Изотова Маргарита Александровна 9 страница

Глава 8. ЧЕЛОВЕК В ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

8.1. Роль человека в решении экологических задач

Развитие техники в процессе научно-технического прогресса текущего столетия привело к появлению огромного разнообразия машин и оборудования, используемых в промышленности, на транспорте, в строительстве, сельском хозяйстве, геологии, медицине, научных исследованиях, а также в военных целях. С увеличением мощности техники возрастали сложность управления машинами и загрязнение природной среды. Стали возникать новые технические задачи, решение которых требует научного понимания того, как ведут себя люди в сложных системах управления техникой и какие ситуации могут быть в экосистемах биосферы в связи с все возрастающим их загрязнением антропогенными выбросами. Главной целью решения задач подобного рода было обеспечение безопасности жизнедеятельности человека и экосистем. Сохранение жизнедеятельности и работоспособности человека, по существу, означает, что организм способен адекватно выполнять весь комплекс кибернетических и метаболических функций. В чем же состоят эти функции? Информационно-кибернетические функции предполагают: а) восприятие важнейших факторов внешней среды; б) поиск и выбор оптимальных форм поведения в соответствии со средой и в) выполнение их. Метаболические (от греч. metabole - перемена, обмен веществ в организмах) функции состоят в том, чтобы предоставить организму необходимые вещества и энергию, а также поддерживать целостность всех структур организма.

Раньше большинство задач, связанных с присутствием человека в технических системах, а также решение проблем изготовления и применения технических средств, их согласование со свойствами организма как управляющего органа осуществлялись эмпирически. Оператору приходилось приспосабливаться к системам управления часто за счет преждевременного утомления, ошибок, а иногда и травм, что совершенно недопустимо в эргатических системах. Так возникла необходимость учитывать человеческий фактор при разработке систем, включающих взаимодействие человека и техники. Научное направление, изучающее влияние человеческого фактора (психофизиологии, антропометрии оператора) на производительность системы “человек - техника – среда”, появилось в последние десятилетия и получило название эргономики. Вместе с проблемой определения поведения человека-оператора в проектируемой системе возникла не менее важная проблема - установить, как будет влиять разрабатываемое техническое средство на окружающую среду и жизнедеятельность экологических систем. Прогнозирование поведения человека-оператора, а также загрязнений природной среды необходимо вести методами, совместными с описанием действия машины, т.е. моделировать и прогнозировать поведение оператора и загрязнение окружающей среды как компонент системы “человек - техника – среда”. Применение подобных моделей несколько ограничено по той причине, что методы, например, используемые для описания действия человека, не охватывают действительного разнообразия его действий. Поэтому, чтобы приносить пользу, моделирование не обязательно должно предоставлять точные и подробные прогнозы. Если модели помогают инженеру осмыслить поведение людей и степень загрязнения окружающей среды и дают возможность выделить существенные факторы и разработать эксперимент или модель для решения насущных проблем, это уже полезные модели. Такое моделирование полезно и имеет большое значение для процесса обучения, а также в практической деятельности.

Взаимодействие систем организма и различных технических средств можно наблюдать повседневно во всех областях современной жизни. В общем случае все такие комплексы являются биотехническими и конструктор-разработчик технических средств должен согласовывать их характеристики с биологическими потребностями человека. Важнейшими проблемами систем “человек – техника” становятся проблемы охраны экологической среды от губительных последствий промышленного производства. В любом случае проектирование техники, выполнение гигиенических и эргономических требований (для обеспечения условий обитания человека) и экологических нормативов (для защиты среды) является обязательным условием оптимального решения задач конструирования. Отсюда вытекает необходимость проектирования и разработки систем, в которые входят как компоненты человек, технические средства и окружающая среда. Понятие "проектирование и разработка эргатических систем" в современном мире широко используется многими отраслями промышленности, в том числе в самолетостроении, кораблестроении, при строительстве космической техники, военными учреждениями и поставщиками военной продукции.

