CC BY
179
УДК 622 - 1: [658. 512. 2:331.101.1]
А.А. Шабанов, В.С. Великанов
ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ЭРГОНОМИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГОРНЫХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ
С развитием производства меняются условия, методы и организация трудовой деятельности человека, претерпевают существенные изменения функции, роль и место человека в процессе труда. В современном производстве, которое широко оснащается сложными техническими системами, к человеку предъявляются резко возросшие требования, вынуждающие его иногда работать на пределе психологических возможностей. При этом человек несет ответственность за эффективное функционирование больших систем управления производством, транспортом, связью, космическими полетами и т.п. Допущенная им ошибка может привести к очень тяжелым последствиям. Возможности человека увеличиваются за счет развития орудий труда, но они часто оказываются настолько сложными, что становится трудно ими пользоваться. С развитием техники возникла задача согласования параметров технических устройств с возможностями человека [1, 2].
Изучением вопросов, связанных с человеческим фактором, занимаются такие научные дисциплины, как инженерная психология и эргономика, а также сравнительно новая «Интерфейсная теория».
Предметом эргономики как науки является изучение системных закономерностей взаимодействия человека с техническими средствами, предметом трудовой деятельности и средой в процессе достижения цели деятельности.
Эргономическое обеспечение проектных работ заключается в установлении и реализации эргономических требований и формировании эргономических свойств системы «человек-машина-среда» на стадиях ее разработки и эксплуатации. Оно реализуется в виде совокупности взаимосвязанных организационных мероприятий, научно -исследовательских и проектных работ, что повышает эффективность системы и качество труда, удобство и безопасность эксплуатации и обслуживания. Эргономическое обеспечение является обязательным этапом проектирования.
Объектами эргономического проектирования являются процесс (организация, алгоритм) и средства деятельности - внешние, технические (изделие, машина, оборудование) и внутренние, присущие человеку (знания, умения, навыки), а также условия деятельности (рабочее место, среда, психологический климат). В результате эргономического проектирования должны быть определены рациональные функции, которые будет выполнять человек: способы реализации этих функций (цик-
лограммы, алгоритмы деятельности, режим труда
- отдыха); характеристики информации [1-3].
В данной работе подробнее остановимся на эргономическом обеспечения проектирования горных машин. Активные работы в области эргономического обеспечения системы «человек-горная машина-среда», начались в начале 90-х годов XX в.
Эргономическими исследованиями механизированных крепей занимались В.И. Даниляк, В.М. Рачек, Н.И. Меняйло, В.Е. Грищенко, Л.И. Хабаз-ня, А.Е. Кривенко и другие ученые. Для решения задач моделирования системы «оператор - горная машина» в Московском горном институте на кафедре горных машин средствами автоматизированной системы проектирования AutoCAD была разработана трехмерная модель оператора выемочных машин. Модель представляет собой объемный антропоманекен (рис. 1), который в отличие от плоского, может быть использован не только на виде сбоку, но и в любой проекции [4, 5].
Рис. 1. Использование графического фантома оператора для оценки расположения органов управления секции механизированной крепи КМ-138
В качестве примера авторами разработки приводится анализ моторного поля оператора механизированной крепи очистного комплекса КМ-138 с использованием математической модели компьютерного фантома. Рабочее пространство по горизонтали ограничено стойками крепи. В математической модели они рассматриваются как набор цилиндрических поверхностей. Ширина рабочего пространства, в котором может располагаться оператор без учета подвижности рук, равна расстоянию между рядами стоек. Положение оператора в рабочем пространстве определяется его антропометрическими параметрами [4, 5]. Длина руки мужчины колеблется от 0,71 до 0,84 м. При захвате органа управления она сокращается до 0,583-0,713 м соответственно. Для управления
крепью оператор должен находиться не далее
0,55-0,7 м от пульта управления в зависимости от размеров тела. Высота рабочего пространства оператора крепи (рис. 2) определяется мощностью пласта за вычетом толщины перекрытия и основания и величины подштыбовок.
Рис. 2. Зоны досягаемости оператора крепи при работе в позе «сидя на пятках»: 1- оптимальная зона досягаемости; 2 - максимальная зона досягаемости
В дальнейших исследованиях авторским коллективом использована технология фирмы Bentley, лежащая в основе графического пакета MicroStation/J, которая позволила объединить преимущества графических, математических и макетных методов эргономического проектирования в единую систему и создать новый продукт, отвечающий требованиям горного машиностроения (рис. 3).
Работа Головина В.С. «Эргономика горнорудного оборудования» (1990 г.) посвящена вопросам эргономики применительно к экскаваторному оборудованию, по разработанным методикам проведены измерения вибраций, шума, освещенности, микроклимата, запыленности и обзорности. Установлено, что эргономичность горной машины является целостной характеристикой, 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 [6].
