С П Борсук - Адаптивне навчання операторів на функціональному тренажері - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БОРСУК Сергій Павлович

УДК: 371.694:004:658.336:656.7.071(043.3)

АДАПТИВНЕ НАВЧАННЯ ОПЕРАТОРІВ НА ФУНКЦІОНАЛЬНОМУ ТРЕНАЖЕРІ

05.07.14 — Авіаційно-космічні тренажери

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:      доктор технічних наук, професор

Синєглазов Віктор Михайлович,

завідувач кафедри авіаційних комп'ютерно-інтегрованих комплексів Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти:       доктор фізико-математичних наук, професор

Оніщенко Сергій Михайлович,

провідний науковий співробітник Інституту математики НАН України

доктор технічних наук, професор Рева Олексій Володимирович,

професор кафедри автоматизації виробничих процесів Кіровоградського національного технічного університету

Захист відбудеться 08 грудня 2011 р. о 15-й годині на засіданні спе­ціалізованої вченої ради Д 26.062.08 Національного авіаційного універси­тету за адресою: 03680, м. Київ, пр. Космонавта Комарова 1, ауд. 1.002

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аві­аційного університету за адресою: м. Київ, пр. Космонавта Комарова,1.

Автореферат розісланий _.11.2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

В. М. Шутко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Однією з найважливіших передумов якісної підготовки фахівців у аві­аційній галузі України є створення відповідного програмно-апаратного забезпечення для надання та перевірки знань, моделювання робочого міс­ця й надання фахівцю можливості відпрацьовувати навички та вміння че­рез імітацію реального середовища. Тренажери, здатні виконувати всі вищезазначені функції, як інструмент навчання мають велике значення в підготовці пілотів і диспетчерів та використовуються для їх навчання, перепідготовки або підвищення кваліфікації.

Актуальність теми. У більшості сучасних тренажерів алгоритми робо­ти не передбачають змін щодо кількості та якості навчального матеріалу, контрольних запитань, тренажерних сценаріїв і розкладу занять залежно від успішності слухача. При цьому вже відома й використовується можливість врахування відповідей, які дає слухач на контрольні запитання, та вплив інформації про ці відповіді на наступні запитання. Упровадження таких адаптивних алгоритмів у складові системи тренажера дасть змогу підвищи­ти ефективність навчання операторів та є актуальним. Актуальність підтве­рджується також тим, що для впровадження адаптивних алгоритмів немає обмежень на предметну область, що вивчається.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ре­зультати роботи було отримано, зокрема, під час виконання науково-дослідних робіт «Створення програмно-алгоритмічного забезпечення ін­терактивної навчальної системи тренажерного комплексу», «Спеціалізо­вана навчальна система для операторів електронного обладнання» та держбюджетної «Розробка тренажера із елементами адаптивності» на ка­федрі «Авіаційних комп' ютерно-інтегрованих комплексів» Національного авіаційного університету.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розро­блення алгоритмів адаптації роботи всіх підсистем тренажера під особисті риси слухача.

Для досягнення даної мети в роботі розв'язано такі завдання: • визначено:

- склад тренажера та його підсистем, необхідних для навчання слуха­ча, що має включати теоретичну підготовку, контроль знань та відпрацю­вання набутих навичок і вмінь у імітаторах;

- зміни у процесі навчання з використанням адаптивних алгоритмів у кожній із систем тренажера;

- параметри адаптивних алгоритмів, які формують описову модель слухача та змінюються залежно від його роботи на тренажері;

• розроблено адаптивні алгоритми, які використовуються в:

- системі керування тренажером;

- електронному підручнику;

- системі інтерактивного навчання;

- системі контролю знань.

Об'єкт дослідження - процес навчання на функціональному тренажері.

Предметом дослідження є адаптивні алгоритми в системі керування, системі навчання, системі інтерактивного навчання, системі контролю знань комп' ютерного авіаційного тренажера та параметри цих алгоритмів.

Методи досліджень. Під час роботи над адаптивними алгоритмами та їх параметрами були використані методи лінійної алгебри. Для розроб­лення механізму умовних логічних одиниць були використані методи тео­рії баз даних. Створене програмне забезпечення ґрунтується на технології об' єктно-орієнтованого програмування та використовує технологію мов форматування тексту.

