Международная сертификация менеджмента качества ISO 9001

Международная Кафедра-сеть ЮНЕСКО/МЦОС «Техническое и профессиональное образование и подготовка кадров (TVET)

Международный Центр Обучающих Систем

Нормирование цифровых технологий тренажерных систем как способ обеспечения надежности условий обслуживания объектов электроэнергетики (часть 1)

Основной целью функционирования энергетической отрасли является надежное и безопасное снабжение потребителей электрической и тепловой энергией требуемого качества [1].

Стандартное определение надежности — это свойство объекта выполнять заданные во времени функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Условия функционирования объекта включают внешние условия, которые воздействуют на объект и могут способствовать или препятствовать выполнению его функций, а также внутренние требования к эксплуатационным параметрам и условиям обслуживания объекта.

Понятие «условия функционирования» отражает технически допустимые диапазоны внешних воздействий на объект, и, как следствие, его «эксплуатационные параметры».

Понятие «условия обслуживания объекта» включает в себя, в том числе, так называемый, «человеческий фактор»; т. е. необходимость в высокой профессиональной квалификации и опытности обслуживающего персонала, его дисциплинированности, материальной и моральной заинтересованности в результатах труда.

Что же касается свойства «безопасности (технической безопасности)», то следует отметить, что «безопасность» является весьма важным комплексным понятием применительно к объектам электроэнергетики. Под безопасностью объекта электроэнергетики понимается его свойство не допускать ситуаций, опасных для людей, энергообъектов и окружающей среды. В целом проблемы обеспечения надежности и безопасности объектов электроэнергетики имеют общие черты и взаимно влияющие факторы, общие средства их обеспечения. Разграничиваются эти свойства по характеру последствий. Обеспечение безопасности является прерогативой государства, и требования по обеспечению безопасности излагаются в федеральных законах и технических регламентах.

Обеспечение надежности, в том числе и условий обслуживания объекта, а именно, требования к повышению профессиональной квалификации оперативного и обслуживающего персонала энергопредприятий, ее методологическом и техническом обеспечении излагаются в отраслевых нормативных документах: национальных стандартах, стандартах организаций или технических условиях.

Начальные нормативные документы, регламентирующие требования к техническим средствам обучения персонала электроэнергетики

Одним из первых нормативных документов электроэнергетики СССР, регламентирующих требования к техническим средствам обучения (ТСО) стали «Указания по построению комплекса обучающих и тренажерных систем для подготовки эксплуатационного персонала энергоблоков ТЭС, АЭС, предприятий электросетей, энергосистем и объединений» [2], утвержденные заместителем министра Минэнерго СССР Дьяковым А. Ф. 17.06.1986 г.

Положения [2] были разработаны экспертной рабочей группой Минэнерго СССР во главе с Долгоносовым Н. С., в состав которой входили представители Главтехуправления, ПО «Союзтехэнерго», ПО «Атомэнергоналадка», ВТИ, ВНИИЭ, ЦКБ «Союзэнергоавтоматики»,

«Атомтеплоэнергопроекта», Энергосетьпроекта, ГИВЦ Минэнерго УССР, УТЦ Трипольской ГРЭС, Мосэнерго (ОЗАП, Мосэнергоналадка), в том числе и один из авторов настоящей статьи.

В [2] был обобщен опыт создания центров тренажерной подготовки, пунктов, тренажеров, обучающих вычислительных систем и учебных материалов, накопленный в Минэнерго СССР в период с 1972 по 1986 гг.

Целью разработки [2] являлось обеспечение единства структуры и функций технических систем и средств для подготовки персонала энергопредприятий, энергосистем и объединений.

Обучающие и тренажерные системы предназначались для подготовки эксплуатационного персонала в учебно-тренировочных центрах (УТЦ) и учебно-тренировочных пунктах (УТП), а также в учебных комбинатах при районных энергетических управлениях, в специализированных организациях, в институтах повышения квалификации, в высших учебных заведениях, техникумах, профессионально-технических училищах и т. п. При этом в полном объеме эти системы применялись в УТЦ и УТП, предназначенных для подготовки оперативного персонала. Для подготовки неоперативного персонала энергоблоков ТЭС, АЭС, предприятий электросетей, энергосистем и объединений те же обучающие и тренирующие системы использовались в частичном объеме на основе обучающих программ, ориентированных на конкретную профессию.

Следующим этапом в развитии нормативной базы российского (советского) тренажеростроения стала разработка «Основных технических требований к комплексным тренажерам для подготовки эксплуатационного персонала энергоблоков тепловых электростанций» (ОТТ), утвержденных Минэнерго СССР 21.05.1988 г. [3]

В ОТТ [3] уточнялись, расширялись и конкретизировались положения и определения вышеприведенных «Указаний» и были предназначены для использования заказчиками и разработчиками тренажеров в целях определения обязательных  минимальных  требований и критериев, которым должен отвечать комплексный тренажер.

Итак, как же определялось понятие «тренажер» согласно нормативам [2, 3] и каковы были те обязательные минимальные (!) требования и критерии, которым должен он соответствовать? Ответы на указанные вопросы можно получить из рассмотрения таблицы.

Таковы были обязательные минимальные требования к тренажерам и критериям их приемки, которые регламентировались в [2, 3].

Столь подробное рассмотрение содержания выше- приведенных нормативных документов объясняется тем, что указанные документы определили на будущее основные принципиальные положения нового в то  время направления — тренажеростроения не только в электроэнергетике для тепловых, атомных и гидравлических электростанций, но и в других отраслях промышленности.

Таким образом, новые нормативные документы регламентировали принципиальные требования к тренажерам как техническим средствам обучения по следующим разделам:

Таблица. Обязательные минимальные требования и критерии к тренажерам эксплуатационного персонала энергопредприятий согласно нормативам [2, 3]

№ п/п Подсистема Требования и критерии
1. Определение понятия «тренажер»   Техническое средство подготовки персонала, реализующее логико-динамическую и (или) функциональную модель оборудования (блок, котел, турбина, генератор, участок и т. п.) и осуществляющее контроль качества тренировки. Предназначен для формирования навыков и умений управления энергооборудованием.
2. Классификация Тренажеры подразделяются по разным признакам на комплексные, специализированные, универсальные, групповые, индивидуальные, передвижные, стационарные, автоматизированные и неавтоматизированные.  
3. Состав тренажера В состав тренажера должны входить: моделирующее устройство; рабочее место обучаемых (обучаемого); рабочее место обучающего (инструктора); аппаратура контроля подготовки.  
4. Моделирующее устройство тренажера   Должно обеспечивать: воспроизведение с оговоренной точностью потока информации, предъявляемой обучаемым в установленном масштабе времени; возможность временной остановки процесса обучения и возврата в начало учебной задачи с последующим повторением в заданном масштабе времени; возможность изменения сложности учебных задач в процессе тренировки; моделирование типовых неисправностей и возмущений.  
5. Рабочее место обучаемых (обучаемого)   Должно воспроизводить зрительную и акустическую обстановку, соответствующую рабочему месту оперативного персонала и адекватно связанную с алгоритмом деятельности. На рабочем месте должны быть предусмотрены средства отображения информации об ошибках, допущенных обучаемым в процессе выполнения учебной задачи и управления параметрами учебно-тренировочного процесса в режиме самообучения. Имитируемые панели и пульты управления должны воспроизводить размеры, форму, цвет и конфигурацию оборудования БЩУ энергоблока-прототипа. Аппаратные средства на имитируемых панелях и пультах БЩУ должны воспроизводить аппаратуру, находящуюся на БЩУ энергоблока-прототипа.  
6. Рабочее место инструктора   Инструктор должен иметь рабочее место, оборудованное необходимыми средствами отображения информации, управления и связи для эффективного контроля и управления процессом тренировки.  
7. Контроль подготовки обучаемых   Аппаратура контроля подготовки должна обеспечивать: регистрацию и анализ информации, необходимой для определения качества работы отдельных обучаемых; формирование информации о качестве деятельности обучаемых и оперативное предъявление ее на рабочие места обучаемых и обучающего.  
8. Модель объекта управления   При моделировании объекта управления следует использовать основные физические законы и соответствующие уравнения, описывающие процессы, которые происходят в объекте управления при различных режимах его работы.  
9. Точность моделирования, погрешность приборов   Точность моделирования должна определяться относительно полного значения шкалы (для параметров, измеряемых с помощью аналоговых датчиков) или расчетного значения параметра при номинальной мощности. Параметры, отображаемые на приборах БЩУ, должны учитывать дополнительную погрешность прибора, которая добавляется к расчетным значениям. Точность моделирования должна определяться как минимум в трех точках диапазона мощности.  
10. Информационная система тренажера   Тренажер должен иметь систему для автоматического сбора, хранения и вывода информации, относящейся к работе оператора во время обучения на тренажере.  
11. Имитация нормальных режимов   К нормальным режимам, наряду с работой энергоблока при максимальной и близкой к максимальной нагрузках при номинальных параметрах пара, относятся все основные переходные режимы, планируемые заранее, возникновение которых не связано с неисправностью оборудования или систем управления, а также с ограничениями в источниках тепла, охлаждения, воды и т. п.  
12. Имитация начальных режимов работы   Тренажер должен иметь как минимум 20 начальных режимов работы, которые должны отражать различные рабочие состояния энергоблока.  
13. Имитация нарушений в работе   Режимы с нарушениями работы оборудования должны имитироваться, как правило, с помощью тех же моделей, которые применяются при моделировании нормальной работы энергоблока-прототипа путем изменения параметров моделей и предельных условий и путем добавления моделей для специальных эффектов.  
14. Имитация неисправностей   Должна быть обеспечена возможность введения в программу и выведения удобным способом неисправностей. При этом должна быть предусмотрена возможность имитации одновременных и последовательных неисправностей в любой реалистичной комбинации. Введение неисправности не должно сопровождаться появлением информации, отличающейся от встречающейся на энергоблоке-прототипе.  
15. Имитация аварийных режимов работы Тренажер должен быть способным имитировать в реальном времени аварийные и другие режимы с нарушением работы оборудования, являющиеся следствием различных неисправностей, в целях демонстрации характерной реакции энергоблока и функционирования его системы контроля и управления.  
16. Адекватность тренажера   Ответная реакция тренажера на его информационном поле на любые действия оператора, отсутствие действий с его стороны, неправильные его действия и действие систем авторегулирования, защит и блокировок должны совпадать с реальными в пределах установленных границ эксплуатационных характеристик до такой степени, чтобы опытный оператор не заметил разницы между реакцией систем отображения информации на рабочих местах тренажера и энергоблока-прототипа.  
17. Эксплуатационные свойства тренажера   Должны быть проверены путем их сравнения с соответствующими характеристиками энергоблока- прототипа при работе в нормальных режимах и режимах с нарушением работы оборудования. Требования к эксплуатационным свойствам должны обеспечить правильное понимание оператором ситуаций и условия для правильных с его стороны действий в этих ситуациях.  
18. Масштаб времени, дидактические режимы   Тренажер должен иметь возможность имитации в реальном, ускоренном и замедленном времени, замораживания, реализации снимков и возврата.  
19. Приемочные испытания   Приемочные испытания тренажера проводятся путем сравнения параметров на БЩУ тренажера с экспериментальными данными по энергоблоку-прототипу.  
20. Критерии приемки тренажера   Критерии приемки касаются только тех параметров, которые отображаются на БЩУ. В качестве критериев приемки должны применяться следующие: Погрешность прибора тренажера не должна превышать погрешности соответствующего прибора, датчика и соответствующей системы измерения энергоблока-прототипа.Изменение (дрейф) рассчитанных тренажером значений параметров для стационарного режима при полной мощности и работе систем автоматического регулирования не должно превышать +/- 2% в течение 60 мин.Рассчитанные тренажером значения основных технологических параметров должны соответствовать параметрам энергоблока-прототипа с точностью +/- 2%.Основные параметры: мощность энергоблока, давление свежего пара, температура свежего и вторичного перегретого пара, уровень в барабане (для барабанных котлов), давление до ВЗ (для прямоточных котлов).Рассчитанные значения вспомогательных технологических параметров, относящихся к эксплуатации энергоблока и отображающихся на панелях и пультах БЩУ тренажера, должны соответствовать параметрам энергоблока-прототипа с точностью +/- 10%.Должны анализироваться основные параметры каждого переходного режима. Изменения основных параметров во времени должны быть разделены на зоны, ограниченные существенными событиями, которые происходят в течение всего переходного режима. Существенными событиями могут быть быстрые остановы, действия оператора, действия автоматики или достижение основными параметрами определенных значений.    

