тренажер оператора энергетического объекта

Формула изобретения

1. Тренажер оператора энергетического объекта, содержащий пульт оператора, пульт инструктора, блок задания параметров энергетического объекта с имитаторами его подсистем, блок имитаторов сигналов воздействия с имитаторами подсистем внешней среды, узел программируемого ввода задач и/или команд и узел регистрации, при этом пульт оператора первым выходом соединен с первым входом блока задания параметров энергетического объекта, вторым выходом - с первым входом блока имитаторов сигналов воздействия, первым входом - с первым выходом блока задания параметров энергетического объекта, а вторым входом - с первым выходом узла программируемого ввода задач и/или команд, пульт инструктора первым выходом и первым входом соединен соответственно - со вторым входом и вторым выходом блока задания параметров энергетического объекта, вторым выходом - со вторым входом блока имитаторов сигналов воздействия, третьим выходом - с первым входом узла регистрации, а четвертым выходом и вторым входом - соответственно со входом и вторым выходом узла программируемого ввода задач и/или команд, третий выход узла программируемого ввода задач и/или команд соединен с третьим входом блока задания параметров энергетического объекта, четвертый выход - с третьим входом блока имитаторов сигналов воздействия, а пятый выход - со вторым входом узла регистрации, третий выход и четвертый вход блока задания параметров энергетического объекта соединены соответственно с четвертым входом и выходом блока имитаторов сигналов воздействия, а четвертый выход - с третьим входом узла регистрации, отличающийся тем, что в него введены узел съема скорости ответной реакции оператора, узел съема частоты сердечных сокращений оператора, узел съема двигательной активности оператора, а также узел контроля психофизиологического состояния оператора, входы которого соединены с выходами упомянутых узлов съема, а выход - с третьим входом пульта инструктора, и узел прогнозирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса, первый вход которого подключен к третьему выходу пульта оператора, второй вход - к выходу узла контроля психофизиологического состояния оператора, а выход - к четвертому входу узла регистрации, при этом узел программируемого ввода задач и/или команд выполнен с возможностью обеспечения имитации критических и аварийных режимов энергетического объекта, а также информационной перегрузки оператора и предъявления ему в предстрессовом состоянии априорно подготовленного тестового задания, узел контроля психофизиологического состояния оператора - с возможностью фиксации предстрессового состояния оператора по снимаемым с него параметрам и направления сигнала, свидетельствующего о данном состоянии, на пульт инструктора, а узел прогнозирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса - с возможностью определения качества и времени выполнения оператором упомянутого тестового задания в предстрессовом состоянии, а также динамики изменения скорости ответной реакции и двигательной активности в течение работы оператора на тренажере по мере повышения его тренированности.

2. Тренажер оператора энергетического объекта по п.1, отличающийся тем, что узел программируемого ввода задач и/или команд выполнен в виде двухканальной многопроцессорной ЭВМ, работающей в реальном масштабе времени и выполняющей функции управления энергетическим объектом по заданным программам в заданных условиях.

3. Тренажер оператора энергетического объекта по п.1, отличающийся тем, что узел съема скорости ответной реакции оператора выполнен в виде электрического сигнального элемента, например лампы-индикатора, заставки на экране монитора или звукового сигнализатора, с выключателем сигнала, например кнопкой на пульте или "мышью" ЭВМ.

4. Тренажер оператора энергетического объекта по п.1, отличающийся тем, что узел съема частоты сердечных сокращений выполнен в виде миниатюрного датчика пульса, представляющего собой браслет или кольцо, одеваемые на руку или палец оператора, а соединение датчика пульса с узлом контроля психофизиологического состояния оператора - в виде проводной электрической или бесконтактной электромагнитной связи.

5. Тренажер оператора энергетического объекта по п.1, отличающийся тем, что узел съема двигательной активности оператора выполнен в виде определителя времени между моментами перемещений управляющих органов пульта оператора.

6. Тренажер оператора энергетического объекта по п.1, отличающийся тем, что узел контроля психофизиологического состояния оператора выполнен в виде определителя временного промежутка между моментами включения сигнала контроля и срабатывания выключателя сигнала или перемещения и фиксации курсора в заданных точках заставки монитора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к техническим средствам обучения персонала энергетических объектов (ЭО) и предназначено для использования при подготовке операторов, преимущественно мощных электрических, теплогенерирующих и газоперекачивающих станций на основе газотурбинных установок (приводы в виде авиационных двигателей Д30; ТВ3-117; ПС-90; НК-14; НК-37; АЛ-21СТЭ; АЛ-31СТЭ и др.) с формированием профессиональных навыков, а также при повышении квалификации операторов и их профотборе.

В связи с ростом мощностей ЭО, многообразием и усложнением конструктивных схем, высоким уровнем автоматизации управления растет стоимость как самого ЭО, так и ущерба от ошибки работающего на нем оператора. В частности, даже небольшие ошибки, обусловленные психическими особенностями человека, такими как неустойчивость внимания, нескоординированность движений, неумение быстро ориентироваться в обстановке и принять правильное решение, могут привести к серьезной аварии и даже катастрофе, имеющим своим следствием гибель людей и разрушение дорогой техники. Это накладывает повышенные требования к уровню теоретической подготовки и квалификации оператора, его устойчивости к нагрузкам и способности принимать правильные решения в условиях стресса или утомления (усталости).

Для выявления психофизиологической устойчивости человека, необходимой для успешного выполнения профессиональной деятельности, в современной прикладной психологии используются технические решения с анализом деятельности, опроса, эксперимента, анализом документации и различных форм наблюдения (Фрумкин А.А., Зинченко Т.П., Винокуров Л.В. Методы и средства эргономического обеспечения проектирования. СПб, Петербургский государственный университет путей сообщения, 1999, с.153-155). Однако такой путь представляет большие трудности, требует немалых материальных затрат, не поддается автоматизации и, что самое главное, субъективен.

Получили широкое распространение устройства для оценки работы операторов различных технических установок и технологических линий с автоматизированным контролем их психофизиологических параметров, в том числе и с выявлением приближения стрессового состояния (SU 497626 А, G09B 9/00, 30.12.1975; SU 785889 A G09B 9/00, 07.12.1980; SU 936011 А, G09B 9/00, 15.06.1982; SU 982065 А, G09B 9/00, 15.12.1982; SU 1505505 А1, А61В 5/16, 07.09.1989; SU 1587562 А2, G09B 9/00, 23.08.1990; SU 1624500 А1, G09B 9/00, 30.01.1991). Однако эти устройства не позволяют осуществлять надлежащую подготовку операторов в условиях работы с повышенной нагрузкой.

Известны тренажеры для обучения и тренировки операторов, в частности ЭО, обеспечивающие как подготовку операторов к выполнению типовых задач - проверок подсистем, ложного запуска, холодного запуска и горячего запуска агрегата, подключения к внешнему потребителю электрической и тепловой энергии, работы в штатном режиме, остановок ЭО и т.п., так и отработку действий операторов в критических и аварийных режимах работы ЭО, что недостижимо на реальном оборудовании по условию безопасности и сохранности материальной части (SU 1764073 А, G09B 9/00, 23.09.1992; RU 2202830 C1, G09B 9/00, 20.04.2003). Подобные тренажеры имеют высокий уровень имитации работы ЭО, характеризуются идентичностью отклика объекта на управляющие команды и в целом обеспечивают задачу отработки оператором необходимых практических навыков эксплуатации.

Наиболее близким аналогом предложенного устройства является тренажер по названному выше патенту RU 2202830 С1, выполненный с использованием пультов оператора и инструктора, блока задания параметров ЭО с имитаторами его подсистем, блока имитаторов сигналов воздействия с имитаторами подсистем внешней среды, узла программируемого ввода задач и/или команд и узла регистрации. Партия образцов такого тренажера изготовлена и успешно эксплуатируется в учебных центрах Газпрома РФ при подготовке операторов передвижной автоматизированной электростанции ПАЭС-2500М.

