ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИМИТАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ В ЦИФРАХ
Одним из направлений развития имитационного моделирования технологических процессов и оборудования является применение компьютерных имитационных тренажеров (КИТ) для обучения персонала. Однако внедрение КИТ в образовательный процесс закономерно ставит вопрос об оценке эффективности тренажеров как технических средств обучения (ТСО). Отсутствие универсальных методик, позволяющих количественно оценивать эффективность применения тренажеров, приводит к взаимонепониманию между разработчиками и заказчиками данных средств обучения и не дает возможности обоснованно внедрять КИТ в процесс подготовки персонала предприятий.
На сегодняшний день существует четыре основных подхода к оценке эффективности компьютерных имитационных тренажеров.
1 подход
Effect = (A+B*t1) / (C+D*t2)
В основе данного подхода лежит оценка экономической эффективности процесса обучения, под которой понимается отношение стоимости обучения на КИТ к стоимости обучения на реальном оборудовании (объекте). Как правило, определяется соотношением (Effect = (A+B*t1) / (C+D*t2))
- A – стоимость покупки (разработки) и внедрения КИТ, руб;
- B – стоимость эксплуатации и ремонта КИТ (за определенный период), руб;
- C – стоимость реального оборудования или его покупки (изготовления) и внедрения для процесса обучения, руб ;
- D – стоимость эксплуатации и ремонта оборудования (за определенный период), руб;
- t1 – время необходимое для обучения персонала с использованием КИТ;
- t2 – время, необходимое для обучения персонала с использованием реального оборудования.
- Данный подход в большинстве случаев свидетельствует о достаточно высокой «эффективности» тренажеров [1,5,6,7], имеет наибольшее распространение, отличается простотой расчетов, однако не учитывает качество подготовки персонала.
2 подход
Effect = (A-B) / (C-B)
При данном подходе оценивается «педагогическая» эффективность, т.е. «уровень» знаний, умений и навыков (ЗУН), полученный обучаемым при обучении на КИТ в отличие от обучения на реальном оборудовании. Количественно «педагогическая» эффективность определяется следующим соотношением:
Effect = (A-B) / (C-B), где
- А – «уровень ЗУН», достигнутый после обучения на КИТ;
- В – начальный «уровень» ЗУН (до обучения);
- С – достигнутый «уровень ЗУН» после обучения на реальном оборудовании;
Основным отличием данного подхода является учет следующего комплекса факторов, характеризующих КИТ как ТСО:
- возможность провести на компьютерном имитаторе большее, чем на реальном оборудовании количество циклов обучения (или тренинга) за одно и то же время;
- обеспечение индивидуальной и (или) самостоятельной работы обучаемых;
- возможность визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов, технологических и природных процессов или явлений;
- возможность «масштабирования по времени» изучаемых процессов или явлений;
- возможность визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений) и т. д.;
- возможность быстрого изменения конфигурации оборудования и параметров среды.
- оценка возможных последствий в случае неверных действий или ошибочных решений обучаемого;
- интерес к имитаторам, отсутствие ответственности и опасности, наличие возможности «экспериментировать»;
- возможность применения имитаторов при самостоятельной работе обучаемых и т. д.
- Однако учет данных факторов при количественной оценке эффективности имитаторов с точки зрения повышения качества обучения, вызывает значительные трудности.
- Основой разработанных на сегодняшний день методов определения «педагогической» эффективности при данном подходе является оценка восприятия и объема запоминаемой обучаемым информации, что можно легко измерить. Здесь следует отметить, что в вопросе эффективности восприятия и запоминания информации наблюдается большая схожесть взглядов исследователей. С целью повышения достоверности оценки эффективности обучения при реализации данных методов в работе предложено учитывать следующие факторы:
- временные (время реакции, выполнения действия или операций, время, затрачиваемое на исправление ошибки и т.д.);
- скоростные (производительность труда, скорость реакции, движения и т.д. – величины, обратные времени);
- точностные (величина ошибки в мерах физических величин (миллиметрах, углах и т.п.), количество ошибок, вероятность ошибки, вероятность правильного действия и т.д.);
- информационные (объем заучиваемого материала, перерабатываемой информации, объем восприятия и т.д.).
