А. Е. Аствацатуров. Инженерная экология 10 страница

Тенденция распределения количества ошибок Кош в течение смены отражена кривыми 2 и 3. Наложение их на график динамики надежности работы оператора в течение рабочей смены показало, что большая часть ошибок в течение смены, а также негативных явлений, вытекающих из ошибок, например производственных травм, приходится на период, характеризующийся низкой работоспособностью (см.рис.8.2). Период же устойчивой работоспособности (фаза II) отмечается наименьшим числом ошибок, допускаемых работающим в течение данной смены.

Ошибка человека определяется как неправильное выполнение трудовой операции, ведущее к нарушению стандартов технологии и безопасности труда, она может привести к браку в работе, аварии, повреждению оборудования, производственной травме.

При эксплуатации машин, какой бы ни была степень их автоматизации, требуется участие человека-оператора, который не гарантирован от ошибок, независимо от уровня профессиональной подготовки и опыта. Поэтому изучение и прогнозирование надежности системы без учета надежности работы человека не может дать правильных результатов.

Проектировщики пока еще не располагают количественными данными о надежности человека. Для решения чрезвычайно трудной задачи повышения безошибочности действий оператора желательно рассмотреть: 1) основные функциональные, антропометрические и энергетические возможности человека-оператора; 2) характеристики человека-оператора, связанные с видами его деятельности и влиянием нежелательных факторов окружающей среды.

В первом случае надо учесть, что основные функциональные и антропометрические данные человека установлены достаточно точно. Значительную трудность составляет определение энергетики организма оператора, возможности которой не изучены, хотя этот показатель, очевидно, имеет прямую связь с надежностью работы машины и системы в целом.

Безошибочность действий оператора имеет прямую связь с производительностью системы, поэтому проблема изучения энергетики организма оператора и ее влияние на функциональное состояние человека при проектировании машин будущего поколения чрезвычайно актуальна.

Используя данные наблюдений и некоторых экспериментов со строительными, сельскохозяйственными и другими машинами, можно отметить, что ошибки оператора, выражающиеся в некачественном выполнении функций контроля и управления комбайном, являются результатом перегрузок в основном по двум причинам:

1) физическое напряжение при работе с ручным и ножным органами управления, а также частые выходы из кабины, связанные с технологическими и профилактическими операциями;

2) большое количество информации, поступающей в единицу времени (особенно при новых пультах, оборудованных электронной техникой) и превышающей возможности человека по переработке всего комплекса сигналов.

В результате энергетических перегрузок, обусловленных комплексом дополнительных энергозатрат, появляются ошибки, которые можно рассматривать как отказ звена человека, снижающий производительность системы “человек – машина”. Поэтому при выборе содержания рабочего задания следует учитывать весь комплекс нагрузок, возлагаемых на оператора.

Снижение энергетической нагрузки на организм человека в значительной мере может быть достигнуто передачей части функций управления и контроля от человека машине. Эти вопросы взаимосвязаны с компоновкой оборудования в кабине, с выбором эффективного варианта расположения средств "стыковки" машины с оператором.

Второе направление решения задачи повышения надежности оператора связано с рассмотрением зависимостей между характеристиками человека и определенными факторами, понижающими безошибочность его действий. В этом случае целесообразно классифицировать виды деятельности операторов по конкретным типам машин.

При выборе содержания рабочих функций с целью увеличения скорости реакции человека и безошибочности его действий следует учитывать отрицательные факторы внешней среды: шум двигателя и движущихся частей механизмов; вибрацию и толчки в кабине; солнечную радиацию; ненормальные температурные условия; повышенную запыленность и загазованность; физические и психические перегрузки; недостаточную обзорность с рабочего места (вынужденное напряжение рабочей позы); недостаточную совместимость оператора, технического средства и среды.

^ 8.5. Инженерно-эргономические требования

к системе "человек-машина среда" (СЧМС)

Под системой в общей теории систем понимается комплекс взаимосвязанных между собой элементов, предназначенный для решения единой задачи.

