КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ФОРМИРОВАНИЯ НАВЫКОВ СПЕЦИАЛИСТОВ БУДУЩЕГО

 

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ФОРМИРОВАНИЯ НАВЫКОВ СПЕЦИАЛИСТОВ БУДУЩЕГО

Научная статья

Ибрагимова Э.П. ¹, Староверова Н.А.^2, *

² ORCID: 0000-0002-5524-1325;

^1,2 Казанский национальный исследовательский университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (nata-staroverova[at]yandex.ru)

Аннотация

В настоящее время всё больше учебных заведений уделяют особое внимание вопросам подготовки специалистов с помощью виртуальных тренажёров и лабораторных стендов, на которых можно выполнить все необходимые лабораторные работы и смоделировать самые разные ситуации и условия эксплуатации оборудования. Кроме того это позволяет создавать лабораторные практикумы с удалённым доступом, что особенно актуально в свете развития дистанционного обучения. Для разработки любого виртуального объекта необходимо пройти ряд этапов и один из них это компьютерное моделирование. Компьютерное моделирование это один из самых мощных инструментов для анализа, изучения и проектирования, которыми располагают специалисты в сфере химических технологий и производств.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, виртуальные тренажёры, алгоритмы.

COMPUTER SIMULATION AS TOOL FOR FORMING SKILLS OF FUTURE SPECIALISTS

Research article

Ibragimova E.P.¹, Staroverova N.A.^2, *

² ORCID 0000-0002-5524-1325

^1,2 Kazan National Research University, Kazan, Russia

* Corresponding author (nata-staroverova[at]yandex.ru)

Abstract

Currently, more and more educational institutions pay special attention to the training of specialists using virtual simulators and laboratory stands, where you can perform all the necessary laboratory work and simulate a variety of situations and operating conditions of equipment. In addition, it allows the development of laboratory workshops with remote access, which is especially important in the light of the development of distance learning. In order to develop any virtual object, it is necessary to go through a number of stages, and computer modeling is one of them. Computer modeling is one of the most powerful tools for analysis, study and design, which have specialists in the field of chemical technology and production.

Keywords: computer simulation, virtual simulators, algorithms.

Для формирования как теоретических базовых, так и специальных практических навыков студентов, последнее время учебные заведения обращаются к виртуальным лабораторным стенам и тренажёрам. Это объясняется тем, что лабораторные стенды или установки обычно слишком громоздкие, а используемое для них оборудование дорого стоит и это затрудняет работу студентов. Кроме того оборудование требует регулярного ремонта и наладки квалифицированным персоналом. Так же необходимо учитывать, что прогресс не стоит на месте и оборудование модернизируется, в результате возникает необходимость обновления стендов, а это накладно и проблематично [1], [2].

Поэтому всё больше учебных заведений уделяют особое внимание вопросам подготовки специалистов с помощью виртуальных тренажёров и лабораторных стендов, на которых выполняются необходимые лабораторные работы и можно смоделировать самые разные условия эксплуатации оборудования. Так же это позволяет создавать лабораторные практикумы с удалённым доступом, что актуально в свете развития дистанционного обучения. Наиболее перспективным направлением является разработка и организация лабораторных работ «вокруг» реальных технологических процессов, с акцентом на условия эксплуатации оборудования и учётом технологического регламента ведения того или иного процесса. Таким образом, в рамках одного технологического процесса рассматриваются самые разные теоретические и практические вопросы, раскрывая тем самым обучающимся связь различных дисциплин как базового, так и специального образовательного цикла [3].

В свете выше изложенного, видно, что необходимы специалисты, способные разрабатывать компьютерные (виртуальные) тренажёры (стенды), для решения обучающих и исследовательских задач. Поэтому формирование учебно-методического материала по подготовке IT специалистов, способных разрабатывать компьютерные тренажёры, является важной и перспективной задачей. С этой целью было проведено исследование, посвященное виртуальным тренажёрам, принципам их разработки и методологии компьютерного моделирования. Результаты данного исследования легли в основу учебного пособия посвящённому анализу и систематизации информации о видах виртуальных тренажёров, области их эксплуатации, предъявляемым к ним требованиям, используемым средствам разработки и пр.

С точки зрения имитации поведения технологического объекта тренажеры могут строиться на основе статической или динамической модели в зависимости от поставленных задач обучения.

Статическая модель предполагает описание различных состояний объекта при отсутствии внешних возмущений. Такая модель не описывает процесса перехода объекта из одного состояния в другое. Примером применения тренажеров на основе статической модели может служить задача изучения технологических схем и последовательности операций при выполнении переключений в этих схемах. Другим примером является приобретение навыков, выявления причин неисправности оборудования, исходя из их пост-аварийного состояния.

Динамическая модель, в свою очередь, позволяет имитировать на тренажере процесс работы технологического объекта во времени, в том числе имитировать поведения объекта в случае каких-либо технологических нарушений, неисправности оборудования или иных внешних возмущений, не связанных непосредственно с действиями оператора. Тренажер на основе динамической модели необходимо использовать, например, для приобретения навыков управления оборудованием с непрерывным технологическим процессом. В зависимости от характера технологического объекта, такой тренажер может работать в реальном или сжатом масштабе времени [4].

В процессе решения любой задачи важно осознавать, следующие общие принципы: чёткая формулировка цели исследования, постановка задачи и определение критерия эффективности решения задачи; разработку развёрнутой стратегии исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи [5], [6].

Технология создания программных тренажёрных комплексов предусматривает выполнение следующих этапов: 1) Создание математической модели:

- Определение области действия модели (т.е. рассмотрев назначение - определяются пределы модели);

- Подготовка данных объекта. (Для динамического моделирования требуются более подробные данные об оборудовании, чем для статического. Поэтому важно собрать: монтажно - технические схемы и технические характеристики оборудования);

- Разбиение модели, производственной установки;

- Определение компонентов и методы расчета физических свойств;

- Подготовка модели, производственной установки;

- Настройка модели, производственной установки.

2) Создание базы данных.

3)Создание мнемосхемы.

4) Запуск тренажёра.

5) Создание начальных данных.

6) Остановка и сохранение тренажёра со сформированными начальными данными.

Разработка виртуального тренажёра начинается с создания математической модели объекта. Для этого в настоящее время используется компьютерное моделирование, которое является мощным инструментом для анализа, изучения и проектирования. Идея компьютерного моделирования даёт возможность исследователю проводить эксперименты с различными объектами даже в тех случаях, когда проделать данный опыт в реальных условиях невозможно или же нецелесообразно и даже опасно. Сущность компьютерного моделирования в том, что объект, а точнее его математический образ, переносятся в виртуальную реальность, и в дальнейшем с помощью вычислительно-логических алгоритмов происходит изучение модели в «предлагаемой ситуации». Целью экспериментов является попытка исследовать различные факторы, влияющие на систему и позволяющие повысить эффективность работы. Или же ещё одна сторона эксперимента – это оценить алгоритмы функционирования технологической системы и понять существующие внутренние взаимосвязи. Таким образом, процесс компьютерного моделирования включает анализ системы, разработку математической модели и формирование виртуальной модели, а так же дальнейшее применение модели для решения поставленной задачи: анализа, исследования, оптимизации или проектирования технологических процессов и оборудования. Эти задачи сложны и включают в себя большое число элементов, переменных, параметров, ограничений и т.д., поэтому в процессе разработки важно выбрать только те элементы и факторы, которые несут основную нагрузки и пренебречь незначительными, кроме того необходимо учитывать степень влияния каждого из элементов. Для успешного построения компьютерной модели очень важен системный подход, при котором рассматриваемый объект представляется как единый технологический комплекс, состоящий из тесно взаимодействующих между собой систем. Каждая система, в свою очередь, может быть представлена более простыми элементами тесно связанными друг с другом [7], [8].

Каждый анализируемый объект, можно представить в виде иерархии слоёв. Верхний слой определяет модель с конечными свойствами, каждый следующий слой детализирует вышележащий, выполняя для него некоторый набор функций. Межслойные взаимодействия подчиняются строгим правилам. Связи внутри слоя могут быть произвольными. Отдельный модуль слоя L(i) может полностью описывать требуемое свойство или по следующим вариантам: обратиться только к слою L(i –1); обратиться к некоторой команде определенного слоя L(q), который выполняет требуемую функцию (i – 2<= q <= 0); обратиться к любому последующему слою L(s), (i – 2 <= s <= 0). Между уровнями можно организовать четкий интерфейс. Модель описывается методом «сверху вниз», а реализовывается методом «снизу вверх». Уровни реализуются в соответствии с их порядком, начиная с простейшего и далее вверх.

Центральным понятием системного анализа является система, под которой подразумевается изучаемый объект, взаимодействующий с окружающей средой и обладающий определённым строением, состоящим из некоторого числа элементов. Каждый элемент системы – самостоятельная и условно неделимая единица [9].

Математическая модель позволяет отобразить связь между элементами системы, отобразив связи между входными и выходными переменными системы, параметрами её состояния и входными управляющими и возмущающими воздействиями. Если система сложная, то она обычно формализуется как детерминированно-стохастическая модель.

Разработка и применение компьютерных моделей все еще в большей степени искусство, нежели наука. Следовательно, как и в других видах искусства, успех или неудача определяется не столько методом, сколько тем, как он применяется. Искусством моделирования могут овладеть те, кто обладает оригинальным мышлением, изобретательностью и находчивостью, равно как и глубокими знаниями систем и физических явлений, которые необходимо моделировать [10].

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Норенков И.П. Информационные технологии в образовании / Норенков И.П., Зимин А.М. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 352 с.
2. Трухин А.В. Анализ существующих в РФ тренажёрно-обучающих систем / А.В. Трухин // Открытое и дистанционное образование. – 2008 - № 1. - С. 32-39.
3. Абрамов А.Е. Использование тренажёров при подготовке инженерных кадров [Электронный ресурс] / Абрамов А.Е. // Современная техника и технологии. - 2014. - № 10. - URL: http://technology.snauka.ru/2014/10/4565 (дата обращения: 26.05.2018).
4. Кануков С. Использование энергосберегающих виртуальных тренажеров в процессе подготовки специалистов инженерных специальностей / С. Кануков, А. Хатагов // Информационные ресурсы России. №1 – 2014 – С. 27-29
5. Система «Человек - машина». Тренажеры. Термины и определения. 1976. Москва: Изд-во стандартов, 1976. ГОСТ 26387-84
6. Дворецкий Д.С. Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем: Учеб. пособие / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.И. Муратова и др. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. -  80 с.
7. Низамиев А. Ю. Оптимизация современного производства на основе компьютерного моделирования технологических процессов / А. Ю. Низамиев, А. А. Саетшин, З. Т. Валишина и др. // Вестник Технологического Университета – 2017 - Т.20. - №6 - С. 121-123
8. Хакимзянов Г. С. Математическое моделирование: В 2 ч.: Учеб. пособие. Ч. 1: Общие принципы математического моделирования / Хакимзянов Г. С., Чубаров Л. Б., Воронина П. В. - Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2010. - 148 с.
9. Аксенова Е.А. Методология моделирования технологических объектов пищевых производств / Аксенова Е.А., Зверева В.В.// «XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс»: Периодическое научное издание. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2016. – №05(33). – 144 с
10. Дворецкий С.И. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования: Учеб. пособие/ Дворецкий С.И., Егоров А.Ф., Дворецкий Д.С.  -  Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та - 2003 - 224 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Norenkov I.P. Informatsionnyye tekhnologii v obrazovanii [Information Technologies in Education] / Norenkov I.P., Zimin A.M. – Moscow: Bauman MSTU, 2004. – 352 p. [in Russian]
2. Trukhin A.V. Analiz imeyushchikhsya v RF trenazhorno-obuchayushchikh sistem [Analysis of Existing Simulator-Training Systems in Russia] / A.V. Trukhin // Open and distance education. – 2008 – No. 1. – P. 32-39. [in Russian]
3. Abramov A.E. Ispol'zovaniye trenazhorov pri podgotovke inzhenernykh kadrov [Use of Simulators in Preparation of Engineering Personnel] [Electronic resource] / Abramov A.E. // Modern Technics and Technology. - 2014. – No. 10. – URL: http://technology.snauka.ru/2014/10/4565 [in Russian]
4. Kanukov S. Ispol'zovaniye energosberegayushchikh virtual'nykh trenazherov v protsesse podgotovki spetsialistov inzhenernykh spetsial'nostey [Using Energy-saving Virtual Simulators During Process of Training Specialists in Engineering Specialties] / S. Kanukov, A. Khatagov // "INFORMATION RESOURCES OF RUSSIA" – No. 1 – 2014 – P. 27-29 [in Russian]
5. "Man-Machine" System. Training Apparatus. Terms and Definitions. 1976. Moscow: Publishing Standards, 1976. GOST 26387-84 [in Russian]
6. Butler D.S. Komp'yuternoye modelirovaniye biotekhnologicheskikh protsessov i sistem: Ucheb. posobiye [Computer Simulation of Biotechnical Processes and Systems: Textbook] / D.S. Butler, S.I. Butler, E.I. Muratov, et al. - Tambov: Publishing house of Tamb. state. tech. University, 2005. – 80 p. [in Russian]
7. Nizamiev Yu. Optimizatsiya sovremennogo proizvodstva na osnove komp'yuternogo modelirovaniya tekhnologicheskikh protsessov [Optimization of Modern Production on Basis of Computer Simulation of Technological Processes / A. Yu. Nizamiev, AA Saetshin, ZT Valishina, et. al. // Bulletin of Technological University – 2017 – V.20. – No. 6 – P. 121-123 [in Russian]
8. Khakimzyanov G.S. atematicheskoye modelirovaniye: V 2 ch.: Ucheb. posobiye. CH. 1: Obshchiye printsipy matematicheskogo modelirovaniya [Mathematical modeling: In 2 Parts: Textbook. Part 1: General Principles of Mathematical Modeling] / Khakimzyanov G.S., Chubarov L.B., Voronina P.V. – Novosib. state. un-t. Novosibirsk, 2010. – 148 p. [in Russian]
9. Aksenova E.A. Metodologiya modelirovaniya tekhnologicheskikh ob"yektov pishchevykh proizvodstv [Methodology of Technological Objects Simulation in Food Production] / Aksenova EA, Zvereva V.V. // "XXI century: results of the past and problems of the present plus": Periodical scientific publication. - Penza: Publishing house Penza. state. technol. Univ., 2016. – No. 05 (33). – 144 p. [in Russian]
10. Dvoretsky S.I. Komp'yuternoye modelirovaniye i optimizatsiya tekhnologicheskikh protsessov i oborudovaniya: Ucheb. posobiye [Computer Simulation and Optimization of Technological Processes and Equipment: Textbook] / Dvoretsky S.I., Egorov A.F., Dvoretsky D.S. – Tambov: Publishing house of Tamb. state. tech. University – 2003 – 224 p. [in Russian]