CC BY
19
УДК 004.942:66.02
Т. Б. Чистякова, И. В. Новожилова ТРЕНАЖЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕМУ УПРАВЛЕНИЮ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Ключевые слова: математическое моделирование, электронное обучение, тренажерные комплексы.
Рассмотрены вопросы разработки практико-ориентированных тренажерных комплексов для электронного обучения управленческого и производственного персонала промышленных предприятий с учетом профессиональных стандартов, выполняемых трудовых функций и должностных инструкций персонала. Тренажерные комплексы на базе имитационных математических моделей позволяют проводить обучение способам управления химико-технологическими процессами и установками в различных режимах функционирования. Представленные в работе тренажерные комплексы прошли успешную апробацию на ряде зарубежных и российских промышленных предприятий и позволяют повысить качество продукции, снизить брак, улучшить экологические характеристики производств за счет повышения профессионального уровня персонала.
Keywords: mathematical modeling, e-learning, training complexes.
Issues in the development of problem-oriented training systems for e-learning of management and production personnel of innovative enterprises according to professional standards, labor functions performed and job descriptions of staff are reviewed. Training systems based on simulation mathematical models permit to remotely teach method of designing and control of the technological processes and installations in different modes of operation Representative examples of training systems have been successfully tested in a number of international and Russian innovative industry enterprises and make it possible to improve product quality, reduce waste, and improve the environmental performance ofproduction by raising the professional level of the staff.
Введение
В условиях развития современных производственных технологий все более актуальным становится вопрос управления химико-технологическими процессами с целью организации высокотехнологичных производств на современном уровне [1-3,6]. Наиболее перспективным направлением интенсификации химико-
технологических процессов является создание практико-ориентированных тренажерных
комплексов, позволяющих осуществлять дистанционное изучение современного
промышленного оборудования, обучение ресурсо- и энергосберегающему управлению химико-технологическими процессами на базе виртуальных лабораторий и имитационных математических моделей. Особое значение при решении данной научно-технической задачи имеет электронное обучение, позволяющее с использованием дистанционных образовательных технологий проводить своевременное повышение квалификации и переподготовку персонала промышленных предприятий без отрыва от производства, экономить временные и финансовые затраты на обучение. Формирование образовательной траектории обучения производится на основе модульной технологии с учетом профессиональных стандартов, должностных инструкций и трудовых функций персонала, а результаты обучения обеспечивают приобретение специалистами соответствующих профессиональных компетенций в соответствии с приобретаемой квалификацией.
Решение поставленных задач для реализации указанных направлений позволило выработать единую методологию и разработать технологии автоматизированного синтеза тренажерных
комплексов для инновационных производств химической отрасли с использованием современных когнитивных, информационных и сетевых технологий.
Основные этапы создания тренажерных комплексов
Жизненный цикл создания тренажерных комплексов на основе когнитивных технологий включает следующие ключевые этапы:
1. Анализ квалификационных дефицитов (трудовых функций, умений, знаний) специалистов промышленных предприятий и их преобразования в образовательные результаты (профессиональные компетенции), позволяющие работникам выполнять трудовые функции в рамках нового или обновленного вида трудовой деятельности.
2. Формирование траектории и содержания электронного обучения на базе модульной технологии с учетом должностных инструкций и трудовых функций управленческого и производственного персонала.
3. Разработка методов, алгоритмов и технологий синтеза тренажерных комплексов, включающих адаптируемые подсистемы имитационного моделирования для ресурсо- и энергосберегающего управления химико-технологическими процессами получения материалов различного функционального назначения, баз данных (БД) сырьевых материалов, агрегатов, технологических регламентов и параметров, требований к качеству материалов, базы знаний нештатных ситуаций, связанных с браком продукции.
4. Апробация электронного обучения путем синтеза компьютерных тренажеров на основе дистанционных образовательных технологий.
5. Обработка результатов (протоколов) обучения персонала на основе использования
методов качественной и количественной оценки приобретенных обучаемыми специальных профессиональных компетенций, необходимых для выполнения ими своих трудовых функций.
Методология разработки тренажерных комплексов
Наиболее перспективными направлениями развития практико-ориентированных обучающих систем являются:
создание тренажерных технологий (технологий автоматизированного синтеза тренажерных комплексов для проектирования и управления производственными процессами);
интеграция тренажерных комплексов для обучения управлению в автоматизированные системы управления технологическими процессами и производствами с использованием единой БД промышленных процессов;
интеграция тренажерных комплексов для обучения проектированию производственных процессов и тренажеров для обучения управлению, построенных на базе имитационных математических моделей объектов управления;
построение интеллектуальных компьютерных систем для дистанционного обучения проектированию и управлению удаленными установками.
