Аннотация. Рассматриваются модели представления знаний для ситуационных тренажеров, которые разрабатываются с применением мультимедиа технологий. Модели мира тренажера формируются на основе множественности образных представлений. Излагается технология создания тренажера на основе статической модели идеального мира.

1.Введение.

Мультимедиа тренажеры в настоящее время являются доступным и распространенным средством подготовки специалистов различного уровня квалификации. Широкие возможности компьютерных технологий в сочетании с существенно меньшими финансовыми затратами по сравнению со стоимостью физических стендов делают это направление весьма привлекательным как для фирм связанных с производством и применением сложных технических средств, так и для технических университетов.

Разработка компьютерных ситуационных тренажеров с использованием мультимедиа технологий создает возможность реализовать практически любые по сложности эксперименты с оборудованием и воспроизвести методики отработки любых нештатных ситуаций. Применение сценарных моделей представления знаний предметной области позволяет предложить решения для проектирования и создания эффективных тренажерных комплексов, обладающих рядом интеллектуальных функций и основанных на моделях поведения и восприятия пользователя.

Одной из главных задач, возникающих при проектировании тренажера и определяющих впоследствии его эффективность как инструмента для познания, является представление учебной информации в виде образов адекватных объектам реального мира с учетом индивидуальных особенностей механизмов восприятия обучаемого. Дидактическая особенность компьютерного тренажера состоит в том, что он, являясь для пользователя косвенным источником знаний об изучаемой предметной области, не передает готовых знаний, а активизирует собственные механизмы пользователя по извлечению информации и формированию новых знаний.

Основываясь на этих принципах, наиболее важной задачей, возникающей при проектировании тренажера, следует признать выбор моделей и разработку на их основе программных средств конкретизации образных представлений на тему ограниченного мира задачи (с целью разбудить воображение пользователя) и генерацию некоторых индивидуальных фоновых образов для активизации механизмов подсознания, повышения пороговых уровней внимания, восприятия и запоминания.

2.Статические и динамические модели идеального тренажера

Анализ места ситуационного тренажера в общей концепции разработки и применения обучающих средств, дидактических и когнитивных аспектов требований к этому виду программных продуктов, а также возможностей мультимедиа технологий позволяют сделать вывод о возможности рассмотрения тренажера как некоторого искусственного мира, который имеет более удобную и эффективную, чем реальный мир, организацию, направленную на интенсификацию процессов передачи, восприятия, усвоения и переработки информации.

Не смотря на общность структуры и функциональной схемы (рис.1), в зависимости от концепции сценария и задач, которые решают пользователи, различают две группы ситуационных тренажеров: на основе статической модели идеального мира и на основе динамической модели.

Обучение на тренажерах обычно не касается точных наук, и связано с задачами, при решении которых человек не только использует абстрактные категории и общие понятия, а дополняет их яркими образами. Вопросы представления информации в задачах требующих образного мышления рассматривались в [1,2] с позиций создания решающих систем. В наших исследованиях предлагается концепция структуры модели статического мира тренажера, ориентированная на три уровня представления знаний и данных: концептуальный (Z₁), логический (Z₂) и физический (Z₃).

На концептуальном уровне описание мира тренажера наиболее эффективно выполняется на основе сценарных моделей. Знания о мире тренажера представляются сетевой моделью (Z₁). Вершинами сети являются ситуации (S_i), отображаемые в сценарии, а дугами – отношения, устанавливающиеся в ходе навигации по законам этого мира. На концептуальном уровне решаются вопросы выявления общего числа моделируемых ситуаций и тип связей между ними. В тренажерах на основе статической модели мира необходимо различать три типа ситуаций: S = (S₁) E (S₂) E (S₃). Здесь S₁ – множество рабочих ситуаций, S₂ - множество тупиковых ситуаций, связанных с ошибочными действиями пользователя в мире тренажера, S₃ - множество ситуаций, связанных с действиями пользователя в нештатных ситуациях реального мира и определяемых особенностью его модели поведения.

На логическом уровне знания о мире тренажера приобретают более конкретный характер. Они интерпретируют идею множественности представлений одной и той же ситуации с помощью различных классов информационных образов (рис.2). При таком подходе Z₂- задается множеством вершин типа ИЛИ (S_{i_j}), каждая из которых интерпретирует представление о ситуации S_i, исходя из особенности модели восприятия пользователя [3]. На данном этапе модель позволяет воспроизводить предпочтения в использовании каналов восприятия информации для 8 групп обучаемых.

Раскрытие вершин графа Z₁ можно осуществить в двух плоскостях. В плоскости Z₁ дочерние вершины каждой ситуации соответствуют новому состоянию объектов мира тренажера. В плоскости Z₂ дочерние вершины образуют альтернативы представления одной и той же ситуации в виртуальном мире.

Проектируя сценарий, необходимо учитывать как специфику его развития, так и особенности его прохождения обучаемым. Специфика развития определяется количеством нештатных ситуаций и возможностью отработки действий специалиста исходя из типа его личности. Практически она строится на прогнозе поведения специалиста в реальном мире. Для ее реализации во множество S включают дополнительное подмножество ситуаций S₃.

Специфика прохождения сценария определяется особенностями реакций человека на возникновения ситуации S_i в виртуальном мире. Для ее интерпретации модель ситуации S_iI S необходимо дополнить S_i^*= S_i & S_i^**, (S_i^**- события служебного характера в виртуальном мире - реакции тренажера не связанные с навигацией, его комментарии, флаги, сигналы-штрафы).

Как показали исследования, для активизации образного мышления у левополушарных групп обучаемых при решении технических задач достаточно 5 видов образов: текстовых (T_i), звуковых (GS_i), статических графических двухмерных (2D :: GD_i), статических графических трехмерных (3D :: GD_i) и динамических графических (A_i). В общей схеме организации знаний и данных (рис.2) они представлены пятью мирами (M_i ). Особенности их организации и стратегии использования для формирования вершин из множества Z₂ исследовались при создании тренажера для виртуальной лаборатории "Системы автоматического управления".

Как показали проведенные исследования степень ограниченности мира в мультимедиа тренажере, его идеальный характер можно изменять, варьируя следующие характеристики:

• N_OS_i - количество динамических объектов в отдельной сцене (ситуации S_i ),
• D_O - общее количество динамических объектов в замкнутом мире,
• SV_i - число степеней свободы у каждого из динамических объектов,
• S_P - число обрабатываемых событий, активизированных по инициативе пользователя (количеством допустимых действий пользователя с элементами мира тренажера),
• n_S_i - число развивающихся во времени событий, связанных с каждым динамическим объектом.
• Степень адекватности моделей сцен ситуации объектам реального мира в простейшем случае может регулироваться параметрами файлов мира образов:
• числом кадров анимации или ее продолжительностью и частотой кадров (мир динамических графических образов),
• глубиной цвета, степенью насыщенности кадра (мир статических графических образов),
• частотой и высотой тона (мир аудио образов).

3.Технология создания тренажера на основе статической модели идеального мира.

Разработку тренажеров удобно выполнять на языках HTML (для разметки гипертекста и графических карт с изображением приборов и устройств) и Dynamic HTML. Для поддержки принципа множественности альтернативных представлений о ситуации используются различные фреймы и процедуры написанные на VBScript. Имитация действий пользователя и проверка их правильности поддерживается программами обработки событий на языках сценариев Java Script и VBScript.

Одно из главных требований к мультимедиа тренажеру - высокое качество изображения, которое должно обеспечивать соответствие виртуального стенда реальному объекту. При разработке тренажера используются фотографии (оцифрованные видео кадры) реальных приборов и устройств. С помощью редактора трехмерных сцен 3D STUDIO MAX фотографиям можно придать объем и создать библиотеку графических 3D образов.

Каждый аппарат имеет ограниченное количество движущихся элементов. Это различные стрелки, отметки шкал, рукоятки, кнопки, тумблеры, переключатели. Остальное оборудование неподвижно и в программе тренажера должно исполнять роль фона. Движущиеся элементы внедряются на этом фоне в трехмерные сцены и для них создаются сценарии анимации. Создание анимационного клипа включает проектирование объектов, выбор материалов (текстур), расстановку источников света и камер, создание сценария анимации.

Наиболее распространенным способом создания сценариев анимации является метод ключевых кадров. Это процесс, при котором объекты и их параметры вручную устанавливаются в требуемые положения, соответствующие моментам времени опорных кадров, а все недостающие кадры, изображающие объекты на промежуточных стадиях движения строятся программой 3D STUDIO МАХ автоматически.

Размер конечного анимационного клипа напрямую зависит от частоты кадров, а также от глубины цвета, то есть насыщенности каждого кадра. Для плавного воспроизведения анимации необходима частота около 20 кадров в секунду. При частоте кадров меньше 18 теряется иллюзия плавности движений. Но при создании анимации для компьютерного тренажера, в котором нет необходимости поддерживать реальный масштаб времени и полностью погружать пользователя в виртуальный мир (с помощью специальных очков, шлемов, перчаток и т.п.) допустимо использовать и меньшую частоту кадров. Для сравнения можно привести два клипа примерно одинакового содержания, в которых использовались фотографии в качестве текстур. Первый имел частоту 30 кадров/секунду и при длительности клипа 4 секунды занимал 3 Мбайт. Второй клип за счет частоты 3 кадра/секунду продолжался почти 9 секунд и занимал 900 Кбайт.

Другим важным требованием к мультимедиа тренажеру является максимально полное воспроизведение движений отдельных элементов аппарата в соответствии с воздействиями пользователя.

Виртуальному мультимедиа тренажеру целесообразно иметь два режима работы: режим Тренировки и режим Выполнения работы. В режиме Тренировки пользователь может детально ознакомиться со всеми этапами работы, изучить элементы управления аппарата и последовательность действий по работе с ним. Режим Тренировки, по сути, является работой по алгоритму. Важно отметить, что алгоритм должен быть представлен не в виде непрерывного видео или анимационного клипа, а как последовательность шагов. Таким образом, повышается гибкость взаимодействия тренажера с пользователем, он может несколько раз просматривать отдельные этапы, причем в любом порядке. Проверки действий пользователя в режим Тренировки не вводятся.

В режиме Выполнения работы пользователю предлагается выполнить ранее изученную последовательность действий на виртуальном аппарате, при этом существует система контроля, следящая за правильностью действий пользователя. В случае ошибки выводятся подсказки, предупреждения. Многократные ошибки пользователя вызывают так называемую "аварийную ситуацию" (моделируется авария, поломка оборудования), они влекут за собой наказание: работа прерывается и пользователю дается указание повторить теоретическую часть работы. Возможность моделирования подобных нештатных ситуаций - одно из достоинств Виртуальных тренажеров, так как на реальном дорогостоящем оборудовании подобные действия студента не допускаются.

При работе с тренажером пользователю предоставлена такая же свобода действий, как и при работе с реальным прибором: он не ограничен жесткой последовательностью действий. Существует набор основных состояний движущихся элементов аппарата, промежуточные состояния не проверяются. Таким образом, пользователь может достигать желаемых результатов различными путями. Например, очередность включения и выключения двух независимых устройств не имеет значения, и пользователь может производить эти операции в произвольном порядке.

Главным элементом сценария тренажера-имитатора является массив строковых переменных - форм, каждая из которых отражает состояние конкретного элемента стенда в данный момент. Формы принимают ограниченный набор значений, соответствующих возможным положениям элементов стенда. Они помещаются в специальный скрытый фрейм. Для каждого элемента управления стенда написаны программы обработки событий. Они меняют формы и отслеживают допустимость их значений, т.е. контролируют возникновение аварийных ситуаций. Если форма приняла допустимое значение, запускается анимационный клип, соответствующий изменению состояния стенда.

Результаты применения разработанных нами моделей и методик иллюстрируют первые версии тренажеров для виртуальных лабораторий по измерительной технике и автоматизации технологических объектов, которые распространяются на CD дисках. Виртуальная лаборатория по измерительной технике (стенд для изучения и поверки магнитного газоанализатора) включает электронный учебник, программу тестирования и мультимедийный виртуальный тренажер-имитатор. Программа может быть использована для проведения лабораторных работ и проверки знаний студентов, а также для самостоятельной работы студентов.

Литература.

1. Справочник по искусственному интеллекту. / Под ред Поспелова Д.А. т.2. 1990.
2. Ларичев "Проблемы компьютерного обучения экспертным знаниям".// Труды 6 национ. конфер. по искусственному интеллекту с междунар. участ. КИИ`98. Т.1.
3. Козелецкий Ю. Психологическая теория решений . М. Прогресс, 1979.
4. Н.Н. Филатова, Е.С. Голованов, Н.И. Вавилова, Н.А. Борисов. Мультимедиа тренажеры для обучения эмпирическим знаниям // Труды межд. конф. КДС-99. Ялта.