интерактивная автоматизированная система обучения

Формула изобретения

1. Интерактивная автоматизированная система обучения, характеризующаяся тем, что она содержит модуль группового обучения, состоящий из связанных между собой по входу-выходу N автоматизированных рабочих мест, где N - число обучающихся специалистов, выход которого подключен к входу блока выбора оптимального проектного решения, подсоединенного к первому входу блока ввода параметров проектного решения, первый выход которого подключен к первому входу блока выбора имитационных модулей, выходы которого подсоединены к входам соответственно модуля имитации исследований объекта изучения и модуля управления имитационной моделью, при этом выход последнего подключен к входу имитационной модели объекта изучения, соединенного по выходу с базой динамических данных, а выход модуля имитации исследований объекта изучения подсоединен к базе статических данных, причем выходы вышеупомянутых баз данных подсоединены ко второму входу блока выбора имитационных модулей и к первому входу блока мониторинга оперативной информации, второй вход которого связан со вторым выходом блока ввода параметров проектного решения, а выход подключен к входу блока формирования проектных задач и корректировки заданий, выходы которого подсоединены соответственно к входу модуля группового обучения и ко второму входу блока ввода параметров проектного решения.

2. Интерактивная автоматизированная система обучения по п.1, отличающаяся тем, что модуль имитации исследований объекта изучения выполнен в виде К блоков типовых имитационных исследований, где К - число типов проводимых исследований.

3. Интерактивная автоматизированная система обучения по п.1, отличающаяся тем, что модуль управления имитационной моделью выполнен в виде М блоков управляющих воздействий, где М - число управляющих воздействий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к компьютерным способам обучения и может быть использовано для междисциплинарного группового обучения с целью формирования у различных специалистов, задействованных в конкретном производственном процессе, навыков по анализу реакции объекта изучения на те или иные стратегии управления и управляющие воздействия и поиску наиболее эффективных решений в конкретных штатных ситуациях.

Известна система изучения информации с использованием интерактивной среды, содержащая блоки для хранения, передачи и управления информацией, блок анализа и оценки правильности ответов обучаемого с использованием информации, хранящейся в блоке памяти (RU 16967, G09B 19/00, 2000).

Также известна система, реализующая способ автоматизированной подготовки и аттестации, содержащая, по меньшей мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, функционирование которой основано на адаптируемых автоматизированных циклах обучения и контроля знаний с использованием формализованных знаний и опыта квалифицированных специалистов с применением текстово-графических процедур логики принятия решений специалистами (RU 2166211, G09B 19/00,1999).

Однако известные устройства не могут быть использованы для комплексного индивидуального и/или группового обучения и подготовки инженерного и научного персонала сложных технических и технологических систем, предусматривающих участие в управлении такими системами человека.

Известна интерактивная автоматизированная система обучения, содержащая базу данных первичной информации об объекте, являющаяся входом системы, модули обработки параметрических данных, физических характеристик и механических свойств объекта, модуль моделирования динамических свойств объекта, модуль экономической оценки динамических свойств, модуль технологической оценки свойств объекта, модуль интегральной оценки и принятия решения и модуль визуализации итогового результата, являющийся выходом системы (RU № 2388060, G09B 9/00, 2008).

Указанная система воссоздает среду проектирования воздействия на объект изучения, но не обладает возможностью получения реакции объекта на проектируемое воздействие, и таким образом, не обеспечивает понимания обучаемыми производственного процесса в целом.

Из известных устройств наиболее близкой к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является интерактивная автоматизированная система обучения эксплуатации нефтепромыслового оборудования, содержащая, по крайней мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающий в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся и выполненный в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения с программным обеспечением системы, модуль комплексного тренажера, выполненного на базе нефтепромыслового оборудования конкретного завода-изготовителя, включающего устройства, имитирующие работу в реальных условиях, снабженного процессорным блоком, блоком станции управления наземным оборудованием, блоком станции управления подземным оборудованием (RU № 96278, G09B 19/00, 2006).

Указанная система обучения позволяет отрабатывать практические навыки и психомоторные реакции персонала по обслуживанию и эксплуатации нефтепромыслового оборудования с использованием имитатора оборудования.

Однако известная система обучения направлена на обучение специалистов узкого профиля, обслуживающих нефтепромысловое оборудование, и не предусматривает групповое обучение разнопрофильных специалистов, задействованных совместно в управлении сложным технологическим процессом.

