Журнал физики: Серия конференций, Том 1015, Информационные системы предприятия /
Journal of Physics: Conference Series, Volume 1015, Enterprise Information system

Разработка 3D атласа металлургического оборудования /
Development of 3D Atlas of Metalworking Equipment

Ольга Евгеньевна Масленникова (1), Ольга Борисовна Назарова (1),
Юлия Александровна Чудинова (2)
(1) Nosov Magnitogorsk State University, 38, Lenina ave., Magnitogorsk, 455000, Russia
(2) Sike Software, of. 2, 7, Metallurg ave., Magnitogorsk, 455000, Russia
Olga Yevgenyevna Maslennikova (1) , Olga Borisovna Nazarova (1) ,
Yulia Aleksandrovna Chudinova (2)
(1) Nosov Magnitogorsk State University, 38, Lenina Ave., Magnitogorsk, 455000, Russia
(2) Sike Software, of. 2, 7, Metallurg Ave., Magnitogorsk, 455000, Russia
О статье
Abstract
Статья посвящена решению актуальной проблемы разработки инновационных обучающих систем, способных подготовить персонал сложного и опасного производства (например, металлургического) к ведению технологического процесса как в «нормальных» условиях, так и в предаварийных и аварийных ситуациях. При этом данные системы обучения должны трансформировать учебную работу будущих и состоявшихся инженеров в профессиональную деятельность, моделировать предметное и социальное содержание их профессионального труда. Приводятся ключевые характеристики 3D атласа оборудования как обучающей системы, обеспечивающей «погружение» обучающихся в профессиональную среду. Определены требования, предъявляемые к системам такого рода (функциональные, информационные, программные и технические). Представлены этапы разработки 3D атласа оборудования как автоматизированной системы, что даёт возможность приблизиться к реализации еще одной проблемы – подготовки ИТ-специалистов, способных проектировать, реализовывать и внедрять такие системы.
The paper is dedicated to solving the problem of developing innovative educational systems able to train personnel of complex and dangerous manufacturing industries (such as in metallurgy) to control the process not only under regular conditions, but in emergency and pre-emergency situations as well. At that, such educational systems shall transform training of future and current engineers into a professional activity, model both subject matter and social content of their professional labor. Key characteristics of a 3D atlas of equipment as an educational system are given, as it provides immersion of trainees into professional environment. Requirements for such systems are defined (functional, information, software and technical). Stages of development of a 3D atlas of equipment as an automated system are given, allowing one to get closer to yet another problem that of IT specialist training so that they are able to design, implement and deploy such systems.
1. Вступление
1. Introduction
Актуальность работы определяется следующими позициями. Во-первых, анализ работ [1-3, 4-6] позволил построить карту современных тенденций и принципов развития инженерного образования: «удалённость» центров подготовки инженерных кадров от реально действующих компаний; построение в университете и на площадках переподготовки кадров образовательного процесса, ориентированного на интеграцию с промышленностью; моделирование предметного и социального содержания профессионального труда; разработка и реализация новых принципов построения интеграционной системы инженерного образования с «погружением» обучающихся в профессиональную среду.
Во-вторых, производство металлургических продуктов непрерывно связано с высокой отдачей и бесперебойной работой оборудования. Персонал, знающий устройство и принципы работы технологической установки, сможет поддерживать ее в рабочем состоянии и не допустить аварий на производстве. Именно поэтому важно поддерживать уровень подготовки и квалификации персонала на должном уровне, отвечающем современным требованиям его эксплуатации. В-третьих, мультимедийные обучающие системы являются именно той технологией, на основе которой возможно обеспечить реализацию указанных выше проблем.

