Курсовая работа: Комп’ютерні тренажерні системи

5. Сучасна комп'ютерна технологія (мультимедіа) дозволяє створювати діалогові повчальні програми і тренажери, що включають комп'ютерну мультиплікацію, аудіо і відеотехніку. Як мінімум, це підсилить відчуття реальності при роботі з тренажером і відкриє нові можливості в процесі навчання. Вартість розробки: залежно від внутрішньої наукової начинки від середньої до дуже високої. Вартість необхідної комп'ютерної техніки: відносно висока.

Приведена класифікація допоможе при вибиранні програмних засобів залежно від завдань і цілей навчання :

· для контролю персоналу по набору певних правил (техніка безпеки і тому подібне) можна використовувати прості екзаменатори;

· для загального ознайомлення з пристроєм і навчання певному порядку дій можна використовувати статичні і логіко-динамічні тренажери;

· для проведення експериментів, вивчення фізичних основ і способів функціонування пристроїв, для проблемного навчання, протиаварійних тренувань і аналізу аварій слід використовувати динамічні тренажери.

Пультові тренажери в основному націлені на ознайомлення персоналу з конкретним устаткуванням і на вироблення відповідних моторно-рефлекторних реакцій і навиків. Звідси очевидний недолік цього класу тренажерів: при змінах (модернізації) устаткування або при переході персоналу на інший вид устаткування тренажер стає безкорисним; тоді як саме комп'ютерний динамічний тренажер при правильному підході вчить думати, аналізувати протікаючі фізичні процеси і ухвалювати оптимальні рішення. Спосіб управління комп'ютерним тренажером зазвичай відрізняється від реального, але це не слід вважати недоліком, оскільки він дозволяє абстрагуватися від дрібничок і зосередитися на розумінні суті модельованих явищ. Крім того, ніщо не заважає при необхідності намалювати на дисплеї реальний пульт (навіть помістити його фотографію). Добре зроблений комп'ютерний тренажер можна легко перенастроювати при модернізації устаткування.

Зупинимося докладніше на динамічних тренажерах, як найцікавіших і складніших програмних продуктах. Є два різні способи виготовлення таких тренажерів. Перший полягає в написанні окремої програми для кожного окремого тренажера, другої, - у використанні спеціального інструменту розробника , який дозволяє в багато разів прискорити розробку. У першому випадку можливе досягнення красивих спеціальних ефектів, але дуже утруднена модифікація тренажера. Як правило, програми цього класу (і математичні моделі в них) дуже прості, тому такі локальні тренажери поширеніші (що є показником не якості, а рентабельності їх виробництва). При використанні конструктора розробником тренажера повинні бути не програміст, а технолог, що володіє апаратом прикладної математики. Загальна властивість більшості конструкторів - складання динамічної моделі з "кубиків" - стандартних елементів, що описують певні об'єкти управління ( прилади) і стандартні математичні операції, передавальні функції, логіку. Конструктори рідко і не дуже охоче пропонуються на продаж по причинах дуже високої вартості розробки, малого тиражу і, отже, високих цін. З іншого боку, при перспективному плануванні комп'ютеризації підготовки персоналу має сенс піти на підвищені витрати, щоб має можливість редагувати наявні моделі і створювати нові за власним розсудом.

При виборі конструктора слід враховувати:

· набір стандартних елементів і можливість його розширення;

· можливі режими роботи і розв'язування завдання (показ правильних дій, сценарії аварійних ситуацій, оцінка навчаного);

· якість і ергономічні характеристики інтерфейсу (зручність роботи) розробника і навчаного.

