Введение к работе
Актуальность работы. Одним из путей повышения эффективности промышленного и сельскохозяйственного производства является его комплексная автоматизация, построение предприятий по принципу автоматизированных технологических комплексов (АТК),т.е. систем, в которых один или несколько технологических объектов работают под управлением иерархической АСУ технологическим процессом с большим или меныиим участием человека. В последние годы большие надежды связывались с "безлюдными технологиями". Однако, в настоящее время фетишизация полной автоматизации производства начинает уступать место более трезвому подходу - поиску разумных границ автоматизации, пониманию возрастания в условиях комплексной автоматизации роли человека и пены его ошибок.
Отечественный и зарубежный опыт автоматизации производства показывает, что решение проблемы организации оптимального взаимодействия человека-оператора с автоматикой таит в себе большие резервы повышения эффективности АТК.
Проблема эргономического проектирования АТК может быгь решена при использовании арсенала концепций и средств эргономики, ориентированных на количественные методы и применение современных средств компьютерной техники. Работы ученых ряда научных школ создают предпосылки для решения проблемы. Однако в целом ее нельзя считать решенной до конца з связи с отсутствием методологии анализа и синтеза АТК, как комплексной информационно-производственной иерархической многофункциональной системы, включающей технологический объект управления и автоматизированную систему управления технологическим процессом; отсутствием концепции комплексной автоматизации деятельности эргономиста по исследованию и проектированию АТК, охватывающей все этапы квалиметрического эргономического проектирования; неприспособленностью методологии проектирования эрготехнических систем (ЭТС) к необходимости автоматизированной генерации проектных вариантов, а также к условиям, в которых представления эргономиста о системе являются неполными или неточными; отсутствием разработок в области генерации проектных вариантов АТК; недостаточной обоснованностью и точностью моделей оценки проектных вариантов алгоритмов функционирования- (АФ) АТК; оперированием з различных подходах к выбору оптимального проектного варианта показателями различной номенклатуры; отсутствием разработанного банка методов решения оптимизаци-
онных задач, учитывающих все отличительные особенности АТК и возможные потребности эргономистов и рядом других причин.
Поставленная в диссертационной работе проблема решалась в рамках
целевой комплексной программы ГКНТ 016.10 "Гибкие автоматизирован
ные производства" в соответствии с заданием 01.06.04 "Разработка прин
ципов создания систем контроля в ГПС" (утверждено приложением N"75 к
Постановлению ГКТК СССР от 30 октября 1985 г. .N555), работ темы IV
проблемы 1.37 "Разработка научных основ эргономических норм и требо
ваний" программы международного сотрудничества стран - членов СЭВ,
национальной научно-технической программы Украины
"Агропромкомплекс" в соответствии с заданием 1995 г. "Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, первичной обработки и хранения продукции и технический сервис в АПК", а также ряда других программ.
Объектом исследования настоящей работы являются автоматизированные технологические комплексы (АТК).
Предметом исследования являются процессы проектирования взаимодействия человека-оператора с информационно-программно-техническими средствами АТК.
Цель работы состоит в разработке основ теории автоматизированного (основанного на информационных технологиях) квалитетного эргономиче" ского исследования и проектирования АТК,' инструментария реализации концепции - моделей для исследования, методов и средств обеспечения эр-гономичности и аппробация концепции и инструментария при создании АТК.
Задачв исследований. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Сформулирована концепция информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК (глава 1).
-
Разработан комплекс системных моделей АТК if метод генерации вариантов организации АТК (глава 2).
Ы Разработан комплекс моделей оценки качества алгоритмов функционирования АТК (глава 3).
-
Решен комплекс, задач выбора оптимального варианта организации АТК, учитывающих особенности объекта и характер деятельности в АТК человека-оператора (глава 4).
-
Разработана информационная технология исследования и проектирования АТК - программное, информационное и методическое обеспечение (глава 5).
