Россия
Рассмотрен компьютерный тренажер для обучения персонала, его возможности и основные принципы работы
Компьютерный тренажер, система корпоративной подготовки, цифровой двойник
Цифровые двойники в сфере обучения персонала представляют собой мощный инструмент, который может помочь компаниям повысить эффективность обучения, улучшить навыки и знания сотрудников, а также развить потенциал каждого сотрудника.
На кафедре вычислительных машин и комплексов Ангарского государственного технического университета уже более 15 лет ведется исследование и разработка цифровых двойников для обучения оперативного персонала, работающего на опасных и взрывоопасных производствах. За это время было создано более десятка коммерческих проектов, которые направлены на обучение операторов-технологов безопасной эксплуатации тепловых, теплоэнергетических и нефтехимических объектов. [1]
В данный момент кафедра ведёт разработку компьютерного тренажерного комплекса (КТК) «ИЛИМ-ЭНЕРГЕТИКА-2» для обучения машинистов котлотурбинного цеха ТЭЦ ПЛ «Энергетика» филиала АО «Группа «Илим» в г. Коряжме.
Данный КТК призван решать следующие задачи:
– Формирование и поддержание профессиональных знаний и навыков сотрудников, необходимых для обеспечения высокого уровня безопасности при эксплуатации технологического оборудования.
– Получение и отработка практических навыков по безопасному и эффективному управлению технологическим оборудованием в различных ситуациях, включая нормальные условия работы, нештатные и аварийные ситуации, которые задаются заранее подготовленными сценариями.
– Отработка совместных действий персонала по управлению котлоагрегатом, чтобы обеспечить эффективную и безопасную работу системы.
Тренажерные модели котлового оборудования, применяемые в КТК «ИЛИМ-ЭНЕРГЕТИКА-2», представляют собой математические модели, которые максимально точно отражают динамический процесс производства пара. Эти модели основаны на подробном описании физических процессов, происходящих в реальном объекте, и представляют собой системы нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений. Они включают уравнения состояния фазовых переходов, тепло- и массообменные процессы, тепловой и материальный баланс компонентов продуктов, а также гидродинамику и гидравлику. Параметры моделей определяются на основе технологических характеристик и паспортных данных реального оборудования.
Модели охватывают все элементы и устройства, присутствующие в моделируемом котловом агрегате, и адаптированы к конкретным условиям установки, включая режимные параметры, обозначения и описания, системы контроля и автоматики, шкалы приборов и границы сигнализации.
В моделях учитывается теплообмен с окружающей средой, который происходит при выключении и прекращении подачи продуктов, что приводит к остыванию аппаратов и трубопроводов. Динамические характеристики моделей аппаратов максимально точно отражают реакцию реального объекта на возмущения и управляющие воздействия.
Физическое программное обеспечение станции инструктора включает две программные сборки: консольное приложение, которое является сервером КТК и графическое приложение с пользовательским интерфейсом, основанное на платформе .Net Windows Presentation Foundation.
Консольное приложение развертывает и запускает сетевую службу (self-hosted), то есть приложение-сервер для обработки запросов клиентского программного обеспечения через вычислительную сеть.
На рисунке 1 приведена диаграмма использования (Use case). В данной системе предусмотрено два типа пользователей: обучаемый оператор и инструктор. При начале работы пользователи проходят аутентификацию своих учетных записей и авторизуются в системе в качестве оператора или инструктора.
Рисунок 1 - Диаграмма использования КТК «ИЛИМ-ЭНЕРГЕТИКА-2»
Режим работы оператора осуществляется на двух мониторах: первый монитор воспроизводит интерфейс, аналогичный реальной системе контроля и управления доступом, а второй монитор используется для имитации функций управления полевыми устройствами и отображения эмуляторов сенсорных терминалов оператора ПВВ (паро-воздушный тракт), УГМ (топливный тракт: уголь, газ, мазут).
После аутентификации и входа в режим треннинга оператора пользователям будет доступен интерфейс модуля выбора упражнения.
Все упражнения разделены на группы:
– Нормальный режим работы - в этот раздел включены упражнения, характерные для нормального режима работы котла, при котором технический процесс осуществляется в нормальном режиме работы, и все технологические переменные находятся в пределах оптимальных значений.
– Пусковые операции – раздел включает в себя упражнения по пуску различных узлов установки из начального состояния. Упражнения этого раздела формируют у пользователей навыки безопасного пуска котлоагрегата и отдельных его узлов.
– Остановочные операции - раздел содержит упражнения по нормальной и аварийной остановке котлоагрегата и отдельных его узлов.
– Аварийные ситуации - упражнения по формированию и отработке навыков безопасного управления котлоагрегатом в нештатных и аварийных ситуациях.
У операторов есть возможность самостоятельно тренироваться на тренажере и контролировать свои знания. Для этого в КТК встроена автоматизированная обучающая система (АОС), создающая отдельный программный поток, который управляет состоянием моделируемого процесса и действиями оператора над моделью через разделяемую область памяти сценария АОС, сравнивает эталонные значения с действиями оператора и формирует информационные сообщения оператору, включающие протоколы обучения, комментарии, ошибки и инструкции по действиям. [2]
АОС является системой автоматически всплывающих подсказок и оповещений (рисунок 2).
