Исследование и разработка методов и алгоритмов имитационного моделирования для тренажеров операторов сложных объектов

Актуальность работы. Научно-технический прогресс в области автоматизации технологических систем (ТС) порождает потребности во все более сложных технических системах, удовлетворяемые по мере развития методов и средств как физической реализации систем, так и проектирования. Появление широкой номенклатуры приборов и средств автоматизации, быстродействующей вычислительной техники и совершенных математических методов переработки информации в корне изменили системы управления (СУ). Наиболее характерным стало построение многоуровневых иерархических систем, широкое использование в системах управления цифровых вычислительных машин, человеко-машинных комплексов, значительное повышение требований к эффективности и надежности.

Наряду с этим определилась тенденция к быстрому обновлению систем. Современные технологические системы характеризуются высоким уровнем автоматизации, при котором многие формы деятельности человека заменены работой технических устройств. Однако оператор остается необходимым самостоятельным звеном систем управления в силу таких его качеств, как способность справляться с задачами в непредвиденных обстоятельствах, прогнозировать ход событий и находить оптимальные решения в сложных ситуаций.

При создании современных сложных автоматизированных технологических комплексов возникает множество задач, среди которых наиболее трудной является задача обеспечения высокой эффективности взаимодействия человека с автоматизированной частью системы.

Проблема повышения эффективности профессиональной подготовки оперативного персонала по управлению технологическими процессами с каждым годом принимает все большую актуальность в условиях роста уровня технической оснащенности производств. Оператор принимает, как правило, наиболее сложные и ответственные решения по управлению объектом, причем от правильности его действий, умения своевременно найти и реализовать, в сложной ситуации верное решение зависит эффективность выполнения задач возлагаемых на управляемый технический объект.

На первый план выдвигается проблема формирования необходимого уровня профессиональной подготовки оперативного персонала. Не отвечающий современным требованиям уровень подготовки операторов-технологов предприятий приводит не только к снижению производительности установок, увеличению расходов сырья, материалов, электрической и тепловой энергии, но и в отдельных случаях к полным потерям больших объемов оборудования и производственному травматизму. Оперативному персоналу необходимы достаточно глубокие знания по технологии производства, устойчивые навыки логического анализа больших объемов информации, поступающей с пульта управления, быстрота реакции, умение своевременно принимать правильные решения и безошибочно действовать не только в ситуациях, предусмотренных технологическим регламентом, но и в быстроменяющейся обстановке нештатных и аварийных ситуаций.

Исключительно эффективным средством подготовки оперативного персонала, обеспечивающим быстрое сокращение разрыва между теорией и практикой, являются созданные на базе средств современной вычислительной техники и информационных технологий специальные информационно-моделирующие комплексы (тренажеры), создающие у человека-оператора иллюзию управления реальным объектом. Поэтому становится крайне необходимым расширение использования тренажеров, обеспечивающих уникальную возможность ускоренной подготовки высококвалифицированного оперативного персонала. Однако в настоящее время во многих отраслях промышленности ощущается острый дефицит современных тренажерных систем.

Тренажеры в современном понимании могли появиться и появились только в индустриальном обществе, когда возникла необходимость массовой подготовки специалистов для работы либо на однотипном оборудовании, либо со схожими рабочими действиями, и уж, конечно, в первую очередь для военных нужд. Но только в последней четверти уходящего века с потрясающе быстрой компьютеризацией мирового сообщества, с созданием сложнейшей техники, эксплуатация которой связана с риском для жизни не только одного человека, но и человечества в целом, возникла целая индустрия — тренажерные технологии.

В современных тренажерах и в программах подготовки и обучения, на них основанных, закладываются принципы развития практических навыков с одновременной теоретической подготовкой, т. е. тренажер способен развиваться вместе с обучаемым. Реализация такого подхода стала возможна в связи с бурным развитием и удешевлением электронно-вычислительной техники и прогрессом в области создания машинного зрения, виртуальной реальности и т. п. На базе этих технологий разработаны многочисленные тренажеры для военного применения, позволяющие имитировать боевые действия с высочайшей детальностью в реальном времени, создано множество приложений технологии виртуальной реальности для медицины, позволяющих проводить операции электронному пациенту с высокой степенью достоверности и т. д. и т. п., при этом области применения тренажерных технологий постоянно расширяются.

Уровень технологической базы всегда играл доминирующую роль в развитии любого государства. Для большинства стран рывок в индустриальном развитии в первую очередь связывался, особенно при дефиците природных ресурсов (Япония, Корея и т. п.), и связывается в настоящее время с возможностью доступа к передовым технологиям. По мере выработки природных ресурсов значение технологического уровня производства и квалификация специалистов — носителей технологии все более и более возрастает. Даже для России с ее неистощимыми богатствами возможность преодоления затянувшегося кризиса, как представляется, немыслима без подготовки огромного количества высококлассных специалистов, способных воспринимать и развивать самые современные технологии. Развитие индустриального общества делает процесс подготовки и постоянного повышения квалификации специалистов все дороже и дороже. На первое место выходят проблемы всемерного удешевление процесса подготовки при сохранении приемлемой эффективности.

