Тренажерные технологии: тренажеры, симуляторы (имитаторы), обучающие системы, имитационное моделирование, тренажеростроение
Слово "тренажер" - это явный неологизм, продукт 20-го века, хотя само понятие, которое в нем заключено - некое устройство для обучения человека и создания у него определенных навыков, применялось, наверняка, еще на заре цивилизации. При этом в доиндустриальном обществе тренировка осуществлялась, в основном, по принципу - "делай как я", хотя, если напрячь фантазию и освежить в памяти литературные и иные источники, можно представить "приспособления", которые использовались нашими далекими и не очень далекими предками для воспитания и обучения. В первую очередь это, конечно, куклы, которые сопровождают человечество со времен Адама и Евы. Не забывались и животные, в частности Милоном Кротонским, который для развития силы носил на плечах теленка, а тот рос, рос… В ратном деле древние, желая сохранить во здравии своих воинов, использовали в тренировках деревянные мечи и копья с затупленными наконечниками, а позднее появились макивары, которые уже можно смело назвать функционально замкнутыми тренажерами. Современный киногерой проводил подготовку к операции "Ы" с использованием гипсовых кошечек, а небезызвестный песенный дед что только не придумывал для полноценного тренировочного процесса своей милой голубки.
Тренажеры в современном понимании могли появиться и появились только в индустриальном обществе, когда возникла необходимость массовой подготовки специалистов для работы либо на однотипном оборудовании, либо со схожими рабочими действиями, и уж, конечно, в первую очередь для военных нужд. Но только в последней четверти уходящего века с потрясающе быстрой компьютеризацией мирового сообщества, с созданием сложнейшей техники, эксплуатация которой связана с риском для жизни не только одного человека, но и человечества в целом, возникла целая индустрия - тренажерные технологии.
Тренажерные технологии сегодня - это не только спортивные тренажеры, с которыми в основном связано это понятие в общепринятом восприятии, это сложные комплексы, системы моделирования и симуляции, компьютерные программы и физические модели, специальные методики, создаваемые для того, чтобы подготовить личность к принятию качественных и быстрых решений, что станет весьма серьезной задачей и даже проблемой в 21 веке.
В современных тренажерах и в программах подготовки и обучения, на них основанных, закладываются принципы развития практических навыков с одновременной теоретической подготовкой, т. е. тренажер способен развиваться вместе с обучаемым. Реализация такого подхода стала возможна в связи с бурным развитием и удешевлением электронно-вычислительной техники и прогрессом в области создания машинного зрения, виртуальной реальности и т. п. На базе этих технологий разработаны многочисленные тренажеры для военного применения, позволяющие имитировать боевые действия с высочайшей детальностью в реальном времени, создано множество приложений технологии виртуальной реальности для медицины, позволяющих проводить операции электронному пациенту с высокой степенью достоверности и т. д. и т. п., при этом области применения тренажерных технологий постоянно расширяются.
Но "дым отечества нам сладок" и потому нашим сердцам ближе, конечно же, Российские тренажеры, которые, на наш взгляд, занимают вполне достойное место в мировой индустрии тренажерных технологий. Конечно, что касается технологий, нашей стране еще очень далеко до планеты всей, но наличие достаточно большого и современного парка компьютерной техники, хороших программистов и неплохих специалистов в различных отраслях промышленности создает возможность вполне равноправного существования Российского тренажеростроения. Есть и у нас чем похвастаться, а уж, если государство начнет инвестировать…
Какие бы задачи не стояли перед конкретной тренажерной системой ее разработчики вынуждены иметь дело с общими свойствами человеческого мышления и восприятия, поэтому интересные методы и новые конструктивные решения, выработанные в одной области деятельности, могут с успехом применяться и в других, порой совершенно, казалось бы, далеких по задачам и целям. Поэтому мы надеемся, что наш сайт, который будет охватывать широкое межведомственное информационное поле тренажерных технологий, будет не только интересен, но и полезен для Вас.
Уровень технологической базы всегда играл доминирующую роль в развитии любого государства. Для большинства стран рывок в индустриальном развитии в первую очередь связывался, особенно при дефиците природных ресурсов (Япония, Корея и т. п.), и связывается в настоящее время с возможностью доступа к передовым технологиям. По мере выработки природных ресурсов значение технологического уровня производства и квалификация специалистов - носителей технологии все более и более возрастает. Даже для России с ее неистощимыми богатствами возможность преодоления затянувшегося кризиса, как представляется, немыслима без подготовки огромного количества высококлассных специалистов, способных воспринимать и развивать самые современные технологии.
