Компьютерная система обучения для пилотов гражданской авиации: Структура и методика построения

Проблема создания и применения тренажерных систем давно привлекает внимание специалистов в самых разнообразных предметных областях. Тренажерные системы широко применяются для обучения операторов технологических процессов, для обучения водителей автотранспорта, для подготовки механиков и пилотов гражданской авиации, для обучения и переподготовки рулевых морских транспортных средств и т. д.

Существуют различные направления и, соответственно, подходы к созданию обучающих систем: натурные и полупатурные системы с широким использованием реального оборудования;

• тренажерные системы, имеющие в своем составе как реальное оборудование, так и компьютерные средства и соответствующее программное обеспечение для организации и управления процессом обучения;

• чисто компьютерные системы обучения, основным элементом которых являются системы моделирования (имитации функционирования реального объекта) и поддержки принятия решений с использованием соответствующих средств управления и необходимых интерфейсов.

Независимо от конкретной предметной области компьютерные системы обучения (КСО) должны обеспечивать моделирование стандартных и нестандартных ситуаций, которые могут возникать при работе в реальной обстановке. Их интерфейс должен соответствовать психофизиологическим возможностям человека воспринимать и обрабатывать необходимую информацию. КСО должна обеспечивать функции контроля и управления процессами обучения. Вместе с тем различия в характере деятельности обучаемого определяют специфику структур КСО и методику их применения в различных предметных областях.

Проблема создания обучающих (тренажерных) систем с применением современных информационных технологий является сложной многоплановой проблемой. Эта проблема включает в себя: задачи высокоточного моделирования поведения объекта обучения в реальном временизадами визуализации, то есть отображения на экране монитора с высокой стспспью реализма всего оборудования и приборов, с которыми должен работать обучаемый, а также окружающей среды- ^ задачи интеллектуальной поддержки процесса обучения (формирование и коррективы заданий, библиотеки помощи и подсказок, экспертиза и оценка действий обучаемого).

Недостаточная точность моделирования поведения объекта обучения, а также неудовлетворительные решения задач компьютерной визуализации могут приводить к формированию неправильных профессиональных навыков у обучаемого.

Вместе с тем в настоящее время не существует сколь либо универсальных методов отладки и верификации моделей процессов, реализуемых в компьютерных системах обучения. Не существует также универсальных подходов к выбору структуры интеллектуальной компьютерной системы обучения, состава ее элементов и их реализации. Формированию подходов к решению названных задач посвящена настоящая работа. Этим определяется актуальность тематики диссертационной работы и ее связь с планами научно-исследовательских работ в России.

Авиационное тренажеростроение возникло и стало развиваться фактически с момента возникновения авиации. В настоящее время авиационное тренажеростроение является одним из важнейших и активно развиваемых направлений в кругу проблем, связанных с авиацией. Современные информационные технологии открыли новые широкие возможности для развития этой области науки и практики.

Предметом диссертационной работы являются задачи создания интеллектуальных компьютерных систем обучения и их применения для подготовки пилотов гражданской авиации.

Целью исследования были: ^ обоснование общей структуры и разработка элементов обучающей компьютерной системы для подготовки нилотов гражданской авиации- ^ разработка методики верификации математических моделей динамики полета для применения в компьютерных системах обучения.

В соответствии с поставленными целями решены следующие задачи: сделан обзор современных методов и средств компьютерного обучения применительно к проблеме подготовки пилотов гражданской авиации и представлена номенклатура основных задач в рамках дайной проблемыразработана и обоснована обобщенная структурная схема интеллектуальной компьютерной обучающей системыпроанализирована общая структура математических моделей динамики полета и рассмотрены их некоторые преобразования (с целью реализации в компьютерной системе обучения) — определены способы коррекции и верификации математических моделей динамики полета и разработана общая методика решения таких задач;

• введены новые понятия количественных оценок (мер) структурных свойств динамических систем (управляемость, наблюдаемость, идентифицируемость, а также информативность процессов в задачах идентификации) и определен способ их применения в задачах коррекции математических моделей динамических процессовразработаны алгоритмические процедуры коррекции математических моделей, опирающиеся на метод модального управленияпредложена концепция представления нелинейных моделей динамики полета множеством перестраиваемых (рскопфигурируемых) линейных динамических моделейопределена структура и основные элементы экспертной системы для реализации в компьютерной системе обучения пилотовопределен подход к оценке действий обучаемого в экспертной системе, являющейся составной частью компьютерной системы обучениядетально разработан комплекс учебных процедур для обучения пилотов (на примере легкого самолета ТВ-20 французской фирмы НАЭБ БОСАТА) — решены практические задачи анализа, коррекции и верификации математических моделей динамики полета (на примере самолета ТВ-20).

