Применение на железнодорожном транспорте тренажеров с использованием практики деловых игр.
В. И. Колесников, д.т.н. чл.-корр. РАН, ректор РГУПС

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

В. Д. Верескун, к.т.н. доцент, проректор РГУПС по экономике, инвестициям и информатизации

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

Н. Н. Сухорукова нач. упр. информатизации РГУПС

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

К. В. Барышников нач. отд. НИТ упр. информатизации РГУПС

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

Ю. В. Денисенко вед. программист упр. информ. РГУПС

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

Д. А. Елистратов аспирант РГУПС

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

Аннотация

В статье рассматриваются аспекты разработки и использования в РГУПС программно-аппаратного тренажерного комплекса «Виртуальная железная дорога». Затронуты некоторые теоретические вопросы использования деловых игр в процессе обучения.

Применение различного рода тренажеров в целом ряде отраслей человеческой деятельности получило чрезвычайно широкое распространение. Хотя само слово «тренажер» в современном значении возникло в 20 веке, понятие об устройстве, используемом для обучения человека, формирования у него тех или иных навыков существовало, вероятно, на заре цивилизации. Исторически сложилось так, что объектами моделирования на тренажерах становились в первую очередь процессы, в которых обучение на реальных объектах могло привести к тяжелым последствиям или процессы, воспроизведение которых при обучении затруднено или невозможно. В современных условиях в первую очередь это относится к таким областям, как военное дело, авиация, атомная энергетика и т.д.

По мере развития тренажерной техники, с одной стороны и усложнением изучаемых технических решений, с другой, методы имитационного моделирования проникли и во многие другие области человеческой деятельности. К стимулированию тренажерных технологий привела также необходимость обучения большого количества специалистов, обладающих однотипными навыками, для работы на схожем оборудовании Широко представлены тренажерные технологии в таких сферах, как медицина, транспорт, судовождение, педагогика. В некоторых областях, например, в воздушном транспорте, использование тренажеров является неотъемлемой частью учебного процесса, а также процесса аттестации работников.

Хочется отметить еще один аспект использования тренажеров: моделирование на них критических, экстремальных условий. К такого рода тренажерам относится NADS (National Advanced Driving Simulator, (1)) – самый совершенный автомобильный тренажер стоимостью более 50 миллионов долларов. Типичная задача для такого тренажера: все знают, что вождение в состоянии алкогольного опьянения – опасно. Однако конкретной информации о поведении пьяных за рулем практически нет, да и проведение соответствующих экспериментов на реальной машине в городских условиях, несомненно, будет иметь самые печальные последствия. Применение тренажера для таких исследований – единственная альтернатива.

Усложнение техники на железной дороге сделало целесообразным применение различного рода тренажеров. На железных дорогах США тренажеры применяются более 20 лет для обучения, контроля знаний и аттестации машинистов. На европейских железных дорогах тренажеры появились в восьмидесятых годах во Франции после ряда серьезных аварий. Однако в Европе они не используются для аттестации сотрудников, это связано с не приятием европейскими железнодорожными профсоюзами такой методики.

Одна из крупнейших компаний-перевозчиков Великобритании Virgin Trains намеревается производить обучение персонала на тренажерах, способных имитировать движение локомотива со скоростью до 224 км/ч, осуществляя таким образом подготовку машинистов скоростных составов Voyager и Pendolino. В целях повышения уровня безопасности разработана программа, рассчитанная на один год обучения, в течение которого машинисты смогут освоить вождение таких составов в любых погодных условиях. Всего предполагается создать три тренажера стоимостью по два миллиона фунтов стерлингов (2).

Как показывает анализ отечественного опыта организации безопасности, основными причинами аварий, крушений и браков в работе являются не только низкая надежность техники, но, в большей степени, неправильные действия работников, связанные с движением поездов и производства маневровой работы. То есть в центре системы по обеспечению безопасности находится человек. Следовательно, первым условием решения проблемы безопасности является учет человеческого фактора. Но помимо этого очень важна профессиональная подготовленность, на что и направленно создание тренажеров, имитирующих те или иные условия работы технических средств. Но умение реагировать и взаимодействовать с техническим средством не является показателем готовности в организации обеспечения безопасного перевозочного процесса. Также важно умение работы в определенной организованной системе «техническое устройство – ЧЕЛОВЕК – ЧЕЛОВЕК – техническое устройство», где важным звеном является «…ЧЕЛОВЕК – ЧЕЛОВЕК…» (рис 1). Поэтому предполагается развитие модульной структуры организации тренажерного оборудования. В свою очередь, установление взаимодействия между модулями тренажера при наличии достаточно сложных связей предполагает использование компьютеров и разработку соответствующего программного обеспечения. Продуктивность использования компьютеризированных тренажеров, вероятно, не вызывает сомнения. Отметим только возрастание роли компьютерных компонентов тренажеров в свете широкого внедрения в последние годы различных SCADA-систем, программное моделирование которых представляется совершенно естественным и способствует усвоению практических навыков эффективной эксплуатации АСУ ТП.

