книги / Автоматизированное управление формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок с применением компьютерных тренажеров
..pdf
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.4 |
|
|
|
|
|
Структура упражнения на перенос груза путем изменения угла поворота стрелы |
|||||
|
|
№ |
|
Номер и название |
|
Выполняемые |
|
Наблюдаемые результаты |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
п/п |
|
учебной задачи |
|
обучаемым действия |
|
действий обучаемого |
|
|
|
1 |
|
Занять рабочее место |
|
Оператор занимает рабочее место |
|
Оператор находится в кресло-пульте трена- |
|
|
|
|
|
(кресло-пульт) |
|
|
|
жера |
|
|
|
2 |
|
Проверить на начальное положе- |
|
Перевести назад до упора рычаг управ- |
|
Отключается механизм блокировки электро- |
|
|
|
|
|
ние органов управления |
|
ления подъемом, далее 3 хода вперед |
|
питания на кресло-пульте, аналогично кресло- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пульту реального крана |
|
|
|
3 |
|
Включить электропитание |
|
Нажать на кнопку электропитания |
|
Происходит имитация включения электропи- |
|
|
|
|
|
кресло-пульта тренажера |
|
|
|
тания, которое подается на кресло-пульт на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реальном кране |
|
|
|
4 |
|
Поднять подвешенный крюк |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. |
|
Подвешенный крюк начинает подниматься. |
|
|
|
|
|
на 4 метра от земли |
|
Перевести назад рычаг управления ме- |
|
Когда крюк совпадет с зоной перемещения, |
|
|
|
|
|
|
|
ханизмом подъема. |
|
он будет подсвечен зеленым |
|
|
|
|
|
|
|
Довести подвешенный крюк до подсве- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ченной красным цветом зоны |
|
|
|
|
|
5 |
|
Остановить механизм подъема |
|
Перевести вперед рычаг управления |
|
Рычаг управления подъемом в нулевом поло- |
|
|
|
|
|
на заданной высоте и задержать |
|
подъемом |
|
жении. |
|
|
|
|
|
на 3–5 секунд, дождавшись оста- |
|
|
|
Подвешенный крюк находится в заданной |
|
|
|
|
|
новки колебаний крюка |
|
|
|
зоне перемещения. Подсветка зоны снимает- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ся. На специальной площадке под крюком |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
появится изображение груза – контейнера |
|
|
|
6 |
|
Опустить подвешенный крюк до |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. |
|
При попадании крюком в зону перемещения |
|
|
|
|
|
подсвеченной красным зоны |
|
Перевести вперед рычаг управления |
|
произойдет смена подсветки красного на зе- |
|
|
|
|
|
|
|
подъемом |
|
леный. Контейнер (груз), находящийся на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
специальной площадке, будет сцеплен с крю- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ком автоматически (произойдет имитация |
|
111 |
|
|
|
|
|
|
|
сцепки груза стропальщиком) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
111 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
112
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 3.4 |
|
|
№ |
|
Номер и название |
|
Выполняемые |
|
Наблюдаемые результаты |
|
|
|
|
|
|
||||
|
п/п |
|
учебной задачи |
|
обучаемым действия |
|
действий обучаемого |
|
|
7 |
|
Поднять подвешенный груз при- |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. |
|
Подвешенный на крюке груз начинает под- |
|
|
|
|
мерно на 3–4 метра от земли |
|
Перевести назад рычаг управления ме- |
|
ниматься. Когда груз совпадет с зоной пере- |
|
|
|
|
|
|
ханизмом подъема. Довести груз до |
|
мещения, он будет подсвечен зеленым |
|
|
|
|
|
|
красной зоны |
|
|
|
|
8 |
|
Остановить механизм подъема на |
|
Перевести вперед рычаг управления |