Наукова новизна дисертаційної роботи. Уперше:

• подано процес роботи слухача на тренажері, як сукупність різнорід­них процесів, визначено елементарні процеси, проаналізовано зв'язок між типами помилок і складовими елементарними процесами роботи на тре­нажері та розроблено алгоритм зміни пропорції часу, призначеного для роботи слухача в різних системах тренажера;

• подано процес навчання на тренажері як сукупність процесів на­вчання слухача за допомогою електронного підручника та системи інтер­активного навчання;

• розроблено адаптивні алгоритми, які змінюють параметри роботи електронного підручника, системи контролюю знань, системи інтерактив­ного навчання для кожного слухача залежно від його успішності;

• наведено сукупність навчальних матеріалів як впорядковану послі­довність елементарних навчальних одиниць, розроблено таблиці належ­ності, призначені для реєстрації елементарних навчальних одиниць, та розроблено алгебру для роботи з цими таблицями.

Практична цінність полягає в тому, що дисертаційні дослідження дають можливість створити функціональний тренажер, здатний змінювати плин процесу навчання залежно від успіхів слухача. Так, кожен слухач отримає персонально сформовані розклад занять, теоретичні матеріали,практичні завдання, інтерактивні сценарії. Розроблена сукупність адапти­вних параметрів може бути використана в будь-якому тренажері, а запро­поновані адаптивні алгоритми - налаштовані під вимоги кожного конкретного випадку. Залежно від конкретного тренажера та інформації про слухача, який реєструється, сукупність адаптивних параметрів може включати різні параметри й характеристики.

Результати дисертаційної роботи впроваджено на базі Державного на­уково-дослідного інституту авіації через створення адаптивного тренаже­рного комплексу «Атлант», «Атлант-2» в рамках виконання НДР №441-Х07, №639-Х11, а також у навчальний процес на кафедрі «Авіаційних комп' ютерно-інтегрованих комплексів» Національного авіаційного уні­верситету через використання результатів досліджень під час викладання предметів «Ідентифікація та моделювання», «Сучасні бази даних та їх організація».

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і результа­ти дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особисто за темою дисертації здобувачем написано дві роботи [1,2]. У роботах, опублікова­них у співавторстві, автору належать: [3] - склад та алгоритм роботи мо­делі візуалізації процесу навчання; [4] - алгоритм пересування слухачів по групах із різним рівнем знань; [5] - структурна схема й алгоритм робо­ти автоматичної системи контролю знань; [6] - алгоритм визначення уто­чненого рівня знань слухача, [7] - запропоновані типи елементів віртуального середовища та їх властивості.

Апробація роботи. Результати дослідження доповідалися та обгово­рювалися на таких науково-технічних конференціях та семінарах: «Ин­теллектуальные системы принятия решений и прикладные аспекты информационных технологий» (Євпаторія, 2006); Конференція студентів і молодих учених «Наукоємні технології» (Київ - 2007); «Актуальні про­блеми експлуатації, ремонту, розробки та модернізації авіаційної техні­ки» (Київ, 2007); «Теория и методы обработки сигналов» (Київ, 2008); Х міжнародна науково-технічна конференція «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» (Кременчук, 2008); Third World Congress «Aviation in the XXI-st century» - «Safety in Aviation and Space Technology)) (Київ, 2008); Науково-практична конференція «Актуальні проблеми розвитку авіаційної техніки» (Київ, 2008); ЇХ Міжнародна нау­кова конференція студентів та молодих учених «ПОЛІТ» - 2009 (Київ, 2009); ІІІ-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная ра­диоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харків, 2009); Мі­жнародна науково-технічна конференція «АВІА-2009» (Київ, 2009); IV Всемирный конгрес «Авиация в XXI столетии» - «Безопасность в авиации и космические технологи» (Киев, 2010); Науково-практична конференція «Актуальні проблеми розвитку авіаційної техніки» (Київ, 2011).

Публікації. Основні положення дисертації відображені в 13-ти науко­вих працях, в тому числі в семи статтях у чотирьох фахових виданнях, які входять до Переліку ВАК України.

Структура дисертації Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, трьох додатків, списку використаних дже­рел. Обсяг дисертації - 175 стор., додатків - 3 стор. Дисертація містить 47 рисунків, 12 таблиць і посилання на 98 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто зв'язок роботи з науковими програмами, обґрун­товано актуальність, наукову новизну та практичне значення роботи. Сформульовані мета й завдання, визначено об'єкт і предмет дослідження. Наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі досліджено зміну точки зору протягом історії на роль людського фактора в авіаційних катастрофах; список нормативних документів, що контролюють вивчення й використання знань про людсь­кий фактор в авіації. Наведено результати досліджень авіаційних катаст­роф за кілька десятиріч. Розглянуто два підходи до безпеки польотів, історичний і сучасний. Наведено список вимог, які ставляться до якості підготовки пілотів. Розглянуто тренажер як основний елемент підготовки пілотів; структурну схему та алгоритм роботи системи керування трена­жером.