Первым этапом реализации указанных направлений является разработка формализованного описания производства как объекта изучения (ОИ) на базе структурно-лингвистической модели представления знаний об объекте, описываемой в виде фрейма-прототипа, компонентами которого являются списки атрибутов 0 и их характеристик А: Fr ::= < ОИ, 0, А >, 0 = {91,..., 99}, А = {ЭЦ,..., а92}, где - иерархический уровень (аппарат, поток, стадия, процесс в целом); Ц2 - особенности аппаратурно-технологического оформления
(характер протекания процесса во времени, особенности структуры потоков, типы оборудования); 93 - режимы функционирования (аварийные, предаварийные, эксплуатационные, оптимальные); 94 - характеристика режимов функционирования в зависимости от производительности; 95 - характеристика режимов функционирования в зависимости от состава сырья; 96 - характеристика качества целевой продукции; 97 - характеристика контролируемых и неконтролируемых возмущающих воздействий; Ц8 -характеристика технологических параметров объекта; Ц9 - характеристика системы отображения информации.
Задача построения формализованного описания конкретного высокотехнологичного производства как ОИ состоит в переходе от фрейма-прототипа к фрейму-объекту, то есть к разработке конкретных описаний характеристик атрибутов фрейма Fr. Синтез такого описания позволяет реализовать весь жизненный цикл практико-ориентированных обучающих систем для проектирования и управления высокотехнологичными производствами на базе продукционно-фреймовых технологий.
В соответствии с разработанной методологией сквозного проектирования практико-ориентирован-ных обучающих систем формализованное описание ОИ является основой для автоматизированного синтеза ядра компьютерных тренажерных комплексов, которое включает многовариантные, адаптивные к переменным характеристикам ОИ модели описания объекта и стратегии обучения.
Укрупненная функциональная структура тренажерного комплекса приведена на рис. 1.
Рис. 1 - Функциональная структура тренажерного комплекса
При формировании функциональной структуры тренажерно-обучающего комплекса создаются модули, выполняющие функции обучения и тренажа; как показывает анализ современных систем обучения и опыт их разработки к ним относятся: интерфейс инструктора; интерфейс обучаемого; модели объекта управления и инструментальные средства создания моделей и компонент тренажерно-обучающего комплекса.
Для проведения тренировки инструктор имеет возможности: управления моделью; контроля за ходом обучения; оценки действий обучаемого по выбранной модели контроля знаний.
Информационная структура интерфейса обучаемого включает следующие функциональные модули: оперативного управления структурой ОИ с помощью динамически управляемой мнемосхемы процесса; контроля и регулирования параметров процесса; получения разъяснений, советов, рекомендаций по управлению. Такая структура интерфейса обучаемого позволяет учесть характеристики ОИ для различных модификаций, получить глубокие профессиональные знания с учетом накопленного опыта экспертов.
Для обучения проектированию и управлению химико-технологическими процессами
используются информационные модели,
имитационные математические модели (ММ) и модели представления знаний [4, 5]. Информационные модели реализуются в виде БД геометрических моделей и конструктивных характеристик производственных агрегатов, технологических параметров процессов,
характеристик сырьевых материалов и целевой продукции. БД настраиваются на различные структуры ОИ, режимы его функционирования,
производительность, состав сырья и качество продукции путем динамического изменения диапазонов соответствующих параметров. Это обеспечивает адаптацию разрабатываемых тренажерно-обучающих комплексов на различные модификации ОИ, что позволяет интегрировать их в автоматизированные системы проектирования и управления технологическими производствами. Имитационные ММ обеспечивают возможности активного обучения при решении различных задач обучения: обучение управлению в нештатных ситуациях и при перенастройке производства на новое задание по сырью и производительности, изучение способов и задач оптимального управления, изучение причинно-следственных связей в объекте, обучение структурному и параметрическому синтезу ОИ и осуществление поверочных расчетов спроектированных объектов [6]. Для разработки системы имитационного моделирования ОИ необходимы распознавание и обработка событий. При моделировании события (С) описываются место возникновения события, момент системного времени, при котором возникает событие (/), параметр объекта (V), определяющий событие и его пороговые ограничения (У).
