Содержание к диссертации
Введение
1. Геометрическое моделирование рабочего пространства оператора 7
1.1 Объективные предпосылки для автоматизации проектирования рабочих мест 7
1.2 Возможности и разновидности геометрических моделей (ГМ) рабочих мест 10
1.3 Цель и задачи диссертационного исследования 23
1.4 Выводы 24
2. Использование аппарата иммитационного моделирования для автоматизации проектирования рабочего места 25
2.1 Разработка вероятностной геометрической модели рабочего пространства оператора 25
2.2 Математическая модель человека для оценки времени принятия решения человеком-оператором 29
2.3 Краткая характеристика типов решений 30
2.4 Оценка временных затрат оператора на принятие ти- решений 33
2.5 Оценка временных затрат оператора на принятие р-решений 34
2.6 Выводы 40
3. Математические модели задач принятия решения 41
3.1 Математическое моделирование деятельности оператора 41
3.2 Зависимость времени ответной реакции оператора от продолжительности работы 44
3.3 Коэффициент сохранения эффективности выполнения задания 45
3.4 Алгоритм выявления несущественной операции при дефиците времени 48
3.5 Алгоритм определения необходимости резервирования оператора 52
3.6 Априорный расчет времени решения задачи оператором и коэффициента его загрузки 53
3.7 Анализ влияния качества операторской деятельности на эффективность подсистем «человек - технические
средства взаимодействия» 59
3.8 Выводы 73
4. Построение автоматизированной системы синтеза и анализа компоновочных решений 74
4.1. Основные требования, предъявляемые к системе 74
4.2. Назначение, принципы работы и возможности системы 76
4.3. Структура систем массового обслуживания и использование их возможностей при анализе и синтезе компоновок 79
4.4. Анализ систем массового обслуживания в рамках создания системы синтеза компоновки рабочего места оператора 86
4.5.Аналитические модели СМО для описания процесса компоновки 88
4.6. Уравнения Колмогорова как основа создания аналитической модели синтеза компоновки рабочего места 92
4.7. Пример аналитической модели синтеза компоновочных решений 93
4.8. Программная реализация системы создания компоновочных решений 95
4.9. Событийный метод моделирования используемый для системы компоновки рабочего места 98
4.10. Адаптация языка GPSS для задач компоновки 100
4.11. Параметризация работы оператора с органами управления 105
4.12. Создание виртуальной среды моделирования рабочего места оператора 111
4.13. Синтез и анализ геометрии пульта 118
4.14. Программные и аппаратные средства, необходимые для функционирования системы 120
4.15. Выводы 121
Заключение и выводы 122
Список используемой литературы
- Объективные предпосылки для автоматизации проектирования рабочих мест
- Разработка вероятностной геометрической модели рабочего пространства оператора
- Математическое моделирование деятельности оператора
- Основные требования, предъявляемые к системе
Введение к работе
Принято считать, что человек имеет право на ошибку. Человек (назовем его оператором), связанный с использованием и/или обслуживанием сложной техники, как показывает практика, тоже может ошибаться. При этом очевидна зависимость: чем мощнее и опаснее техника, чем масштабнее система, управляемая человеком, тем выше цена ошибки, тем ощутимей могут быть ее последствия.
Последнее время происходит большое количество аварий и катастроф, большая их часть так или иначе, связана с человеческим фактором. Катастрофа, которая произошла с российским самолетом ТУ-154 в небе над Германией, в очередной раз подтвердила это. Причиной этой трагедии стал человеческий фактор. Ошибка диспетчера привела к непоправимым последствиям.
Очень бы хотелось думать, что самые тяжелые происшествия остались в прошлом. К сожалению, действительность наших дней не оставляет на сей счет иллюзий. Человек, вооружившись мощными техническими средствами, только начал задумываться о том, как обезопасить себя от них. Сейчас нужно бороться не против того, что уже взорвалось или неожиданно взорвется завтра. Надо раз и навсегда осознать: бороться необходимо за создание защитных технологий, адекватных той мощности, которая дана в руки человеку.
С позиций науки эргономики можно выделить две стороны рассматриваемой проблемы:
а) когда оператор — первопричина технического сбоя
б) когда необходима реакция оператора на технический сбой
Природа человеческой ошибки сложна и в каждом отдельном случае индивидуальна. Но некоторые общие закономерности проследить можно:
— неудовлетворительная профессиональная подготовка (недостаток специальных знаний)
— профессиональная небрежность как следствие привыкания к одним и тем же повторяющимся операциям (процедурам)
— ошибочные действия вследствие физической усталости (недомогания, психологического стресса)
— преднамеренное нарушение регламента (отступление от норм) с целью "уложиться в сроки", "выполнить приказ", "наверстать упущенное" и т.п.