Визначено основні складові процесу навчання. Подано список сеансів, які складаються з наведених у СКПН частин в усіх можливих комбінаці­ях. Розглянуто роль системи керування процесом навчання у роботі тре­нажера, способи передавання інформації між системами тренажера, подано формалізований опис роботи системи.

A - це сукупність елементів, які є керівними у системі, тобто можуть запускати процес аналізу системою стану всіх елементів і визначення реа­кції системи на них. B - сукупність елементів b , які мають вплив на розв' язання системи, але самі по собі не ініціюють його прийняття. Далі ці множини елементів називатимуться множинами елементів керування та множинами елементів налаштування. Із множини A можна виділити під-

множину A* яка містить усі доступні на даний момент елементи керуван­ня системою. Аналогічно з множини B можна виділити підмножину B яка містить усі доступні на даний момент елементи налаштування системи. Процес роботи слухача можна подати так:

D = f (Л, B*),

де f - це функція, яка визначає множину дій що є реакцією тренажера на

дії слухача; D - множина дій, що є відповіддю; Л - елемент керування, який   було   використано   слухачем.   Тоді   D   можна   подати, як

D = {d^, d2,..^dn }.

Кожна непуста дія d сама по собі є функцією від елементів керування й налаштування, тобто формулу можна подати такому вигляді:

К d2,..., dn}= f (a, в* )

{dj, d2,..., dn}=F(A> B*) F2 (a, B*)...; Fn (Л, B*)}; Або кожну дію можна представити у наступному вигляді: dp = Fp(A;B*) = Fp(A;bh;bh;...,bln)

де /j,i2,...,in - порядкові номери доступних елементів налаштування, Fp -

функція, яка визначає єдину дію, що є реакцією тренажера на дії слухача, відносно обраного елементу налаштування, p = (j, n) .

*

Перевіривши всі можливі перетини елементів множин B між собою в n - вимірному просторі, система визначить множину D через її скла­дові {dj,d2,...,dr}, при цьому пусті дії не включаються. Після визначення дій, вони виконуються, причому існує певне обмеження на їх виконання. Це порядок виконання дій залежно від множини B*.

Він визначається за пріоритетом кожної дії, який присвоюється їй при створенні системи. Після виконання чергової низки дій система поверта­ється до очікування дій слухача.

Розглянуто типи інформації про слухача, що зберігаються в базі да­них. Наведено семантичну структуру бази даних для адаптивного трена­жера. Запропоновано дескриптивну модель тренажера, яка пов'язує частини процесу роботи, сеанси, типи процесів контролю знань, типи по­милок, типи отриманих знань та системи тренажера.

У другому розділі розглянуто складові тренажера, з якими безпосере­дньо взаємодіє слухач. Першим проаналізовано електронний підручник (ЕП). Наведено базову структуру ЕП, його методичні відмінності від па­перового аналога, різницю між автономним ЕП та ЕП у складі тренажера, а також алгоритм роботи ЕП у складі тренажера.

Визначені вимоги до надання інформації за допомогою ЕП як методи­чного засобу. Наведено найпоширеніші форми інформації, які можуть бути використані в ЕП: текстова, графічна, звукова, відео, змішана.

Розглянуто вимоги до ЕП як до програмного забезпечення. Обґрунто­вано доцільність використання гіпертекстових мов програмування в ЕП. Подано блок-схему алгоритму роботи слухача в ЕП.

Уведено поняття умовної одиниці матеріалів (УОМ) та умовної логіч­ної одиниці матеріалів (УЛОМ), де УОМ - це умовна одиниця теоретичних матеріалів, що вимірюється в кількості текстових символів, а УЛОМ - логі­чно неподільна частина навчального матеріалу. Зміна кількості УЛОМ у розділах - це важлива частина персоніфікації навчального процесу. Проте, для врахування місцезнаходження кожної УЛОМ та швидкого їх перемі­щення між розділами необхідно мати зручний і простий спосіб. Як рішення пропонується використання так званих таблиць належності й розміщення всіх теоретичних матеріалів по окремих файлах. У такому разі від початку роботи слухача із теоретичними матеріалами система «складатиме» необ­хідні УЛОМ з окремих файлів у одне ціле й подаватиме слухачу.

