Моделирование деятельности эксплуатирующего персонала производственных человеко-машинных систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ВАРНАВСКИЙ1 Александр Николаевич,

кандидат технических наук КРАХМАЛЬ2 Юлия Сергеевна ТРУШИН3 Александр Сергеевич, кандидат технических наук

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ СИСТЕМ

В статье рассматривается, подход к моделированию деятельности эксплуатирующего персонала человеко-машинной системы, в которой реализуется, учет, психоэмоционального состояния, оператора. Рассматривается, обобщенный структурный метод и использование функционально-семантических сетей для. описания, процесса функционирования, промышленных систем.. Составлена модель производственной человеко-машинной системы, с учетом, психоэмоционального состояния. оператора.

Ключевые слова: эксплуатирующий персонал, человеко-машинная, система, психоэмоциональное состояние оператора, структурный метод, функционально-семантические сети, типовые функциональные единицы.

An approach, to modeling activities of human-machine system, operating personnel, which, is realized, accounting operator psycho-emotional condition is considered. The generalized, structural method, and the use of functional-semantic networks for describe of industrial systems operating process is considered. The model of the production, man-machine system, considering operator psycho-emotional condition is made.

Keywords: operating personnel, man-machine system, operator psycho-emotional state, the structural method, functional-semantic networks, type functional units.

Эксплуатация промышленных и энергетических средств протекает в сложной человеко-машинной системе (ЧМС), имеющей конечной целью выполнение конкретных функций с заданным качеством. В общем случае показатели качества выполнения задачи Кх1 эксплуатирующим персоналом можно представить, как [1]:

^ = (Пх(т); Тх; О(Тх)),

где Пх(т) — вероятность безошибочного и своевременного (за время, меньше заданного т) выполнения задачи; Тх, — математическое ожидание времени выполнения задачи; О(Тх) — дисперсия времени выполнения задачи. Приведенные показатели при проектировании сложной ЧМС можно оценить

с помощью обобщенного структурного метода (ОСМ) функционально-структурной теории, который позволяет проводить априорный анализ разрабатываемой сложной ЧМС и оптимизировать отдельные функциональные цепочки, применяя аппаратно-программные, эргономические или организационные решения [1]. При этом важно делать акцент на человеческом факторе оператора или эксплуатирующего персонала и выделять в моделях человеческое звено и его роль в ЧМС. Такой подход к моделированию ЧМС позволяет обосновать то, как необходимо организовать деятельность человека (без перегрузок), какими эргономическими качествами должны обладать его орудия труда (аппаратные, программные, информационные), какие си-

стемы безопасности должны помогать человеку с управлением технологическим оборудованием при психоэмоциональной перегрузке, и в результате позволит проектировать эффективные, безопасные, гуманные, безаварийные и экологические системы. Цель работы: моделирование производственных ЧМС с учетом человеческого фактора оператора или эксплуатирующего персонала таких систем с использованием системного подхода и обобщенного структурного метода.

Человеческий фактор эксплуатирующего персонала

Человеческий фактор может быть определен как совокупность характеристик лица, принимающего реше-

' — старший научный сотрудник Рязанского государственного радиотехнического университета;

2 — техник Рязанского государственного радиотехнического университета;

3 — доцент Рязанского государственного радиотехнического университета.

Смежные системы

Метасистема

Возмущающие системы

Человеко-машинная система

Человек-оператор

Психоэмоциональное состояние человека-оператора 1А \ 4 Г^ Г^

>

М

I' т1

I

Обработка информации и принятие решения

Воспринимаемая информация

ш Л

о га

I Ш 5

II

п а> ш ш

& ¡Б я »

Машина

Состояние оборудования

Рис. 1. Выделение в модели ЧМС психоэмоционального состояния оператора (эксплуатирующего персонала)

Основы обобщенного структурного метода

ние. Для ЧМС человеческий фактор может обусловливаться ошибочными действиями оператора или эксплуатирующего персонала, поведение которых влияет на эффективность, безопасность и безаварийность работы человеко-машинной системы [2]. Значения т), Tzi, D(Tzi) зависят от текущего психоэмоционального состояния персонала: чем ближе это состояние к оптимальному, тем выше скорость реакции и тем меньше время реакции и принятия решений. Причин неоптимального или опасного психоэмоционального состояния человека-оператора может быть множество: болезненное состояние, сильное внешнее воздействие (аэродинамическое, звуковое, световое, электромагнитное, радиационное и пр.), сильный стресс, болевой шок, утомление и т.д.