  • составление тезауруса;
  • классификация тренажеров;
  • определение структуры тренажера, как системы обучения персонала;
  • определение требований к модели объекта-прототипа:
    • к составляющим общей адекватности;
    • к математической модели (принципам моделирования);
    • к масштабируемости процесса и дидактическим режимам (замораживание, реализация снимков и возврата);
    • к параметрической точности статических и динамических режимов и учету погрешностей системы измерения;
    • к имитации исходных состояний объекта-прототипа;
    • к имитации штатных режимов объекта-прототипа (пусковых, остановочных, регулировочных);
    • к имитации нештатных и аварийных режимов;
  • определение требований к системе управления;
  • определение          требований   к    рабочему месту оператора;
  • определение требований к системе обучения;
    • к рабочему месту инструктора;
    • к вводным характеристикам;
    • к системе контроля и протоколирования;
  • определение требований к приемочным испытаниям и критериям приемки.

Следует отметить, что профессиональный состав рабочей группы Минэнерго СССР, разрабатывавший указанные нормативы, был на то время максимально компетентным и включал в себя представителей всех ведущих научных, проектных, машиностроительных, пусконаладочных и эксплуатационных организаций энергетики СССР.

Существующие нормативно-технические документы и регламентация требований к тренажерам оперативного персонала

В настоящее время в электроэнергетике РФ и странах СНГ действуют два нормативных документа, регламентирующие требования к тренажерам и программным средствам подготовки персонала энергетических предприятий:

  • «Нормы годности  программных средств подготовки персонала энергетики» – СО 153-34.0-12.305-99 [4].
  • «Технические условия для сертификации прикладных программных средств тренажеров для тепловых электростанций и сетей» СТУ 115.015-2003 [5].

В [4] установлены определенные требования к программным средствам подготовки персонала предприятий энергетики на различных этапах производствен- ной подготовки и состоят из:

  • функциональных норм годности;
  • программно-технических норм годности;
  • норм годности сопроводительной документации.

«Нормы годности» подразделяются на:

  • нормы годности тренажеров;
  • нормы годности автоматизированных учебных курсов и автоматизированных обучающих систем;
  • нормы годности учебно-тренировочных центров.

В соответствии с функциональными нормами годности различают основные компоненты компьютерных тренажеров:

  • модель объекта управления;
  • модель рабочего места обучаемого;
  • модель рабочего места инструктора.

Основные требования в [4] к моделям объектов управления тренажеров:

  • построение модели должно базироваться на основе математического описания физических процессов, происходящих в реальном объекте, в виде систем дифференциальных, алгебраических и логических уравнений, определение параметров должно производиться на основе технологических характеристик оборудования и экспериментальных данных о работе объекта;
  • допущения, принимаемые при построении моделей, должны обеспечивать воспроизведение качественно верной физической картины, происходящих в объекте процессов, во всех воспроизводимых на тренажере режимах работы объекта;
  • должна обеспечиваться необходимая полнота моделирования, определяемая конкретной стадией подготовки: должны моделироваться все необходимые для этой стадии режимы работы, контролируемые параметры и органы управления объекта моделирования при наличии требуемого набора воспроизводимых аварий и отказов в работе технологического оборудования и устройств автоматики;
  • должна обеспечиваться достаточная точность модели — когда отклонение в поведении моделируемых параметров от поведения реальных параметров настолько мало, что практически не различается обучаемыми и допускается экспертами при приемке тренажера;
  • должно обеспечиваться сохранение реального (а в ряде режимов — и ускоренного) масштаба времени

при воспроизведении моделируемых процессов на ЭВМ тренажера;

  • невыполнение указанных требований не позволяет рассматривать данное программное средство в качестве тренажера, но сохраняет возможности для использования его в качестве моделирующего устройства.

Основные требования в [4] к моделям рабочих мест обучаемых:

  • сенсомоторные навыки отрабатываются на участковых и полномасштабных тренажерах;
  • интеллектуальные навыки отрабатываются на компьютерных тренажерах, когда требования к воспроизведению условий реальных рабочих мест не являются жесткими;
  • отображение информации осуществляется в форме: мнемосхем, графиков изменения во времени важнейших параметров, компьютерных изображений пультов и панелей реальных рабочих мест.

Основные требования в [4] к рабочему месту инструктора:

  • обеспечение рабочего задания на выполнение тренировки, задания возмущений (аварий и отказов), заданий исходного состояния;
  • изменение масштаба времени;
  • остановка процесса и возврат к исходному состоянию;
  • воспроизведение сценария тренировки;
  • фиксация времени;
  • фиксация количества и типа ошибок;
  • фиксация срабатывания защит и блокировок;
  • фиксация отклонений важнейших контролируемых параметров и состояния органов управления.

Таким образом, в [4] регламентируются общие принципиальные требования к организации процесса обучения на различных тренажерах оперативного персонала электрических станций и сетей:

  • в составе навыков, формируемых с помощью тренажеров, выделяются сенсомоторные навыки (восприятие информации, двигательные реакции по осуществлению управляющих воздействий) и интеллектуальные (переработка информации и принятие решений);

  • сенсомоторные навыки отрабатываются на участковых и полномасштабных тренажерах, обеспечивающих подобие рабочих мест обучаемых;
  • интеллектуальные навыки отрабатываются на компьютерных тренажерах, когда требования к воспроизведению условий реальных рабочих мест не являются жесткими.

5 июня 2003 г. Министерством Российской Федерации по связи и информатизации были введены Технические условия для сертификации прикладных программных средств тренажеров для тепловых электростанций и сетей СТУ 115.015-2003 [5]. Этот документ, разработанный Всероссийским научно-исследовательским институтом проблем вычислительной техники и информатизации (ВНИИПВТИ) совместно с ЗАО «Тренажеры электрических станций и сетей (ТЭСТ)» и согласованный с РАО «ЕЭС России», устанавливает состав и допустимые границы значений характеристик прикладных программных средств тренажеров с динамическими компьютерными мнемосхемами в соответствии с требованиями стандартов [6].

Основными разделами документа являются список терминов и определений, требования к характеристикам идентификации (документация, регистрация программного продукта, сведения о фирме-разработчике и о версии продукта и т. п.), требования к характеристикам функционального назначения, требования к функциям обработки данных, требования к характеристикам информационной совместимости, требования к характеристикам целостности и сохранности про- грамм и данных (информационной безопасности), требования к характеристикам интерфейса пользователя, требования к системным характеристикам, требования к методам оценки характеристик. Приложения содержат требования к эксплуатационной документации, разработанной на основе [6], и образцы оформления этих документов.

Требования к характеристикам идентификации программных средств

Согласно [5], к характеристикам идентификации от- носятся эксплуатационные документы, реквизиты фирмы-разработчика, сведения о версии продукта, сведения о регистрации продукта, описание контрольных вариантов для проверки корректности функционирования программных средств тренажера, состав нормативно-правовых документов для представленной конфигурации программного продукта.

В комплект эксплуатационной документации должны обязательно входить формуляр прикладного программного средства, руководство пользователя и руководство оператора (администратора или/и программиста, в зависимости от особенностей программного средства). Все документы должны быть оформлены на русском языке в соответствии с требованиями [6]. Все документы должны иметь учетный номер фирмы разработчика с указанием даты постановки на учет.

В соответствии с [6], наименование и обозначение программного продукта должны быть указаны на упаковке и носителях. Они должны соответствовать наименованию и обозначению, указанным в эксплуатационных документах.

Обязательным требованием является указание сведений о версии программного продукта, даты приема данной версии в эксплуатацию и перечня файлов, входящих в состав программных средств тренажера. Продукт должен иметь государственную регистрацию, причем копия свидетельства о регистрации должна поставляться в комплекте эксплуатационной документации.

Также обязательным является требование наличия контрольных вариантов работы тренажера, содержащих перечень входных параметров и соответствующих им результатов для основных режимов функционирования тренажера. По этим данным пользователь может судить о корректности функционирования программного обеспечения.

В целом, требования к характеристикам идентификации обеспечивают защиту конечного пользователя программного продукта от подделок и недобросовестных разработчиков.

Требования к функциональным характеристикам

Требования этой категории определяют состав тренажера, средства его разработки и состав моделируемого оборудования, параметров, защит, блокировок, технологической сигнализации, внутренних и внешних возмущений. Кроме того, определяются задачи, выполняемые тренажером.

Согласно Техническим условиям, в состав тренажера должны входить модель энергообъекта, рабочие места операторов, рабочее место инструктора, системы поддержки оператора и инструктора, наборы сценариев тренировки и аварийных ситуаций. В соответствии с принятой терминологией модель должна быть всережимной, а рабочие места операторов должны точно соответствовать реальным рабочим местам на пред- приятии.

Состав моделируемых объектов приводится в виде перечней по приведенным в [5] формам. Эти формы позволяют сопоставить модель энергообъекта его прототипу и определить качество математической модели тренажера.

Модель тренажера должна обеспечивать имитацию внутренних и внешних возмущений, а именно нарушений геометрии, отказов технологического оборудования, арматуры, систем автоматики, изменений характеристик топлива, окружающего воздуха и охлаждающей воды.

Обязательным требованием является обеспечение тренажером выполнения подготовительных и пусковых операций из различных тепловых состояний, работы в регулировочном режиме энергообъекта, плановых и аварийных остановов, работы в аварийных режимах.

В [5] требуется от программной оболочки тренажера с динамическими мнемосхемами обеспечение много- оконного режима работы с выводом оперативных схем основного и вспомогательного оборудования, возможность вывода графиков изменения параметров и состояния оборудования в зависимости от времени и возможность просмотра аварийных и предупредительных сообщений на специальном информационном табло.

Ведение протоколов аварийных сообщений, действий оператора и его ошибок, а также наличие контролирующей программы, фиксирующей ошибки оператора, является обязательным.

Обобщая, можно сказать, что требования к функциональным характеристикам обеспечивают качество выполнения модели и программной оболочки тренажера.

Требования к функциям обработки данных

Корректность обработки данных — важнейшее условие работы любого программного обеспечения. Для таких сложных комплексов, какими являются энергетические тренажеры, это требование еще более актуально, поскольку при работе математической модели ошибки имеют тенденцию накапливаться, приводя через некоторое время к нестабильности работы как самого программного продукта, так и компьютера, на котором установлена модель тренажера.

Технические условия определяют для тренажерного комплекса пять требований, обеспечивающих корректность обработки данных: корректное манипулирование данными, правильное формирование выходных форм (протоколов и т. п.), корректная обработка текста, корректная обработка календарной даты и времени (особенно актуально ввиду требования работы тренажера в разных временных масштабах) и безошибочный экспорт и импорт данных.

При манипулировании данными особо оговаривается требование наличия контроля правильности ввода   и изменения данных, поскольку неправильный формат данных (например, использование запятой вместо десятичной точки или неправильного разделителя в записи даты и времени) может привести к ошибкам. Разработчик обязан предусмотреть проверку правильности вводимых данных и при их несоответствии сообщить об ошибке пользователю, предоставив ему возможность исправить эту ошибку или отказаться от ввода данных. При этом должны быть доступны стандартные механизмы ввода и редактирования данных, предусмотренные операционной системой (например, использование буфера обмена Windows).

Повышенного внимания требует формирование протоколов и сохранение их формата при сохранении на накопителе или при распечатке. Все данные должны занимать отведенные им поля на форме протокола, обеспечивать наглядность и безошибочность выводимой информации.

Информационная совместимость и безопасность

Очень важным требованием к любому программному продукту является его устойчивость, совместимость (внутренняя и внешняя), безопасность для другого программного обеспечения и для компьютерного оборудования. Устойчивость программного обеспечения тренажера обеспечивается прежде всего внутренней совместимостью его компонентов между собой, а также внешней совместимостью с операционной системой и другим программным и аппаратным обеспечением. Технические условия обязывают разработчика обеспечить однотипность вычислительных средств, операционной среды и форматов данных для всего тренажерного комплекса.

Для обеспечения целостности данных и их сохранности программные средства тренажера должны обладать методами контроля доступа к данным. В противном случае (например, при одновременном редактировании одного и того же набора данных двумя пользователями или программными процессами) может возникнуть ошибка, последствиями которой может стать выход из строя всего комплекса.

Учитывая сказанное выше, в [5] требуется обязательная уникальная регистрация  каждого  пользователя в системе, наличия, по крайней мере, трех категорий пользователей (администратор, инструктор и оператор) с разными степенями доступа к данным и обеспечение надежного контроля запросов данных.

Кроме того, разработчик должен предусмотреть механизмы контроля сбоев и восстановления данных при их обнаружении посредством использования резервных копий данных.

При выполнении этих требований со стороны разработчика пользователь может быть спокоен за сохранность своей информации и электронного оборудования, с которым взаимодействует тренажер.

Требования к пользовательскому интерфейсу

Даже при наличии качественной математической модели и корректной программной оболочки отсутствие грамотно организованного пользовательского интерфейса может сделать тренажер не только непригодным к использованию, но и вредным, поскольку любое несоответствие интерфейса реальному рабочему месту оператора влечет неадекватность реакции оператора при возникновении нештатных и аварийных ситуаций на реальном объекте.

Менее серьезными, но тоже печальными последствиями могут стать необходимость предварительного обучения оператора энергообъекта сложным навыкам работы с компьютером или переутомление пользователя из-за неправильной организации взаимодействия с программным комплексом тренажера.

Эти причины приводят к предъявлению определенных требований к организации интерфейса тренажера. Во-первых, язык интерфейса должен быть русским. Во-вторых, интерфейс должен быть интуитивно понятным и привычным (элементы мнемосхем, в частности, должны иметь стандартные обозначения). Наконец, в-третьих, программное обеспечение тренажера должно иметь контекстно-зависимую справочную систему с информацией обо всех элементах интерфейса и методах их использования.

Выполнение этих требований является обязательным и гарантирует удобство и пользу обучения специалистов.

Системные характеристики

К системным характеристикам относятся максимально возможное количество одновременно работающих пользователей, максимальное количество  рабочих мест и максимальное количество моделируемых объектов.

Технические условия требуют, чтобы на тренажере могли работать одновременно хотя бы два пользователя: обучаемый оператор и инструктор. Это, в свою очередь, влечет необходимость организации стабильной работы в сети по крайней мере двух компьютеров, на одном из которых устанавливается программа пульта оператора, а на другом — программа пульта инструктора. Взаимодействие этих двух программ должно удовлетворять требованиям безопасности данных, рассмотренным выше.

Количество рабочих мест и моделируемых  объектов не должно быть ограниченным. Таким образом, на программном уровне тренажер должен иметь возможность практически неограниченно расширяться. При этом следует учесть, что не все сервера баз данных способны обеспечить выполнение этих условий, а использование файлового обмена данными оказывается вообще недопустимым.

Методы оценки характеристик тренажера

В [5] предлагается три метода оценки характеристик программного обеспечения тренажера: визуальный, экспертный и тестовый.

Визуальный метод предполагает оценку исследуемой характеристики путем визуальной фиксации ее наличия в установленной в [5] форме.

Экспертный метод позволяет оценить функционирование программного обеспечения в процессе его эксплуатации, опираясь на эксплуатационные документы и контрольные варианты работы программ.

Тестовый метод основан на использовании аттестованных в установленном порядке тестов, позволяющих в автоматическом режиме оценить значения характеристик программных средств тренажера.

Полученные оценки характеристик программ фиксируются в протоколе испытаний с указанием метода получения этой оценки.

При оценке функций обработки данных и формирования протоколов каждая функция проверяется многократно, причем число повторений должно обеспечить достоверность оценки. Функции администрирования и обмена данными проверяются во всем объеме.

Использование каждого из методов оценки строго регламентируется Техническими условиями. Таким образом, выполнение [5] при проведении испытаний программного обеспечения тренажера обеспечивает объективность оценок его характеристик, а значит — гарантию его качества при соответствии Техническим условиям [5].

Характеристики идентификации оцениваются визуальным методом — путем проверки наличия и содержания по каждому пункту требований.

Характеристики функционального назначения оцениваются экспертным методом по каждому набору программных данных задаются определенные наборы входных данных, а результаты оцениваются по содержимому экрана и выходных форм на бумажном носителе.

Оценка функции обработки данных так же проводится экспертным методом — по каждому пункту требований задается несколько различных наборов данных, а результаты оцениваются по содержимому экрана.

Адекватность модели энергоустановки. Для ее оценки используется программа автоматического тестирования модели тренажера. Входными данными этой программы являются эталонные значения характеристик энергоустановки-прототипа, пределы допустимых отклонений и значения этих характеристик, рассчитанные моделью. На выходе программы создается протокол тестирования, в котором фиксируется факт выхода рассчитанных значений за допустимые пределы и рассчитывается комплексный показатель адекватности модели. В программе проводится анализ для статических и динамических значений.

Характеристики информационной совместимости оцениваются экспертным методом как путем проверки наличия в эксплуатационной документации описания форматов файлов обмена, описание допустимых характеристик вычислительных средств, так и путем проверки наличия словарей при вводе данных.

Характеристики целостности и сохранности программ и данных оцениваются также экспертным методом, путем непосредственной проверки возможности архивирования данных по команде администратора и/или автоматически через заданные промежутки времени.

Оценка характеристик интерфейса пользователя проводится экспертным методом. Проверяется наличие всех перечисленных в настоящем документе возможностей интерфейса.

Последняя оцениваема характеристика — это системные характеристики. Их оценка также проводится экспертным методом путем проверки возможности одновременной работы не менее чем на 5 рабочих местах и путем определения времени реакции по приложению «Дата и время», работающему одновременно с компонентами ПО тренажера.

Требования современных информационных технологий

Применение современных информационных технологий направлено на усовершенствование и модернизацию программного обеспечения, то есть на решение следующих вопросов:

  • отсутствие специальной компьютерной подготовки обучаемого оператора для работы на тренажере;
  • отсутствие использования специального дополнительного оборудования или программного обеспечения, кроме обычного используемого на предприятии-заказчике, за исключением самого тренажерного комплекса;
  • реализация требований к обучающим системам: адекватность используемой модели реальному объекту-прототипу; адекватность рабочего места оператора реальному рабочему месту; высокая функциональность пульта инструктора, автоматизированных и контролирующих программ; применения новейших методов обучения и тренировки и др.

  • реализация требований к программному обеспечению: правильная организация работы с ресурсами компьютера и сети; гибкость и доступность настроек для обеспечения эффективного восприятия информации обучаемым оператором; простота в установке и эксплуатации; обеспечение безопасности данных; обеспечение совместимости с различными платформами и аппаратными средствами и т. п.

  • правильная организация интерфейса и разумное использование современных технологий и средств отображения информации;

  • уменьшение требований тренажерных комплексов к аппаратным средствам при одновременном расширении функциональности;
  • снижение себестоимости разработок и тренажерных комплексов при росте качества и функциональности;

Решение перечисленных вопросов проводится с по- мощью внедрения в процесс разработки и сопровождения тренажерных комплексов новейших достижений информационных технологий. В частности, применяются технологии визуального компонентно-ориентированного проектирования модели и программной оболочки тренажера, используется принцип модульности и динамически подключаемые программные модули и библиотеки (plug-in), динамическое создание и уничтожение объектов, многопоточная организация приложений, использование WEB-технологий и технологий SQL- северов для передачи и хранения информации и т. п.

Состояние разработок в российском тренажеростроении

В настоящее время различными российскими фирмами разрабатываются и внедряются в процесс обучения персонала электрических станций и сетевых предприятий следующие программные продукты, в основном, называемые «тренажерами»1:

  • электронные лекции по описанию технических характеристик энергообъектов и процессов в них;
  • обобщенные модели технологических устройств;
  • модели ограниченного режима;
  • модели частичной топографии (узловые модели);
  • оболочки-конструкторы                                  технологических    устройств;
  • комплексные анализаторы электрооборудования;
  • модели ПТК и АСУТП2.