Методы исследования. Теоретико-методологической основой исследования являлись методы теории систем, системного анализа, теории управления, классической механики, методов компьютерного моделирования. Научной базой послужили работы Андреева Ю. Н., Беклемишева Д. В., Бюшгенса Г. С., Воеводина В. В., Гантмахера Ф. Р., Дозорцева В. М., Кожинской Л. И. и Ворновицкого А. Э., Красовского A.A., Остославского И. В. н Стражевой И. В., Пашковского И. М., Попова О. С., Попова Э. В., Портера Б. и Кросли Т., и других.

Источником данных для анализа и обобщения практического материала послужили монографии и периодические публикации по соответствующей тематике, материалы российских и международных научных конференций, результаты совместной работы автора с представителями смежных специальностей в рамках международного проекта AS1M1L. (AS1M1L — Aero user-friendly SIMulation-based distance Learning. Целыо проекта, как следует из названия, являлось создание интеллектуальной компьютерной системы обучения для механиков и пилотов гражданской авиации). Автор участвовал в этом проекте в рамках договора о международном сотрудничестве между Санкт-Петербургским Государственным Университетом Аэрокосмического приборостроения и Институтом Авиационного Оборудования (1МА) Университета Бордо.

Научная новизна. В диссертационной работе предлагается подход к построению интеллектуальных обучающих компьютерных систем. Этот подход может применяться в разных предметных областях. Содержательным ядром системы обучения является блок моделирования объекта обучения, включающий в себя множество динамических моделей самолета, работающих в режиме реального времени. Важнейшим условием функционирования блока моделирования должна быть высокая точность соответствия поведения модели поведению реального объекта. Для создания таких систем моделирования было необходимо решить ряд новых научных задач. /Г числу новых научных результатов автор, в частности, относит:

•У количественные оценки структурных свойств динамических систем в различных задачах управления и идентификации- •У применение метода модального управления в задачах коррекции и верификации динамических моделей объектов для компьютерных систем обученияобщую методику коррекции и верификации динамических моделей самолета в компьютерных системах обучения- + подход к оценке действий обучаемого в компьютерной системе обучения.

Практическая ценность выполненной работы определяется: -Фразработкой общей концепции построения интеллектуальной компьютерной системы обучения и возможностью ее применения в разных предметных областяхразработкой методики коррекции и верификации математических моделей динамических объектов для применения в компьютерных системах обученияпрактическими примерами применения этой методики для решения задач верификации и валндации математических моделей объектов (па примере самолета ТВ-20 французской самолетостроительной фирмы EADS SOCATA) — детальной разработкой комплекса учебных процедур для обучения пилотов в полном соответствии с международными требованиями JAR (Joint Aviation Requirements).

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в научных исследованиях Санкт-Петербургского Государственного Университета Аэрокосмнческого Приборостроения (ГУАП) и, в частности, в международном проекте ASIMIL. Также планируется использование части результатов в учебном процессе ГУАП.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на российских и международных научных конференциях: &bdquo-Региональная информатикаРИ'2002″ (Санкт Петербург, 2002 г.) — &bdquo-Интеграция науки и образования в XXI веке" «(Санкт Петербург, 2003 г.) — «Advanced Computer Systems» (Щецин, Польша, 1997, 1998, 2001 г.г.) — «System, Modeling, Control» ((Закопане, Польша, 1998, 2001 г. г.) — «Workshop on European Scientific and Industrial Collaboration — WESIC'99» (Ныопорт, Великобритания, 1999 г.) — «Intelligent Tutoring Systems — ITS'2002» (Биаритц, Франция, 2002 г.) — на научном семинаре кафедры Моделирования вычислительных и электронных систем ГУАП (Санкт-Петербург, ГУАП, 2004 г.), а также на научных собраниях консорциума проекта ASIMIL с участием научных экспертов Европейской Комиссии в 2001;2003 г. г.

Публикации. По материалам и результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ (одна работа принята к печати), в том числе 4 — в российских и 10 — в зарубежных научных изданиях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Общий объем работы — 159 стр., в том числе 3 таблицы и 52 рисунка. Библиография включает 102 наименования.

4.5. ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ.

В главе были рассмотрены некоторые практические задачи из числа тех, с которыми сталкиваются разработчики компьютерной системы обучения. Как отмечалось ранее, основными элементами компьютерной системы обучения (КСО) являются система моделирования, с достаточной степенью точности воспроизводящая поведение во времени реального объекта, а также экспертная система, являющаяся интеллектуальным ядром КСО.

В настоящей главе определена структура экспертной системы для обучения пилотов, разработан набор фактов и правил в базе знаний данной экспертной системы, при этом определены классы объектов п базе знаний.

