Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 1
Глава 1. НАЗНАЧЕНИЕ И СПЕЦИФИКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 9
1.1. Существо и содержание компьютерных тренажеров операторов технологических процессов 11
1.2. Компьютерные тренажеры для обучения операторов и инжиниринга: история развития и современное состояние 19
1.2.1. 60-70-е годы: тренажеры на базе аналоговых и больших цифровых вычислительных машин 20
1.2.2. 70-80-е годы: появление мощных цифровых компьютеров; первые персональные компьютеры 21
1.2.3. 80-90-е годы: мощные персональные компьютеры; вычислительные сети; новые средства управления технологическими процессами 26
1.2.4. Три тенденции в развитии компьютерных тренажеров операторов ТП 28
1.3. Специфика предметной области развитых направлений компьютерного тренинга операторов в сравнении с КТОТП 31
1.3.1. Морские тренажеры. 34
1.3.2. Авиационные тренажеры. 37
1.3.3. Тренажеры для энергетики. 42
1.4. Задача компьютерного тренинга операторов 53
ВЫВОДЫ 57
Глава 2. ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 60
2.1. Общая модель принятия решений оператором 61
2.2. Операторский интерфейс в компьютеризированной системе управления ТП
2.2.1. Составляющие операторского интерфейса 75
2.2.2. Новые формы представления информации 78
2.2.3. Требования к диалогу в операторском интерфейсе
2.3. Структура операторского интерфейса КТОТП 80
2.3.1. Функции обучаемого в компьютерном тренинге 81
2.3.2. Функционально-информационная структура операторского интерфейса 86
2.3.3. Представление информации оператору 91
2.4. Структура моделируемой технической системы 97
2.4.1. Модель СУ 98
2.4.2. Модель ТП 10 2.5. Структура инструкторского интерфейса 10f
2.5.1. Функции инструктора в КТОТП 10"
2.5.2. Функционально-информационная структура инструкторского интерфейса 11 2.5.3. Автоматизация функций инструктора 11
ВЫВОДЫ
Глава 3. МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРАХ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ
3.1. Место динамического моделирования в задачах управления и инжиниринга
3.1.1. Динамическое моделирование в задачах управления 122
3.1.2. Динамическое моделирования в задачах инжиниринга 134
3.2. Методика построения дедуктивной модели ТП 13S
3.2.1. Модель системы исполнительных механизмов 145
3.2.2. Модель системы измерения и преобразования информации 148
3.2.3. Дедуктивная модель технологического процесса 153
3.3. Модель типовых элементов системы управления 166
3.3.1. Непрерывные стандартные регуляторы 166
3.3.2. Дискретные регуляторы (ключи) 169
3.4. Подсистема конфигурации логических операций 171
ВЫВОДЫ 179
Глава 4. МЕТОДОЛОГИЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ 182
4.1. Деятельность оператора ТП в контексте приобретения профессиональных навыков 186
4.2. Модель формирования профессиональных навыков оператора 19
4.2.1. Формирование базовых операторских навыков 195
4.2.2. Формирование комплексного навыка принятия решений 21G
4.3. Методические принципы и дидактические приемы компьютерного тренинга операторов 216
4.3.1. Принципы компьютерного тренинга операторов ТП 218
4.3.2. Техника фиксации априорного прогноза оператора 221
4.3.3. Формирование базовых навыков с использованием техники априорного прогноза 224
4.3.4. Типовой состав и структура тренировочного упражнения 234
ВЫВОДЫ 236
Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 238
5.1. Обоснование целесообразности компьютерного тренинга операторов - факторы и оценки 239
5.1.1. Административно-нормативные факторы. 241
5.1.2. Факторы повышения промышленной безопасности. 242
5.1.3. Факторы, повышающие эффективность обучения персонала. 244
5.1.4. Факторы, повышающие эффективность инжиниринга. 246
5.1.5. Факторы, непосредственно влияющие на финансовое состояние предприятия. 249
5.1.6. Социально-организационные факторы. 250
5.2. Оценка эффективности компьютерного тренинга за счет снижения аварийности производства 252
5.2.1. Определение полных потерь от аварий и аварийных инцидентов в нефтепереработке 254
5.2.2. Потери от ошибок операторов 262
5.2.3. Учет страховки 263
5.2.4. Уровень риска в нефтепереработке 267
5.2.5. Типовой нефтеперерабатывающий завод и типовой пакет тренажеров 267
5.2.6. Экономия за счет снижения страховой премии 269
5.2.7. Экономия от использования тренажеров 269
5.3. Опыт внедрения КТОТП на российских предприятиях 271
5.3.1. Платформа второго поколения: тренажеры для учебных классов 275
5.3.2. КТК-М - платформа третьего поколения для обучения и инжиниринга (1995-99 гг.) 283
ВЫВОДЫ 302
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 305
ЛИТЕРАТУРА 309
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.1. Исследование ключевых характеристик человека-оператора
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.1. Использование модели в качестве источника информации об объекте и элемента основного контура регулирования
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.2. Доказательство утверждений 3.1 - 3.3
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.1. Научение и перенос в тренинге операторов
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.2. Автоматизированное построение тренировочных упражнений по методикам компьютерного тренинга операторов
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.1. Тренажерная модель установки атмосферной дистилляции нефти Омского НПЗ
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.2. Тренажерные модели установок каталитического риформинга и газофракционирования Ангарской нефтехимической компании ПРИЛОЖЕНИЕ 5.3. Тренажерные модели технологических установок производства ароматики ООО «Омский НПЗ».
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.4. Тренажерная модель установки производства полиэтилена высокого давления для Ангарской НХК
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.5. Тренажерные модели типовых установок ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка»
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.6. Тренажерные модели типовых установок ООО «ЛУКойл-Пермнефтеоргсинтез»
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Дою/менты, подтверждающие практическое внедрение результатов диссертационной работы
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Актуальность проблемы построения компьютерных тренажеров для обучения операторов технологических процессов (КТОТП) определяется двумя отчетливыми тенденциями последних лет. С одной стороны, ощущается все более острая потребность качественного улучшения подготовки операторского персонала, вызванная постоянным усложнением самих процессов и появлением новых систем управления ими на фоне смены поколения операторов, заметного снижения уровня подготовки вновь набираемых работников и, как следствие, всплеска аварийности по причине некачественного управления процессами. С другой стороны, впечатляющие успехи ключевых информационных технологий создают принципиальную возможность создания полноценных систем компьютерного тренинга, превосходящих по эффективности все известные формы обучения, включая не всегда доступные и потенциально опасные тренировки на реальных объектах. Создалась в некотором смысле парадоксальная ситуация, когда никаких ограничений для создания отдельных компонентов тренажеров (интерактивных имитационных моделей процессов и аппаратов, пользовательских интерфейсов участников тренинга, инструментов автоматизированного инструктирования) практически не существует, в то время как теоретически обоснованные критерии, принципы и методики построения тренажерных систем недостаточно разработаны. В результате, работы по созданию столь сложных и трудоемких продуктов тормозятся из-за отсутствия общей методологии их построения, страдают от недоучета принципиальных факторов, определяющих успех тренинга, и напрасного дублирования усилий на реализацию стандартных и типовых компонентов систем.
Основная сложность построения КТОТП состоит в крайней синтетичности технологии компьютерного тренинга, для успеха которого каждый компонент системы должен быть реализован на одинаково высоком уровне. Так, обладая совершенными математическими моделями процессов и не решив проблемы их связи с обучаемым оператором в режиме реального времени, невозможно добиться эффективного формирования навыков управления. В то же время, располагая и моделями и мощной аппаратно-программной тренажерной платформой, но, не имея адекватной методики компьютерного тренинга, нельзя рассчитывать на закрепление и перенос приобретаемых навыков и умений в реальную практику.