Задачей описываемого изобретения является создание интерактивной автоматизированной системы междисциплинарного обучения, позволяющей в режиме реального времени проводить междисциплинарное групповое обучение и тестирование обучаемых в условиях реальных технико-технологических, горно-геологических, экологических и организационно-управленческих процессов, происходящих на сложных природно-технических комплексах, каковыми являются скважины, горные выработки, месторождения полезных ископаемых, строящиеся и эксплуатируемые без доступа человека, за счет обеспечения комплексного воздействия, формируемого различными специалистами, на имитационную модель объекта изучения и анализа динамического изменения состояния объекта изучения специалистами различного профиля в ходе междисциплинарного обучения.

Поставленная задача достигается тем, что интерактивная автоматизированная система обучения содержит модуль группового обучения, состоящий из связанных между собой по входу-выходу N автоматизированных рабочих мест, где N- число обучающихся специалистов, выход которого подключен ко входу блока выбора оптимального проектного решения, подсоединенного к первому входу блока ввода параметров проектного решения, первый выход которого подключен к первому входу блока выбора имитационных модулей, выходы которого подсоединены ко входам, соответственно, модуля имитации исследований объекта изучения и модуля управления имитационной моделью, при этом выход последнего подключен ко входу имитационной модели объекта изучения, соединенного по выходу с базой динамических данных, а выход модуля имитации исследований объекта изучения подсоединен к базе статических данных, причем выходы вышеупомянутых баз данных подсоединены ко второму входу блока выбора имитационных модулей и к первому входу блока мониторинга оперативной информации, второй вход которого связан со вторым выходом блока ввода параметров проектного решения, а выход подключен ко входу блока формирования проектных задач и корректировки заданий, выходы которого подсоединены, соответственно, ко входу модуля группового обучения и ко второму входу блока ввода параметров проектного решения.

В предпочтительных вариантах воплощения изобретения:

- модуль имитации исследований объекта изучения выполнен в виде K блоков типовых имитационных исследований, где K - число типов проводимых исследований,

- модуль управления имитационной моделью выполнен в виде М блоков управляющих воздействий, где М - число управляющих воздействий.

В дальнейшем система обучения поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема предлагаемой системы обучения.

Предлагаемая система включает следующие блоки:

модуль группового обучения 1, включающий автоматизированные рабочие места N специалистов 2 ₁, 2₂, 2₃, 2_N; блок выбора оптимального проектного решения 3; блок ввода параметров проектного решения 4; блок мониторинга оперативной информации 5; блок формирования проектных задач и корректировки заданий 6; блок выбора имитационных модулей 7, модуль имитации исследований объекта изучения 8, состоящий из K блоков 9₁, 9₂, 9₃, 9_K, где K - число типов проводимых исследований; модуль управления имитационной моделью 10, состоящий из М блоков 11₁, 11₂, 11₃, 11_M, где М - число управляющих воздействий; имитационная модель объекта изучения 12; база статических данных 13; база динамических данных 14.

Основными задачами модуля группового обучения 1 являются: анализ и интерпретация разнородной информации об объекте изучения: физические характеристики, механические свойства и параметрические данные; формирование набора различных вариантов проектируемых технологических воздействий на объект изучения, варианты проектных решений являются согласованными между специалистами, выполняющими расчеты на автоматизированных рабочих местах специалистов 2₁, 2₂, 2 ₃, 2_N; проектирование технологических воздействий на объект изучения.

Аппаратная среда модуля 1 представлена группой персональных компьютеров, объединенных высокоскоростной локальной вычислительной сетью (ВЛВС), связывающей их между собой и блоком выбора оптимального проектного решения 3. Программная среда модуля 1 состоит из операционной системы и специализированного программного обеспечения, используемого различными специалистами, задействованными в производственном процессе, установленного на персональных компьютерах пользователей. Комбинация персональных компьютеров и средств для проведения технологических расчетов называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) специалиста 2₁, 2₂, 2₃, 2_N. В зависимости от решаемой задачи и комбинации специалистов, набор АРМ может быть различным.

Основной задачей блока выбора оптимального проектного решения 3 является всесторонний анализ проектных вариантов, сформированных в модуле 1, обоснование и выбор оптимального проектного решения.

Блок ввода параметров проектного решения 4 служит для управления процессом имитации внедрения и оперативной корректировки параметров проектного решения. Аппаратная и программная среды блока 4 представлены компьютером со специализированным программным обеспечением и ВЛВС, связывающей этот компьютер с блоком мониторинга оперативной информации 5, блоком формирования проектных задач и корректировки принятого проектного решения 6 и блоком выбора имитационных модулей 7. Блок 4 может быть реализован в виде пульта управления технологическими воздействиями.

