CC BY
176
Информатика, вычислительная техника и управление
В.В. Меньших,
доктор физикоматематических наук, профессор
С.В. Синегубов,
кандидат технических наук, доцент
А.А. Щеглов
МОДЕЛЬ РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ТРЕНАЖЕРОВ-СИМУЛЯТОРОВ, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ,
НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ
CALCULATION MODEL OF EXERCISE MACHINES SIMULATORS’ REQUIRE NUMBER FOR DRIVING TRAINING
Описываются модели оценки количества тренажёров-симуляторов, которые могут быть использованы при обучении курсантов учебных заведений МВД России автомобильной подготовке. Приведён численный пример использования моделей.
Models of an assessment of require number of exercise machines simulators ’ which can be used when training cadets of educational institutions of the Ministry of Internal Affairs of Russia in driving preparation are described. The numerical example of used models is given.
Введение. Тренажеры-симуляторы — программные или программно-аппаратные комплексы, имитирующие реальные процессы и ситуации с целью подготовки обучаемых, выработки умений и навыков.
Тренажеры-симуляторы обеспечивают профессиональную подготовку операторов, формирование и совершенствование навыков и умений, необходимых для управления материальным объектом. Тренажеры-симуляторы должны соответствовать требованиям методик подготовки и обеспечивать контроль качества деятельности обучаемого [1].
Большое распространение получили тренажеры, моделирующие процессы, связанные с риском для жизни, здоровья и минимизирующие материальные затраты при обучении. Одним из наиболее ярких примеров является обучение вождению автомобиля.
Рассмотрим возможности использования тренажеров-симуляторов при изучении дисциплины «Автомобильная подготовка» в образовательных организациях МВД России. Изучение данной дисциплины прививает обучающимся умения и навыки, связанные с использованием транспортных средств при выполнении служебных обязанно-
189
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
стей. Неотъемлемой частью овладения данным предметом является изучение Правил дорожного движения и умение управлять легковым автомобилем в различных дорожных и метеорологических условиях. В процессе изучения данной дисциплины осваиваются не только типичные, но и сложные дорожно-транспортные ситуации, которые могут возникнуть при решении оперативно-служебных и служебно-боевых задач с использованием транспортных средств.
За более чем вековую историю подготовки водителей накоплен большой опыт их обучения. Вместе с тем в настоящее время широко внедряются новые технические средства, созданные на базе современных информационных технологий, которые позволяют существенно повысить эффективность процесса обучения. К таким средствам можно отнести, например, различные экзаменационно-обучающие автоматизированные комплексы и симуляционные тренажёры [2]. Однако эффективность использования данных средств обусловлено индивидуальными психофизиологическими особенностями обучающихся [3]. В автошколах, использующих указанные средства, дополнительные занятия, которые необходимы определённой категории обучающихся, в том числе и для получения специальных навыков безопасного управления транспортными средствами, осуществляются на коммерческой основе, что неприемлемо для образовательных учреждений МВД. Поэтому возникает задача такой организации учебного процесса, которая, с одной стороны, позволила бы использовать современные средства обучения автомобильной подготовке, а, с другой — не нарушать сложившуюся технологию обучения [2, 4].
1. Технология обучения автомобильной подготовке. Все организации, осуществляющие подготовку водителей различных категорий, в своей деятельности руководствуются положениями приказа [4], в соответствии с которым процесс обучения может быть разделён на некоторые последовательно или параллельно выполняемые этапы (действия). При этом выделяют:
A, i е {О • • • в} — действия по контролю обучения;
В — действия по теоретическому обучению;
D. — действия по практическому обучению управлению автомобилем.
Состав и длительности выполнения действий в соответствии с [4] представлены в табл. 1.
Таблица 1
Состав действий по обучению автомобильной подготовке_______
Действие Название Время, ч
A Установочное занятие 1
Bi Основы законодательства в сфере дорожного движения 42
Психофизиологические основы деятельности водителя 12
Вз Основы управления транспортными средствами 14
В4 Первая помощь при дорожно-транспортном происшествии 16
A Промежуточная аттестация по предмету «Основы законодательства в сфере дорожного движения» 1
b5 Устройство и техническое обслуживание транспортных средств категории "B" как объектов управления 20
190
Информатика, вычислительная техника и управление
А Промежуточная аттестация по предмету «Устройство и техническое обслуживание транспортных средств категории "B" как объектов управления» 1
А Основы управления транспортными средствами категории "B" 12
А Промежуточная аттестация по предмету «Основы управления транспортными средствами» 1
А Организация и выполнение грузовых перевозок автомобильным транспортом 8
А Промежуточная аттестация по предмету «Организация и выполнение грузовых перевозок автомобильным транспортом» 1
А Организация и выполнение пассажирских перевозок автомобильным транспортом 6
А Промежуточная аттестация по предмету «Организация и выполнение пассажирских перевозок автомобильным транспортом» 1
Вождение транспортных средств категории "B"
Первоначальное обучение вождению
А Посадка, действия органами управления 2
А Пуск двигателя, начало движения, переключение передач в восходящем порядке, переключение передач в нисходящем порядке, остановка, выключение двигателя 2
А Начало движения, движение по кольцевому маршруту, остановка в заданном месте с применением различных способов торможения 4
А Повороты в движении, разворот для движения в обратном направлении, проезд перекрестка и пешеходного перехода 2
А Движение задним ходом 1
А Движение в ограниченных проездах, сложное маневрирование 7
А Движение с прицепом 6
А Проверка навыков управления транспортным средством категории "B" на закрытой площадке или автодроме.
Обучение вождению в условиях реального дорожного движения
А Вождение по учебным маршрутам 32
А Проверка навыков управления транспортным средством категории "B" в условиях дорожного движения 1
А Квалификационный экзамен 1
Анализ указанных действий позволяет выявить причинно-следственные отношения между ними и определить, тем самым, временную структуру процесса обучения (рис. 1), которая в совокупности с данными табл. 1 представляет собой описательную модель обучения по традиционной технологии.
Изучим возможности использования данной технологии в образовательных организациях МВД.
191
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
2. Особенности обучения автомобильной подготовки в образовательных организациях МВД. В ведомственных вузах системы МВД России обучение данному виду деятельности имеет свою специфику: дисциплина «Автомобильная подготовка» интегрирована в учебный план, и увеличение числа занятий для групп обучающихся, не освоивших отдельные упражнения, привело бы к нарушению распорядка дня как обучающихся, так и преподавателей и инструкторов практического вождения.
Вместе с тем, отличительной особенностью вузов МВД России является наличие контролируемой самоподготовки [6]. Повышение эффективности использования самоподготовки может быть достигнуто с помощью инновационных технологий, в частности новых технических средств, созданных на базе современных информационных технологий, которые позволяют осуществить гибкую организацию дополнительных индивидуальных занятий под контролем преподавателя.
В настоящее время в учебный процесс Воронежского института МВД России внедрены симуляционные тренажёры практического вождения, использование которых позволяет дополнить традиционную технологию обучения. Обозначим действия по
обучению управления автомобилем, соответствующие действиям Dj , но выполняемые
на симуляционных тренажёрах. Тогда описательная модель обучения будет иметь вид, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Временная структура процесса обучения автомобильной подготовке с использованием инновационных технологий
192
Информатика, вычислительная техника и управление
В силу индивидуальных особенностей обучающихся параметры действий (количество повторений и длительности действий) являются случайными величинами, вследствие чего описательная модель является стохастической.
Рассмотрим возможности использования полученной описательной модели для оценки потребности в симуляционных тренажёрах в процессе обучения автомобильной подготовке.
В учебных заведениях МВД возможно два основных способа организации самоподготовки обучающихся:
обучающиеся самостоятельно определяют потребность и время дополнительного занятия на симуляционных тренажёрах в зависимости от необходимости подготовки к занятиям по другим дисциплинам;
дополнительные занятия строго регламентированы (симуляционные тренажёры используются в соответствии с расписанием).
Для моделирования каждого из этих способов можно использовать методы теории массового обслуживания [6]. В первом случае целесообразно использовать модели в виде систем массового обслуживания (СМО) с отказами, а во втором — модели СМО с очередями. Обратимся к рассмотрению этих вариантов.
3. Моделирование процесса обучения с помощью системы массового обслуживания с отказами.
Предположим, что при использовании тренажеров не существует расписания посещения обучающимися дополнительных занятий, т.е. тренажёр занимает пришедший раньше, а остальные получают отказ. В этом случае в соответствии с теорией массового обслуживания входной поток требований следует считать показательным [6]. Рассчитаем основные характеристики системы.
Интенсивность входных заявок определяется как Л
n • t
t
, где t
время ис-
пользования тренажёра за весь период обучения; щ — количество курсантов, нуждающихся в дополнительной (тренажёрной) подготовке; tx — среднее время дополни-
тельной подготовки одного курсанта.
Интенсивность потока обслуженных заявок (для одного тренажера) — р = ■
m
1
где m — математическое ожидание времени использования тренажёра в сутки.
Приведенная интенсивность потока заявок — Р = —. Вероятность того, что n
Р
тренажеров свободно, вычислим по формуле Эрланга р0
f n nk \
Y n
їм k! J
Тогда вероятность отказа при n работающих тренажерах Ротк
n!
• Po ■
4. Моделирование процесса обучения с помощью системы массового обслуживания с очередью.
В отличие от представленной выше модели предположим, что на дополнительные занятия с использованием тренажеров обучающиеся приходят в соответствии с расписанием, тогда такой процесс можно рассматривать как систему массового обслуживания с k идентичными обслуживающими приборами и накопителем неограниченной емкости, в которую поступают заявки, образующие простейший поток.
193
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
В качестве основной характеристики функционирования указанной СМО будем считать среднее время ожидания ш заявок.
В этом случае, как показывает анализ, расчет характеристик обслуживания следует проводить при следующих предположениях:
поток заявок — простейший;
длительность обслуживания заявок со средним значением b ;
все к приборов — идентичны, и любая заявка может быть обслужена любым прибором;
емкость накопителя — не ограничена (обслужатся все);
в системе отсутствуют перегрузки, то есть загрузка системы меньше 1:
р =
Л-b к
< 1 .
При этих предположениях среднее время ожидания заявок определим следую-p - b
щим образом: ш =
р к (1 -р)
служиванием заявок.
, где p — вероятность того, что все к приборов заняты об-
(к -р)к
Вероятность p определим как p =---------------p0, где р0 — вероятность простоя
к!-(1 -р)
системы, то есть вероятность того, что в системе нет заявок:
Г(к-р)к к\(к-руХ
Р° к!-(1 -р) ti i! _ '
5. Численный пример расчёта потребностей в симуляционных тренажёрах.
Определим необходимое количество симуляционных тренажеров для выполнения при следующих предположениях:
дисциплину «Автомобильная подготовка» изучают 250 человек; продолжительность работы каждого тренажёра — не более 2 часов в сутки (согласно распорядку дня курсантов учебных заведений МВД);
на одного обучающегося в среднем необходимо выделить 7 занятий, количество нуждающихся в дополнительных занятиях практическому вождению составляет 28% (данные получены на основе экспертного опроса преподавателей кафедры тактикоспециальной подготовки Воронежского института МВД России и сотрудников экзаменационно-регистрационного отдела ГИБДД ГУ МВД России по Воронежской области).
Результаты расчетов для данной задачи при организации занятий без предварительного расписания (СМО с отказами) сведены в табл. 2, а с использованием расписания (СМО с неограниченной очередью) — в табл. 3.
Анализ полученных данных показывает, что практически все обучающиеся, нуждающиеся в дополнительных занятиях по практическому вождению, получат такую возможность в первом случае — при использовании 15 тренажеров, а во втором — 4 тренажёров.
При n < 3 значение р > 1, что означает перегрузку системы. Для 5 тренажеров, по сравнению с использованием 4, вероятность занятости приборов снижается, что приводит к простою тренажёров. Поэтому оптимальным является случай использования 4 тренажеров при описанном выше входном потоке заявок и режимом обслуживания.
194
Информатика, вычислительная техника и управление
Таблица 2
Количество тренажеров n 1 2 3 4 5 6 7 15
Вероятность загруженности тренажеров Р0тК 0,894 0,791 0,690 0,594 0,501 0,414 0,333 0,013
Таблица 3
Количество тренажеров n 1 — 3 4 5
Вероятность загруженности тренажеров Роиж - 0,737 0,377
Вероятность простоя тренажеров ро - 0,014 0,025
Заключение. Полученные результаты позволяют получить оптимальное количество требуемых технических средств при создании новых технологий обучений с учётом особенностей преподавания автомобильной подготовки в вузах МВД. В дальнейшем в модели могут быть учтены дополнительные ограничения, например по количеству тренажёров, что позволит решить задачи оптимизации учебного процесса по дисциплине «Автомобильная подготовка» с учётом имеющихся ресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Трухин А.В. Анализ существующих в РФ тренажёрно-обучающих систем // Открытое и дистанционное образование. — 2008. — №1 (29). — С. 32—40.