1 Иногда, впрочем, встречаются и более приближенные к жизни и правдивые авторские названия типа: «анализатор», «интерпретатор», «имитатор» и т. п., но так как эту программу надо продать заказчику, то, естественно, что предприимчивые менеджеры, обходя нормативы, называют ее удобным термином «тренажер»

2 Классификация АО «ТЭСТ» программных продуктов («тренажеров») принята Интер РАО ЕЭС в своем корпоративном стандарте: Методика «Требования к организации тренажерной подготовки оперативного персонала» (п. 4.5).

Лекции по описанию технических характеристик энергообъектов

В основном разрабатываются и внедряются для периферийных по отношению к основному генерирующему и распределяющему оборудованию электростанций (химводоподготовка, топливоподача, электролизная установка и т. п.). Предназначены для обслуживающего персонала: аппаратчики химцехов, дежурный и ремонтный персонал топливоподачи, дежурный и ремонтный персонал электроцеха и т. д. Характеризуются отсутствием модели оборудования, сервисных программ, программ Web-обучения.

Обобщенные  модели  технологических устройств

Предназначены для первичного обучения в  техникумах (колледжах), институтах, учебных центрах. Характеризуются топологически упрощенными и невсережимными моделями генерирующего и распределяющего оборудования без адресной привязки к конкретному технологическому оборудованию электростанций и сетей. Разрабатываются не профессиональными фирмами, а, в основном, работниками профильных кафедр политехнических университетов.

Модели ограниченного режима

Характеризуются тем, что процессы в модели технологического оборудования ограничены заранее определенными ситуациями (так называемое «ситуационное моделирование»). В этом случае модель имеет ограничения по значениям моделируемых параметров и «выход за пределы области моделирования», согласно [4], «должен сопровождаться остановом тренировки» (§ 3.1.1.4.).

К моделям этого «класса» относятся и разработки «тренажеров для соревнований», модели которых ограничены необходимым наборов режимов, принятых и заказанных организаторами соревнований.

Следует заметить, что многие разработчики тренажеров говорят о «всережимности» своих разработок, имея ввиду то, что параметры модели могут достигать внутри одного режима практически любых значений, при любых значениях внешних и внутренних возмущений, тем не менее, набор режимов в их моделях ограничен, не соответствует режимам реальной эксплуатации объекта-прототипа, что не позволяет использовать указанные тренажеры в процессе базового обучения оперативного персонала.

Кроме того, сказанное обусловливается еще и топологическими ограниченными расчетными моделями технологического оборудования. Так, у многих моделей тепловых энергоблоков по чисто «историческим причинам» подробно рассчитывается лишь котлоагрегат3, другое технологическое оборудование (турбина, схема регенерации) рассчитывается упрощенно, как часть общего теплового цикла, а электрическая часть электростанции (генератор и главная электрическая схема электростанции) вообще не рассматривается

Многие модели имеют ограничения по наличию периферийных систем: дренажей, систем охлаждения подшипников механизмов, систем смазки, вибродиагностики и т. п.

Естественно, что для всех перечисленных моделей говорить о всережимности можно только условно.

Модели ограниченного режима, которые согласно определению в [4] относятся к типу «моделирующих устройств» и «не могут рассматриваться в качестве тренажера», имеют, как утверждают авторыразработчики одной из фирм довольно широкое распространение (именно в качестве тренажеров) — до 30 единиц.

3 Большинство фирм начинали свои разработки именно с модели котлоагрегата, так как процесс генерирования пара при приемлемо точном описании граничных условий теплообмена встречает при моделировании наибольшие затруднения.

Причем из официального заключения пользователей- инструкторов известно, что эти «тренажеры» — «…не позволяют отрабатывать действия оперативного персонала согласно инструкции по эксплуатации. Для обучения персонала указанные тренажеры использовать нельзя».

И, тем не менее, в средствах массовой информации упомянутая фирма с завидной настойчивостью, нарушая законы о рекламе, продолжает утверждать: что она «…единственная фирма в России, разрабатывающая и поставляющая тренажеры третьего поколения (?), которые используются в учебно-тренировочных пунктах и центрах электростанций и энергосистем для обучения, тренировки и повышения квалификации оперативного персонала».

То, что фирма эта — «…единственная в России», пожалуй, и хорошо, но то, что она умудрилась «поставить» под видом тренажеров 30 единиц моделирующих устройств, да к тому же «третьего поколения», — это уже плохо, а то, что электростанции и энергосистемы получают за свои деньги (и не малые) продукт, который нельзя использовать по прямому назначению — это уж совсем плохо. Как говорили древние, предостерегая нас от подобных сделок: timeo Danaos et dona ferentes — бойтесь данайцев, дары приносящих.

О первопричинах указанного явления, о добровольной принудительности упомянутых «поставок», о «деловых схемах» внедрения некачественных программных продуктов мы уже писали неоднократно, так что sapenti sat — умный поймет.

В этом и заключается защищающий потребителя смысл статей «Закона о техническом регулировании», которые обязывают любых поставщиков научно-технической продукции иметь: первое — аккредитацию, и второе — сертификат на свой продукт.

Модели частичной топографии (узловые модели)

Характеризуются тем, что для моделирования выбирается участок (узел) объекта управления, имеющий технологически выделенный смысл, например, котел, турбина, генератор, система регенерации, маслосистема, система деаэрации, питательные насосы и т. п.

Тренажеры такого типа под названием «участковые тренажеры» заказывались и изготовлялись в 80-х годах прошлого века и предназначались, в основном, для повышения пропускной способности крупных центров подготовки персонала. Обучение на них имеет смысл только при последующем «доучивании» на комплексных тренажерах, охватывающих весь объем штатных обязанностей человека-оператора.

В настоящее время выпускаются фирмами, не имеющими в «портфеле» своих разработок технологически законченных тренажеров (например, модель энергоблока, модель электростанции, модель электрической подстанции и т. п.)

Оболочки-конструкторы технологических устройств

Основная идея данного подхода — разработать оболочку-конструктор, при помощи которой пользователь может самостоятельно создавать тренажеры, обучающие программы и другие программные продукты.

Оболочка-конструктор рассчитана на инженера-технолога, хорошо знающего технологический процесс и умеющего обращаться с компьютером на уровне продвинутого пользователя. Получив оболочку и пройдя специальную подготовку, пользователь, или творческий коллектив, могут создавать простейшие тренажеры для конкретных технологических объектов. Применяются, в основном, для разработки тренажеров оперативных переключений в электрических схемах. Моделируются — электрические схемы сетей, подстанций, электростанций по всем уровням напряжений. Моделируются операции на панелях релейной защиты и автоматики и на панелях управления.

Разработка высококачественных тренажеров, зависит, прежде всего, от взаимодействия технолога и программиста. Моделирование сложных логических связей релейных защит, автоматики и блокировок требует высокой квалификации как технолога, так и программиста. Причем технолог должен понимать принципы машинной логики, а программист неплохо разбираться в схемах релейных защит. Указанного сочетания специалистов добиться очень сложно, именно по этой причине внедрение указанного подхода встречает затруднения.

Однако основной причиной, препятствующей внедрению данного подхода является собственно постановка пользователем следующих  вопросов:  а  почему я должен покупать полуфабрикат-оболочку, которую кто-то должен превращать в тренажер? И почему другие тренажеростроительные фирмы не продают оболочки, а продают готовые изделия-тренажеры? Но ответы на эти риторические вопросы, к сожалению, никто не даст. А фирмы (и не одна), продолжают выпускать и внедрять свой несколько необычный, по российским и международным меркам, продукт.

Комплексные анализаторы электрооборудования

Программный продукт разработан с целью «продления срока службы отработавшего свой ресурс электрооборудования, а также для снижения затрат на текущий ремонт и модернизацию».

Программный продукт, по утверждению авторов, «позволяет производить моделирование быстропротекающих процессов в реальном масштабе времени в генераторах любого типа, включая их системы возбуждения, трансформаторах, переключателях и т. д.».

Относясь с большим пониманием к важности задач продления ресурса работы энергооборудования, снижения затрат на текущий ремонт и модернизацию, а также к научной и практической ценности разработанного программного продукта, нельзя не отметить его слабую связь с целевой функцией тренажера, а именно с обучением оперативного персонала.

Модели программно-технических комплексов и АСУТП

Модели указанного типа появились сравнительно недавно в связи с вводом на электростанциях новых отечественных и зарубежных АСУТП типа Квинт, Siemens, ABB и др.

Фирмы, поставляющие на электростанции новые АСУТП, в одном пакете вместе с ними внедряют и несертифицированнные «тренажеры». Предлагаемые ими разработки содержат модель (эмуляцию) современной цифровой АСУТП, а о наличии (или отсутствии) качественной математической модели физических процессов энергообъекта и сервисных программ можно только догадываться. Впрочем, практика внедрения подобного тренажера на Сочинской ТЭС показала при удовлетворительной адекватности программной эмуляции АСУТП (разработка и внедрение виртуального контролера) полную неадекватность модели объекта-прототипа (энергоблок ПГУ-39 МВт), что вынудило электростанцию «модернизировать», т.е. заменить указанный тренажер на тренажер другой фирмы.

Выводы

  1. Принятые в СССР в конце 80-х годов прошлого века нормативные документы, регламентирующие требования к техническим средствам обучения персонала электроэнергетики, оказались, как показал опыт, мощным стимулом к развитию нового направления в подготовке персонала, а именно обучения на тренажерах, преимущества которого были довольно быстро поняты специалистами отрасли и ее ответственными руководителями.
  2. Тем не менее, по мере внедрения тренажеров, выявилось и существенные недоработки, характерные для свойств некоторых из реализованных программных продуктов. Так например, рассмотренные в статье программные продукты, по различным причинам называемые термином «тренажер», не обладают в полной мере необходимыми для полноценного обучения свойствами: полномасштабности, всережимности и топологической адекватности.
  3. Кроме того, практически все они дидактически нейтральны, то есть полностью отсутствует учебно-методическое обеспечение (УМО) тренажеров, такое, например, как — автоматизированные сценарии штатных тренировок или сценарии аварийных ситуаций.
  4. В связи с этим, неудивительно, что среди победных реляций и благодарственных отзывов, имеющихся у многих тренажерных фирм, нет основного показателя эффективности применения тренажерных систем — официально зарегистрированного снижения технологических нарушений по вине персонала.

Список использованных источников

  1. «Концепция обеспечения надежности в электроэнергетике – 2010», Материалы комиссии Минэнерго РФ, Москва 2011.
  2. РД 34.12.302 (СО 153-34.12.302). Указания по построению комплекса обучающих и тренажерных систем для подготовки эксплуатационного персонала энергоблоков ТЭС, АЭС, предприятий электросетей, энергосистем и объединений 1986 г.
  3. РД 34.12.303. Основные технические требования к комплексным тренажерам для подготовки эксплуатационного персонала энергоблоков тепловых электростанций 1988 г.
  4. «Нормы годности программных средств подготовки персонала энергетики» – СО 153-34.0-12.305-99.
  5. «Технические условия для сертификации прикладных программных средств тренажеров для тепловых электростанций и сетей» СТУ 115.015-2003.
  6. ГОСТ Р ИСО 9127-94. Системы обработки информации. Документация пользователя и информация на упаковке для потребительских программных пакетов.

