Автоматизированные системы эргономического проектирования. 
Банки эргономических данных

эргономический проектирование вычислительный автоматизированный Эффективным средством эргономического проектирования становятся автоматизированные системы проектирования (САПР), состоящие из ЭВМ, графических устройств ввода —вывода и разнообразных пакетов программного обеспечения. Автоматизированные системы эргономического проектирования развиваются под воздействием и в i русле общего процесса автоматизации проектирования. По мере совершенствования программных и аппаратных средств вычислительной техники, интерфейса «человек — САПР» все большее число задач эргономического проектирования решается с применением указанных систем.

Конкуренция на рынках сбыта побуждает промышленные предприятия сокращать сроки проектирования и производства изделий при одновременном повышении их качества. Поиски путей решения названных задач стимулируют развитие и применение систем автоматизированного проектирования, в том числе и эргономического. Немецкими специалистами создана автоматизированная система эргономического проектирования ЭРГОМАС (ERGOMAS — Ergonomic Design and Optimisation of Manufacturing and Assembly Systems), которая позволяет осуществлять пространственную планировку производственных систем, оптимизировать сборочные линии, организовывать потоки материалов, проектировать рабочие места и производить их оценку, анализировать временные нормативы и определять стоимость процесса сборки [38]. ЭРГОМАС способствует быстрому и падежному эргономическому проектированию и оценке рабочих мест путем использования следующих компонентов: трехмерной модели человека, зон досягаемости и полей зрения. Зоны досягаемости зависят от действий человека на рабочем месте. В соответствии с полом оператора и выбранным перцентилем ЭРГОМАС показывает зоны досягаемости. Возможны следующие зоны досягаемости: идеальная, физиологически максимальная, геометрически максимальная.

Дополнительный программный модуль. ЭРГОМэн позволяет моделировать действия человека на рабочем месте. Биомеханическая трехмерная модель человека в соответствии с выбранными полом и перцентилем помещается на рабочем месте. Различные человеческие движения характеризуются путем измерения времени отдельных моментов движения мультипликационных изображений. Модель человека можно помещать в положение сидя или стоя, нагрузка на суставы во время движений вычисляется и графически документируется. Дополнительно для помощи пользователю имеется справочник гипертекст, который через посредство ключевых слов предоставляет важную информацию по вопросам окружающей среды, об эргономических стандартах, инструкциях безопасности и т. д. Содержание справочника может модифицироваться и дополняться пользователем.

Основные модули ЭРГОМАСа основываются на объемлющей системе управления базой данных и заново разработанной графической системе для трехмерных изображений и изменения их расположения на экране дисплея. Созданная автоматизированная система эргономического проектирования повышает производительность труда проектировщиков, сокращает время проектирования, повышает качество проектных работ и позволяет избежать ошибок при их выполнении.

Широкое применение систем автоматизированного проектирования в авиационной индустрии США побуждает эргономистов этой отрасли интенсивно разрабатывать автоматизированные системы эргономического проектирования [39]. Компьютеризованный манекен человека корпорации «Локхид», например, позволяет решать широкий крут антропометрических задач проектирования и оценки (обзор и досягаемость, рабочие позы). Манекен — элемент интегральной системы машинного проектирования этой корпорации.

Убедившись на собственном опыте, что двумерные чертежи, содержащие антропометрические данные, сегодня анахронизм, венгерские и немецкие эргономисты разработали программу ОСКАР, являющуюся динамичным партнером проектировщика. Она демонстрирует ему на экране дисплея в удобной для восприятия форме банк антропометрических и биомеханических данных. Программа построена на основе 10 млн. данных, включающих перцентили от 2.5 до 97.5. На экране проектировщиком задается вариант объемно-пространственного решения искомой структуры, затем в ней начинает «жить» подвижное объемное изображение человека, которое выполняет команды проектировщика, вплоть до возрастного изменения подвижности суставов.

Российскими учеными и специалистами создана экспертная система автоматизированного эргономического проектирования и оценки систем «человек—машина». Оболочка экспертной системы связана с банком эргономических данных, имеет «дружественный» пользователю интерфейс и функционирует в среде MS-DOS (версии 5.0 и выше) на персональных компьютерах [40, 41].