При классификации психоэмоциональных состояний выделяют активное бодрствование, психоэмоциональное напряжение, психоэмоциональную напряженность. Психоэмоциональная напряженность — состояние, формирующееся в результате чрезмерного возрастания психоэмоционального напряжения и характеризующееся временным понижением устойчиво-

сти психических и психомоторных функций, выраженными соматовеге-тативными реакциями и снижением профессиональной работоспособности [3]. Оптимальным состоянием является состояние психоэмоционального напряжения. Для этого состояния характерно высокое качество выполнения задач.

Выбор способа определения параметров психоэмоционального состояния оператора или эксплуатирующего персонала промышленных систем, в первую очередь, определяется требованиями и критериями безопасности, подвижности, информативности, чувствительности и реализуемости. Исходя из этих критериев, для определения параметров психоэмоциональной напряженности оператора можно использовать анализ кожно-гальванической реакции, пульсовой волны, электрокардиосигнала, по результатам которого определяется степень адаптации к случайным или постоянно действующим нагрузкам и ряд показателей: ИВР — индекс вегетативного равновесия, ВПР — вегетативный показатель ритма, ПАПР — показатель адекватности процессов регуляции, ИНРС — индекс напряжения регуляторных систем [4].

ОСМ ориентирован на формализацию процесса функционирования ЧМС в целом, т.е. как действий человека, так и операций технической части (машины). При вычислении показателей используется функциональная структура на уровне системы (структура задач) и на уровне задачи (структурные операции). Функциональные структуры приводятся к единому виду за счет универсального аппарата функциональных сетей (ФСС). Аппарат функциональных сетей является достаточно мощным и универсальным средством моделирования и оценки для класса ЧМС, позволяющий учитывать специфические особенности поведения человека-оператора и используемые им машинные средства (технику, программы, информацию). Функциональные сети объединяют процедурную компоненту (собственно функциональную сеть) и декларативную компоненту (семантическую сеть). При использовании аппарата функциональных сетей можно моделировать изменчивость в характеристиках действий человека, перестройку поведения при изменении ситуации.

!ЛЕД

17^

ф х т

н

о е ф ш

0 о-

1 о

^ 9

® я *

О л) ? °

о с; т т

Человек-оператор система МЕ1Ч-1

Обработка информации и принятие решения

Воспринимаемая информация

Управляющее воздействие

ш л

(3 га

I

а> 5

I

ш £

п а)

ш ш

& §

га »

Машина система МАБЬМ

Состояние оборудования

Рис. 2. ЧМС с дополнительными системами контроля психоэмоционального состояния и обратной связи

с системами MEN-l и MASH-l

Модель ЧМС, учитывающая психоэмоциональное состояние оператора (эксплуатирующего персонала), представлена на рис. 1.

На рис. 1 видно, что на психоэмоциональное состояние человека-оператора влияет состояние оборудования, которым он управляет, влияние внешних смежных и возмущающих систем, информация, воспринимаемая через средства отображения; процесс обработки и принятия решения; собственные управляющие воздействия и пр. При анализе психоэмоционального состояния человека-оператора в модели ЧМС необходимо отобразить дополнительно машинную систему МЛЯН-2, которая будет производить оценку психоэмоционального состояния человека и машинную систему МЛЯН-3, которая предназначена для выработки сигналов обратной связи с персоналом и основной машинной системой МЛЯН-1 (рис. 2). В системе МБЫ-1 (человек-оператор) графически условно выделено психоэмоциональное состояние человека-оператора.

В случае если человек-оператор окажется в таком психоэмоциональном состоянии, когда ему будет трудно или он не сможет управлять системой, сигналы по системе обратной связи сделают попытку привести человека-оператора в нормальное состояние (сигнал звуковой или световой, или иное воздействие). Сигнал по системе обратной связи с основной машинной системой

МЛЯН-1 позволит остановить опасный процесс (например, затормозить транспортное средство, перевести его в режим «автопилот», то есть в режим автоматического управления). Система МЛЯН-2 может выработать сигнал опасного психоэмоционального состояния даже тогда, когда в основной машинной системе МЛЯН-1 не происходит существенных изменений.