Система "человек-машина-среда", или, проще, "человек-машина", по существу – абстракция, а не физическая конструкция. Система представляет собой концепцию, поскольку связана с преобразованиями (входных сигналов в входные), которые невозможно наблюдать, а можно увидеть лишь результаты преобразований. Концепция СЧМ должна быть основана на определенных допущениях. Основные из них, принятые в системе "человек-машина", хорошо сформулированы одним из известных американских ученых в области актуальных проблем человеческих факторов Д. Мейстером. Автор допущений исходит из принципа безусловного соответствия требований системы потребностям человека, управляющего этой системой, что несомненно имеет глубокий этический и гуманистический смысл. Основные допущения (по Д. Мейстеру), принятые в системе "человек-машина":

1. Категория "человек-машина" образует систему (СЧМ), элементы которой – человек, машина и среда – представляют собой подсистемы, организованные определенным образом и подчиняющиеся общим требованиям системы.

2. Элементы СЧМ взаимодействуют между собой, влияя друг на друга и на систему в целом.

3. Будучи искусственным образованием, система целенаправленно (посредством предъявляемых к ней требований) программируется на получение определенных результатов (на основе заранее заданных входных данных):

а) общие требования системы обуславливают работу подсистемы и определяют входные характеристики;

б) работа системы активируется и направляется необходимостью выполнения этих требований;

в) система функционирует адекватно только в том случае, если эти требования выполняются;

г) невыполнение требований, предъявляемых к системе, приводит к изменениям ее функционирования.

4. Как и другие "живые" системы, СЧМ и ее подсистемы функционируют во времени и пространстве и поэтому зависят от изменений, происходящих в указанных измерениях.

5. Выходные параметры всех подсистем должны обеспечивать получение требуемого результирующего продукта на выходе системы в целом; в противном случае работа подсистем становится неэффективной.

6. В той мере, в какой это допускается структурой ее построения, система осуществляет самонастраивание с целью оптимизации соотношений входных и выходных параметров в соответствии с общесистемными требованиями.

Разработка системы включает обычное проектирование входящих в нее отдельных компонентов, но на этом не заканчивается. Поскольку работа каждого отдельного элемента системы является частично функцией других входящих в систему элементов, а также и функцией общей задачи системы, необходимо выработать метод представления и создания системы как единого целого. Система включает в себя человека, машину и работает как одно целое для выполнения поставленной задачи. Поэтому определение системы можно считать условным и зависящим от цели, для которой она создана.

СЧМ является "живой системой", поскольку ею управляет человек. Системам такого типа присущи общие характеристики, к наиболее важным из которых специалисты относят следующие: 1) все элементы системы взаимодействуют друг с другом, 2) каждый элемент системы оказывает влияние на другие элементы и на систему в целом, 3) функционирование системы сопровождается преобразованием энергии и вещества из одного вида в другой.

Не следует путать анализ и оценку системы – это процессы разные. Анализ должен дать представление о структуре и функциях системы: показать компоненты системы, пути и процессы их взаимодействия.

Для того чтобы система отвечала своему назначению и работала эффективно с точки зрения экономичности и охраны здоровья человека, необходимо в самом начале проектирования учитывать факторы человека, его возможности и способности как главного звена системы. Это требование системы "человек-машина" должно быть отправным.

Человек-оператор представляет собой подсистему СЧМ, его поведение должно быть подчинено выполнению общих целей системы. Поэтому для описания системы целесообразно учитывать те данные, в которых характеристики и поведение оператора соотнесены с требованиями системы, например, в виде выходных параметров системы.

Подсистему "оператор" следует проектировать в соответствии с требованиями, предъявляемыми ко всей системе. Для этого необходимо использовать различные способы, например, создание оборудования рабочего места и методов управления, учитывающих антропометрические, психофизиологические и другие данные оператора, отбор операторов по признакам их профессиональных и личных качеств. Вместе с тем прогнозирование поведения человека оператора надо вести методами, совместимыми с описаниями действия машины. Это в первую очередь методы моделирования и прогнозирования поведения оператора как подсистемы СЧМ.