Нормирование цифровых технологий тренажерных систем как способ обеспечения надежности условий обслуживания объектов электроэнергетики (часть 2)

Введение

В первой части статьи [1] были рассмотрены вопросы нормирования цифровых тренажерных систем для обеспечения надежности условий обслуживания основных объектов электроэнергетики. Первые нормативные документы отрасли [2, 3] были разработаны с  целью  обеспечения  единства  структуры  и функций технических систем и средств для подготовки  персонала  энергопредприятий,  энергосистем и объединений и утверждены Минэнерго СССР в 80-х годах прошлого столетия.

Таким образом, планировалось организовать единую государственную систему подготовки, переподготовки и непрерывного повышения квалификации оперативного, обслуживающего и ремонтного персонала электроэнергетики.

Указанная система подготовки персонала была реализована только частично в связи с распадом СССР и реформированием единой энергосистемы.

Кроме того, основная цель первого этапа норматизации — обеспечение единства структуры и функций технических систем и средств для подготовки персонала не могла быть полностью достигнута

из-за наличия следующих обстоятельств.

Во-первых, как начальные, так и все последующие стандарты, нормы и технические условия определяют только требования к функциональным свойствам подсистем тренажера, а именно: к рабочему месту оператора, рабочему месту инструктора, модели объекта регулирования, модели системы регулирования, учебно-методическому обеспечению и т. д., а вопросы методологии и методики разработки базовой подсистемы тренажера — математической модели объекта в указанных нормативных документах вообще не рассматриваются.

Во-вторых, перед разработчиком средства реализации тренажера, а именно его программного обеспечения (ПО), встают вопросы разработки программной тренажерно-моделирующей среды, которая и должна, собственно, моделировать теплотехническое, электротехническое и водоподготовительное оборудование и процессы в них. Указанные вопросы программирования также не нормируются и не рассматриваются.

И в-третьих, существующие разработки тренажеров отечественных и зарубежных фирм, связанных с авиацией, атомной энергетикой и военно-промышленным комплексом, были в те времена, впрочем, как и сейчас, строго засекречены, так что вся информация методологического, методического и технико-применительного характера для разработчиков тренажеров традиционной энергетики была практически недоступна.

Таким образом, в сложившихся условиях добиться единства структур и функций тренажерных систем для подготовки персонала было практически невозможно, поскольку методология разработки собственно тренажеров не была сформулирована и, естественно, не стандартизирована, а указанные «причины» или

«обстоятельства» и определили то состояние в тренажеростроении, которое мы имеем на данный момент времени, и его негативные тенденции были фрагментарно рассмотрены в первой части статьи.

Каковы же современные перспективы развития систем подготовки персонала в мире?

По максимальной оценке Глобального  института  Мак Кинси 375 млн. работников во всем мире (14% занятых) к 2030 г. придется сменить специальность из-за автоматизации, цифровизации, роста применения искусственного интеллекта и алгоритмов машинного обучения. Минимальный прогноз — переучиваться придется 75 млн. работникам (3% занятых).

Как следствие всеобщей трансформации технологического уклада рабочие места и компетенции меняются быстрее, чем люди или организации могут адаптироваться. Глобальный индекс компетенций  Coursera  за 2019 год показал, что две трети населения мира отстают в важнейших практических навыках. По данным исследований Всемирного экономического форума основные навыки, необходимые для выполнения большинства профессиональных обязанностей, к 2022 г. изменятся в среднем на 42%. Предвосхищая изменения таких  масштабов,  компании  срочно  пытаются  найти  и получить компетенции, необходимые для поддержания конкурентоспособности. Согласно недавнему опросу PricewaterhouseCoopers, сейчас недостаток навыков является одной из основных угроз для бизнеса, с точки зрения руководителей во всем мире.

В связи с изложенным, учитывая наличие глобальных потребностей в приобретении персоналом промышленности развитых и развивающихся стран новых компетенций, представляется весьма актуальным рассмотреть вопросы, связанные с методологией моделирования промышленных объектов, разработанной и широко применяемой российской компанией «Тренажеры электрических станций и сетей» (АО «ТЭСТ»)1 в практике проектирования и внедрения тренажеров на предприятиях электроэнергетики РФ и стран СНГ.

1 Созданная по приказу Минэнерго СССР в 1978 году на базе РЭУ Мосэнерго бывшими сотрудниками ведущих наладочных и научно-исследовательских институтов ОРГРЭС, ЦКТИ, ВТИ выпускниками Московского энергетического института (МЭИ) и МГУ — фирма ТЭСТ как носитель самой передовой на то время энергетической технологии уже в начале 80-х годов прошлого века при разработке и внедрении тренажеров перешла на новую информационную платформу, на единую базу данных, единую систему обмена и кодирования информации. Было создано единое информационное пространство для реализации новой цифровой системы подготовки оперативного персонала. Все это организовалось и формировалось фирмой ТЭСТ как носителем новой технологии разработки тренажерной техники. Помимо научно-технологических принципов был разработан точный математический аппарат, который ложился в основу внедряемого программного обеспечения. На 2020 год — компанией запатентовано свыше 70 технических решений и способов работы тренажерной техники. Реализовано более 100 проектов тренажеров на промышленных предприятиях и в университетах Российской Федерации и стран СНГ.

Методология моделирования энергетических объектов

1. Мотивы, классификация и гносеологические аспекты моделирования. Современные положения теории математического моделирования физических объектов связаны с трудами известных зарубежных ученых: Н. Винера, У. Р. Эшби, К. Э. Шеннона и др., а также с трудами ученых российской школы: Вавилова А. А., Веникова В. А., Пухова Г. Е., Растригина Л. А., Попырина Л. С., Ротача В. Я., Магида С. И., Дозорцева В. М. и др.

Отмечается пять основных мотивов применения моделей в качестве средства: осмысления действительности, общения, обучения, реализации эксперимента, инструмента прогнозирования.

Моделирование позволяет осуществлять косвенные (непрямые) эксперименты с системами как в процессе их проектирования, так и в ходе исследования свойств существующих систем. Вместо того, чтобы проводить дорогостоящие и сложные эксперименты или обучение на натуре, исследования или тренаж осуществляют на модели системы [4].

Модель как бы перебрасывает мост между натурным экспериментом и имитационным моделированием:

  • пассивный натурный эксперимент — реальная система используется как объект для изучения и сбора статистики;
  • полунатурный эксперимент — система изучается в условиях искусственного воспроизведения определенных режимов ее функционирования и воздействия внешней среды;
  • физическое моделирование — модель воспроизводит изучаемый процесс (оригинал) с сохранением его физической природы;
  • аналитическое моделирование — модель описывает математические зависимости выходных величин (выходных параметров) подсистем от входных величин и параметров.
  • имитационное моделирование (системный подход) — для каждого элемента сложной системы составляется математическая модель, имитирующая его поведение; совокупность таких подсистем образует математическую модель системы, таким образом, модель становится полностью математической (аналитической), но сохраняет структурное сходство с оригиналом, причем толь ко определение интегральных свойств модели системы при ее рекурсивной адаптации (верификации и валидации) и позволяет создать на их основе адекватную во всех смыслах имитационную модель объекта.

В общем случае в соответствии с традиционной классической гносеологией (теорией познания) научно-познавательный процесс разработки моделей современного IT-тренажера заключается в переходе от вопроса к проблеме, затем к гипотезе (аналитической модели), которая после достаточного экспериментального обоснования превращается в имитационную модель. Гносеологическая цепочка: вопрос — проблема — гипотеза — аналитическая модель — эксперимент — имитационная модель — определяет и структуру, и сущность современной методологии системно-имитационного моделирования энергетических объектов.

Основой методологии современного моделирования служит, с одной стороны, — гносеология (теория познания), то есть, в нашем случае, это — определение соотношения анализ-синтез для выработки стратегии при построении моделей, которое при реализации моделей имеет многовариантный характер в зависимости от целей моделирования, с другой стороны — системный анализ при рассмотрении вариантов построения математических моделей в рамках классической физики.

Кроме того, важнейшими современными методологическими предпосылками построения моделей является вероятностно-статистический подход и многокритериальная оптимизация.

Широкое применение в современной методологии моделирования находит методика агрегирования грубых моделей. Основная идея агрегирования грубых (аналитических) моделей состоит в том, что начальное семантическое содержание отдельных подсистем объекта моделирования объединяется  (агрегируется)  в одну сложную систему с целью определения в дальнейшем интегральных свойств агрегированной модели при ее адаптации, отличных от индивидуальных свойств отдельных подсистем.

Существенным при построении моделей является гносеологический аспект отражения. Каждая модель содержит знания об объекте в аналитической (программной) форме, при этом трансформация знаний в аналитику, как правило, приводит к уменьшению избыточности. Поэтому для реализации возможности связей со средой модель должна иметь языковую функцию. Содержание знаний – аналитическая модель (программа) является, таким образом, семантической стороной. Способы, с помощью которых знания вводятся в модель и выводится из нее, то есть кодируются в ней, являются синтаксической стороной.

В соответствии с классификацией моделей различают материальные и идеальные модели.

Материальная модель подразумевает создание в качестве модели материального объекта по конкретным свойствам адекватного реальному объекту и предназначенного для изучения указанных свойств. Например, аэродинамическая модель котла, физическая, аналоговая модель электрической сети и т. п.

Идеальная (знаковая) модель описывает свойства реального объекта формализовано на основании накопленной информации и, таким образом, что только после экспериментальной адаптации (верификации, валидации) возможна на ее основе имитация реального объекта с помощью аналоговых или цифровых средств.

Современные энергообъекты, рассматриваемые как объект моделирования, в большинстве своем нестационарны, нелинейны, многомерны, со многими внутренними обратными связями, невелика или отсутствует априорная информация о форме и степени взаимосвязи между переменными в реальных условиях эксплуатации. Это значительно усложняет получение их адекватного математического описания. Использование разработчиком модели для этой цели априорной информации, которая имеется, например, в распоряжении конструктора (физические, химические, механические закономерности, нормативные документы и др.) в большинстве случаев вызывает затруднения [5].

Это можно объяснить следующими причинами:

  • закономерности (уравнения кинетики, тепломассаобмена, материального баланса и др.) при эксплуатации энергообъекта значительно искажаются, т. е. изменяется форма и степень связи между переменными из-за изменения масштабов процесса, влияния помех, шумов различного рода, отклонения от идеальных условий;
  • математическая модель должна включать одновременное влияние на выходную переменную всех входных параметров. Однако это уравнение не может быть получено из уравнений зависимостей выходной переменной от каждой из входных параметров, тем более, что для реальных тепловых процессов все переменные по своей природе стохастические.

Поэтому использование всей априорной информации практического изучения реальных процессов значительно ускоряет процесс получения модели. Результаты промышленных экспериментов, проводимых при испытаниях теплотехнического оборудования наладочными и другими организациями, оказываются определяющими при решении задачи выбора структуры модели, оценки параметров, стационарности, линейности, выбора информативных переменных, оценки степени адекватности модели реальному объекту и т. д.