- Следует отметить и другие факторы, такие как развитие творческих способностей, профессиональной интуиции и т.д. Но единого мнения о необходимости учета данных факторов и, как следствие, соответствующих методик, не существует.
Основными недостатками методов, реализуемых при данном подходе, является:
– применение «педагогических шкал» и «матриц компетенций», которые сложно связать с каким либо экономическим эквивалентом;
– необходимость оценки эффективности как результата переноса навыков из учебных условий на условия реальной работы [8].
По данной причине подход, связанный с количественной оценкой «педагогической» эффективности требует дальнейшего развития. При увеличении популярности и дальнейшем развитии имитаторов как технических средств обучения можно ожидать появления новых результатов исследований в данной области.
3 подход
Effect=w1*Amath+w2*Auniversal+w3*AGraphic+w4*ASound+w5*Acontrol+...+wi*Ai
Основой данного подхода является оценка адекватности (степени схожести реального и имитируемого при помощи КИТ объекта или процесса) как меры эффективности КИТ. Данный подход сфокусирован на решении вопроса «насколько точно КИТ воспроизводит реальное оборудование и процессы». Его основным плюсом является то, что реализующие его методы учитывают следующие факторы, характеризующих КИТ как ТСО:
- уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу;
- уровень соответствия синтезируемого звукового окружения оригиналу;
- уровень соответствия механизмов управления оригиналу;
- уровень соответствия условий окружающей среды (температура, давление, влажность, ветровая нагрузка и т.д.)
- адекватность и универсальность математических моделей, применяемых в иммитаторе;
- возможность работы в реальном времени и т.д.
- Как правило, определяется соотношением: Effect=w1*Amath+w2*Auniversal+w3*AGraphic+w4*ASound+w5*Acontrol+…+wi*Ai , где
- Amath – адекватность математической модели (включая область адекватности);
- Auniversal – универсальность математической модели;
- AGraphic – уровень соответствия синтезируемого изображения;
- ASound – уровень соответствия синтезируемого звукового окружения;
- Acontrol – уровень соответствия механизмов управления;
- wi – соответствующие «веса» факторов.
В качестве основного недостатка методов, реализующих данный подход, является необходимость применения экспертных оценок (при задании «весов» факторов и границ факторов на этапе разработки требований к имитатору). Рассматриваемый метод позволяет учитывать финансовые затраты при заданных уровнях адекватности, но не имеет прямого отношения к эффективности обучения (утверждение «чем более точно имитатор соответствует реальному оборудованию – тем лучше» не во всех случаях напрямую влияет на качество обучения).
Следует отметить достаточно интересную разновидность данного подхода – адекватность с точки зрения сенсорных процессов и восприятия. В этом случае уже решается вопрос не «как точно имитируется оборудование и различные технологические процессы?», а «насколько сильно различие в восприятии между обучением на КИТ и обучением на реальном оборудовании?». т. е. акцент смещается с оборудования на обучаемого. Для оценки адекватности (или схожести) восприятия необходимо проведение дорогостоящих и сложных исследований, т. к. таком подходе уже необходимо учитывать множество физиологических показателей:
- eye-трекинг (слежение за траекторией взгляда);
- биохимические изменения в крови обучаемого;
- регистрация электрической активности головного мозга и т. д.
В целом данный подход представляет значительный интерес не только с точки зрения оценки эффективности имитаторов, но и оценки профессиональной пригодности персонала к определенному виду деятельности (например, выявление физиологических или умственных ограничений при допуске к некоторым видам оборудования или работ).
4 подход
Effect=w1*A+w2*B+w3*C
Обобщенная эффективность – определяется на основе обобщений результатов 1, 2 и 3 подходов. При данном подходе количественно эффективность КИТ определяется следующей зависимостью:
Effect=w1*A+w2*B+w3*C , где
- А – экономическая эффективность, применительно только к процессу обучения;
- В – педагогическая эффективность, т. е. «уровень» знаний, умений и навыков до и после обучения;
- С – адекватность КИТ;
- wi – соответствующие «веса» факторов (видов эффективности КИТ).
