Концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий с использованием виртуально-физической среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пензенская государственная технологическая академия.

Концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий с использованием виртуально-физической среды

доктор технических наук, профессор

Прошин Иван Александрович

кандидат технических наук, доцент

Прошин Дмитрий Иванович

соискатель

Прошина Раиса Дмитриевна

Современные экономические условия, стремительное развитие вычислительной техники и информационных технологий предъявляют к выпускникам ВУЗов наряду с высокой теоретической подготовкой требование высокого уровня практических навыков, хорошего знания физических процессов и реальных объектов, применяемых в соответствующей отрасли.

В связи с этим при профессиональной подготовке специалистов в ВУЗе особое значение приобретают практические составляющие обучения, т.е. выработка и закрепление устойчивых умений и навыков, связанных с профессиональной деятельностью в условиях развитых компьютерных технологий и автоматизации большинства сфер человеческой деятельности. Естественно, что обучение студентов должно соответствовать уровню развития промышленности, осуществляться в условиях близких к условиям работы специалистов на производстве и строиться на основе сбалансированного сочетания теоретического обучения с практическими и лабораторными занятиями, производственными практиками, научно-исследовательскими работами.

Существующие подходы к проведению лабораторных занятий в соответствии с государственным образовательным стандартом (ГОС) при использовании различных экспериментальных объектов и технических средств приводят к необходимости применения большого количества дорогостоящего оборудования и использования значительных площадей при их малой эффективности и загрузке. Поэтому возникает проблема выбора такого методологического подхода и создания такого программно-технического комплекса, который сочетал бы в себе одновременно универсальность ЭВМ, отражал специфику объектов исследования и сохранял их наглядность и физическую природу.

С целью решения указанной проблемы на кафедре “Автоматизация и управление” Пензенской государственной технологической академии разработана концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий с использованием виртуально-физической среды, которая и рассматривается в данной работе [1].

Концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий. Суть концепции состоит в интеграции всех видов учебных занятий, тренажа и научной деятельности по всем дисциплинам специальностей ВУЗа в единый универсальный интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ) ВУЗа, сочетающий в себе методы и методики автоматизированного исследования в виртуально-физической среде физических многофункциональных объектов (МОИ), технических средств автоматизации, программно-технических комплексов и их математических моделей, в целом интегрированных автоматизированных систем управления, объединяющих автоматизированные системы управления технологическими (АСУТП) и производственными процессами (АСУП).

Определение предлагаемого концептуального подхода к построению лабораторной базы в ВУЗе связывает следующую совокупность понятий.

Интеграция. Интеграционные особенности предлагаемой концепции проявляются на нескольких ступенях и уровнях.

Первая ступень - это объединение всех видов занятий и научно-исследовательских работ, проводимых в ВУЗе, интеграция всех дисциплин специальностей в единую целостную систему с последующей интеграцией в единую систему ВУЗов.

Вторая ступень - это построение единого интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий [2].

Третья ступень - это объединение в единую систему виртуальной и физической среды.

На нижней страте ИКСАЛ интегрируются различные физические явления и закономерности в технологические процессы и объекты управления - многофункциональные установки. При этом для каждого объекта исследования проводится агрегирование всей совокупности дисциплин по возможности использования для проведения исследований каждой установки, входящей в состав ИКСАЛ.

На второй страте комплекса размещаются исполнительные механизмы и датчики, образующие с многофункциональными объектами управления расширенные объекты управления.

Третий уровень - уровень контроллеров и локальных систем автоматического управления, объединяющих регуляторы с расширенными объектами управления.

Четвёртый уровень объединяет программные средства обработки информации в реальном времени, накопители информации, программные продукты, реализующие методики проведения научных и лабораторных исследований [1 - 3]. На четвёртом уровне интегрируются АСУТП и АСУП.

Комплексность. Комплексность отображает, прежде всего, системность, разносторонность, многогранность подхода. Совокупность технических и программных средств, математических моделей, методов и методик, процедур анализа и синтеза, исследования и проектирования по всем дисциплинам и специальностям вуза образует интегрированный комплекс.

Сетевая. Понятие “сетевые” отражает объединение всех технических и программных средств в единую многоуровневую сеть с возможностью обмена информацией между всеми рабочими местами на всех уровнях ИКСАЛ и управления реальными многофункциональными объектами.

Автоматизированная. Свойство “Автоматизированная” использовано в смысле проведения как научных, так и учебных исследований в автоматизированном режиме с использованием систем автоматизированной обработки информации, управления и автоматизированного проектирования [3 - 6].