Развитие индустриального общества делает процесс подготовки и постоянного повышения квалификации специалистов все дороже и дороже. На первое место выходят как проблемы доучебного тестирования и отсева кандидатов (профориентация), так и всемерное удешевление процесса подготовки при сохранении приемлемой эффективности. Даже Министерство обороны США, ссылаясь на недостаточный объем финансирования, в последнее время широко внедряет систему дистанционного обучения с использованием сети Internet.
По мнению Haskett consulting inc. (HCI): "Люди запоминают 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат и 70 % того, что они видят, слышат и делают". Понятно, что необходимым элементом эффективного обучения являются постоянные тренировки.
Исторически тренажерные технологии возникли и получили наибольшее развитие там, где ошибки при обучении на реальных объектах могут привести к чрезвычайным последствиям, а их устранение - к большим финансовым затратам: в военном деле, медицине, ликвидации последствий стихийных бедствий, в атомной энергетике, авиации и космосе.
По мере развития и удешевления тренажерные технологии начинают проникать и в другие отрасли: портовое и крановое хозяйство, авто и судовождение, рыболовный флот, педагогику и прочее. Особняком стоят физкультура и спорт, где исторически применение "неинтеллектуальных" тренажеров опередило все другие отрасли; в настоящее время эта область влилась в общее русло развития тренажерных технологий, в частности, появились "интеллектуальные" методики типа электромиостимуляции, интенсивно развиваются методы контроля эффективности процесса подготовки (диагностика) и т. п.
Физкультура не относится к области специальной подготовки, но являясь по сути тренажерной технологией, необходима для развития общих психо-физических человеческих качеств как в раннем возрасте, так и в доспециальной подготовке к трудовой деятельности: выносливости, скорости реакции, памяти, скорочтения - вплоть до "экстрасенсорной перцепции".
Тренажерные технологии к настоящему времени сформировались в успешно развивающуюся отрасль мировой индустрии. Среди наиболее известных мировых лидеров можно назвать:
Raytheon Training, США
Представляет собой мощную организацию по интегрированным экспертным системам и управлению, обеспечивающую нужды подготовки специалистов и тренировочные продукты/услуги для военных и коммерческих организаций во всем мире. Успешно работает по заказам НАСА, министерства обороны США и т. д. В области тренажеров управления воздушным движением - главный поставщик систем и оборудования по всему миру.
Thomson Training & Simulation, Великобритания, США, Франция
Компания предоставляет возможности профессиональной подготовки военных специалистов в современных условиях, разрабатывает концепции военного обучения в будущем, проводит оценку систем вооружения и возможностей их развития.
|
|
|
|
|
|
Корабельный тренажер
|
Вертолетный симулятор
|
Танковый тренажер
|
Авиационный симулятор
|
Авиационный тренажер
|
Компания предлагает полный спектр товаров и услуг по летной подготовке, включая систему компьютерных тренировок, настольные тренажеры, летные тренажеры, тренажеры по эксплуатации, полномасштабные полетные имитаторы, кабинные тренажеры для экипажа.
Thomson Training & Simulation играет основную роль в производстве тренажерных систем Eurofighter ASTA (Aircrew Synthetic Training Aids), использующих имитационные модели Eurofighter. Совместная компания образована с участием Indra, Испания, Meteor, Италия и ARGE STN-Atlas/CAE GmbH, Германия по заказу Daimler-Benz Aerospace AG (Dasa, Munich) в интересах пилотов этих четырех стран. Предполагаемое общее количество комплексных тренажеров превышает 30 шт.
Имея более, чем полувековой опыт, Thomson Training & Simulation является лидером среди мировых производителей тренажеров для гражданской авиации. Компания ввела в эксплуатацию свыше 370 полномасштабных полетных тренажеров - больше любого другого производителя.
Среди производимой продукции тренажеры управления механизмами, подводными лодками, тренажеры для обучения командного состава, имитаторы корабельных рубок.
Thomson Training & Simulation поставляет тренажеры для твердотопливных и ядерных электростанций. Более, чем за 20 лет были созданы 72 тренажерных комплекса в Европе, Южной Америке, Африке и на Дальнем Востоке для операторов, работающих на электростанциях Framatome, Siemens и Westinghouse.
|
|
|
|
Тренажер для гражданской авиации
|
Тренажер водителя
|
Тренажер операторов электростанций
|
Lockheed Martin, США
Среди выпускаемой продукции:
· Тренажеры для водителей боевых машин, имитирующие все типы ландшафта и различные погодные факторы в условиях сбоев оборудования и огня противника;
· Лазерные тренажеры для операторов противотанковых управляемых снарядов TOW и Dragon (большое количество их поставлено в армии США, Канады, Дании и Саудовской Аравии);
· Безопасные для глаз лазерные имитаторы стрельбы;
· Летные тренажеры;
· Тренажеры для операторов авиационных и танковых систем вооружения.
