Національна академія наук України

Міністерство освіти і науки України

Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних

технологій та систем

ВЕРЕЩАГІН Ігор Іванович

УДК 004.923

АВТОМАТИЗОВАНИЙ СИНТЕЗ І МОДЕЛІ

ГНУЧКИХ КОМП’ЮТЕРНИХ ПРОФЕСІЙНИХ ТРЕНАЖЕРІВ

ШИРОКОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні

інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем Національної академії наук України і Міносвіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Тарасов Віктор Олексійович,

Міжнародний науково-навчальний центр

інформаційних технологій та систем НАН України

і Міносвіти і науки України,

провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Павлов Вадим Володимирович,

Міжнародний науково-навчальний центр

інформаційних технологій та систем НАН України

і Міносвіти і науки України, завідувач відділу,

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Шворов Сергій Андрійович,

Військовий інститут Київського національного

університету імені Т.Г. Шевченка, начальник

Кафедри тактики та оперативного мистецтва.

Провідна установа: Науково-виробнича корпорація “Київський інститут

автоматики” Мінпромполітики України.

Захист відбудеться “7” червня 2007 р. о 12-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.171.01 при Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН України і Міносвіти і науки України за адресою: 03680, Київ-680, МСП, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту кібернетики
ім. В.М. Глушкова НАН України.

Автореферат розісланий “3” травня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради |

ТАРАСОВ В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена автоматизованому синтезу гнучких комп'ютерних професійних тренажерів широкого призначення. Актуальність даної теми обумовлена рядом чинників, які викладаються далі.

У галузях суспільного виробництва найбільш економічно розвинених країн світу ведуться наукові роботи у напрямі теоретичних узагальнень принципів устрою і функціонування, а також методів і технологій автоматизованого синтезу професійних тренажерів. Незважаючи на вкрай мізерне фінансування, обумовлене об’єктивними соціально-економічними причинами, подібні наукові роботи мають місце й в Україні, проте такі дослідження, як у нас, так і за кордоном ще далекі від свого логічного завершення.

Щоб створити для тренажеробудування надійну теоретичну основу, необхідні разом з тим наукові дослідження, які поєднують галузеві: цього вимагає внутрішня логіка розвитку науки. До отримання значущих результатів у галузях об’єднуючі наукові роботи можливі лише в інтересах підготовки управлінських кадрів, оскільки управлінська діяльність у будь-яких сферах має істотно спільне у формі інформаційної структури, на якій заснований процес прийняття рішень. Те, що подібна структура дійсно існує свідчить широке застосування таких активних дидактичних методів, як ділова гра і метод конкретних ситуацій (case-study) для навчання управлінню в абсолютно різних, здавалося б, сферах суспільної практики, а не тільки лише – соціально-економічними процесами. Незважаючи на цю теоретичну можливість, у даний час відсутні публікації, присвячені загальним принципам устрою і функціонування, а також уніфікованим методам і технологіям автоматизованого синтезу тренажерів для прищеплювання умінь і навичок прийняття управлінських рішень.

Істотними обмеженнями страждають практичні розробки в справі тренажерного навчання управлінню – ці технічні засоби тренування представлені винятково індивідуальними комп’ютерними (тобто програмними) тренажерами. По-перше, у них відсутня імітація навколишнього середовища – інформація представляється тому, кого навчають, у вихолощеному вигляді, безпосередньо, а не так, як у житті – опосередковано, тобто у формі складних ситуацій, що систематично виникають у суспільній практиці управління. Далі, вони не учать оперативному, тобто поточному управлінню соціальними процесами. І нарешті, їхня архітектура не дозволяє радикально змінювати предметну область – наприклад, з управління фірмою переходити до управління медичною установою чи військовим з’єднанням.

Даний стан наукових і практичних розробок у позначеній області тренажеробудування викликав до життя дане дослідження. Актуальність теми дисертаційної роботи полягає у відсутності систематичного підходу до створення тренажерів для прищеплювання умінь і навичок оперативного управління в складних ситуаціях суспільної практики, водночас як внутрішня логіка розвитку науки і суспільні потреби настійно вимагають таких досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН України і Міносвіти і науки України в рамках фундаментальної дослідницької теми ВФ 160.04 “Розробка базових компонент комп’ютерних навчально-тренажерних технологій підготовки операторів складних динамічних об’єктів”, (номер держреєстрації науково-дослідної роботи 0103U000189), (2003 – 2005 р.), інв. звіту 0205U006667 за 2005 р., – автором розроблені моделі гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи – визначення інваріантних до програмних реалізацій принципів устрою, функціонування й автоматизованого синтезу індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення для підвищення ефективності прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики. У роботі під “складними ситуаціями” розуміються стійкі й повторювані комбінації явищ, супроводжуючі соціальний процес, які на даному етапі розвитку формалізації не піддаються математичному моделюванню з погляду отримання доцільних оперативних (тобто поточних і своєчасних) управлінських рішень.