^ 8.2. Человек - управляющее звено системы

“человек – техника”

Систему “человек – техника” можно представить как частный случай любой системы организованного воздействия на окружающую среду. Признаком организованного воздействия служит присутствие конкретной программы, нацеленной на выполнение определенных задач. При этом человек, звено системы, в каком-то отношении сходен с техническим звеном. Техническое звено, скажем, машина или сложный агрегат, в условиях перегрузки так или иначе оказывается в аварийном положении с вытекающим из этого отказом в работе. Представим теперь, что человек управляет самолетом. При ручном управлении, например, могут возникнуть обстоятельства, требующие отвлечения внимания летчика от систем управления, допустим, внезапное ухудшение погоды, неполадка в бортовых системах и материальной части самолета и т. д. В таких условиях неизбежно начинает снижаться точность ручного выдерживания заданной траектории и самолет может оказаться в чрезвычайной аварийной ситуации. Усложнение обстановки полета приводит к увеличению количества выполняемых летчиком одновременно операций управления. Это требует дополнительных энергозатрат организма, что при определенных условиях ведет к ошибкам, а в случае значительных перегрузок происходит отказ. Как видим, и в первом, и во втором случае в результате перегрузки звена системы происходит отказ, что совершенно не допустимо.

Рассмотрим взаимодействие человека и машины на примере работы оператора самоходных машин, эксплуатируемых в различных отраслях промышленности.

Оператор машины, руководствуясь информацией (сигналы, подавляемые индикаторами в кабинете, визуальное наблюдение за участком работы и всего окружения), управляет машиной, воздействуя на органы управления. Одновременно человек реагирует на значительный комплекс внешних факторов. К ним относятся: шум, создаваемый при работе двигателя и механизмов машины, вибрация и толчки на рабочем месте, сигналы обратной связи, поступающие к машинам оператора от рулевого управления, рычагов и педалей, звуковые сигналы систем контроля и управления, сигнализирующие об отклонении от нормального режима работы механизмов, температурные колебания, состояние воздушной среды и др. Исходя из информации, получаемой из поступающих сигналов, оператор принимает решения и воздействует на органы управления. Машина, исполняя сигналы управления, изменяет позиции, рабочие параметры и подает оператору новую информацию.

Взаимодействие человека и машины в рассмотренном случае характеризуется непрерывностью и представляет собой систему с замкнутым контуром, в которой информация о сигнале на выходе подается обратно к начальному звену системы. Система с разомкнутым контуром не располагает обратной связью, и в ней взаимодействие между человеком и машиной носит прерывистый характер.

Рассмотрим процесс, в котором оператор корректирует работу машины, непрерывно пытаясь устранить разницу между потребными и реальными выходными сигналами системы, иными словами, обратимся к процессу ручного слежения. Условимся, что вход - это информация, воспринимаемая оператором, выход - действия оператора.

Человека-оператора машины можно рассматривать как звено системы, исполняющее функции восприятия, переработки информации и управления (рис.8.1). При этом условно выведем за пределы машины индикатор и органы управления, представляющие собой как бы узел "стыковки" оператора и машины.

Рис.8.1 Схема взаимодействия оператора и машины: 1-индикатор; 2- человек-оператор; 3-органы управления; 4-машина; Yвх- входной сигнал; Yн- непрерывно изменяющаяся информация; Yo- воздействие на органы управления; Yс – выходной сигнал органа управления; Yвых, Yм, (Yсум) – выходной сигнал машины;

(-1) – отрицательная обратная связь

Оператор, находящийся между индикатором (панельным устройством) и органом управления, воспринимает непрерывно изменяющуюся информацию Ун и, воздействуя на органы управления Уо, управляет работой машины. Входные импульсы отображаются машиной на индикаторе, информацию считывает оператор, который предпринимает определенные действия по управлению машиной. Выходной сигнал органов управления Ус преображается машиной в выходной сигнал машины Ум или всей системы Усчм. Таким образом, для оптимизации системы еще в стадии проектирования необходимо учитывать все возможности и ограничения человека, управляющего машиной.