С = V}
где V={X, и, У} - вектор технологических параметров объекта, соответственно: X - входных, и - управляющих, У - выходных; у - индекс принадлежности к месту возникновения события (иерархическому уровню - потоку, аппарату, стадии, процессу). События (ситуации) могут быть смоделированы двумя путями:
с помощью множества параметров информационной модели:
М с ={ V, /}
с помощью решения имитационных моделей:
М с К, Г)
V * V
где К - вектор коэффициентов имитационной модели.
Число событий в ОИ заданного иерархического уровня определяется числом сочетаний пороговых ограничений технологических параметров объекта управления и числом параметров, для которых установлены ограничения:
I "у
N = :
где - число событий, NV - число параметров, Nу - число пороговых ограничений у-ого параметра объекта.
Для решения задачи синтеза тренажерных ММ разработаны: библиотеки базовых ММ, описывающих функционирование ОИ в
номинальном режиме (допустимом по регламенту), библиотеки настраиваемых модулей типовых нарушений ОИ в эксплуатационных и аварийных нештатных ситуациях, библиотеки методов решения при реализации различных стратегий обучения.
Для моделирования причин нарушений в базовой модели изменяются компоненты модели по отношению к номинальным значениям. При моделировании события базовая модель продолжает функционировать, однако приоритетность аварийного события переключает внимание обучаемого на параметры, определяющие аварийную ситуацию, сопровождаемую, как правило, звуковой и световой сигнализацией. Для некоторых эксплуатационных и аварийных причин разработана стохастическая модель, позволяющая определить вероятность причины, в случае неполноты информации.
Задача автоматизированного синтеза ММ заключается в поиске структуры модели, параметров и инструментальных средств модели, которым соответствуют выходные параметры, рассчитанные по модели (У), описывающие ОИ с допустимой для данного класса ОИ точностью в области адекватности, задаваемой настройками ОИ, архитектурой интеллектуального автоматизированного обучающего комплекса, обеспечивая экономичность модели и её интеграцию в систему синтеза тренажера.
Разработаны библиотеки ММ для различных ОИ: экструзии, каландрования и термоформования полимерных материалов, производства карбида кальция, фосфора, сорбционно-каталитических материалов, высокотемпературных огнеупорных материалов, твердых сплавов [2, 4, 5].
Для изучения экспертных знаний, способов устранения нештатных ситуаций, передового опыта по способам безаварийного и эффективного управления и формирования интеллектуальных советов по проектированию и управлению высокотехнологичными производствами в процессе обучения в структуру тренажеров интегрируются модели представления неформализованных знаний об ОИ. Для синтеза автоматизированных подсистем представления декларативных и процедурных знаний использованы инструментальные средства объектно-ориентированного программирования, оболочки экспертных систем, языки представления знаний.
Блок-схема автоматизированного формирования тренажерно-обучающего комплекса представлена на рис. 2.
Анализ алгоритма показывает, что он представляет собой эвристически-продукционную процедуру автоматизированного синтеза адаптивных систем обучения, позволяющий по структурно-классифицированному описанию ОИ, сформулированным целям обучения, разработанным инструментальным средствам синтезировать необходимую структуру обучающей системы и настроить ее параметры.
V* V1
I
Рис. 2 - Блок-схема синтеза интеллектуального автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса
Работоспособность алгоритма синтеза адаптивных систем обучения проверена для химико-технологических процессов получения
высокотехнологичных материалов различного функционального назначения (полимерных, сорбционных, каталитических, фуллероидных, высокотемпературных и др.).
Практическое использование тренажерно-обучающих комплексов
Разработанные методы и технологии создания тренажерных комплексов в составе систем электронного обучения используются для повышения квалификации управленческого и производственного персонала инновационных производств: ООО «Клекнер Пентапласт Рус», ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ООО «Оксоний», ООО «Вириал», ОАО «Северсталь», ЗАО «ИЛИП», ОАО «АК «Ригель».
Поскольку системы электронного обучения имеют модульную организацию, содержат программы учебных модулей и контрольно-измерительные материалы с описанием способов их использования для оценивания знаниевых и компетентностных результатов обучения, имеется возможность формирования индивидуальных образовательных траекторий в соответствии с должностными инструкциями, трудовыми функциями и требованиями рабочего места для ликвидации квалификационного дефицита путем выбора: профессионального модуля, дисциплин(ы), профессиональной компетенции. Для анализа квалификационных дефицитов и последующего формирования образовательной траектории обучающиеся проходят входной контроль в форме анкетирования. Для оценки конечных результатов каждого профессионального модуля -профессиональных компетенций используются контрольно-измерительные материалы,
комплексные задания (практические или проектные) и выпускные аттестационные работы.