- Основным преимуществом данного подхода является комплексный учет факторов, характеризующих КИТ как ТСО (учет всех особенностей КИТ). При этом необходимо отметить следующие недостатки:
- влияния каждого фактора определяется методом экспертных оценок, который по сути своей является субъективным и в значительной степени зависит от опыта и квалификации экспертов;
- размерность получаемой «эффективности» существенно затрудняет применение данного подхода при экономическом обосновании разработки, приобретения или применения компьютерного имитатора для подготовки персонала.
- Несмотря на указанные выше недостатки данный подход достаточно часто применяется на этапах принятия решений о приобретении КИТ: «в работе под эффективностью тренажера понимается его соответствие целям и задачам обучения, а также способностью обеспечивать и поддерживать ЗУН при приемлемых затратах на приобретение и эксплуатацию»
5-й, инновационный метод
Effect=(A-B) / C
Основываясь на анализе приведенных выше подходов для оценки эффективности компьютерных имитаторов, авторами предложен новый подход, отличительной особенностью которого является рассмотрение КИТ не только как ТСО, но и как инструмента управления рисками. При таком подходе эффективность имитатора может быть определена на основе прогнозируемого снижения рисков (потерь) предприятия от ошибочных действий персонала (нарушение режимов и правил эксплуатации оборудования, нарушение технологии и т.д.), уровень подготовки которого формируется на основе применения КИТ ( «эффект от применения имитаторов – прогнозируемое снижение рисков в зависимости от затрат на подготовку персонала с использованием КИТ»). Количественная оценка эффективности при данном подходе определяется следующей зависимостью:
Effect=(A-B) / C
- А – ожидаемый риск (потери) с учетом текущего значения вероятности влияния человеческого фактора;
- В – ожидаемый риск (потери) с учетом уменьшения вероятности влияния человеческого фактора за счет применения имитаторов при подготовке персонала);
- С – затраты на разработку (приобретение) и применение (эксплуатацию) имитаторов в процессе подготовки персонала.
Данная зависимость учитывает временной фактор, т. к. вероятности рисков А и B содержат в себе время (за 1 год, 1000000 часов или другой промежуток (период) времени)
При использовании данного подхода эффектность КИТ может быть отнесена не только ко всему риску в целом, но и допускать частные «разрезы», а также иметь разные размерности. Иллюстрацией сказанного выше является пример, приведенный на рисунке 1 и 2. Здесь на диаграммах FTA и ETA цветом отмечены возможные исходы развития аварийной ситуации, связанные с влиянием человеческого фактора. Степень влияния данного фактора определяется (управляется) в процессе подготовки (тренинга) персонала с применением компьютерного имитатора. В данном случае эффективность КИТ может быть определена на основе следующих критериев:
- ожидаемое снижение вероятности относительно всех возможных исходов на диаграмме;
- ожидаемое снижение вероятности относительно исходов связанных только с человеческим фактором;
- ожидаемое снижение итоговой (корневой) вероятности аварии (негативного исхода) (только частота);
- ожидаемое снижение итоговой (корневой) вероятности аварии (негативного исхода) (стоимость*частота) и т. д.
Рассматриваемые тренажеры
Были отобраны 15 тренажеров и виртуальных лабораторных работ для оценки эффективности применения системы формирования виртуальной реальности. Стоит отметить, что речь не идет о полной замене реального оборудования тренажерами, а их использование в качестве дополнения. A. Тренажер буровой установки для геологоразведочного бурения методом ССК на твердые полезные ископаемые (Колонковое бурение) ZBO S15.
Программно-аппаратный комплекс по “Электросварка”
Рассмотрим сразу в варианте AR и VR реализации. Более подробно был рассмотрен на Хабре (https://habr.com/ru/articles/699 690/). Видео на YouTube: Программно‑аппаратный комплекс по «Электросварка» и Тренажер сварки HTC VIVE + trackers. Тренажер обеспечивает обучение четырем видам ручной сварки: полуавтоматической в защитных газах, ручной неплавящимся электродом в инертных газах, ручной дуговой и механизированной сварки порошковой проволокой, во всех рабочих положениях. Выполнена имитация переноса металла при полуавтоматической сварке: струйный, крупнокапельный, короткой дугой. Имитация дефектов сварки — прожоги, наплывы, брызги и т. д.
