Development of a simulator for the formation of mobile agricultural machinery management competencies

Full Text

Предметом труда в АПК является природа (почва, растения, животные) со свойственными ей биологическими законами развития. Рассредоточенность хозяйственных угодий на предприятиях АПК определяет мобильность средств труда (машины, тракторы, комбайны, технологические комплексы комплексы). Сегодня для осуществления деятельности в отрасли эксплуатируется 794,3 тыс. единиц техники [1]. Мобильность машин и оборудования в сельском хозяйстве и высокие энергозатраты производственных процессов формируют значительную часть стоимости готовой продукции и является значимым фактором конкурентноспособности предприятий отрасли. Выполнение технологических операций в строго определенной последовательности и в агротехнологические сроки с требуемым качеством выполнения являются важнейшими условиями получения прибыли, при несвоевременной или некачественной выполненной операции имеется риск потери всего урожая, поэтому подготовка и переподготовка специалистов в АПК является важной задачей.

Специфика формирования технологических умений и навыков требует от специалистов АПК владения технологиями, компетенциями в области использования новых образцов машин и оборудования, понимания механизмов образования производственных затрат и путей повышения эффективности использования машин на всех уровнях кадрового обеспечения.

С целью структурирования факторов, влияющих на качество подготовки специалистов была разработана схема (рис. 1), где обозначены и рассмотрены наиболее важные факторы.

Проблема формирования технологических умений и навыков в условиях ограниченности ресурсов, высокой стоимости сельскохозяйственной техники и многообразия технологических операций является существенной.

Цель исследований: разработка многофункционального тренажера, построенного на модульной основе с высокой степенью унификации, способствующего росту эффективности и повышению качества подготовки специалистов АПК.

Задачи исследований: исследование специфики формирования технологических умений и навыков в условиях сельскохозяйственного производства, проведение исследование функциональных свойств существующих тренажеров для подготовки специалистов в АПК; разработка оптимальной компоновочной и конструктивной схемы устройства (тренажера) с проведением рационального выбора программного обеспечения и технических средств обработки, ввода и вывода информации; разработка и отладка механизма взаимодействия модуля управления с компьютером тренажера.

 

Рис. 1. Специфика формирования технологических умений и навыков в условиях сельскохозяйственного производства

 

Материал и методы исследований. Для решения поставленной цели необходимо исследовать специфику формирования технологических умений и навыков в условиях сельскохозяйственного производства, провести анализ функциональных свойств существующих тренажеров для подготовки специалистов в АПК, обосновать оптимальный вариант построения учебного тренажера и реализовать совместную работу технических средств и специализированных компьютерных программ. В качестве ПК был выбран ноутбук HP 255. Для разработки собственных устройств ввода информации были использованы штатные блоки управления сельскохозяйственными машинами кормоуборочного комбайна Дон-680M, РСМ F2650 и зерноуборочного комбайна ACROS 530/580, а также применены устройства Logitech G923 и в Logitech G Saitek Pro Flight Throttle Quadrant. Для проектирования конструктивной схемы использована программа КОМПАС-3D. В качестве специализированного программного обеспечения были применены программы «SIM CRAFT» и Farming Simulator.

Результаты исследований. Исследование специфики сельскохозяйственного производства позволило авторам сделать вывод о необходимости внедрения в образовательный процесс специализированных тренажеров для агропромышленного комплекса (АПК). Основой таких решений является принцип виртуального управления сельскохозяйственной техникой через моделирование на ПК. [2].

Тренажеры позволяют детально изучать новые модели сельхозмашин, их органы управления и технологические процессы. Это способствует глубокому пониманию производственных циклов, формированию профессиональных знаний и навыков, а также ускоренному приобретению квалификации при сравнительно небольших затратах [3].

Анализ функциональных свойств тренажеров показал, что их основная задача — развитие компетенций вождения. Однако для подготовки кадров в АПК критически важна также отработка навыков работы с технологиями производства, включая выполнение операций на всех этапах производства сельскохозяйственных культур.

Большинство существующих тренажеров используют оригинальные органы управления сельхозтехники. Например, симуляторы тракторов часто имитируют кабины моделей МТЗ-82, МТЗ-1221, комбайнов «Акрос» и «Вектор». Это вынуждает образовательные учреждения приобретать по 4 тренажера для охвата программ категорий B, C, D, F. В то же время производители техники (John Deere, Claas, Ростсельмаш и др.) переходят на унифицированные кабинные модули, различающиеся лишь блоками управления. Это открывает возможность создания универсального тренажера, адаптированного под линейку машин одного бренда, с заменяемыми модулями управления и ПО, имитирующим работу всей техники производителя.

Концептуально сегодня тренажеры представлены в трёх вариантах:

1. Настольные тренажеры - компактные, но с ограниченным функционалом.
2. Симуляторы рабочего места) - средний уровень детализации.
3. Кабинные тренажеры - высокая реалистичность, но значительная стоимость [4, 5].

Анализ существующих решений был учтен при обосновании оптимальной структуры и расположения составных частей тренажера для подготовки специалистов в АПК, в процессе исследования были отработаны различные варианты и исполнения, что позволило разработать оптимальный набор блоков компоновочной схемы и определить их взаимосвязи для разрабатываемого тренажера по подготовке специалистов в АПК.

В результате был обоснован вариант построения тренажера с оптимальным расположением элементов. Разработано рабочее место с частичной визуализацией, где в качестве ПК выбран ноутбук с установленным ПО для нескольких сельскохозяйственных машин, в качестве устройства ввода информации использован прототип модуля ввода информации, имитирующего работу органов управления, применены устройства вывода аудио информации (внешние звуковые устройства) и вывода видео информации в первом варианте на монитор во втором варианте на видеопроектор.

Тренажер для подготовки специалистов в АПК в результате позволит обеспечить адаптацию для реализации программ подготовки категорий В, C, D, E, F и реализовывать различные методики обучения в образовательных учреждениях, осуществлять индивидуальные настройки с учетом специфики и индивидуальных требований обучающихся и предоставлять возможность преподавателям по актуализации базы знаний. С учетом этих требований тренажер должен основываться на ПО с открытым сценарием, с возможностью обновления машин и выполнения индивидуальных и уникальных заданий преподавателя, реализующего свои собственные методики обучения [6].

С целью разработки модуля управления тренажёром для подготовки специалистов рабочих профессий в агропромышленном комплексе на первоначальном этапе были рассмотрены существующие модели мобильных энергетических средств и самоходных сельскохозяйственных комбайнов различных производителей. В частности наибольшее внимание было уделено изучение кабинных модулей, принципов их построения, расположение органов управления, способов их подключения и взаимосвязи с исполнительными механизмами комбайна или трактора. Было выявлено, что современные сельскохозяйственные машины имеют электрические блоки управления. В большинстве своём блоки управления сосредоточенны в области правого многофункционального подлокотника, при этом расположение остальных органов управления, таких как рулевое колесо, педали тормоза, управление климатом, освещением и другими вспомогательными устройствами осуществляется идентичным образом, что позволяет в первую очередь сосредоточить внимание на разработке модуля управления тренажером, в котором сконцентрировано управление технологическим оборудованием сельскохозяйственные машины трактора или комбайна.

На рисунке 2 представлены варианты блоков управления сельскохозяйственными машинами кормоуборочного комбайна Дон-680M, РСМ F2650 и зерноуборочного комбайна ACROS 530/580.

 

Рис. 2. Модули управления сельскохозяйственными машинами

 

На рисунке 3 представлены варианты подключения блоков управления в штатных кабинах сельскохозяйственных машин. При этом на первом году реализации проекта было разработан принцип взаимодействия модуля управления с компьютерной моделью тренажёра.

 

Рис. 3. Варианты подключения модулей управления

 

Используя принцип взаимодействия модуля управления с компьютерной моделью тренажёра, были разработаны экспериментальные образцы блоков управления трактором и комбайном (рис. 4). Для комбайновой версии была осуществлена отладка блока управления зерноуборочного комбайна Акрос 530/580 на базе штатного ПУ-142-01, ПУ-142-02 как наиболее распространенного варианта.

 

Рис. 4. Экспериментальные модули управления тренажером

 

Модули были адаптированы под конструктивную схему тренажера (рис. 5).

 

Рис. 5. Конструктивная схема тренажера

 

Комплексное использование программного обеспечения и технических средств, применяемых в устройстве, позволяет решить очень важную задачу - подготовку квалифицированных кадров, способных работать на современном оборудовании. При использовании тренажеров сокращается время начального обучения и уменьшается вероятность поломки дорогостоящей техники при переходе к последующим этапам обучения.

Конструктивная схема тренажера, используемое ПО и комплекс технических средств, в целом создают единую систему, позволяющую адаптировать тренажер под различные программы подготовки механизаторов, обеспечивая максимально выгодное использовать ресурса агротренажера, в том числе за счет его модульности и универсальности. К тому же сегодня ведется активно обсуждение профессиональным сообществом обязательного включения тренажеров в перечень оборудования для организаций, занимающихся подготовкой механизаторов.

В учебных организациях обучение с использованием тренажеров позволяет осуществить улучшенную, в том числе и в вопросах безопасности систему подготовки, в которой перед управлением учебным трактором обучающийся проходит подготовку на учебном тренажере, формирует начальные компетенции для допуска к управлению реальным трактором. Часы, отведенные законодательством, как возможные для обучения на тренажере позволяют повысить экономическую эффективность организаций.

Не только экономия на «ГСМ» и «ремонте» техники являются стимулом для использования автотренажеров. Предположим, что организация имеет стабильный поток учащихся, но их основная часть может заниматься практическим вождением только вечером. А это значит, что, имея укомплектованный и сбалансированный парк машин, организация не сможет справиться с возросшим в определенные часы потоком учеников. В этом случае тренажерный класс позволит более рационально распределить часы вождения. Использование сельскохозяйственной техники сильно ограничивает её использование в зимнее время и без использования агротренажером практическое освоение программы практически останавливается.

Исследование возможностей комплексного использования программного обеспечения и технических средств, применяемых в устройстве (тренажере) показали, что занятие на агротренажере проходят более спокойно, на слушателя не давит ответственность, которую он ощущает за рулем реального трактора или комбайна. В этой обстановке слушателю легче осуществлять подготовку, после занятий он уже с внутренней уверенностью садится за руль настоящего трактора.

Немаловажным фактором сегодня, в условиях обострившейся конкуренции, является имидж учебного заведения. Современная автошкола, применяющая инновационные технологии и продвинутые методики обучения, должна быть более привлекательна для желающих обучиться вождению и получить удостоверение тракториста-машиниста. Наилучшим образом данную возможность можно осуществить использую программные комплексы и оснащая техническими средствами современный учебный процесс.

После обучения на тренажере начинающий водитель должен уверенно работать с органами управления на реальной учебной машине: правильно переключать передачи, пользоваться ручником, ремнем безопасности, переключателями сигнала поворота, педалями газа, тормоза и сцепления.

Возможностей именно комплексного использования программного обеспечения и технических средств, применяемых в устройстве (тренажере) помогают сосредоточиться непосредственно на вождении, а не на «зубрежке» основ работы и расположения органов управления.

Разработанный экспериментальный образец тренажера для подготовки специалистов рабочих профессий и отработке навыков эффективного производства был протестирован в учебном центре подготовки специалистов института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева», студентами, осваивающими направление подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» в рамках освоения рабочей профессии по программе подготовки «Тракторист-машинист сельскохозяйственного производства категории BCDF». В результате использования тренажера было замечено лучшая адаптация обучающихся к практическим упражнениям, более уверенное управление тракторов и комбайнов на реальном трактородроме (рис. 6).

 

Рис. 6. Тестирование экспериментального образца тренажера для подготовки специалистов рабочих профессий и отработки навыков эффективного производства в учебном классе

 

Заключение. В результате подготовки статьи проведено исследование специфики формирования технологических умений и навыков в условиях сельскохозяйственного производства, проведено исследование функциональных свойств тренажеров, разработана компоновочная и конструктивная схемы устройства, представлены технические средства обработки, ввода и вывода информации, варианты программного обеспечения, возможные к применению в учебном тренажере, разработан механизм взаимодействия модуля управления с компьютером тренажера.

About the authors

Ivan I. Kurbakov

Ogarev National Research Mordovian State University

Email: mrsu2@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1877-1896

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Saransk

Alexander P. Inshakov

Ogarev National Research Mordovian State University

Author for correspondence.
Email: kafedra_mes@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-2397-5826

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Saransk

Alexey N. Kuvshinov

Ogarev National Research Mordovian State University

Email: mesmgu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5367-264X

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Saransk

Vitaly O. Dronov

Ogarev National Research Mordovian State University

Email: dekameron2002@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0005-0629-7487

Engineer

Russian Federation, Saransk

Maria S. Kurbakova

Complex Measurement Methods LLC

Email: kmisaransk@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-7149-2536

Engineer

Russian Federation, Saransk

References

Supplementary files