Рисунок 2 – Экран интерфейса АОС
Так же стоит отметить, что при работе в группе операторов пользователи могут расширить режим индивидуального тренинга до группового, что позволит им совместно выполнять одно упражнение с разных рабочих мест.
На рисунке 3 представлена схема рабочих процессов КТК "ИЛИМ-ЭНЕРГЕТИКА-2" в нотации IDEF0, которая демонстрирует реализацию способов взаимодействия с КТК.
При использовании рабочего процесса А1 инструктор создает базу пользователей, наделяя их соответствующими правами инструкторов или операторов.
При авторизации пользователя в качестве оператора (процесс А0), ему предоставляется возможность выбора самостоятельного тренинга путем выбора упражнения для самостоятельной работы (процессы А2 и А3) и активации симулятора (процесс А4) для индивидуального тренинга.
Авторизованный инструктор может с помощью автоматизированного рабочего места (АРМ) инструктора (процесс А1) назначить ожидающим пользователям-операторам упражнение для контроля профессиональных навыков (процесс А7), а затем активировать симулятор для процесса А8.
В случае подключения нескольких пользователей-операторов к КТК, с помощью процесса А10 возможно объединить их работу в рамках одного упражнения для тренировки (процесс А12).
В процессе тренировки АОС оценивает действия оператора (процесс А5), сопоставляя их с эталонной моделью поведения в симулируемой ситуации ТП и обеспечивая требуемые значения технологических переменных. Результаты оценки действий в режиме тренировки предоставляются оператору в виде пояснительного сообщения, а в режиме экзамена замечания записываются в протокол тренировки.
По окончании тренировки или экзамена КТК формирует отчет (процессы А6, А9), который выводится на печатающем устройстве в виде бумажной копии. Результаты тренировок накапливаются в сводной статистике, что позволяет руководству контролировать непрерывность процесса поддержания и развития профессиональных качеств персонала.
Рисунок 3 – Схема рабочих процессов компьютерного тренинга на КТК «ИЛИМ-ЭНЕРГЕТИКА-2»
Резюмируя вышесказанное, отметим, что учебный процесс КТК осуществляет:
– Обеспечение безопасности и интерактивности при взаимодействии с цифровыми прототипами промышленного оборудования.
– Погружение обучающихся в атмосферу реального рабочего места.
– Формирование понимания у персонала о причинах различного поведения технологического процесса в зависимости от управляющих воздействий.
– Возможность индивидуального и коллективного обучения.
Архитектурно программно-аппаратный комплекс КТК построен на основе клиент-серверной архитектуры и состоит из сервера КТК и клиентского обеспечения в виде АРМ операторов, подключаемых к серверу КТК через локальную вычислительную сеть.
Аппаратная структура КТК включает в себя следующие компоненты:
– Рабочая станция инструктора;
– Локальная вычислительная сеть;
– Рабочая станция машиниста котлоагрегата.
Рабочая станция инструктора представляет собой серверную часть архитектуры КТК, которая выполняет ряд важных функций. Сервер КТК является более мощной вычислительной машиной по сравнению с другими компонентами и обеспечивает следующие задачи:
– Симуляция поведения технологического процесса с помощью компьютерного моделирования автоматизированной системы управления технологическими процессами и вспомогательных инженерных систем.
– Симуляция функций системы контроля и управления, а также системы противоаварийной защиты с использованием компьютерного моделирования.
– Выполнение сценариев для компьютерной модели технологического процесса, включая обучающие сценарии, которые изменяют поведение модели процесса, создают тренировочные ситуации и обеспечивают методическое сопровождение тренинга.
– Управление КТК с помощью автоматизированных рабочих мест инструктора.
Графическое приложение реализует АРМ инструктора, которое зависит от работы консольного приложения. Оно предназначено для управления тренировочным процессом и окружением КТК пользователем-инструктором.
Компьютерный тренажерный комплекс представляет собой безопасную и математически точную модель реального оборудования, которая обеспечивает удобный способ формирования и отработки профессиональных навыков работы с установками в различных режимах, включая аварийные ситуации. Тренажер обладает удобством использования, при этом максимально приближен к реальному объекту и позволяет проходить обучение самостоятельно с помощью автоматизированной обучающей системы или под руководством инструктора. [3]
Дальнейшее развитие и применение цифровых двойников в обучении персонала имеет потенциал для существенного повышения эффективности и качества образовательного процесса.
1. Krivov M.V. The concept of building training systems for training operators of liq-uefied hydrocarbon warehouses/Krivov M.V., Kolmogorov A.G., Kobozev V.Y., Si-tosanova O.V., Blagodarnyi N.S.// journal of physics: conference series сер. "Computer-Aided Technologies in Applied Mathemat-ics". Том 1680. Издательство: IOP Publish-ing Ltd, 2020.
2. Применение компьютерного тренинга в корпоративном обучении/ Кривов М.В., Благодарный Н.С.//Образовательные технологии и общество. Том: 22 №: 1, Изд.: Казанский национальный исследовательский технологический университет 2019, стр. 3-10
3. Цифровые двойники в корпоративной подготовке персонала/ Кривов М.В., Агафонов К.В., Аксёнова П.А. Изд.: Сбор-ник научных статей молодых учёных и студентов АнГТУ 2023.