Получила широкую известность автоматизированная система эргономического проектирования, названная английскими специалистами СЭММИЕ (SAMMIE — System for Aiding Man Machine Interaction Evaluating — система, помогающая оценивать взаимодействие человека и машины) [42]. Система предоставляет следующие возможности: трехмерное моделирование рабочего места и оборудования; моделирование манекена — оператора в произвольных позах для эргономических оценок; множественные методы наблюдения конструируемых сцен (практически с любой точки зрения, например изнутри создаваемой на экране конструкции); интерактивное (диалоговое) общение с моделью рабочего места с целью ее исправления, дополнения, изменения и пр. (рис. 2−10).

Основными компонентами системы являются рабочее место и изображение манекена — оператора. Рабочее место строится из стандартных геометрических тел заданной формы (кубов, призм, цилиндров и т. п.). При построении сложных объектов их элементы могут быть подвергнуты преобразованиям параллельного переноса, поворота, а также растяжения и сжатия. При построении в программу закладывается ряд геометрических и логических требований. Например, сохранение геометрической формы и размеров недеформируемых элементов конструкции; сохранение контакта между некоторыми элементами; возможность движения одних элементов относительно других.

Система позволяет изменять взаимное положение элементов рабочего места. Например, достаточно приписать какому-либо движению элементов рабочего места (подъему захватов) соответствующую команду «Захват поднять», чтобы это движение выполнялось.

Модель тела человека также строится из простых геометрических элементов. Обычно при работе задаются модели трех определенных размеров, соответствующих 5-, 50- и 95%-ному перцентилю. Однако при необходимости размеры манекена могут быть заданы произвольно.

Работа с системой проходит, как правило, в диалоговом режиме на основе имеющихся меню. Их всего 35. Например, такие: меню оператора — для выбора размера и позы манекена; меню зоны обзора; меню для работы только с частью модели, выбираемой по желанию, и т. п. Во всех режимах предусмотрена возможность изменения размера изображения.

Наиболее часто модель используется для решения следующих задач:

¦ оценки соответствия размеров рабочего места размерам оператора (поместится ли он в отводимом ему пространстве);

¦ определения пределов досягаемости; при этом интересующий разработчика объект может быть указан его координатами, названием, предварительно введенном в программы (в этом случае будет определяться досягаемость этого объекта при его перемещении в пространстве), направлением движения части тела (достанет ли оператор до любой точки стены, если он привстанет и вытянет руки в стороны);

¦ определения зон видимости; при этом любой поверхности могут быть приписаны свойства зеркала, как плоского, так и вогнутого, либо выпуклого с произвольно выбираемыми фокусными расстояниями. Это позволяет определить зоны обзора.

Банки эргономических данных Автоматизированные системы эргономического проектирования сопряжены с банками эргономических данных. Такие банки созданы в США, Германии, Франции и других странах. Работы по созданию банков эргономических данных и знаний велись в СССР, а также в странах-членах СЭВ. В целом ряде стран исследования и разработки в этом направлении проводились по заказам военных ведомств, и поэтому до последнего времени о них имелось мало сведений.

Основной целью таких работ является формирование единых источников, содержащих тщательно проверенные данные антропометрических измерений и количественные показатели (и различные зависимости между ними) психофизиологических возможностей и особенностей человека, для использования их в проектировании, разработке и оценке машин, оборудования, производственной среды, систем управления, промышленных изделий, а также при строительстве зданий. Не менее важной целью является повышение уровня эргономических исследований путем разработки стандартов на условия проведения экспериментов, процедуры, методы и показатели, а также на формы представления получаемых результатов.

Во Франции на базе лаборатории антропологии и экологии человека Парижского университета им. Р. Декарта функционирует банк биометрических данных «Эргодата». Банк включает антропометрические данные как французского населения, так и населения других европейских стран. Создание банка стимулировалось необходимостью в эргономической проработке все более усложняющихся систем и оборудования на ранних этапах проектирования. Это в свою очередь потребовало учета различных антропометрических характеристик тех групп населения, которые будут работать на этом оборудовании. Кроме того, необходим учет антропометрических характеристик населения тех стран, куда предполагается экспортировать оборудование.

Антропометрические характеристики, накопленные банком биометрических данных, позволяют вычислять для каждого человека наиболее вероятные величины размеров, которые не были замерены экспериментальным путем. Кроме того, возможно реконструировать полный набор антропометрических характеристик репрезентативной выборки пользователей конкретного оборудования, даже если первоначально имелись некоторые размеры, чаще всего только вес и рост. Данные четко определены и выражены в сжатой форме с целью сокращения времени запроса, включая и возможность речевого общения с банком.

Банк данных содержит информацию, которая может использоваться не только при разработке систем и оборудования, но и общественного транспорта, потребительских изделий.