Компания «Корпоративные системы Плюс» существует на рынке программного обеспечения с 2002 года. Деятельность компании основывается на проектировании и реализации информационных систем с использованием современных разработок для создания приложений и баз данных. На данный момент в компании разработано около 50 типовых мультимедийных обучающих систем (ОС). Главной целью ОС является обучение и развитие практических навыков технологического персонала, а также подготовка сотрудников к оперативному принятию грамотных решений. Автоматизированная обучающая система (АОС) «3D Атлас оборудования» является относительно новым направлением разработки обучающих систем данного предприятия. Особенность данного программного продукта заключается в следующем: 3D Атлас оборудования есть система, демонстрирующая обобщенную конструкцию технологической установки и наглядно разбирающая вариации отдельных узлов, распространенные типы оборудования, их различия, преимущества и недостатки. На конкретных предприятиях, например, металлургических, отдельные агрегаты могут снабжаться дополнительными устройствами и приборами, что отражается в дополнительных моделях и отличает один атлас оборудования от другого. При этом создание 3D Атласа оборудования конкретного вида производства осуществляется путем подключения нового комплекта моделей.

Цель данной работы заключается в представлении образа и границ проекта создания 3D атласа металлургического оборудования как обучающей системы нового инновационного образца. Для достижения данной цели необходимо и достаточно: представить ключевые характеристики 3D атласа оборудования как обучающей системы; определить требования, предъявляемые к системам такого рода, кратко представить этапы создания.

Работа обладает практической значимостью, которая состоит в возможности эффективного обучения и контроля знаний молодых специалистов и студентов промышленных специальностей. АОС «3D Атлас металлургического оборудования» способствует изучению устройства основного технологического оборудования, не выходя на производственные площадки, что позволит улучшить подготовку молодых специалистов и в будущем избежать аварийных ситуаций, связанных с неправильной эксплуатацией оборудования.

The timeliness of this paper is determined with the following positions. Firstly, analysis of previous works [1-3, 4-6] allowed one to create a map of modern trends in the development of engineering education: remoteness of engineering specialists training centers from real operating companies; creation of an educational process oriented to integration with industry, at universities and at professional development facilities alike; modeling of subject matter and social content of professional labor; development and implementation of new principles on which the integrative system of engineering education is built, with immersion of students into professional environment.

Secondly, production of metalworks is constantly linked to high returns and smooth operation of equipment. Personnel, knowing configuration and principles of operation of the process plant may maintain it operational and avoid emergencies in the workplace. That is why it is important to maintain the level of training and qualification of personnel at a decent level corresponding to the modern requirements of operation. Thirdly, multimedia teaching systems are the technology supplying the basis to make it possible to solve the above mentioned problems.



The Korporativnyye Sistemy Plyus company has been in the software market since 2002. Activities of the company are based on designing and implementing information systems using modern solutions in application and data base development. By now, about 50 typical multimedia teaching systems (TS) have been developed. The main purpose of a TS is training and development of practical skills of technical personnel, as well as preparing the personnel to intelligent on-line decision-making. Automated teaching system (ATS) 3D Atlas of Equipment is a relatively new direction in developing teaching systems in this company. The main feature of this software is: the 3D Atlas of Equipment is a system that shows generalized design of a process plant, vividly demonstrating variations in separate units, common types of equipment, their differences, advantages and disadvantages. At concrete enterprises, e.g., metal fabricators, some units may be provided with additional devices and instruments, which is reflected in additional models and differs one atlas of equipment from another. At that, creation of a 3D Atlas of Equipment for a given type of enterprise proceeds by connecting a new set of models.







The purpose of this work is to present an image and limits of the project to create a 3D atlas of metalworking equipment as a teaching system of a new innovative type. To succeed in this, it is necessary and sufficient: to show the key characteristics of the 3D atlas of equipment as a teaching system; to determine requirements posed to such types of systems and; to briefly present main stages of creating such a system.


The practical significance of this work lies in a possibility to efficiently train and assess performance of young specialists and students in industrial job training. The ATS 3D Atlas of Metalworking Equipment facilitates learning the design of the principal process equipment without a need to visit industrial sites, which will allow one to improve training of young specialists and in the future to avoid emergencies caused by abuse of equipment.
2. Материалы и методы
2. Materials and methods
В основу методологической базы исследования были положены ключевые положения теории и практики создания автоматизированных обучающих систем, а также организации образовательного процесса с использованием одного из их видов – мультимедийных обучающих систем [3].

Первоначальная разработка АОС «3D Атлас оборудования» велась на примере металлургического оборудования, отсюда и название АОС «3D Атлас металлургического оборудования». За основу организации технологического процесса создания АОС были взяты этапы и стадии разработки автоматизированных систем, правила их документирования и ведения после проектных работ, представленные в комплексе стандартов ГОСТ 34 (ГОСТ 34.601-90, ГОСТ 34.602-89, ГОСТ 34.603-90).

Важно, что такая последовательность работ была выполнена единожды. Создание атласа нового типа оборудования заключается в разработке 3D моделей по разным агрегатам и их подключении. В рамках данной статьи нашло отражение использование принципов, методов и технологий организации предпроектной и проектной стадий работ над автоматизированной системой (АС). Кроме того, в работе использовались инструменты методологий структурного и процессного подходов (SADT и ARIS) к анализу и проектированию АС - CA Erwin Community Edition, Ramus Educational, WhiteStar UML, MS Visio и др. Обобщение сказанного отражено в таблице.

The methodology of this study is based upon the key provisions of theory and practice of development of different automated teaching systems, as well as organization of the training process using one of them – namely, a multimedia teaching system [3].


Initial development of the ATS 3D Atlas of Equipment was conducted with the metalworking equipment taken as an example, hence there is the title "3D Atlas of Metalworking Equipment". The development process of the ATS was organized basing on the stages and phases of automatic system development, documenting regulations and after-sales management as given in the GOST 34 set of standards (GOST 34.601-90, GOST 34.602-89, GOST 34.603-90).


It is important to notice, that such a sequence of works was performed only once. Development of the atlas for a new type of equipment involves developing 3D models for different units and their connection and linking. This paper reflects principles, methods and technologies of design and FEED stages of the works on the Automatic System (AS). Besides, the work used tools of structural and process approaches (SADT and ARIS) to analysis and design of AS: Erwin Community Edition, Ramus Educational, WhiteStar UML, MS Visio, etc.. All this is aggregated in the table 1.
3. Основная часть
3. Main part
Проведя анализ существующих типовых обучающих систем (ОС), были выделены требования, предъявляемые к ним: система должна содержать модуль сбора, хранения и обработки информации; система должна предусматривать возможность регистрации пользователей и хранение их учетных записей в базе данных (БД); система должна предусматривать возможность разграничения прав доступа и организации определенной политики безопасности; система должна обеспечить непрерывную работу, обработку пользовательских запросов, устойчивость к сбоям; система должна обеспечивать контроль знаний обучающихся на основе заложенной системы оценки знаний; система должна быть удобна и проста в эксплуатации; система должна обеспечивать интересный и увлекательный процесс обучения.

Проведем сравнительную характеристику типовых ОС и АОС «3D Атлас металлургического оборудования»: 1) наличие всех четырех блоков обучения («Конструкция агрегата», «Пульт управления», «Технологический процесс», «Аварийные ситуации») – характерно для типовой ОС и не реализовано в «3D Атлас оборудования»; 2) регистрация пользователей и разграничение прав доступа – характерно для обоих видов; 3) проверка знаний пользователя – характерно для обоих видов; 4) сохранение результатов обучения – характерно для обоих видов; 5) формирование детальной отчетности по результатам обучения – характерно для типовой ОС и не реализовано в «3D Атлас оборудования»; 6) компактность системы – характерно для «3D Атлас оборудования» и не реализовано в типовой ОС; 7) возможность локальной работы без развертывания и эксплуатации сервера – характерно для «3D Атлас оборудования» и не реализовано в типовой ОС; 8) легкость восприятия обучения – характерно для «3D Атлас оборудования» и не реализовано в типовой ОС; 9) простота послепродажного обслуживания – характерно для «3D Атлас оборудования» и не реализовано в типовой ОС; 10) программа не требует установки дополнительного программного обеспечения (ПО) – характерно для «3D Атлас оборудования» и не реализовано в типовой ОС; 11) требования к аппаратному обеспечению минимальны – характерно для «3D Атлас оборудования» и не реализовано в типовой ОС.