Досягнення даної мети досліджень припускало рішення наступних задач:

побудова загальної моделі індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів, призначених для прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики. Модель повинна була узагальнити інваріантні до програмних реалізацій принципи устрою, функціонування й автоматизованого синтезу тренажерів;

побудова денотаційної моделі автоматизованого рішення тим, кого навчають, задач гнучких тренажерів, синтезованих в інструментальній системі їхньої візуальної розробки. У моделі слід формалізувати інваріантні до програмних реалізацій принципи автоматизованого рішення синтезованих задач;

натурне макетування на персональному комп’ютері елементів загальної моделі гнучких тренажерів. Макет має продемонструвати принципову обчислюваність основних складових денотаційної моделі і реалізувати принципи програмування тренувальних задач.

Об’єкт дослідження – теоретичні узагальнення принципів устрою і функціонування, а також методів і технологій синтезу професійних тренажерів.

Предмет дослідження – принципи устрою, функціонування і синтезу комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення.

Методи дослідження. Рішення задачі побудови загальної моделі тренажерів вищезазначеного роду спиралося на методи системного аналізу і синтезу. Для створення денотаційної моделі таких тренажерів був застосований Віденський метод розробки систем і мова цього методу VDM-SL як засіб формалізації. Натурне макетування на персональному комп’ютері елементів загальної моделі виконувалося методом об’єктно-орієнтованого програмування за допомогою мови С++.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі системного підходу, Віденського методу розробки і мови цього методу VDM-SL, застосованого для викладу денотаційної семантики перспективних програмних комплексів, а також методу об’єктно-орієнтованого програмування за допомогою мови С++ отримані та перелічені далі результати:

уперше розроблена модель індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення для прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики;

уперше розроблена денотаційна модель автоматизованого рішення задач таких тренажерів, синтезованих в інструментальному середовищі їхньої візуальної розробки;

одержала подальший розвиток методика натурного макетування на комп’ютері денотаційних моделей, побудованих за допомогою мови VDM-SL Віденського методу розробки.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність отриманих результатів полягає у їхньому безпосередньому використанні в науково-дослідній роботі Центру за темою: “Розробка базових компонент комп’ютерних навчально-тренажерних технологій підготовки операторів складних динамічних об’єктів” (див. вище). Підкреслимо, що натурне макетування на комп’ютері елементів загальної моделі тренажерів показало можливість створення реальних програмних комплексів. Тому, узагальнені в пропонованих моделях принципи устрою, функціонування й автоматизованого синтезу гнучких тренажерів рекомендується використовувати для створення комплексу інструментальних і цільових програмних засобів гнучких тренажерів, призначеного для підвищення ефективності прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики. При цьому денотаційна модель описує семантику візуального інтерпретатора тренувальних задач, синтезованих в інструментальній системі, а принципи автоматизованого синтезу тренажерів загальної моделі описують фундаментальні основи семантики самого засобу візуального синтезу таких задач.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримані особисто [1, 2, 3]. Наукові результати, опубліковані в [4], належать автору в частині, щодо принципів побудови денотаційної моделі інструментального засобу візуального синтезу тренувальних задач гнучких тренажерів. У публікації [5] показано місце адаптивного, чи гнучкого управління розвитком пізнавального процесу і тренажу в структурі інноваційних технологій підготовки оперативного персоналу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, викладені у дисертаційній роботі, доповідались на нарадах та наукових семінарах профільного відділу Центру; на конференціях: Міжнародна конференція “Теоретичні і прикладні аспекти побудови програмних систем” (TAAPSD’2004), (Київ, 5–8 жовтня, 2004); 12-а Міжнародна конференція з автоматичного управління (Харків,30 травня–3 червня, 2005).

Публікації. Викладені у дисертації основні наукові результати опубліковані в 3-х статтях збірки наукових праць “Комп’ютерні засоби, мережі та
системи”, внесеної у перелік фахових видань ВАК України. Опубліковані стаття і тези доповіді в матеріалах двох міжнародних наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, дев'яти підрозділів, висновків та двох додатків, списку використаних джерел. Повний обсяг роботи – 246 сторінок, із них основний текст – 112 сторінок, додатки – 115 сторінок, список використаних джерел містить 69 найменувань на 6 сторінках, 5 рисунків та одна таблиця.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені відомості про апробацію результатів роботи і наявні публікації.

У першому розділі – “Модель індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення” – спочатку вибирається основний напрямок досліджень. Ним є розробка загальної моделі індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів, призначених для прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики. Далі у розділі обґрунтовуються принципи формалізації складових загальної моделі.

Модель гнучких тренажерів спочатку розглядається у роботі як штучна цілеспрямована абстрактна система, яка може конкретизуватися в широких межах. Обраний нами варіант системи разом з іншими елементами передбачає інструментальний засіб візуального синтезу тренувальних задач (тренажів), власне тренувальну задачу як результат розробки, віртуальний світ, створюваний нею, того, кого навчають (стажиста) і інструментальний засіб адаптації до нього задачі. Для уточнення загальної моделі слід, в свою чергу, розробити денотаційну модель автоматизованого рішення стажистом синтезованих задач гнучких тренажерів, котра формалізує істотне відношення “тренувальна задача – віртуальний світ” з урахуванням відносин “навчання” і “адаптації” задачі до стажиста. Ця модель докладно розглядається у другому розділі дисертаційної роботи.

