CC BY
70
УДК 622.271.4
A.А. Шабанов, асп., (3519) 20-69-75, goldberg1@pochta.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова),
B.С. Великанов, канд. техн. наук, (3519) 315011, rizhik_00@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова)
О ПЕРСПЕКТИВАХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЭРГОНОМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Предложен новый подход в проведении эргономических исследований карьерных экскаваторов с разработкой информационно-логической модели, предложена нечетко — множественная модель для определения уровня эргономичности ЭКГ с использованием специализированного программного обеспечение на ЭВМ в среде MATLAB
Ключевые слова: эргономика, система «человек—машина—среда», нечеткая логика, нечеткие множества, лингвистическая переменная, нечеткий вывод, эргономические показатели.
Вопросам гуманизации технических систем, то есть эргономики, в последние годы уделяется большое внимание. Эргономика - сравнительно новая дисциплина и не имеет до сих пор единого определения. В табл. 1 представлены некоторые определения эргономики.
Таблица 1
Авторские определения дисциплины эргономика [1,2]
Фогель Междисциплинарная наука, занимающаяся проблемой взаимодействия человека и машины
Марелл Научное изучение отношений между человеком и средой; понятие среда используется в более широком смысле, т.е. машины, инструменты, организацию труда и т.д.
Вудсон Возможность конструирования и создание средств достижения более высокой производительности труда, снижение ошибок при их использовании, достижение комфорта и снижение усталости.
Оксала Область прикладных исследований, в которых знание анатомии и физиологии человека и технологии помогает преобразованию производственных процессов и методов труда, производственного оборудования и условий труда. Для того чтобы, они отвечали основным законам человеческого организма и поведения, устраняли чрезмерную нагрузку и возможность травм, а также непродуктивную деятельность организма и повышали производительность труда человека.
Мунипов Наука, комплексно изучающая возможности и особенности человека в трудовых процессах с целью создания оптимальных орудий, условий и процессов труда для человека.
Окончание табл. 1
Наука, целью которой является определение оптимальных системы человек - машина с использованием современных достижений в области биологи, физиологии, анатомии, психологии и технических наук._
В соответствии с ГОСТ Р 6385-2007 - эргономика, научная дисциплина, изучающая взаимодействие человека с производственной средой; сфера деятельности, вид трудовой деятельности, использующий теорию оптимизации, ее принципы, данные и методы для проектирования с целью обеспечения удобства и безопасности труда человека и повышения производительности производственной системы.
Эргономика реализует четыре направления деятельности, различающиеся по методическому и методологическому базису:
— научное - проведение комплексных междисциплинарных исследований путей придания человеко-машинным комплексам ориентированных на человека свойств;
— системное - интеграция данных разных наук о человеке и технике с целью исследования и придания системе «человек — машина», ориентированных на человека свойств;
— практическое — участие в формировании ориентированных на человека свойств у вновь создаваемых, модернизируемых и находящихся в эксплуатации конкретных человеко-машинных комплексов путём использования результатов собственных исследований и данных смежных наук;
— методическое — обобщение опыта создания эргатических систем, стандартизация и унификация процессов учёта человеческого фактора.
Многогранность и сложность изучения организации трудовой деятельности человека требует комплексного подхода, с целью решения триединой задачи повышения производительности труда, сохранения здоровья и развития личности [3].
Системный подход к изучению взаимодействия человека с машиной при учете окружающей среды рассматривался в работах В.Д. Венды, А.И. Губинского, Б.А. Душкова, Г.Н. Зараковского, В.П. Зинченко, Ю.М. Кавуна, А.М. Котика, А.А. Крылова, В.Н. Мунипова, М. Монмолена У. Вудсона и других ученых.
Головин В.С. в работе «Эргономика горнорудного оборудования» занимался вопросами эргономики применительно к экскаваторному оборудованию, по разработанным методикам проведены измерения вибраций, шума, освещенности, микроклимата, запыленности и обзорности. Установлено, что эргономичность горной машины является целостной характе-
ристикой, которая вырастает из следующих эргономических свойств: управляемости, обслуживаемости, осваиваемости, обитаемости и технологичности. Каждое эргономическое свойство, в свою очередь, определяется из ряда комплексных показателей, которые представляют разные, но взаимосвязанные стороны этих свойств. В работе так же дана оценка труда машиниста с целью повышения эффективность работы горнорудного оборудования путем учета возможностей человека на всех этапах его взаимодействия с машиной [4].