^ 8.6 Философские предпосылки и методологические

принципы при системном подходе

Инженерная эргономика ставит своей целью оптимизацию орудий и процессов производства, условий труда и окружающей среды. Основной объект ее исследования – система "человек-машина-среда" (СЧМС). Три составляющие системы: человек, машина и среда – рассматриваются как сложное целое, в котором доминирующая роль отводится человеку. Будучи одновременно научной и проектно-конструкторской дисциплиной, инженерная эргономика включает в свою задачу системный анализ, изучение объективных закономерностей процессов и средств взаимодействия человека, техники и среды с целью приложения их к проектированию и конструированию техники, управляемой человеком.

Для решения проблемы оптимизации СЧМС надо организовать исследовательские работы на таком уровне, чтобы иметь возможность синтезировать данные всех областей знания, например, конструирования и практики эксплуатации машин, психофизиологии, математики. Рассматривая задачу создания благоприятных и высокопроизводительных условий труда человека-оператора в машиностроении, необходимо прежде всего уяснить ряд вопросов. Во-первых, чем обусловлен процесс изменения психофизиологических характеристик человека-оператора с течением времени и насколько он неизбежен? Во-вторых, не лучше ли создавать автоматические устройства, в совершенстве реализующие управление машинами, чем изучать проблему "человек-машина"? В-третьих, каковы методологический аспект проблемы и какие философские категории и закономерности определяют его? Рассмотрим эти вопросы.

Человек-оператор, выполняя функции управления машиной, находится во взаимодействии с окружающей средой и управляемым объектом – машиной. при этом он неизбежно включается в цепь возникающих причинно-следственных связей, отражающих различные субъектно-объектные отношения. Постоянно взаимодействия с окружающей средой, человек не может быть изолирован от процессов, протекающих в ней. Различные виды энергии – механическая, тепловая, химическая, электрическая, электромагнитная и др. – действуют на него, вызывая снижение начальных функциональных характеристик организма. Поэтому, исследуя причины вредных воздействий, надо выявить сущность процессов, формирующих преждевременное утомление и снижающих работоспособность человека-оператора, изучить реакцию его на влияние производственной среды и на основании этого создать такие рабочие места в СЧМ, которые позволяют выполнять необходимые функции без спадов производительности, не принося в период рабочего времени (смены) ущерба здоровью работающего.

Следует учитывать, что длительное воздействие на человека таких вредных факторов, как шум, вибрация, запыленность, загазованность и т.п. (даже в пределах допустимых концентраций и уровней), может привести к снижению не только функциональных возможностей организма, но и к качественным изменениям в нем. Физиологическая реакция организма на эти изменения проявляется в синдроме утомления.

Снижение работоспособности во времени вследствие развития утомления – процесс естественный. Исключить полностью нежелательные явления вредных воздействий невозможно. Однако мы можем увеличить период высокой производительности, работоспособности, снизить утомляемость – иными словами, изменить отклонение качественных показателей функционального состояния организма так, чтобы они находились в течение рабочего времени в допустимых пределах. Идеальными были бы условия, при которых технический уровень управления и всего комплекса параметров рабочего места соответствовал оптимуму психофизиологических возможностей каждого человека. Однако большая часть средств и орудий труда увеличивает информационную нагрузку на человека, вызывая преждевременное утомление и переутомление. В такое ситуации облегчить положение оператора можно двумя путями: либо внедрением автоматов, либо созданием управляющих устройств или систем на основе науки об учете человеческого фактора в СЧМ.

^ 8.7. Контроль за качеством инженерной продукции

Система контроля, прогноза и управления экологическими процессами, получившая название мониторинг, формировалась в течение многих лет в процессе осознания проблемы охраны окружающей природной среды. Первая международная конференция по экологическим проблемам охраны природы с участием 17-ти стран состоялась в 1913 году в г. Берне (Швейцария). Здесь были сделаны первые шаги по организации сбора, обобщения и оглашения данных о состоянии природы. Годом ранее, в 1912 г., в России была основана постоянная природоохранная комиссия при русском географическом обществе.

В 1968 г. Генеральная Ассамблея ООН приняла резолюцию о созыве конференции ООН по проблемам окружающей природной среды. Эта конференция состоялась 5 июня 1972 года, на которой день 5 июня был провозглашен Всемирным днем охраны окружающей среды.