Существует много способов определения модели технологических процессов. Каждый способ дает возможность построить модель, адекватную процессу в том или ином смысле, что зависит от выбранного критерия. Выбор структуры модели, критерия ее адекватности процессу и другие параметры модели необходимо тесным образом увязать с целью моделирования процесса, с задачей, стоящей перед исследователем при разработке модели.

Модель энергообъекта, разрабатываемая для тренажера, т. е. для использования ее в системе «человек-машина» должна прежде всего отвечать целям восприятия человеком-оператором информационной модели объекта управления, анализа информации и принятия решений, а также формирования и совершенствования у операторов профессиональных навыков и умений.

Основные цели моделирования энергообъекта, а именно, организация восприятия и анализа оператором информационной модели, а также управление ею позволяют рассматривать синтез необходимой модели в рамках структур и методов, применяемых теорией управления с учетом упрощений, характерных для фильтрующих свойств человека-оператора.

На рисунке 1 показана общая схема «ручного» управления в человеко-машинной системе. Под «ручным» управлением здесь понимается такое целенаправленное воздействие человека-оператора на объект, в результате которого объект оказывается в определенном смысле «ближе» к выполнению поставленных целей, чем до управления. На объект управления в общем случае действуют следующие факторы: X — неуправляемая, но контролируемая через систему отображения информации (СОИ), составляющая воздействия среды; — управляемая составляющая (управление объектом воспринимается также, как воздействие среды); Е — неуправляемая и ненаблюдаемая составляющая воздействия среды; Y — состояние объекта управления; X’ и Y — информация соответственно о неуправляемых (но наблюдаемых) воздействиях среды и состоянии объекта управления, получаемая чело- веком-оператором с учетом отображения ее в СОИ, а также с учетом его собственных фильтрующих свойств (Ф). Естественно, что эта информация составляет лишь часть, содержащуюся в X и Y, т. е. X» Ì X и Y’ Ì Y.

Рисунок 1. Общая схема «ручного» управления в человеко-машинной системе

Для осуществления управления необходимо прежде всего определить цель (T), т. е. то, к чему должен стремиться человек-оператор при воздействии на объект. Целевая функция человеко-машинной системы управления, например, котельной установки, обычно регламентируется и состоит в обеспечении заданной паропроизводительности котла с минимальными отклонениями от расчетных параметров пара при минимуме удельных расходов топлива и электроэнергии на тонну пара и при минимальных отклонениях от критериев, обеспечивающих надежную работу оборудования. Однако для достижения указанной цели необходим выбор (В) наиболее целесообразной стратегии управления (S) и ее реализация с помощью имеющихся органов управления и исполнительных механизмов. Таким образом, управление характеризуется взаимоотношением четырех элементов:

< X», І = <X», Y’>, S, T>,                    (1)

где — управляющее воздействие; I = <Х», Y’> — информация о состоянии среды и объекта; S — стратегия; T — цель управления.

Цель  управления  Т   определяет  требования,  выполнение которых обеспечивается человеком-оператором, управляющим воздействием с помощью стратегии S и сбором информации по каналам X X’ и Y Y’. Однако, если у человека-оператора не сформирована концептуальная модель (КМ) технологического процесса Y’(Y) = F[X’(X),X»], т. е. он не знает, как X’(X) и влияют на состояние объекта Y’(Y), то он не сможет подобрать стратегию S и определить управляющее воздействие . Причем, в реальных условиях эксплуатации концептуальная технологическая модель складывается  у  оператора-технолога последовательно — сначала из KM1 — выработки тактики управления на основании оценки производственной ситуации по не- полной оперативной информации I, необходимой для выбора наиболее целесообразной стратегии S, а затем из КМ2 — выработки частной концептуальной модели планируемого развития технологического процесса при данном управляющем воздействии на объект .

В обычных условиях формирование концептуальной технологической модели достигается у человека-оператора за счет длительного дублирования действий на рабочем месте, а также методом «проб и ошибок», что приводит зачастую к нежелательным последствиям. При обучении человека-оператора на тренажере концептуальная модель формируется целенаправленно на достаточно адекватной модели прототипа, а затем уже процесс управления пере- носится на реальный объект. Таким образом, процесс управления с по- мощью тренажера должен состоять в общем виде из трех этапов (рисунок 2):

— синтез (идентификация и реализация) адекватной модели объекта для тренажера;

— формирование КМ технологического процесса у человека-оператора на тренажере;

— синтез управления на основе полученной КМ на реальном объекте.

2. Аналитическое моделирование и системная концепция. Аналитическая модель — это, в общем случае, в энергетике — формула, представляющая математическую зависимость тепловых, гидравлических, аэродинамических, механических и электротехнических процессов в объекте моделирования, показывающая, что выходы модели находятся в функциональной  зависимости  от  входов. В самом общем виде указанную зависимость можно представить как: U = f(x), где U — вектор выходов, х — вектор входов, а f — зависимость, которая записана в виде математической функции.

Рисунок 2. Блок-схема управления с помощью тренажера

Основанием каждой модели, таким образом, является более или менее развитая теория объекта моделирования (аналитическая модель); эта теория укладывается в синтаксически установленные рамки, в концепцию системы, положенную в основу конкретного построения модели. Системная концепция фиксирует общие рамки модели, иначе говоря, она определяет структуру  модели. Конкретная форма модели, в которой она соответствует объекту моделирования, получается благодаря тому, что экспериментальные (эмпирические) данные приводят форму модели в  соответствие  с  объектом, то есть для параметров модели, ее степеней свободы шаг за шагом устанавливаются все более достоверные знания. В этом смысле каждая разработанная модель выражает компромисс между теорией и практикой, теоретическими познаниями и эмпирическими данными.

3. Моделирование в условиях дестабилизации. Методология решения проблемы управления энергообъектами в условиях дестабилизации при разработке современных тренажерных средств имеет ряд важных концептуальных аспектов, рассмотрение которых необходимо начать, прежде всего, с определения основополагающих понятий таких как: «управление», «регулирование» и «контруправление».

Под «управлением» обычно понимается процесс воздействия на объект с целью изменения его текущего состояния в соответствии с изменением задания. Конкретно это сводится к обеспечению изменения управляемых величин объекта в соответствии с изменением заданных их значений.

Под «регулированием» понимают обеспечение равенства или близости управляемой величины ее заданному значению, вне зависимости от того, является ли заданное значение неизменным или меняющемся во времени.

Во многих странах эти два понятия вообще не различаются, так в англоязычных странах они объединены словом «control».

Если учесть тот факт, что практически все объекты электроэнергетики недетерминированы, то становится ясным, почему так невелика эффективность традиционных АСУТП, исторически рассчитанных на решение задач управления только детерминированными объектами. Именно в этом и кроется еще один источник дестабилизации объектов электроэнергетики.

Аварийное состояние объекта характеризуется большой степенью недетерминированности, то есть резким изменением его статических и динамических характеристик. Здесь вступают в действие так называемые запретительные закономерности теории автоматического регулирования (защиты и блокировки). Однако до срабатывания защит, или при их несрабатывании необходимо правильное управление с целью обеспечения безопасности оперативного персонала и технологического оборудования.

Вот это управление энергообъектом в состоянии резкого изменения его статических и динамических характеристик, то есть управление в предаварийном или в аварийном состоянии объекта мы будем называть противоаварийным (контраварийным) управлением, или «контруправлением».

4. Системный парадокс модели объекта. С точки зрения теории автоматического управления возможность законченного синтеза практически жизнеспособных алгоритмов функционирования контроллеров и регуляторов непосредственно по априорной модели объекта сомнительна уже из-за противоречивости самой постановки задачи идентификации объекта (системного парадокса модели объекта). Кроме того, техническая реализация результатов синтеза обычно связана с появлением ряда неучтенных факторов, которые могут потребовать существенной корректировки получаемых результатов.

Это заставляет расчленять процедуру синтеза на два этапа, выполняемых во время проектирования системы и во время ввода ее в эксплуатацию на действующем объекте.

Системный парадокс модели объекта состоит в том, что принципиально невозможно сформулировать критерий приближения к реальному объекту его модели, по которой будет синтезироваться алгоритм управления или регулирования, если неизвестен этот алгоритм. Системный парадокс модели  объекта  состоит  в том,  что  принципиально  невозможно  сформулировать  критерий  приближения   к  реальному   объекту его модели, по которой будет синтезироваться  алгоритм управления или регулирования, если неизвестен этот алгоритм.

Выход из полученного порочного круга — в переходе к итерационной процедуре синтеза, в рамках которой синтез алгоритма по априорной модели объекта является только первым шагом. Остальные шаги движения к оптимуму выполняются непосредственно на реальном объекте при вводе системы в действие и после ее ввода.

Для преодоления указанных противоречий и проблем и создаются так называемые имитационные модели, которые с позиций классификации представляют некоторый симбиоз материальной и идеальной модели. Результаты промышленных экспериментов, проводимых при испытаниях энергетического оборудования исследовательскими, наладочными и другими организациями, а кстати, и разработчиком модели (если он сможет это сделать), оказываются существенными при определении синтаксиса и семантики модели, то есть при решении задач выбора структуры модели, оценки параметров, стационарности, линейности, выбора информативных переменных, оценки степени адекватности модели реальному объекту и т. д.

Таким образом, главные трудности при создании тренажеров, то есть при разработке математических моделей энергооборудования и процессов обусловлены основным противоречием моделирования технологических объектов для тренажеров, а именно, противоречием между необходимостью учета действия большого количества факторов, определяющих процессы, протекающие в сложных технологических системах, и необходимостью быстрого получения надежных результатов, т.е.работы тренажера в реальном и ускоренном масштабе времени.

Выполнение этих противоречивых условий возможно только на основе разработки новых методов и алгоритмов, ориентированных на решение задач высокой и сверхвысокой размерности, уровень сложности которых должен определяться физиологическими возможностями восприятия среды человеком-оператором.

5. Разработка нового подхода к построению всережимной модели реального времени. Анализ  методов и алгоритмов для решения задач моделирования показал, что процедура решения включает не только собственно алгоритм, позволяющий получить интересующие разработчика переменные (модель, реализуемую с помощью цифровой техники), но и алгоритм построения модели, т. е. алгоритм моделирования, формируемый по имеющейся информации о системе. Именно алгоритм построения и определяет эффективность реализуемой модели.

Оптимизируемыми  считаются  параметры   модели   в широком смысле, т. е. структура логических связей между отдельными блоками модели, уровень детализации моделируемых функций, исходя из психофизиологических свойств человека-оператора, тип блоков и их количество и т. д.

Опыт разработки математических моделей для тренажеров позволил авторам методологии предложить подход к упрощению моделирования объектов управления для тренажеров, основанный на учете объективных свойств как моделируемого оборудования, так и обслуживающего его человека-оператора. Анализ современного теплотехнического оборудования и его математических моделей показывает, что в большинстве случаев можно применить линеаризацию разрабатываемых для тренажера моделей относительно идентифицируемых параметров, что в свою очередь дает возможность разделить нелинейность и динамику объекта.