Зупинимося на онтологічних передумовах загальної моделі. Вони полягають у тому, що на практиці типовий соціальний процес представлений людині у вигляді послідовності явищ, суб’єктами яких виступають інші люди, що володіють спеціальними знаннями про процес, а також – різноманітними джерелами характерної управлінської інформації. У денотаційній моделі всі подібні відомості про процес позначаються терміном Знан(ня). Стійка, типова і повторювана зміна явищ подібного вигляду і створює ситуації, що вимагають від людей, залучених у процес, прийняття оперативних, тобто поточних і своєчасних рішень. У свою чергу, явища, що складають ситуацію, завжди можна представити на екрані комп’ютера чисто зовні у формі статичних і динамічних сцен, які “розігрують” зображення людей із залученням зображень джерел управлінської інформації, і у такий спосіб – охопити широке коло професій. Оскільки так звані життєві типи людей – тип службовця, офіцера, комерсанта, що учиться тощо – відрізняє не зовнішність і не спеціальна інформація, а поведінка і здібності, обумовлені порівняно малим числом програмних методів, остільки код цих методів може бути складений для широкого кола професій завчасно; те ж справедливо і для “поведінки” спеціальних джерел інформації: форм ділових документів, телефонів, факсів, комп’ютерів тощо. Отже, однотипне представлення на екрані різноманітних явищ надає теоретичну можливість створення комплексу інструментальних і цільових програмних засобів, у якому виконуваний код буде відокремлений від даних – у першу чергу, від зовнішнього вигляду людей і речей (у денотаційній моделі – від Лиць людей і речей), а також від спеціальних знань людей про процес і від характерної управлінської інформації джерел. Ця властивість забезпечує “широту” застосування професійних управлінських тренажерів. З іншого боку, тут відкривається можливість методично впливати на дані, не зачіпаючи виконуваного коду, що робить синтезовану тренувальну задачу “гнучкою”, тобто, щодо потреб педагогів і стажистів.

Отже, модель індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів описує складну управлінську ситуацію у вигляді вищеохарактеризованих сцен як статичних, так і динамічних. З причин того, що подібні ситуації не піддаються математичному моделюванню з погляду отримання доцільних рішень, навчання з їхньою допомогою необхідно супроводжувати демонстрацією прийнятних, з позиції розробників тренування, управлінських рішень. Саме на такого роду ситуації суспільної практики, у першу чергу, розрахована розглянута модель. У ролі персонажів сцен у моделі виступають люди, наприклад службовці, які володіють деякими знаннями про процес. У сцені присутній і реквізит, скажемо телефон, що також є носієм управлінської інформації. Оскільки сцени “розігруються” персонажами за участю реквізиту на будь-якому фоні – на так званій Картині сцени, наприклад, на тлі виробничого приміщення цеху, – остільки всі носії управлінської інформації (персонажі і реквізит) об’єднані терміном “деталі” картини сцени з деякими іменами (ІмДетал).

Формалізована для виконання на комп’ютері послідовність сцен іменується тренувальною задачею. Ця форма втілюється у віртуальному світі, де стажисту в циклах тренування демонструються різні види процесу одного й того ж самого типу. Через послідовність образних сцен стажисту пред’являється комбінація характерних явищ з реального чи уявлюваного життя, що супроводжує розвиток деякого виду процесу. У такій ситуації стажисту необхідно проникнути в сутність процесу, щоб виконати контрольне завдання. У кожному іменованому циклі тренажу (НазвЦикл) стажист виконує схоже завдання, але, як правило, у складніших умовах, наприклад у більш стислі терміни. У результаті цієї активності віртуальний світ “переноситься” у внутрішній світ стажиста (точніше, інтеріорізується) і збагачує останній новим змістом, у якому нас цікавлять, у першу чергу, навички й уміння прийняття оперативних управлінських рішень.

У результаті автоматизованого синтезу тренувальної задачі в інструментальній системі візуальної розробки генеруються три компоненти: виконуваний файл (наприклад, типу “ехе”), база даних тренувальної задачі й файл з планом тренування. Для адаптації формальної моделі процесу до стажиста в ході доробки й експлуатації вже готової задачі передбачений допоміжний інструментальний засіб. За допомогою даного інструменту візуально виконується спрямована модифікація як бази даних задачі, так і плану тренування при збереженні незмінним виконуваного файлу задачі.

Основна вимога, якій має відповідати система візуального синтезу тренувальних задач, полягає у забезпеченні поліморфізму структур даних, невидимих в інструментальному середовищі. Такий поліморфізм реалізований на трьох рівнях: рівень імен деталей картин сцен (ІмДетал), рівень імен сцен (ІмСцен) і рівень плану тренування (ПланТрен). План тренування задає хід заняття через послідовність абстрактних команд Сцена, Акт, Дія, Антракт та інших, котрі приховані від безпосереднього погляду розробників і обговорюються в другому розділі. Поліморфізм структур даних забезпечує, в основному, зміну зовнішнього вигляду сцен, а також заміну знань їхніх деталей у кожному циклі тренажу.