ЮНЕП – программа ООН по окружающей среде сформулировала важную функциональную задачу оценки окружающей среды, которой призваны заниматься Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС), Международная справочная система об источниках информации по окружающей среде (ИНФОТЕРРА), Международный регистр потенциально токсичных химических веществ, Система данных по окружающей среде и др.

Основные законоположения по охране окружающей природной среды, принятые соответствующими международными организациями, нашли свое отражение с более конкретным содержанием в правилах и нормах каждого цивилизованного государства с учетом специфики всех отраслей хозяйства.

Участие правительственных организаций в процессе контроля и надзора за качеством продукции инженерно-экологических объектов обусловлено установленной законодательными актами ответственностью предприятий за здоровье и безопасность рабочих, безопасность потребителей, предусматривает решение задач и проблем, связанных с охраной окружающей среды, а также за разработку социальных правил, методик и инструкций, относящихся к новым объектам инженерной экологии.

В России так же, как в других крупных индустриальных странах, например США, специальных органов целенаправленного надзора за инженерно-экологической продукцией нет. Однако имеется мощная система надзора и контроля за соблюдением безопасной жизнедеятельности, в которую включаются два основных направления: охрана окружающей природной среды и инженерно-техническое. Согласно основам законодательства о труде, эти функции осуществляют специально уполномоченные государственные организации и инспекции, не зависящие в своей деятельности от администрации предприятий, учреждений, организаций и их вышестоящих органов.

В нашей стране в начале 80-х годов были разработаны и введены некотрые стандарты, ставшие основополагающими документами в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Основными задачами систем стандартизации были: обеспечение сохранности природных ресурсов, совершенствование контроля, прогноза и управления экологическими процессами. Объектами стандартизации стали предельно допустимые концентрации и уровни (ПДК и ПДУ) загрязнений окружающей природной среды, методы расчетов предельно допускаемых выбросов загрязняющих веществ, правила, нормы рационального использования природных ресурсов, методы и средства экологического мониторинга и др.

Второе направление стандартизации отразилось в Системе стандартов безопасности труда (ССБТ), в которой для каждого вида вредных факторов, выбрасываемых в окружающую среду, указываются предельно допустимые уровни или концентрации и методы и средства защиты от действия их.

При разработке инженерных мероприятий по защите здоровья людей за исходные данные принимаются гигиенические и технологические нормативы, изложенные в ССБТ как самостоятельный раздел Государственной системы стандартизации. В эту систему включается комплекс стандартов, направленных на обеспечение безопасной жизнедеятельности и устанавливаются требования и нормы по всем видам вредных факторов. Стандарты ССБТ разделяются на государственные, отраслевые, республиканские и стандарты предприятий.

Вмешательство правительственных организаций в контроль за качеством продукции, например, биотехнологии, обусловлено установленной законодательными актами ответственностью этих организаций за безопасность жизнедеятельности работающих, потребителей и окружающей среды. Представляет интерес надзор за производством биотехнологической продукции в крупных индустриально-развитых странах. В США такой надзор в основном осуществляется тремя правительственными организациями: Управлением по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств; Министерством сельского хозяйства США и Агентством по охране окружающей среды. В нашей стране существует система государственного санитарного надзора, осуществляющая контроль над выполнением санитарно-гигиенических правил предприятиями и частными организациями с целью предупреждения загрязнения внешней среды и оздоровления условий труда. В настоящее время находятся в стадии формирования различные инспекции государственного и отраслевого уровня, которые призваны осуществлять контроль и надзор за состоянием окружающей природной среды и выполнением природоохранных мероприятий, реорганизуются старые и формируются новые структуры.

Конечная цель технической деятельности состоит как в эффективном удовлетворении материальных и духовных потребностей, так и в сохранении окружающей природной среды, гарантированной защите ее от техногенных загрязнений.

Глава 9. ИНЖЕНЕРНЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

9.1. Средства защиты человека в условиях

развития техносферы

На современном производстве (в угольных шахтах, горячих цехах, металлургии, на некоторых химических производствах, на атомных электростанциях и т.д.) пока еще не исключены работы в сложных, вредных и опасных условиях. Последние годы все больше осваиваются новые области планетарных систем - космос, арктические и антарктические регионы, подводные пространства. Сначала человеку удавалось только проникать в эти сложные для обитания и опасные области, но со временем человек осваивает, начинает все дольше жить и работать в столь необычных условиях. Уже в наши дни космос используется как естественный полигон для фундаментальных и прикладных научных исследований и решения проблем промышленного производства. Во всех этих случаях человек, работающий со сложной современной техникой как звено системы "человек - техника - среда", подвергается опасности, и вопросы безопасной жизнедеятельности человека в эргатических системах требуют подробной специальной разработки, которая может занять несколько томов. Тем не менее, необходимо иметь представление о проблемах безопасности техносферы и специальных технических средствах, защищающих жизнь и здоровье человека от действия опасных факторов.

Чрезвычайные ситуации и аварии представляют собой довольно существенный источник опасности для жизнедеятельности человека и окружающей его среды. Одно из крупных бюро безопасности человека в промышленности и защиты окружающей среды от загрязнения "Веритас" (Норвегия) составило диаграмму вероятности возникновения аварийных ситуаций в зависимости от вида деятельности человека. Вместе с тем, если говорить о технических устройствах, позволяющих защитить психофизиологические системы организма от экстремальных условий, то особый интерес в сфере развития техносферы представляют защитные средства, используемые в космосе и подводной среде. Эти средства в случае аварии эргатической системы - космического корабля или подводного судна - должны обеспечить относительно долгое сохранение жизнедеятельности человека, потерпевшего аварию. Какие же это защитные средства в сфере самых опасных и сложных планетарных исследований?

В аварийных условиях защитные средства должны работать на рубежах организма и окружающей среды. И здесь важна, прежде всего защита двух физиологических функций - дыхания и теплового баланса в посткатастрофических условиях. Для обеспечения защиты системы дыхания (получение нужного количества кислорода, выведение углекислоты) используются специальные промышленные респираторы, противогазы, кислородные приборы, защитные маски, специальные дыхательные аппараты. Обеспечение теплового баланса организма осуществляется средствами защиты с помощью специальной тепловой спецодежды и скафандров из самых различных материалов, имеющих многослойную конструкцию. Например, в космонавтике, авиации и на флоте для защиты организма человека от переохлаждения в случае попадания в холодную воду применяют теплозащитные спасательные костюмы, позволяющие человеку находиться в экстремальной ситуации около суток и более (снижение температуры тела не превышает 2ОС при шестичасовом пребывании в ледяной воде).

Согревание (под водой) или отвод тепла (в космосе) обеспечиваются подачей к поверхности тела определенного количества воздуха, воды или другого теплоносителя с необходимой температурой. Примеры таких систем - вентилируемый костюм космонавта или костюм жидкостного обогрева водолаза. Конструкторская задача управления такими защитными устройствами теплового баланса, по существу, сводится к выбору двух параметров: текущего расхода теплоносителя и его температуры. Далее конструктор должен выбрать наилучшее распределение функций между системами пассивной и активной защиты и оптимальной компоновкой теплозащитного слоя по поверхности тела человека. При поиске лучших конструкторских решений полезно применять математическое моделирование и вычислительные эксперименты на ЭВМ, которые позволяют получить достаточно ясное представление о состоянии организма, находящегося в защитном снаряжении. Эти модели тем ближе к реальной ситуации, чем больший экспериментальный материал используется для построения математической модели. Подробнее эти вопросы рассмотрены в разделах книги о методах моделирования.

^ 9.2. Очистка промышленных газов

Охрана и оздоровление воздушного бассейна осуществляются при помощи конструктивно-технологических, санитарно-технических и планировочных мероприятий. К основным из них относятся разработка и применение технологий производства, обеспечивающих по возможности максимальное использование сырья, внедрение безотходной и малоотходной технологий, предотвращающих или существенно уменьшающих количество вредных выбросов.

Промышленные выбросы подразделяют на технологические выбросы с высокой степенью концентрации вредных веществ и вентиляционные выбросы, характеризующиеся сравнительно более низким содержанием вредных примесей.