Недостаток указанного тренажера определяется отсутствием объективного контроля психофизиологического состояния оператора, соответствующего реальным условиям принятия решений при критических и аварийных режимах работы ЭО, - т.е. при наступлении стресса и/или утомления.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка с достижением технического результата, заключающегося в повышении устойчивости оператора при работе в сложных ситуациях с резким возрастанием нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в известный тренажер оператора ЭО, содержащий пульт оператора, пульт инструктора, блок задания параметров ЭО с имитаторами его подсистем, блок имитаторов сигналов воздействия с имитаторами подсистем внешней среды, узел программируемого ввода задач и/или команд и узел регистрации, при этом пульт оператора первым выходом соединен с первым входом блока задания параметров ЭО, вторым выходом - с первым входом блока имитаторов сигналов воздействия, первым входом - с первым выходом блока задания параметров ЭО, а вторым входом - с первым выходом узла программируемого ввода задач и/или команд, пульт инструктора первым выходом и первым входом соединен соответственно со вторым входом и вторым выходом блока задания параметров ЭО, вторым выходом - со вторым входом блока имитаторов сигналов воздействия, третьим выходом - с первым входом узла регистрации, а четвертым выходом и вторым входом - соответственно со входом и вторым выходом узла программируемого ввода задач и/или команд, третий выход узла программируемого ввода задач и/или команд соединен с третьим входом блока задания параметров ЭО, четвертый выход - с третьим входом блока имитаторов сигналов воздействия, а пятый выход - со вторым входом узла регистрации, третий выход и четвертый вход блока задания параметров ЭО соединены соответственно с четвертым входом и выходом блока имитаторов сигналов воздействия, а четвертый выход - с третьим входом узла регистрации, - введены узел съема скорости ответной реакции оператора, узел съема частоты сердечных сокращений оператора, узел съема двигательной активности оператора, а также узел контроля психофизиологического состояния оператора, входы которого соединены с выходами упомянутых узлов съема, а выход - с третьим входом пульта инструктора, и узел прогнозирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса, первый вход которого подключен к третьему выходу пульта оператора, второй вход - к выходу узла контроля психофизиологического состояния оператора, а выход - к четвертому входу узла регистрации, при этом узел программируемого ввода задач и/или команд выполнен с возможностью обеспечения имитации критических и аварийных режимов ЭО, а также информационной перегрузки оператора и предъявления ему в предстрессовом состоянии априорно подготовленного тестового задания, узел контроля психофизиологического состояния оператора - с возможностью фиксации предстрессового состояния оператора по снимаемым с него параметрам и направления сигнала, свидетельствующего о данном состоянии, на пульт инструктора, а узел прогнозирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса - с возможностью определения качества и времени выполнения оператором упомянутого тестового задания в предстрессовом состоянии, а также динамики изменения скорости ответной реакции и двигательной активности в течение работы оператора на тренажере по мере повышения его тренированности.

Решению поставленной задачи способствуют также частные существенные признаки изобретения.

Узел программируемого ввода задач и/или команд выполнен в виде двухканальной многопроцессорной ЭВМ, работающей в реальном масштабе времени и выполняющей функции управления энергетическим объектом по заданным программам в заданных условиях.

Узел съема скорости ответной реакции оператора выполнен в виде электрического сигнального элемента, например лампы-индикатора, заставки на экране монитора или звукового сигнализатора, с выключателем сигнала, например кнопкой на пульте или "мышью" ЭВМ.

Узел съема частоты сердечных сокращений выполнен в виде миниатюрного датчика пульса, представляющего собой браслет или кольцо, одеваемые на руку или палец оператора, а соединение датчика пульса с узлом контроля психофизиологического состояния оператора - в виде проводной электрической или бесконтактной электромагнитной связи.

Узел съема двигательной активности оператора выполнен в виде определителя времени между моментами перемещений управляющих органов пульта оператора.

Узел контроля психофизиологического состояния оператора выполнен в виде определителя временного промежутка между моментами включения сигнала контроля и срабатывания выключателя сигнала или перемещения и фиксации курсора в заданных точках заставки монитора.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного тренажера оператора ЭО.

Тренажер содержит пульт 1 оператора, пульт 2 инструктора, блок задания 3 параметров ЭО с имитаторами его подсистем, блок 4 имитаторов сигналов воздействия с имитаторами подсистем внешней среды, узел 5 программируемого ввода задач и/или команд, узел 6 регистрации. Оператор обозначен на чертеже позицией 7. Кроме того, в тренажере имеются узел 8 съема скорости ответной реакции оператора, узел 9 съема частоты сердечных сокращений оператора, узел 10 съема двигательной активности оператора, а также узел 11 контроля психофизиологического состояния оператора и узел 12 прогнозирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса.

Пульт 1 оператора первым выходом соединен с первым входом блока 3 задания параметров ЭО, вторым выходом - с первым входом блока 4 имитаторов сигналов воздействия, первым входом - с первым выходом блока 3 задания параметров ЭО, а вторым входом - с первым выходом узла 5 программируемого ввода задач и/или команд. Пульт 2 инструктора первым выходом и первым входом соединен соответственно со вторым входом и вторым выходом блока 3 задания параметров ЭО, вторым выходом - со вторым входом блока 4 имитаторов сигналов воздействия, третьим выходом - с первым входом узла регистрации 6, а четвертым выходом и вторым входом - соответственно со входом и вторым выходом узла 5 программируемого ввода задач и/или команд. Третий выход узла 5 программируемого ввода задач и/или команд соединен с третьим входом блока 3 задания параметров ЭО, четвертый выход - с третьим входом блока 4 имитаторов сигналов воздействия, а пятый выход - со вторым входом узла 6 регистрации. Третий выход и четвертый вход блока 3 задания параметров ЭО соединены соответственно с четвертым входом и выходом блока 4 имитаторов сигналов воздействия, а четвертый выход - с третьим входом узла регистрации 6. Входы узла 11 контроля психофизиологического состояния оператора соединены с выходами узлов съема 8-10, а выход - с третьим входом пульта 2 инструктора. Первый вход узла 12 программирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса подключен к третьему выходу пульта оператора, второй вход - к выходу узла 11 контроля психофизиологического состояния оператора, а выход - к четвертому входу узла регистрации 6.

Узел 5 программируемого ввода задач и/или команд выполнен с возможностью обеспечения имитации критических и аварийных режимов ЭО, а также информационной перегрузки оператора и предъявления ему в предстрессовом состоянии априорно подготовленного тестового задания.

Узел 11 контроля психофизиологического состояния оператора выполнен с возможностью фиксации предстрессового состояния оператора по снимаемым с него параметрам и направления сигнала, свидетельствующего о данном состоянии, на пульт 2 инструктора.

Узел 12 прогнозирования устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса выполнен с возможностью определения качества и времени выполнения оператором упомянутого тестового задания в предстрессовом состоянии, а также динамики изменения скорости ответной реакции и двигательной активности в течение работы оператора на тренажере по мере повышения его тренированности.

Узел 5 программируемого ввода задач и/или команд может быть выполнен в виде двухканальной многопроцессорной ЭВМ, работающей в реальном масштабе времени и выполняющей функции управления ЭО по заданным программам в заданных условиях.

Узел 8 съема скорости ответной реакции оператора может быть выполнен в виде электрического сигнального элемента, например лампы-индикатора, заставки на экране монитора или звукового сигнализатора, с выключателем сигнала, например кнопкой на пульте или "мышью" ЭВМ.

Узел 9 съема частоты сердечных сокращений может быть выполнен в виде миниатюрного датчика пульса, представляющего собой браслет или кольцо, одеваемые на руку или палец оператора, а соединение датчика пульса с узлом контроля психофизиологического состояния оператора - в виде проводной электрической или бесконтактной электромагнитной связи.

Узел 10 съема двигательной активности оператора может быть выполнен в виде определителя времени между моментами перемещений управляющих органов пульта оператора.

Узел 11 контроля психофизиологического состояния оператора может быть выполнен в виде определителя временного промежутка между моментами включения сигнала контроля и срабатывания выключателя сигнала или перемещения и фиксации курсора в заданных точках заставки монитора.

Тренажер работает следующим образом.

С пульта 2 инструктора производится включение тренажера и по параметрам, введенным непосредственно с пульта 2 или через узел 5 программируемого ввода задач и/или команд, устанавливается определенный порядок работы блока 3 задания параметров ЭО с имитаторами подсистем, а также блока 4 имитаторов сигналов воздействия с имитаторами подсистем внешней среды (энергосистемы, газотранспортной системы) при выводе соответствующей информации на пульт 1 оператора, пульт 2 инструктора и в узел 6 регистрации.

Изменение психофизиологического состояния оператора производится введением заданий, вызывающих его информационную перегрузку, т.е. большого числа событий, требующих реакции оператора, или повышенной скорости (более 3-4 дв. ед./с) их предъявления. Это могут быть также учебные задания с сокращенным временем отработки или с алгоритмом изменения параметров ЭО, заканчивающимся аварийным исходом.

В частности, с пульта 2 инструктора непосредственно или через узел 5 программируемого ввода задач оператору вводятся задания с параметрами ЭО, внешней среды или скорости предъявления информации, ведущие к его информационной перегрузке. Например, задание вводится с явно недостаточным для его выполнения временным интервалом, с высокой скоростью предъявления информации или с алгоритмом изменения параметров ЭО до аварийных значений. Целью этого этапа тренировки является выведение оператора из относительно комфортного, характерного для учебного процесса, психофизиологического состояния до напряженного (предстрессового) состояния и/или утомления, характерных для работы на реальном ЭО в условиях критической или аварийной ситуации.

Предполагается, что по мере выработки у оператора защитных реакций к предстрессовым нагрузкам, различия его объективных показателей - индикаторов психофизиологического состояния и качества работы на тренажере в комфортных и стрессовых условиях будут уменьшаться.

С оператора с помощью узлов 8-10 съема снимаются параметры соответственно о скорости ответной реакции, частоте сердечных сокращений и двигательной активности оператора.