В 2006 году Хусаиновым В.Г. защищена диссертация на тему «Обоснование и расчет эргономических показателей карьерных гусеничных экскаваторов производства ОАО «Уралмаш». На основе обобщения, развития и углубления теории расчета эргономических показателей карьерных экскаваторов подтверждено, что низкая конкурен-
Рис. 4. Модель анализа обзорности с рабочего места машиниста экскаватора представленная в AutoCAD 2004
тоспособность отечественных экскаваторов обусловлена влиянием ряда факторов, среди которых определяющее значение имеет низкий уровень управляемости и обслуживаемости. В работе произведено моделирование элементов управляемости и обслуживаемости ЭКГ с реализацией конструктивно-технологических решений по критерию эргономичности (рис.4) [7].
В 2011 году Великановым В.С. опубликована монография «Реализация подходов по совершенствованию эргономических показателей карьер-
Рис. 3. Результат моделирования системы «оператор - горная машина» с использованием технологий фирмы Bentley
а)
К
в)
Рис. 5. а) имитационная модель машиниста и кабины экскаватора; б) обзор ковша из кабины экскаватора; в) общий вид интерфейса системы освещенности рабочего пространства экскаватора
ных экскаваторов». Здесь рассмотрено современное состояние эргономического обеспечения отечественной экскаваторной техники. Разработана научно-методическая база по совершенствованию эргономических показателей карьерных экскаваторов с практической реализацией комплекса алгоритмов и программ компьютерного моделирования системы «человек - экскаватор - забой». Предложены организационно-технические мероприятия, направленные на повышение эффективности эксплуатации экскаваторов [8, 9].
В работе учтен опыт проектирования рабочих мест, анализ рассмотренных моделей позволил выявить направления по совершенствованию компьютерного моделирования деятельности машиниста экскаватора с применением алгоритмов по-
строения трехмерных компьютерных моделей реальных объектов для систем виртуальной реальности (ВР). Компьютерная модель разработана на языке Visual Basic. Трехмерная сцена с имитационными моделями ландшафта, экскаватора и машиниста изображена при помощи 3d studio MAX - виртуальная реальность (рис. 5).
Разработанная модель является эффективным инструментом для интерактивного проектирования рациональной компоновки рабочего места (РМ) оператора. Модель позволяет осуществить следующие операции: трехмерное моделирование рабочего места машиниста с компоновкой элементов и обеспечение информационного взаимодействия; моделирование манекена машиниста экскаватора с учетом основных антропометрических
Рис. 6. Этапы эргономических исследований ЭКГ на базе нечетко - множественного подхода
Таблица 1. Результаты исследований
Научные Практические
Концепция формирования математических моделей с элементами нечеткой логики, основанная на последовательной алгоритмизации этапов интеллектуальной системы поддержки принятия решений по определению уровня эргономичности горных машин. Разработана система автоматизированного проектирования рабочего места машиниста карьерного экскаватора.
Метод математической формализации информации в терминах нечетких множеств, позволяющий адаптировать математические методы для приложений к предметной области исследования эргономичности горных машин. Разработана концептуальная модель построения аппаратно-программного обеспечения тренажерно-обучающей системы.
Определена возможность ранжирования горных машин по критерию эргономичности с использованием метода анализа иерархий. Создан полунатурный тренажер для подготовки операторов горных машин.
Экспертно-аналитический метод, реализующий алгоритмический подход к анализу деятельности оператора и учитывающий качество выполнения технологических операций. Разработана мультимедийная обучающая система «Подготовка машиниста экскаватора».
признаков человека, с возможностью настройки на индивидуальные антропометрические параметры того или иного оператора (рис. 5а). При таком подходе оценка адекватности разрабатываемого проекта РМ осуществляется задолго до его воплощения в материале по следующим эргономическим критериям: обзорности внутреннего и вне-кабинного пространства (рис. 5б); наличию не просматриваемых зон; степени досягаемости органов управления, освещенности рабочего пространства экскаватора (рис. 5в).
Потребность практиков в новых знаниях о человеке, о закономерностях взаимодействия человека с техническими средствами, предметом трудовой деятельности и средой, в конечном итоге, и определяют приоритеты дальнейших эргономических исследований. А именно проектирование и совершенствование процессов (способов, алгоритмов) деятельности человека, а также тех характеристик средств и условий труда, которые непосредственно влияют на параметры деятельности и состояния человека в интересах повышения эффективности труда, сохранения здоровья и развития личности работающего.
Успешная реализация прикладных задач эргономического обеспечения горных машин невозможна без решения соответствующих задач науч-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Громов Ф.А. Эргономика: учеб. пособие / Ф.А. Громов. - Л.: ЛФЭН. 1989 - 210 с.
2. Ильин О.И. Эргономика: учеб. пособие / О.И. Ильин. В.Н. Сидорова. - М. : Рос. Эк. акад. им. Г.В. Плеханова. 2001. - 154 с.
3. Том И.Э. От эргономики биотехнических систем к биоинформатике // Информатика, 2004. - №4.
- С. 127-136.
4. Вьюшина М.Н., Жура В.П. Кривенко А.Е. Математическая модель человека в системе оператор -горная машина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1996. - №4. - С. 9193.
5. Рачек В.М., Вьюшина М.Н., Кривенко А.Е. Моторное поле и зоны видимости человека в системе оператор - горная машина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1997. -№5.