|
Рычаг управления подъемом в нулевом поло- |
|
|
|
|
этой высоте и задержать на 3–5 |
|
подъемом |
|
жении, подвешенный груз в заданной зоне. |
|
|
|
|
секунд, для остановки колебания |
|
|
|
Подсветка будет снята. На специальной пло- |
|
|
|
|
крюка |
|
|
|
щадке слева, в 10 метрах, появится подсве- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ченная красным зона |
|
|
9 |
|
Повернуть стрелу крана влево |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. |
|
Подвешенный на крюке груз начнет переме- |
|
|
|
|
|
|
Перевести влево рычаг управления по- |
|
щаться влево до вертикальной оси подсвечен- |
|
|
|
|
|
|
воротом. |
|
ной красным зоны |
|
|
|
|
|
|
Довести груз до вертикальной оси под- |
|
|
|
|
|
|
|
|
свеченной красным зоны |
|
|
|
|
10 |
|
Остановить механизм поворота и |
|
Нажать на педаль тормоза поворота. |
|
Рычаг управления поворотом в нулевом по- |
|
|
|
|
задержать груз на 5–10 с на высо- |
|
Перевести вправо рычаг управления |
|
ложении, подвешенный груз над подсвечен- |
|
|
|
|
те, для остановки колебаний |
|
поворотом. |
|
ной красным зоной |
|
|
|
|
|
|
Отпустить педаль тормоза поворота |
|
|
|
|
11 |
|
Опустить груз на землю |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. |
|
Подвешенный груз начнет опускаться. Как |
|
|
|
|
|
|
Перевести вперед рычаг управления |
|
только груз совпадет с зоной перемещения, он |
|
|
|
|
|
|
подъемом. |
|
будет подсвечен зеленым, т.е. груз установлен |
|
|
|
|
|
|
Довести груз до подсвеченной красным |
|
на платформу |
|
|
|
|
|
|
зоны на платформе |
|
|
|
|
12 |
|
Остановить механизм спуска |
|
Перевести вперед рычаг управления |
|
Рычаг управления подъемом в нулевом поло- |
|
|
|
|
|
|
подъемом |
|
жении. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Произойдет автоматическая расцепка груза |
|
|
|
|
|
|
|
|
(имитация расцепки груза стропальщиком) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
112
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. 3.4 |
|
|
|
№ |
|
Номер и название |
|
Выполняемые |
|
Наблюдаемые результаты |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
п/п |
|
учебной задачи |
|
обучаемым действия |
|
действий обучаемого |
|
|
|
13 |
|
Поднять подвешенный крюк |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. Пе- |
|
Подвешенный крюк начинает подниматься. |
|
|
|
|
|
|
|
ревести назад рычаг управления механиз- |
|
Когда крюк совпадет с зоной перемещения, |
|
|
|
|
|
|
|
мом подъема. Довести подвешенный крюк |
|
он будет подсвечен зеленым светом |
|
|
|
|
|
|
|
до красной подсвеченной зоны |
|
|
|
|
|
14 |
|
Остановить механизм подъема |
|
Перевести вперед рычаг управления |
|
Рычаг управления подъемом в нулевом поло- |
|
|
|
|
|
на этой высоте и задержать на |
|
подъемом |
|
жении, подвешенный крюк находится в за- |
|
|
|
|
|
3–5 секунд, для остановки коле- |
|
|
|
данной зоне. Подсветка снимается. Изобра- |
|
|
|
|
|
бания крюка |
|
|
|
жение груза на платформе исчезнет. На спе- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
циальной площадке справа в 10 метрах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
появится подсвеченная красным зона |
|
|
|
15 |
|
Повернуть стрелу крана вправо |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. |
|
Подвешенный на крюке груз начинает пере- |
|
|
|
|
|
|
|
Перевести вправо рычаг управления пово- |
|
мещаться вправо до вертикальной оси под- |
|
|
|
|
|
|
|
ротом. |
|
свеченной красным цветом зоны |
|
|
|
|
|
|
|
Довести груз до вертикальной оси подсве- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ченной красным зоны |
|
|
|
|
|
16 |
|
Остановитьмеханизмповоротаи |
|