Опис тренувальної задачі в термінах картин, їхніх деталей і сцен служить наочною, інтуїтивно зрозумілою мовою інструментальної системи візуального синтезу тренувальних задач. Змістовна семантика цієї мови, разом з цим, змушує розробників підходити до задачі з позицій трьох уявлюваних лиць: “режисера” – головного “виконавця” тренувального плану, “стажиста” і “учителя”, котрий покликаний радити, наказувати, видавати і коментувати виконання завдань.

Строге визначення картин, їхніх деталей і сцен, а також вихідних компонент тренувальної задачі дається у денотаційній моделі, до огляду якої ми переходимо.

У другому розділі дисертації – “Денотаційна модель автоматизованого рішення синтезованих задач гнучких тренажерів” – розбираються основні положення денотаційної моделі автоматизованого рішення стажистом синтезованих задач таких тренажерів. Повна специфікація цієї моделі наведена в додатку А мовою VDM-SL Віденського методу розробки.

Як зазначалося вище, в результаті автоматизованого синтезу тренувальної задачі в інструментальній системі візуальної розробки згенеруються три компоненти: виконуваний файл, база даних тренувальної задачі і файл із планом тренування. Їм у пропонованій денотаційній моделі поставлені у відповідність: статичне середовище (СтатСер), інформаційне середовище (ІнфСер) і синтаксична множина ПланТрен. Інформаційне середовище створюється у трьох екземплярах – для потоків обчислення “режисера”, “стажиста” і “учителя” відповідно; його зміст завжди можна модифікувати в ході експлуатації тренувальної задачі. Навпроти, середовище статичне – незмінне; воно є абстракцією тих структур, які утворяться в головній пам’яті комп’ютера в результаті обробки операційною системою виконуваного файлу тренувальної задачі. Сам план тренування, як і база даних розміщується на зовнішньому носії і його вміст підлягає адаптації протягом життєвого циклу даної задачі.

У ході досліджень установлено, що всі три потоки тренувальної задачі укладаються в абстрактну схему єдиного потоку обчислення, що дозволяє вивчати формальними засобами специфічні й істотні властивості гнучких тренажерів. Пояснимо у загальних рисах з’ясовану схему обчислення. Для цього представимо в скороченому вигляді головні речення абстрактного синтаксису плану тренування і денотату Потік:

ПланТрен = Команди; (1)

Команди = СписокКоманд ? Сцена ? Акт ? Дія ? Антракт ? ; (2)

СписокКоманд :: Команди*; (3)

Потік = Команди НазвЦикл+ СфаПредставл РівеньЗнань+

ном_цкл : Nat0 , (4)

де НазвЦикл+ – список назв циклів тренування; СфаПредставл – сфера візуального представлення на екрані тренувальної задачі (довільний кінцевий метричний простір); РівеньЗнань+ – список назв рівнів “знань” деталей картин сцен перед початком кожного циклу тренування; ном_цкл – поточний номер циклу тренування.

При фіксованому плані тренування всі зміни задаються через вміст інформаційного середовища. Тому його логічно трактувати як таке продовження плану, що наповняє останній реальним змістом, а самі підмножини середовища – відносити до абстрактного синтаксису (разом із планом тренування). З іншого боку, складові статичного середовища логічно вважати денотатами пропонованої моделі, оскільки її підмножини незмінні і за припущенням утворяться у результаті обробки виконуваного файлу задачі. У свою чергу потоки обчислення (Потік) і динамічне середовище (ДинСер) служать денотатами за визначенням.

Реченням (1) – (3) відповідають наступні основні рекурсивні семантичні функції, що описують сенс програмної інтерпретації плану тренування у всіх циклах тренажу (НазвЦикл+) – префікс М в назвах семантичних функцій походить від англійського meaning “сенс”:

МПотік : Потік ІнфСер-set СтатСер-set ДинСер

МПотік[mk-Потік(_ком, , _ном_цкл)] (_інф_с) (_стат_с)

let дин_с = mk-ДинСер( _ном_цкл, ),

нов_дин_с = МКоманди[_ком] (_інф_с) (_стат_с) (дин_с),

нов_цкл_ = ном_цкл(нов_дин_с)

in if нов_цкл_ = 0 then нов_дин_с

else МПотік[(_ком, , нов_цкл_)] (_інф_с) (_стат_с) (5)

МКоманди : Команди ІнфСер-set СтатСер-set ДинСер ДинСер (6)

МКоманди[mk-СписокКоманд(_ком)] (_інф_с) (_стат_с) (_дин_с)

let

нов_дин_с = МКоманди[hd_ком] (_інф_с) (_стат_с) (_дин_с)

in if len _ком = 1 then нов_дин_с

else

МКоманди[mk-СписокКоманд(tl_ком)] (_інф_с) (_стат_с) (нов_дин_с)