На основе проведенного анализа, можно заметить, что АОС «3D Атлас металлургического оборудования» соответствует почти всем выделенным критериям, в отличие от типовых ОС.

Таким образом, образ решения может быть представлен так: АОС – компактная обучающая система, которая не разрабатывается под конкретного заказчика, следовательно свободна в распространении. Главная идея разработки 3D Атласа оборудования: система должна позволять изучать устройство технологического оборудования с использованием 3D моделей, обеспечивать возможность детального изучения различных узлов и механизмов, получения дополнительной информации об оборудовании (описание, технических характеристик, а также принципов работы оборудования с использованием анимационных роликов). Выгодное отличие системы от других ОС состоит в обеспечении возможности её легкого развития, на счет разработки и подключения соответствующего комплекта 3D моделей и внесение изменений в систему контроля. В зависимости от выбранного узла (механизма), по которому пользователь проходит проверку знаний система производит опрос в произвольном порядке по всем элементам узла (механизма), и пользователь должен указать на 3D модели соответствующие элементы. При этом в системе детально сохраняются как вопросы, так и ответы. Поэтому легко увидеть пробелы в знаниях, сделать работу над ошибками и пройти проверку повторно для достижения лучших результатов.

Процесс разработки обучающих систем осуществляется в соответствии со стадиями и разделами ГОСТ 34.601-90 при условии определенной их адаптации (табл. 1). Каждая стадия приближает разработчиков к реализации требований, обозначенных в техническом задании (ТЗ). Представим некоторые из них.

Функциональные требования: регистрация пользователей в системе; обеспечение обучения в режиме демонстрации, посредством изучения 3D моделей конструкции технологических установок; обеспечение проверки знаний обучаемых в режиме тестирования; обеспечение хранения и доступа к результатам тестирования; формирование сводной отчетности по обучению (только в сетевой версии системы); разграничение прав доступа к информации системы.

Основные виды информационного обеспечения: 1) входные и выходные документы, а также методы их построения: внутрикорпоративные шаблоны ТЗ, плана работ, замечаний, инструкций; методические материалы и чертежи для разработки трехмерных моделей; 2) состав и методы построения экранных форм для ввода первичной информации, а также форм для вывода на экран результатной информации. В АОС «3D Атлас оборудования» предусмотрены следующие формы: регистрация и авторизация пользователя; главный экран системы; обучение и тестирование на знание устройства оборудования; статистика по результатам обучения; просмотр результатов обучения; справочники системы (только в сетевой версии); отчеты по обучению и администрированию (только в сетевой версии).

Ключевое требование к информационному и программному обеспечению АОС «3D Атлас металлургического оборудования» состоит в необходимости использования в качестве целевой СУБД - Firebird, поддерживающей клиент-серверную архитектуру. Требования к программному обеспечению: общее ПО (операционная система Windows XP/7; программная среда для разработки прикладных программ Borland Delphi 7; программная среда для разработки 3D моделей «3ds Max»; СУБД Microsoft SQL Server; СУБД Firebird; компиляторы; интерпретаторы; 2) специальное ПО (графический движок AOSGraf.dll; программа запуска проекта MTSShell.exe).


After analysis of existing typical teaching systems (TSs), a set of requirements was formulated: the system shall include a module for storage and processing of information; the system shall provide possibility for user registration and storage of user accounts in a data base (DB); the system shall provide possibility to delimit access rights and organize a certain security policy; the system shall provide continuous operation, processing of user queries, stability against faults, the system shall provide assessment of student knowledge on the basis of an embedded assessment system; the system shall be convenient and easy to use; the system shall provide an interesting and fascinating learning process.




Let us compare characteristic of a typical TS and those of aa ATS «3D Atlas of Metalworking Equipment»: 1) presence of all four training units (Unit Design, Control Panel, Process, Emergencies) is a feature of a typical TS and is not implemented in the 3D Atlas of Equipment; 2) user registration and delimitation of access rights – a feature of both types; 3) assessment of user knowledge – a feature of both types; 4) storing learning results – a feature of both types; 5) formation of detailed reports from the results of training – a feature of a typical TS, not implemented in the 3D Atlas of Equipment; 6) compact nature of the system – a feature of the 3D Atlas of Equipment, not implemented in a typical TS; 7) possibility of local operation without deployment and operation of a server – a feature of the 3D Atlas of Equipment, not implemented in a typical TS; 8) easy-to-comprehend learning – a feature of the 3D Atlas of Equipment, not implemented in a typical TS; 9) simple post-sale maintenance – a feature of the 3D Atlas of Equipment, not implemented in a typical TS; 10) the program does not require installation of additional software – a feature of the 3D Atlas of Equipment, not implemented in a typical TS; 11) minimal hardware requirements – a feature of the 3D Atlas of Equipment, not implemented in a typical TS.





From the analysis it is evident, that the ATS 3D Atlas of Metalworking Equipment meets almost all the criteria selected, unlike a typical TS.


Thus, the image of the solution may be represented as: ATS is a compact teaching system which is not developed for a concrete customer and thus free to distribute. The main idea in development of the 3D Atlas of Equipment: the system shall allow one to study the structure of process equipment by means of 3D models, provide possibility for detailed study of different units and mechanisms, provide additional information on the equipment (description, specifications, principles of operation in an animated form). An advantageous difference of the system from other TSs is in possibility of its easy further development by means of development and linking of relevant sets of 3D models and changes to the assessment system. Depending on a selected unit (mechanism), which the user undergo testing of knowledge for, the system presents names of elements of the unit (mechanism), while the user shall point to the corresponding elements of the 3D model. At that, the system stores details of both questions and answers. Thus, it is easy to register gaps in knowledge, organize error correction and re-taking of the test for better results.





The process of development of the teaching systems proceeds in accordance with the stages and divisions of GOST 34.601-90 with some adaptation (Table 1). Each stage brings the developer closer to implementation of the requirements in the design assignment. Let us show some of them.


Functional requirements: registration of users in the system, provision of a demo mode teaching by studying 3D models of a process plant design; provision of an assessment of knowledge of the students in the testing mode; providing storage of and access to the testing results; formation of consolidated reports for training (only in the network-enabled version); delimiting system information assess rights.


Main types of data support: 1) incoming and outgoing documents and methods for their design: corporate templates of design assignments, action plan, remarks, instruction, guidelines and drawings for development of 3D models; 2) content and a method to build screen forms for entry of primary information, as well as forms for screen output of results. ATS 3D Atlas of Equipment provides the following forms: user registration and authorization; main system screen; training and testing of knowledge of equipment; statistics from the training results; browsing of the training results; system references (only in the network-enabled version); reporting of training and administration (only in the network-enabled version).



A key requirement for the ATS 3D Atlas of Metalworking Equipment software is a necessity to use Firebird as a target DBMS, supporting the client-server architecture. Software Requirements: general software (OS Windows XP/7; application development environment Borland Delphi 7; 3D model development environment «3ds Max»; DBMS Microsoft SQL Server; DMBS Firebird; compilers; interpreters; 2) specialized software (graphics engine AOSGraf.dll; project runtime software MTSShell.exe).
4. Вывод
4. Conclusion
Дополнение текущей базы обучающих систем типа «3D Атлас металлургического оборудования» позволило реализовать бизнес-задачи компании ООО «Корпоративные системы Плюс» [2], а также приблизится к решению обозначенных проблем развития инженерного образования.

Таким образом, ООО «Корпоративные системы Плюс» за счет разработки и внедрения «3D Атлас металлургического оборудования» согласно указанной последовательности работ добилось снижения следующих показателей: трудоемкости разработки системы примерно в 3-4 раза (по сравнению с типовой ОС) за счет реализации только одного блока «Конструкция оборудования» и использования общих, уже существующих программных компонентов; сроков реализации системы в 3-4 раза, по сравнению с типовой ОС; стоимости продукта, по сравнению с типовой ОС, примерно в 5-6 раз. Это позволило не только пополнить пакет тиражируемых решений, но и расширить клиентскую базу за счет привлечения вузов, ссузов, коммерческих учебных организаций, которым заказ подобных систем стал доступен и по финансовым условиям.
Supplementing the current data base of the teaching systems like «3D Atlas of Metalworking Equipment» allowed Korporativnyye Sistemy Plyus to achieve its business goals [2], as well as to get closer to solution of the specified problems in the development of the engineering education.

Thus, by developing and implementing 3D Atlas of Metalworking Equipment in accordance with the given work sequence, Korporativnyye Sistemy Plyus attained reduction of the following indicators: development efforts by a factor of 3-4 (in comparison to a typical TS) by means of implementing only a single Equipment Design unit and use of common existing software components; lead time by a factor of 3-4 in comparison to a typical TS; product cost in comparison to a typical TS, approximately 5-6 fold. This allowed one not only to extend the portfolio of solutions, but to expand the client base by attracting universities, secondary specialized educational institutions, commercial training organizations which can now afford such system.
Источники
References
[1] Гришакина, Е.Г. О качестве инженерного образования в России [Электронный ресурс]/Е.Г. Гришакина. – Режим доступа: http://www.tpp-inform.ru/analytic_journal/5369.html (дата обращения: 24.02.2016).
[2] Группа компаний «SIKE» [Электронный ресурс].
Режим доступа: www.sike.ru
[3] Изучение принципов работы и поддержки обучающих систем. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.soljah.narod.ru/1semestr.htm
[4] Информационный портал по охране труда [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.trudohrana.ru/practice/detail.php?ID=85497
[5] Масленникова, О.Е. Новации в организации и осуществлении образовательного процесса при подготовке инженеров /О.Е. Масленникова// Новые информационные технологии в образовании. Материалы IX Международной научно-практической конференции. Российский государственный профессионально-педагогический университет. 2016. -С. 413-417.
[6] Назарова, О.Б. Разработка региональной модели индивидуальной траектории профессионального развития бакалавров и магистров для реализации стадий создания автоматизированных систем как научная проблема /О.Б. Назарова // Современные информационные технологии и ИТ-образование, 2014. №10. – С. 651-663.
[7] Симоньянц, Р.П. Проблемы инженерного образования и их решение с участием промышленности [Электронный ресурс] / Р.П. Симоньянц // Наука и образование. – 2014. – Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/699795.html (дата обращения: 24.02.2016).

[1] Grishakina E G 2016 On Quality of Engineering Education in Russia Retrieved from: http://www.tpp-inform.ru/analytic_journal/5369.html

[2] SIKE Group. Retrieved from: www.sike.ru

[3] Studying Operating Principles and Maintenance of Teaching Systems Retrieved from: http://www.soljah.narod.ru/1semestr.htm

[4] Labor Safety Information Portal Retrieved from: http://www.trudohrana.ru/practice/detail.php?ID=85497

[5] Maslennikova O E 2016 New Information Technologies in Education. Materials of IX International Science Practical Conference (Russian State Professional Pedagogy University) Innovations in organization and implementation of educational process in training of engineers 413-417


[6] Nazarova O B 2014 Development of a regional model of individual trajectory of bachelor and master's degree students professional development to implement development stages of automated systems as a scientific problem Modern Information Technologies and IT Education 10 651-663

[7] Simonyants R P 2014 Problems of Engineering Education and Their Solutions with Industrial Participation. Science and Education Retrieved from: http://technomag.bmstu.ru/doc/699795.html

comments powered by HyperComments

ТОЛЬКО ПОЛЕЗНЫЕ НОВОСТИ

Подпишитесь и получайте новости электронного обучения
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы даете согласие на обработку персональных данных.