В физиологических и психологических методах диагностики состояний, обеспечивающих возможность объективной (количественной) оценки изменения показателей работы центральной нервной системы, с учетом простоты съема необходимых параметров без создания помех для деятельности оператора, наличия технических и программных средств наиболее приемлемыми индикаторами функционального состояния оператора являются именно скорость ответной реакции, частота сердечных сокращений, отражающая состояние напряженности и утомления, связанные с увеличением энергетических затрат, а также двигательная активность.

Контроль скорости ответной реакции оператора осуществляется путем фиксации времени задержки выполнения команды на нажатие кнопки, перемещения курсора в заданную точку экрана монитора и т.п. Аналогично время ответной реакции на простые раздражители (свет, звук и т.п.) характеризует утомление оператора.

Контроль частоты сердечных сокращений (пульса) оператора осуществляется путем измерения пульса с помощью известных электронных устройств в виде браслетов или колец, одеваемых на запястье или пальцы руки соответственно. Являясь объективным показателем, интегрально отражающим мышечное и нервно-эмоциональное напряжение и изменение в системе терморегуляции оператора, степень изменения пульса характеризует уровень его тренированности. В зависимости от состояния и степени устойчивости оператора к повышенным нагрузкам пульс может изменяться от 70 до 180-200 уд./мин (при среднем допустимом объеме нагрузки на организм - не выше 100-120).

Контроль двигательной активности осуществляется путем фиксации времени между моментами перемещения управляющих органов пульта 1 оператора.

Информация о параметрах психофизиологического состояния представляется в относительном или нормированном виде, что существенно ослабляет учет индивидуальных особенностей оператора.

С выходов узлов съема 8-10 данные передаются в узел 11 контроля психофизиологического состояния оператора. Приемное устройство бесконтактной связи (антенна) узла 11 размещается в органе управления, контактирующем с рукой оператора, - в корпусе "мыши" ЭВМ, рулевом рычаге и т.п.

С выхода узла 11 контроля психофизиологического состояния оператора после соответствующего анализа данные поступают на пульт 2 инструктора.

При изменении индивидуальных психофизиологических показателей-реакций состояния оператора до предстрессовых и/или утомления ему предъявляется итоговое тестовое (контрольное) задание, которое может быть логическим, математическим или игровым с простым алгоритмом решения.

С выхода узла 11 контроля психофизиологического состояния оператора данные направляются также в узел 12 оценки устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса. С помощью узла 12 определяется качество и время выполнения оператором тестового задания в предстрессовом состоянии, а также динамика изменения скорости ответной реакции и двигательной активности в течение работы оператора на тренажере по мере повышения его тренированности. Предполагается, что с повышением психологического напряжения и/или усталости оператора время решения заданий, не связанных с его профессиональной деятельностью, также возрастает. Для тренажеров операторов ЭО с высоким уровнем автоматизации системы управления и минимальным участием оператора, для контроля его утомления при длительной, монотонной работе особенно эффективным является контроль динамики двигательной активности.

В узел 6 регистрации инструктор может записать результаты действий оператора по управлению ЭО в любой выбранный отрезок времени тренировки. При этом записываются положение органов управления пульта 1 оператора и пульта 2 инструктора, показания приборов и средств сигнализации с возможностью последующего повтора для демонстрации оператору, а также полученные в узле 12 данные по прогнозируемой устойчивости оператора к нагрузкам в условиях стресса.

Отработка заданий на предложенном тренажере позволяет реализовать тренировки оператора с различными психофизиологическими нагрузками, в том числе в предстрессовом и/или утомленном состоянии оператора, приближенном к реальному, при возникновении нештатных ситуаций в работе ЭО. Это повышает устойчивость оператора к негативному влиянию эмоциональных перегрузок в работе и объективность оценки качества его профессиональной подготовки.

Предполагается, что по мере выработки у оператора защитных реакций к предстрессовым нагрузкам, различия его объективных показателей - индикаторов психофизиологического состояния и качества работы на тренажере в комфортных и стрессовых условиях будут уменьшаться.

Таким образом, с использованием предложенного тренажера достигается технический результат изобретения - повышение устойчивости оператора в условиях стресса, а также обеспечивается объективность оценки его профессиональной подготовки.

В данном случае обеспечивается возможность обучения оператора с учетом факторов нормальной работы, критических и аварийных режимов, возникающих при эксплуатации ЭО. Реализация тренажера возможна специализированными учебными центрами по подготовке кадров для ЭО и в учебных заведениях энергетического профиля.