Исследованиями Хусаинова В.Г. на основе обобщения, развития и углубления теории расчета эргономических показателей карьерных экскаваторов (рис.1) подтверждено, что низкая конкурентоспособность отечественных экскаваторов обусловлена влиянием ряда факторов, среди которых определяющее значение имеет низкий уровень управляемости и обслуживаемости.
В проводимых исследованиях для определения уровня эргономич-ности (обобщенного эргономического показателя) карьерных экскаваторов авторы использовали методы экспертных оценок - это методы организации работы со специалистами-экспертами и обработки мнений экспертов, выраженных в количественной и/или качественной форме с целью подготовки информации для принятия решений лицами, принимающими решения (ЛПР). Как правило, ответы экспертов носят нечисловой характер. В мышлении человека используются образы, слова, но не числа. Эксперт может сравнить два объекта, дать им оценки типа "хороший", "приемлемый", "плохой", упорядочить несколько объектов по привлекательности, но обычно не может сказать, во сколько раз или на сколько, один объект лучше другого. Другими словами, ответы эксперта обычно измерены в порядковой шкале, являются ранжировками, результатами парных сравнений и другими объектами нечисловой природы, но не числами [5]. Например, у Хусаинова В.Г. критерием оптимизации является обобщенный эргономический показатель, который зависит от комплексных показателей обеспечения управляемости, обитаемости, обслуживаемости, осваиваемости с соответствующими коэффициентами весомости т1=0,4; т2=0,3; ш3=0,25; Ш4=0,05 (рис. 1) [2].
В табл. 2 приведены методы исследований, используемые для определения количественных и качественных характеристик одиночных эргономических показателей карьерных экскаваторов. Отметим, что экспертный метод составляет весомую часть в определении уровня эргономичности экскаваторов, и особенно в тех случаях, когда приходится определять характеристики, которые описываются в основном на качественном уровне.
0.21 0.21
1,04 1.04 и.1В 0,88 0,88 0,16 0,88 0,18 0,88
1,11 1,11 1,13 1,13
1,17
1,66 1.76 1,55 1,65 1,53 1.6
Марион 204М (44-2300 ЗКГ-5А ЗКГ-12 ЭКГ-3,2,30 ЭГО-4
□ Управля емость ■ Обитаемость □ О бслуж ив аем ость □ О сваив аем ость
Рис.1. Обобщенные эргономические показатели сравниваемых экскаваторов с вкладом каждого в общую сумму (2006 г.)
Таблица 2
Одиночные эргономические показатели карьерных экскаваторов
Управляемость
Одиночные эргономиче- Количественные ха- Качественные харак-
ские показатели рактеристики теристики
(метод исследований) (метод исследований)
1 2 3
1. Распределение функ- Органолептический Экспертный - оцени-
ций между человеком и вается наличие на
машиной при управлении экскаваторе частичной или полной автоматизации, средств контроля)
2. Сложность алгоритма операционно-
деятельности машиниста структурный - алгоритмическое описание
деятельности, коэффи- —
циенты стереотипно-
сти и логической
сложности
Продолжение табл. 2
1 2 3
3. Обеспечение информа- Сочетание экспертного и расчетного подходов
ционного взаимодействия и органолептического метода
4. Компоновка элементов Сочетание экспертного и расчетного подходов
рабочего места и мотор-
ного поля машиниста
Обитаемость
5. Тяжесть труда маши- Измерительный —
ниста микроклимат, запыленность, вибрация, освещенность —
6. Санитарно - бытовое Органолептический экспертный
обеспечение
7. Тяжесть труда в кузове Измерительный —
Обслуживаемость
8. Распределение функ- Органолептический Экспертный
ции в системе человек-
машина при обслужива-
нии и ремонте
9. Наглядность и удобст- Экспертный
во эксплуатационной до- —
кументации
10. Доступность и безо- Экспертный
пасность обслуживания и —
ремонта
11. Возможность связи Экспертный
между участниками, вы-
полняющими обслужива-
ние и ремонт
12. Обеспечение средст- Экспертный
вами диагностики
13. Инструменты и при- Экспертный
способления
14.Удобство изготовле- Экспертный
ния, монтажа, транспор-