Нажать на педаль тормоза поворота. Пере- |
|
Рычаг управления поворотом в нулевом по- |
|
|
|
|
|
задержатьгрузна5–10 снавысо- |
|
вести влево рычаг управления поворотом. |
|
ложении, подвешенный груз над подсвечен- |
|
|
|
|
|
те, дляостановкиколебаний |
|
Отпустить педаль тормоза поворота |
|
ной красным зоной |
|
|
|
17 |
|
Опустить подвешенный крюк |
|
Нажать на кнопку звукового сигнала. Пе- |
|
Подвешенный крюк начнет опускаться. При |
|
|
|
|
|
до подсвеченной красным зоны |
|
ревести вперед рычаг управления подъе- |
|
попадании в зону перемещения, он подсвечи- |
|
|
|
|
|
|
|
мом. Довести крюк до подсвеченной крас- |
|
вается зеленым, т.е. крюк установлен на |
|
|
|
|
|
|
|
ным зоны |
|
платформу |
|
|
|
18 |
|
Остановить механизм подъема |
|
Перевести вперед рычаг управления подъ- |
|
Рычаг управления подъемом в нулевом поло- |
|
|
|
|
|
|
|
емом |
|
жении |
|
|
|
19 |
|
Выключить электропитание |
|
Нажать на кнопку электропитания |
|
Происходит имитация выключения электро- |
|
|
|
|
|
кресло-пульта тренажера |
|
|
|
питания, которое подается на кресло-пульт на |
|
113 |
|
|
|
|
|
|
|
реальном кране |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
113 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.5
Показатели качества, вычисляемые в ходе выполнения упражнения
№ |
Показатель |
Способ расчета |
Единица |
п/п |
качества |
показателя качества |
измерения |
1 |
Точность уста- |
Вычисляется отклонение груза относи- |
% от радиуса |
|
новки груза |
тельно центра специальной площадки |
платформы |
2 |
Плавность ус- |
Рывок – перемещение рычага подъема с |
Наличие или |
|
тановки груза |
0 положения до 2 или 3. |
отсутствие |
|
|
Опускание груза на спец. площадку – |
рывка |
|
|
более чем на 1 ход вперед положения |
|
|
|
рычага подъема |
|
3 |
Отклонение от |
Вычисляется разница между достигну- |
Метры |
|
требуемой вы- |
той высотой и центром подсвеченной |
|
|
соты подъема |
зоны |
|
4 |
Плавность по- |
Вычисляется угол отклонения груза от |
Градусы |
|
ворота стрелы |
вертикальной оси стрелы |
|
|
крана |
|
|
5 |
Число аварий- |
Вычисляется число различных аварий- |
Безразмерная |
|
ных ситуаций |
ных ситуаций: соударения, столкновения |
величина |
|
|
и т.п. |
|
6 |
Время подъема |
Вычисляется время выполнения обучае- |
Секунды |
|
крюка |
мым подъема крюка |
|
7 |
Время подъема |
Вычисляется время выполнения обучае- |
Секунды |
|
груза |
мым подъема груза |
|
8 |
Время опуска- |
Вычисляется время выполнения обучае- |
Секунды |
|
ния крюка |
мым опускания крюка |
|
9 |
Время опуска- |
Вычисляется время выполнения обучае- |
Секунды |
|
ния груза |
мым опускания груза |
|
10 |
Время останов- |
Вычисляется время выполнения оста- |
Секунды |
|
ки механизма |
новки механизма подъема |
|
|
подъема |
|
|
11 |
Время поворота |
Вычисляется время выполнения обучае- |
Секунды |
|
стрелы крана |
мым поворота стрелы крана |
|
12 |
Время останов- |
Вычисляется время выполнения оста- |
Секунды |
|
ки механизма |
новки механизма поворота |
|
|
поворота |
|
|
Также создан аналогичный учебный курс для подготовки операторов перегрузочной машины специального назначения [110]. Особенностью данного курса является учет большого чис-
114
ла нарушений техники безопасности при выполнении упражнений: недопустимый рывок груза при его отрыве от поверхности; пропуск обязательного контрольного останова груза при его подъеме; удар груза о препятствие при его переносе; удар груза при его установке; чрезмерное отклонение каната от вертикали; превышение допустимой ошибки при установке груза; чрезмерно быстрое опускание груза; высокая горизонтальная скорость груза при его установке.