- Полная имитация различных типов сварочных аппаратов, свариваемых изделий, СИЗ, дополнительно: поворотные сварочных столы, монтажные столы, спец.устройства, используемые при сварке.
- Показ последствий некачественного шва через время.
- Показ дефектов шва в разрезе, снижение свойств шва со временем, т.е. наблюдение внутренней структуры шва и ускорение времени с показом последствий.
- Возможность сварки любых изделий любыми электродами и в любых средах.
- Не нужен профессиональный индивидуальный инструктор который следит за процессом обучения, т.к. в тренажере уже имеется виртуальный инструктор.
- Дополнительные модули – нарушения при проведении сварочных работ, промышленная безопасность, такелажные и стропальные работы, работы на высоте и т.д. – расширяют функционал тренажера.
- Возможность использования в системах управления обучением (LMS) с передачей аналитики обучения в систему хранения учебных записей.
- Совместимость с открытой платформой полигон – возможность бесшовной стыковки с другими тренажерами, в т.ч. для совместной работы.
- Полная имитация различных типов сварочных аппаратов, свариваемых изделий, СИЗ, дополнительно: поворотные сварочных столы, монтажные столы, спец.устройства, используемые при сварке.
- Показ последствий некачественного шва через время.
- Показ дефектов шва в разрезе, снижение свойств шва со временем, т.е. наблюдение внутренней структуры шва и ускорение времени с показом последствий.
- Возможность сварки любых изделий любыми электродами и в любых средах.
- Не нужен профессиональный индивидуальный инструктор который следит за процессом обучения, т.к. в тренажере уже имеется виртуальный инструктор.
- Дополнительные модули – нарушения при проведении сварочных работ, промышленная безопасность, такелажные и стропальные работы, работы на высоте и т.д. – расширяют функционал тренажера.
- Возможность использования в системах управления обучением (LMS) с передачей аналитики обучения в систему хранения учебных записей.
- Совместимость с открытой платформой полигон – возможность бесшовной стыковки с другими тренажерами, в т.ч. для совместной работы.
- Полная имитация различных типов сварочных аппаратов, свариваемых изделий, СИЗ, дополнительно: поворотные сварочных столы, монтажные столы, спец.устройства, используемые при сварке.
- Показ последствий некачественного шва через время.
- Показ дефектов шва в разрезе, снижение свойств шва со временем, т.е. наблюдение внутренней структуры шва и ускорение времени с показом последствий.
- Возможность сварки любых изделий любыми электродами и в любых средах.
- Не нужен профессиональный индивидуальный инструктор который следит за процессом обучения, т.к. в тренажере уже имеется виртуальный инструктор.
- Дополнительные модули – нарушения при проведении сварочных работ, промышленная безопасность, такелажные и стропальные работы, работы на высоте и т.д. – расширяют функционал тренажера.
- Возможность использования в системах управления обучением (LMS) с передачей аналитики обучения в систему хранения учебных записей.
- Совместимость с открытой платформой полигон – возможность бесшовной стыковки с другими тренажерами, в т.ч. для совместной работы.
Эксплуатация промышленного транспорта – погрузчики
Назначение компьютерного имитационного тренажера – формирование и совершенствование знаний и навыков в области охраны труда при эксплуатации промышленного транспорта. Решаемые задачи: выявление и устранение обнаруженных опасных ситуаций и опасных условий; формирование и контроль знаний по правилам охраны труда при эксплуатации промышленного транспорта; работа на дизельных и электро- погрузчиках с различными грузами. Поддерживается как работа на PC так и на VR. Видео.
Тренажерный комплекс снегоболотохода
Тренажер снегоболотохода – это техническое средство обучения персонала, которое имитирует работу снегоболотохода. Это устройство представляет собой специальный тренажер, который позволяет симулировать различные условия для вождения снегоболотохода, такие как глубокий снег, ледяные поверхности, кочки и другие препятствия. Тренажер снегоболотохода позволяет обучаемому научиться правильно управлять транспортным средством в различных условиях, а также развивает навыки реакции и координации движений. Он оснащен специальными датчиками и программным обеспечением, которые позволяют точно воспроизводить движения снегоболотохода и создавать реалистичные условия для тренировки. Использование тренажера снегоболотохода позволяет снизить риски для обучаемого и повысить эффективность обучения, так как он позволяет тренироваться в безопасных условиях, не выезжая на открытую местность. Кроме того, этот тренажер может быть использован как для начинающих, так и для опытных водителей, которые хотят улучшить свои навыки вождения снегоболотохода. Используются три телевизора для передачи картинки в режиме ПК и шлем Pico4 в режиме трансляции при использовании в VR.
Тренажер крана стрелового автомобильного типа KC-65731
Комплекс предназначен для отработки практических умений и навыков по выполнению крановых операций, в программном обеспечении которого реализованы трехмерные модели, являющиеся аналогами оборудования, а также интерактивные схем управления. Аппаратная часть представлена физической копией кабины. Тренажер крана стрелового автомобильного типа KC-65731 может быть использован в двух режимах: с использованием 3х мониторов, имитирующих вид из кабины и с использованием системы формирования виртуальной реальности (VR)
- Изучение состава, назначения и принципа действия оборудования
- Выполнение крановых операций
- Установка и снятие крана с выносных опор
- Подъем и опускание груза, подъем (опускание) стрелы, вращение поворотной платформы, выдвижение (втягивание) секций стрелы, совмещение операций, управление двигателем
- Подача звукового сигнала
- Управление освещением
- Эксплуатация крана в летних условиях, эксплуатация крана в зимних условиях, эксплуатация крана в темное время суток
- Работа вблизи линий электропередач
- Действия крановщика при срабатывании ограничителя грузоподъемности
- Действия при возникновении экстремальных ситуаций
- Действия при отказе двигателя или гидропривода крана
- Опускание груза при аварии, выполнение перемещения различных типов груза
Тренажер КАМАЗ-6355 “Артика”
Тренажер предназначен для формирования и проверки знаний, умений и навыков:- Изучение состава, назначения и принципа действия оборудования KAMAZ-6355 (в т.ч. беспилотного варианта, включающего навигационное оборудование , видеокамеры, лидары 3D и сонары, радары дальнего действия, системы коммуникации WiFi-LTE, инерциальную систему)
- Изучение навигационного оборудования, движение по заданной траектории
- Движение колонны (управление ведомыми машинами одним водителем)
- Перевозки в сложных условиях Арктики
- Передвижение в условиях отсутствия дорожно-транспортной инфраструктуры (зимник, водные преграды, песок, камни, болота и т.д.)
Электромонтажные работы
Видео Назначение компьютерного имитационного тренажера “Электромонтажные работы” – формирование и совершенствование знаний и навыков по электромонтажным работам. Точность математической модели электросхем обеспечивается за счет использования библиотеки SPICE. Учебно-тренировочные задачи:- Применение измерительных приборов.
- Установка и подключение розетки, выключателя.
- Параллельные и последовательные электрические цепи.
- Монтаж автоматов защиты.
- Монтаж щитков.
- Подключение различных типов двигателей, насосов.
- Подключение УЗО и диф. автоматов.
- Технические требования и технология прокладки электропроводки типа ПРД, ПРВД, АППВ, ППВ и др.
- Правила монтажа и маркировки кабеля в общей сети.
- Установка и подключение электрооборудования.
- Монтаж ячеек ГРЩ, ВРУ, ШУ; Установка и подключение приборов учета электроэнергии.
- Монтаж заземления.
- Ознакомление с применяемым оборудованием инструментами
- Изучение видов, назначения и принципа действия модульных элементов
- Сборка схемы электроснабжения коттеджа
Браузер
Нашими тренажерами можно пользоваться через все современные интернет-браузеры.
Тестирование
Высокое качество контроля тренажеров перед сдачей заказчику исключает недоработки.
Мобильные платформы
Тренажеры работают на мобильных устройствах
даже без Интернета.
Мероприятия
Можем провести соревнования профессионального мастерства на наших тренажерах.
VR
Используем все имеющиеся решения во визуализации VR, в том числе VR в шлеме без интернета и компьютера.
Поддержка
Обеспечиваем работоспособность тренажеров 24/7, в случае необходимости - доработаем.
Лучшее качество 3D и математического моделирования
Кинематографическое 3D и математическое моделирование любой сложности