Методика подготовки моделей процесса функционирования

Данная методика включает следующие действия.

Л Формулирование цели работ по оценке показателей эффективности, качества и надежности (ЭКН). При этом необходимо выполнить ряд действий по присвоению имени всему оцениваемому процессу (например, «Процесс включения энергоустановки»), выделению и перечислению получаемых продуктов труда (например, сигналы включения и появление данных на измерительных приборах), назначению для каждого продукта труда конкретного состава показателей ЭКН.

Сбор исходных данных. Для этого составляется таблица с перечнем всех работ, входящих в процесс функционирования (ПФ), и каждой работе ставится в соответствие ее модель (типовая функциональная единица). В зависимости от назначения в ОСМ различают следующие единицы функционирова-

ния: функционеры, соответствующие реальным операциям или действиям человека, рабочим операциям технологического оборудования, средствам вычислительной техники и программных средств в анализируемом ПФ, и композиционеры, соответствующие некоторым взаимосвязям операций и логическим функциям [5]. Единицы функционирования являются типовыми для достаточно широкого класса процессов функционирования ЧМС, поэтому их называют типовыми функциональными единицами (ТФЕ). Перечень условных обозначений и основных показателей качества выполнения ТФЕ, используемых в настоящей методике, приведен в таблицах в [5].

Далее устанавливаются исходные характеристики (в соответствии с номенклатурой показателей, указанных в таблицах типовых функциональных единиц для каждой работы). Исходные характеристики могут быть определены на основе статистических данных путем расчета и опроса экспертов.

Составление модели ПФ в виде функциональной сети Р„. 3.1. Для составления однопродукто-вой функциональной сети (ФС) необходимо:

а) задать начало функциональной сети в виде стартера всей сети, изображенного прямоугольником, внутри которого записаны имя процесса Р„ и необходимые сведения о нем (рис. 3а);

б

Рис. 3. Задание начала (а), конца (б) функциональной сети и добавление

рабочей операции(в)

б) задать конец ФС в виде финишера всей сети, изображаемого прямоугольником, внутри которого пишется имя получаемого продукта (рис. 3б);

в) к нижнему полюсу стартера сети присоединить первую рабочую операцию (рис. 3в), а в случае одновременно начинаемых работ — первые рабочие операции;

г) продолжать построение функциональной сети, пристраивая ко вторым, третьим и т. д. работам последующие, пока не будет полностью воспроизведена технология;

д) последние рабочие операции присоединить к финишеру всей сети;

е) проверить с экспертами, не допущено ли искажение технологии при составлении функциональной сети. Если будут выявлены ошибки, откорректировать структуру функциональной сети по полученным замечаниям.

3.2. Для составления многопродуктовой сети необходимо составить ФС для каждой однопродуктовой сети:

П1 П2 ПМ

П 0> П 0> ...> П 0.

Моделирование производственной ЧМС

В соответствии с вышеизложенной методикой функционирование машинных и человеческих элементов сложных ЧМС можно представить абстрактной моделью взаимоувязанных функциональных сетей. Взаимоувязанные функциональные сети графически изображены на рис. 4 в виде перекрестно-системной модели, где вертикальные столбцы образуют эр-гатические и неэргатические элементы сложной ЧМС, а горизонтальное деление отображает этапы функционирования. В рамках вертикальных столбцов строятся функциональные структуры.

Для каждой ТФЕ выбирается из справочника [5] или определяется экспериментально значения показателей ЭКН (В' — вероятность получения бездефектного продукта труда; В0 — вероятность выполнения процесса функционирования, с дефектами; Т — среднее время, затрачиваемое на получение продукта труда; D(T) — дисперсия времени выполнения ПФ). Далее, используя аналитику основно-

го структурного метода функционально-структурной теории, производится свертка типовых структур функциональной сети. При этом для каждого фрагмента структурной сети, свернутого в один типовой элемент, получаем по одному значению В', В0, Т, D(T). Меняя структуру функциональных сетей, т.е. внося изменения в человеческую и машинные системы, вновь производим свертку и рассчитываем показатели ЭКН. Таким образом, путем многократного изменения элементов функциональной сети (функциональной модели) удается априорно (путем расчетов по модели) найти оптимальное решение.

В модели промышленной системы на рис. 4 показаны следующие эргатиче-ские системы MEN-1 и MEN-1(PEC).

Система MEN-1 представляет собой функциональную сеть действий человека-оператора. В качестве типовых функциональных единиц применены:

♦ рабочие операции человека-оператора, которые графически изображены прямоугольником с обозначением Р;

♦ операции человека-оператора по контролю функционирования, которые изображены кружком с обозначением К.

Кроме того, для сложных действий возможно использование полного набора функционеров, предлагаемых обобщенно-структурной теорией для разработки модели процесса функционирования. Ветвление функциональной сети и наличие в процессе функционирования циклов обеспечивают графические обозначения в виде ком-

позиционеров:

♦ стартеров «И», «ИЛИ вкл.», «ИЛИ искл.»;

♦ финишеров «И», «ИЛИ вкл.», «ИЛИ искл.»;

♦ циклоформирователей и циклоогра-ничителей.

Система MEN-1(PEC) показывает психоэмоциональное состояние человека-оператора. Ее априорно чрезвычайно сложно смоделировать, поскольку причинно-следственная связь этой системы прослеживается не только с системой MEN-1, но и с целым рядом взаимодействующих и смежных систем. В обязательном порядке отображены функциональные сети эргатической системы и сети машинных систем MASH-1, MASH-2, MASH-3.

Заключение

При моделировании процесса функционирования эксплуатирующего персонала или человека-оператора при эксплуатации им промышленного или энергетического средства следует рассматривать человека и управляемую им машину как единую сложную человеко-машинную систему. В качестве методологической основы при исследовании таких систем необходимо использовать человеко-системный подход и осуществлять системно-эргономические исследования с акцентированием человеческого фактора. Психоэмоциональное состояние персонала влияет на показатели качества выполнения задачи всей человеко-машинной системой, в том числе на эффективность, безопасность и без-

Машинная система обратной связи

с системами МЕЫ-1 и МАБН-1

Машинная система контроля психоэмоционального состояния человека-оператора

ПСИХОЭМО' циональное состояние человека-оператора

Функции человека-оператора

Функции машины (транспортного или энергетического средства)

МАБН-З

МАБН-2

МЕК1-1 (РЕС)

МЕМ-1

МАБН-1

Р1

33с

Р2

РЗ

РЗ

А1

Р4

I

Р5

Р6

Р7

Р8

Р9

Рис. 4. Моделирование производственной человеко-машинной системы

аварийность ее эксплуатации. При моделировании автоматического мониторинга психоэмоционального состояния человека-оператора можно расширить ЧМС дополнительными машинными системами:

♦ системой контроля психоэмоционального состояния человека-оператора;

♦ системой обратной связи с человеком-оператором и с эксплуатируемой им машиной.

Показатели безошибочности и времени выполнения операций при проектировании сложной ЧМС можно оценить с помощью обобщенного структурного метода, который позволяет проводить априорный анализ разрабатываемой сложной ЧМС и оптимизировать отдельные функциональные цепочки, применяя аппаратно-про-

граммные, эргономические или организационные решения. Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образова-

ния и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение № 14.B37.21.0666)

Литература

1. Губинский А.И. Надежность и качество функционирования, эргатических систем. — Л.: Наука, 1982. — 270 с.

2. Человеческий фактор. В 6-ти тт. Т. 1. Эргономика — комплексная научно-техническая дисциплина: Пер. с англ./ Ж. Кристенсен, Д. Мейстер, П. Фоули и др. — М.: Мир, 1991. — 599 с.

3. Панченко Л.Л. Диагностика стресса: учеб. пособие. — Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2005. — 35 с.

4. Варнавский А.Н. Повышение безопасности технологического производства, управляемого оператором../ Спецтехника и связь. 2012. — № 3. — С. 30 — 34.

5. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: Исследования, проектирование, испытания: Справочник/ А.Н. Адаменко, А.Т. Ашеров, И.Л. Бердников и др.; под общ. ред. А.И. Губинского и В.Г. Евграфова. — М.: Машиностроение, 1993. — 528 с.