Лаборатория. Понятие лаборатория объединяет учебную и научные стороны исследовательского процесса в единое целое - в учебно-научно-исследовательскую лабораторию.

Виртуально-физическая среда. Интеграция виртуальной и физической сред состоит во взаимном дополнении и проникновении, сопоставлении физических объектов и имитационных математических моделей, результатов экспериментальных исследований и результатов исследований на математических моделях [6 - 9]. Объединение виртуальной и физической сред обеспечивает расширение возможностей по исследованию процессов и систем при сокращении затрат на проведение экспериментов с использованием минимального количества физических объектов, сочетает современные методы автоматизированного анализа, синтеза и проектирования.

В соответствии с предлагаемой концепцией лабораторная и научно-исследовательская база ВУЗа строится как единая интегрированная автоматизированная система методологического, информационного, математического, организационного и технического обеспечения, в том числе сетевого комплекса расширенных объектов исследования (КРОИ) и имитаторов, объединенного в единый сетевой программно-технический комплекс, сочетающий в себе:

· универсальность исследований;

· уникальность объекта исследования;

· вариативность, комплексность исследования, как на физических объектах, так и на имитаторах и математических моделях.

Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий. Предлагаемый подход реализуется в интегрированной системе комплекса сетевых автоматизированных лабораторий ВУЗа (рис. 1).

Рис. 1. Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий.

За основу при создании ИКСАЛ принимается критерий максимального обеспечения лабораторной базой всех дисциплин специальностей при использовании минимального количества физических объектов и площадей при максимальной загрузке лаборатории.

Рассмотрим в качестве примера ИКСАЛ по направлению «Автоматизация и управление» в области энергетики. Профессиональная подготовка инженеров по этой специальности включает около пятидесяти различных дисциплин, по большинству из которых в соответствии с ГОС предусмотрено выполнение практических и лабораторных работ, курсовых работ и проектов.

Проведение лабораторных работ на базе существующих технологий приводит к необходимости организации множества специализированных лабораторий даже по одной специальности с использованием множества различных объектов. Реализация предлагаемой концепции позволяет сократить до минимума, как количество лабораторий, так и количество объектов исследования.

Проведенный анализ показал, что для обеспечения качественной профессиональной подготовки специалистов по рассматриваемому направлению достаточно использовать три интегрированных многофункциональных комплекса расширенных физических объектов:

· интегрированный комплекс «управляемый синхронный генератор - распредёлённая сеть»;

· интегрированный вентильно-электромеханический комплекс;

· интегрированный комплекс, реализующий типовые технологические процессы.

При этом каждый из рассмотренных объектов построен таким образом, что учитывает особенности предметов и обеспечивает проведение всей совокупности учебных занятий по множеству дисциплин специальности в единой интегрированной виртуально-физической среде, с возможностью наращивания и подключения других подсистем.

С одной стороны, совокупность программных и технических модулей представляет собой интегрированную автоматизированную систему - средство для проведения научных исследований и учебных занятий, с другой - сама автоматизированная система, её программные и технические компоненты являются объектом изучения.

Отличительные особенности ИКСАЛ - это универсальность, магистральность, открытость, целостность и единство.

Универсальность ИКСАЛ состоит в возможности проведения лабораторных занятий по всем специальностям и дисциплинам ВУЗа в любой лаборатории ИКСАЛ. Магистральность предполагает информационное взаимодействие микропроцессорных систем на основе сетевых решений. Открытость обуславливает возможность расширения системы без переделки и перенастройки существующего оборудования и программных средств, как в технической, так и в методической и информационной части. Обеспечивает полную совместимость с другими системами, построенными на базе открытых технологий, не зависимо от объекта, специальности, дисциплины. Создаёт условия для эффективной работы аспирантов, проведения научно-исследовательских работ студентов и преподавателей.

Программное обеспечение интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий. Структура программного обеспечения ИКСАЛ объединяет (рис. 2):

· сервер приложений;

· сервер базы данных;

· WEB-сервер.

Сервер приложений включает в себя:

· периодический опрос базы данных;

· сервер базы данных;

· передача параметров работы объекта контроллеру;

· ожидание завершения процесса контроллером;

· прием результатов;

·--запись результата в базу данных;

· отображение состояния обмена на мониторе.

Сервер базы данных в свою очередь выполняет функции:

· хранения очереди запросов на выполнение лабораторной работы;

· хранения результатов работы объекта.

интегрированный сетевой автоматизированный лаборатория

Рис. 2. Программное обеспечение ИКСАЛ.

