Одним из основных требований, предъявляемых к тренажерам в промышленности, является регламентируемая степень имитации объекта, управлять которым необходимо обучить, условно говоря, оператора. Задача имитации объекта в общем случае решается программно-математическим моделированием и физическим макетированием.
Традиционно считается, что чем больше реальный объект копируется тренажером, тем лучше. Поэтому некоторые заказчики требуют изготавливать тренажеры на базе реального оборудования. И действительно, при ограниченном типаже объектов управления и их относительной простоте этот подход может быть оправдан. Но, к примеру, хотя летчики годами летают на самолетах одного типа, реактивный лайнер «живьем» в учебный класс не поставишь, да и не полетать на нем в помещении. Или, что делать, если обучение предполагает большое разнообразие объектов?
Возьмем, допустим, тренажер для обучения водителей автомобилей. Их различные виды конструктивно различаются, что препятствует вырабатыванию психомоторных навыков многократным повторением операций вождения. Или взять буровое оборудование, которое у разных изготовителей отличается конструктивно и по управлению. В такой ситуации неоправданно дорого макетировать все объекты. Приходится макетировать нечто, похожее на все варианты сразу, и выделять для обучения некие общие операции путем их математического и программного моделирования. Поэтому средством моделирования повсеместно становится оснащенный соответствующим программным обеспечением цифровой компьютер.
Разработчики математической модели стремятся достичь максимальной точности имитации поведения объекта и среды его функционирования. Но на этом пути их ожидают либо недостаток вычислительной мощности, необходимой для такого моделирования — стоимость суперкомпьютеров выше стоимости самолетов, и никто тренажеры ими не оснащает, — либо недостаток знаний о реально происходящих при работе объекта процессах — не все на свете можно рассчитать точно.
Еще одной проблемой является моделирование длительных процессов. Многие технологические операции растянуты на часы и более. Поэтому имитация выполнения таких работ в реальном времени делает процесс обучения невозможным, и без масштабирования, сжатия времени их протекания, в некоторых тренажерах не обойтись. Для этого модели стараются упростить и, учитывая требования к временным характеристикам моделируемых процессов, уложить их реализацию в конечную по времени вычислительную процедуру.
Вопросы выбора из возможного многообразия вариантов реализации тренажеров решаются на этапе составления технического задания. Результатом реализации проекта является макет объекта, функционирующий почти как настоящий если судить по показаниям отображающих его действие элементов — лампочек, цифровых индикаторов, стрелочных приборов, акустическому сопровождению, красивым картинкам на экране компьютера и др.
Тренажер передается инструктору, в обязанности которого входит организация учебного процесса. Обучаемые приходят и уходят, а инструктор остается, и именно он является главным пользователем тренажера. Именно на нем лежит ответственность за полноту и качество обучения, и все средства тренажера должны быть нацелены на повышение эффективности его работы.
Автор двадцать лет работает в организации, поставляющей тренажеры собственной разработки и, почти никогда не сталкивался с этим самым инструктором до момента ввода тренажеров в эксплуатацию, а тот, в свою очередь, не представлял, с чем именно ему придется работать. В этом году автору довелось увидеть тренажер, сделанный с точным соблюдением нормативных документов, но без взвешенного учета выше означенного многообразия условий разработки и применения.
При его разработке предпочтение было отдано использованию реального оборудования и максимально глубокой проработке математической модели объекта. В результате получили проблемы при установке оборудования, потому что оно весило под тонну и располагалось на площади около метра в обычном учебном заведении. При этом его программное обеспечение позволяло наблюдать и изучать динамику моделируемой среды, но никак не соотносилось с учебным процессом. Оно более годилось инженеру — технологу для его практической деятельности.
Производственная деятельность подразумевает наличие у ее участника профессиональных знаний о предмете, а также доскональное знание соответствующего регламента, которым предписывается выполнение технологических операций на оборудовании соответствующего промышленного объекта. Профессиональные знания можно получить, изучая учебники. Но для обучения проведению технологических операций и доведения их до автоматизма требуется тренировка на соответствующем тренажере. Поэтому аспекты обучаемости должны решаться в самом начале разработки тренажера и учитываться учебно-технологическим заданием.
Учебно-технологические задания программно реализуются компьютером в рамках имитационной модели объекта. Они «ведут» обучаемого по технологиям производственной деятельности, приучают к строгому порядку действий, слежению за временем выполнения операций, «наказывают» за отклонение от регламента. Задания по выполнению технологических операций положены в основу учебных занятий с использованием тренажера и подробно излагаются в сопутствующей документации. Так, например, в бурении скважин на нефть и газ основными операциями являются процесс бурения, спускоподъемные операции, борьба с нефте-газопроявлениями и цементирование. Возможны их различные варианты, есть и другие операции, но они, зачастую складываются из основных.
Помимо различия применяемого технологического оборудования, могут различаться и условия, в которых оно работает. К примеру, песок и глина в разных районах России обладают различными физическими характеристиками, разнятся там климатические условия и др. Все это вносит свою лепту в то многообразие, которое надо учитывать в имитационной модели тренажера, а также при ее настройке на условия конкретного занятия.
Очень важно, чтобы тренажер имел как можно меньше ограничений при учете многообразия условий выполнения учебно-тренировочных заданий, так как это влияет на качество подготовки обучения. Снабженный системой описаний множества начальных условий тренажер позволит инструктору проводить целевое обучение с учетом специфики тех или иных географических районов, допустим, районов нефтегазодобычи, или при использовании специфического оборудования.