— наложение (комбинация) уже перечисленных факторов, отчего ситуация, как правило, усугубляется.
Анализ большого числа происшествий, в том числе с человеческими жертвами и значительным материальным ущербом (потеря боевых кораблей, самолетов, разрушение промышленных объектов, загрязнение окружающей среды и т.п.) показывает, что в ряде случаев незначительный, казалось бы, технический сбой перерастает в серьезную аварию, авария — в катастрофу.
И здесь мы снова имеем дело с тем же самым человеческим фактором — насколько адекватной (то есть грамотой и своевременной) оказывается реакция персонала в нештатных ситуациях (поломка, возгорание, взрыв, механические повреждения и т.п.). Что влияет на исход? Безусловно это большой перечень факторов, охватывающий не одну область современной науки, одним из важнейших в нем является область эргономических исследований.
Таким образом, предполагаемое исследование направлено на решение актуальной научно-технической задачи- повышение качества проектирования человеко-машинных систем и, как следствие, повышение безопасности функционирования таких систем.
Повышение эффективности проектирования в настоящее время немыслимо без использования ЭВМ, что, в свою очередь, требует разработки соответствующего программного обеспечения. Необходимо отметить, что известные работы по исследованию зон достижимости рабочих пространств Аруина А.С, Зефельда Е. В, проводились биомеханическими методами без использования ЭВМ.
Разработка программного обеспечения (ПО) для автоматизации проек 6 тирования рабочих мест требует создания математического аппарата, учитывающего как положение и антропометрические данные оператора, так и геометрическую форму обслуживаемых рабочих мест, т.е является типичной задачей геометрического моделирования.
Основополагающие исследования в области геометрического моделирования были выполнены профессорами И.ИКотовым [10,11,12,13], Ы.Н.Рыжовым [35,36,37,38], В.А.Осиповым [27,28,29,30,31], С.А.Фроловым [61,62], В.И.Якуниным [63,64,65,66,67], Г.С.Ивановым [14,15], Ю.Г.Стояном [35-55] и многими другими, однако вопросы геометрического моделирования именно рабочих мест оператора до настоящего времени не нашли своего решения, несмотря на их очевидную актуальность. Некоторые аспекты такого исследования изложены в трудах Арутюняна В.А. и Маркина Л.В.[ 14-25], Гаврилова В.Н [4] и ряда других авторов.
Целью диссертационной работы является разработка научно-методического обеспечения САПР, включающего методики, алгоритмы и программные средства САПР для анализа и синтеза альтернативных вариантов компоновки геометрии рабочих мест. Такой подход позволяет формировать рабочее место человека-оператора не только по критериям пространственно-технологических ограничений, но и учитывать психофизиологическую нагрузку на оператора.
Объективные предпосылки для автоматизации проектирования рабочих мест
Одним из самых важных этапов проектирования комфортного места оператора является создание модели этого места. Данный этап проектирования является одним из самых сложных и дорогостоящих. В данной работе предлагается сократить время и материальные затраты при моделировании конкретного рабочего места, создавая его виртуальный образ. Такой подход позволяет избежать процесса макетирования рабочего места. При этом важным фактором является то, что для этого предлагается использовать уже готовые программные продукты. Для того чтобы показать актуальность такого подхода, необходимо сделать обзор уже существующих методов моделирования рабочих мест.
Одним из первых шагов на пути к оптимально комфортной работе человека за пультом было то, что на этапе проектирования закладывались антропометрические данные. С их учетом формировалась геометрия рабочего места. Но непосредственное использование антропометрических данных при проектировании рабочего пространства возможно лишь в простых случаях—при выборе высоты сиденья или рабочей поверхности. В большинстве рабочих ситуаций подобное упрощенное конструирование вследствие перемещений человека в рабочей зоне оказывается мало эффективным.
Для повышения точности проектирования используют методы моделирования рабочего пространства в натуральную величину—так называемый макетный метод (при этом осуществляются эксперименты по оценке удобства с привлечением испытуемых, имеющих размерные признаки, соответствующие граничным значениям популяции, скажем 10- и 90%-ному перцентилям), а также метод манекенов, при котором плоские или объемные модели тела человека, выполненные с соблюдением пропорций и имеющие шарниры (что позволяет придавать им необходимые положения), помещаются на макеты соответствующих рабочих мест.