Ряд колективів використовують (і пропонують на продаж) конструктори динамічних тренажерів більш менш прийнятної якості. Наш конструктор виконаний за об'єктно-орієнтованою технологією і забезпечує зручний графічний інтерфейс як для навчання, так і для розроблення. Моделі складаються із стандартних об'єктів, кожен з яких має своє зображення, механізм управління і спосіб моделювання. Набір елементів за бажанням замовника легко може бути розширений. Закінчена модель є набором з декількох вікон, об'єднаних один з одним за ієрархічним принципом (головна мнемосхема - мнемосхеми окремих вузлів, панелі захисту, сигналізації і ін.), або за принципом циклічного списку. У кожен окремий момент на екрані може бути видно одне або декілька вікон. Частину вікон з керованими об'єктами (вентилі, насоси, ключі, прилади, блоки захисту, сигналізація, повідомлення, кнопки для переходу в інші вікна) складають інтерфейс навчання. Управління моделлю так само легко здійснюється як за допомогою миші, так і з клавіатури. У недоступних для навчання вікнах розробник збирає динамічну модель, маючи для цього багатий набір стандартних елементів (вузли, зв'язки, формули, спеціальні функції). На відміну від інших конструкторів, тут значно спрощено складання моделей складних мереж трубопроводів і арматури. Для цього досить описати цю мережу у вигляді графа з вузлів і зв'язків типу "труба" з певною провідністю. Простота і універсальність обертаються деякими обмеженнями (наприклад, один цикл розрахунок моделі котла або турбіни, що складається з декількох сотень керованих елементів і до 2000 елементів моделі, на IBMPC/AT 286 вимагає близько 1 секунди, що збільшує динамічну помилку моделювання швидкопротікаючих процесів).

Сценарії складаються з мультфільму правильних дій і з трьох списків кадрів: а) аварійні події, коментарі; б) вказівки операторові, перевірки обов'язкових дій; у) перевірки заборонених дій. У режимі ІСПИТ за пропуск обов'язкових дій і за здійснення заборонених дій нараховується вказаний в сценарії штраф.

ПРОЕКТУВАННЯ ВІРТУАЛЬНИХ ТРЕНАЖЕРІВ

Створення так званих Віртуальних тренажерів - новий шлях при вирішенні проблеми організації навчальних лабораторій по вивченню складної вимірювальної апаратури і приладів. Ця проблема особливо актуальна при вивченні медичної техніки із-за високої вартості пристроїв. Основна гідність застосування Віртуальних тренажерів в тому, що можна створювати системи, що не існують в реальності. Тобто системи, що складаються з елементів, які недоступні в даний момент для з'єднання, знаходяться в різних частинах країни або тільки за кордоном.
Віртуальні тренажери можуть використовуватися як в учбовому процесі (при проведенні лабораторних робіт або для здійснення теоретичного допуску до них), так і для самостійного навчання студентів.

Види віртуальних тренажерів

Згідно виконуваним функціям Віртуальні тренажери можна розділити на групи:

1. Навчаючі знань тренажери - Електронні підручники (ЕУ). За рахунок широкого використання засобів мультимедіа (графіки, анімації, звуку) істотно підвищується ефективність навчання. Сучасні технології дозволяють легко доповнювати присутні в ЕУ математичні формули "спливаючими" підказками, а графічні ілюстрації - контекстними поясненнями.

2. Контролюючі тренажери - програми тестування, призначені для перевірки знань студента по темах лабораторних робіт. Вони можуть застосовуватися для самопідготовки або для отримання теоретичного допуску до роботи. До складу тестів можна включати питання, що дозволяють встановити ступінь готовності студента до осмисленої роботи з тренажером. Для посилення контролюючого ефекту результати проходження тестів оцінюються в балах, студентові повідомляється кількість пройдених тестів і сума штрафних балів. Для мінімізації вгадування відповідей в програмі блокується вивід на екран інформації з результатом кожного окремого тесту.

3. Навчаючі вміння тренажери - мультимедійні анімаційні імітатори, призначені для імітації зміни станів фізичного устаткування (приладів, пристроїв) за різних умов, створюючи ілюзію дій з фізичною апаратурою. Основною їх особливістю є максимально повне відтворення зовнішнього вигляду фізичних пристроїв (передніх панелей, шкал, стрілок і інших елементів показуючих і реєструючих приладів) і елементів управління ними (кнопок, тумблерів, перемикачів), а також рухи окремих елементів відповідно до дій користувача на основі створення анімаційних об'єктів і складних сцен. Студент дістає можливість детально розглянути технічний пристрій, ознайомитися з його деталями, а також виконати обмежений набір дій, пов'язаних з розбиранням або настройкою приладу.

Слід зазначити, що повноцінна Віртуальна лабораторія повинна обов'язково включати тренажери всіх перерахованих видів.

Основні принципи розробки віртуальних тренажерів

Для ефективного віртуального тренажера необхідно створити зручне для користувача середовище, в якому користувач зможе легко орієнтуватися, зосередивши свою увагу на учбовому матеріалі, питаннях тестів і порядку роботи, а не на управлінні програмою тренажера.

