автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Разработка обучающих систем навигационной подготовки на базе ПЭВМ



Министерство гражданской авиации ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

ЩЕПИЛОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 629.735.078 81 081.3

РАЗРАБОТКА ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ НАВИГАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ НА БАЗЕ ПЭВМ

(Специальность 05.22.13 — Навигация и УВД)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛЕНИНГРАД 1991

Работа выполнена в Ордена Ленина Академии гражданской авиации.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук профессор С. М. ФЕДОРОВ

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: ■ кандидат военно-морских наук доцент А. М. АНИКИН

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук В. А. РУСОЛ, кандидат технических наук доцент В. И. АЛЕШИН

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Ульяновский Центр ГА СЭВ

Защита состоится 16 марта 1991 года на заседании Специализирован ного совета Д 072.03.01 при Ордена Ленина Академии гражданской авиации по адресу: 196210, Ленинград, Авнагородок, ул. Пилотов, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОЛАГА

Автореферат разослан « »--1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук доцент

С. С. ПАВЛОВ

■с;:-. -'I- •

, !;: . ИВЕ Д Е И и Е

тдй.-. . .

•рг.. • ;

Анализ опыта подготовки навигаторов в различных учебных взведениях гражданской авиации лает основание утверждать, что в настоящее «ре1.:я между теоретическим и практическим этапами обучения существует разрыв,обусловленный сдвигом процесса формиро- • ваши навиков в сторону тренажерной подготовки. Это приводит к тому, что до.>.-? при наличии хороших теоретических знаний обучаемый при переходе на тренажр не мотет осуществлять даже элементарных действий по управлению навигационными системами, обработке поступающей навигационной информации и принлтию решения по управлению полетом. ' '

Гхш;.эио.пол5нное определяет актуальность исследований, направленных на совершенствование теоретического атапа навигационной подготовки.

Uof.hu диссертационных исследований является поиск путей совершенствования теоретического этапа навигационной подготовки на основе определения наиболее рациональных режимов применения ЭВМ и методов интенсификации процесса создания программных средств.

- Для достижения указанной доли в диссертации были решены следующие задачи : ■

- проведен анализ процесса компьютеризации в сфере оОрасоьа-ння и обесногак-л концепция рационального ксполюогишкл 0Г<И ь ьо-ьш'ационноП пидготоп>:;

- экспериментально игследовшм способ!.1 организации гг'чис/.и-

• тельного процесса при создании на баге 1;ЗВМ насигаипоннпк Тренажере ¡3;

- теоретически и мгеперименталыю исследованы хагмст'фист»!:» со-,гри.";и,1 ваппатег'.ы гл. менни;: интервалов и с ¡¡'.од-; лев.| ■ ^пуст::-

¡:: •■■;"!! гагре;''!!! -сТ- Об.;1 л.'Л'; П .! ¡'м!' >рГ''!': 'И И:'.:'!!: а:''.'..'¡-п .:

тренажерах;

- разработаны математические модели и алгоритмы модели«» кия навигационных процессов на Г13ВМ;

- создан комплекс ииструменгалъмн:: программных сродстп ус репного моделирования динамических лагшгацяоиимх систем ил Пэг-совместимых с П:'М ГС;

- разработан ряд опытнмх образцов обучающих систем, прове им г.коплуатацилнм** исингаиия и выявлены ит-Золе*-- приоьмжи? с собы организации диалога навигатора с р-лзличнимм тиками '.-ЛМ

В процессе решения перечисленных задач были использованы следующие иатоди :

- теория мэделироьания и управления в слояшх системах, в частности, моделирования процессов на ЭВМ;

- вычислительной математики; 4

- экспериментальных исследований в эргатических системах;

- теория статистических решений, в частности, проверки ^ статистических гипотез и аппарат апроксимации Функций;

- структурного программирования при реализации конкретных задач на ГОВМ.

//лучная ношсшп работы заключается в том, что впервые :

- разработаны теоретические основы конструирования функцио нальных навигационных тренахеров для ШВЫ;

- исследованы способы организации процесса обновления инфо мации при создании функциональных навигационных тренажеров на б зе ПЗБМ;

- разработана методика и выполнены экспериментальны* иссле дования по определению точностных характеристик восприятия нави гатором длительности навигационных процессов;

- з -

- предложены временные показатели качесгьа воспроизведения х)цесеа наъигшши на тренажерах, основанные на характеристиках лприятия навигатором длительности навигационных процессов.

/Цкштичоаиш ценность. В результате выполненных исследований иш разработаны инструментальные программные средства моделиро-,ния навигационных процессов, а таю« созданы и внедрены в учебна процесс РС/Зов гражданской авиации следующие обучающие системы:.

- навигационниЯ трена.чер самолета ЛИ-26 ("Искра-1256");

- унеона.ч автоматизированная система "МИНИМУШ" (ШМ РС);

- автоматизированные учебные курен "1ШЮ ГА" и "ШБЖ" (ЕС-1035);

- подсистема расчета условия естественного освещения ¡, "Ипк-

1Е-5М РС);

- система автоматизированных расчетов установочных данных

н подготовки к полетам с использованием пилотажно-навигационно-комплекса("Искра 1ЕП6"); • - Функциональный треналер "Заход на посадку" ("Искра-1256");

- система автоматизированных расчетов схем захода на посадку <1скра-1256");

- генератор навигационных задач (1РМ РС);

- система автоматинированних расчетов "Сигма" ("Искра-1256");

- автоматизированная система моделирования аэронавигационных ■ Оных ситуаций "МЛУО" ( П,М РС).

Апробация работы ьгииничалайь в представлении и обсуждении овных результатов нссии-догншй на всесоюзных и межведомствен^ научна-практических конференциях:

- "Дидактический проблемы формирования личности и професеио-ьной надежности авиационных специалистов" (Кировоград, Н.)8Гч\ );

- •Т.'здначность м •.•ФУктимитеть гжеллупглми воздушного

; Яенинграч, ил"»!'.):

- ^ -

- "Проблемы применения технических средств в «формировании профессиональных навыков при первоначальной подготовке летного состава" (Актюбинск, 1980г.);

' - "Проблемы профессиональной подготовки специалистов на этапе ускорения научно-технического прогресса'Ч Кировоград, 1939г.);

а также на научных семинарах и внутризуэовских конференциях КВЛУГА и ОЛАГА.

НуО.ишшцин. Основное содержание диссертации отражено в 0 печатных работах, которые представлены статьями в сборниках научных трудов и тезпзах докладов.

Структура и p'7'ou ikuloru. Диссертация состоит из введения, глав, заключения, списка литературы i: прилэздш;й. Содержит 112 ci ниц текста основного содержит.:, 19 ця.ч».страций, О таблиц и три и ломэнии на 82 страницах. Список использование источников шигачае 173 наименования на 11 страницах.

К Р А Т К О Е СОДЕ ? К Л Н Я К РАБОТ U So иподгиш! обоснована актуальность темы диссертационной ра бот и, раскрыта сукцгость проблемы, сформулированы цель и задачи исс'пиэьаиии, охарактеризован)i научная новизна и практическая значимость получошшх результатов.

П гжт;у проведен анализ ontrra использования OEM г'

образовании, предложена концошшя компьютеризации процесса навигационной подготовки, обоснозани фидо и г.итоды использование ойуишлх систем на базе ПЭВМ, определено их место в учебном процессе , разработаны математические модели навигации и инструменте, аяи.щ программа» средства конструирования динамических навига-nn.rtiiiux о0учаю!»1Х систем

Концмщпя ь'омнькггернзации навигационной подготовк;. основана

а опте использования ьычиедителыюИ техники ь cJ«.-im> copan ог<атн учетам специфики обучения наьигатора как оператора сложных !.р-атич^ских систем и предполагает разработку слслую'ких подсистем :

- hikjo; w;. дгошю-справочную, содержащую cto,v"mm по теории и раотик« навигации и а:?|•онатим!точного обеспечении полетов и озьолямцув, ооушео'гьля'п. finovpi м поиск необходимой информтии;

- подготовки, 'Г11р£.киро£:а11ия и контроля v Ч^ОМЫХ ?.аДМ»!Й, ЬКЛкГ а»чцуо генератор ниьигациоиних задач, стандарт«:. набир ралдаточ-ого п^чатнчго материала и сред^тгм для аьтомагнакропанной про-ерк,! домашних заданий, контрильных и курсовых работ;

- библиотеку аые.латмзироьапш« УЧ.-Г/НЫХ курсов ин баз-э AOCj

- бнплют^ку паг.ш'аци'мшых трона.^роь и чоделеП для иссД'.-ио-. aiHU ПРОЦЕССОР MMi.Hrniimi;

- 111 ' о п : - í - о л ' т в » i ¡ ' 1 "i, ькличаимиум агго'.'<и иаиро&ашим сиотвмы. рим^глоше в гражданской ар нации для целен навигации и штурминс-

иГО ОбОСПечнИЫ ПОЛ'-гор.;

- управления у4i•ни^м, предин:лр «4»-nny«j для сбора и обработки татистич^ских данных о ходо ученного процесса па ка^р". l-acri-f Д'"'Л'М1МЛ liai'i-yî-KH. •lOpMlîi-.oliiiHHiî 0ТЧ«ТН0СТК и др.

Одной иг-. маиоолс"- рал.чмх' н и.чмоолзд сломил .чег'ч комлюте-■uaaiitiii процесса н.мигапииш/ои подготовки "имиется создание тре- , а;«'рои и динамических м-у,.'Дой. предна.-ньченш.'х для исследогапил poni'ci'a наьигации.

Л-«« того, чтобы усвоит. сордяшю данных' нропчшмчых нродук-«л», П|»'-дло*--н способ организации ь иаислитс* лыгого процесса при !чЛ1'ЛНри|\:.и!Ш1 Динамических ПаПЦЧШИОННКХ систем и на ОГО OCHOfeO >анраоотан комплекс инструментальных программных средств, повпо-■!к"г!П1 itai чгчк.ру пич'|--1|.».-,|сту д'остагочно бистро конструировать • •• t /.•••.имуи с т^ту у гм xwïKivjwfïara.

..-16: -.

Основным программном сролетном для создания навигационных тренажеров и моделей для исследования процессов навигации являе ся конструктор динамических навигационных обучающих систем, раз работанный длд 1ШМ. совместимых с IBM PC.

Необходимость решения ь процессе обучения сложных и разиоо разных задач обусловили модульную структуру Конструктора (рис.1 1'лждый модуль характеризуется .либо функциональной, либо аппаратной самостоятельностью. Связь ме*ду модулями осуществляется чер> параметры, которые определяется заданным ре»1мом работы. Доступ к модулям осуществляется через блок формирования начальных условш или непосредственно через модульный интерфейс, обеспечивающий ввод неизменных для конкретной системы параметров.

Начальные значения оперативно-изменяющихся параметров задаются в модуле формирования' начальных условий. Управляющие возде1 твил поступает, в систему через модуль формирования управляющих сигналов. Связь оператора (обучаемого или исследователя) с этим модулем как и со всей системой осуществляется посредством подсис темы ввода и индикации.

¡'тории глава посвящена исследованию допустимых пределов не решности обновление информации на экране дисплея при конструировании навигационных тренажеров на базе ПЭВМ.

Проведенный в работе анализ содержания процесса навигации показывает важность формирования у обучаемых в процессе теоретической и тренажерной подготовки правильного восприятия дли'«'ль-пости навигационных процессов и взаимосвязи изуоиенля параметров полета.

Слочипе многофункциональные тренажеры требуют создания боль ljhx программ-мониторов. В свою очередь, это приводит к задер.же обновлении информации на экране дисплея, а иногда дате усложняет

?

зпстсз

модуль СЦГНОП ОЕ>

ЙДЪОМИЬЦЯ

МЙРКОЬ I!

ВРЯ С

ИОДУль <ш«з ьек-

ТОРЯ

ЬЫ ГОДНЫЙ ПА-рДМОТ-

РОЬ

модуль

КОР'^К-

'дии ош пенных КОйРйН-

иодчпь «Юрт-1

«ио

УПРйЬ-

ляюи иг \

С.МГИЙ-

лоь

и

и

РО(\УЛЬ | ПЫСНЛ^Личее] £ОГО счмс- I с;эии<д пути !;

"Т

Рис. 1 Сгмрчяфурипсг с у еп ионитрчы п»ог> а мяьигли.иоини? . диигалычесиик оьчигиощпк систем.

¿л<иол параметра для индикации с задчшюи дискретностью.

Раосмотр'.-на ьозмолноеть ретчия данной проблемы при иеноль-гО'г.ашш коне. руктора динамических навигационных обучающих систем.

Разработана методика по опред"Лепию точностных характеристш ьоопркьтия навигатором длительности навигационных щюцессо!». Проведенные по данной методике исследования на навигационных грена->лрах пойполили получить ^300 статистических данных, на основанш которых получены 'Ункпии точности восприятия оператором длительности навигационных процессов при различных вариантах занятости, предназначенные для определения-допустимых значении погрешности обновления информации.

При моделировании на грс-нахерах процессов, hi.- связанных с контролем времени по приборам в явном пли неявном виде, но имею-И!х вахлое значение для нормирования концептуальной модели навигатора,-необходимо знание характеристик с^определения зон чувствительности при восприятии оператором временных интервалов.

Р. результате исследований, проведенных по методике и с использованием аппаратуры "Хроноскоп".p;;«f».Лотаниих в КИИ ['Л, получено ?.Л0О статистических данных. На основании '»тих данных определены границы основных зон чувст) игелыюсти при восприятии ичера-чэдюм временных интервалов .

В третьей и лапа рассматриваются т-которы" практические разработки обучакллх систем навигапиояной подготовки, »миолдо.-нтм «> плане дисс^ртационкых исследований и внедренных в >чеОшш щлтеес высших учебных заведений гразданской авчации. осуп'стьлйнцих обучение летного состава.

• Первым программным продуктом, созданным на пазе конструктора динамических навигационных обучавших сис тем дм FPiUI, с »вместим1.г< с 'ЕМ PC, является еноге,/н моделщюглния апрмняг.игаг.ио.ших учеб-

них ситуаций МЛУС. _ Она предназначен . ,ия отработки нгвыков вожде--' ния ВО в уп'лмзиях созданной преподавателем (инструктором) аэронавигационной ситуации.

Система позволяет моделировать как реальный район полетов (независимо от его размеров) так и любой учебный маршрут. Подго-' 'гонка учебной ситуации осуществляется ь диалогог;ом режиме. При-боригя доска системы "МАУС" показана на рис.

При выполнении' полета предусмотрены дополнительные Функции управления, которыми может воспользоваться преподаватель в про- '■ цессе обучения. К ним относятся: . •

- дискретное изменение направления и (или) скорости ветра;

- включение режима пространственно-временного изменения направления и скорости ветра;

- выключение/включение режима записи параметров полета;

- изменение скорости и направления ухода оси основного или -сонтрольного гироагрегатов в азимуте;

- включение/выключение гвуколого сопровождения;

- переключение активных .страниц;

- пер»под системы в контролирующий режим полета.

По окончании работы система автоматически переходит в оежнм азбора полета. Б эт;м режиме для любой точки линии фактического ¡ути преподаватель может вывести на экран вектор состояния, со-тержавдй слндуццум информацию :

- время нахождения П! в указанной точке:

- показания приборов;

- фактическое зкачоии«* основных параметров полета.

Парам"гры, г.к-'Л!|'1.Ч'"'М1.!>; в гектор состояния, определяется пг'чт-1авате.[|-м I К';Ш.(:».Т1! <>Т IV г.ОучеНИЧ.

Яяя отработки и- гь'коп выполнения по.'ета на IX', нг <^Оо;:у/т.->'

ОСН*

ычрота.

!: нк

53 ФС --уО

о ж.=П[шкг И5 ггж ;;/ /

ь л 'с. в! /

П* 5 г попоен л_.

- т л

\ \ Ч* 10 'V

Рис. 2. Приборная доска систем "МАУС" (»дэсьтаб по вертикали уменьшен под размер листа)

ванных автоматизированными средствами самолетовождения, на базе ГК "ИП'РА 1ГП0" разработан навигационный трона»/>р самолета АН-26.

отсутствие графического дисплея обусловило ряд особенностей в организации процесса общения обучаемого с ЭВМ по сравнению- с. системой "МАУС". которые подробно рассмотрены в диссертации.

В работе рассмотрены такл?.автоматизированная система "Минимумы", предназначенная для изучения методики определения минимумов для в:-лета и посадки воздушных судов ГА и генератор навигационных задач, представляющий собой операционную оболочку, предназ'-: наченн/м для организации единого интерфейса пользователя и ЭВМ при тиражировании задач и работе обучаемого с моделью навигационного процесса по принципу "что будет,если".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертации, состоят в сдедунцем:

1. обоснована н^оСходимость и возможность совершенствования навигационной полгиг^вки на основе применения ПЭЕМ, определена их роль и г#?|«то в уч-бном процессе.

Нредлоунн способ организации вычислительного процесса при создании на Сазе ГШ4 навигационных тренажеров.

Одним и.:; основных требований, предъявляемых к треналэру, является ю.-.м'-.гассть гм¡строй и удобной перенастройки с целью созда-' кия ногой уубиеЯ с'лтуац:;и. Ланный способ предусматривает объединение им'лтнруе»'.-;: лц^сссс в отдельные модули по Функциональному признак/. т' 1С7ро;Г'"л тренажера на заданные характеристик! осуос-ст-; ля'-тся н ! .".гул У! зм'ях:

- в./-г.".' в:л-1'-т узтанаслигатв пх:тоянн..::- гг.л дан-

ног С' типа тренажера параметры непосредственно в модульном интор-

' . .

- верхний уровень обеспечивает настройку тренажера ш диалоговом режиме на конир^тнук! ситуации, осуществляет оперативное изменение отдельных характеристик и управление полетом из подсистемы ввода и индикации.

' 3. Следуя предложенному способу организации вычислительного процесса разработан и реализован для ПЭВМ, совестимых с 1ВМ К), комплекс инструментальных программных средств с высоким уровнем свертки понятий, позволявший программисту-навигатору достаточно быстро конструировать тренажеры для отре5отки навыков выполнения полета н.1 любом тиче В!, но лкЙ1 му маршруту и я л к бой аэронавига-циошюй с остановке, а так-'« сг.эдаьать модели для исследования процесса п.инчагии,

•'.. . Разработана методика и получены тсчюетные характеристики )

восприятия навигатором длительности навигационных процессов, предназначенные для определения допустимы г гра1;иц погрешности об-.нов; зння шцормиции на экране дисплея. «

I, Онредь-л ш.' :,ош чувствительности при ьосприь ?им .нашгито-■ ром временных инторьалои. Но югом чувств ггел1.ности йредлокс-но : считать 02 отклонение от аадашюго интервала времени. Иго зпаче-.. НПО представляется целесообразным г^комендовать как тр*боками* к точности имитации на тренал^р<; длительности процессов, не связанных с контролем времени по приборам г. >шг»м или н.ничюм ниди (вы пуск шасси,закрылков, разного вида сигнализация и др.).

6. На сеноье глнструкгорн динамических навигационных систем р.сработана для ГОШ, совместимых с 1Г.М РО, система мод.-лщювания азрон',1В1!1'ч1июнп1:х учебных ситуаций МАУС, о'н-спечш аюша I формирование у обучаемых навыков выполнения пол. та ц.г м ¡ркрут;.

7. Разработан навигационный тренажер самолета АН-26, поэво--ляющий регаатъ -садачи формирования навыков выполнения полетов на • ЕС, но оборудованных автоматизированными средствами счисления пути, ■ •

8. Разработана система подготовки и.тиражирования задач, ' обеспечивающая по типу электронных таблиц наполнение оболочки, различными видами навигационных задач и работу с моделью по принт, ципу "что будет,если".

9. Гасработаин и реализованы на различных типах ЭВМ слэдую-1ИЯе обучающие системы :

- учебная автоматизированная система расчета минимумов для взлета и посадки воздушных судов ГЛ "МИНИМУШ";

- автоматизированные учебные курсы "ШС ГЛ" и "Ш83Г;

- подсистема расчета условий естественного ссгхщения;

- система автоматизированных расчетов установочных данных для подготовки к ¡¡слетам с использованием пилотаяю иагягациопне-го комплекса;

- •]унг.п«отоп?.н>-"Д тренажер "Заход на посадку";

- с;:с г-:ма агломтглзированпнх. расчето:1 сроднекяадратичс-ско;; погрешности определения бокозой координаты "СИГМА.'';

- оисге?" ттоштизировоин'.сс расчетов схем заходи ча посадку

Основные ¿езулвтати дисс»,ртоцмошюй ребогы опубликованы а сг-дук^их П'Чагш'Ч работах:

. 1. !'.';з"'рук 3. Р. ,г:?ш!Лов '0.11 Еромггниы-- показатели соответствия трепал;;; л воздушен/ судну. Сборник ¡пучпмч трудоэ. Рргснски-чосг.ие проблем!! профиссисналмгого отбора,подготовки и адаптщ-:и на ягеизгодс: по ат-а; доннах специалистов. Киег, "ЛЖГл,1985. Ос.

Z. Козарук В. В. ,Щепилов Ю. II. Методика определения урищм навигационной ПОДГОТОВКИ ДеТННХ 011Ы1ИсШ!0Т<>Б. МаГерНалЫ НиуЧНО- lipaK тичеокой. коифе(.»?нци11 "Дидактические проблемы нормирования личное • ти и проМ^сиональной надежности ашиниошшх специалистов". Кнро ЬОГрац,КВЛУГА, НТО К'АНШРЙМ. 1УГА.

3. Козарус В. В. . Щепилов Hill, оценка 31|«|.т;ттяюсти iipm.vn.iiuw навигационно-пилотажных приборов методом зкепертпого опроса. Сборник научных ТРУДОВ. Ш1ев, КИПРА, 10 5-1. Зс.

4. Козарук В. В. , Щепилов Ю. И. Показатели ыМ«.-кч иьности воспроизведения процесса самолетовождения на тренаж/Н.е. Материалы IV Всесоюзной научно-практической конкуренции "'¡езопаепоеть и :.4<Hi-тив'ность эксплуатации воздушного транспорта". Л.: одлРА, pj;;!i.

5. Козарук В. В. , Щепилов Ю. Н. Уровень навигационной подгитов-ки летных специалистов. Сборник научных трудов. Методы аргономиче.с-кой ыссилуатации и обслуживания авиационной техники. Киев, КНИГА, 1986. Бс.

' 6,- Щепилов Ю. II. Использование ДОС в навигационной подготовке авиационных специалистов. Материалы II Всесоюзной научно-иракти-'.ческой конференции "Проблемы применении технических средств в формировании профессиональных навыков при первоначальной подготовке летного состава". Актюбинск, 19С9.

7. Щепилов Ю. Н. Об алгоритме формирования входного сигнала для некоторых моделей навигации и УВД. В кн. Методы и модели автоматизации процессов управления воздушным движением. Л.: ОЛАГА, lQftO.

8. Щепилов Ю. Н. Структурная модель оцг-нигания уровня навигационного обеспечения полета. Материалы на научно-практической конференции "Проблемы про>] лзсиоиалыюй подготовки специалистов на этапе - ускорения научно-технического прогресса". Кировогр; .д, КГЛУ -ГА, Академия педагогических наук CUOP, !