тировки и утилизации
экскаватора
Окончание табл. 2
1 2 3
Осваиваемость
15. Требования к персоналу — Экспертный
16. Соответствие документации и графической информации в кабине машиниста задачам обучения персонала — Экспертный
17. Унификация компоновки элементов рабочего места машиниста Регистрационный Экспертный
Технологичность
18. Наличие в НТД на машину требований по эргономике — Экспертный
19. Уровень шума и вибрации при изготовлении отдельных деталей экскаватора Измерительный Экспертный
20. Обеспеченность технической документацией по монтажу и транспортировке отдельных узлов экскаватора — Экспертный
21. Удобство монтажа, транспортировки, демонтажа и утилизации экскаватора — Экспертный
Следует также учесть, что до настоящего времени отсутствует четкая классификация методов исследования и подходов в определении эрго-номичности карьерных экскаваторов. Это определяется тем, что данная классификация должна охватить все направления исследований эргономики, которые еще окончательно не оформились и динамично развиваются, вследствие приобретения новых знаний о взаимодействии элементов системы «человек — горная машина — среда» (рис.2).
Рис.2. Структура эргономических показателей с учетом неопределенности в их качественно-количественных характеристиках
В качестве наиболее перспективного и обоснованного подхода в определении эргономичности экскаваторов нами определен нечетко-множественный подход, который позволяет максимально сократить переход от вербального словесного качественного описания объекта и его характеристик, определяемых человеческим мышлением, к численным количественным оценкам его состояния. Анализ работ по определению уровня эргономичности отечественных карьерных экскаваторов позволил нам определить дальнейшие направления исследований с решением следующих задач:
— обосновать использование нечетко - множественного подхода для проведения эргономических исследований;
— адаптировать и применить алгоритмы работы с математическими моделями нечеткой логики;
— реализовать с использованием современных информационных технологий, среда МА^АВ, математические модели с элементами нечеткой логики по определению уровня эргономичности отечественных карьерных экскаваторов (рис.3).
Рис.3. Этапы эргономического исследования карьерных экскаваторов на базе нечетко-множественного подхода
Теория нечетких множеств опирается на предпосылку о том, что элементами мышления человека являются не числа, а элементы некоторых нечетких множеств, для которых переход от "принадлежности" к множеству — к "непринадлежности" не скачкообразен, а непрерывен. Впервые такой подход был предложен американским математиком Л. Заде в 1965 г. и предназначался для формализации неточных понятий, анализа и моделирования систем, в которых участвует человек. Это привело к появлению математического аппарата для разработки моделей на основе нечеткой логики, отличительной особенностью которых является возможность формализовать и преобразовывать количественно нечеткие (качественные) понятия, которыми оперируют эксперт при описании своих представлений о реальной системе, своих пожеланий, рекомендаций, целей управления. Нечеткие модели имеют ряд особенностей по сравнению с традиционными, наиболее существенными из них являются [6]:
нечеткие модели являются более гибкими, поскольку в большей степени позволяют учитывать опыт и интуицию специалиста в определенной области;
нечеткие модели управления и распознавания сложных систем являются более адекватными моделируемой реальности и позволяют получать решение, по точности соотносимое с исходными данными;
нечеткие модели в ряде случаев требуют меньше времени для полу-
26
чения результата;
нечеткие модели позволяют увеличить скорость обработки качественной информации при использовании относительно несложных специализированных устройств;
нечеткие модели создаются в тех случаях, когда построение четких невозможно или затруднительно.