Выбросы, содержащиеся в вентиляционных и технологических газах промышленных предприятий, представляют собой механическую пыль или возгоны. Частицы механической пыли имеют размер от нескольких микрометров до десятков микрометров. Возгоны - это аэрозоли, образовавшиеся в процессе химических реакций либо в результате конденсации в технологических процессах, с размером частиц от десятых до сотых долей микрометра.

Для сокращения вредных выбросов из труб на промышленных предприятиях используются различные технические средства пылеулавливания, основанные на инерционном и мокром способах очистки, электростатические уловители, фильтры, аппараты химической очистки и другие инженерные устройства.

^ Рассмотрим технические средства очистки промышленных газов.

Рис.9.1. Пылеосадительные технические средства инерционного действия: а)простейшая пылеосадительная камера; б) многополочная камера; в) камера с перегородками; г) камера с цепными и проволочными завесами; д) пылевой мешок с центральным подводом газа; е) пылевой мешок с боковым подводом газа; ж) пылеосадитель с отражательной перегородкой

К простейшим пылеосадителям относятся аппараты с инерционным пылеулавливанием (рис.9.1). В пылеосадительных камерах наряду с действием сил тяжести используются инерционные силы, благодаря которым пылевые частицы при резком повороте газового потока выпадают в бункер. Инерционный пылеуловитель нашел применение в черной и цветной металлургии (см.рис.9.1,д). В пылевых мешках, устанавливаемых непосредственно за доменными печами на заводах черной металлургии, скорость газов в цилиндре принимают 1,0 м/с, во входной цилиндрической части - 10 м/с и более, высота приблизительно равна диаметру; гидравлическое сопротивление мешков составляет 150–390 Па, или 15–40 мм вод. ст.

Наиболее распространенным техническим средством для очистки воздуха от пыли являются циклоны. В циклонах используется центробежная сила, развивающаяся при вращательно-поступательном движении газового потока. При вращении отходящих газов частицы пыли или золы под действием центробежной сипы вместе с частью газов попадают в бункер. Отделение частиц от попавших в бункер газов происходит при перемене направления движения под действием сил инерции (рис.9.2).

Рис.9.2. Примеры конструкций циклонных пылеуловителей:

а) и б) – циклоны Чехословацкой конструкции; в) циклон Мельстроя;

г) циклон улиточного типа; д) циклон Давидсона; е) циклон с двойной стенкой;

ж) циклон с перфорированной выхлопной трубой

Для повышения эффективности очистки воздуха при значительной запыленности газа вместо одного циклона большого размера устанавливают несколько циклонов либо батарейный циклон (рис.9.3).

Газы с высокой запыленностью поступают через патрубок 1 в распределительную камеру 2, равномерно распределяются по отдельным циклонным элементам 3 и, вращаясь, опускаются вниз. Дойдя до конца потока, вихрь поворачивается вверх, а частицы пыли, золы, капли выпадают в общий пылесборник 4. Очищенные газы поступают в камеру 5, откуда через патрубок 6 выходят из очистного устройства. Направляющие элементы циклона 3 могут быть винтообразной либо розеточной конструкции.

Рис.9.3. Усиленный циклон батарейного типа

Рис.9.4.Полый скруббер мокрого пылеулавливания

Чтобы повысить эффективность аппарата с применением второй ступени очистки, используют устройства мокрой очистки. Работа аппаратов мокрого пылеулавливания основана на промывании запыленного газового потока жидкостью, подаваемой в виде брызг или тумана (рис.9.4).

Полый аппарат 1 применяют для очистки газа от пыли и одновременного охлаждения газов. Загрязненный газ входит сверху в вертикальный полый цилиндр с коническим днищем 2; пройдя через распределительную решетку 3, состоящую из перфорированных секторов, поворачивающихся для очистки от пыли; очищенный газ выводится снизу, а жидкость с пылью - через смонтированный в днище 2 гидрозатвор. Подача воды осуществляется черев сопла форсунки 4.

Для очистки больших объемов газов в химической, металлургической, газовой и других отраслях промышленности, там, где приходится очищать от пыли самые разнообразные аэрозоли и туманы, применяется электростатическая очистка. Она основана на электризации пыли и выделении ее из газа под действием электростатического поля (рис.9.5).