Знание возможностей оператора позволит при проектировании системы правильно распределить функции между человеком и машиной.

^ 8.3. Примеры катастроф и аварий с тяжелыми

экологическими последствиями

Новые виды технических средств и технологических процессов, уберегая нас от недостатка энергии и помогая поднимать производительность трудоемких процессов в промышленности и других отраслях, в то же время несут новые опасности, масштабы последствий которых заметно возрастают.

Во время радиационной аварии с Селлафилде (Великобритания) в 1957г., наряду с гибелью людей, было загрязнено радионуклидами около 500 км2 территории. Чернобыльская авария 1986 года привела к потере огромного количества жизней, первоначально серьезно было поражено несколько тысяч квадратных километров территории. Крупная авария на атомной станции Три МайлАйленд в США произошла в 1979 г., непосредственный ущерб от нее превысил 1 млрд. долларов. Резко увеличились поражаемые площади и тяжелые последствия от взрывов и пожаров. В 1973 г. в Чикаго на крупном заводе по выпуску типографической краски в результате аварии возникли пожары и взрывы, разрушившие весь завод. При взрыве в 1976 г. на химическом заводе в г. Севезо (Италия) выброс в атмосферу 2-2,5 кг диоксина привел к заражению территории площадью 18 км2 и переселению тысяч людей. В Мексике в результате аварии трайлера с хлором в 1981 г. погибли 29 человек, тысяча крестьян получили тяжелые отравления. В 1984 г. произошла трагедия в Бхопале (Индия), потрясшая весь мир большим количеством погибших, десятки тысяч людей были поражены тяжелыми заболеваниями легких и дыхательных путей.

В США в 1986 г. пылал многосуточный пожар, возникший в железнодорожных цистернах, содержащих фосфор и серу. Из ближайших населенных пунктов было эвакуировано около 30 тыс. человек. В этом же 1986 г. в Муттнеце на берегу Рейна загорелось 800 т различных химических препаратов. Отравляющие вещества попали в Рейн, поразив его на участке более 300 км. Была нарушена жизнедеятельность более 20 млн. человек.

К сожалению, число подобных чрезвычайно тяжелых, омрачающих жизнь общества примеров велико и привести даже малую их часть во всех подробностях не представляется возможным. Важно, что опасности от техносферы возросли до масштаба ущерба, приносимого человечеству стихийными бедствиями. Возникает закономерный вопрос: почему, несмотря на развитие техники и технологии, направленных на повышение надежности и безопасности, аварии продолжают происходить?

Новая техника и сложные производства проектируются с позиции современного характера опасностей, технических и экономических возможностей их предотвращения. Современные проектно-конструкторские разработки в состоянии гарантированно обеспечить безопасную работу технических средств, не будь дефектов в процессе изготовления, отклонений от предусмотренных режимов работы из-за замены материалов, смены сырья, ошибок человека и т. п.. Сознавая неизбежность трудностей такого рода, конструкторы и проектировщики разрабатывают системы, оснащенные устройствами, предупреждающими аварии в случаях нарушения режимов нормальной эксплуатации. К сожалению, надежность защитных средств также подвержена техническим неполадкам и ошибкам в эксплуатации.

С целью устранения и этой погрешности в некоторых случаях ставятся вторые, а иногда и несколько дублирующих устройств, но все они, уменьшая вероятность аварийных ситуаций, не могут свести степень риска до нуля (если оставить в стороне вопрос об усложнении и удорожании техники в случае использования резервирующих систем безопасности).