Нехай i = (і,/) відповідатиме за номери УЛОМ, а деякі УЛОМ можуть

бути використані в декількох розділах. Нехай j = (і, m) визначатиме поряд­ковий номер розділу, в якому використовується дана УЛОМ. Очевидно, що кожна УЛОМ може бути подана в розділі в кількох формах, отже, нехай k = (і,n) відповідає за форму УЛОМ. Тоді елемент eijk набиратиме значен­ня 0 або і, визначаючи, чи подана i -та УЛОМ у j -му розділі в k -й формі. Якщо подана, то eijk = 1, якщо не подана, то eijk = 0 . Таблицею належності УЛОМ називатимемо поєднання всіх існуючих у розділі елементів eijk . Дві таблиці належності Л і B вважатимуться рівними, якщо aijk = bijk для Vi, Vj,Vk. Вихідні таблиці позначатимемо великими літерами (наприклад Л ), а таблиці, що отримуються в результаті, великими літерами з тильдою (наприклад Л ). Відповідно елементи таблиці Л позначатимуться, як aijk, а

в таблиці Л - як Sjk. Знак « ® »позначає, що праворуч від нього розміще­но результат операцій, що стоять ліворуч. Елементарними операціями надтаблицями належності пропонується вважати: додавання, віднімання, об' єднання, виключення, поділ, злиття, перетин.

Операцію додавання позначатимемо символом «+». Результатом до­давання таблиці Л до таблиці B будуть дві таблиці Л та B . У таблиці Л всі ті ~jk = 1, які дорівнювали 1 у таблиці Л , або ті, у яких значення

індексів збігаються з bijk = 1 (для Vi,Vj,Vk). Результатом операції B + Л

будуть таблиці B2 та Л2 . При цьому хоча Лі = B2 , розміщення результа­тів відрізняються, а отже Л + B ф B + Л . Операцію віднімання позначати­мемо символом «-». Результатом віднімання таблиці B від таблиці Л будуть таблиці Л та B . У таблиці Л такі Sjk = 1, які дорівнювали 1 у

таблиці Л за умови, що bijk ф 0 (для Vi,Vj,Vk). Результатом операції

B - Л будуть таблиці B2 та Л2. При цьому Л1 ф B2, а отже Л - B ф B - Л.

Операцію   об'єднання  позначатимемо   символом  «и». Результатом

об' єднання таблиць Л і B буде одна таблиця Л . Значення всіх вимірів, окрім одного, в таблицях Л і B повинні збігатися, ці значення перейдуть

у таблицю Л . Значення останнього виміру таблиці Л дорівнюватиме сумі значень останнього виміру таблиць Л і B . Операція виключення

a

позначається символом « п », де a визначає вимір, відносно якого прово­дитиметься виключення. Результатом виключення з таблиці Л заданих

елементів буде Л . Елементи, що мають бути виключені, можуть бути вказані як інша таблиця з параметрами вимірів, відносно яких проводить-

a

ся виключення, наприклад Л п В(2,3 - 5), або як сукупність індексів еле-

a

ментів, що підлягають виключенню, наприклад, Л п - x;2,3 - 5;1 - z). Для

проведення операції виключення значення всіх, крім одного вимірів таб­лиць Л і B повинні збігатися. Операція поділу позначається, як Л^Цй )[В, C]. Л, В, C - це вихідна таблиця й таблиці, що отримуються в результаті операції. Індекс a відповідає за вимір, відносно якого викону­ється поділ; y - контрольне значення виміру. Операція злиття познача­ється, як Aa , де індекс a відповідає за вимір, відносно якого виконується злиття. Результатом операції злиття таблиці Л відносно виміру a будетака таблиця Aa , в якій усі елементи з однаковими значеннями індексів виміру a об' єднуються в єдиний елемент. Операція перетину таблиці Л орієнтації a зі значенням x позначається, як Aa=x. Суть операції пере­тину полягає в тому, що в n -вимірній таблиці Л фіксується значення обраного виміру a = x . Результатом такої операції буде n -1-вимірна таблиця Aa=x, де наявні всі елементи з таблиці Л , для яких a = x.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

С П Борсук - Адаптивне навчання операторів на функціональному тренажері