Нечеткий подход к моделированию систем управления, оценки и распознавания имеет следующие отличительные черты:
в нем используются, так называемые, "лингвистические" переменные, вместо числовых переменных или в дополнение к ним;
простые отношения между переменными описываются с помощью нечетких высказываний;
сложные отношения описываются нечеткими алгоритмами. Отметим, что важнейшей особенностью жизнеспособности любой теоретической концепции является ее реализация и поддержка в соответствующих программных продуктах. В настоящее время активно формируется мировой рынок коммерческих программных продуктов для работы с нечеткой логикой. На нем представлено более 100 пакетов прикладных программ, которые в той или иной мере используют нечеткую логику. Лидерами в данной области являются несколько компаний-разработчиков программного обеспечения. Их инструментальные средства ориентированы на применение нечеткой логики в максимальном количестве областей и приложений. Это пакет CubiCalc фирм «Hyper Logic», «FuzzyTECH» (Inform Software), «FIDE» (Ap-tronix), пакеты расширения к MatLab: Fuzzy «Logic Toolbox (поставляется с MatLab) и FlexTool for MATLAB компании Cynap Sys», а также пакет JFS (разработчик Ян Мортенсен) и другие [7, 8,
9].
Среди рассмотренных пакетов наибольшей универсальностью обладают FuzzyTECH и расширение Fuzzy Logic Toolbox for MatLab. Пакет Fuzzy Logic Toolbox for MatLab обладает более широкими возможностями по сравнению с FuzzyTECH для аппроксимации нелинейных зависимостей адаптивными нечеткими моделями [10]. Важным плюсом является тот факт, что математическая среда MatLab популярна в СНГ и имеется достаточное количество документации и информационных источников по ее применению.
Для эргономических исследований карьерных экскаваторов нами использован пакет Fuzzy Logic Toolbox for MatLab. На рис 4 представлена структура создания нечеткой модели по определению уровня эргономичности экскаватора.
Структура модели включает: определение количества входных и выходных лингвистических переменных, характеризующих параметры состояния эргономических показателей; определение для каждой лингвистической переменной количества ее значений - термов;
определение наименования лингвистических переменных и их термов, задание универсума (области определения) термов лингвистических переменных; выбор видов функций принадлежности для термов лингвистических переменных на их универсумах; определение структуры логических правил управления «если...то».
Рис.4. Структура нечеткой модели по определению уровня эргономичности карьерного экскаватора
Решение поставленных задач найдет свое отражение в дальнейших исследованиях в области использование нечетко-множественного подхода и публикациях авторов.
Список литературы
1. http://allbzhd.ru/osnovy-ergonomiki/opredelenie-ergonomiki.html
2. Хусаинов В.Г. Обоснование и расчет эргономических показателей карьерных гусеничных экскаваторов производства ОАО «Уралмаш»: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург: УГГУ, 2006. 20с.
3. Сергеев С.Ф. Инженерная психология и эргономика: учеб. пособие. М.: НИИ школьных технологий, 2008. 176 с.
4. Головин В.С. Эргономика горнорудного оборудования. М.: Недра, 1990. 183 с.
5. Орлов А.И. Организационно-экономическое моделирование: учебник: в 3 ч. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. Ч.2: Экспертные оценки, 2011. 486 с.
6. Корчунов А.Г. Методология управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики: дис. ... д-ра техн. наук. Магнитогорск, 2010. 320 с.
7. http: / / www. mathw orks. com
8. John E. Dickerson and Julie A. Dickerson "Fuzzy Network Profiling for Intrusion Detection", Iowa State University. September, 2001
9. Zamboni D, An Architecture for Intrusion Detection using Autonomous Agents//COAST Technical Report 98/05, COAST Laboratory. Purdue University. June 11, 1998
10. Малышев Н.Г., Берштейн Л.С., Боженюк А.В. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР. М.: Энергоатомиздат, 1991.
A.A. Shabanov, V.S. Velikanov
ABOUT PROSPECTS OF RESEARCHES IN THE FIELD OF ERGONOMIC PROVIDING DOMESTIC CAREER EXCAVATORS
In article the new approach in carrying out ergonomic researches of career excavators with development of information and logical model is offered, is offered indistinctly -multiple model for definition of level of ergonomics of an electrocardiogram with use specialized program providing on the computer in the environment of MATLAB.
Key words: ergonomics, chelovek-mashina-sreda system, indistinct logic, indistinct sets, linguistic variable, indistinct conclusion, ergonomic indicators.
Получено 18.04.12