Wicat Europe, Франция
Самолетные симуляторы - полет, обслуживание и проч.
Drake Electronics Limited, Великобритания
Симуляторы танков, самолетов.
MedSim Advanced Medical Simulations, Ltd
В компании создан очень реалистичный и постоянно совершенствуемый медицинский тренажер MedSim Patient Simulator для отработки навыков диагностики и соответствующих действий медицинского персонала. Например, глазные веки открыты, закрыты или моргают в зависимости от состояния "пациента", зрачки соответственно реагируют на свет (имитация травмы головы); происходят движения рук при стимулировании бессознательного "пациента", непроизвольные движения рук (имитация травмы рук).
Тренажерные технологии создаются и в России.
Разрабатываются тренажеры ядерных электростанций, военного назначения, авиационные (Пензенский государственный университет, ГосНИИ АС, авиатренажеростроительные фирмы ЭРА и ПКБМ) и железнодорожные (например, Исследовательский Центр " СПЕКТР" МПС России). В последнее время сфера интересов разработчиков расширилась: появились тренажеры для лоцманов, рыболовецкого флота (http://www. /eng/sokolov/simulator. htm) и даже для художественного проектирования. Наиболее конкурентны - тренажеры для персонала ядерных электростанций.
Если первые тренажеры более походили на физические макеты реальных объектов (конструктивно "жесткие" тренажеры - Constructive Simulations), то в последние годы в них все шире используются компьютерные имитационные модели объектов, процессов и т. п. (конструктивно "гибкие" перестраиваемые тренажеры - Reconfigurable Simulators). Так, изделия фирмы Raytheon Training все более основываются на имитационном моделировании. Почти десятилетие Raytheon Training развивает и внедряет гибкую технологию тренажера TIGER, или TI Generic Reconfigurable, которая представляет собой ядро технологии для общих модулей симуляторов и тренажеров.
Что представляет собой современный тренажер, работающий с высокой достоверностью и в реальном масштабе времени?
Тренажеры, разработанные, например, GSE Systems, используют высокоточные программные модели, реализуемые на моделирующем компьютере (или в DCS или SCADA системе) в реальном масштабе времени для отображения конкретного индустриального процесса типа перекачки топлива, сгорания нефти в печи, цепной реакции урана в ядерном реакторе и т. д. Тренажеры, как правило, включают в себя:
Моделирующий Компьютер
Моделирующий Компьютер может быть столь же прост, как персональный компьютер, или таким сложным, как многопроцессорный сверхсовременный мини-компьютер. Компьютер моделирования связан с интерфейсом оператора через систему ввода - вывода. Интерфейс оператора может состоять как из панелей управления и контроля, так и видеотерминалов и распределенной системы управления, обслуживающей видеотерминалы. В большинстве случаев физические свойства интерфейса оператора точно или в максимально приближенной степени соответствуют конкретному моделируемому процессу.
Имитационная Модель
Программные модели, используемые в имитационном компьютере, реалистично отображают взаимодействие компонентов и систем моделируемого процесса. S3 Технологии используют собственные программные продукты для проектирования и создания таких имитационных моделей. Эти программные продукты облегчают генерацию объектно-ориентированных кодов от графического интерфейса пользователя, позволяя инженерам S3 Технологий разрабатывать достоверные имитационные модели, работающие в реальном масштабе времени, быстро, точно и с низкой стоимостью.
Интерфейс Оператора
Интерфейс оператора позволяет стажеру или другому пользователю решать эксплуатационные задачи и манипулировать органами управления способом, идентичным используемому в реальном процессе. Динамический отклик тренажера практически идентичен отклику систем и компонентов реального процесса.
Станция Инструктора
На станции инструктора последний управляет работой тренажера выбором сценария тренировки и начальных состояний имитируемого процесса, вводя сбои моделируемого процесса или его компонентов либо изменяя условия окружающей среды.
Дополнительное Периферийное оборудование
Периферийное оборудование включает в себя принтеры, панели аварийной сигнализации и любое другое оборудование, необходимое для повышения реалистичности моделируемой окружающей обстановки или документирования процесса тренировки.
По мнению А. Сутормина требования к современным тренажерным системам и комплексам в настоящее время весьма жесткие и перекрыть все имеющиеся нужды средствами одной лишь компьютерной графики невозможно. Более того, ряд тренажерных систем просто необходимо комплектовать симуляторами перегрузок (ускорений, действующих на тело обучаемого). Это весьма очевидно, поэтому законченная современная тренажерная система должна включать в себя помимо средств "зрительной симуляции" средства "чувствительной (перегрузочной) симуляции". Любая реальная обстановка будь то для водителя, пилота, космонавта, танкиста или игрока звездных войн. Если обучаешь кого-нибудь на чисто компьютерных тренажерах, всегда есть и будет опасность подготовки не реальных, а "виртуальных специалистов", неспособных к профессиональному выполнению реальных задач.
