Разработка методов и средств построения компьютерных обучающих систем технологического персонала

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов и средств построения компьютерных обучающих систем технологического персонала.

Актуальность проблемы обусловлена тем, что в современных условиях интенсивного технологического прогресса адекватное решение задач подготовки квалифицированного оперативного персонала, обеспечивающего функционирование сложных технологических комплексов (нефтегазовая промышленность, энергетика, диспетчерское управление), требует применения компьютерных обучающих систем (КОС) с развитыми интерактивными возможностями имитационного моделирования реальных производственно-технологических ситуаций [3,10,13, 38,45].

Объективно сформировавшаяся реальная потребность в компьютерных средствах обучения технологического персонала не удовлетворяется в полной мере вследствие отсутствия систематизированной технологии их создания, что могло бы повысить их качественные показатели и удовлетворить количественные потребности.

Актуальность темы

Высокие темпы современного технологического прогресса приводят к необходимости непрерывного обучения с применением компьютерных обучающих систем как главного фактора поддержания профессионального уровня технологического персонала для обеспечения его соответствия производственно-технологическим вызовам современного высокотехнологичного, в том числе экологически небезопасного, сложного в управлении производства. Существующие потребности в КОС технологического персонала не удовлетворяются в полной мере вследствие отсутствия систематизированной технологии их создания.

В настоящее время общая методология и инструментальные средства построения КОС находятся в стадии формирования. Известные работы в этой области как правило направлены на решение отдельных задач (моделирование объектов, интерактивно-диалоговые интерфейсы, методики компьютерного обучения) применительно к той или иной предметной области. При решении задачи создания интегрированной операционно-инструментальной среды для построения КОС в качестве определённых ориентиров по реализации объективных тенденций могут рассматриваться SCADA-системы для АСУ ТП, IDE-варианты компиляторов и системы HTML-программирования.

Из анализа этой актуальной проблемы следует вывод, что её адекватное решение может обеспечить разработка нового методического базиса и специализированной программной операционно-инструментальной среды (ОИС) на его основе, отвечающих современным требованиям интеллектуализации программно-инструментальных средств для построения КОС технологического персонала.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка N методического базиса и специализированной операционно-инструментальной среды, обеспечивающих интеллектуализацию формализованных процедур построения КОС технологического персонала и удовлетворяющих требованиям качества, низкой стоимости и ускорения их создания.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи диссертационной работы:

• анализ тенденций развития компьютерных обучающих систем технологического персонала и существующих подходов к их построению;

• разработка методических и инструментальных основ построения КОС технологического персонала (сценарии, интерфейсы, информационное обеспечение);

• определение макроструктуры и методического базиса ОИС на объектно-ориентированных принципах;

• разработка функционально-модульной структуры и архитектуры ОИС;

• разработка принципов программной реализации методического базиса ОИС на основе методов объектно-ориентированного программирования и эргономически эффективных визуально-графических интерфейсов;

• практическая реализация разработанных методов и программно-инструментальных средств при создании КОС технологического персонала реальных производств.

Методы исследований. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием методов системного анализа, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, формальных языков, элементов теории вычислительных систем.

Научная новизна работы. Основные составляющие научной новизны диссертационной работы отражены в следующем:

• разработана процедура формирования предметного сценария обучения и предложена классификация типов обучающих сценариев КОС, а также процедура их программной реализации с использованием специализированного языка программирования сценариев;

• разработаны методические принципы создания специализированных программно-инструментальных средств, обеспечивающих реализацию новой технологии построения КОС технологического персонала;

• предложена концептуальная макроструктура операционно-инструмен-тальной среды для построения компьютерных обучающих систем на принципах объектно-ориентированного программирования и визуально-графического интерфейсного обеспечения.

• сформулированы общие методические принципы построения эргономически эффективных человеко-машинных интерфейсов в рамках предложенной в ОИС сюжетной метафоры;

• создан системообразующий методический базис программной среды, обеспечивающий существенное ускорение построения КОС при повышении их качества и снижении уровня требований к квалификации пользовательского персонала.

Практическая реализация результатов работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные в работе результаты — методические положения и обобщения, алгоритмические процедуры, практический опыт применения разработанных методических и операционно-инструментальных средств для построения КОС технологического персонала могут быть использованы в практике построения КОС различной предметной ориентации при решении отраслевых проблем создания требуемого спектра компьютерных обучающих средств для подготовки персонала.

Применение разработанных в диссертации методических и программно-инструментальных средств предоставляет возможности с меньшими затратами времени и средств создавать семейства КОС для обучения разнопрофильного персонала.

Основные результаты работы — методические положения и их практические результаты в виде реальных предметных КОС, созданных с использованием элементов операционно-инструментального аппарата ОИС, внедрены и используются в учебной инфраструктуре «Системы непрерывного фирменного профессионального образования ОАО «Газпром» — на Степновской станции подземного хранения газа, в газотранспортном предприятии «Югтрансгаз» в Саратовской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались по мере её выполнения и обсуждались на созвучных теме диссертации семинарах, конференциях, симпозиумах и презентациях, в том числе на Пятом всероссийском симпозиуме ЦЭМИ РАН (Москва, 13−14 апреля 2004 г.), на Шестом всероссийском симпозиуме ЦЭМИ РАН (Москва, 12−13 апреля 2005 г.), на 54-ой научно-технической конференции МИРЭА (Москва 16−25 мая 2005 г.), на научной сессии МИФИ-2006 (Москва, 23−27 января 2006 г.), на научных семинарах и технических совещаниях ИНЭУМ (1996;2006гг.), на ежегодных презентациях КОС при учебном центре ОАО «Газпром» (1996;2006гг).