Очевидными недостатками этих методов являются сложности реального макетирования рабочих мест в натуральную величину, невысокая точность получаемых данных и высокая стоимость разработок при использовании манекенов.
Наиболее совершенный подход в компоновке рабочего пространства связан с использованием моделей, реализуемых на ЭВМ.
Положение конструктора, создающего проект рабочего места, т. е. той части машины, с которой непосредственно взаимодействует оператор, довольно существенно отличается от ситуации, в которой находятся его коллеги, разрабатывающие другие части машины. Они могут опереться в своих разработках на фундаментальные технические дисциплины (начиная от теории механизмов и машин, сопромата и пр.), стандарты и многочисленные справочные данные. Подобной строгой теории, которую можно было бы использовать при проектировании рабочих мест, нет. Есть лишь многочисленные разрозненные эргономические рекомендации, размерные признаки, которые надо учитывать, дизайнерские идеи. В таких условиях опыт, интуиция конструктора и талант дизайнера могут дать больше, чем точные технические значения, которыми владеет инженер.
Отсюда и своеобразие методов конструирования рабочих мест, где на определенном этапе большую роль играет натурное макетирование: делается макет рабочего места в натуральную величину и затем оно доводится при испытаниях [75]. Такие рекомендации, как переместить ручку управления чуть-чуть вправо, переместить индикатор влево, поднять зеркало заднего вида повыше и т. п., даются обычно после опробования рабочего места испытателем. Традиционно используемый при этом метод проб и ошибок невыгоден: обычно после первой пробы не удается получить требуемое проектное решение, поэтому такой путь конструирования долог и дорог. Широкое развитие вычислительной техники позволяет автоматизировать процесс проектирования в разных отраслях народного хозяйства. Автоматизированное проектирование, осуществляемое с помощью ЭВМ, при рациональном распределении функций между человеком и ЭВМ, по данным [64], повышает производительность труда проектировщиков станочных приспособлений в 5-Ю раз, позволяет в несколько раз сократить сроки проектирования.
Автоматизация проектирования способствует перенесению значительной части конструкторской и дизайнерской работы на первые этапы проектирования, используя для этого графическое изображение модели рабочего места и манекена-оператора на экране компьютера. Оценка удобства разрабатываемого рабочего места в этом случае осуществляется конструктором по заданным эргономическим или биомеханическим критериям [33,34,70]. Возможности, открываемые подобным подходом, очень велики. Используя устройства управления курсором (типа «мышь» или «джойстик»), световое перо или сенсорные экраны, можно вносить исправления в эскизные проекты прямо на экране дисплея. Можно поворачивать трехмерное изображение, разглядывая его с разных точек зрения. Эта точка зрения может совпадать с положением глаз будущего оператора, и это даст возможность видеть обстановку так, как ее впоследствии будет видеть реальный оператор.
Разработка вероятностной геометрической модели рабочего пространства оператора
Задача исследования поставлена таким образом, чтобы оценка была возможна как для готового, уже спроектированного по каким-либо критериям, рабочего места, так и для вновь создаваемых рабочих мест операторов, предназначенных под конкретную (специфическую) область применения. Для осуществления поставленных целей предлагаются следующие подходы:
1. Для сконструированного ранее рабочего места и получения рекомендаций по его перекомпоновке (рис. 2.1). - Анализ органов управления и отображения информации (трудоемкость, вероятная частота использования, время необходимое для выполнения действия, степень важности в системе). - Зонирование рабочего места оператора, руководствуясь общими эргономическими и биомеханическими принципами (зоны обслуживания трудоемких, частоиспользуемых органов и зоны органов требующих меньшего внимания и усилий). - Анализ оптимальности расположения органов управления на основе выбранного математического аппарата. - Создание модели пространственных состояний для манипуляций механической руки.
На этом моменте хотелось бы остановиться подробнее. Для оценки правильности расположения органов управления и, как следствие, компоновки рабочего места в целом, предлагается использовать виртуальную модель манипулятора с большим числом степеней свободы. Модель пространственных состояний составляется таким образом, чтобы точно описать движение оператора в аналогичной ситуации. Двигаясь по заданным траекториям к органам управления можно оценить правильность их расположения как в плане времени требуемого для обслуживания, так и в плане необходимых усилий.