У зв’язку із сенсом семантичних функцій (5) і (6) зробимо два пояснення. По-перше, циклом тренажу (НазвЦикл) називається чергове рішення стажистом тренувальної задачі за незмінним планом тренування, причому в кожному такому циклі стажист вирішує завдання одного типу, але, як правило, у складніших умовах, скажімо, при більш стислих термінах, обумовлених командами Антракт (див. далі). По-друге, так зване динамічне середовище (ДинСер) – денотат моделі, – об’єкт якої створюється у функції МПотік (див. (5)), потрібна для зв’язку семантичних функцій, а також для пояснення сенсу операцій виводу на екран комп’ютера зображень, рухів і обміну інформацією між віртуальними розробниками тренувальної задачі і стажистом:

етапи тренування (глобальна структура):

(ІСЕтап ІнфСер) =

забор_акт : ІмАкту m НазвЦикл m BOOL

забор_дії : ІмДії m НазвЦикл m BOOL

пауза : ІмАнтракту m НазвЦикл m Тривалість; (7)

динамічне середовище:

ДинСер = ном_цкл : Nat0 вив_карт : Картин m Област

вив_дет : Лице m Област інтрф : АктОбл m Метод

вив : Пит m Област вв :Област m Відп , (8)

де (обл Област) СфаПредставл і (обл АктОбл) СфаПредставл; Лице – множина “лиць” деталей картини сцени, і л Лице є частиною довільного кінцевого метричного простору, загалом відмінному від сфери представлення задачі СфаПредставл; Метод – програмні методи, асоційовані з активними областями сфери представлення АктОбл, тобто для (обл АктОбл) СфаПредставл інтерфейсний вплив на обл АктОбл призводить до виклику для виконання відповідний метод мет Метод; Пит – питання стажисту; Відп – його відповіді; Картин(а) – множина фонів сцени, аналогічна множині Лице.

План тренування завжди розбивається на іменовані періоди часу, звані актами (Акт), а акт, у свою чергу може бути розділений на іменовані секції, так звані дії (Дія). Включення чи виключення актів і дій для деякого циклу тренування виконується через зміну змісту структури ІсЕтап інформаційного середовища – (див. (7)).

У результаті, всі зазначені та багато інших дій підтримуються компонентами статичного середовища і середовища інформаційного, в які занурені потоки обчислення тренувальної задачі:

ССДетСцен = (ІмДетал ? ІмСцен) m

НазвАктОбл m Метод;

ІСДетСцен = (ІмДетал ? ІмСцен) m

НазвЦикл m НазвАктОбл m АктОбл;

ССцен = ІмСцен m ІмДетал-set ;

ІСЛицеСц = ІмСцен m ІмДетал m НазвЦикл m Област;

ССДинСц = ІмДинСцен m Метод+;

ІСЗнДет = ІмДетал m НазвЦикл m

НазвРівнЗнан m Знан; (9)

ІСВиВвод = ІмДетал m НазвЦикл m

(вивод : Област ввод : Област); (10)

ІСЗвнш = лице : ІмДетал m НазвЦикл m Лице

картина : ІмСцен m НазвЦикл m Картин; (11)

СтатСер = ССДетСцен ? ССцен ? ССДинСц ? ;

ІнфСер = ІСДетСцен ? ІСЛицеСц ? ІСЗнДет ? ІСВиВвод ? ІСЗвнш ? ,

де ССДетСцен – інтерфейси деталей картини і сцени (відповідність: назв. області – метод) ; ІСДетСцен – “активні” області деталей картини і сцени (відпов.: назв. області – область); ССцен – деталі картини сцени (відпов.: сцена – множина її деталей); ІСЛицеСц – лице сцени (відпов.: деталь сцени – область її розміщення); ССДинСц – методи динамічної сцени (список методів, що задають динаміку сцени); ІСЗнДет – “знання” деталей картини сцени (“знання” деталі про процес чи інша інформація); ІСВиВвод – області виводу-вводу деталей картин сцен (наприклад, вивід питань і введення відповідей); ІСЗвнш – зовнішній вигляд деталей картини, а також картин сцен.

Сфера візуального представлення тренувальної задачі (СфаПредставл) – (див. (4)) – складається із сфер представлення потоків обчислення режисера, стажиста і вчителя. У кожній такій підсфері зображена сцена (Сцена) – (див. (12)), що складається з картини (тла) з розміщеними на ній деталями картини, наприклад, персонажами і реквізитом – під персонажем розуміється деталь картини, наділена якостями людини. Наприклад, у сфері режисера може бути відображений інтер’єр кабінету директора підприємства (mk-Сцена). У такій обстановці стажист у ролі директора має можливість виконати подвійне клацання мишею на рисунку свого записника – це деталь картини – і на екрані виникне її вміст (це “знання” деталі картини). У загальному випадку, сенс програмної інтерпретації команди Сцена плану тренування пояснює наступна семантична функція:

МКоманди[mk-Сцена(_ім_сц)] (_інф_с) (_стат_с) (_дин_с)

let

нов_дин_с = зруйнуватиСцену(_дин_с),

нов_дин_с = вивКартину(_ім_сц, _інф_с, нов_дин_с),

нов_дин_с = вивДеталіКарт(_ім_сц, _інф_с, _стат_с, нов_дин_с),

нов_дин_с = створитиІнтрф(_ім_сц, _інф_с, _стат_с, нов_дин_с)

in

нов_дин_с (12)

У сфері візуального представлення стажиста, можливо, водночас буде знаходитися сцена з інструментами (теж деталі картини), що дозволяють переміщатися по статичних сценах, які можуть збуджуватися в різних областях екрана. Тоді у сфері вчителя може бути зображена статична сцена з елементами взаємодії з навчальною базою даних, і ці елементи будуть виступати як “деталі картини” у такій специфічній, на перший погляд, сцені.

Підкреслимо, що структури інформаційного і статичного середовища потоків обчислення забезпечують поліморфізм на трьох рівнях: рівень деталей картин сцен, рівень сцен і рівень плану тренування. Такий поліморфізм дозволяє відносно легко модифікувати зовнішній вигляд і “знання” деталей картин від циклу до циклу, а також переходити до іншої предметної області, використовуючи напрацювання з інших областей. Відомо, що деталь картини, як правило, має “лице” (обрис, зовнішній вигляд на екрані) і “знання” у вигляді пойменованих одиниць тексту. Тоді, наприклад персонаж з ім’ям “Головний_бухгалтер” матиме в кожному циклі тренування (НазвЦикл) інше обличчя. У кожному циклі тренажу можна автоматично змінювати також і його знання. Крім того, протягом одного циклу рівнем знання (НазвРівнЗнан) можна автоматично варіювати вказівкою міток тексту, заданих у ході синтезу тренувальної задачі (9).

Швидше за все, але далеко не обов’язково, на завершальному етапі циклу тренування стажист виконує контрольне завдання, що складається з ряду питань, відповіді на які характеризують уміння і навички того, кого навчають, приймати рішення в складних ситуаціях заданого типу. На цьому етапі потік обчислення вчителя – чи будь-який інший потік (за рішенням розробників задачі) – відображає статичну сцену (12) з деталями картини, що забезпечують вивід на екран питань і ввод стажистом відповідей на них (див. (10)).

У третьому розділі – “Натурне макетування на персональному комп’ютері елементів моделі індивідуальних гнучких тренажерів” – головним чином, аналізується програмний макет на його відповідність основним положенням денотаційної моделі автоматизованого рішення стажистом синтезованих задач і обґрунтовуються принципи програмування реальних тренажів. Натурне макетування денотаційної моделі виконано на об’єктно-орієнтованій мові С++ у термінах операційної системи MS Windows 2000. Програма макету використовує навчальну версію бібліотеки Microsoft Foundation Classes 6.0 (MFC) і наведена у додатку Б у повному обсязі. У останньому підрозділі обговорюються результати експериментального програмування для вироблення практичних рекомендацій з організації у гнучких тренажерах так званих “анімаційних” фільмів. У роботі термін “анімаційний” уведений для того, щоб відрізнити пропонований підхід до гнучкої анімації від традиційної мультиплікації. “Анімаційні” фільми в гнучких тренажерах від звичайних мультиплікаційних фільмів відрізняє насамперед те, що всі “кадри” перших генеруються в результаті інтерпретації окремих незалежних команд, з причини чого порівняно легко створювати різні варіації одного і того ж самого за суттю фільму для різних циклів тренажу однієї і тієї ж тренувальної задачі. Тому при визначенні принципів структури гнучких тренажерів особлива увага приділена організації застосування в них “анімаційних” фільмів як універсальній альтернативі звичайним мультиплікаційним фільмам.

Організація анімаційних фільмів у гнучких тренажерах припускає розробку двох компонент програмного забезпечення – візуального програматора “сценаріїв” фільмів (ВізПр) і візуального інтерпретатора “програм” фільмів, згенерованих з цих “сценаріїв” шляхом трансляції фрагментів “епізодів” останніх.

Визначення доменів візуального програматора сценаріїв анімаційних фільмів представлено нижче реченнями (13) – (15):

вп : ВізПр = (ес_сц : Епіз+ )* фр_ет : ФрЕт-set

редукц : ФрЕт m (ф_редукц : ФрЕс Ком); (13)

Епіз union rng (ФрЕт m ФрЕс-set); (14)

ком : Ком = іе : N1 ік : Ік тк : Тк (іп : Іп пар : Пар-set)*. (15)

Візуальний програматор (13) служить графічним комп’ютерним інструментом, за допомогою якого розробник тренувальної задачі рисує ескіз сценарію (ес_сц) анімаційного фільму. Ескіз сценарію являє собою непорожній список епізодів Епіз+. Кожен епізод – це один заповнений екран програматора, який створюється розміщенням на екрані фрагментів епізоду із еталонної множини ФрЕт-set і зміною параметрів еталонів у потрібному напрямку – пар : Пар-set (15).