Рис. 1. Схема системы взаимодействий при перевозочном процессе.
Вообще, как известно, перевозочный процесс на железной дороге представляет собой сложный механизм взаимодействия различных подразделений, в частности работников хозяйства перевозок, пути, вагонной, локомотивной и целого ряда других служб. А главной задачей всех служб и хозяйств является обеспечение безопасности при осуществлении перевозки. Кроме того, организационные изменения на железнодорожном транспорте России потребовали совершенствования системы управления безопасностью движения поездов.

Поэтому следующим шагом развития тренажерных техник является объединение различных тренажеров индивидуальных рабочих мест в единый учебно-исследовательский комплекс. Каждое рабочее место такого комплекса можно рассматривать как тренажер той или иной службы, в то время как совместная их работа по сути дела является реализацией деловой игры, направленной на получение практических навыков работы в системе, обладающей сложными внутренними связями.

В РГУПС разработан комплекс «Виртуальная железная дорога», представляющий собой программно-аппаратную модель функционирования и взаимодействия служб железной дороги. В единый комплекс увязаны различные тренажерные комплексы, что позволяет не только отрабатывать действия машиниста, диспетчера и т. д., но и организовывать взаимодействие их между собой и с другими дорожными службами (рис. 1). В настоящее время занятия проводятся на участке, включающем более десятка станций, эффективная длина – более 100 километров.

Ядром программно-аппаратного комплекса является информационная система трехзвенной организации:

• 
  презентационный уровень («тонкий» клиент) – пользовательский интерфейс, реализованный на протоколе XML;
  
• 
  сервер приложений (сервер доступа к данным) - функциональность, организующая доступ к данным, реализована на базе технологии Web (PL/SQL и Apache Web Server);
  
• 
  сервер базы данных – реализован на Oracle 9.
  

В результате использования трехзвенной структуры:

• 
  снижаются требования к аппаратному обеспечению клиентских рабочих мест;
  
• 
  имеется возможность реализовать взаимодействие клиентов с сервером приложений на базе Internet технологии;
  
• 
  упрощается сопровождение системы;
  
• 
  повышается информационная безопасность системы, поскольку задачи идентификации пользователей возложены на сервер приложений;
  

Выбор в СУБД Oracle обеспечивает масштабируемость системы в широком диапазоне и обеспечивает прозрачность архитектуры сервера, т.е. позволяет скрыть изменения конфигурации аппаратного обеспечения от приложений.

Вопросы масштабируемости важны для комплекса «Виртуальная железная дорога», поскольку повышение образовательной и исследовательской эффективности предполагает в том числе и расширение зоны охвата модели дороги, и, как следствие, рост объема информационной составляющей комплекса и его загруженность.

В целях модернизации системы отображения тренажеров запланировано внедрение модуля трехмерной визуализации. Трехмерная визуализация в реальном времени позволит адекватно отображать помимо штатных ситуаций различные нештатные или аварийные ситуации. Еще одной областью применимости комплекса является отображение путевой обстановки при проектировании новых станций, разработке новых технических решений и пр., везде, где требуется предварительная оценка и экспертиза.

Хочется отметить, что точность имитации видео и аудиоряда, по сути дела, определяется не столько техническими, сколько экономическими соображениями. Современная Hi-Fi аудиоаппаратура может с абсолютной точностью воспроизвести аудиоряд. Не составляет труда реализовать анаглифическое стереоизображение моделируемой сцены. Возможна адаптация программного обеспечения визуализации для работы со шлемом виртуальной реальности. Вопрос заключается в целесообразности таких разработок.