Упомянутые описания можно назвать сценарием учебно-тренировочной задачи. Для подготовки сценариев используют базы данных и объектную модель. Использование баз данных увеличивает сложность программного обеспечение тренажера, но во многих случаях связано с приобретением сторонних коммерческих программных продуктов.
Использование объектной модели допускает хранение описаний каждой составляющей сценария. Например, в тренажере бурения АМТ-231 объектами имитации являются буровые вышки, лебедки, трубы, долота, забойные двигатели, породы, проявляющие пласты и др. Эти объекты создаются на основе справочников номенклатуры соответствующей продукции. Из них составляется сценарий, который также является объектом, но более сложным.
Таких сценариев может быть множество. Эта модель в случае ее удачной программной реализации проста и понятна любому пользователю. Для разработчика тренажеров она привлекательна простотой сопровождения и развития.
Независимо от используемых методов, программное обеспечение, позволяющее создавать многообразные сценарии учебно-тренировочных задач, должно быть понятно и удобно для работы инструктору. Оно не должно требовать от него знания дисциплин и действий, не связанных с учебным процессом, не должно ставить его в зависимость от других специалистов.
Рост промышленного производства требует массовой подготовки квалифицированных кадров. Макетный тренажер дорог, поэтому учебное заведение чаще всего приобретает один экземпляр. Однако его пропускная способность ограничена. Не подготовленный теоретически, не запомнивший технологические регламенты обучаемый, попав на тренажер, впустую потратит большую часть времени, отводимого на занятия.
Более дешевые компьютерные тренажеры повышают качество обучения и эффективность использования времени учебного процесса и обеспечивают более высокую по сравнению с макетными тренажерами пропускную способность учебного заведения.
При освоении теории предмета обычно обучаемым предоставляется больше информации, чем доступно в реальной практике. Например, буровиков учат понимать процессы, проходящие под землей, но об их характеристиках на практике можно делать выводы только на основе показаний датчиков, полученных знаний и личного опыта.
Использование тренажеров в учебном классе накладывает дополнительные требования к обеспечению инструктора средствами подготовки и проведения занятий. Необходимо обеспечить реализацию четырех различных подходов к учебному процессу: индивидуального, коллективного, бригадного и лекционно-демонстрационного.
Индивидуальный подход подразумевает возможность каждому обучаемому дать свою учебно-тренировочную задачу, что отвечает разному уровню их подготовки и успеваемости.
Коллективный подход подразумевает одновременное выполнение всеми одинаковой задачи. Это может быть эффективно в плане последовательного знакомства со всеми технологическими регламентами предмета обучения.
Бригадный подход подразумевает объединение нескольких обучаемых и их компьютеров в одну бригаду для выполнения одной учебно-тренировочной задачи с распределенной ответственностью за управление машинами и механизмами предметной области. Этот подход требует особой реализации программного обеспечения, позволяющей с нескольких компьютеров общаться с одной моделирующей средой.
Демонстрационно-лекционный подход подразумевает доступ с нескольких компьютеров к параметрам одной учебно-тренировочной задачи, решение которой демонстрирует инструктор.
Программное обеспечение инструктора, при работе с тренажером в формате учебного класса должно обеспечивать ему доступ к текущим результатам прохождения учебно-тренировочных заданий каждого обучаемого с рабочего места, независимо от того, где в этот момент расположен обучаемый. При этом формат учебного класса может подразумевать и удаленное, например, с помощью Интернета, обучение.
В качестве примера, демонстрирующего воплощение многих изложенных выше условий, можно указать на упоминавшийся тренажер — имитатор бурения АМТ-231. Он предназначен для обучения рабочего и инженерного персонала буровых подразделений нефтегазодобывающих предприятий, а также студентов по специальностям бурение скважин, разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. Удовлетворяет международным требованиям стандарта International Well Control Forum (IWCF).
Аппаратно-программный комплекс тренажера состоит из пультов и постов управления оборудованием для проводки скважин, персонального компьютера и программного обеспечения. Тренажер имитирует в реальном и ускоренном масштабах времени все технологические процессы бурения, цементирования и ликвидации нефтегазопроявления.
Программное обеспечение тренажера содержит средства проектирования учебных заданий с любыми начальными условиями выполнения проводки скважин: характеристиками продуктивного пласта, конструкцией скважины, набором оборудования и инструмента, технологий выполнения основных операций, нестандартными ситуациями. Оно также содержит средства контроля и оценки действий обучаемых, ведения персональных журналов прохождения учебного процесса, формирования протокола обучения.
Преподавателю дана возможность разнообразить ход выполнения учебных заданий имитацией различных нештатных ситуаций и осложнений. При имитации технологических процессов на экран монитора выводятся: числовые характеристики условий имитируемого процесса, графики важнейших контролируемых технологических параметров, а также анимации, отображающие в реальном времени работу оборудования, инструмента и состояние скважины. Имитация работы оборудования сопровождается звуком.
Тренажер позволяет обучаемым увидеть скрытые от прямого наблюдения процессы, происходящие в скважине, наблюдать процессы возникновения и развития осложнений и аварийных ситуаций. Он дает возможность обучаемым проверить и сравнить различные варианты решения технологических задач.
Тренажер является новейшим эффективным техническим средством обучения и повышения квалификации работников буровых предприятий, позволяя им приобрести и усовершенствовать практические навыки выполнения и контроля основных технологических процессов бурения скважин.
Шраго И. Л. главный программист ЗАО «Автоматизация мониторинга технологий» («АМТ»)
Автор в течение двадцати лет занимается разработкой тренажеров для процессов нефтегазодобычи.