2. Нормативные правовые акты, регламентирующие подготовку водителей и их допуск к управлению автомототранспортными средствами / Б.М. Савин [и др.]. — М.: Автополис-плюс, 2010. — 299 с.
3. Фельде Ю.В. Сетевая тренажерно-опорная персонализированная модель формирования готовности водителей к безопасному дорожному движению: монография / под ред. Р.Ш. Ахмадиевой. — Казань: ГУ «НЦБЖД», 2011. — 58 с.
4. Об утверждении Примерных программ подготовки водителей транспортных средств различных категорий: приказ Минобрнауки РФ от 26.12.2013 № 1408 // Региональный информационный центр общероссийской сети распространения правовой информации «КонсультантПлюс» (дата обращения: 22.09.2014).
5. Хутчев С.Н. Особенности организации самостоятельной работы курсантов в военных образовательных учреждениях высшего профессионального образования МВД России // Изв. Саратовского военного института войск МВД РФ. Новая сер. Философия. Психология. Педагогика. — 2011. — Т. 11. — Вып. 2. — С. 95—98.
6. Романцев В.В. Аналитические модели систем массового обслуживания: учебное пособие. — СПб.: СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1998. — 67 с.
REFERENCES
1. Truhin A.V. Analiz suschestvuyuschih v RF trenazhyorno-obuchayuschih sistem // Otkryitoe i distantsionnoe obrazovanie. — 2008. — #1 (29). — S. 32—40.
195
Вестник Воронежского института МВД России №4 / 2014
2. Normativnyie pravovyie aktyi, reglamentiruyuschie podgotovku voditeley i ih do-pusk k upravleniyu avtomototransportnyimi sredstvami / B.M. Savin [i dr.]. — M.: Avtopolis-plyus, 2010. — 299 s.
3. Felde Yu.V. Setevaya trenazherno-opornaya personalizirovannaya model formi-rovaniya gotovnosti voditeley k bezopasnomu dorozhnomu dvizheniyu: monografiya / pod red. R.Sh. Ahmadievoy. — Kazan: GU «NTsBZhD», 2011. — 58 s.
4. Ob utverzhdenii Primernyih programm podgotovki voditeley transportnyih sredstv razlichnyih kategoriy Prikaz Minobrnauki RF ot 26.12.2013 # 1408 // Regionalnyiy infor-matsionnyiy tsentr obscherossiyskoy seti rasprostraneniya pravovoy informatsii «Konsultant-Plyus» (data obrascheniya: 22.09.2014).
5. Hutchev S.N. Osobennosti organizatsii samostoyatelnoy rabotyi kursantov v vo-ennyih obrazovatelnyih uchrezhdeniyah vyisshego professionalnogo obrazovaniya MVD Rossii // Izv. Saratovskogo voennogo instituta voysk MVD RF. Novaya ser. Filosofiya. Psi-hologiya. Pedagogika. — 2011. — T. 11. — Vyip. 2. — S. 95—98.
6. Romantsev V.V. Analiticheskie modeli sistem massovogo obsluzhivaniya: uchebnoe posobie. — SPb.: SPbGETU (LETI), 1998. — 67 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Меньших Валерий Владимирович. Начальник кафедры высшей математики. Доктор физико -математических наук, профессор.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-10.
Синегубов Сергей Владимирович. Старший преподаватель кафедры высшей математики. Кандидат технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-11.
Щеглов Александр Анатольевич. Преподаватель кафедры тактико-специальной подготовки.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-53-92.
Menshikh Valery Vladimirovich. The chief of the chair of high mathematic. Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473)200-52-10.
Sinegubov Sergey Vladimirovich. Senior lecturer of the chair of high mathematic. Candidate of Sciences (technics), assistant professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473)200-52-11.
Shcheglov Alexander Anatolyevich. Lecturer of the chair of tactical and special training.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473)200-53-92.
Ключевые слова: система массового обслуживания; моделирование систем массового обслуживания; автомобильная подготовка; симуляционные тренажеры; описательная модель.
Key words: queuing system; simulation of queuing systems; automotive training; simulation training devices; descriptive model.
УДК 519.217
196