С целью разработки моделей энергообъекта, удовлетворяющих приведенным положениям, был предложен следующий подход:

  • для упрощения математических моделей разделяются функции статического и динамического моделирования;
  • статическое моделирование осуществляется в основном посредством решения нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений с высокой степенью точности;
  • для моделирования динамики используется динамическая модель, полученная предварительным расчетом динамических характеристик на ЭВМ и упрощенная в пределах неразличимости этих упрощений в паре «объект-модель» человеком-оператором;

  • образованная таким образом непрерывная нелинейная динамическая система управляется дискретной логикой, определяемой закодированной информацией о состоянии технологической схемы [6].
6. Определение основных принципов системного подхода. Далее необходимо определить основные принципы системного подхода, на основе которых должна разрабатываться методологическая база и схемы практической реализации всех этапов решения задач моделирования, анализа и синтеза.

За основные были приняты следующие принципы:

  • единство функционально-целевых и причинно-следственных отношений;
  • последовательное раскрытие неопределенности и неизбыточности; однозначное представление свойств и характеристик; многоуровневая функционально-целевая и причинно-следственная интеграция объекта моделирования и модели;
  • целенаправленное эволюционное развитие топологии, структур операторов и параметров модели;
  • выбор общего базиса для оценки влияния топологии, структур операторов и параметров на свойства, качество и характеристики модели.

Выбор общего базиса для оценки влияния топологии, структур операторов и параметров на свойства, качество и характеристики модели позволяет на всех этапах синтеза системы сравнить и оценить эффективность очередного шага эволюционного развития топологии, структур операторов и параметров модели и выбрать наиболее рациональное продолжение процесса.

7. Уровни детализации и применяемые модели объектов управления. Соответствие модели оригиналу может быть выражено в точных математико-логических терминах изо- и гомоморфизма [7]. Следует заметить, что для любых физически реализуемых систем отношение изоморфизма всегда есть идеализация. Отношение же гомоморфизма, будучи рефлексивным и транзитивным, симметричным не является.

Отсутствие в гомоморфной модели свойства симметричности делает ее (в качестве модели используется гомоморфный образ) и оригинал неравноправными:

  • модель проще оригинала и отношение «быть моделью» оказывается не отношением типа равенства (эквивалентности), а отношением сходства или толерантности;
  • реализуется идея не тождества, а всего лишь подобия.

При моделировании оборудования, работающего только в штатном режиме, достаточным уровнем детализации является, очевидно, разработка имитаторов, обеспечивающих оператору индикацию параметров систем объекта. Такие модели получили название «индикаторные» или «демонстрационные».

При моделировании нештатных (в том числе и аварийных) ситуаций такой уровень детализации оказывается недостаточным, так как часть подсистем и элементов объекта может быть вообще не рассмотрена при моделировании или рассмотрена в недопустимо упрощенном виде. Адекватность реакции модели обеспечивается автоматически учетом в математической модели изменившихся условий. Вмешательство человека (оператора или инструктора) дополняет процедуру реализации детерминированной модели неформализованными эвристиками, представляющими собой следствие деятельности человека. Это превращает «гибкие» модели в «имитационные», с помощью которых можно охватить все реально мыслимые состояния объекта. Имитационная модель позволяет рассчитать поведение частей сложного объекта и их взаимодействие с учетом влияющих факторов и в условиях, близких к реальным.

8. Модель Гаммерштейна и оперативные  модели. Экспериментальные статистические исследования энергообъектов с учетом психофизиологических свойств человека-оператора показали, что для обучения допустимо свертывание информации за счет линеаризации модели нелинейного объекта относительно идентифицируемых параметров. Допущение линейности такого рода позволило построить достаточно простые и эффективные алгоритмы идентификации функциональных характеристик, а именно, разделить нелинейность и динамику объекта. Таким образом, в указанной модели допустимо использовать точную нелинейную безынерционную статику и качественную динамику (модель Гаммерштейна). Таким образом, модель Гаммерштейна, модифицированная с учетом логико-числовых функций, выделяется как подкласс из класса «оперативных» моделей.

К моделям последнего типа относятся параметрические, многомерные, динамические модели с сосредоточенными параметрами, обладающими свойствами непрерывности, линейности по параметрам и нелинейности по переменным, стационарности и детерминированности, работающие во временной области.

Оперативные модели в тренажерах по своим свойствам наиболее полно отвечают задачам поддержания уровня натренированности персонала непосредственно на электростанциях. Воспроизведение текущих состояний реального объекта, возможность явного представления входной и выходной информации, а также подобие структуры модели структуре реального энергообъекта позволяют удовлетворить всем основным требованиям к моделям в тренажерах. Кроме того, иерархическая структура оперативных моделей обеспечивает достижение на каждом уровне иерархии различной (рациональной в смысле обучения) степени детализации модели по отношению к реальному объекту.

Весьма существенно и принципиально то, что модель, как динамическая структура хранения знаний, является элементом, связующим теоретические и эмпирические знания. Аналитическая модель (формализованная теория) позволяет описать большое число частных факторов с помощью небольшого числа общих формул. Следовательно, использование аналитической модели заключается, в том числе и в уменьшении избыточности, то есть в отсечении частных, несущественных факторов и, таким образом, в более формализованном описании основных закономерностей объекта моделирования.

9. Физико-статистический подход к идентификации имитационных моделей. Современное, имитационное моделирование промышленных объектов (физико-статистическая идентификация) включает в себя два подхода: физико-технологический (аналитический) и функционально-статистический (верификация и валидация). Указанные подходы обладают присущими им достоинствами и недостатками.

При физико-технологическом подходе было установлено, что аналитические методы и модели, достаточно хорошо описывающие физику и механизмы явлений технологического процесса, оказываются не всегда пригодными для объяснения конкретных данных, получаемых в условиях промышленного производства тепловой и электрической энергии. В свою очередь, статистические методы и функциональные модели, связывающие контролируемые переменные  на  входе и выходе объекта и случайные возмущения внешней среды, адекватно описывая конкретные данные технологического процесса, часто несовместимы с физическими представлениями о механизмах явлений.

Имитационная модель энергообъекта, разработанная с позиции физико-статистического подхода включает в себя аналитическое описание физических процессов в объекте моделирования, адаптированное к реальным процессам с учетом выборочных наблюдений в реальном масштабе времени, накоплением и анализом данных статистических процедур с корректировкой структуры модели и оценкой параметров и состояний модели объекта [8].

Указанный подход полностью согласуется с действующим в настоящее время отраслевым нормативным документом по этому вопросу — «Нормы годности программных средств подготовки персонала энергетики» (СО 153-34.0-12.305-99), где указано, что «…построение модели должно базироваться на основе математического описания физических  процессов,  происходящих в реальном объекте, в виде систем дифференциальных, алгебраических и логических уравнений, а определение параметров должно производиться на основе технологических характеристик оборудования и экспериментальных данных о работе объекта».

Имитационное моделирование применяется в тех случаях, когда моделируемая система и ее процессы настолько сложны и нестабильны, что использование только аналитических методов для их описания не представляется возможным.

При моделировании энергообъектов такая ситуация неизбежна в связи с тем, что, как указывалось выше, реальные современные энергообъекты в  большинстве своем нестационарны, нелинейны и многомерны, кроме того, все переменные (входные и выходные) по своей природе стохастичны. Указанные свойства обуславливают принципиальную неприемлемость чисто аналитических методов при моделировании энергообъектов с целью разработки имитационных моделей для тренажеров.

В то же время исследуемая система обычно естественным образом расчленяется на подсистемы и элементы, а моделируемый процесс — на элементные акты-события так, что становится возможным с достаточной точностью разработать математическое описание каждого из них в отдельности.

Таким образом, в имитационных моделях моделирующий алгоритм строится как суперпозиция подалгоритмов, каждый из которых отражает функционирование какой-либо структурной единицы моделируемой системы (описание системы как структуры) или некоторый шаг моделируемого процесса (описание системы как процесса).

10. Верификация и валидация имитационных моделей. Существенным моментом имитационного моделирования является проверка его истинности, то есть адекватности модели объекта моделирования путем проведения ее верификации и валидации.

Под верификацией имитационной модели обычно понимают проверку и корректировку алгоритмов и структуры (логики) разработанной  модели. Подбираются некоторые исходные данные состояний моделируемого объекта с известными выходными параметрами, затем проводится имитационный эксперимент, по результатам которого производится корректировка алгоритмов и структуры модели. Вторым этапом проверки работоспособности модели является ее валидация или проверка статистики с корректировкой параметров модели. По результатам проведенной верификации и валидации модели делаются выводы о соответствии модели основному научному критерию — опытной подтверждаемости, то есть адекватности модели объекту-прототипу. Адекватность математического моделирования (динамических моделей) в тренажере является доминирующей. От того, с какой точностью воспроизводятся параметры тепловых и электрических процессов, напрямую зависит качество всего тренажера и его дидактическая ценность (рисунок 3).

11. Современная  научная  классификация  моделей и принципы их упрощения. Классификация видов моделей в современной теории моделирования приведена в работах [9, 10], причем имеется как минимум   210 имитационных моделей, определенных на основе бинарных альтернативных соотношений следующих типов: детерминированные — стохастические, статические — динамические, непрерывные — дискретные  и т. д. Получаем, что только имитационных моделей, определенных на основе бинарных соотношений, имеется 210  =1024 типов, а с учетом других типов моделей (аналитические, физические, информационные и т. д.), а также разнообразия применяемых критериев, методов решения систем уравнений и т. п., получим огромное множество вариантов описаний технологического объекта. Из этого «информационного моря» математических описаний энергообъекта не каждый «модельер» может уверенно выбраться на твердый «берег» системного подхода, основанного на принципах необходимости и достаточности, причем адекватность моделей которого определяется только физико-технологическим анализом. А если адекватность математического описания объекта определяется степенью верификации, то есть анализом технологическим, то и  десять  несведущих в технологии математиков сделают при моделировании не больше, чем один   разбирающийся   в  математике технолог.

Рисунок 3. Классификация процедур моделирования по уровням адекватности

Очевидно, что в этом и кроется основное противоречие современного российского тренажеростроения, а именно: проектированием моделей технологического оборудования занимаются математики, специалисты по автоматике, программисты, системотехники, психологи и т. п., то есть любые специалисты, кроме технологов, владеющих вопросами устройства и режимов эксплуатации технологического оборудования.

Существующая современная классификация [10] разделяет модели на два класса:

  • дескриптивные (description models);
  • прескриптивные (prescription models, normative models).

Дескриптивные модели предназначены для следующих целей: осмысления действительности — объяснения и описания наблюдаемых фактов, общения, обучения человека, реализации эксперимента, инструмента прогнозирования.

Прескриптивные модели предназначены для нахождения желательного состояния объекта, например, оптимального: технико-экономические и конструктивные расчеты при проектировании (в том числе нормативные методики расчета).