2. Формирование компоновки рабочего места оператора под конкретную задачу (см. рис. 2.2). - Выбор типа рабочего места; - Анализ необходимых органов управления их сортировка по классу обслуживания; - Зонирование рабочего пространства; - Анализ оптимальности расположения органов управления на основе выбранного математического аппарата; - Проверка полученной комбинации при помощи виртуального манипулятора на наличие пересечений и на величину усилий, возникающих в узлах манипулятора при обслуживании пульта управления; - Формулировка конкретных рекомендаций, которые необходимо учесть в процессе создания рабочего места.
Как уже говорилось выше, для анализа компоновки рабочего места предлагается использовать виртуальную модель манипулятора, имитирующего движения оператора (рис. 2.3). Манипулятор в виде нескольких элементов осуществляет обслуживание виртуального рабочего места.
В задачи исследования не входит обстоятельный анализ различных концепций описания мыслительной деятельности человека. Наша цель получить конструктивный аппарат оценки временных затрат оператора на процесс принятия решения.
Мы будем придерживаться так называемой семиотической концепции мышления.
Остановимся на общих положениях, которые легли в основу математической модели. Подчеркнем еще раз, что нас интересует принятие решений человеком-оператором, характер деятельности которого требует в самом процессе работы безусловного принятия решения (так называемые оперативные решения).
Итак, пусть возникла для оператора проблемная ситуация. Принятие решения в ней оператор производит в рамках сформировавшейся у него в процессе предварительных тренировок концептуальной модели». Все расчеты временных затрат ведутся для обученных среднетрениро-ванных операторов, у которых сформированы концептуальные модели различных уровней общности: концептуальная модель выбора (назначения) ТБС (ТС), концептуальные модели проведения каждой ТБС (ТС) в общем и конкретном плане. Концептуальные модели хранятся у оператора в долговременной памяти и в случае необходимости (по "стимул - сигналу") вызываются из нее. Принимается [12, 13], что актуализация из долговременной памяти любой концептуальной модели происходит в среднем за время г = 1,2с со среднеквадратическим отклонением а = 0,2с.
Математическое моделирование деятельности оператора
В основу такого моделирования положена идея использования метода Монте-Карло для имитации вероятностно-временных характеристик деятельности операторов.
Деятельность оператора расчленяется на отдельные операции. Степень декомпозиции деятельности зависит от цели расчета и не имеет для модели существенного значения. В общем случае время выполнения отдельной операции состоит из двух составляющих: Т = Т +Т 1 і 1 Ю.Д т і //; где Тг время основной деятельности оператора внутри / - ой операции; Т1р- время резерва внутри /-ой операции.
Время резерва (Т1р) не является показателем каких-либо индивидуальных качеств оператора и характеризует конкретную техническую реализацию системы „человек—машина", производственную обстановку в зоне выполнения работы и т.д. Поэтому можно считать, что Tip = const для каждой /-ой операции. Время основной деятельности (Тюд), наоборот, характеризует индивидуальные качества операторов, степень их квалификации и т.д. и распределено по усеченному нормальному закону.
Весь набор операций ранжируется на операции существенные и несущественные. Существенная операция — операция, невыполнение которой приводит к срыву всей задачи. Операция, невыполнение или пропуск которой не приводит к срыву задачи, а лишь ухудшает конечный эффект, например точность, называется несущественной.
Разность между временем, отведенным на выполнение задачи, и необходимым — внешний резерв (или дефицит) времени. Суммарное время всех несущественных операций является внутренним резервом. В дефиците времени оператор может жертвовать ближайшими, в порядке следования, несущественными операциями. Если упущенное время навёрстывается, оператор приступает к выполнению всех последующих операций без исключения.
В процессе моделирования деятельности для каждой операции определяется коэффициент временной напряженности, который количественно выражается как s.. = ым т -т. ц натр где Sfl - коэффициент временной напряженности /-ой операции в У-ой реализации; В-индекс существенности J5 = l операция существенная; В = О— несущественная); Время, необходимое на выполнение оставшихся (после /-ой) существенных операций; Ттаів, = \ /=/+1 где Тц -время, отведенное на выполнение всей задачи (время цикла); Т,штР - реально затраченное время на выполнение операций до (/ + 1)-ой в у-ой реализации; п-общее количество операций в данной задаче; /-переменная номера моделируемой операции; /-номер реализации алгоритма.
