка пространственно удаленного от обучающегося оборудования основных и вспомогательных объектов. При этом изменение текущих параметров этого оборудования проводится в виде изменения косвенных параметров результатов дистанционного зондирования. В каждой ситуационной подзадаче параметры выбранного обучающимся пространственно удаленного основного и вспомогательного оборудования оцениваются косвенно путем поиска, выбора и анализа набора косвенных признаков, содержащихся в данных дистанционного зондирования, задаваемого в исходных данных. В качестве систем дистанционного зондирования могут быть использованы: обычный обходчик трассы трубопровода, визуально осматривающий состояние объекта; размещенные вдоль трассы датчики оперативного контроля, позволяющие измерять, например, температуру, ударные воздействия, звуковые параметры; сенсорная аппаратура, размещается на борту летательного аппарата, совершающего облет контролируемого объекта и другие. Например, если в качестве системы дистанционного зондирования используется летательный аппарат, оснащенный видеокамерой или кадровым фотоаппаратом, то в качестве результатов дистанционного зондирования на входе обучающей системы будут использоваться изображения подстилающей поверхности, полученные для различных участков контролируемого трубопровода. Возможным признаком неисправности трубопровода может быть пятно на полученном изображении с яркостью, существенно отличающейся от яркости окружающей подстилающей поверхности, что может свидетельствовать, например, о возможной утечке продуктов перекачки трубопровода. Обучаемый должен с помощью выбранных технических средств измерить параметры (высоту, ширину, глубину) пятна и его геодезические координаты в выбранной системе координат. Измеренные параметры этого пятна могут служить мерой степени неисправности трубопровода и позволяют обучающемуся оператору оценить потери продуктов перекачки на этом участке трубопровода. Это может являться решением ситуационной задачи при анализе работоспособности данного участка трубопровода. Последовательность анализа работоспособности различных участков трубопровода по представленным для анализа изображениям и их число, то есть последовательность решаемых ситуационных задач и их количество, обучающийся выбирает самостоятельно. В завершении обучающийся проводит совместный анализ выявленных параметров доступного оборудования основных и вспомогательных объектов с результатами решения выбранных ситуационных задач. Например, на основе анализа решенных ситуационных подзадач может быть оценен общий объем потерь продуктов перекачки. Сравнив эту оценку с данными счетных приборов, установленных на тренажерах оборудования основных и дополнительных объектов, доступного непосредственному считыванию, обучающийся может сделать выводы не только о возможной неисправности, приведшей к потере продуктов перекачки, но и выявить участок трубопровода с возможной неисправностью, приведшей к этой потере продуктов перекачки. Оценивание качества обучения производится на основе целесообразности выбора последовательности решения ситуационных подзадач, поиска, выбора, анализа и интерпретации косвенных признаков дистанционно удаленных основных и вспомогательных объектов, времени, затраченного на решение выбранных ситуационных задач, степени адекватности совместного анализа результатов решения ситуационных подзадач и показаний приборов доступного оборудования основных и дополнительных объектов, по формулированию итогового вывода о состоянии оборудования основных и дополнительных объектов в целом.

Обучение операторов по предлагаемому способу интерактивного обучения осуществляется следующим образом. В соответствии с целями и задачами обучение происходит по сценарию индивидуально и/или в группах при участии преподавателя, организующего и контролирующего учебный процесс с АРМ преподавателя, связанного с базой данных, а также каналами и средствами связи, оснащенными соответствующим программным и аппаратным обеспечением. Процесс обучения проводят на полномасштабном и/или действующем оборудовании основных и вспомогательных объектов, АРМ операторов и АРМ диспетчера, при этом преподаватель задает и/или изменяет сценарии работы оборудования объектов, а также управляет, контролирует и анализирует процесс обучения через комплекс видеонаблюдения и организует обучение в автономном и/или комплексном режимах работы системы, причем в процессе обучения используются данные дистанционного зондирования одного или нескольких участков пространственно удаленного от обучающихся оборудования основных и вспомогательных объектов, содержащие косвенные признаки функционирования оборудования в целом. Обучающийся самостоятельно определяет последовательность изучения доступного действующего оборудования основных и вспомогательных объектов и косвенных признаков, содержащихся в данных дистанционного зондирования некоторых участков пространственно удаленного оборудовании основных и вспомогательных объектов. Изучение данных дистанционного зондирования проводится в виде решения ситуационной задачи анализа данных дистанционного зондирования, разбиваемой на несколько взаимосвязанных ситуационных подзадач, каждая из которых относится к одному или нескольким участкам пространственно удаленного оборудования основных и вспомогательных объектов. В каждой ситуационной подзадаче параметры выбранного обучающимся участка пространственно удаленного основного и вспомогательного оборудования оцениваются косвенно путем поиска, выбора, анализа и интерпретации набора косвенных признаков, содержащихся в данных дистанционного зондирования, задаваемого в исходных данных, и делается вывод о состоянии изучаемого оборудования основных и вспомогательных объектов. В завершении обучающийся проводит совместный анализ выявленных параметров доступного оборудования основных и вспомогательных объектов с результатами решения выбранных обучающимся ситуационных подзадач и делает вывод о состоянии оборудования основных и вспомогательных объектов в целом. Преподаватель оценивает работу обучающегося по критериям целесообразности выбора последовательности решения ситуационных задач, качеству и оперативности поиска, выбора анализа и интерпретации косвенных признаков, содержащихся в данных дистанционного зондирования пространственно удаленного оборудования основных и вспомогательных объектов, времени, затраченному на решение выбранных ситуационных подзадач, степени адекватности результатов решения ситуационных подзадач показаниям приборов доступного оборудования основных и дополнительных объектов, по формулировке итогового вывода о состоянии оборудования основных и дополнительных объектов в целом.

Технико-экономический эффект предлагаемого способа интерактивного обучения определяется расширением его функциональных возможностей за счет обучения решению более широкого круга задач, в том числе, решению комплексной задачи оценивания состояния доступного обучаемому оборудования основных и дополнительных объектов совместно с анализом состояния пространственно удаленного от обучающегося оборудования основных и дополнительных объектов, проводимым на основе косвенных данных, полученных, например, с помощью средств дистанционного зондирования.

При формулировании изобретения и составления описания были использованы следующие источники патентной и научно-технической информации.

1. Энциклопедия «Оружие и технологии России XXI век». Том 18 «Тренажеры и технические средства обучения». М., Оружие и технологии, 2009 г., 624 стр.

2. Комплексная обучающая система для авиационных специалистов. SU 2267163, G09B 09/08, 09.10.2002.

3. Способ профессиональной подготовки специалистов в области ультразвуковой и/или лучевой диагностики. SU 2405440, А61В 8/00, G09B 23/28, 30.04.2009.

4. Колмыков Г.Н., Ачкасов Н.Б., Севастьянов B.C. Методика дополнительной подготовки операторов-дешифровщиков с использованием специальной базы данных, // Информация и космос, 2010. №1, с. 176-181.

5. Система и способ интерактивного обучения. SU 2420811, G09B 19/00, F41G 3/26, 19.08.2009.