Рис. 3.14. Диаграмма деятельности UML для отдельной учебной задачи
115
Хорошо зарекомендовала себя методика чередования обучения на КТК с закреплением навыков на реальных перегрузочных машинах [7]. После формирования у обучаемого очередных операторских навыков по результатам работы на КТК рекомендуется повторение обучаемым упражнения на реальной перегрузочной машине. У обучаемого в реальной рабочей обстановке происходит формирование и закрепление правильной психологической модели управляемой системы. Время обучения на реальной перегрузочной машине, согласно данным исследований [7], значительно сокращается и составляет не более30 % отобщего времениобучения.
3.8. Анализ результатов работы оператора до и после внедрения подсистемы управления формированием навыков
Предлагается экспериментальное обоснование эффективности применения КТК оператора перегрузочной машины как средства формирования сенсомоторных навыков (в частности для определенной версии КТК, комплекса упражнений и/или методики обучения на КТК). Методика проведения подобного эксперимента основана на применении методов математической статистики и изложена в работе академика РАН Д.А. Новикова [96].
Предположим, что собраны две группы обучаемых: экспериментальная и контрольная, каждая по 20 человек. Обе группы успешно прошли тестирование знаний по окончании теоретического этапа обучения.
Первая (контрольная) группа обучалась на КТК перегрузочной машины, в котором система управления формированием сенсомоторных навыков не была реализована. Вторая (экспериментальная) группа обучалась на КТК с реализованной в виде программных модулей системой управления [145, 146].
По завершении практического этапа обучения в ходе проведения эксперимента каждый из обучаемых совершил перенос груза 5 раз. Таким образом, в каждой группе совершено по 100 переносов грузавходевыполненияконтрольного упражнения на КТК.
116
Следует проанализировать результаты формирования сенсомоторных навыков у обучаемых экспериментальной и контрольной групп по таким показателям, как:
–время выполнения технологической операции, с;
–точность установки груза (отклонение груза относительно центра специальной площадки), % от радиуса платформы;
–плавность поворота стрелы крана (угол отклонения груза от вертикальной оси стрелы), градусы.
Оператор даже при неизменных внешних условиях не может подряд точно повторять свои действия [7]. Можно сказать, что действие оператора при каждом управлении носит в известной степени случайный характер. Показатели его работы имеют всегда некоторый разброс. Следовательно, качество и эффективность работы оператора можно оценивать только по средним статистическим данным [147], а опыты в одних и тех же условиях необходимо многократно повторять.
Для каждого из трех показателей, перечисленных выше, по-
лучены следующие данные (Приложение В): x = (x1, x2 , x3 ,..., x100 ) – выборка для экспериментальной группы, y = ( y1, y2 , y3 ,..., y100 ) –
выборка для контрольной группы, где xi ( i =1,100 ) и y j
( j =1,100 ) – элементы выборки, т.е. значения, полученные в ходе
эксперимента. Таким образом, всего получено по 300 элементов для экспериментальной и для контрольной группы.
Выявлено преимущество подготовки операторов экспериментальной группы:
–для контрольной группы средняя длительность выполнения технологической операции (переноса груза) составила 61,2 с, а для экспериментальной– 49,5 с, т.е. сократиласьпримернона19 %;
–для контрольной группы среднее отклонение груза относительно центра специальной площадки составило 12,6 % от радиуса платформы, а для экспериментальной – 8,8 %, т.е. сократилось примернона30 % (тем самымувеличилась точностьустановкигруза);
117
– для контрольной группы средний угол отклонения груза от вертикальной оси стрелы составил 16,9°, а для экспериментальной – 10,9°, т.е. сократился примерно на 36 % (тем самым увеличилась плавность поворота стрелы крана).
Для того чтобы обосновать различие состояний контрольной и экспериментальной групп по завершении практического этапа обучения, целесообразно использовать статистический критерий Крамера– Уэлча, поскольку данные измерены в шкалеотношений [96].