Нехай передбачуваний епізод включає графічне вікно Windows, що розгортається із “крапки”, з заголовком. Для задання такого фрагменту розробник вибирає із множини еталонних фрагментів, наприклад еталон “Вікно з текстом”. Потім еталон мишею “перетягується” у необхідне місце екрана, набирається текст заголовка, задається стиль вікна, колір його фону і тексту, а також шрифт і кегль заголовка. На закінчення визначається анімаційний ефект, скажімо, “Розгорнути вікно із крапки” і швидкість, наприклад 100 мм у секунду. Таким шляхом еталонний фрагмент епізоду із ФрЕт перетворюється в множину ескізів фрагмента із ФрЕс-set (14) у сценарії (ес_сц) майбутнього анімаційного фільму.

До візуального програматора динамічно підключається транслятор ескізу сценарію, що перетворює ескіз у так звану “програму” анімаційного фільму. Ця програма являє собою список команд анімації Ком (15), записаних у двійковому форматі. Для управління генерацією програми фільму з його сценарію передбачене відображення еталонних фрагментів епізодів (ФрЕт) на функції редукції ф_редукц (13). В описі анімаційних команд використані скорочення: іе – ім’я екземпляра команди (її порядковий номер); ік – ім’я команди; тк – її синтаксичний тип; іп – ім’я підкоманди; пар – список параметрів підкоманди.

Повернемося до макета денотаційної моделі. Нагадаємо, що в результаті автоматизованого синтезу тренувальної задачі в інструментальній системі
візуальної розробки генеруються три компоненти: виконуваний файл, база
даних тренувальної задачі і файл із планом тренування. У макеті дено-
таційної моделі для простоти ці компоненти реалізовані у єдиному виконуваному файлі. При його “запуску” в пам’яті комп’ютера створюється функ-ціональна система, яка у спрощеному вигляді показана на рисунку.

Рисунок. Функціональна схема програмного макета денотаційної

моделі тренувальної задачі

На рисунку показано, що підсистема“потоків” управління макету представлена первинним і трьома вторинними потоками управління – потоками “учителя”, “режисера” і “стажиста”. Процедури головного вікна первинного потоку виконують первісну інтерпретацію команд плану тренування, водночас процедури вікон вторинних потоків управління забезпечують інтерпретацію самих сцен тренування, що зрештою зводиться до виклику необхідного їх “постановника” – віртуальної функції, яка створює для даного імені сцени – об’єкт сцени заданого типу. У такий спосіб одне і те ж саме ім’я сцени тренувального плану інтерпретується різними вторинними потоками керування у загальному випадку відмінним способом.

У цілому, натурне макетування продемонструвало принципову обчислюваність основних складових денотаційної моделі й дозволило виробити принципи прог-рамування реальних тренувальних задач гнучких тренажерів розглянутого роду.

Додаток А містить специфікацію денотаційної моделі автоматизованого рішення стажистом синтезованих задач гнучких тренажерів.

Додаток Б містить програму натурного макетування на персональному комп’ютері денотаційної моделі гнучкого тренажера для операційної системи типу Windows.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі, що має важливе значення для створення комплексу інструментальних і цільових програмних засобів гнучких тренажерів і полягає у побудові моделей, що визначають інваріантні до програмних реалізацій принципи устрою, функціонування й автоматизованого синтезу індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів, призначених для підвищення ефективності прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики.

Найбільш важливі наукові і практичні результати дисертаційної роботи такі:

1. Уперше запропонована модель індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення для прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики. Ця модель розглядається як штучна цілеспрямована абстрактна система, що може уточнюватися в широких межах у залежності від досягнутого наукою рівня формалізації.

2. Обраний варіант уточненої системи тренажерів, поряд з іншими елементами, передбачає інструментальний засіб візуального синтезу тренувальних задач, власне тренувальну задачу як результат розробки, віртуальний світ, створюваний нею, стажиста й інструментальний засіб адаптації до нього задачі.

3. Синтезована в інструментальному візуальному середовищі тренувальна задача має передбачати три компоненти: виконуваний файл, базу дані задачі і файл із планом тренування, причому дві останніх складових покликані служити об’єктами додавання зусиль педагогів для адаптації готової задачі до того, кого навчають, через відповідний інструментальний засіб.

4. Для подальшої конкретизації моделі вперше розроблена денотаційна модель автоматизованого рішення стажистом тренувальних задач, синтезованих в інструментальному середовищі їхньої візуальної розробки. У цій моделі трьом передбаченим компонентам тренувальної задачі відповідають: статичне середовище, інформаційне середовище і синтаксична множина тренувальних планів.

5. В інтересах забезпечення зв’язку між семантичними функціями, а також для пояснення змісту виводу на екран комп’ютера зображень, рухів і обміну інформацією між віртуальними розробниками тренувальної задачі та стажистом у денотаційну модель уведений термін динамічного середовища.

6. План тренування й інформаційне середовище віднесені до абстрактного синтаксису вхідної мови тренувальної задачі, тоді як статичне середовище, потоки обчислення і динамічне середовище є денотатами за визначенням. Семантичні функції денотаційної моделі виконують відображення елементів абстрактного синтаксису на денотати і у такий спосіб розкривають зміст програмної інтерпретації плану тренування довільної задачі гнучких тренажерів.