Проведенный анализ затронутой проблемы показал, что широкому внедрению тренажерных систем препятствует отсутствие единого подхода к комплексной проблеме их разработки и реализации. Повышение эффективности создания тренажеров связано, в первую очередь, с созданием и совершенствованием специализированных математических моделей технологических процессов для обучения. При создании тренажеров операторов сложных технологических объектов (ТО) возникают многочисленные задачи, требующие анализа поведения объекта в динамических режимах. Поэтому одной из главных проблем создания тренажеров операторов сложных технологических объектов становится исследование и разработка эффективных и легко реализуемых машинно-ориентированных методов и алгоритмов имитации динамических режимов, обеспечивающих необходимую точность имитации при допустимой сложности реализации.

Позади три десятилетия интенсивных исследований, несколько поколений тренажерных продуктов, тысячи установленных систем обучения операторов ТО. Налицо необходимость существенного удешевления продуктов, их интеграции в новые системы управления производство. Все выявленные в результате проведенного анализа различных подходов к решению этой задачи предпосылки подтверждают целесообразность и возможность решения указанных проблем, а фактическое состояние проблемы создания тренажеров настоятельно требует дальнейшей интенсификации работ в этом направлении.

Своевременность и актуальность решаемых в настоящей работе проблем заключается, прежде всего, в том, что в ней на основе результатов проведенного системного анализа состояния проблемы и основных методологических аспектов создания тренажеров операторов сложных технологических объектов, включая вопросы анализа деятельности человека-оператора как основного звена в системах управления сложными объектами, поставлена и решена задача разработки методологического и специального алгоритмического обеспечения информационно-моделирующих обучающих комплексов (тренажеров). Эффективное решение именно этой задачи создаст серьезные предпосылки для широкого производства тренажеров операторов для широкого класса технологических объектов различного профиля на базе современных программно-технических средств и информационных технологий.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов и машинно-ориентированных алгоритмов имитации поведения сложных технологических объектов и систем управления ими, ориентированных на использование в рамках имитационно-моделирующих обучающих комплексов (тренажеров).

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Системный анализ проблем повышения эффективности профессиональной подготовки оперативного персонала по управлению сложными объектами, принципов и особенностей создания имитационно-моделирующих комплексовпостановка задачи исследования и разработки специального математического обеспечения имитационно-моделирующих комплексов автоматизированных систем обучения.

2. Исследование структурных аспектов и формирование основных требований к специальному математическому обеспечению тренажеров операторов сложных объектов.

3. Анализ человека-оператора как звена в системе управления сложным объектом, особенностей и основных аспектов организации процесса овладения оператором знаниями и навыками, принципов моделирования его функционирования в процессе управления.

4. Исследование и разработка методологии и принципов построения систем имитационного моделирования для автоматизированных систем обучения операторов сложных объектов.

5. Разработка универсальных машинно-ориентированных алгоритмов имитации функционирования систем управления для тренажеров операторов сложных технологических объектов.

Методы исследования. Проводимые исследования базировались на положениях технической кибернетики, методах математического моделирования статического и динамического поведения сложных технологических объектов, методах синтеза и анализа многомерных САР технологических параметров, имитационного компьютерного моделирования функционирования сложных объектов и систем управления ими, теории сложности систем.

Научная новизна работы:

1. По результатам проведенных исследований различных подходов к моделированию функционирования человека оператора предложен эффективный подход к формированию эталонных алгоритмов его деятельности по распознаванию аварийных (предаварийных ситуаций), путей их развития и устранения с использованием предварительно подготовленных графов первопричин и приоритетности развития ситуаций. Предложенный подход позволяет автоматизировать все необходимые процессы контроля и оценки деятельности обучаемых в рамках тренажерных комплексов.

2. Предложен новый подход к реализации подсистем имитации динамического поведения сложных объектов управления, основанный на использовании предварительно подготовленных эталонных кривых переходных процессов обобщенных каналов воздействия или описывающих их уравнений, корректируемых в процессе управления с использованием специально разработанных процедур.

3. На основе обобщения и систематизации накопленного опыта анализа динамических характеристик сложных ТО и проведенных исследований по созданию легко реализуемых в тренажерных комплексах систем имитации различных режимов функционирования объектов управления предложен ряд легко реализуемых алгоритмов расчета отклика объекта управления на накладываемые на него возмущения и управления в процессе выполнения оператором корректирующих действий по восстановлению нарушенных режимов или переводу объекта в новое заданное состояние.

4. Разработаны легко реализуемые в рамках тренажеров машинно-ориентированные алгоритмы имитации статических и динамических режимов функционирования сложных ТО и систем управления ими, обеспечивающие организацию эффективного процесса обучения операторов в различных режимах обучения в условиях накладываемых ограничений и возмущений. Предложенный подход обеспечивает достаточную легкость их реализации в рамках тренажерных комплексов и повышает быстродействие систем имитации, что создает возможность обеспечения реального (или ускоренного) масштаба времени при имитации динамических режимов практически всех типов технологических объектов.

5. Для определенного класса имитируемых объектов предложен эффективный машинно-ориентированный алгоритм имитации многомерных АСР параметров ТО с использованием результатов предварительного анализа их частотных характеристик и возможности представления обобщенной структурной схемы моделируемого объекта в виде N односторонне влияющих (через каналы объекта), последовательно расположенных многомерных подсистем. Решение предложенной системы векторных уравнений позволяет в ускоренном масштабе времени рассчитывать переходные процессы, протекающие в АСР ТО сложной структуры.

Практическая значимость работы:

1. На основе проведенных системных исследований основных принципов и проблем создания автоматизированных обучающих систем предложен эффективный подход к формированию эталонных алгоритмов деятельности оператора по распознаванию аварийных (предаварийных ситуаций), путей их развития и устранения с использованием предварительно подготовленных графов первопричин и приоритетности развития ситуаций. Предложенный подход может быть успешно использован при создании тренажеров различного назначения, включающих проблемы обучения процессам принятия решений.

2. Исследованы и разработаны легко-реализуемые в рамках тренажерных комплексов алгоритмы имитации поведения сложных технологических объектов и систем управления ими, создающие реальные предпосылки для массового создания на их основе относительно дешевых и эффективных имитационно-моделирующих обучающих комплексов на базе современных средств вычислительной техники и информационных технологий для широкого класса технологических объектов различной сложности.

3. Предложенная методология имитационного моделирования сложных объектов может быть эффективно использована при создании относительно дешевых и эффективных тренажерных комплексов на базе ПЭВМ для обучения оперативного персонала широкого класса технологических объектов. Это позволит реализовать на их основе первичное обучение, переподготовку и поддержание необходимого уровня знаний и навыков управленческого персонала в условиях изменяющейся технологии и регламента.

4. Предложенные методы и алгоритмы имитационного моделирования легли в основу при создании универсальных программных комплексов для тренажеров операторов сложных объектов в металлургической отрасли, а также при создании САПР специального математического обеспечения имитационно-моделирующих обучающих комплексов, разрабатываемой в рамках планов НИР и ОКР СКГМИ (ГТУ).

5. Результаты проведенных исследований в форме машинно-ориентированных алгоритмов и разработанных на их основе прикладных программ имитации поведения сложных технологических объектов используются в учебном процессе в СКГТУ при подготовке специалистов в области информационных систем и технологий.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:

• результатами экспериментальных исследований;

• результатами вычислительных экспериментов;

• соответствием теоретических и экспериментальных исследований;

• работоспособностью предложенных методов и алгоритмов имитационного моделирования.

На защиту выносятся:

1. Метод формирования эталонных алгоритмов деятельности оператора по распознаванию возникающих в процессе управления объектом ситуаций, путей их развития и устранения с использованием предварительно подготовленных графов первопричин и приоритетности.

2. Новый подход к реализации подсистем имитации динамического поведения сложных объектов управления, основанный на использовании предварительно подготовленных эталонных кривых переходных процессов обобщенных каналов воздействия или описывающих их уравнений, корректируемых в процессе управления с использованием специально разработанных процедур.

3. Универсальные алгоритмы расчета отклика объекта управления на накладываемые на него возмущения и управления в процессе выполнения оператором корректирующих действий по восстановлению нарушенных режимов или переводу объекта в новое заданное состояние.

4. Машинно-ориентированные алгоритмы имитации статических и динамических режимов функционирования сложных ТО и систем управления ими, обеспечивающие организацию эффективного процесса обучения операторов в различных режимах в условиях накладываемых ограничений и возмущений, повышающих быстродействие и возможность обеспечения реального (или ускоренного) масштаба времени при имитации динамических режимов практически всех типов технологических объектов.

5. Машинно-ориентированный алгоритм имитации многомерных АСР параметров ТО с использованием результатов предварительного анализа их частотных характеристик и возможности представления обобщенной структурной схемы моделируемого объекта в виде N односторонне влияющих, последовательно расположенных многомерных подсистем.

Апробация работы. Основные результаты проведенных в диссертации исследований были представлены и обсуждены на: Международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика». Владикавказ, 23−27 октября 2002., Труды Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике [НИТНОЭ-2003]». Владикавказ, 22−25 октября 2003., V Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы интеграции науки и образования». Владикавказ, 21−23 сентября 2004. На ряде научно-технических конференций профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СКГМИ (ГТУ) в 2001;2004 гг.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в главах 3, 4 диссертационной работы, получены автором самостоятельно. Результаты, приведенные в главах 1,2 получены автором в соавторстве.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 183 страницы машинописного текста, 28 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 160 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом совокупности работ теоретического и прикладного характера, представленных в настоящей диссертации, является исследование и разработка методов и машинно-ориентированных алгоритмов имитации поведения сложных технологических объектов и систем управления ими, ориентированных на использование в рамках имитационно-моделирующих обучающих комплексов (тренажеров).

Предложенные методы и машинно-ориентированные алгоритмы, характеризующиеся большими функциональными возможностями, относительной простотой и удобством их использования в автоматизированных системах обучения оперативного персонала сложных технологических объектов, легли в основу при создании универсальных программных комплексов для тренажеров операторов сложных объектов в металлургической отрасли, а также при создании САПР специального математического обеспечения имитационно-моделирующих обучающих комплексов, разрабатываемых в рамках планов НИР и ОКР СКГМИ (ГТУ).

В целом научные и практические результаты проведенных исследований можно сформулировать в виде следующих выводов.

1.На основе системного подхода проведен анализ состояния проблем повышения эффективности профессиональной подготовки оперативного персонала по управлению сложными объектами, принципов, особенностей и тенденций создания и развития информационно-моделирующих комплексов для сложных технологических объектов.

2. Выявлены общие и специальные проблемы моделирования деятельности оператора в тренажерных комплексах. Выявлена и проанализирована структура, этапы проектирования и особенности реализации специального информационного, математического, программного, технического и других видов обеспечения тренажеров операторов сложных объектов.

3. Проведен кибернетический анализ человека-оператора как звена в системе управления сложным объектом, особенностей и основных аспектов организации процесса овладения оператором знаниями и навыками, принципов моделирования его функционирования в процессе управления.

4. Предложен эффективный подход к формированию эталонных алгоритмов его деятельности оператора по распознаванию аварийных (предава-рийных ситуаций), путей их развития и устранения с использованием предварительно подготовленных графов первопричин и приоритетности развития ситуаций. Предложенный подход создает реальные предпосылки автоматизации всех необходимых процессов контроля и оценки деятельности обучаемых в рамках тренажерных комплексов.

5. Предложен новый подход к реализации подсистем имитации динамического поведения сложных объектов управления, основанный на использовании предварительно подготовленных эталонных кривых переходных процессов обобщенных каналов воздействия или описывающих их уравнений, корректируемых в процессе управления с использованием специально разработанных процедур.

6. Предложен ряд легко реализуемых алгоритмов расчета отклика объекта управления на накладываемые на него возмущения и управления в процессе выполнения оператором корректирующих действий по восстановлению нарушенных режимов или переводу объекта в новое заданное состояние.

7. Разработаны легко реализуемые в рамках тренажеров машинно-ориентированные алгоритмы имитации статических и динамических режимов функционирования сложных ТО и систем управления ими, обеспечивающие организацию эффективного процесса обучения операторов в различных режимах обучения в условиях накладываемых ограничений и возмущений. Предложенный подход обеспечивает достаточную легкость их реализации в рамках тренажерных комплексов и повышает быстродействие систем имитации, что создает возможность обеспечения реального (или ускоренного) масштаба времени при имитации динамических режимов практически всех типов технологических объектов.

8. Для определенного класса имитируемых объектов предложен эффективный машинно-ориентированный алгоритм имитации многомерных АСР параметров ТО с использованием результатов предварительного анализа их частотных характеристик и возможности представления обобщенной структурной схемы моделируемого объекта в виде N односторонне влияющих (через каналы объекта), последовательно расположенных многомерных подсистем. Решение предложенной системы векторных уравнений позволяет в ускоренном масштабе времени рассчитывать переходные процессы, протекающие в АСР ТО сложной структуры.

9. Предложенная методология имитационного моделирования сложных объектов может быть эффективно использована при создании относительно дешевых и эффективных тренажерных комплексов на базе ПЭВМ для обучения оперативного персонала широкого класса технологических объектов, что позволит реализовать на их основе первичное обучение, переподготовку и поддержание необходимого уровня знаний и навыков управленческого персонала в условиях изменяющейся технологии и регламента.

10. Результаты проведенных исследований в форме машинно-ориентированных алгоритмов и разработанных на их основе прикладных программ имитации поведения сложных технологических объектов используются в учебном процессе в СКГТУ при подготовке специалистов в области информационных систем и технологий.