Причем дескриптивные модели (в том числе и в некоторых российских разработках) развиваются в настоящее время, в сторону адаптирования и контроля адекватности.

Адаптивность означает способность приспособления к новым условиям среды, и, таким образом, выделяются дескриптивные модели с адаптивным теступравлением (adaptive test-control):

  • самонастраивающиеся тест-модели;
  • самоорганизующиеся тест-модели.

У самонастраивающихся тест-моделей при изменении внутренних свойств объекта изменяются математические характеристики моделей, то есть производится валидация или проверка статистики модели с корректировкой параметров модели.

У самоорганизующихся тест-моделей при изменении внешних (структурных) свойств объекта изменяется структура модели, то есть производится верификация или проверка и корректировка структуры модели.

Таким образом, в энергетическом тренажеростроении, по нашему мнению, в соответствии с современной научной классификацией должны применяться дескриптивные, самонастраивающиеся и самоорганизующиеся параметрические многомерные динамические модели, обладающие свойствами непрерывности, линейности по параметрам и нелинейности по переменным, стационарности и стохастичности,  работающие  во временной области.

Так, например, теплогидравлические системы энергообъекта могут быть описаны тремя законами сохранения: сохранения массы m, энергии e и импульса mv. В общем виде они описываются трехмерными дифференциальными уравнениями в частных производных. Однако это не является эффективным подходом для решения задачи моделирования энергообъекта для тренажера. Вместо этого, рассматриваются обыкновенные дифференциальные уравнения для дискретного контрольного объема, где свойства изменяются только по направлению потока.

Таким образом, более быстрые динамические процессы позволяют значительно упрощать модели, построенные для их анализа человеком с помощью систем контроля и управления.

В этом случае динамические свойства объектов управления должны моделироваться в пределах возможностей восприятия человеком изменений инерционных свойств. Это связано с тем, что человек-оператор в процессе восприятия и переработки больших потоков информации не различает скорость изменения выходных сигналов без фиксации начала этого изменения [11].

Допустимость достаточно больших отклонений временных характеристик при моделировании технологических процессов с точки зрения психофизиологических свойств оператора можно объяснить следующим. По современным представлениям, у человека нет специального временного анализатора, равнозначного по физиологическому смыслу зрительному или слуховому [12]. Вместе с тем, каждый анализатор наряду со своей непосредственной функцией может при определенных условиях выполнять еще функцию отсчета времени. Зрительный анализатор служит преимущественно органом восприятия пространства. Однако ему принадлежит конкретная роль и в восприятии времени. Оно воспринимается глазом хуже, чем пространство. Это подтверждается тем, что ошибка в восприятии пространства в процессе зрительной чувствительности значительно меньше ошибки в оценке длительности.

Правомерность требования к точности статических и достаточно больших отклонений при моделировании динамических характеристик энергоблоков подтверждается как российскими исследователями [13, 14], так и зарубежными материалами [15, 16, 17].

Пренебрежение принципами системного анализа приводит к тому, что разработчик модели такой многомерной и сложной иерархической системы, какой является современная электрическая станция, «…вынужден нагромождать одно логическое условие на другое, поправку на поправку, пока все это латаное сооружение не рухнет под собственной тяжестью» (Н. Винер [11]).

Таким образом, «борьба» некоторых российских тренажеростроительных фирм с упрощениями при моделировании энергообъектов [18, 19] c целью улучшения «внутренних качеств тренажеров» носит, по нашему мнению, лишь спекулятивный, коммерческий и рекламный характер, относящийся скорее к области «ситуативной этики».

Выводы

  1. Начальные и все последующие нормативные документы, касающиеся цифровых технологий тренажерных систем, имели целью обеспечение единства структуры и функций технических систем и средств для подготовки персонала энергопредприятий, энергосистем и объединений отрасли. Однако, по ряду объективных причин (см. начало статьи) указанное единство практически не был достигнуто, что и определило снижение эффективности обучения персонала на тренажерах большинства разработчиков из-за отсутствия в моделях объекта регулирования таких основополагающих свойств как полномасштабность, всережимность, топологическая и параметрическая адекватность.
  2. Таким образом, основной причиной недостижения поставленной цели принятыми нормативами был тот факт, что все они определяли только требования к готовому изделию и его подсистемам, а вопросы методологии разработки модели и ее цифровой (программной) реализации вообще не рассматривались.
  3. Объективность причин сложившегося в тренажеростроении положения объясняется, по нашему мнению, следующим. Классификация  видов  моделей в современной теории моделирования определяет то, что имеется, как минимум, 210 имитационных моделей, определенных на основе бинарных альтернативных соотношений типов: детерминированные — стохастические, статические — динамические, непрерывные — дискретные и т. д. Получаем, что только имитационных моделей, определенных на основе бинарных соотношений, имеется 210 =1024 типов, а с учетом других типов моделей (аналитические, физические, информационные и т. д.), а также разнообразия применяемых критериев, методов решения систем уравнений и т. п., получим огромное множество вариантов описания технологического объекта.
  4. Из этого «информационного моря» математических описаний энергообъекта не каждый «модельер» может уверенно выбраться на твердый «берег» системного подхода, основанного на принципах необходимости и достаточности, причем адекватность моделей которого определяется только физико-технологическим анализом. А в связи с тем, что адекватность математического описания объекта определяется только степенью верификации, то есть анализом технологическим, то и десять несведущих в технологии математиков сделают при моделировании не больше, чем один разбирающийся в математике технолог.
  5. Очевидно, что в этом и кроется основное противоречие современного российского  тренажеростроения, а именно: проектированием моделей технологического оборудования и процессов в нем занимаются по отдельности математики, специалисты по автоматике, программисты, системотехники, психологи, то есть любые специалисты, кроме технологов, владеющих вопросами устройства и режимов эксплуатации технологического оборудования.
  6. То есть возникает следующая парадоксальная ситуация: люди, не обладающие профессиональными технологическими знаниями, создают технические средства для переподготовки и повышения квалификации специалистов-технологов. Отсюда следует второй системный парадокс модели объекта, который состоит в том, что принципиально невозможно сформулировать критерий приближения к реальному объекту его модели, по которому будет синтезироваться алгоритм ее рекурсивной идентификации, если неизвестен этот алгоритм.
  7. Таким образом, для преодоления «порочного круга» второго системного парадокса модели объекта необходимо разработать новый нормативный методологический документ, в котором была бы раскрыта цель его разработки, а именно: обеспечение единства методологии разработки структуры и функций цифровых технологических систем для подготовки персонала энергопредприятий.

Список использованных источников

  1. Магид С. И., Загретдинов И. Ш., Мищеряков С. В., Архипова Е. Н., Самойлов В. Л. Нормирование цифровых технологий тренажерных систем как способ обеспечения надежности условий обслуживания объектов электроэнергетики (часть 1) // Надежность и без опасность энергетики 2019; 12(3): 177 – 189.
  2. РД 34.12.302 (СО 153-34.12.302). Указания по построению комплекса обучающих и тренажерных систем для подготовки эксплуатационного персонала энергоблоков ТЭС, АЭС, предприятий электросетей, энергосистем и объединений 1986.
  3. РД 34.12.303. Основные технические требования к комплексным тренажерам для подготовки эксплуатационного персонала энергоблоков тепловых электростанций 1988.
  4. Нюберг Н. Д. О познавательных возможностях моделирования. В кн.: Математическое моделирование жизненных процессов. М.: Мысль 1968.
  5. Магид С. И., Архипова Е. Н., Музыка Л. П. Проблемы и научно- технических принципы современного компьютерного моделирования технологических объектов для тренажеров оперативного персонала // Надежность и безопасность энергетики 2009; 1(4): 27 – 35.
  6. А. с. СССР №1128286. Тренажер для обучения оператора энергетического объекта / С. И. Магид, С. С. Токаев, Н. И. Серебряников и др. // Опубл. БИ. 1984; 45.
  7. Изоморфизм. Философская энциклопедия 1962; (2).
  8. Магид С. И., Архипова Е. Н., Музыка Л. П. Надежность персонала – одна из основных гарантий безопасности. // Надежность и безопасность энергетики 2008; (1): 22 – 33.
  9. Магид С. И. Теория и практика тренажеростроения для тепловых электрических станций. М.: МЭИ 1998.
  10. Магид С. И., Оразбаев Б. Е., Камнев В. И., Ибрагимов И. М. Моделирование энергетических систем. М.: «Апарт» 2002.
  11. Винер Н. Кибернетика. М.: Наука 1983.
  12. Багрова Н. Д. Фактор времени в восприятии человеком. Л.: Наука, 1980.
  13. Бичаев Б. П. Метод определения допустимой погрешности моделирования параметров, используемых для оценки обучаемых в тренажерах // Управляющие системы и машины 1980; (3).
  14. Плютинский В. И., Охотин В. В. Методика оценки точности динамических моделей тренажеров энергоблоков // Теплоэнергетика 1985; (10).
  15. Arthorn C. H. Nuclear power plant training simulator // «ASEA- Journal». 1973; 46(3): 73.
  16. Schwarz O., Schlegel G. Ausbildung von Kraftwerks personal fur fossilbefeuerte Kraftwerke an Simulatoren, Konzepton, Qwalification und Nutzen des KWS-Simulators. VGB Kraftwerkstechnik, 65 1985; 65 (2): 104 – 109.
  17. American National Standard Nuclear Power Plant Simulators for usе in Operator Training ANSI/ANS-3.5-1985.
  18. Теория и практика построения и функционирования АСУТП М. 2005.
  19. Магид С. И., Архипова Е. Н., Музыка Л. П. Зияющие высоты субъективизма и псевдопроблем при «сверхточном» аналитическом моделировании энергетических объектов // Надежность и безопасность энергетики 2009; 3(6): 28 – 36.

Поделиться:

Тренажеростроение в России и за рубежом

1. Краткая история развития, современное состояние и эффективность зарубежной и отечественной тренажерной техники

Терминология.

Что же такое тренажер? Что означает это слово?

Справка.

Слово происходит от английского train — тренировать, обучать.

Русский энциклопедический словарь 1890 года «Брокгауз и Ефрон»: «Тренировка — такъ называется воспитанiе организмовъ (главнымъ образомъ животныхъ, особенно же лошадей), направленное къ достижению известныхъ целей (напр., къ развитiю у лошади быстроты, у атлетовъ — мускула, у велосипедистовъ — выносливаго и быстраго хода и т.п.) и, соответственно этому, соединенное съ употребленiемъ известныхъ приемовъ, могущихъ оказать на организмъ желательное действie».

Ровно 100 лет спустя 1990 год «Русский энциклопедический словарь»: «Тренажер: учебно-тренировочное устройство для выработки навыков и совершенствования техники управления машиной (механизмом)».

Там же: «Навык — действие, сформированное путем повторения, характеризующееся высокой степенью освоения и отсутствием поэлемен­тной сознательной регуляции и контроля». 

(далее…)

Поделиться: