Морские навигационные тренажеры: проблемы выбора

Необходимость написания данной книги обусловлена существующей противоречивостью и субъективностью взглядов при определении целевой ориентированности конкретного тренажерного средства, а также отсутствием однозначности в определении его качества. Отсутствие ясности в этих кардинальных вопросах создания и применения тренажерной техники затрудняет решение задач синтеза структуры тренажеров, решение вопросов оценки затрат на их проектирование, производство, внедрение и эксплуатацию, затрудняет выработку единого подхода и единого понимания тренажерных проблем между заказчиком, разработчиком W пользователем тренажерной техники.
В книге рассматривается следующий круг вопросов:
-установление полного состава технических и организационных систем управления, особенности функционирования которых должны быть отражены в требованиях, предъявляемых к тренажерам как классу технических систем;
- определение ведущего звена, способного сформулировать всю совокупность требований к конкретному комплексу тренажерных средств профессиональной подготовки и к каждому компоненту этого комплекса;
- определение факторов, учитывающих целевую ориентированность тренажа;
- определение множества принципиально возможных вариантов организации тренажа в зависимости от типа субъекта обучения и разработка методики выбора из данного множества вариантов, наиболее отвечающих конкретным целям обучения при заданных ограничениях;
- анализ эффективности учебного применения тренажерной техники;
- разработка методики выбора комплекса тренажерных средств, обеспечивающих эффективность профессиональной подготовки операторов технических систем.
Автор надеется, что материал книги окажется полезен разработчикам тренажерной техники, преподавателям и методистам системы профессионального обучения операторов системы "человек-машина", послужит теоретическим обоснованием и практическим руководством при определении состава комплекса тренажерных средств профессиональной подготовки и точной функциональной ориентированности каждого его компонента в процессе формирования ТЗ на проектирование, производство и поставку тренажерной техники.
Изложение материала иллюстрируется примерами из практики создания тренажеров корабельных навигационных комплексов

Введение
Название книги "Морские навигационные тренажеры: проблемы выбора" вызывает предположение, что речь пойдет о тренажерах, предназначенных для профессиональной подготовки (ПП) судоводителей. Но это, бесспорно верное, предположение все же требует некоторого уточнения. Прежде всего в части соотношения терминов "навигация" и "судовождение", а во-вторых, в отношении того, о каком выборе идет речь - кто выбирает, что выбирает, из чего выбирает.
Термин "судовождение" ("кораблевождение" применительно к военным кораблям) включает в себя два значения. С одной стороны - это процесс непосредственного управления судном, для осуществления которого требуются специальные знания, умения и навыки, с другой стороны - это система знаний о приемах и способах вождения судов.
При каботажном плавании с древних времен использовались так называемые лоцманские способы управления маневрами судна по курсу и скорости, при которых достаточно было знать собственные координаты относительно некоторых видимых судоводителю ориентиров. Здесь управлением судна занимался кормчий, руководствовавшийся собственными знаниями об ориентирах, глубинах, особенностях течений, а также навыками непосредственного управления судном.
В дальнейшем, при появлении потребности плавания в открытом море, пришлось ориентироваться относительно сторон света, а свое место определять относительно поверхности Земли. В этой ситуации без специальных приборов обходиться уже стало невозможно. Кроме того, с непосредственным управлением судном и ведением измерений одному человеку было не справиться, что и обусловило введение в систему управления судном еще одного специалиста-судоводителя, на которого возлагалась обязанность обеспечения точности и безопасности плавания. Такого специалиста стали называть штурманом (от голландского stucor - руль, управление), или навигатором. Это нововведение знаменовало собой переход к так называемым инструментальным, или штурманским, способам обеспечения судовождения, основанным на использовании разного рода специальных штурманских принадлежностей, на введении в практику судовождения различных систем географических координат, связанных с той или иной моделью Земли.
По мере усложнения средств и способов определения места судна и счисления его пути из судовождения выделилось самостоятельное направление - навигация, основными задачами которой стали:
 определение текущих пространственных координат судна и его ориентации в пространстве;
 определение безопасной и экономичной траектории перемещения судна для выхода в требуемый пункт назначения.
Закрепление "штурманского" этапа навигации, пожалуй, можно отнести к концу XVI в., когда в 1594 г. появилась работа англичанина Дж. Девиса "Секреты мореплавания", в которой приводился перечень обязательных штурманских принадлежностей, таких как морская карта, компас, лаг, механические (уже не песочные) часы, используемые при счислении пути судна, а также градшток, квадрант и таблицы склонения Солнца, используемые при определении широты места. Таким образом, в судовождении окончательно сложилась и закрепилась система "человек - прибор". Навигационные измерения уже производятся с помощью приборов, а человек производит обработку результатов измерений и принимает решение по управлению судном. Но штурман, повторяем, решая сугубо навигационные задачи, решением задач судовождения уже не занимается.
Ужесточение требований по точности и своевременности получения навигационной информации, используемой для эффективного решения экономических и военных задач, привело к необходимости комплексирования различных технических средств навигационных измерений. Так, в 1875 г. на Венской промышленной выставке был продемонстрирован "Путесчислитель" российского военного изобретателя
С.К. Джевецкого, представлявший собой механическое устройство, осуществлявшее автоматическое счисление пути судна по данным лага и магнитного компаса. По сути дела, применение подобных устройств в навигации означало возникновение системы "человек-машина", в которой техника брала на себя некоторые функции и проведения измерений, и последующей обработки навигационной информации.
Внедрение в навигацию вычислительной техники привело к интеграции отдельных навигационных систем и приборов в навигационные комплексы - сложнейшие автоматизированные системы, которые хотя и брали на себя объем работы, ранее недоступный человеку, но для своей эксплуатации требовали серьезных специальных знаний. Примером отечественных навигационных комплексов первого и третьего поколений могут служить НК I поколения "Сила" и НК III поколения "Симфония" (оба разработки ЦНИИ "Электроприбор", С.-Петербург), обеспечившие успешные походы отечественных подводных лодок к Северному полюсу.
Появление новых и усовершенствование старых технических средств и методик, обеспечивающих измерение и обработку навигационной информации, привели к тому, что уже к середине XX века в навигации четко определились следующие два направления:
- непрерывная навигация, использующая различные методы счисления пути судна;
- дискретная навигация, основанная на использовании различных естественных или искусственных ориентиров, - так называемый метод обсерваций.
Сегодня успехи морской навигации связаны [4,10,91,103,104] с разработкой:
- высокоточных инерциальных навигационных систем (ИНС), которые знаменуют вершину развития непрерывных методов навигации.
- спутниковых навигационных систем, которые явились своеобразной вершиной развития дискретных методов навигации (например, спутниковая радионавигационная система для потребителей различного назначения низкоорбитная "Цикада" и среднеорбитная ГЛОНАСС);
Дальнейшее развитие навигационной науки и техники, по-видимому, будет тесно связано:
- с разработкой и внедрением интегрированных инерциальноспутниковых навигационных систем;
- с разработкой недорогих бесплатформенных ИНС (БИНС);
- с разработкой и внедрением широкого спектра навигационного оборудования, обеспечивающего его использование на морском и наземном транспорте, на глубоководных и космических аппаратах;
- с разработкой высокоточных и эффективных гироскопических и гидроакустических комплексов;
- с созданием цифровых картографических систем;
- с дальнейшим углублением идей определения параметров оптимального движения на основе точного знания исходного положения объекта навигации и конечного пункта движения.
Однако особо следует подчеркнуть, что ни успешное развитие навигационной науки и техники, ни триумфальное шествие автоматизации на основе применения современных вычислительных средств не могут исключить человека из процесса навигационного обеспечения кораблевождения (судовождения), поскольку последним этапом цикла постоянного функционирования любой навигационной системы является принятие решения. Но принятие решения машиной производится на основе вариантов учитываемых алгоритмом ситуаций, все многообразие которых учесть невозможно в принципе. Поэтому варианты решений, предлагаемые компьютером, могут носить только рекомендательный характер, а окончательный выбор остается сегодня и будет оставаться в обозримом будущем за человеком. Другими словами, навигационную систему (навигационный комплекс) следует относить к классу эргатических систем, т. е. к классу систем "человек - машина" (СЧМ), что следует учитывать при разработке навигационной техники. Это же обусловливает и необходимость создания тренажерных средств, ориентированных на профессиональную подготовку персонала, эксплуатирующего эту технику.
Какие же тренажеры здесь требуются?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо уточнить, например, функциональные обязанности судоводителя гражданского судна и штурмана военного корабля, вытекающие из места и роли каждого из них в процессе несения вахты.
Близкие по своему изначальному предназначению и роду деятельности (оба - специалисты в области морской навигации), штурман военного корабля и судоводитель (командный состав на ходовом мостике) гражданского судна в своей профессиональной деятельности все более и более расходятся по своим функциональным обязанностям:
- судоводитель - это должностное лицо командного состава, возглавляющее ходовую вахту судна. Его рабочее место - ходовой мостик судна. Основные обязанности - анализ навигационной обстановки в районе плавания и принятие решений по управлению судном в целях обеспечения навигационной безопасности плавания по намеченному маршруту и безопасного расхождения с другими судами. Принимаемые судоводителем решения связаны непосредственно с управлением судном, т.е.
- для него основным объектом управления являются рулевые устройства и движители. Технические навигационные средства судовождения он использует как оператор для получения навигационной информации (снятие отсчетов). Таким образом, судоводитель на мостике гражданского судна - это неотъемлемое звено системы управления судном в целом;
- штурман военного корабля - должностное лицо, не возглавляющее ходовую вахту, он лишь входит в ее состав, обеспечивая командира необходимой навигационной информацией (от обеспечения навигационной безопасности плавания до навигационного обеспечения применения корабельного оружия). Основные обязанности штурмана здесь связаны не с управлением кораблем, а с обеспечением требуемой точности выработки полного объема навигационных данных.
Такое различие в функциональных обязанностях штурмана военного корабля и судоводителя гражданского судна настолько устоялось, что в разрабатываемых и уже существующих интегрированных мостиковых системах управления гражданских судов центральное место отведено именно судоводителю. В аналогичных же системах управления военными кораблями автоматизированное рабочее место (АРМ) предусмотрено для командира, для вахтенного офицера и т.д., но в корабельной интегрированной мостиковой системе нет АРМ штурмана, хотя это рабочее место предусмотрено в штурманской рубке - командном пункте штурманской боевой части.
Приведенные различия в круге функциональных обязанностей этих двух специалистов в области морской навигации накладывают отпечаток и на их профессиональную подготовку, а именно:
- для судоводителя важны знания и навыки по сбору и обработке навигационной информации в целях эффективного и безопасного управления судном;
- для штурмана не менее важным становится инженерный (не конструкторский, а эксплуатационный) уклон образования и профессиональной подготовки, обеспечивающий эффективное управление сложным многообразием технических средств навигации (навигационным комплексом) в целях получения наиболее точной навигационной информации для выработки рекомендаций по эффективному и безопасному управлению кораблем.
Отсюда вывод: для штурмана образование судоводителя (в контексте - специалиста по морской навигации) остается обязательным, поскольку весь анализ информации, вырабатываемой навигационным комплексом, штурман осуществляет и как инженер, и как судоводитель.
Из всего сказанного отчетливо выделяются следующие три группы задач, решаемых и судоводителем, и штурманом, а именно:
- задачи управления судном;
- задачи управления морскими средствами навигации (навигационным комплексом);
- чисто навигационные задачи (навигационная прокладка, определение места корабля и оценка его точности, маневрирование, плавание в открытом море, вблизи берегов, в узкостях и др.).Последнее требует уточнения. Если для штурмана своевременное и точное решение навигационных задач является основной целью его деятельности, а управление работой навигационного оборудования - всего лишь средством, обеспечивающим эту деятельность, то для судоводителя решение навигационных задач является всего лишь одним из средств достижения главной цели деятельности - эффективного управления судном.
Приведенные выше три группы задач, по существу, определяют возможные типы тренажеров, различающихся своей целевой ориентированностью, а именно:
1) тренажеры, предназначенные для профессиональной подготовки судоводителей, т. е. ориентированные на отработку учебных задач по управлению судном (кораблем). В таких тренажерах рабочим местом обучаемого является модель ходовой рубки;
2) тренажеры, предназначенные для профессиональной подготовки личного состава штурманской боевой части, т. е. ориентированные на отработку учебных задач по использованию навигационного оборудования в процессе решения навигационных задач. В таких тренажерах рабочим местом обучаемого (обучаемых) является модель центрального пульта штурмана и/или модель рабочего места (рабочих мест) штурманского электрика (электриков);
3) тренажеры, ориентированные на отработку чисто навигационных задач безотносительно к используемому для этого навигационному оборудованию.
К примерам тренажеров первого типа можно отнести тренажерные комплексы "Мостик-2000", "Мостик-2004", разработанные ЗАО "Транзас" и предназначенные "для моделирования навигационных и аварийных происшествий с кораблями и судами в целях их анализа и разбора" [40], сертифицирования специалистов на их соответствие государственным и международным требованиям, предъявляемым к судоводителям.
В настоящей книге речь пойдет о тренажерах второго и третьего типов, т.е. о типах тренажеров, разрабатываемых ЦНИИ "Электроприбор" (уже созданы тренажеры "Маяк-Н", "Молдова-У", "Солярис", "Солярис-У", "Аппассионата-ЭКМ-У", "Зенит-УТ", "Глазомер-М", "Мостик-77" (тренажеры второго типа), "Соло" (тренажер третьего типа), на стадии рабочего проекта находятся тренажеры "Солярис-УТТХ" и "Лидер-АРМО-НК" (тренажеры второго типа)). Создание тренажеров этих типов предполагает учет характера отрабатываемых навигационных задач определения пространственно-временного положения судна:
- с позиций обеспечения безопасности плавания;
- с экономических (тактических) позиций.
В обоих случаях навигационные задачи решаются с опорой на использование либо навигационных данных от некоторой совокупности источников навигационной информации безотносительно к технической реализации измерителей этой информации (тренажер "Соло"), либо данных, полученных от вполне конкретных измерителей. Следовательно, в процессе профессиональной подготовки с использованием тренажеров обучаемому должна быть предоставлена возможность:
в первом случае:
а) пользоваться адекватной информацией, представляющей собой результат применения того или иного класса измерителей;
б) грамотно выбирать класс навигационных ориентиров и набор данных, вырабатываемых тем или иным классом измерителей, в зависимости от обстановки (условий плавания), включая и тактическую;
во втором случае, кроме того, обучаемому должна быть предоставлена возможность адекватного решения и чисто операторских задач, т.е. задач применения конкретной техники, используемой в процессе решения отрабатываемой навигационной задачи.
В каждом случае должны применяться учебные средства, различающиеся своей целевой ориентированностью:
- на учебную отработку задач морской навигации, безотносительно к техническому исполнению измерителей навигационной информации - в первом случае;
- на учебную отработку тех же задач при использовании конкретной навигационной техники - во втором случае.
Это - одна из первых и самая очевидная задача выбора, стоящая перед заказчиком конкретного учебного средства, и надо заметить, что эта задача, как правило, вполне успешно решается путем расширенной формулировки в ТЗ целевого назначения тренажера.
А какие еще могут возникать задачи выбора? Разве указание специализации обучаемых и конкретизации моделируемой навигационной техники недостаточно для создания требуемого тренажерного средства? Оказывается, нет. Проблема выбора учебно-тренировочных средств, наилучшим образом удовлетворяющих конкретного пользователя, теперь только и высвечивается. И дело здесь вот в чем.