До определенного порога (для „среднего" оператора Зупред - М0 = 2,3) время выполнения отдельной операции и его разброс линейно сокращаются — эффект так называемой интенсификации (мобилизации) внутренних резервов оператора. С ростом коэффициентов временной напряженности вероятность безошибочного выполнения операции падает от значения Г, (задается как входной параметр) до величины - P,(S,j -1) 1 SV M0 " Р «о"" D - Pi(Sy - 0 і s м P.. = pt При l - ij - m о, 1, D где /;, -вероятность безошибочного выполнения /-ой операции в нормальных условиях.
Выдвигается гипотеза об уменьшении вероятности безошибочного выполнения операции с ростом коэффициента временной напряженности от Ру= Pi при Sy \ до Ри=0 при SV=M0 =2,3. Экспериментальные исследования деятельности операторов показали, что если оператор жестко не лимитирован инструкцией, то к выполнению несущественной операции он приступает в зависимости от оставшегося у него времени.
Основные требования, предъявляемые к системе
Создание САПР, способных решать сложные компоновочные задачи в целом, есть сложная и трудно формализуемая задача. В настоящее время алгоритмы прямого синтеза сложных технических объектов неизвестны. Решение поставленной задачи осуществимо лишь путем разработки для существующих СГМ специализированных приложений, решающих вполне определенные задачи в достаточно узких предметных областях.
Данный подход полностью соответствует новейшим тенденциям развития САПР, удовлетворяет модульному принципу построения комплексных автоматизированных систем и позволяет при сравнительно небольшой стоимости на разработку получить качественное программное решение, пригодное для реального внедрения в производственный цикл.
Рассмотрим основные требования, предъявляемые к архитектурным решениям современных САПР: Принцип включения. Данный принцип предусматривает возможность включения разрабатываемой системы в более комплексную САПР. Принцип системного единства заключается в том, что связи между подсистемами, входящими в САПР, будут обеспечивать ее целостность. Принцип совместимости заключается в обеспечении совместного функционирования всех подсистем как единое целое, при сохранении открытой структуры в целом. Принцип развития заключается в разработке системы с учетом ее постоянного развития путем расширения и совершенствования. Принцип информационного единства и стандартизации заключается в создании единой системы символов и условных обозначений, языков программирования и способов представления информации. Принцип комплексности обеспечивает согласование подсистем, входящих в САПР, с помощью соответствующих компонентов. Принцип полноты запроса говорит о том, чтобы разрабатываемая подсистема запрашивала у пользователя все данные, необходимые для решения конкретной инженерной задачи. Принцип эргатичности, говорящий о том, что проектировщик должен играть ключевую роль в подсистеме, т.е. в режиме оперативного диалога изменять входные данные и получать ответы на интересующие его вопросы, принимать решения по ходу выполнения задачи. Диалоговый (интерактивный) режим работы вычислительных систем получил в настоящее время широкое распространение во многих приложениях. При данном режиме пользователь получает возможность в режиме реального времени вносить изменения в проект, получать результаты и анализировать принимаемые решения, управляя, таким образом, процессом решения задачи.
Помимо перечисленных принципов, являющихся необходимой теоретической основой любой САПР, при разработке современных программных продуктов необходимо также ориентироваться на пожелания потенциальных пользователей.
Таким образом, учитывая перечисленные требования, а также новейшие тенденции в области стандартизации, унификации и, как следствие, интеграции различных программно-технических комплексов, можно сформулировать требования, предъявляемые к архитектуре и функциональным возможностям системы. В данном разделе описываются назначение, основные принципы и возможности системы анализа и синтеза компоновочных решений рабочего места оператора. На рисунке 4.1 показано место компоновки рабочего места и решения задач анализа схемных решений в общей системе формирования общей компоновки рабочего места оператора. Основным назначением системы является: ускорение и повышение качества работы проектировщика на этапе концептуального проектирования при синтезе новых схемных решений рабочего места оператора; анализ компоновочных решений с возможностью прогнозирования нагрузки на человека-оператора при различных режимах управления системой.
Согласно требованиям к системе, изложенным в разделе 4.1, Система анализа компоновочных решений должна работать в интегрированном режиме с большинством систем геометрического моделирования, применяемых в авиационной промышленности. В рамках данной диссертационной работы в качестве примера программная реализация была выполнена с CAD-системой параметрического моделирования T-Flex («Топ Системы», Россия).