Эмпирическое значение критерия Крамера – Уэлча рассчитано на основании информации об объемах M и N выборок x и y,
выборочных средних x и y, выборочных дисперсиях Dx и Dy
сравниваемых выборокдля каждогоизтрех показателей:
– для времени выполнения технологической операции:
T |
= |
M N |
x |
− |
y |
|
|
= |
|
100 100 |
|
|
|
49,5 − 61,2 |
|
|
≈ 10,53; |
|||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
эмп. |
|
M Dx + N Dy |
|
|
100 30,9 + 100 90,8 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
– для точности установки груза: |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
T |
= |
M N |
x |
− |
y |
|
|
= |
|
100 100 |
|
8,8 − 12,6 |
|
|
≈ 7,86; |
|||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
эмп. |
|
M Dx + N Dy |
|
|
100 9,2 + 100 14,9 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
– для плавности поворота стрелы крана:
T |
= |
M N |
x |
− |
y |
|
|
= |
100 100 |
|
10,9 − 16,9 |
|
|
≈ 11,38. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
эмп. |
|
M Dx + N Dy |
|
100 8,0 + 100 19,7 |
||||||||||
|
|
|
Вычисленное значение критерия в каждом случае Tэмп. > 1,96,
поэтому достоверность различий характеристик контрольной и экспериментальной групп после окончания эксперимента составляет 95 %.
Таким образом, начальные (до начала эксперимента) состояния экспериментальной и контрольной групп совпадают, а конечные
118
(после окончания эксперимента) – различаются. Следовательно, можно сделать вывод, что эффект изменений обусловлен применением в процессе профессиональной подготовки разработанного КТК с соответствующими программными модулями [148] системы управленияформированием сенсомоторныхнавыков.
3.9. Технология создания тренажерных комплексов для обучения операторов
Предложенная математическая модель может быть использована при создании КТК для операторов различных технологических установок с учетом возможных доработок, связанных со спецификой данных процессов.
В процессе проектирования КТК должны быть учтены во взаимосвязи [7]: технология осуществления работ, особенности машины как объекта управления человеком, требования к тренажеру, основы методики обучения, пути технической реализации требований. В случае принятия положительного решения о создании нового КТК производится:
–определение базовых марок машин для придания соответствующих свойств тренажерам;
–выявление наиболее характерных технологических ситуаций в работе операторов;
–изучение характера деятельности операторов в реальных условиях;
–анализ рабочего места оператора, органов управления машиной, основных параметров машины как объекта управления;
–анализ воспринимаемой и используемой оператором при работе информации;
–формулирование требований к работе оператора и его подготовке.
Это дает возможность предъявить основные требования к КТК и к методике обучения на нем, определить роль инструктора. В итоге разрабатывается техническое задание на КТК.
119
Перед проектированием макета КТК необходимо [7]:
–определить целесообразный уровень упрощения динамической модели машины, а также информационной модели технологической ситуации;
–определить базовые технологические ситуации для отработки навыков, набор упражнений с различными сценариями, уровнем сложности, оцениваемыми показателями качества;
–выбрать систему оценок для определения уровня подготовленности обучаемого.
Далее производятся техническая реализация макета КТК, его наладка, тестирование, определение надежности отдельных компонентов и КТК в целом. На макете производится анализ соответствия аналоговой модели машины и информационной модели натурным условиям и задачам обучения.
С помощью макета КТК осуществляется [7]:
–разработка проекта методики обучения на КТК совместно
собучением на реальной машине;
–проведение на нескольких группах обучаемых сравнительного обучения на тренажере и без него.
После этого по результатам обучения при необходимости выполняется корректировка методики и внесение добавлений и исправлений в конструкцию макета КТК.
Затем следуют завершающие этапы разработки: опытная эксплуатация макета КТК с анализом результатов и разработка опытной серии КТК.
Применение КТК, основанных на разработанной математической модели системы управления, востребовано на начальном этапе формирования компетенций [149, 150] у будущих операторов с целью безопасного формирования необходимых сенсомоторных навыков, исключающего травмы обучаемых, поломку оборудования и другие негативные последствия.
120