Основными задачами блока мониторинга оперативной информации 5 являются визуализация текущих измерений, проводимых на объекте изучения, и показателей его работы в реальном времени. Аппаратная среда блока 5 состоит из персонального компьютера, средств визуализации (например, проектор и экран, мультимедийная доска, 3D экран большого размера) и ВЛВС, связывающей этот компьютер с компьютером, входящим в блок ввода параметров проектного решения 4, с блоком формирования проектных задач и корректировки принятого проектного решения 6, и базами статических данных 13 и динамических данных 14 для получения результатов текущих измерений и показателей работы объекта изучения. Программная среда блока 5 предусматривает использование специализированного программного обеспечения для визуализации в реальном времени всех показателей работы объекта изучения и проводимых замеров и исследований.

Блок формирования проектных задач и корректировки заданий 6, т.е. принятого проектного решения, служит для оперативного принятия решений по изменению параметров внедряемых технологий и, в случае необходимости, постановки задач по проведению дополнительных расчетов в модуле группового обучения 1. Аппаратная среда блока 6 состоит из персонального компьютера и ВЛВС, связывающей этот компьютер с компьютерами, входящими в модуль группового обучения 1, для постановки дополнительных задач специалистам, обучающимся на автоматизированных рабочих местах специалистов 2₁, 2₂, 2₃ , 2_N; с блоком мониторинга оперативной информации 5 и блоком ввода параметров проектного решения 4.

Аппаратно и программно блоки 3, 4, 5, 6 могут быть реализованы, например, на базе ситуационных центров.

Блок выбора имитационных модулей 7 служит для определения необходимых блоков, задействованных при внедрении конкретного проектного решения, в модуле имитации исследований объекта изучения 8 и в модуле управления имитационной моделью 10 и формирования необходимой исходной информации для работы соответствующих модулей. Блок 7 программно связан с базами статических данных 13, динамических данных 14, модулем имитации исследований объекта изучения 8 и модулем управления имитационной моделью 10.

Модуль имитации исследований объекта изучения 8, состоящий из K блоков 9₁, 9₂, 9₃, 9_K, где K - число типов проводимых исследований, является программной реализацией решения комплексов прямых и обратных задач и служит для расчета результатов замеров и исследований, проводимых на имитационной модели объекта изучения 12. Система использует данные текущего состояния имитационной модели для получения информации об объекте изучения, и ее работа не приводит к изменению самой имитационной модели объекта изучения 12, ее параметров и характеристик.

Основной задачей модуля управления имитационной моделью 10, состоящей из М блоков 11 ₁, 11₂, 11₃, 11_M, где М - число управляющих воздействий, является обработка входных данных из блока выбора имитационных модулей 7, формирование исходных данных для расчетов на имитационной модели объекта изучения 12, запуск и оперативная остановка расчетов на имитационной модели 12.

Имитационная модель объекта изучения 12 с достаточной точностью описывает реальный объект и позволяет путем проведения расчетов получать результаты реакции объекта изучения на оказываемое технологическое воздействие. Результаты расчетов изменения параметров имитационной модели передаются в базу данных 14.

База статических данных 13 представляет собой набор статических, неизменяемых в процессе обучения данных. База статических данных 13 служит для хранения первичной информации об объекте изучения и результатов расчетов, проводимых в модуле имитации исследований объектов изучения 8.

База динамических данных 14 представляет собой набор динамических данных, изменяемых в результате проведения расчетов на имитационной модели 12.

Аппаратная среда блоков 7-14 представляет собой центр обработки данных, состоящий из кластера для проведения высокопроизводительных вычислений, дискового массива для хранения статических и динамических данных и ВЛВС, связывающей компьютер блока ввода параметров проектного решения 4 и оборудование центра обработки данных.

Система достаточно универсальна и ее можно использовать при решении различных технологических задач.

Работа предлагаемой интерактивной системы междисциплинарного обучения показана на примере решения комплекса задач, возникающих на различных стадиях разработки нефтяного месторождения (эксплуатационного объекта), являющегося объектом исследования. Система предусматривает обучение учащихся высших учебных заведений, специалистов разной квалификации и уровня управления. В данном примере задействованы следующие специалисты:

- инженерно-технические работники нефтегазового профиля: специалист по геологическому моделированию (геолог), специалист в области интерпретации результатов геофизических исследований скважин (геофизик), специалист по проектированию строительства скважин (буровик), специалист по гидродинамическому моделированию нефтяных месторождений (разработчик), технолог по добыче нефти (технолог), специалист по экономическому анализу (экономист);

- специалисты, занимающие руководящие должности, в составе: руководитель проекта, руководители групп специалистов в области геологии, геофизики, бурения, разработки, технологии добычи нефти, экономики.

Схема решения задач на базе интерактивной системы междисциплинарного обучения носит циклический характер.