ного характера. В качестве наиболее перспективного и обоснованного подхода в исследовании эргономичности горных машин (на примере -ЭКГ) нами определен нечетко-множественный подход. В настоящее время стремительно развиваются методы математического моделирования на основе теории нечетких множеств, позволяющие преодолевать трудности, связанные с качественным характером, а также неполнотой и расплывчатостью информации. Теория нечетких множеств опирается на предпосылку о том, элементами мышления человека являются не числа, а элементы некоторых нечетких множеств или классов объектов, для которых переход от «принадлежности» к классу «непринадлежности» не скачкообразен, а непрерывен, что позволяет охватить нечеткость человеческого мышления. Этот подход к описанию неопределенности был впервые предложен американским математиком Л. Заде в 1965 г. и предназначался для преодоления трудностей формализации неточных понятий, анализа и моделирования систем, в которых участвует человек (рис.6).
В табл. 1 приведены основные научнопрактические результаты, которые представлены в следующих публикациях [10-21]:
- С. 103-106.
6. Головин В.С. Эргономика горнорудного оборудования. - М.: Недра, 1990. - 183 с.
7. Хусаинов В.Г.Обоснование и расчет эргономических показателей карьерных гусеничных экскаваторов производства ОАО «Уралмаш»: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Екатеринбург: УГГУ, 2006. - 20 с.
8. Великанов В.С. Реализация подходов по совершенствованию эргономических показателей карьерных экскаваторов: Монография. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2011. - 85 с.
9. Великанов В.С., Исмагилов К.В. Проектирование отечественных мехлопат с учетом требований рынка горной техники и эргономических показателей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Горная книга, 2009. - № 2. - С. 30-32.
10. Великанов В.С. Использование нечеткой логики и теории нечетких множеств для управления эргономическими показателями качества карьерных экскаваторов // Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Горная книга, 2010. - № 9. - С. 57-62.
11. Шабанов А.А., Великанов В.С. Оценка одиночных и групповых эргономических показателей
горно - транспортного оборудования на основе нечетких моделей // Перспективы развития горнотранспортного оборудования: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно -
аналитического бюллетеня. - М.: Горная книга, 2011. - ОВ №5. - С. 326-332.
12. Великанов В.С. Применение математического аппарата нечетких множеств при управлении и совершенствовании эргономических показателей качества карьерных экскаваторов // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 9-ой международной научно-практической конференции 6-8 апреля 2011 г. / Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». - Воркута, 2011. - С. 250-253.
13. Великанов В.С. Разработка алгоритмов нечеткого моделирования для интеллектуальной поддержки принятия решений по определению уровня эргономичности карьерных экскаваторов // Горная промышленность. - 2011. - № 5. - С. 64-70.
14. Великанов В.С., Шабанов А.А., Савельев В.И. Новые подходы в определении эргономичности карьерных экскаваторов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. науч. тр. - Екатеринбург: ФГБОУ ВПО «УГГУ» 2012. - С. 27-32.
15. Великанов В.С. Разработка САПР рабочего места машиниста карьерного экскаватора //
Промышленная безопасность и охрана труда: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного
информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Горная книга, 2012. - ОВ №6. - С.70-82.
16. Великанов В.С., Шабанов А.А. Метод анализа иерархий в установлении значений весовых коэффициентов эргономических показателей карьерных экскаваторов // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики Сб. науч. тр. - Тула: ГОУ ВПО «ТулГУ» 2012. - Т1, С. 238-244.
17. Великанов В.С. Тестовые методики и тренажерные средства в системе повышения профессионального мастерства операторов горных машин // Горный журнал. - 2012. - №9. - С.131-133.
18. Великанов В.С., Исмагилов К.В., Шарипов Р.Х. Оценка факторов влияющих на эффективность функционирования горных машин и комплексов с использованием среды MATLAB Fuzzy Logic Toolbox // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. науч. тр. - Екатеринбург: ФГБОУ ВПО «УГГУ» 2013. - С. 315-318.
19. Шабанов А.А., Великанов В.С. Обоснование подхода в задании коэффициента определенности правил нечетких продукций в системах нечеткого вывода // Вестник КузГТУ. 2013, № 4. С. 47-50.
20. Великанов В.С., Шабанов А.А. Применение нечеткого подхода для оценки влияния структуры и режимов управления на показатели эксплуатационной надежности горных машин и комплексов // Горная промышленность. - 2013. - № 3. - С. 101-102.
21. Velikanov V.S. Evaluation and management ergonomic mining machines and complexes based on fuzzy-set approach // European Science and Technology: 4th International scientific conference. Munich 2013. p. 370-377.
□Авторы статьи:
Шабанов Александр Анатольевич , аспирант каф. горных машин и транспортно-технологических комплексов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический
им. Г.И. Носова», email: сударственный технический им. Г.И.
goldberg 1@pochta.ru Носова», email: rizhik 00@mail.ru
Великанов Владимир Семенович, канд.техн.наук, доцент каф. горных машин и транспортнотехнологических комплексов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский го-