6. Решен ряд задач эргономического проектирования для различных систем, отраслей, производств (глава 6). Автор защищает:
концепцию информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК;
комплекс системных моделей АТК, необходимых для эргономического проектирования, и метод генерации проектных вариантов организации АТК;
методы и средства оценки показателей функционирования АТК при различных вариантах организации АТК, учитывающие случайный характер времени выполнения операций и влияние на качество деятельности опера-ционно-темповои напряженности:
методы и средства выбора оптимального варианта АТК при различных постановках задач оптимизации, учитывающих особенности эргономического проектирования АТК;
информационную технологию эргономического исследования и проектирования АТК (информационное, программное и методическое обеспечение), методику разработки информационно-справочных систем для целей эргономического проектирования;
- результаты по эргономическому проектированию конкретных АТК.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в
следующем:
эргономическое исследование и проектирование АТК рассматривается как совокупность этапов системного эргономического анализа и синтеза не отдельных элементов, а системы в целом, с учетом как технологического объекта управления, так и системы управления и с учетом требований всех задач эргономического проектирования: новизна концепции информационной технологии эргономического исследования и проектирования состоит в том, что структура технологии и соответствующей автоматизированной системы обосновывается с позиций интегрированной обработки информации;
з отличие от известных экспертно-эмпирических подходов к получению вариантов организации ЭТС поставлена и решена задача генерации вариантов на основе формальных моделей; разработан подход к построению моделей АТК и генерации вариантов на основе ненадежных данных и знаний:
п отличие от существующих моделей оценки своевременности реализации АФ ЭТС, основанных либо на численных методах, либо на оценке математического ожидания и дисперсии времени выполнения АФ и допущении о нормальном (гамма) законе распределения времени выполнения
АФ, дающих приближенное значение вероятности своевременного выполнения без оценки его погрешности, получены более точные аналитические модели, основанные на оценке значения функции распределения времени выполнения АФ в требуемой точке, позволяющие получать в случае приближенных значений оценку погрешности вычислений;
в дополнение к существующим статичным моделям деятельности разработаны модели, позволяющие учитывать динамику показателей качества деятельности в зависимости от операционно-темловых условий деятельности и установок оператора;
поставлена и решена задача оптимизации с ограничением на вероятность своевременного выполнения АФ; ранее решалась детерминированная задача оптимизации АФ с ограничением ка математическое ожидание времени выполнения АФ, не учитывающая случайный характер времени реализации АФ;
поставлены и решены задачи оптимизации алгоритмов деятельности средствами регулирования временных ограничений на реализацию деятельности;
разработан комплекс различных методов многокритериальной оптимизации эргономического качества, учитывающих возможные представления пользователя-эргономиста об оптимальности и использующих не только прагматические показатели, но и показатели различных других групп," используемых при моделировании -и оптимизации ЭТС различными научными школами;
поставлены и решены эргономические задачи оптимизации, учитывающие многофункциональный характер проектируемой системы;
в отличие от имевшихся ранее разрозненных программных продуктов, предназначенных для эргономического проектирования, создан информационно-программный комплекс, представляющий единую систему, реализующую информационную технологию эргономического нсОедованш: и проектирования;
в разработанной информационно-справочной системе о качестве выполнения оператором типовых действий и операций предусмотрены иоз-можности гибкой. настройки на различающиеся исходные данные о качестве, возможности введения и удаления влияющих факторов, задания новых математических моделей учета поправок и выбора моделей из базы данных;
в отличие от существующих подходов к разработке информационно-справочных. систем на базе программирования разработана технология по-
лучения информационно-справочных систем для целей эргономического проектирования, исключающая процесс написания программ.
Достоверность результатов обеспечена доказательством выдвинутых утверждений; аналитическими выводами зависимостей, используемых в моделях; корректным применением методов и моделей прикладного исчисления предикатов, функционально-структурной теории зрготехнических систем, эргономики и инженерной психологии, теории надежности, теории вероятностей, полумарковских управляемых процессов; экспериментальными исследованиями; опытом использования результатов при проектировании различных АТК в различных отраслях народного хозяйстза; опытом эксплуатации АТК, созданных'с учетом или на основе результатов настоящих исследований.
Практическое значение. Сформированные в работе положения очерчивают круг проблем, связанных с эргономическим проектированием ЛТК. показывают актуальные направления повышения эргономического качества АТК. Использование методов и средств, изложенных в диссертации, позволяет еще на стадии технического или рабочего проектирования решить многие вопросы обеспечения необходимого качества и эргономичностн АТК, а именно: сгенерировать множество допустимых проектных вариантов, оценить качество конкурирующих вариантов и сравнивать значения показателей с нормативными или директивными; выбирать оптимальный вариант. Обеспечивается более высокое качество проектных решений (по сравнению с существующими методиками и программными средствами) за счет повышения точности расчетов показателей, а также постановки и решения ряда новых оптимизационных задач, учитывающих особенности АТК. Трудоемкость эргономического проектирования и исследования АТК в результате внедрения разработанной информационной технологии может быть значительно снижена вследствие комплексной автоматизации ряда функций эргономиста (от генерации вариантов до выбора оптимального варианта), кроме того информационная технология основана на современных компьютерных средствах, что позволяет благодаря использованию арсенала новых возможностей повысить эргойомичность самого процесса эргономического проектирования.
Выполненные разработки и сделанные рекомендации применимы для любой отрасли и позволяют эффективно внедрять достижения эргономики я народное хозяйство.