На примере учебных задач предвзлетной подготовки и взлета показан подход к разработке учебных процедур и соответствующих алгоритмов их реализации, с точностью до детальной проработки некоторых элементов этих процедур.

Приведены примеры решения задач компьютерной визуализации предполетных, полетных и послеполетных режимов. Приведенные примеры имеют демонстрационный характер и подчеркивают ранее высказанное положение о важности решения указанных задач компьютерной графики как одного из этапов в процессе коррекции и верификации моделей.

Приведен практический пример применения разработанной методики для решения задач верификации и вапидации математических моделей объектов (на примере задачи продольного движения самолета ТВ-20 французской самолетостроительной фирмы ЕАОБ БОСА ТА).

Показано, что применение метода модального управления в сочетании с количественными оценками управляемости объектов является конструктивным средством коррекции моделей.

Введение

фиюнвного скалярного управления позволяет простыми и наглядными средствами целенаправленно корректировать динамические характеристики компьютерной модели самолета.

Лк5'.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе рассмотрен круг вопросов, связанных с созданием интеллектуальных систем обучения применительно к проблеме обучения пилотов гражданской авиации.

На основе анализа и обобщения опыта работ в этой области знания разработана структура интеллектуальной компьютерной системы обучения, обоснована концепция и предложена методика ее построения. Важнейшими частями этой системы являются: компьютерная система моделирования поведения реального объекта обучения (в рассматриваемой проблеме — моделирование в реальном времени широкого многообразия режимов движения самолета) — поведение такой модели должно с высокой степенью точности соответствовать поведению реального самолетаэкспертная система, назначением которой является интеллектуальная поддержка процесса обучения (формирование и коррективы заданий, библиотеки помощи и подсказок, экспертиза и оценка действий обучаемого) — необходимыми элементами структуры НОС являются также библиотеки ошибок, сценариев учебных задач, моделей окружающей среды, визуальных представлений приборного оборудования различных типов самолетов и соответствующих баз данных.

Основное внимание в работе сосредоточено на задачах, связанных с моделированием поведения объекта обучения. Отмечено, что поведение моделей, простроенных на основе исходных проектных данных, как правило, достаточно сильно отличается от поведения реального самолета в различных режимах движения. Вместе с тем использование неточных и недостоверных моделей может приводить к формированию неправильных профессиональных навыков у обучаемого. Поэтому проблема коррекции и верификации математических моделей динамики полета играет первостепенную роль в проблеме создания интеллектуальных компьютерных систем обучения для пилотов.

В силу того, что принцип суперпозиции является свойством только линейных систем, непосредственная коррекция нелинейных динамических уравнений, описывающих различные режимы полета самолета, является процессом весьма трудоемким н трудно поддающимся упорядочиванию, а потому — малоэффективным.

Для решения задачи коррекции и верификации математических моделей динамики полета в работе разработана методика, содержание которой базируется на: представлении нелинейных динамических уравнений пространственного движения множеством рсконфигурируемых линейных стационарных системприменении идей модального управления в задачах коррекции динамических моделей процессов;

Оиспользовании количественных оценок структурных свойств динамических систем (главным образом, количественных оценок управляемости).

Предлагаемая в работе концепция представления исходного нелинейного динамического объекта в виде счетного множества линейных стационарных динамических систем предоставляет возможности для применения хорошо разработанных методов линейной алгебры и теории линейных дифференциальных уравнений для анализа и коррекции (а также для реконфигурации) динамических моделей по замечаниям экспертов.

На базе упомянутых идей модального управления в работе разработаны алгоритмические процедуры коррекции динамических характеристик объекта. Применение этих алгоритмов позволяет достаточно быстро и наглядно оценивать влияние вносимых корректив на хара! сгеристики и поведение модели.

Введены понятия количественных оценок структурных свойств динамических систем: управляемость, наблюдаемость, идентифицируемость, а также информативность динамических процессов в задачах идентификации. Теоретической основой этих количественных оценок является сингулярное разложение соответствующих системных матриц. Такие количественные оценки структурных свойств объектов имеют общесистемный характер и являются удобными и полезными как в задачах коррекции математических моделей динамики полета, так и в исследованиях и проектировании динамических систем различной природы и назначения.

Обоснован способ применения этих оценок в задачах коррекции и верификации динамических моделей самолета и показаны примеры их практического использования (на примере задачи продольного движения самолета ТВ-20 французской самолетостроительной фирмы ЕАОБ БОСАТЛ).

Кроме того, в работе определен подход к построению экспертной системы, являющейся интеллектуальной частью компьютерной системы обучения для пилотов гражданской авиации. Определены классы объектов в базе знаний и их характеристики.

Разработан ряд учебных процедур и соответствующих алгоритмов их реализации с точностью до детальной проработки некоторых элементов этих процедур.