WEB-сервер связывает функции:

· обеспечение интерфейса с пользователем;

· передача запросов в базу данных;

· получение результата из базы данных;

· передача результата на рабочее место.

Заключение

Создание ИКСАЛ предусматривает переход от специализированных лабораторий кафедр по отдельным дисциплинам и специальностям к интегрированным системам на всех уровнях (лекции, практические, лабораторные, семинарские и др. виды занятий) преподавания по различным специальностям и обеспечивает методическую, математическую, информационную, программно-техническую и организационную совместимость, единство целостность всего учебного процесса на основе интеграции различных педагогических технологий.

Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий объединяет все лаборатории и аудитории ВУЗа в единую интегрированную систему с возможностью проведения в каждой из аудиторий и лабораторий любого вида занятий по любой дисциплине, преподаваемой в ВУЗе. Как показала оценка экономической эффективности ИКСАЛ затраты на создание одного рабочего места студента для проведения одного часа лабораторной работы примерно в 50 - 100 раз меньше (в зависимости от специальности или совокупности специальностей), чем в лучших современных системах.

Разработка и внедрение ИКСАЛ обеспечивает:

1. Повышение экономической эффективности проведения лабораторных занятий посредством:

· резкого уменьшения количества эксплуатируемого оборудования;

· резкого уменьшения площади, занимаемой оборудованием;

· увеличения загрузки лабораторий;

· сокращения работ по обслуживанию.

2. Повышение динамичности и гибкости учебного процесса на основе различных педагогических технологий:

· совместной учебной и научной деятельности студентов;

· диалоговой;

· игровой;

· задачной;

· тренинговой;

· информационной.

3. Создание условий для проведения самостоятельной работы студентов, НИРС, НИР, работы аспирантов, позволяющих:

· формировать высокий познавательный интерес к усваиваемым знаниям, развивать творческий потенциал;

· способствовать более глубокому проникновению в отдельные разделы знаний по различным предметным областям на основе их дифференциации и интеграции, организации итерационных процедур;

· развивать творческие способности и склонность к научно-исследовательской деятельности;

· расширять теоретический кругозор и научную эрудицию;

· проводить наиболее эффективный профессиональный отбор способной, одарённой и талантливой студенческой молодёжи для дальнейшего обучения в магистратуре и аспирантуре с целью пополнения научных и педагогических кадров;

· популяризировать научные знания и достижения среди студентов, аспирантов и преподавателей.

4. Интеграции вариативных технологий обучения на основе:

· системного подхода;

· совмещения учебных программ и учебных блоков различных дисциплин и специальностей;

· научной и практической ориентированности;

· структурированности и модульности;

· стратификации или уровневой дифференциации;

· единства, целостности обучения по всем дисциплинам специальностей;

· проблемного, дифференцированного и программированного обучения;

· индивидуальных, подгрупповых и фронтальных форм обучения;

· разнообразия средств и форм обучения.

5. Возможность создания интегрированной информационно-управляющей системы, объединяющей все виды деятельности ВУЗа в целом.

Литература

1. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Концепция построения лабораторной базы в вузе / Академия профессионального образования. - Санкт- Петербург. - 2006. - № 5. - С. 20 - 24.

2. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Интегрированная система комплексных сетевых автоматизированных лабораторий / Академия профессионального образования. - Санкт- Петербург. - 2006. - № 2. - С. 23 - 29.

3. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Методика проведения лабораторных занятий в условиях интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий / Академия профессионального образования. - Санкт- Петербург. - 2007. - № 3 - 4. - С. 26 - 32.

4. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Н.Н. Структурно-параметрический синтез математических моделей в задачах обработки экспериментально-статистической информации. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2007. - 178 с.

5. Прошин И.А., Акулова Л.Ю., Акулов В.Г., Исследование технических систем с использованием управляемых графических моделей MATHCAD - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2007. - 202 с.

6. Математическое моделирование и обработка информации в исследованиях на ЭВМ / И. А. Прошин, Д. И. Прошин, Н. Н. Мишина, А. И. Прошин, В. В. Усманов; Под ред. И. А. Прошина. - Пенза: ПТИ, 2000. - 422 с.

7. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 1. Управление непосредственными преобразователями электрической энергии. - Пенза: ПТИ, 2002. - 333 с.

8. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 2. Математическое моделирование вентильно-электромеханический систем. - Пенза: ПТИ, 2003. - 306 с.

9. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 3. Синтез управляемых вентильно-электромеханический систем. - Пенза: ПТИ, 2003. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru