Геометрическое моделирование рабочих пространств оператора

Принято считать, что человек имеет право на ошибку. Человек (назовем его оператором), связанный с использованием и/или обслуживанием сложной техники, как показывает практика, тоже может ошибаться. При этом очевидна зависимость: чем мощнее и опаснее техника, чем масштабнее система, управляемая человеком, тем выше цена ошибки, тем ощутимей могут быть ее последствия.

Последнее время происходит большое количество аварий и катастроф, большая их часть так или иначе, связана с человеческим фактором. Катастрофа, которая произошла с российским самолетом ТУ-154 в небе над Германией, в очередной раз подтвердила это. Причиной этой трагедии стал человеческий фактор. Ошибка диспетчера привела к непоправимым последствиям.

Очень бы хотелось думать, что самые тяжелые происшествия остались в прошлом. К сожалению, действительность наших дней не оставляет на сей счет иллюзий. Человек, вооружившись мощными техническими средствами, только начал задумываться о том, как обезопасить себя от них. Сейчас нужно бороться не против того, что уже взорвалось или неожиданно взорвется завтра. Надо раз и навсегда осознать: бороться необходимо за создание защитных технологий, адекватных той мощности, которая дана в руки человеку.

С позиций науки эргономики можно выделить две стороны рассматриваемой проблемы: а) когда оператор —¦ первопричина технического сбоя б) когда необходима реакция оператора на технический сбой.

Природа человеческой ошибки сложна и в каждом отдельном случае индивидуальна. Но некоторые общие закономерности проследить можно: неудовлетворительная профессиональная подготовка (недостаток специальных знаний) профессиональная небрежность как следствие привыкания к одним и тем же повторяющимся операциям (процедурам) ошибочные действия вследствие физической усталости (недомогания, психологического стресса) преднамеренное нарушение регламента (отступление от норм) с целью «уложиться в сроки», «выполнить приказ», «наверстать упущенное» и т. п. наложение (комбинация) уже перечисленных факторов, отчего ситуация, как правило, усугубляется.

Анализ большого числа происшествий, в том числе с человеческими жертвами и значительным материальным ущербом (потеря боевых кораблей, самолетов, разрушение промышленных объектов, загрязнение окружающей среды и т. п.) показывает, что в ряде случаев незначительный, казалось бы, технический сбой перерастает в серьезную аварию, авария — в катастрофу.

И здесь мы снова имеем дело с тем же самым человеческим фактором — насколько адекватной (то есть грамотой и своевременной) оказывается реакция персонала в нештатных ситуациях (поломка, возгорание, взрыв, механические повреждения и т. п.). Что влияет на исход? Безусловно это большой перечень факторов, охватывающий не одну область современной науки, одним из важнейших в нем является область эргономических исследований.

Таким образом, предполагаемое исследование направлено на решение актуальной научно-технической задачиповышение качества проектирования человеко-машинных систем и, как следствие, повышение безопасности функционирования таких систем.

Повышение эффективности проектирования в настоящее время немыслимо без использования ЭВМ, что, в свою очередь, требует разработки соответствующего программного обеспечения. Необходимо отметить, что известные работы по исследованию зон достижимости рабочих пространств Аруина А. С, Зефельда Е. В, проводились биомеханическими методами без использования ЭВМ.

Разработка программного обеспечения (ПО) для автоматизации проектирования рабочих мест требует создания математического аппарата, учитывающего как положение и антропометрические данные оператора, так и геометрическую форму обслуживаемых рабочих мест, т. е является типичной задачей геометрического моделирования.

Основополагающие исследования в области геометрического моделирования были выполнены профессорами И. ИКотовым [10,11,12,13], Н. Н. Рыжовым [35,36,37,38], В. А. Осиповым [27,28,29,30,31], С. А. Фроловым [61,62], В. И. Якуниным [63,64,65,66,67], Г. С. Ивановым [14,15], Ю. Г. Стояном [35−55] и многими другими, однако вопросы геометрического моделирования именно рабочих мест оператора до настоящего времени не нашли своего решения, несмотря на их очевидную актуальность. Некоторые аспекты такого исследования изложены в трудах Арутюняна В. А. и Маркина Л. В. 14−25], Гаврилова В. Н [4] и ряда других авторов.

Целыо диссертационной работы является разработка научно-методического обеспечения САПР, включающего методики, алгоритмы и программные средства САПР для анализа и синтеза альтернативных вариантов компоновки геометрии рабочих мест. Такой подход позволяет формировать рабочее место человека-оператора не только по критериям пространственно-технологических ограничений, но и учитывать психофизиологическую нагрузку на оператора.

ВЫВОДЫ.

Предложен новый метод автоматизированного анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест операторов человеко-машинных систем из условия удовлетворения требованиям к минимизации физической и психофизической загрузки персонала. Сущность метода заключается в декомпозиции потока заявок на обслуживание на инвариантную и геометрическую составляющие, что позволяет решить задачу выбора рациональных схемных решений и достичь заданного уровня качества синтезируемых компоновок.

1. Проведенный сравнительный анализ существующих САПР показывает их практическую неприменимость для проведения расчетов компоновочных схем на этапе концептуального проектирования. В результате анализа у всех рассмотренных программных продуктов выявлен избыточный для этапа концептуального проектирования набор функциональных возможностей и, одновременно с этим, абсолютно все рассмотренные системы требуют тщательной подготовки расчетной модели, что наряду со значительными затратами времени требует высокой квалификации специалиста, выполняющего расчет. Перечисленные недостатки доказывают необходимость разработки принципиально нового класса программного обеспечения.

2. Результаты сравнительно анализа математических моделей оценки времени принятия решений, показывают, что наиболее предпочтительной моделью для выполнения анализа и синтеза компоновок рабочих мест на этапе концептуального проектирования является аппарат ТМО (теории массового обслуживания), который позволил учитывать влияние интенсивности нагрузки на человека-оператора и степени его психофизического утомления.

3. Разработанная методика оптимизации компонуемых областей рабочих мест, на основе принципа суперпозиции инвариантной и геометрической составляющих нагрузки на оператора (в виде требований по обслуживанию), позволяет учесть при выполнении расчета особенности взаимного расположения элементов рабочего места, и органов управления, обеспечивая автоматизированный поиск компоновочных решений, снижающих нагрузку на человека-оператора на 20%.

4. Разработанная комплексная расчетная модель «оператор-рабочее место» состоит из совокупности подмоделей: объемной параметрической модели рабочего места, геометрических моделей органов управления, моделей траекторий движений оператора, моделей траекторий предельных, минимальных и оптимальных зон досягаемости для каждого компонуемого рабочего места, что позволило обеспечить точность модели ±5%.

5. Формализация свойств, механизмов поведения и перекрестных связей между подмоделями в рамках единой модели «Оператор-рабочее место» обеспечивает возможность разработки алгоритмов САПР, описывающих качественное и количественное поведение, как отдельных объектов, так и модели в целом.

6. Приведенные в работе результаты фундаментальных исследований в области эргономики, подтверждают адекватность выбранных методов и принятых допущений, составляющих основу комплексной расчетной модели «оператор-рабочее место».

7. На основе комплексной расчетной модели «оператор-рабочее место» разработана концепция и выполнена полная программная реализация автоматизированной системы анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест, предназначенной для проведения проектных исследований при формировании моделей и элементов эргатических систем. Применение системы на этапе концептуального проектирования обеспечивает соответствие компоновки рабочего места предъявляемым требованиям и позволяет создавать компоновки с дополнительным запасом по психофизиологическим составляющим в случаях увеличения нагрузки на оператора.

8. Программная реализация системы анализа и синтеза компоновочных решений, работающая на уровне единой информационной модели с СГМ, доказывает реальные практические преимущества интегрированных комплексов по сравнению с традиционными решениями. Интеграция с СГМ не только упрощает диалог пользователя с модулем экспресс-анализа, но и обеспечивает адекватное автоматическое обновление расчетной схемы при внесении конструктивных изменений в геометрическую модель проектируемого рабочего места. Согласно экспертным оценкам это приводит к сокращению сроков проектирования в 3−5 раз.

9. Верификация алгоритмов системы анализа и синтеза компоновочных решений показала, что система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает получение достоверных результатов с точностью 5−7% (в зависимости от расстояния до объекта обслуживания).

Таким образом, в данной диссертационной работе разработано научно-методическое обеспечение САПР, включающее методики, алгоритмы и прикладные программные средства анализа и синтеза компоновки рабочих мест операторов, которые позволяют решать задачу компоновки с учетом физической и психофизиологической нагрузки на человека в процессе работы, а так же учитывать пространственно-технологические ограничения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В связи со стремительным развитием сложной техники, в управлении которой человек очень часто принимает последнее решение, возникает необходимость в создании новых подходов к алгоритмам управления сложными системами. Реализация таких подходов требует создания принципиально новых программных продуктов — средств анализа и синтеза, которые позволили бы инженеру-проектировщику сократить сроки и повысить качество работ на этапе концептуального проектирования путем разработки методического и программного обеспечения САПР для анализа и синтеза альтернативных вариантов компоновки геометрии рабочих мест с учетом пространственно-технологических ограничений.

Очевидно, что для успешного решения возникающих при этом проблем, прежде всего, необходимы знания основных закономерностей поведения человека-оператора. Их получение осуществляется в экспериментальных исследованиях, в которых выявляются новые закономерности, используемые затем при математическом моделировании системы человек-машина и прогнозировании ее качества.

Научная новизна диссертации заключается в разработке научно-методического обеспечения САПР, включающего методики, алгоритмы и программные средства САПР для анализа и синтеза альтернативных вариантов компоновки геометрии рабочих мест с учетом пространственно-технологических ограничений. В ходе работы были получены следующие новые результаты:

• Выявлены специфические задачи компоновки рабочих мест оператора, исходя из ограничений по степени загрузки и утомляемости;

• Предложен метод декомпозиции синтезирующий на основе эвристических алгоритмов широкий спектр решений и решена обратная задача выбора рациональных схемных решений и вариантов компоновки рабочих мест, обеспечивающих соответствие требованиям по физической и психофизической нагрузкам на человека оператора;

• На основе перечисленных методик, методов и математических моделей разработана система анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест, работающая в интегрированном режиме с современными системами геометрического моделирования и обеспечивающая точное и оперативное решение проектных задач.