Выбор тренажера предполагает существование некоторой классификации тренажеров, а также существование общепринятых правил установления функций каждого компонента этой классификации.
Общей причиной существования как классификационных противоречий и "нестыковок", так и разноголосицы в оценке качества тренажерной техники является, по мнению автора, недоучет того обстоятельства, что и свойства конкретного тренажера, и эффективность его применения в учебном процессе определяются его ориентированностью не столько на предмет изучения (например, на моделируемую им СЧМ), сколько на субъекта обучения и особенности построения учебного процесса в конкретной учебной структуре (училище, школа техников, учебный центр). Именно этот взгляд на проблему полностью согласуется с широко принятой концепцией относительно того, что в основу требований, предъявляемых к любому продукту производства, прежде всего должны быть положены требования пользователя.
Но такой подход к проблеме формирования требований к учебной технике требует привлечения информации, характеризующей скоординированную деятельность различных структур, определяющих состав требований к тренажерам. Понятно, что эффективность этой совместной деятельности, а мы должны исходить именно из этого, невозможна без понимания и учета принципов координации, регламентирующих работу сложных, иерархически организованных систем управления.
Отсутствие единого подхода к определению функциональной ориентированности конкретного тренажерного средства и однозначности в определении его качества затрудняет решение задач синтеза структуры тренажеров, осложняет решение вопросов оценки затрат на их проектирование, производство, внедрение и эксплуатацию, выработку единого подхода и единого понимания проблем между заказчиками и разработчиками тренажерной техники.
Причинами, объясняющими противоречия между разработчиками тренажерной техники, возникающие при согласовании многих ТЗ на тренажеры, по мнению автора, являются следующие моменты:
- игнорируется тот факт, что понятие "тренажер", по существу, определяет не конкретное техническое изделие, а класс систем, включающий в себя компоненты, существенно отличающиеся друг от друга как своей функциональной ориентированностью, так и сложностью структурной организации и, следовательно, затратами на их проектирование, производство, внедрение и эксплуатацию;
- функциональная ориентированность тренажера в первую очередь увязывается с функциональным назначением моделируемого тренажером изделия, а не с типом обучаемого субъекта и организацией его обучения:
- требования, содержащиеся в ТЗ на конкретный тренажер, обусловлены субъективными представлениями соответствующих должностных лиц о предназначении заказываемого тренажера, не всегда учитывающих специфику организации профессионального обучения операторов технических систем.
Другой, не менее важной, причиной является практически полное отсутствие единой, научно обоснованной методики выбора типа тренажера, т. е. методики определения его функционально-структурной сущности, исходя из учебных целей и вариантов его использования в процессе профессиональной подготовки соответствующих специалистов.
Отсюда вывод: совокупность предъявляемых к тренажерам требований должна строго вытекать из анализа некоторого множества требований к тренажерам как к классу технических систем. Эти требования могут быть выработаны на основе учета взаимодействия организационных структур, причастных к созданию, внедрению и использованию тренажерной техники.
В сегодняшних экономических условиях, когда, с одной стороны, возрастает спрос на тренажерную технику, а с другой, резко обостряются вопросы согласования сроков и стоимости создания тренажеров, вопросы определения эффективности их дальнейшего использования, задача выбора тренажера становится весьма актуальной как с педагогических, так и с экономических позиций. Поэтому выбор тренажера (комплекса тренажерных средств), требующегося для профессиональной подготовки того или иного субъекта обучения, должен быть строго научно увязан с процедурой установления пространства выбора на основе некоторой классификации, с правилами (алгоритмами) выбора конкретного средства профессиональной подготовки (СПП) из данного пространства и, следовательно, с показателями эффективности этого выбора.
Этим вопросам и посвящена настоящая книга.
В главе 1 рассмотрен круг вопросов, характеризующих особенности взаимодействия членов коллектива операторов эргатической системы как с техникой, так и между собой. Далее рассматриваются наиболее общие и наиболее важные для целей данной книги организационно-методические аспекты профессионального обучения операторов технических систем. Рассмотрены особенности тренажа многоуровневого коллектива операторов. И, наконец, анализируются проблемы и тенденции развития отечественного и зарубежного тренажеростроения, а также дается обзор публикаций по теме исследования, в котором прослеживается, как в нормативной и технической литературе по тренажерной тематике трактуются понятия "тип тренажера" и "качество тренажера". Отмечаются имеющиеся противоречия и "нестыковки", которые обусловлены прежде всего тем, что при формировании требований к тренажерам не учитывалось или учитывалось не совсем последовательно то обстоятельство, что в основу требований, предъявляемых к любому продукту производства, прежде всего должны быть положены требования пользователя.
Глава 2 посвящена изложению основных принципов координирования многоуровневых организационных иерархических систем, послуживших теоретической базой решения задачи определения состава и структуры системы формирования требований к тренажерам как классу технических систем, а также процедурным вопросам этого определения. Приводится общая постановка задачи исследования, где система формирования требований к тренажерам представлена в виде двухуровневой системы принятия решений. Сформулированы задачи, стоящие как перед системой в целом, так и перед входящими в нее решающими системами обоих уровней. Обоснован метод построения алгоритма синтеза системы формирования требований к тренажерам.
В главе 3 анализируется организация тренажа операторов технических систем с многоуровневой организационной структурой:
- проведен анализ особенностей процесса функционирования системы профессионального обучения операторов СЧМ и выявлены наиболее существенные моменты этого процесса;
- определен состав факторов, учитываемых алгоритмом синтеза структуры системы требований к тренажерам, включая и определение возможных типов субъектов обучения;
- для каждого типа субъекта обучения предложены алгоритмы построения множества принципиально возможных для него вариантов организации тренажа безотносительно к области применения моделируемой тренажером техники, ее функциям, количественному составу и специальности обслуживающих ее операторов. Применение методики продемонстрировано на примере определения принципиально возможных вариантов организации тренажа операторов корабельных НК.
В главе 4 исследована проблема качества тренажеров, рассматриваемая с позиций потребителя учебной техники, т.е. с позиций системы профессионального обучения. Подробно рассмотрена проблема адекватности отработки учебных задач. Перечислены основные методические и дидактические возможности, которые должны быть присущи тренажерным средствам. Введены критерии учебной, методической, дидактической и эксплуатационной эффективности применения тренажеров в учебной практике. Обоснование большинства вопросов сопровождено примерами из практики проектирования и применения навигационных тренажеров. В частности, приведены сравнительные характеристики тренажеров для профессиональной подготовки операторов корабельных навигационных комплексов производства ЦНИИ "Электроприбор" и проведен их анализ с позиций настоящей работы.
В главе 5 сформулированы принципы и реализующие их методы и варианты задействования в учебном процессе как обучаемых операторов, так и тренажерных средств профессиональной подготовки операторов. Предложена методика определения типа тренажерного СПП по его функционально-структурной сущности. Рассмотрен и обоснован наиболее целесообразный состав тренажерных средств профессиональной подготовки штурмана ВМФ в зависимости от мест и частных целей обучения.
Как видим, книга не связана с разработкой конкретных схем тренажеров или его составных частей, а посвящена раскрытию вопросов, позволяющих:
заказчику - правильно определить тип требуемого ему тренажерного СПП (комплекса СПП) в части его функциональной ориентированности;
разработчику - правильно решить проблемы синтеза структуры заказываемого СПП;
заказчику и разработчику - более четко ориентироваться при оценке уровня затрат (временных, трудовых, финансовых и т.д.) на его разработку, производство, внедрение и эксплуатацию;
пользователю - наиболее полно и научно обоснованно оценить дидактические возможности тренажерного средства, исходя из его функционально-структурной сущности, и на основе этой оценки более эффективно организовать его использование в учебном процессе.
Автор искренне признателен научному редактору профессору С.П. Дмитриеву и рецензенту доценту П.Г. Химичу, чьи доброжелательные замечания и рекомендации способствовали значительному улучшению структуры книги