Подчеркнем усилия по выработке количественных характеристик тренировочных упражнений вообще, что обеспечит способ определения итоговой готовности. Разработка и исследование методов количественной оценки в обучении вообще должны быть закончены как можно скорее, чтобы обеспечить при необходимости готовность к оценке новых современных имитационных программ.
Естественным развитием идеи компьютерных (computer-based) тренажеров является использование в них виртуальной окружающей среды (виртуальной реальности VR). Среди организаций, занимающихся использованием VR в обучении и тренажерных технологиях, можно назвать:
Air Force Institute of Technology's Graduate School of Engineering, Virtual Environments, 3D Medical Imaging, and Computer Graphics Laboratory
Исследования по разработке и внедрению интерактивной окружающей среды, 3-х мерных изображений в медицине, современных имитаторов для военных и медицинских целей.
Applied Technologies Lab
3-х мерные медицинские изображения.
California, University of San Diego, Applied Technologies Laboratory, Learning Resources Center
Эксперименты с системами виртуальной реальности в сочетании с мультимедийными образовательными ресурсами с целью использования VR в медицинском обучении.
East Carolina University, Virtual Reality and Education Laboratory (VREL)
VREL проекты включают исследование задач, которые могут использовать виртуальную реальность как метод или средство достижения, обеспечивают аннотируемую библиографию, выпуская ежеквартальный журнал VR in the Schools и разрабатывают имитационную модель взаимодействия преподаватель - студент.
VETL исследует применения виртуальной реальности в обучении и тренировках:
· Hands Across the Atlantic Общедоступная демонстрация виртуальной окружающей среды.
· Project ScienceSpace Серии управляемых экспериментов для оценки потенциального воздействия виртуальной реальности в научном образовании, проводимых совместными усилиями VETL в STB-VR Lab (Johnson Space Center) и George Mason University.
· The Hubble Space Telescope Mission VR сыграла существенную роль в восстановлении Hubble Space Telescope в космосе.
· Virtual Reality in Aerospace Training Исследование важной роли VR в подготовке астронавтов.
· Virtual Reality in Medicine Исследование потенциала виртуальной реальности в медицинских приложениях.
Istituto Trentino di Cultura (ITC)
Проект интерактивной классной комнаты предполагает использование виртуальной реальности в интерактивном процессе обучения, включая визуально - акустическую локализацию и сопровождение, видеоконференции, голосовой контроль, качество звука и видео и мультимедийный доступ.
Massachusetts Institute of Technology. MIT Media Lab
MIT's Media Laboratory проводит перспективные исследования в широком диапазоне информационных технологий, включая цифровое телевидение, голографическое отображение, компьютерную музыку, компьютер-видение, электронную публикацию, искусственный интеллект, проектирование интерфейса человек-машина, технологии образования.
· KidsRoomПолностью автоматизированное интерактивное игровое пространство - рассказчик, использующее перцептивную технологию распознавания компьютер - видения для создания виртуальной окружающей среды в реальном физическом пространстве детской спальни.
NASA: National Aeronautics and Space Administration. Intelligent Computer-Assisted Training (ICAT)
Этот исследовательский центр изучает разнообразные проекты с использованием виртуальной реальности, компьтеризированного обучения, решает вопросы передачи технологии и развития программного обеспечения.
Naval Postgraduate School
Высшая военно-морская школа - академическое учреждение, акцентирующее свою деятельность на образовательных и исследовательских программах в военно-морском флоте и других видах вооруженных сил.
Office of Training and Technology (OTT)
OTT - основной он-лайн ресурс военно-морского флота США для данных по технологиям подготовки и информации.
· Modeling & Simulation М&S используется для обучения навыкам, которые не могут быть реально получены в физической окружающей среде.
· Training Technologies Обеспечивает информацию о существующих тренажерных технологиях и их использовании, а также о конкретных лицах и агентствах, занимающихся использованием или внедрением новых технологий.
· Virtual Reality Page Обзор использований VR в военном и индустриальном обучении.
Science Application International Corporation (SAIC) research. Close Combat Tactical Trainer (CCTT)
CCTT - имитационная система, в которой различные моделируемые объекты отображают реальные боевые транспортные средства, системы вооружения, органы управления и контрольные приборы; все это объединено в сеть для интерактивной тренировки в реальном масштабе времени с целью выполнения коллективных задач в компьютерно генерируемом ландшафте.
| 