На первом этапе в блоке мониторинга оперативной информации 5 руководитель проекта и руководители групп специалистов анализируют первичную информацию об эксплуатационном объекте, получаемую из базы статических данных 13 и базы динамических данных 14 и в блоке формирования проектных задач и корректировки принятого проектного решения 6 определяют задачи для конкретных специалистов.

На втором этапе в модуле группового обучения АРМ 1 геолог, геофизик, буровик, разработчик, технолог и экономист проводят анализ и обработку геолого-промысловой, геофизической, технологической и экономической информации по месторождению, имеющейся в базах данных 13, 14; проводят необходимые инженерные расчеты по проектированию набора возможных вариантов технологических воздействий в данных геолого-промысловых условиях.

На третьем этапе в блоке выбора оптимального проектного решения 3 руководителем проекта и руководителями групп выбирается оптимальный вариант технологического воздействия и принимается проектное решение, например, о бурении новой скважины, об изменении режимов работы скважин, о внедрении новой технологии воздействия на залежь и т.д. Далее в блоке ввода параметров проектного решения 4 с помощью пульта управления вводятся параметры принятого проектного решения: координаты новой скважины, траектория новой скважины, интервалы перфорации, режимы работы скважин, параметры рабочих агентов, способ добычи нефти, характеристики погружного насоса и т.д. Введенные параметры графически отображаются в блоке мониторинга оперативной информации 5.

На четвертом этапе в зависимости от поставленной задачи блок выбора имитационных модулей 7, используя определенный алгоритм, выбирает один или несколько блоков (например, блок имитации геофизических исследований скважин, блок имитации работы погружного насосного оборудования, блок имитации бурения скважин, блок имитации проведения геолого-технологических мероприятий). Далее в зависимости от выбранных блоков в модуле имитации исследований объекта изучения 8 или модуле управления имитационной моделью 10 проводится обработка данных и математическое моделирование технологических процессов. Если для расчетов был выбран один из блоков модуля имитации исследований объекта изучения 8, например блок проведения геофизических исследований скважин или блок петрофизических исследований керна, то результаты расчетов передаются в базу статических данных 13. В случае, если поставленная задача требует динамического изменения модели эксплуатационного объекта, например изменения режимов работы скважин или изменения интервалов перфорации, то соответствующие параметры из модуля управления имитационной моделью 10 передаются в имитационную модель объекта изучения 12, которая представляет собой гидродинамический симулятор и детальную гидродинамическую модель эксплуатационного объекта, на которой проводятся численные расчеты перемещения флюидов в пласте. Управление гидродинамическим симулятором осуществляет модуль управления имитационной моделью 10 путем ввода данных в гидродинамический симулятор, его запуска или остановки. После чего в реальном времени в базу динамических данных 14 передаются результаты расчетов: показатели разработки, результаты опробования скважин, замеры пластового и забойного давлений и др. При этом в блоке мониторинга оперативной информации 5, оборудованном средствами визуализации оперативной информации, в заданном временном масштабе графически выводятся результаты расчетов и проводится мониторинг текущих показателей разработки эксплуатационного объекта. Полученная информация анализируется в блоке формирования проектных задач и корректировки проектного решения 6 и, в случае необходимости оперативной корректировки параметров технологического воздействия, например изменения объема закачиваемого агента, глубины спуска насоса, частоты работы насоса и т.д., в блоке 4 с помощью пульта управления производится остановка текущих расчетов, корректировка параметров и запуск процесса имитации технологического воздействия с момента остановки. Если получаемые результаты расчетов в блоке мониторинга оперативной информации 5 требуют дальнейшего исследования или есть необходимость проведения дополнительных расчетов для корректировки параметров принятого проектного решения, то в блоке формирования проектных задач и корректировки принятого проектного решения 6 осуществляется постановка задач для проведения дополнительных расчетов и необходимые данные передаются в блок АРМ 1.

По мере выполнения указанных циклов в учебном процессе имитируется процесс изучения нефтяного месторождения на всех стадиях его разработки, увеличивается объем и достоверность информации о пластовой системе, растет уверенность в принимаемых решениях и представление обучаемых о геологическом строении рассматриваемого месторождения приближается к реальному.

Основные преимущества интерактивной системы междисциплинарного обучения заключаются в следующем:

- возможность междисциплинарного группового обучения различных специалистов, включающего взаимодействие между ними;

- в процессе обучения есть возможность не только решать поставленные проектные задачи, а также внедрять принятые решения, проводить мониторинг результатов внедрения и осуществлять оперативное управление процессом внедрения;

- возможность замены информации об объекте изучения в базе данных без потери функциональности комплекса.