Работа состоит из 5 глав.

В первой главе выполнен анализ тенденций развития компьютерных обучающих систем (КОС) технологического персонала и определены требования к развитию программно-инструментальных средств их построения.

Во второй главе исследованы принципы объектно-ориентированного подхода к построению программно-инструментальных процедур для создания современных КОС технологического персонала. Рассмотрены вопросы формирования блочно-модульной структуры ОИС для построения КОС. Сформулированы принципы организации интерфейсного обеспечения визуально-графических процедур построения КОС.

В третьей главе определены принципы программной реализации и методические основы создания обучающих сценариев КОС. Представлены основные программно-методические решения по интерактивно-диалоговому обеспечению построения и отображения графических объектов, а также принципы информационного обеспечения КОС.

В четвертой главе предлагается решение задач создания системообразующего базиса ОИС, включающего отображение графических объектов, управление оперированием переменными, определяющими свойства объектов, разработку алгоритмов и обработку особых (аварийных) состояний технологических процессов (их моделей) предметной области применения КОС.

В пятой главе рассматриваются примеры программно-реализованных КОС, при построении которых использован разработанный методический аппарат и программно-инструментальные средства ОИС. Приведены основные качественные показатели по оценке целесообразности применения предложенного инструментально-методического аппарата при построении КОС, предназначенных для использования на персональных компьютерах.

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной разработки.

ВЫВОДЫ.

1) Разработан с использованием инструментально-методического аппарата ОИС ряд КОС, в том числе в виде программно-компьютерных тренажеров-имитаторов для технологического персонала на нефтегазовых объектах.

2) Дан пример построения функциональной математической модели объекта управления, позволяющей разработать алгоритм управления, учитывающий условия поддержания требуемых показателей качества технологического процесса.

3) Приведен пример перечня учебно-тренировочных заданий, характеризующих объем основных навыков, необходимых и достаточных эксплуатационному персоналу.

4) Анализ эффективности разработанного программно-инструментального аппарата ОИС, выполненный на основе практики его применения, показал, что по сравнению с разработкой КОС с использованием программно-инструментальной среды общего назначения, разработка с помощью ОИС обеспечивает существенное ускорение создания КОС (в типичном случае примерно в два раза) при повышении качества и снижении уровня требований к квалификации персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В итоге проведенных в диссертационной работе исследований, направленных на совершенствование инструментально-методического аппарата для разработки компьютерных обучающих систем технологического персонала получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа современных тенденций развития компьютерных обучающих систем сформулированы требования к проблемно-ориентированным КОС технологического персонала и определены актуальные задачи обучения технологического персонала, инвариантные к предметной области, а также исторические направления по созданию программно-инструментальной среды для построения компьютерных обучающих средств.

2. Разработаны методические принципы построения операционно-инструментальной среды для разработки КОС.

Показана целесообразность создания и применения специализированных проблемно-ориентированных сред для построения обучающих программных продуктов.

Предложена концептуальная макроструктура ОИС, основанная на сочетании универсальных и специализированных программно-инструментальных компонентов, обеспечивающая наибольшую эффективность программно-инструментальной среды.

Определены основные методические положения построения программных обучающих продуктов: визуально-графическая парадигма технологии создания КОСпроцедуры формирования алгоритмов с помощью специализированного механизма сценариевприменение макроязыка высокого уровня для реализации графического инструментария «рисования» алгоритмических моделей технологического процесса и др.

Сформулированы общие методические принципы эргономически эффективных пользовательских интерфейсов.

3. Разработаны требования и методические положения по формированию предметных сценариев обучения. Предложена классификация предметных сценариев КОС и определены требования к интерфейсному диалоговому обеспечению обучающих сценариев КОС.

4. Разработаны программно-инструментальные модули для создания современных предметно-ориентированных компьютерных обучающих систем технологического персонала.

Инструментом программной реализации модели технологического объекта является эмулятор объекта, настройка которого осуществляется посредством описания его функциональных свойств на специально разработанном языке в текстовом файле или с помощью графической оболочки.

Для разработки алгоритмов моделирования технологического процесса используется специальный механизм обучающих сценариев. Предложен макроязык, с помощью которого осуществляется описание объектов, их взаимодействие, условия контроля параметров. Написание макрокоманд автоматизировано и использует содержимое библиотеки и принцип «рисования» объектов.

5. На основе созданного инструментально-методического аппарата ОИС разработан ряд компьютерных обучающих систем технологического персонала на нефтегазовых объектах.

6. Практика разработки и применения предметно-ориентированных КОС показала эффективность предлагаемых методик и инструментальных средств, обеспечивающих сокращение времени разработки, повышение её качества, снижение уровня требований к квалификации персонала.