способ автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическими процессами

Формула изобретения

Способ автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическими процессами, включающий использование компьютерной системы для формирования гибкого информационного пространства, снабженной базой знаний, предусмотривающей систематизацию причин и соответствующих им симптомов нарушений хода технологических процессов, устройством генерации причин, устройством генерации симптомов, устройством оценивания знаний и навыков обучаемого в режимах тренировки и экзамена, устройством настройки пользователем параметров оценивания знаний и навыков обучаемого, устройством протоколирования экзамена, интерфейсом обучаемого с устройством генерации причин, с устройством генерации симптомов и с устройством оценивания, интерфейсом пользователя с базой знаний, с устройством оценивания и с устройством протоколирования экзамена, отличающийся тем, что гибкое информационное пространство формируют путем пополнения пользователем базы знаний за счет обобщения известных типовых нарушений хода технологических процессов, анализа нарушений на реальных технологических установках конкретного предприятия, моделирования ситуаций на компьютерных тренажерах с привлечением экспертных оценок специалистов, последовательно генерируют и предъявляют обучаемому отдельные причины с набором симптомов, часть из которых соответствует предъявляемым причинам, для выбора правильных симптомов, последовательно генерируют и предъявляют обучаемому отдельные наборы симптомов с несколькими причинами, одна из которых соответствует предъявляемому набору симптомов, для выбора правильной причины, причем в режиме тренировки обучаемому представляют правильные ответы для каждого выбора, в режиме экзамена представляют обучаемому общую оценку за выполненное задание, состоящее из заранее определенного пользователем числа выборов, предоставляют пользователю возможность настраивать параметры оценивания правильности выбора решений обучаемым, предоставляют пользователю детальный протокол экзамена по каждому обучаемому для анализа и аттестации знаний и навыков обучаемого.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к компьютерным средствам обучения операторов и эксплуатационного персонала технологических установок и контроля их знаний и навыков эффективного и безопасного ведения технологических процессов (ТП).

Высокий уровень подготовки операторов ТП является залогом снижения аварийности и повышения эффективности производства. Доскональное знание оборудования и стандартных процедур управления технологической установкой является необходимым, но не достаточным требованием к квалифицированному оператору. Не менее важны умение вовремя заметить отклонение ТП от нормального режима, быстро и правильно определить его причину, спрогнозировать возможные отрицательные последствия, спланировать комплекс мер по их смягчению или преодолению и быстро реализовать эти меры на практике. Эффективный тренинг позволяет вырабатывать, развивать и совершенствовать указанные навыки.

Для того чтобы тренинг был эффективным, т.е. приводил к положительным результатам в обозримое время, необходимо, чтобы процедуры тренинга строились на объективной, научной основе, а также чтобы используемые технические средства позволяли реализовать разработанные научные методики.

К сожалению, применительно к обучению операторов технологических процессов оба указанных требования до сих пор одновременно никогда не выполнялись.

Научной базой тренинга навыков диагностики нештатных производственных ситуаций является инженерная психология (когнитивный инжиниринг). Исследования, проведенные в этой области еще в 1970-х годах, были направлены, в частности, на выяснение механизмов поведения индивида при обнаружении им отклонений в работе технического объекта от заданной нормы. Было установлено, что диагностический навык является комплексным, составным и представляет собой сложное сочетание нескольких более простых, “базовых” навыков. Наиболее важные из них - навык распознавания причины отклонения по наблюдаемым последствиям (“Поиск причин”) и навык прогнозирования последствий отклонения (“Что, если...”). Предполагалось, что отработка указанных базовых навыков по отдельности и их последующее объединение позволит организовать эффективный тренинг диагностических способностей.

Однако отсутствие в то время необходимой технической базы (весьма ограниченные возможности вычислительной техники при ее высокой стоимости) не позволили довести полученные научные и методологические результаты до практического применения.

Бурное развитие вычислительной техники, приведшее к появлению в середине 1980-х годов персональных компьютеров (ПК), радикально изменило ситуацию. Начиная с 1990-х годов, компьютерный тренинг операторов стал активно внедряться в практику обучения операторов ТП как в России, так и за рубежом. Современный компьютерный тренинг достиг значительных высот в плане создания высокоточных компьютерных моделей ТП и операторских интерфейсов, в точности копирующих реальные системы управления (100%-ное подобие).