Вероятность крупной аварии на современных, потенциально опасных производствах оценивается величиной порядка 10-4. Это означает, что возможно одно разрушение объекта за 10 тысяч объекто-лет. Когда объект один, то с высокой вероятностью он не представит опасности, но если объектов тысяча, то каждое десятилетие может разрушиться один из них, а если объектов 10 тысяч, то каждый год один из них статистически может быть источником аварии. Отсюда можно полагать, что возможны две стратегии: или придать технике повышенную надежность в расчете на будущее развитие или вносить нужные коррективы, повышающие надежность в той мере, в какой увеличивается тираж техники. Практически ни одна из этих стратегий не может быть полностью реализована, так как новая техника должна быть экономически рентабельна, а затраты на надежность и избыточность защитных систем мешают этому. Вторая стратегия чревата большим отставанием, ибо вносить коррективы в проекты - это значит изменять устоявшуюся инфраструктуру производства, обновлять действующие стандарты, сложившиеся технологические операции, устои кооперативных связей, накопленный опыт и т.д. Для иллюстрации этих проблем академик В. Легасов (1986) приводит следующий пример. К 1975 году на атомных реакторах в США было менее 100 случаев трещин от коррозии в зоне сварочных швов на трубопроводе. В 1983 г. число дефектов увеличилось в 6 раз. Эта чрезвычайная ситуация потребовала постоянного ультразвукового контроля, многочасовых наплавочных работ, избыточного простоя реакторов и дополнительного облучения персонала во время всех этих операций. Для изменения ситуации потребуется массовая замена труб, связанная с огромными расходами средств. В то же время в ряде стран, например, Японии и Германии, были применены бесшовные трубы из качественных сталей и дефекты подобного рода не проявлялись.

Новые технические решения иногда используются без учета масштабных факторов, без должного анализа проблем безопасности человека и природной среды. Поэтому созданная и развиваемая техногенная сфера накопила в себе значительные потенциальные опасности. Из изложенного вытекает важный вопрос: что же следует предпринимать на современном этапе развития техники? Насыщенность техносферы потенциально аварийными производствами требует нового подхода к решению проблем безопасности. Такой качественно новый подход может быть осуществлен на основе поиска оптимальных решений в области взаимодействия человека, техники и окружающей среды. Для этого потребуется внедрение новых тренажеров с развитым математическим обеспечением, создание новых систем информации с уменьшенным объемом данных и разнообразием способов подачи внедренных технических средств повышенной наблюдаемости с использованием автоматических и полуавтоматических устройств в системах управления оператора, внедрение дистанционных диагностических и защитных средств и т.д.

Для того, чтобы научно-технический прогресс техносферы успешно решал проблемы безопасности человека и природы, нужны грамотная и объективная информация о сложностях развития техносферы, научно-техническая и духовная культура общения с ней с учетом факторов жизнедеятельности организма и экологических систем. В современных условиях техносферы необходимы объединенные усилия специалистов различных областей знания, направленные на более гарантированное, безопасное и надежное использование имеющихся достижений. Одной из важных научных дисциплин, привлекаемых к решению задач обеспечения безопасности общества и окружающей природной среды, является инженерная экология, призванная решать важнейшие задачи гармонизации взаимодействия общества, техносферы и природы.

^

8.4. Повышение надежности системы

Надежность работы системы во многом зависит от безошибочности действия человека-оператора, управляющего системой. В качестве показателя безошибочности часто используют интенсивность ошибок, вычисляя в расчете на одну операцию по статистическим данным следующим образом:

Pi = (Ni-ni)/Ni; (1)

i = ni/(NiTi), (2)

Рис.8.2. Динамика надежности оператора

в течение рабочей смены

где Pi - вероятность безошибочного выполнения операции i-го типа; Ni, ni – общее число выполненных операций i-го вида и допущенное при этом число ошибок; i – интенсивность ошибок i-го вида; Ti – среднее время выполнения операций i-го вида.

Вероятность безошибочного выполнения операций зависит от уровня работоспособности, и формулу (1) считают справедливой лишь для периода устойчивой работоспособности оператора, которая отличается значительным подъемом производительности труда после врабатывания в начале смены (рис.8.2). Динамика работоспособности характеризуется тремя основными фазами: I - врабатывание с возрастающей работоспособностью, II - устойчивая работоспособность и III - спад в связи с естественным утомлением (кривая 1). Незначительный спад наблюдается также приблизительно за 0,5 часа до обеденного перерыва, который в основном не связан с изменением работоспособности и поэтому на графике не учтен.

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.