Другим аспектом разработки комплекса «Виртуальная железная дорога» является его интеграция с геоинформационной системой. Например, известно, что для железных дорог Германии предусмотрено электронное отображение сети линий и станций с точностью до 0,5 - 1,0 м с использованием системы DB-GIS. Считается, что такая точность достаточна при определении местоположения единицы подвижного состава с помощью GPS. В Германии для выполнения этих работ пользуются услугами третьих фирм – строительных и геодезических (3, 4). Обсуждение вопросов организации карты железных дорог в цифровом виде выходит за рамки данной статьи.

Планируется создать математическую модель оценки экономической эффективности принятия тех или иных решений в рамках виртуальной железной дороги и разработать соответствующий программный модуль. Наличие такого модуля будет полезным при апробации новых технических или организационных подходов с использованием виртуальной железной дороги.

Модифицируется программный модуль задания неисправностей с целью возможности оперативного задания новых вводных в процессе работы. Позже мы еще вернемся к этому чрезвычайно важному аспекту использования тренажера.

Предполагается создание тренажерного комплекса работников путевого хозяйства и опытного полигона для обучения навыкам эксплуатационной работы, ремонту пути и эксплуатации путевых машин и его интеграцию в комплекс виртуальной железной дороги.

Необходимо отметить еще один аспект использования программно-аппаратного комплекса «Виртуальная железная дорога». По сути дела, в данном случае речь идет о деловой игре, координацию работы которой осуществляет компьютерная система и которая находится под контролем человека – методиста (рис. 2). Существенным показателем любой системы виртуальной реальности является точность отображения среды. Однако необходимо понимать, что (особенно в случае обучающей системы) точность означает не столько реальность ощущений пользователя, сколько адекватность ответа самой системы. Кроме того, существенным элементом деловых игр является взаимодействие в учебной группе, правила которого определены структурой информационной системы.

Рис. 2. Система организации работы лабораторно-тренажерного комплекса «Виртуальная железная дорога».
Решения, определяющие ход игры, принимаются человеком, программное обеспечение лишь отвечают на действия человека. Степень адекватности ответа и определяет качество виртуальной реальности, в данном случае – качество комплекса «Виртуальная железная дорога». Поскольку развитие игры зависит от сценария, от внесенных методистом вводных (например, неисправности) и от действий участников игры, функции программного обеспечения сводятся к систематизации хода игры, но ни в коем случае не определяют этот ход. Участники игры работают не с моделью железной дороги, сгенерированной компьютером, а с моделью ситуации, возникшей как результат взаимодействия сценария игры, действий методиста, реакций игроков, работы программной и аппаратной части комплекса. Другими словами, если, например, машинист прибавляет скорость, тренажер не просто передвигает виртуальную модель локомотива быстрее, а просчитывает новую дорожную ситуацию в целом, с учетом действий всех пользователей, включая методиста.

Как правило, при оценке тренажерных комплексов, как программных, так и комбинированных, рассматривается адекватность математической модели, степень реализма и т.д. Комплексы типа виртуальной железной дороги, организованные в виде деловой игры, обладают еще одним качеством, возможно более важным. Они предполагают работу каждого участника в составе коллектива. Результат коллективной работы зависит от качества работы каждого игрока, к тому же процесс игры поставлен во временные рамки, аналогичные работе в реальных условиях. Все это создает эмоциональный настрой, способствующий эффективному усвоению изучаемого предмета. Существует мнение, что обучение методами деловых игр в 10-30 раз эффективнее традиционного (5). Оставим эти цифры на совести их авторов, однако положительный эффект применения на железнодорожном транспорте тренажеров с использованием практики деловых игр находит свое подтверждение.

Список литературы.

1. 
   Сервер симулятора NADS https://www.nads-sc.uiowa.edu
   
2. 
   Интернет-агентство МПС https://www.mps.ru/agency/toprint.html?news_id=1387
   
3. 
   Железные дороги мира-online. http://www.css-mps.ru/zdm/09-1999/8302.htm
   
4. 
   Сервер фирмы Geo++ https://www.geopp.com/
   
5. 
   На пути к Метабизнесу Ю. Мороз https://delo.wallst.ru/biblioteka/metabiz
   
6. 
   Железные дороги мира-online. https://www.css-mps.ru/zdm/09-1999/9908.htm
   
7. 
   Структура реальности. Д. Дойч, РХД 2001 г.
   
8. 
   Труды научно-практической конференции «безопасность движения на железнодорожном транспорте: правовые и технические аспекты». – Ростов-н/Д: РГУПС, 2002