Но при этом заметным недостатком современного компьютерного тренинга является слабая методическая проработка тренажерных проектов (или даже полное ее отсутствие). Неявно предполагается, что обучение с помощью тренажера (самостоятельное или с помощью инструктора, обладающего соответствующим “электронным” инструментарием) будет способствовать автоматической выработке у операторов правильных навыков. Практика применения компьютерных тренажеров операторов ТП показала, что это бывает, к сожалению, далеко не всегда. Таким образом, идеи когнитивного инжиниринга, предусматривающие отработку базовых навыков с последующим объединением их в комплексный навык диагностирования, практически во всех современных компьютерных обучающих системах не учитываются.

Известен способ автоматизированного обучения Troubleshooting Trainer (Тренажер поиска неисправностей) фирмы Simulation Dynamics (США, www.simulationdynamics.com, последнее обновление 06.02.2003, прилагается). Данный способ обучения включает в себя компьютерную систему для формирования гибкого информационного пространства, снабженную базой знаний, предусматривающую систематизацию причин и соответствующих им симптомов нарушений хода технологических процессов, устройством генерации причин, устройством генерации симптомов, устройством оценивания знаний и навыков обучаемого в режимах тренировки и экзамена, устройством настройки пользователем параметров оценивания знаний и навыков обучаемого, устройством протоколирования экзамена, интерфейсом обучаемого с устройством генерации причин, устройством генерации симптомов и устройством оценивания, интерфейсом пользователя с базой знаний, устройством оценивания и устройством протоколирования экзамена.

При внешнем сходстве этот продукт обладает рядом существенных отличий. В способе Troubleshooting Trainer обучаемый должен выбрать причину неисправности из предлагаемого набора, а после правильного ответа указать меры по ликвидации (или смягчению) ее последствий. При этом этап прогнозирования последствий неисправностей отсутствует. Иными словами, реализована лишь методика “Поиск причин...”, и не реализована методика “Что, если...”. Это существенно обедняет методическую базу обучения, поскольку отрабатывается сразу комплексный навык выработки стратегии действий без отработки навыка предварительного прогнозирования последствий отклонения. В результате нарушается принцип отработки базовых навыков и формирования комплексного умения на их основе. В качестве еще одной особенности способа Troubleshooting Trainer следует отметить использование мнемосхемы ТП в качестве схемы привлечения внимания обучаемого к месту возникновения неисправности. Для технологических установок, снабженных компьютерными системами управления, на которых операторы активно пользуются мнемосхемами при ведении ТП, такой подход в определенной степени оправдан, хотя неисправность на самой технологической схеме незаметна - требуется обратиться к показаниям приборов. Однако на установках, управление которыми ведется с помощью приборной панели (щита управления), операторы привыкли ориентироваться исключительно по приборным шкалам.

Обучающий способ “АФОН” (Автоматизированное формирование навыков) представляет в этом плане более гибкие возможности. Возникшая на установке проблема формируется для обучаемого не в виде курсора, мигающего на мнемосхеме в месте предполагаемой неисправности (как в способе Troubleshooting Trainer), а на языке показаний приборов, например “Уровень в емкости Е-1 (прибор поз. LIR - 401) вырос”. В то же время в ходе решения задачи обучаемый может обращаться к технологическим схемам или текстовому описанию ТП.

Задачей предлагаемого изобретения - обучающего способа “АФОН” является заполнение существующего пробела между теоретическими основами обучения навыкам диагностирования и современными технологиями компьютерного тренинга, игнорирующими эти методы. Изобретение представляет собой компьютерный способ обучения операторов ТП двум вышеописанным базовым навыкам (“методикам”):

1. Поиск причин отклонения от нормы.

2. Прогнозирование последствий отклонения (“Что, если...”).

Поставленная задача решается тем, что в способе автоматизированного обучения базовым навыкам управления ТП (“АФОН”), включающем использование компьютерной системы для формирования гибкого информационного пространства, снабженной базой знаний, предусматривающей систематизацию причин и соответствующих им симптомов нарушений хода технологических процессов, устройством генерации причин, устройством генерации симптомов, устройством оценивания знаний и навыков обучаемого в режимах тренировки и экзамена, устройством настройки пользователем параметров оценивания знаний и навыков обучаемого, устройством протоколирования экзамена, интерфейсом обучаемого с устройством генерации причин, устройством генерации симптомов и устройством оценивания, интерфейсом инструктора с базой знаний, устройством оценивания и устройством протоколирования экзамена, гибкое информационное пространство формируют путем пополнения пользователем базы знаний за счет обобщения известных типовых нарушений хода ТП, анализа нарушений на реальных технологических установках конкретного предприятия, моделирования ситуаций на компьютерных тренажерах и привлечения экспертных оценок специалистов, последовательно генерируют и предъявляют обучаемому отдельные причины с набором симптомов, часть из которых соответствует предъявленным причинам, для выбора правильных симптомов, последовательно генерируют и предъявляют обучаемому отдельные наборы симптомов с несколькими причинами, одна из которых соответствует предъявленному набору симптомов, для выбора правильной причины, причем в режиме тренировки обучаемому представляют правильные ответы для каждого выбора, в режиме экзамена представляют обучаемому общую оценку за выполненное задание, состоящее из заранее определенного пользователем числа выборов, предоставляют пользователю возможность настраивать параметры оценивания правильности выбора решений обучаемым, предоставляют пользователю детальный протокол экзамена по каждому обучаемому для анализа и аттестации знаний и навыков обучаемого.