На підставі наявного досвіду можна виділити декілька основних правил при розробці ЕУ:

1. Обов'язкове використання фреймів. Ділення області екрану на декілька самостійних вікон дозволяє вирішити завдання навіації, спростити користувачеві пошук потрібної інформації, ефективніше організувати діалог (контекстні підказки, зауваження, допомога). Бажано, щоб структура фреймів не мінялася значно в ході роботи, оскільки мигання фреймів на екрані буде втомлювати користувача і заплутає його.

2. Необхідно, по можливості, зменшити прокрутку. Краще розбити матеріал на розділи, для проглядання кожного розділу користувач не повинен витрачати багато часу. Ілюстрації, фотографії, анімаційні кліпи повинні бути такого розміру, щоб цілком уміщатися на екрані.

3. Читання великої кількості тексту з екрану стомлює очі, тому текст можна продублювати звуком. Особливо зручно це по відношенню до эл. схемам: замість того, щоб перебігати очима з малюнка на опис, користувач може вивчати схему, слухаючи пояснення до неї.

В Тверському державному технічному університеті розроблена Віртуальна лабораторія, що включає електронний підручник, програму тестування і мультимедійний віртуальний тренажер-імітатор. Програма може бути використана для проведення лабораторних робіт і перевірки знань студентів, але більшою мірою орієнтована на самостійну роботу студентів.

Віртуальний тренажер має два режими роботи: знайомство із стендом і виконання роботи. При розробці тренажера використовувалися фотографії реального стенду. За допомогою редактора тривимірних сцен 3DSTUDIOMAXфотографіям доданий об'єм і створена велика кількість анімаційних кліпів рухів елементів стенду. Слід зазначити, що стенд має обмежену кількість рухомих елементів. Це різні стрілки, відмітки шкал, рукоятки, кнопки, тумблери, перемикачі. Решта устаткування нерухома і в програмі тренажера виконує роль фону. Рухомі елементи упроваджувалися на цьому фоні в тривимірні сцени і для них створювалися сценарії анімації.

При виконанні роботи на віртуальному тренажері користувачеві надана така ж свобода дій, як і при роботі з реальним стендом. Користувач не обмежений жорсткою послідовністю дій. У тренажері не реалізована функціональна залежність між рухами елементів, для фіксації станів використовуються цифрові коди. Вони приховані від користувача і міняються по ходу його дій. Зміни кодів примушує рухомі елементи стенду приймати заздалегідь відомі положення. Існує набір станів рухомих елементів стенду, цифрові коди для цих станів жорстко визначені і постійно контролюються, проміжні стани стенду не перевіряються. Таким чином, користувач може досягати бажаних результатів різними шляхами. Наприклад, порядок включення і виключення двох незалежних пристроїв не має значення і користувачеві дозволяється проводити ці операції в довільному порядку. При цьому якщо користувач істотно порушує порядок роботи, так, що на реальному стенді робота не могла б виконуватися, то віртуальний стенд також не працює. Деякі дії користувача можуть викликати так звану "нештатну ситуацію" (моделюється аварія, поломка устаткування), вони спричиняють за собою покарання користувача. Можливість моделювання подібних нештатних ситуацій - одне з достоїнств віртуальних тренажерів, оскільки на реальному дорогому устаткуванні подібні дії студента не допускаються.

ВИКОРИСТАННЯ ТРЕНАЖЕРНИХСИСТЕМ В АВІАЦІЇ

У сучасному світі існує чимало професій, які характеризуються поєднанням праці підвищеної складності й особливої відповідальності за наслідки виконання завдання. Особливо це стосується професії льотчика. Особливості діяльності льотного складу, робота на межі людських можливостей, наявність емоціогенних чинників визначають головну проблему – професійної надійності пілота. Якщо в 30-х рокахз вини льотногоскладу сталося35-40% аварійта катастроф, то в 50-х рр. ця цифра становила 55%, у 70-х – 60-65%, у80-90 рр. – 70-75%, у 2000 р. – 92%.

За статистичними даними, в авіації 80-85% аварій і катастроф відбуваються з вини людини. Тільки за 3 місяці 2004 долі у світі сталося 13 аварій і катастроф (у тому числі 10 – з вини пілотів), в яких загинуло 124 людини. У Військово-повітряніх Силах (ВПС) людський чинник найбільш виражений, бо льотна діяльність пілота, як правило, постійно відбувається в екстремальних умовах.