Реализация результатов работы. Полученные результаты п виде методик, информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК (в полном объеме или в объеме отдельных инфоргтаци-
онных или программных средств) использованы рядом предприятий и организаций при проектировании или модернизации АТК различного назначения, в том числе: в Санкт-Петербургском Государственном НИИ систем управления "Центр-СУ" при эргономическом проектировании пяти гибких производственных систем механической обработки деталей типа "тела вращения" (внедрены на предприятиях судостроительной отрасли), а также при разработке автоматизированной системы безопасности на автомобильных магистралях (СОБ-2000); в НИПИ АСУ транспорта газа (г. Харьков) при эргономическом проектировании АСУ ТП магистрального газопровода "Ямал-Запад"; в Сумском НПО "Электрон" при модернизации автоматизированной системы электронно-лучевой сварки (ЭЛА-60); в Харьковском НИИ комплексной автоматизации Министерства энергетики и электрификации Украины при эргономическом проектировании подсистем АСУ ТП АЭС; в Инженерном центре приборостроения и компьютеризации (г. Харьков) при эргономическом проектировании автоматизированной системы контроля и регулирования вредных и опасных веществ в производственной среде; в Центре измерений и математической обработки телеметрической информации космических средств при разработке и модернизации процессов переработки информации в системах специального назначения; в Санкт-Петербургском АО "Проминформсеть" при разработке информационной сети промышленных предприятий оборонных отраслей; в Сумском управлении сельского хозяйства при эргономической экспертизе сельскохозяйственной техники; на других предприятиях.
От внедрения результатов исследования получен значительный экономический эффект.
Результаты диссертации использовались при подготовке отраслевых (Минстанкопрома СССР) методических рекомендаций "Проектная оценка качества выполнения функций АСУ ГПС с учетом действий операторов АРМ". -
Теоретико-методологические, инструментальные и практические результаты, полученные в работе используются в учебном процессе 5 вузов (Сумского сельскохозяйственного института, Харьковской инженерно-педагогической академии, Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета, Интернационального университета (г. Харьков), Института повышения квалификации Министерства машиностроения, военно-промышленного комплекса и конверсии Украины) при проведении лекционных и лабораторно-практических занятий по дисциплинам "Надежность и эргономика автоматизированных систем обработки информации и управления" (специальность "Автоматизированные системы
обработки информации и управления"), "Моделирование производственных систем" (специальности - "Аграрный менеджмент" и "Менеджмент в производственной сфере"), "Надежность и ремонт сельскохозяйственной техники" (специальность - "Механизация сельского хозяйства")и др., з дипломном и курсовом проектировании.
Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в 1982-1996 г.г. на более, чем тридцати республиканских, всесоюзных и международных конференциях, совещаниях по проблемам синтеза АСУ, эффективности, качества и надежности систем "человек -техника'*, эргономики, инженерной психологии, автоматизации проектирования, б т.ч. на ежегодных межрегиональных семинарах "Эргономика и эффективность систем "человек-техника" (Литва, г.Игналина; г. Севастополь; 1982-1991г.г.); всесоюзных симпозиумах "Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника" (Таллин, 1984г., Тбилиси, 1987г.; Воронеж, 1990г.); всесоюзной конференции по инженерной психологии (Ленинград, 1984г.), проектированию диалога "человек-ЭВМ" (Киев, 1985г.); автоматизации проектирования АСУ (Москва, 1987г.), II Международной конференции "Человеческий фактор в вопросах безопасности на железнодорожном транспорте и проблемы железнодорожной медицины" (Харьков, 1996 г.), VI международной конференции "Эргономика рабочего места" (Краков, 1987г.), Международной конференции "Эргономика в России, СНГ и мире" (Санкт-Петербург, 1991 г.), Международной конференции ІЕА (Краков, 1993г.) и др. и получили положительную оценку.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, включая справочник, 1 отраслевые методические рекомендации, 1 учебное пособие,. 3 информационных листка, 48 статей и информационных материалов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения; шести глав; заключения; списка использованных источников, включающего 157 наименований; перечня работ, опубликованных по теме диссертации; 7 приложений. Основная часть диссертации изложена на „293 страницах машинописного текста. Работа содержит И7 рисунков, и 28 таблиц.
Данное исследование сформировалось как определенное научное направление под влиянием доктора технических наук профессора ГЧ'бинского А.И. Автор выражает также благодарность профессорам Евграфову В.Г.,
Чабаненко П.П., Ашерову А.Т. за консультации и критические замечания по работе.
Светлой памяти профессора Анатолия Ильича Губинского посвящает автор этот научный труд.