Основные функциональные возможности способа “АФОН”:

1. Ведение базы данных обучаемых операторов (регистрация нового оператора, выбор оператора из предлагаемого перечня).

2. Выбор режима обучения (тренировка, экзамен).

3. Выбор методики обучения (“Поиск причин...”, “Что, если...”).

4. Ведение протокола действий обучаемого.

5. Возможность просмотра обучаемым технологической схемы, описания или получения другой графической или текстовой информации в ходе решения задачи.

6. Возможности ручного и автоматического заполнения базы знаний.

7. Автоматическое оценивание системой знаний обучаемого.

8. Возможность настройки параметров системы оценивания инструктором по обучению.

Задача, стоящая перед обучаемым при работе с “АФОН” - определить причину отклонения от нормального режима ТП по предлагаемым симптомам (методика “Поиск причин...”) или последствия такого отклонения (методика “Что, если...”). В первом случае оператору предлагается набор конечных симптомов отклонения от нормы, например “Температура в колонне выросла”, “Расход газов увеличился”, “Уровень в сепараторе снизился” и т.д., и несколько возможных причин, лишь одна из которых - правильная. Во втором случае оператору сообщается об аномалии или неисправности на установке (например, поломка насоса, разгерметизация реактора и т.д.) и предлагается набор измеряемых параметров (температур, давлений, уровней, концентраций). Оператор должен узнать, какие параметры и в какой степени увеличатся (сильно или незначительно), какие и в какой степени уменьшатся, а какие останутся без изменений. Каждый правильный, неправильный или пропущенный ответ система оценивает определенным количеством очков. Если занятие проводится в режиме тренировки, система после каждого ответа обучаемого показывает ему правильный ответ. В режиме экзамена система также выводит оценку за решение задачи, основанную на количестве набранных обучаемым очков. Правила вывода оценки могут быть настроены инструктором в специальном блоке настройки параметров системы, недоступном для обучаемых (защищен паролем).

База знаний в способе “АФОН” может быть заполнена инструктором. Она представляет собой матрицу, строки которой - измеряемые параметры ТП (например, “давление в емкости Е-1”), а столбцы - возможные причины отклонений от нормы (например, “остановка компрессора ПК-1”). Клетками матрицы являются симптомы (например, “давление в емкости Е-1 сильно выросло”). В ходе первоначального заполнения базы знаний инструктор должен ввести в нее набор возможных неисправностей и отклонений (названия столбцов), набор измеряемых параметров (названия строк) и заполнить все клетки матрицы правильными ответами, с которыми система впоследствии будет сравнивать ответы, даваемые обучаемыми. Размеры матрицы практически неограниченны. Предусмотрена также возможность автоматического формирования матрицы симптомов с помощью компьютерного тренажера. При этом наборы неисправностей (отклонений) и измеряемых переменных инкорпорируются из компьютерного тренажера, а инструктору остается лишь заполнить клетки матрицы правильными ответами. Простота формирования базы знаний и отсутствие какой-либо привязки “АФОН” к конкретной технологической установке дает возможность наполнять ее знаниями о разнообразных ТП из самых различных отраслей промышленности: химии, нефтехимии, нефтепереработки, подготовки, транспортировки и хранения нефти и газа, энергетики, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, т.е. всех тех отраслей, на объектах которых присутствует достаточное количество измеряемых переменных и могут быть сформулированы понятия “норма” и “отклонение от нормы”.

Способ “АФОН” используется для обучения операторов ТП в учебных центрах ОАО “Ачинский НПЗ”, ОАО “Новокуйбышевский НПЗ” и “ЛУКОЙЛ Нефтохим-Бургас” АД (г.Бургас, Болгария).