Трудно найти другое направление исследований и разработок в области управления ТП, которое вобрало бы в себя столь разнообразные по сути и исполнению составные части. Компьютерный тренинг операторов предполагает:
- наличие высокоточных математических моделей широкого круга процессов, обладающих ярко выраженной технологической и управленческой спецификой;
- реализацию указанных моделей в режиме имитации (или динамического моделирования) с использованием специальных методов численного решения высокоразмерных систем алгебра дифференциальных уравнений;
- воссоздание рабочего места обучаемого оператора процесса, подобного (психологически и, отчасти, физически) его рабочему месту в реальном процессе, включая организацию операторского интерфейса и органов управления;
- создание соответствующего рабочего места инструктора обучения, осуществляющего контроль и управление тренингом;
- наличие методической и дидактической базы компьютерного обучения, учитывающей специфику процессов принятия решений, научения и переноса навыков операторами ТП;
- разработку методов анализа и оценки результатов тренинга, методов тарификации и сертификации операторов по результатам обучения на тренажерах.
Другая проблема, существенно усложняющая задачу синтеза КТОТП, состоит в следующем. Хотя они объединяют, по существу, технические компоненты, критерий качества тренажерных систем нельзя искать в сугубо технических рамках, поскольку формирование, закрепление и положительный перенос приобретаемых навыков определяется прежде всего степенью подобия деятельности оператора в ТП и обучаемого в тренинге. Вместе с тем существует определенный разрыв между разработками в области моделирования динамических процессов, создания пользовательских интерфейсов и средств поддержки инструктирования, с одной стороны, и, по преимуществу, когнитивными исследованиями механизмов формирования и переноса навыков - с другой.1
Под когнитивным подходом к исследованию человеко-машинного взаимодействия понимают установку на выявление механизмов восприятия и расшифровки информации, получаемой человеком от технической системы, а также переработки этой информации в процессе принятия решений. В этих условиях теоретически обоснованная постановка и решение задачи построения типового КТОТП, оптимально сочетающего стандартные и уникальные компоненты системы, а также создание методологии компьютерного тренинга операторов представляются весьма актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование комплекса вопросов, связанных с созданием информационного, математического, программного и методического обеспечения построения и внедрения компьютерных тренажеров для обучения операторов ТП. Полученные в работе результаты направлены на теоретическое обоснование и практическое решение важной практической задачи - создание качественно новых систем подготовки операторского персонала ТП.
Методы исследования базируются на использовании аппарата математического моделирования процессов и аппаратов химико-технологического типа, теории автоматического управления, теории искусственного интеллекта, методов когнитивного инжиниринга и статистической обработки данных.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
дано содержательное определение, выявлен состав и исследована специфика КТОТП в сравнении с тренажерными системами в других отраслях; поставлена задача разработки типового КТОТП, содержащего стандартную (настраиваемую) и уникальную (создаваемую в каждом проекте) части;
на основе предложенной теоретической модели деятельности оператора в компьютерном тренинге разработана и исследована типовая функционально-информационная структура КТОТП, включая структуру операторского и инструкторского интерфейсов и структуру моделируемой технической системы;
предложена, исследована и апробирована на примере конкретных процессов рекуррентная методика построения тренажерных моделей ТП, обеспечивающая адекватную динамическую реакцию моделируемого процесса на произвольные воздействия оператора и вмешательства инструктора в полном диапазоне изменения технологических параметров;
разработана типовая модель системы управления, включающая основные элементы реальных систем управления процессами -исполнительные механизмы, средства измерения и преобразования информации, систему базового регулирования, систему блокировок и защит; предложен и исследован язык конфигурации логических операций, позволяющий легко создавать в рамках КТОТП разветвленные структуры логического управления;
разработана программно-аппаратная тренажерная платформа, реализующая типовой КТОТП и отвечающая современным требованиям к компьютерному тренингу операторов;
разработана и исследована теоретическая модель формирования операторских навыков в компьютерном тренинге; исследованы механизмы формирования, закрепления и переноса базовых и комплексных навыков;
разработана методика компьютерного тренинга операторов; предложен и обоснован метод фиксации априорного прогноза как ключевой механизм повышения эффективности выработки операторских навыков; разработан комплекс дидактических приемов компьютерного тренинга операторов; предложена классификация факторов воздействия КТОТП на производство; разработана и реализована методика количественной оценки эффективности компьютерного тренинга операторов, основанная на учете многолетней статистики аварий в мировой нефтяной отрасли;
проанализирован опыт внедрения компьютерных тренажерных систем в Учебных центрах предприятий и непосредственно на ТП.
Практическая ценность и реализация результатов. Решение рассмотренных в диссертации проблем позволяет эффективно проводить разработку и осуществлять практическое внедрение отвечающих самым современным требованиям КТОТП для широкого класса процессов в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, производстве минеральных удобрений, промышленности строительных материалов и др. отраслях. Это достигается с помощью разработанных в диссертации программно-аппаратной платформы типового КТОТП, методики построения тренажерных моделей, библиотеки моделей широко круга процессов и аппаратов, методической и дидактической базы компьютерного тренинга операторов.
Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием при создании и внедрении более 60 тренажерных моделей в рамках десяти тренажерных проектов на крупнейших отечественных технологических площадках - ООО «Омский НПЗ», Московском НПЗ, 000 «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка», 000 «ЛУКОЙЛ Пермнефтеоргсинтез», Ангарской нефтехимической компании,
Нижнекамском нефтехимическом комбинате. Разработанная архитектура, информационное, математическое, программное и методическое обеспечение позволили резко удешевить и повысить качество создаваемых КТОТП и, таким образом, увеличить отдачу от компьютерного тренинга операторов. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Международной конференции по проблемам управления (Москва, 1999 г.); IV конференции Международной ассоциации компьютерного моделирования "Euromedia-99" (Мюнхен, 1999 г.); XII Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Великий Новгород, 1999 г.); XI Международной научной конференции "Математические методы в химии и технологиях" (Владимир, 1998 г.), IV и V Международных конференциях «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях» (Москва, 1997, 1998 гг.); Школе по моделированию автоматизированных технологических процессов Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (Новомосковск, 1997); Всероссийском совещании специалистов Госгортехнадзора (Москва, 1997 г.); Научно-техническом совете НК «ЛУКОЙЛ» (Москва, 1997 г.); X Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (Тула, 1996); Научно-методической конференции, посвященной 95-летию Пастуховского училища (Ярославль, 1995 г.); IV Всероссийской научной конференции «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (Ярославль, 1994 г.); IV Всесоюзной школе-семинаре «Статистический и дискретный анализ данных и экспертное оценивание» (Одесса, 1991); Всесоюзной конференции «Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами» (Грозный, 1989); IV Всесоюзной научно-технической конференции «Математическое моделирование, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП» (Ташкент, 1988 г.); Всесоюзном научно-практическом семинаре «Опыт использования распределенных систем управления ТП и производством» (Новокузнецк, 1986 г.), V Всесоюзном совещании «Управление многосвязными системами» (Тбилиси, 1984 г.); Ill Всесоюзном совещании «Надежность и эффективность АСУ ТП и АСУП» (Суздаль, 1984 г.); Международном симпозиуме ИФАК/ИФИП по цифровому управлению реального времени (Гвадалахара, 1983 г.); II Симпозиуме ИФАК/ИФОРС по оптимизационным методам (Варна, 1979); VII Всесоюзном совещании «Теория и методы математического моделирования» (Куйбышев, 1978 г.); на семинарах и совещаниях Института проблем управления РАН, ряда предприятий нефтепереработки и нефтехимии.
Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 45 работах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, 12 приложений, содержит 345 стр. основного текста, 52 рис., 5 табл., список литературы из 355 названий.