Анализ внедренных в промышленность и учебные центры различных классов систем обучения показал их работоспособность, достоверность принципов разработки, адекватность структурно-классифицированного описания ОИ, полноту структур и параметров обучающих систем, возможность синтеза и адаптации необходимых систем в зависимости от отличительных признаков ОИ, целей обучения и тренажа.
Важно отметить, имеющийся международный опыт разработки практико-ориентированных тренажерных комплексов в области автоматизированной обработки информации и управления производством наноструктурированных полимерных материалов на примере международной корпорации «Kloeckner Pentaplast» [7, 8]. Целью программы является исследование свойств новых полимерных материалов, усовершенствование технологий их получения и переработки и внедрение инновационных решений на международных предприятиях.
Внедрение интеллектуальных
автоматизированных тренажерно-обучающих
комплексов в учебные центры и производство показало, что повышение безопасности и эффективности производств химической отрасли достигнуто за счет: улучшения характеристик объекта, совершенствования систем управления, повышения профессионального уровня
управленческого и производственного персонала
Заключение
Для современных промышленных производств актуально своевременное повышение квалификации и переподготовка управленческого и производственного персонала с целью достижения готовности специалистов к осуществлению ими соответствующих профессионально-трудовых
функций и освоению профессиональных компетенций, перечень которых отвечает требованиям конкретных рабочих мест. Использование тренажерных комплексов в составе систем электронного обучения для освоения компетентностных результатов обучения позволяет повысить качество продукции, снизить брак, улучшить экологические характеристики
производств за счет повышения профессионального уровня управленческого и производственного персонала (приобретения навыков поведения при перенастройке и в нештатных ситуациях, глубокого понимания причинно-следственных связей, снижения психологической перегрузки,
самостоятельного решения задач управления) и приближения квалификации персонала к требованиям профессиональных стандартов.
Литература
1. Grossmann, I.E. Advances in Mathematical Programming Models for Enterprise-Wide Optimization / Computers & Chemical Engineering. - Vol. 47, 2012, P. 2-18.
2. Чистякова, Т. Б. Программные комплексы для электронного обучения персонала и управления инновационными производствами / Чистякова, И. В. Новожилова // Сб. науч. тр. IX Междунар. науч.-практ. конф. ЛЭРЭП-9-15, 2015, С. 86-89.
3. Кустов В. Н. Электронное обучение специалистов в системах повышения квалификации / В. Н. Кустов, И. В. Новожилова // Программные продукты и системы, №. 2, 2012. - с. 125-127.
4. Чистякова, Т. Б. Информационные технологии синтеза компьютерных тренажеров для химических производств / Т. Б. Чистякова // Изв. С.-Петерб. гос. технол. ин-та (техн. ун-та). - 2007. - № 1. - С. 90-95.
5. Чистякова, Т. Б. Математическое моделирование химико-технологических объектов с распределенными
параметрами / Т. Б Чистякова, А. Н. Полосин, Л. В. Гольцева. - СПб. : ЦОП «Профессия», 2010. - 240 с.
6. Ziyatdinov, N.N. Computer simulation and optimization in chemical technology / Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - Vol. 48. - № 5, 2014 - P. 539-540.
7. Coloured polymeric moulded bodies, and method and device for producing the moulded bodies: International application PCT/EP2012/003767 (2012) / Kohlert C., Schmidt B., Schnabel A., Mi- chels F., Razigraev A., Chistjakova T.
8. Packaging film for product authentication, authentication method and system : pat.WO 2010/003585 A1 (2010) / Kohlert C., Schmidt B., Egenolf W., Chistjakova T.
© Т. Б. Чистякова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. систем автоматизированного проектирования и управления, Санкт-Петербургский госуд. технол. институт (технический университет), [email protected]; И. В. Новожилова -канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected].
© T. B. Chistyakova - professor, Dr.-Eng., Head of The Computer-Aided Design and Control Systems Department, Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), [email protected]; 1 V. Novozhilova - PhD, assistant professor of The Computer-Aided Design and Control Systems Department, Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), [email protected].