7. Інформаційне середовище забезпечує поліморфізм команд плану тренування і структури статичного середовища. Поліморфізм команд виявляється в багаторазовому виконанні одного і того самого плану тренування в циклах тренажу різними потоками обчислення тренувальної задачі. Структурний поліморфізм дозволяє відносно легко модифікувати типовий процес суспільної практики від циклу до циклу в межах тренувальної задачі, а також переходити до іншої предметної області, використовуючи наробки з інших областей.

8. Розроблені в дисертації моделі використані в плановій науково-дослідній роботі в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН України і Міносвіти і науки України.

9. Натурне макетування на комп’ютері елементів загальної моделі тренажерів продемонструвало принципову обчислюваність основних складових денотаційної моделі і дозволило виробити принципи програмування реальних тренувальних задач гнучких тренажерів.

10. Узагальнені в пропонованих моделях принципи устрою, функціонування і синтезу гнучких тренажерів рекомендується використовувати для створення комплексу інструментальних і цільових програмних засобів, призначеного для підвищення ефективності прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ

В ТАКИХ ПРАЦЯХ:

1. Верещагин И.И. Формализация автоматизированного решения синтезированных задач гибких тренажёров // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2005. – № 4. – С. 64–69.

2. Верещагин И.И. Автоматизированный синтез тренировочных задач в гибких тренажёрах // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2004. – № 3. – С. 124–129.

3. Верещагин И.И. Организация анимационных фильмов в гибких тренажёрах // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2003. – № 2. – С. 158–163.

4. Верещагин И.И., Тарасов В.А. Денотационная модель гибких тренажёров для автоматизированного синтеза тренировочных задач // Спец. вип. вісника
Київськ. ун-ту : International Conference TAAPSD’2004. – 2004. – С. 257–260.

5. Форсюк М.Г., Верещагін І.І. Інноваційні технології адаптивної підготовки оперативного персоналу в галузі управління складними об’єктами // Матеріали 12-ї Міжнар. конф. з автоматичного управління “Автоматика-2005”. – 2005. – Т.1. – С. 154.

АНОТАЦІЯ

Верещагін І.І. Автоматизований синтез і моделі гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України і Міносвіти і науки України, Київ, 2007.

У дисертації на основі системного підходу, Віденського методу розробки і мови цього методу VDM-SL, застосованого для викладу денотаційної семантики перспективних програмних комплексів гнучких тренажерів, а також методу об’єктно-орієнтованого програмування за допомогою мови С++ отримані наступні наукові результати.

Уперше розроблена модель індивідуальних гнучких комп’ютерних професійних тренажерів широкого призначення для прищеплювання умінь і навичок прийняття оперативних управлінських рішень у складних ситуаціях суспільної практики.

Уперше розроблена денотаційна модель автоматизованого рішення тим, кого навчають, задач таких тренажерів, синтезованих в інструментальному середовищі їхньої візуальної розробки.

Одержала подальший розвиток методика натурного макетування на комп’ютері денотаційних моделей, побудованих за допомогою мови VDM-SL Віденського методу розробки.

Ключові слова: тренажер, тренувальна програма, програмний тренажер, комп’ютерний тренажер, комп’ютерна ділова гра, Віденський метод розробки, денотаційна семантика, Vienna Development Method, VDM, VDM-SL.

АННОТАЦИЯ

Верещагин И.И. Автоматизированный синтез и модели гибких компьютерных профессиональных тренажёров широкого назначения. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Международный научно-учебный центр информационных технологий и систем НАН Украины и Минобразования и науки Украины, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена автоматизированному синтезу индивидуальных гибких компьютерных профессиональных тренажёров, предназначенных для привития умений и навыков принятия оперативных управленческих решений в сложных ситуациях общественной практики. В работе под “сложными ситуациями” понимаются устойчивые и повторяющиеся комбинации явлений, сопровождающие социальный процесс, которые на данном этапе развития формализации не поддаются математическому моделированию с точки зрения получения целесообразных оперативных (т. е. текущих и своевременных) управленческих решений.

Актуальность темы диссертационной работы вызвана отсутствием систематического подхода к созданию тренажёров для привития умений и навыков оперативного управления в сложных ситуациях общественной практики, в то время как внутренняя логика развития науки и общественные потребности настоятельно требуют таких решений.

В диссертации на основе системного подхода, Венского метода разработки и языка этого метода VDM-SL, применённого для изложения денотационной семантики перспективных программных комплексов гибких тренажёров, а также метода объектно-ориентированного программирования посредством языка С++ получены следующие научные результаты.

Впервые разработана общая модель индивидуальных гибких компьютерных профессиональных тренажёров широкого назначения для привития умений и навыков принятия оперативных управленческих решений в сложных ситуациях общественной практики.

Впервые разработана денотационная модель автоматизированного решения обучаемым задач таких тренажёров, синтезированных в инструментальной среде их