автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Геометрическое моделирование рабочих пространств оператора

На правах рукописи

□03058022

РИПЕЦКИИ АНДРЕИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОСТРАНСТВ ОПЕРАТОРА

Специальность 05 13 12

«Системы автоматизации проектирования» (отрасть авиационная и ракетно-космическая техника)

Автореферат диссертации на соискание_) ченой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003058022

Работа выпо шена на кафедре «Инженерная графика» в Московском авиационном инсти-1\ ¡е (юсуларс1венном 1с\ническом \шшерсше1е)

Научный р\ ководитсль

Официальные оппоненты

доктор технических нау к В Л Комков кандидат технических наук С В Зе [енов

Ведущее предприятие ФГУ 24-е Научное экспериментально-исстедоватетьское управление Министерства обороны РФ

заседании диссертационного совета Д 212 125 13 Московского авиационного института (государственноготехнического университета) но адресу

125993 Москва Вотокотачское шоссе д 4 павный административным корпус зал заседаний ученою совет (302)

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертационной работы или пристать свой отзыв в 2-х экземтярач заверенных печатью по указанному выше адресу

Для участия в заседании диссертационного совета необходимо заблаговременно заказать пропуск по тел 158-45-91

С диссершцисй можно ознакомился в биб Ш01еке инс1Ш\1а

кандидат технических наук доцент Л В Маркин

Зашита состоится «_

30» 2007г

в

часов на

Автореферат разостан 2007

г

Ученый сскре1арь диссертационного совета

кандидат технических наук доцент

Маркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Высокие требования к человеку-оператор) и усчожнение задач управ тения яв шются основными особенностями развития современной техники (с южных технических комплексов) Происходящие при этом изменения характеристик управ шемых обьскюв вызывающие уве тиченис загруженности оиераюра (которая в некоторых счучаях достгает предельного уровня) существенно снижают эффективность работы четовско-машинных систем Один из путей решения пробтемы сводится к передаче функций оператора интеллектуальным кибернетическим системам Сложность таких устройств высокая стоимость и низкая надежность их в отдельных критических ситуациях застав шют искать иные решения Среди них активное развитие в настоящее время почу-чают способы снижения загруженности оператора (как физической так и пепхофизиочо-гической) и сведения до минимума ситуаций в которых необходимо испочьзование преде 1Ы1ьгх возможностей че ювека

С этой целью применяются следующие конструкторские решения у ту читающие эргономику рациональное распотожение приборов и рычагов управтения удобная конструкция кресла соответствующая цветовая окраска этеметтгов рабочего места Одним из наиботее эффективных путей решения проблемы явтяется разработка и исиотьзование новых методов автоматизации компоновки рабочих мест Использование таких методов позволяет снизить нагрузку на человека-оператора Прогресс в обтасти разработок систем САПР открывает широкие возможности оптимизации в процессе модечирования рабочих мест операторов сложных технических комплексов Одновременно с этим идет поиск и внедрение в конгур ручною управчения новых пшов рычагов управчения и средств отображения информации

Очевидно что для успешного решения возникающих при этом пробтем прежде всего необходимы знания основных закономерностей поведения чечовека-операюра Их по 1уче-ние осуществляется в экспериментальных исстедованиях в которых выявтяются новые закономерности испотьзуемые затем при математическом моде шровании системы четовек -машина и прогнозировании ее качества

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью диссептациоииой работы является разработка методического и программного обеспечения САПР д ш анализа и сшпеза компоновочных решений геометрии рабочих мест с учетом нространственно-техно ютических ограничений нозво шюгцих еократшь сроки и затраты при повышении качества работ на этапе концепг\ачьного проектирования Внедрение в производственный цикл разработанной автоматизированной системы анализа и синтеза компоновки рабочих мест позвотяет конструктору рассматривать максимальное кочичество вариантов компоновки и оперативно решать задачи оптимизации в интерактивном режиме работы системы что приведет к заметному сокращению сроков проектирования и уменьшению материальных затрат Достижение постав юнной цели диссертационной работы осу ществ iuio путем решения с 1еду ющих задач

• проведение сравните (ьного ана птза САПР в при южении к задачам компоновки рабочих мест

• оптимизация компоновочных схем в рамках формирования рабочего пространства четовека-операч opa

• разработка автоматизированною метода аиа шза и сшпеза геометрии рабочих мест

учитывающего втияние особенностей компоновочных решений на загр\зк\ че ювека-опсратора

• разработка новых и модификация с\щсств\юших моле iefi -органов управ leinoi

-базовых элементов рабочих мест -распреде 1ения запросов на обе вживание

• разработка новых алгоритмов и программного обеспечения САПР интегрированного с современными СГМ (системами геометрического модечирования) дтя проведения анализа и синтеза оптимизированных компоновочных решений при создании комфортных рабочих мест человека-оператора

• анализ достоверности результатов разработанных алгоритмов и программного обеспечения САПР для определения корректности поч> чаемых результатов и их применимости на этапе концептуального проектирования

• проведение проектных исстедований по опредепению влияния особенностей компоновки ла эффективность обслуживания и утомчяемость человека-оператора

Методы исследования Для решения посывленных задач в исс юдовашш испо 1ьзо-валась совокупность методов теорешческих эмпирических и математических Теоретико-методотогический базой настоящего исследования явтяются труды исследователей по проблемам прикладной и аналитической геометрии методам геометрического и имитационного моделирования компьютерной графики принципам и методам математической статистики и др\гих смежных наук

Базовыми в этих областях исс юдования явились основополагающие работы отечественных и зарубежных ученых И И Котова Н Н Рыжова В А Осииова С А Фролова В И Якунина Ю Г Сшяна В Н Гаври юва Дж Aji6epia Э Нильсона Э Уолша А Фокса М Прана a iакже X Фримена Л А Люс1ерника В М Де11ярева А С Аруина В В Зефетьда и многих других

Научная новизна диссертации заключается в разработке научно-методического обеспечения САПР включающего методики а щоритмы и программные средства САПР д 1я анализа и синтеза новых вариантов компоновки геометрии рабочих мест с учетом про-cipanciBeHHO-iexHO юшческих дараничешш В ходе рабош были получены следующие новые результаты

• выявлены специфические задачи компоновки рабочих мест оператора исходя из ограничений по степени нагр\зки и \то\пяемости

• предложен метод позволяющий на основе эвристических а 1горитмов полччать широкий спектр компоновочных решений Разделением системы хправтения на составляющие элементы решается задача выбора рациональных схемных решении вариантов компоновки рабочих Mecí обеспечивающих cooiBeiciBiie 1ребованиям по физической и психофизической на!р\зкам на че ювека-онераюра

• на основе с\ществ\ющих методик методов и математических моде ¡ей разработана система анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест работающая в ин-LeipupoiiaiiHOM режиме с современными спермами 1еомефическою моде шрования и обеспечивающая шчное и операшвное решение ироекшых задач

• Разработай САПР-мод\ щ ана шза и синтеза компоновочных решений рабочих мест

Практическая ценность Разработаны методы синтеза компоновок рабочего места оператора и критерии обоснования их выбора \довтетворяющие условиям минимальной на-гр\зки на четовека лправ шюшего системой Математические модети и атгоритмы про-

цедуры и целевые функции испотьзованы в созданном соискатели программном ком-п ]ексе который яв шется современным инструментом конструктора-исследоваге >я и предназначен для выраб01ки 1е\1шчесм1\ рекомендации по нроекшрованию рабочих мес1 че ювека-операюра Резу 1ыа1ы рабош мм\1 бьпь исио шзованы в НИИ и ОКБ авиационной промышленности и других отрастях при разрабо1ке комптексных систем автоматизированного проектирования и при подготовке специалистов по проектированию авиационной техники в у чебных заведениях

Достоверность результатов обеспечивается тестированием программного комплекса при расчет реальных компоновок рабочих \ieci на примере диспе!чера воздушною движения (ВД) Отклонение характеристик физических и математических моделей не превышает ±5 % Система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает по-тучение результатов в соответствии с ГОСТ 22269-76 (Система «человек - машина» Рабочее место оператора Взаимное расположение элементов рабочего места Общие эргономические требования)

Внедрение результатов работы Разработанные методы анализа и синтеза вариантов компоновок геометрические и математические модели рабочих мест и их элементов органов управления а также алгоритмы и программный комплекс внедрены в ЗЛО «Интерьер» ЗАО «Завод металлической и медицинской мебели», на опытном заводе Московского энергетического института и в ОЛО «НПО ' ЛЭМЗ » что подтверждается соответствующими актами о внедрении

Апробация работы Результаты исследований выносились на обсуждение на следующих научно- технических конференциях и форумах

Год Организация Наименование конференции, семинара и т д

2002 ОЛО «ОКБ Сухого» 1-я Научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и передовые разработки в авиационной про-мыштеиности»

2003 Военно-возду шная инженерная академия им НЕ Жуковского Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н Е Жуковского

2003 Московский государственный авиационный технологический у ниверситет Всероссийская мо юдежная нау чная конференция «XXIX Гагарииские чтения»

2003 Московский юсу дарс1венный Х1-я Между народная оуденческая шко 1а-ннстигут электроники и матема-семинар «Новые информационные техно ютики (ТУ) тип»

2003 Московский авиационный ии- «Авиация и космонавшка - 2003» стит\т(ГТУ)

2005 Московский авиационный нн- Х1-и Между народный симпозиум «Динамиче-сш1у1(ГТУ) екпе и хехно 101 ические проб [емы механики конструкций и сплошных сред»

Основные теорешческие по юлчения и некоторые резу чьтаты нее юдования содержатся в статьях и тезисах докладов [1-9] на научно-технических конференциях всероссийскою

и между народно! о уровня

О перспективности темы исследования свидете 1ьсгв\ют полученные соискателем грант

Благотворительного фонда Армейского дипломы IX-го Международного симпозиума «Динамические и техно югические проблемы механики конструкций и сп юшных сред» 1Х-и Международной сп денческой шко ibi-семинара «Новые информационные íexno ioihh»

На защиту выносятся следующие резу "платы определяющие на\чн\ю новизну и имеющие практическую ценность

• Предложен новый метод автоматизированного анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест операторов человеко-машинных систем исходя из условия удовлетворения требованиям к минимизации физической и психофизической загрузки персонала Сущность метода заключайся в испо шзовании алгоритма реализующего возможность прогнозирования выпо тения оператором необходимых операций что по-зводяег решить задачу выбора рациональных схемных решении и достичь минимально возможной загрузки человека на рабочем месте

• Проведенный сравнительный ана шз существующих САПР показывает и\ неадаптиро-ванность д ш проведения расчсюв геомсгричсских параметров рабочего места в соот-велствии с требованиями к снижению и оптимизации нагрузки на человека-оператора на этапе концептуального проектирования (среднее значение суммарной оценки со-ciaBJinei 57 % oí максимально возможною значения)

• Результаты сравнительною анализа математических моделей для решений задач оптимизации эргатических систем (в рамках данной диссертационной работы) показали эффективное^ ainiapaia ТМО для выполнения анализа и сишеза компоновок рабочих Mecí

• Разработанная комплексная расчелная моде ш «рабочее место - че ювек-оператор» состоящая из совокупности подмоде ieíi объемной параметрической модели рабочего Mecía и ею элемешов моделей opiaiioB управ юния моделей ípaeKiopmi движения рук олерашра модели npoiпозирования возможносш выполнения каждой из операций управления в разных режимах работы у правляемои системы

• Приведенные в работе результаты фундаментальных исследований в об тети эргатических ciicieM подшерждаю! адеквашос1ь выбранных меюдов и принятых допущений состав [яющих основу коми юксной расчепгой модели «рабочее месю - человек-оператор»

• Верификация алгоритмов показала что система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает по 1учспие достоверных результатов

Таким образом разработано научно-меюдическое обеспечение САПР включающее методики алгоритмы и прикладные программные средства анализа и синтеза компоновок рабочих мест колорые ремизу юл кониеплуальный подход к решению поставленных задач и позволяют прогнозировать воздействие нагру зки на человека-оператора

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен анализ состояния проб шмы проектирования рабочих мест операторов человеко-машинных uicieM удои [ешоряюших эрюпомическим требованиям Рассмотрены аспекты в шяиия че ювеческого фактора на надежность работы систем в управлении которых у часгвует оператор Сформу лирована цель исследования дана общая характеристика работы

В первой главе диссертации рассматривается один из самых важных этапов проектирования комфорию! о рабоче! о Mecía операюра - соз lainie моде ш мою Mecía Данный Э1ап проекшрованпя яв 1яе1ся одним из самых с южных и дороюсюящих Б данной pa6oie

предлагается сократить время и материальные за!раты при моделировании конкретного рабочего места на этапе создания его впртуа шного образа Такой подход позво 1яет избе-жауь процесса макетровапия рабочею мссы При эюм важным факюром яв [яе!ся ю чю д ш Э10Ю нрсдш1ас1ся испо 1ьзова1ь уже юювые про1раммные нродукш Д ш шю чтобы показать актуальность такого подхода сделан обзор уже существ)юншх методов моделирования рабочих мест

Выполнен анализ современного рынка САПР и выработаны критерии оценки применимости существующих программных продуктов д ш решения задач оптимизации компоновки рабочих мест оператора по следующим критериям

• время подготовки модели к расчету

• скорое 1ьрасче 1а

• точность расчетных методов

• потнота / качество представления результатов

• наличие прел метой базы данных

• решение задач оптимизации

• степень интеграции с системами геометрического моделирования

• 1ребования к квалификации пользова!еля

Одним из первых шаюв на пут к ошималыю комфоршой раб01е человека за пультом было то чю 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 сидеиия или рабочей поверхности В большинстве рабочих ситуаций подобное упрощенное конструирование вследствие перемещений человека в рабочей зоне оказывается мало эффективным

Для повышения ючносш проекшрования иснользуююя меюды моде шровапия рабочего пространства в натуральною величину так называемый макетный метод (при этом проводятся эксперименты по оценке удобства с привлечением испытуемых. имеющих размерные признаки соответствующие граничным значениям популяции например 10- и 90%-му перцентилям) а также метод манекенов при котором плоские или объемные модели тела человека выполненные с соблюдением пропорций и имеющие шарниры (что позволяел придавать им необходимые положения) помещаются на макеты соответствующих рабочих мест

Очевидными недос1а1камп эшх меюдов являкмея сложносш реальною макетирования рабочих мсст в натуральную величину невысокая точность по 1учаемых данных и высокая слоимость разработок при использовании манекенов Все рассмотренные подходы к проектрованию рабочих \ieci базирукнея на одних и 1ех же принципах Зоны досягаемости зоны обзора усилия необходимые для обслуживания биомеханика выполняемых действий - вог основные критерии по которым создается рабочее место в большинстве систем проектирования

Все это яв шется неотъемлемой часгыо создания места оператора но иедосы-точно д 1Я обе пжпвания современных технических коми 1ексов Один из важнейших показате [ей в работе системы «че ювек - машина» - это время обе |уживания органов управ [епия и их комбинации Каждый орган управ1енпя тоже характеризуется временем в [еченис коюрою он обе 1\живае1ся Даже если эю кнопка на вк ноче-иие механизма и ш опредс [енно!о режима рабопл коюрые она обе 1\жпвае1 необходимо время (пусть даже ничтожно малая его вс шчнна)

Работа с иобыми органами управтения и отображения во многом характеризуется временем Этот параметр в данном с I) чае имеет можно сказать стратегическое значение Чем ор1ан управ ]ения с южнее в обе [уживании (физическая 1рудоемкос1ь мноюс1упенчаюс1ь) 1ем бо 1ьше времени на обе пживание он отимае!

Вышеперечистенные системы ориентированы на интерактивное взаимодействие пользоватетя с системой т е манекену пользоватетем предписываются конкретные действия

Возникает необходимость разработки интечлектуа 1ьных ачгоритмов бочее точно отражающих процесс функционирования четовеко-машииных систем в частности у читывающих

- принцнпна 1ьную достижимость той или инои точки рабочего пространства

- особенносш выно шяемых операции в каждой кошро !ьпой ючке

- вероятность выпо шения операции обе [уживания в процессе работы

Разработка таких интеллектуальных атгоритмов и является темой настоящей

работы В следующих раздетах представлены методы и алгоритмы решения сформулированных во введении задач

Во второй главе рассмофены чеюды использования аппарат имшациошюю моделирования для авюмашзации нроек!ирования рабочею мес!а и разрабо1ка вероятностной геометрической модети рабочего пространства оператора

Задача исследования поставтена таким образом чтобы оценка была возможной 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 осуществтения поставтенных целей предлагаются с гедующие подходы

Для сконструированного ранее рабочего места и получения рекомендаций по с! о перекомпоновке (рис 1)

Данные о заданиях Тип

Лереодичность Резерв времени Длительность выполнения Минимальное количество операторов

Максимальное количество операторов

Квалификация операторов

Данные об операторах Проф навыки

Типы обслуживаемых сист°1

Статистические данные по пультам Время работы Время ремонта

Статистические данные по операторам Рабочая нагрузка Перерывы обусловленные личными нуждами простои

Статистические данные по заданиям Время выполнения Частота задержек Чтстота перерывов в ожидании выполнения

Рис 1 Кршерпи оценки компоновочных решений

- аиачиз органов \правтения и отображения информации (трудоемкость вероятная частота испотьзования время необходимое дтя выпотнения действия степень важносш в системе)

- зонирование рабочего места оператора в соответствии с общими ^гономиче-скими и биомеханическими принципами (зоны обе 1\жпвания трудоемких час-

то испотьзуемых органов и зоны органов требу юшпх меньшею внимания и

> СИ И1Й)

- анализ оптимальности расио южсния ор1анов управ [ения на основе выбранною математическою аппарата

- созлание молети пространственных состояний дтя машшу тяцнй механической ру кп

Формулировка конкретных рекомендаций которые необходимо учесть в процессе перегт танировки рабочего места (рис 2 )

Рис 2 Процесс формирования геометрических параметров рабочего места

Общий вид манипуляции д [я операции перемещения может быть представчен схемой приведенной на рис 3

Рис 3 Моде 1ь пространственных состоянии машшу тятора

Задачи компоновки так или иначе сводятся к оптимизации некоторого критерия качества ц.ш, другими словами, функции цеди. Мы представляем размещаемые Органы управления как объекты с параметрами размещения (1.10

Х-П/.!;.....!„; И ¡.И2.....Н„).

Объекты размещения 3, (1=1.2.....к).

Область размещения этих объектов - ограниченное пространство Р плоскости нудыа (рис. 4).

1ребуется разместить объекты с параметрами размещения /, Н,

(/-1.2.....я) в определенной област и с \ четом кратчайших расстояний и технологических требований, чтобы функция цели /■'достигла экстремума оптимизируемой функции £)(Х).

р-ех(Г- О(Х). X СО

где X допустимые геометрические параметры пульта из не которш о множества О.

Диализ методик определения временных затрат и механизмов их расчета, рассмотренных в этой главе, обеспечивает возможность создания алгоритмов САПР, которые позволяют: синтезировать рациональные конструщивно-ком 11 он овоч н ы е решения рабочих мест.

й

Оёчясп. ратмещеиия

Рис. 4. ПараметриЗированное размещение органов управления в ограниченной области центральной зоны управления

Реализация поставленной задачи ipeóyei:

• разработки методики ргпнмизаилй компонуемых областей рабочего места оператора:

• построений кочи.тсксiiolí расчетной модели, позволяющей проводить paéáentbt с использованием \ качанных методик, и ее адашацин к требованиям СЛ1 (Р.

1Í третьей главе рассматриваемся анализ математических моделей деятельности оператора, принятия им решений для обслуживания комбинаций органов управления. что позволяет реализовать компоненты САПР в области моделирования рабочих мест оператора человеко-машинных систем, учитывающих влияние физической на-|рузки 11а человек-оператора и психофизического утомлений-:

15 основу такого моделирования положена идея использования метода Монте-Карло для имитации вероятностно-временных характеристик деятельности операторов.

li

Деятельность оператора расчленяется на отде 1ьные операции Степень декомпозиции деяте 1ыюсти зависит от нет расчета и не имеет д ¡я моде ш существенного значения

В общем с iy чае время выполнения огдечыюп операции состоит из двух состав-чяющих

т,=тйЫ+т1р

где Тг время основной деятечыюсти оператора внутри 1-й операции

1,р - время резерва Biiyipn ;-й операции Время резерва (Тр) не явтяется показателем каких-либо индивидуальных качеств оператора и характеризует конкретную техническую реализацию системы «че-товек - машина» производственную обстановку в зоне выполнения работ и т д Поэтому можно считать что Ttp = const дтя каждой /-й операции

Время основной деятельности {Т;() () 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 ичи пропуск которой не приводит к срыву задачи а лить ух\дшае1 конечный эффек1 например ючноемь называе1ся несу шественной

Разность между временем отведенным па выпотнение задачи и необходимым -внешний резерв (или дефицш) времени Суммарное время всех несущес1венных операций является внутренним резервом При дефиците времени оператор может жертвовать ближайшими, в порядке следования несущественными операциями Fein упущенное время навёрстывается оператор приступает к выполнению всех по-счедующих операций без исключения

В процессе моделирования деятельности для каждой операции опреде [яется коэффициент временной напряженности который количественно выражается как

В, = \

S = ^-

Т -Т

1 Ч * I :w¡

1де Sn - коэффицпеш временной напряженносш ;-й операции в /-й pea шзации В-индекс существенности В = 1 (операция сушесчвенная)

В = О (операция песущес1венная) Время необходимое на выпо тение оставшихся (нос ie í-и) сушес1венных операций

lm= i

/./+1

где Тц -время отведенное на выпочненпе всей задачи (время цнма) „„, - pea 1ыю зафаченное время на выпо теине операции до (г + 1)-н в / - и реатизацнн

н — общее ко шчесгво операций в данной за чаче /-переменная номера модечнрусмои операции

/-номер реализации алгоритма

До определенного порога (дтя «среднего» оператора = М„ = 2 3) время

выпо шения отдельной операции и его разброс ншейно сокращаются - эффект так называемой интенсификации (мобилизации) внутренних резервов оператора

С росшм коэффициешов временной напряженносш верояпюсль безошибочного выполнения операции падает от значения Р, (задается как входной параметр) до величины

р _— при 1 < < М„

"~Р' IV-1

п 7 при 1<\<Л/0

" 13

где -вероятность безошибочного выполнения ;-й операции в нормальных условиях

Нами выдвинута гипотеза об уменьшении вероятности безошибочного выполнения операции с ростом коэффициента временной напряженности от Рд = р, при Би <1 до Рд =0 при =М„ = 23 Эксперимешальные исстедования деятельности операюров показали чю если операюр жеслко не лимишрован инслрукцией ю к выполнению несущественной операции он приступает в зависимости от оставшеюся у пего времени В этой связи вероятность того что оператор приступит к выполнению несущественной операции в зависимости от израсходованного времени, имеет вид

Рн = ечр(-Я,/„ | В, = 0) Логически оправдано Рн = 1 при = 1ц0,Рн ~> 0 при /я -> Т Для нахождения ^„предположим что при 1И=Т2 РП/ =10"3

При исследовании зависимости времени ответной реакции оператора о г про-дотжителыюсти работы мы примем следующие устовные обозначения О, - несущественная операция /„ -7-е время начала выполнения операции

Перейдя к общим обозначениям = 0 = ехр(-Я(7^|в, = 0) ^ 1СГ1 получим

69

'' ~ Т'В, =0

Таким образом риск онераюра - нриспналь и ш не прис1\па1ь к выполнению несущес1венной операции в зависнмост 01 юю ско 1ько времени 01 ее д ипель-ности у/ке израсходовано - учитывается следующим образом (рис 5) выбирается случайное число равномерно распределенное в интервате 0-1 Это чисто имитирует вероятность приступить к выполнению /-и несущественной операции(/'я |В1 =0)

Пол\ченная вероятность пересчитывается на время опредетяющее предетьную точку выпо шения данной операции

\п1>, I, I =-

6 9

Затем преле 1ьное время (¡н пч:1) сравнивается с текущим временем израсходованным оператором (?;,,„,) Ее ш <Тн „(1,-операция выпо тяется если 7" >Т„ - не выпо 1няе1ся

Экспериментальный анализ деятельности операторов показал что ряд операции (переключение маенпаба на экране РЛС перенос сис1емы координат на уоройсша отображения ввод исходных данных в вычислитель и т д) можел быть выполнен совместно с другими операциями за время Г1р Возможность совмещения действии позволяе1 операюру нодс!рахова1ься в случае невыпо тения эшй операции но в ю же время приводи! к возможности перерасхода времени параллельно операцию выполнить не удалось а время на попытку ее выполнения затрачено В связи с этим в модель вводится ряд критериев позволяющих оценить необходимость и возможность выполнения совмещенных действий

— операция выпо шяемая паралле 1ыю должна быть существенной

— если в оставшееся от выполнения очередной операции время укладываются две или неско (ько су щественных операций выполняется та среднее время выпо тения которой наименьшее Данное ограничение вводится исходя из минимального риска перерасходовав отведенное на выполнение задач время

В модель введена матрица параллельных операций (с какими операциями и какие операции можно выполнять параллельно)

Метод предусматривает сравнение остатка времени от выполненной операции со средним временем необходимым на параллельные операции

Т - £ >Т

J / bi — 1 ¡H ,r ■>

1де -среднее время выпо тения операции

¿l - с i\чайное (pea 1ьное) время выпо тения i-и операции Т -среднее время выполнения пара 11елыюй операции Таким образом при выпо шении \с ювип

T,-'l>TimpABIKip = l

паратлельная операция выпотняется Если операция выполнена с ошибкой она будет повторена на отведенном ен в ачгоритмс месте но время затраченное на попытку ее выио шения иде! в акшв закаченною времени

Рассмо1ренные в эюн i шве меюды ана шза за1ружепносш операюра позво ш-ют обеспечить в процессе синтеза компоновочных решений прогнозирование физического и псилофлзического состояния оператора в процессе работы

На основании проведенных исстедований разработаны методы компоновки рабочих мест оператора в основу которых ier 111 а 1горитмы для автоматизированного построения и оптимизации рабочих мест оператора

В четвертой главе рассматривается создание компонентов САПР с испочьзо--ванием аппарата теории массового обслуживания (теории очередей) и методической базы полученной в первых ipex 1 чавах по опреде lemno кршериев моделирования рабочего пространства оператора

Описаны основные возможности и принципы работы созданного соискатечем программного продукта и его практическое применение дтя выиотнения анализа и синтеза рабочего месга оператора Место занимаемое модулем анализа и синтеза компоновочных решений в иерархической структуре системы автоматизированного проектирования показано на рис 6

Рис 6 Система ана шза и сишеза компоновок в иерархической структуре про-ipaMMHO-iexiiimccKoiо коми 1екса

г'рем

П1 П1ЫГ11Л Г - г: енпд

Рецепторы | РсГ% ЧНр\ IOIUIlL : орг 1Ш1

ЦНС [ Р \OOI 1 I UltToMil

')ффек юры i | Прпбори

¿мл рч. ¡кипи

, lip il> 1 СМ ¡1

lei-ni

Рис 7 Схема полуавтоматической системы управления

Пупьт управтения можно рассматривать как систему управления и контротя которая представ 1яет собой совокупность взаимосвязанных подсистем взаимодействие которых носит вероятностный характер Запрос на выиотнение онреде ichtioiо действия (вк почить вык почить отрегулировать i д) поступающий на ну 1Ы про-Ои.рнор л11рш1Л011ччк!ем1 ходнт нескотько этапов

__________________число и продотжитеть-

ность которых зависит от трудоемкости выполнения действия после чего запрос считается обслуженным и покидает систему (рис 7)

Таким образом систему управления и контроля в цетом можно представить совокупностью СМО (систем массового обслуживания) каждая из которых отображает процесс функционирования отдельного устройства и ш группы устройств входящих в состав системы

Основными задачами которые решаются в рамках теории массового обстужи-вания, являются

- задача анатиза т е опредетение количественных характеристик СМО при заданной структуре и заданных параметрах элементов структуры

- задача синтеза оптимачыюй структуры СМО при заданных характеристиках и мраниченияч на параметры и э юменты С1руктуры

В данном исследовании принимаем что на вход СМО поступают заявки на об-стуживание образующие входящий поток Первопричину заявок какова бы ни была ее физическая природа назовем источником заявок В нашей модели в зависимости от характера источника заявок различаем разомкнутые и замкнутые СМО В разомкнутых СМО число заявок вырабатываемых источником считается неограниченным поведение источника заявок не связано с состоянием СМО ни в данный ни в какой-либо из предшествующих моментов времени Д чя замкнутых СМО характерно конечное чисто заявок цирку тру юших в системе «источник - СМО» Обслуженные заявки возвращаются в источник и через некоторое в общем случае время моту! вновь появиться на входе СМО Поведение источника в замкнутых СМО явтяется некоторой функцией состояния СМО В нашей модели процесс поступления в СМО заявок на обетуЛчивание явтяется в общем случае счучайным и может рассматриваться как поток однородных событий происходящих через сту чайные промел^утки времени Случайные временные интерваты между поступтениями заявок могут подчиняться различным законам распредетения Наибольшее распространение в теории массового обслуживания получи i простсиший поток заявок то есть поток в котором интервал времени между двумя соседними заявками подчинен эксноненцпа [ьном; закон\ распреде тения с интенсивностью La

f(x)=L„ e'La "

1де f(x) - фмткцня распреде 1ення временных интерва юв между посыпающими заявками

Прив 1екате 1ыюсть принятого нами простейшего потока объясняется рядом об-

стоятетьств Наше допущение о простейшем потоке заявок позвотяет получать ана-штичсские зависимости характеристик СМО от параметров входящего потока что затруднительно дчя других видов потока заявок Счшаем чю ее ш СМО обеспечивает желаемую эффективность функционирования системы при простейшем потоке заявок на входе то обе ту/кивание системой других случайных потоков заявок с одинаковой интенсивностью будет выпотпяться не хуже Если входящий поток представляет собой совокупность U потоков заявок различных типов с интенеивностями La i = l А/ то его можно характеризовать суммарной интенсивностью

I/

¿„ = 1Л

(=1

Степень важности заявок может быть различной по этому признаку заявки мы делим на к тассы каждому классу присваивается приоритет К К = 1 N причем наивысшим приоритетом об тадают заявки первого к тасса с увешчениеч К приоритет заявки падает Наши алгоритмы различают «терпе птвые» заявки т е такие на время пребывания которых в СМО не накладывается никаких ограничений и «нетерпеливые» способные уйти из системы не будучи обслуженными если время пребывания их в СМО превысит допустимую ветчину

Каждая рассматриваемая система массового обслуживания обладает опредетешюй структурой, характеризующейся совокупностью параметров Основным компонентом структуры СМО явчяются каналы обслуживания В зависимости от числа каналов различают одноканальные и многоканальные СМО Ввиду того что управ тение осу ществтяется человеком-оператором поканатыю в нашей модели введено понятие элементарного каната управления Под элементарным каналом управ тения мы подразумеваем замкнутый контур нредс1ав шощий часть системы которую невозможно разбить на эчемешы при анализе ее функционирования ввиду существенных функциональных зависимостей между характеризующими ее параметрами

В нашем исстсдовапии примерами канала управления являются

- эчемент управления и рету тируемый с его помощью параметр (выключатеть и выключаемый параметр например питание регулятор у си тения и величина у си тения и т п )

- эчемент управления и нескочько регу тируемых с его помощью параметров

- неско 1ько э leMcniOB управчения и один регулируемый с их помощью параметр

-несколько элементов управчения и нескочько регу тируемых с их помощью параметров

Стедует заметить что два посчедних стучая соответствуют паиботее стожно-му д тя че ювека-оператора управ тению когда чибо работа отде тьными органами управ тения осушествчяется синхронно тибо производится постедователытое во времени воздействие на отде льные параметры Такие варианты нспо 1ьзуются как необходимые в особых с iyчаях Вариант с одним э тементом управ 1еттпя и несколькими peí у птруемымп параметрами можно нее тедовагь в первом нрнб шжении представая его как совокупность отде 1ьных кана юв (рис 8) с одним э тементом управ тения н одним регу тпруемым параметром В свою очередь нами рассмотрен случай когда многоканачьные СМО могуч содержать как одинаковые так и разтичные по произ-воднтечьности капа ш обе iy/кивания Производите шюсть каната обе ту/кивания об-раша дтитетытости обспживания заявки равной промежутку времени необходимому канат\ обслуживания дтя обспживания заявки

21

. к * *

лиии • «ак*

щш . (на !■■■>» я а I

||||||П|| III! » шиши )■■

«а|«1.|ши г

ЧИН«)»'

Рис. 13. Использование параметризиро- Рис. 14. Объемы движений и хваты. вы-вднной Модели манипулятора дли получе- иодшемыс с помощью параметризирсван-иия рекомендаций по ориентации органов ной модели манипулятора

управления на Й-1 ос костях пульта

С целью подтверждения адекватности расчетной модели п точности алгоритме® была проведена верификация результатов расчёта (рис. 15). осуществляемых системой (проверка соответствия требованиям достоверности). - сравнение основных параметров работы операторов на рабочих местах.

Звдеримет 2

Экперрмен-1

о,:

Щ о.а 1 1,г

Расстояние до &6сп^изаечсгоэр<-зна управлений, м

И- расстояние до обслуживаемого органа управления 1- время обслуживания Д -Оператор! О -Оператор2 П • Оператор]

Рис. 15. Анализ достоверности результатов расчета

Для верификации в качестве экспериментальной базы были выбраны 5 моделей рабочих мест. Анализ полученных результатов показывает, что для более 90 % исследуемых моделей ошибка расчетов не превышает 4-5 %.

Заключение и дышим

В результате проведенного исследования предложен новый метод автоматизированного анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест операторов человеко-машинных систем исходя из условия удовлетворения требованиям к минимизации физической и психофизической загрузки персонала. Полученные результаты позволяет решить задачу выбора раиион&дьнык схемные решений и достичь заданною уровня качес! ва синтезируемых ком но! юи ок.

Визуализация геометрической формы рабочих мест реализуется средствами системы параметрического моделирования T-Flex (рис. 11. 12).

-.Г s ti - -' ' г И . ; t -I j > . t

■ hH - — ** -■ - ^ f, V ;

Рис. 11 Твердотельная полностью парамегрпзироиашшя модель рабочего места Оператора

1 1 ® .41 А Г гч i ■ ■■ /.'Г1 Fl51W!.iJ

Рис. 12. Интерфейс анализа компоновки на базе твердотельной модели рабочего места

Операюра УВД

Для оценки правильности расположения органов управления и. как следствие, компоновки рабочею мес1а в целом иреддгиается использовать виртуальную модель .манипулятора с большим числом степеней свободы. Модель пространственных состояний составляйся таким образом, чтобы точно описать движение оператора в аналО! ичнон ситуации (рис. 13). Двигаясь но заданным траекториям к органам управления, можно оценить правильность их расположения, пак в плане времени, гребуемого для обслуживания, так и в плане необходимых усилий. Манипулятор, в виде л ар аметр и з ирова няо и твердотельной модели, имитирует о бе л у/Кивание виртуального рабочею места (рис. 14).

системном уровне. Среди языков имитационно! о моделирования различают языки, ориеи-I нроваппме на описание событий, средств обслуживания или маршр> юв движения заявок (процессов). Выбор языка моделирования в нашем исследовании оиреде. яет структуру модели и методику се построения. Для описания имитационных моделей на систем)!ом уровне (Иногда их называют сетевыми имитационными моделями - СИМ) чаи к используют языки, ориентированные на события или процессы. Примерами первых могут служить языки Си.искр ¡шт. S M Pl. GASP и ряд др\ i их. К числу вторых относятся языки Сим уда. SOL. а также популярный язык (iPSS. который н принят в настоящем исследовании.

При тестировании алгоритма имитационного моделирования на языке ( il'SS.i.¡я систем СМИ при коэффициенте загрузки 0.9 теоретическая средняя длина очереди ц-р~ /fJ-р) -8.1. Среднее время ожидания vf в соответствии с формулой Липла (закон Сохранения стационарной очереди) должно быть равно q/i. и в данном случае (А ! ) численно совпадать со средней длиной очереди. Теоретическая вероятность незанятоеiii системы равна I- Р 0.1. Следовательно, в среднем десятая часть заявок должна получать обслуживание без ожидания. Сопоставим с этими ожиданиями результаты моделирования (табл. I и рис. 10).

Таблица 1

Соотношение теоретических и »экспериментальных данных при использований алгоритмов имитационного моделирования

11оказатель Теория Число испытании

50 000 200 000 500 000

Коэффициент загрузки 0.900 0.896 0.897 0.899

Среднее время обслуживания O.QOO 0.899 0.902 0.901

Число входов - 49843 199042 499032

Из них с нулевым ожиданием „ 5340 21001 50691

Средняя длина очереди 8.100 5.132 5,757 6.690

Среднее время ожидания 8.100 5.I4S4 5.785 6.703

Рис. 10. Соотношение теоретических и экспериментальных данных при использовании алгоритмов имиiaiтонного моделирования

Таким образом в данной диссертационной работе разработано научно-методическое обеспечение САПР включающее методики алгоритмы и прикладные программные средства анализа и синтеза компоновки рабочих мест операторов которые позво тягот решать задачу компоновки с учетом физической и психофизио готической натрузки на чс ювека в процессе работы а так ас учитывать пространственно-технотогические ограничения Проведенное исследование позволяет слетать следующие выводы

1 Проведенный сравнительный анализ существующих САПР показывает их практическую неприменимость дтя проведения расчетов компоновочных схем рабочих мест на этапе концептуальною проектирования В резутьтате анализа у всех рассмотренных программных продуктов выявлен избыточный дтя этапа концептуального проектирования набор функционатытых возможностей и одновременно с этим абсонотно все рассмотренные системы требуют тщательной подготовит расчетной модели что наряду со значительными затратами времени требует высокой квалификации специалиста выполняющего расчет Перечисленные недостатки доказывают необходимость разработки принципиально нового класса программного обеспечения

2 Формализация свойств механизмов поведения и перекрестных связей между под-модечями в рамках единой модели «оператор - рабочее место» обеспечивает возможность разработки алюритмов САПР описывающих качественное и ко шчественное поведение как отдетьных объектов так и модели в цетом

3 Результаты анализа существующих математических модечен оценки времени принятия решений показывают что иаиботее предпочтитетыюи модетыо дтя выполнения анализа и синтеза компоновок рабочих мест на этапе концептуального проектирования является аппарат ТМО (теории массового обслуживания), который позвотяет учитывать в'птяпие интенсивности нагрузки на че ювека-оператора и степень его психофизического утомления

4 Разработанная методика обеспечивающая автоматизированный поиск компоновочных решений основана на принципе суперпозиции составляющих нагрузки на оператора (в виде требований по обету ¿киванию) что позвотяет учесть при выпотнешш расчета особенности взаимного распотожения элементов рабочего места и органов управления и за счет оптимизации компонуемых обчастей рабочих мест снизить нагрузку на четовека-оператора на 20 %

5 Разработанная комптексная расчетная модеть «оператор - рабочее место» состоит из совокупности подмоде тей объемной параметрической модели рабочего места геометрических моде тей органов управ тения моде [ей траекторий движений оператора модемей траектории преде тытых минимальных и оптимальных зон досягаемости для каждою компонуемого рабочего места

6 Приведенные в работе резу тьтаты исстедовтний в обтасти эргономики подтверждают адекватность выбранных методов н принятых допущений составляющих основу ком-пчексной расчетной моде ш «оператор - рабочее место» с точностью ±5 %

7 На основе комплексной расчетной модели «оператор - рабочее место» разработана концепция и выполнена программная реализация автоматизированной системы анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест предназначенной для проведения проектных исстедованпи при формировании модетей и этементов эргатических систем Применение разработанной системы на этапе концепту алыгого проектирования обеспечивает соответствие компоновки рабочего места предъявляемым требованиям и позво 1яст создавать компоновки с допо пнтте шным запасом по психофизпо югнческим состав тяготим в с i\чаях у ве шчения нагр\ зки на оператора

8 Программная реализация системы анализа и синтеза компоновочных решений работающая на уровне единой информационной моде ш с СГМ доказывает реальные практические преимущества итерированных коми ickcob по сравнению с традиционными решениями Инте1раиия с CI М пе то >ько yupomaei диа.101 по и>зова1е ш с моду тем экспресс-анализа но и обеспечивает адекватное автоматическое обнов тение расчетной схемы при внесении конструктивных изменений в геометрическую модеть проектируемого рабочего места Согтасно экспертным оценкам это приводит к сокращению сроков проектирования в 3-5 раз

9 Верификация алгоритмов системы анализа и синтеза компоновочных решении показала что система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает почу-чение достоверных результатов с точностью 5-7 % (в зависимости от расстояния до объекта обслуживания)

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1 A Ripecky Application of the Parametric Solid-State Simulation T-FLEX CAD 3D System During Diploma Processing // Educational Internet-Journal "Computer Graphics & Geometry"

2002 Number 2, Pages 110-119 - Режим доступа http //www cgg-]ournaI com/2002-2/06/mdex htm

2 Рипецкий А В Оптимизация рабочего пространства оператора // Первая научно-практическая конференция мотодых ученых и специалистов «Исстедования и перспективные разработки в авиационной промыштешюстн» - М ОАО «ОКБ Сухого» 2002 с 154160

3 Рипецкий А В Влияние геометрии рабочего места оператора на качество обстужива-ния человеко-машинных систем // Материалы Х1-го Международного симпозиума «Динамические и техночогические проблемы механики сплошных сред» - М «Оптимпресс»

2003 с 148-149

4 Рипецкий А В Геометрия рабочего места оператора как состав тягощая экспчуатациои-ной надежности сложных технических комптексов // Научные чтения по авиации посвященные памяти Н Е Жуковского - М Военно-воздушная академия имени профессора Н Е Жуковского 2003 с 97-98

5 Рипецкий А В Компьютерное моделирование рабочего места оператора // Тезисы док-тадов Х1-Й Международной студенческой шкоты-семинара «Новые информационные технологии» - М МГИЭМ 2003 с 144

6 Рипецкий А В Автоматизация проектирования рабочего места оператора с южных 1ехнических коми юксов // Сборник 1езисов докладов Между народной конференции и выставки «Авиация н космонавтика - 2003» -М МАИ 2003 с 270

7 Рипецкий А В Формирование и анатиз геометрии виртуального рабочего пространства оператора стожных технических комптексов // Материалы федератьной итоговой научно-технической конференции творческой мотодежи по естественным гуманитарным и техническим наукам -М МГИЭМ 2004 с 55-56

8 Рипецкий А В Параметрическая модеть рабочего места оператора // Сборник тезисов докладов Vll-й Всеукраинскон студенческой научно-технической конференции «Графика XXI века» -Севасюпоть СевШУ 2004 с 49-50

9 Рипецкий А В Моде шрование рабочего места че ювека-операгора с южных технических комптексов // Материаты Xl-го Мелчдународного симпозиума «Динамические и техно ютческие проб темы механики сп юшных сред» -М «Оптимнресс» 2005 с 143-144

10 Рипецкий А В Современные методы повышения эффективности проектирования магистрального самотега ' Буряков А А , Кочесников В Л , Куприков М IO , Рипецкий А В //

Общероссийский научно-технический ж\рнаi «Потет» M Машиностроение 2005 №12 с 48-50

Соискатель / CijftvJ? А В Рниецкий

С ащором можно связался по e-mail a npttskixfg'maii ru

Введение.

1. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО

ПРОСТРАНСТВА ОПЕРАТОРА.

1.1 Объективные предпосылки для автоматизации проектирования рабочих мест.

1.2 Возможности и разновидности геометрических моделей (ГМ) рабочих мест.

1.3 Цель и задачи диссертационного исследования.

1.4 Выводы.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТА ИММИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА.

2.1 Разработка вероятностной геометрической модели рабочего пространства оператора.

2.2 Математическая модель человека для оценки времени принятия решения человеком-оператором.

2.3 Краткая характеристика типов решений.

2.4 Оценка временных затрат оператора на принятие к - решений.

2.5 Оценка временных затрат оператора на принятие р-решений.

2.6 Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЗАДАЧ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ.

3.1 Математическое моделирование деятельности оператора.

3.2 Зависимость времени ответной реакции оператора от продолжительности работы.

3.3 Коэффициент сохранения эффективности выполнения задания.

3.4 Алгоритм выявления несущественной операции при дефиците времени.

3.5 Алгоритм определения необходимости резервирования оператора.

3.6 Априорный расчет времени решения задачи оператором и коэффициента его загрузки.

3.7 Анализ влияния качества операторской деятельности на эффективность подсистем «человек - технические средства взаимодействия».

3.8 Выводы.

4. ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА КОМПОНОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ.

4.1. Основные требования, предъявляемые к системе.

4.2. Назначение, принципы работы и возможности системы.

4.3. Структура систем массового обслуживания и использование их возможностей при анализе и синтезе компоновок.

4.4. Анализ систем массового обслуживания в рамках создания системы синтеза компоновки рабочего места оператора.

4.5.Аналитические модели СМО для описания процесса компоновки.

4.6. Уравнения Колмогорова как основа создания аналитической модели синтеза компоновки рабочего места.

4.7. Пример аналитической модели синтеза компоновочных решений.

4.8. Программная реализация системы создания компоновочных решений.

4.9. Событийный метод моделирования используемый для системы компоновки рабочего места.

4.10. Адаптация языка GPSS для задач компоновки.

4.11. Параметризация работы оператора с органами управления.

4.12. Создание виртуальной среды моделирования рабочего места оператора

4.13. Синтез и анализ геометрии пульта.

4.14. Программные и аппаратные средства, необходимые для функционирования системы.

4.15. Выводы.

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 проектирования 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], Н.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.

Целыо 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.

ВЫВОДЫ

Предложен новый метод автоматизированного анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест операторов человеко-машинных систем из условия удовлетворения требованиям к минимизации физической и психофизической загрузки персонала. Сущность метода заключается в декомпозиции потока заявок на обслуживание на инвариантную и геометрическую составляющие, что позволяет решить задачу выбора рациональных схемных решений и достичь заданного уровня качества синтезируемых компоновок.

1. Проведенный сравнительный анализ существующих САПР показывает их практическую неприменимость для проведения расчетов компоновочных схем на этапе концептуального проектирования. В результате анализа у всех рассмотренных программных продуктов выявлен избыточный для этапа концептуального проектирования набор функциональных возможностей и, одновременно с этим, абсолютно все рассмотренные системы требуют тщательной подготовки расчетной модели, что наряду со значительными затратами времени требует высокой квалификации специалиста, выполняющего расчет. Перечисленные недостатки доказывают необходимость разработки принципиально нового класса программного обеспечения.

2. Результаты сравнительно анализа математических моделей оценки времени принятия решений, показывают, что наиболее предпочтительной моделью для выполнения анализа и синтеза компоновок рабочих мест на этапе концептуального проектирования является аппарат ТМО (теории массового обслуживания), который позволил учитывать влияние интенсивности нагрузки на человека-оператора и степени его психофизического утомления.

3. Разработанная методика оптимизации компонуемых областей рабочих мест, на основе принципа суперпозиции инвариантной и геометрической составляющих нагрузки на оператора (в виде требований по обслуживанию), позволяет учесть при выполнении расчета особенности взаимного расположения элементов рабочего места, и органов управления, обеспечивая автоматизированный поиск компоновочных решений, снижающих нагрузку на человека-оператора на 20%.

4. Разработанная комплексная расчетная модель «оператор-рабочее место» состоит из совокупности подмоделей: объемной параметрической модели рабочего места, геометрических моделей органов управления, моделей траекторий движений оператора, моделей траекторий предельных, минимальных и оптимальных зон досягаемости для каждого компонуемого рабочего места, что позволило обеспечить точность модели ±5%.

5. Формализация свойств, механизмов поведения и перекрестных связей между подмоделями в рамках единой модели «Оператор-рабочее место» обеспечивает возможность разработки алгоритмов САПР, описывающих качественное и количественное поведение, как отдельных объектов, так и модели в целом.

6. Приведенные в работе результаты фундаментальных исследований в области эргономики, подтверждают адекватность выбранных методов и принятых допущений, составляющих основу комплексной расчетной модели «оператор-рабочее место».

7. На основе комплексной расчетной модели «оператор-рабочее место» разработана концепция и выполнена полная программная реализация автоматизированной системы анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест, предназначенной для проведения проектных исследований при формировании моделей и элементов эргатических систем. Применение системы на этапе концептуального проектирования обеспечивает соответствие компоновки рабочего места предъявляемым требованиям и позволяет создавать компоновки с дополнительным запасом по психофизиологическим составляющим в случаях увеличения нагрузки на оператора.

8. Программная реализация системы анализа и синтеза компоновочных решений, работающая на уровне единой информационной модели с СГМ, доказывает реальные практические преимущества интегрированных комплексов по сравнению с традиционными решениями. Интеграция с СГМ не только упрощает диалог пользователя с модулем экспресс-анализа, но и обеспечивает адекватное автоматическое обновление расчетной схемы при внесении конструктивных изменений в геометрическую модель проектируемого рабочего места. Согласно экспертным оценкам это приводит к сокращению сроков проектирования в 3-5 раз.

9. Верификация алгоритмов системы анализа и синтеза компоновочных решений показала, что система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает получение достоверных результатов с точностью 5-7% (в зависимости от расстояния до объекта обслуживания).

Таким образом, в данной диссертационной работе разработано научно-методическое обеспечение САПР, включающее методики, алгоритмы и прикладные программные средства анализа и синтеза компоновки рабочих мест операторов, которые позволяют решать задачу компоновки с учетом физической и психофизиологической нагрузки на человека в процессе работы, а так же учитывать пространственно-технологические ограничения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В связи со стремительным развитием сложной техники, в управлении которой человек очень часто принимает последнее решение, возникает необходимость в создании новых подходов к алгоритмам управления сложными системами. Реализация таких подходов требует создания принципиально новых программных продуктов - средств анализа и синтеза, которые позволили бы инженеру-проектировщику сократить сроки и повысить качество работ на этапе концептуального проектирования путем разработки методического и программного обеспечения САПР для анализа и синтеза альтернативных вариантов компоновки геометрии рабочих мест с учетом пространственно-технологических ограничений.

Очевидно, что для успешного решения возникающих при этом проблем, прежде всего, необходимы знания основных закономерностей поведения человека-оператора. Их получение осуществляется в экспериментальных исследованиях, в которых выявляются новые закономерности, используемые затем при математическом моделировании системы человек-машина и прогнозировании ее качества.

Научная новизна диссертации заключается в разработке научно-методического обеспечения САПР, включающего методики, алгоритмы и программные средства САПР для анализа и синтеза альтернативных вариантов компоновки геометрии рабочих мест с учетом пространственно-технологических ограничений. В ходе работы были получены следующие новые результаты:

• Выявлены специфические задачи компоновки рабочих мест оператора, исходя из ограничений по степени загрузки и утомляемости;

• Предложен метод декомпозиции синтезирующий на основе эвристических алгоритмов широкий спектр решений и решена обратная задача выбора рациональных схемных решений и вариантов компоновки рабочих мест, обеспечивающих соответствие требованиям по физической и психофизической нагрузкам на человека оператора;

• На основе перечисленных методик, методов и математических моделей разработана система анализа и синтеза компоновочных решений рабочих мест, работающая в интегрированном режиме с современными системами геометрического моделирования и обеспечивающая точное и оперативное решение проектных задач.

1. Алферов А. В. Механизация и автоматизации проектно-конструкторских работ. М.: Машиностроение, 1973. 192 с.

2. Аруин А. С. Вопросы создания САПР рабочего места конструк-тора.//Докл. науч. техн. конф. «Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и ЭВА». Пенза: ПДНТП, 1986. С. 81—83.

3. Аруии А. С., Зациорский В. М. Перспективы развития эргономической биомеханики. Киев: Знание, 1987. 16 с.

4. Гаврилов В.Н. Автоматизированная компоновка приборных отсеков летательных аппаратов. М.:Машиностроение, 1988.

5. Иванов Г.С. Конструирование технических поверхностей. -М.: Машиностроение, 1987.

6. Иванов Г.С. Об одной методике конструирования поверхностей воздухозаборника // В сб. "Геометрические модели в авиационном проектировании". Киев: КНИГА, 1987, с. 28-32.

7. Ильин В. Н., Коган В. Л. Разработка и применение программ автоматизации схемно-технического проектирования. М.: Радио и связь, 1984. 368 с.

8. Капустин Н. М., Васильев Г. Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования. М.: Высшая школа, 1986. 189 с.

9. Копылов Д. В., Аруин А. С. Использование биомеханических критериев при разработке САПР рабочего места//Тр. II Всесоюз. школы-семинара «Перспективы развития эргономической биомеханики». М.: 1988. С. 72—81.

10. Котов И.И. Начертательная геометрия. М.: Высшая школа, 1970.

11. Котов И.И. Прикладная геометрия и автоматическое воспроизведение поверхностей // В кн. "Кибернетика графики и прикладнаягеометрия поверхностей".- М.: МАИ, 1971, вып. № 231, с. 3-5.

12. Котов И.И., Полозов B.C., Широкова JI.B. Алгоритмы машинной графики. М.: Машиностроение, 1977.

13. Котов И.И. Аналитическая геометрия в пространстве и прикладная геометрия поверхностей. М.:МАИ, 1986.

14. Маркин JI.B. Задачи формирования подсистемы компоновки САПР летательных аппаратов // В сб. "Прикладная геометрия и инженерная графика в теории и практике авиационного автоматизированного проектирования". Киев: КИИГА, 1984, с. 6-9.

15. Маркин JI.B. Об описании лекальных кривых нормальными уравнениями // В сб.тезисов докладов Всес. конф. "Современные вопросы механики и технологи машиностроения", Часть II, М., 1986, с. 68-69.

16. Маркин JI.B. Геометрические модели компонуемых объектов в системе автоматизированного проектирования воздушных судов // В сб. "Геометрические модели в авиационном проектировании". Киев: КИИГА, 1987, с. 12-17.

17. Маркин JI.B. Геометрические модели учета эргономических факторов // В сб. тезисов докл. Всес. Конф. "Современные проблемы физики и ее приложений", М., 1990, с. 103.

18. Маркин JI.B. Обеспечение условия взаимного непересечения геометрических объектов, описанных нормальными уравнениями // Тем. сб. научн. тр. "Методы конструирования новых форм поверхностей и их модификации", М., МАИ, 1990, с. 69-73.

19. Маркин JI.B, Использование средств машинной графики для автоматизированного проектирования рабочих мест // Материалы науч.-техн. конф. "Разработка и внедрение САПР и АСТПП в маши-но-строении", Ижевск, 1990, с. 52-54.

20. Маркин Л.В. Геометрическое моделирование зон обслуживания размещенных объектов // В сб. "Математическое обеспечение систем с машинной графикой". Тезисы докладов VII научн.-техн. семинара. Ижевск-Тюмень, 1990, с. 90.

21. Маркин Л.В. Обеспечение зон обслуживания при разме-щении химического оборудования // В сб. "Применение САПР в химическом и нефтяном машиностроении". Тезисы докладов Всес. научн.-техн. семинара, М., 1990, с. 18-20.

22. Маркин Л.В. Применение нормальных уравнений для решения компоновочных задач // В сб. "Геометричне моделювання, шженерна та компьютерна графжа". Тези доповщей.-Харьюв, XIII, 1993, с. 36.

23. Маркин Л.В. Геометрическое моделирование внешнего обзора с рабочего места пилота // В сб. "Современные проблемы геометрического моделирования". Тезисы докладов. -Мелитополь, ТГАА, 1995, с. 223-224.

24. Маркин Л.В. Некоторые приложения нормальных уравнений // "Я-функции в задачах математической физики и прикладной геометрии". Сб. научн. тр., посвященных 70-летию ВЛ.Рвачева. -Харьков: ХГПУ, 1996, с. 93-96.

25. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа, 1986. 303 с.

26. Осипов В.А. Математическое моделирование в автоматизированной системе геометрических расчетов // В кн. "Машинное проектирование, увязка и воспроизведение сложных деталей в авиастроении". Иркутск, Изд-во ИПИ, 1977, с.4-14.

27. Осипов В.А. Машинные методы проектирования непрерывно-каркасных поверхностей. -М.: Машиностроение, 1979.

28. Осипов В.А. Теоретические основы формирования системы машинной геометрии и графики: Учебн. пособ. М.: МАИ, 1983.

29. Петренко А. И. Основы автоматизации проектирования. Киев: Техника, 1982. 295 с.

30. Петренко А. И., Семеиков О. И. Основы построения систем автоматизированного проектирования. Киев: Вища школа, 1984. 296 с.

31. Полюшкевич JI. Избранные вопросы соматомет-рии//Эргономика. М.:Мир, 1971. С. 253—281.

32. Рыжов H.H. О теории каркаса // В сб. "Труды УДН им. Лумум-бы", № 1 (11), 1963, с. 9-19.

33. Рыжов H.H. Каркасная теория задания и конструирования поверхностей // В сб. "Труды УДН им. Лумумбы", № 3 (XXVI), 1967, с. 3-12.

34. Рыжов H.H. Определитель поверхности и его применение // В сб. "Труды УДН им. Лумумбы",том III, Прикладная геометрия. Серия "Математика", вып. 4, 1971, с. 3-17.

35. Рыжов H.H. Параметрическая геометрия. М.: МАДИ, 1988.

36. Стоян Ю.Г. Об оптимальном размещении геометрических объектов. Автореф. дисс. докт. техн.наук, М, 1970.

37. Стоян Ю.Г. Некоторые свойства специальных комбинаторных множеств. -Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Пре-принт-85, 1980.

38. Стоян Ю.Г. Основная задача геометрического проектирования. -Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт-181, 1983.

39. Стоян Ю.Г., Гиль Н.И. Методы и алгоритмы размещения плоских геометрических объектов. -Киев: Наукова думка, 1976.

40. Стоян Ю.Г., Гиль Н.И., Опанасюк А.Б. Автоматизация проектирования схем раскроя листовых материалов на фигурные заготовки. -Харьков: Ин-т пробл. машиностроения. Препринт № 233, 1986.

41. Стоян Ю.Г., Кулиш E.H. О размещении оборудования летательных аппаратов. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, Препринт -77-78, 1977

42. Стоян Ю.Г., Кулиш E.H. Автоматизация проектирования компоновки оборудования летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1984.

43. Стоян Ю.Г., Новожилова М.В., Карташов A.B. Математическая•лмодель и оптимизация линейных En ( R ) задач размещения.-Харьков: Ин-т пробл. машиностроения. Препринт № 353, 1991.

44. Стоян Ю.Г., Пономаренко Л.Д. Алгоритм приближенного решения задача плотнейшей упаковки набора параллелепипедов с областями запрета // Автоматика и вычислительная техника, 1975, № 1, с. 46-54.

45. Стоян Ю.Г., Пономаренко Л.Д., Литвинов В.И. Размещение тел в трехмерном пространстве. -Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт-19, 1976.

46. Стоян Ю.Г., Пономаренко Л.Д. Рациональное размещение геометрических тел в задачах автоматического проектирования // Изв.

47. АН СССР. Техн. кибернетика, 1978, № 1, с. 39-47.

48. Стоян Ю.Г., Пономаренко Л.Д., Литвинов В.Н. Размещение тел в трехмерном пространстве. Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт-19, 1976.

49. Стоян Ю.Г., Пономаренко Л.Д., Винарский В.Я. Основные свойства и методы построения Ф-функций. -Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт-193, 1984.

50. Стоян Ю.Г., Пономаренко Л.Д., Панкратов А.В., Лойко А.Ф. Программная система КТС автоматической компоновки бокса сложной технической системы блочной конструкции. -Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт-264, 1987.

51. Стоян Ю.Г., Соколовский В.З., Пономаренко Л.Д. Метрики в пространстве перестановок и методы решения многоэкстремальных задач. -Харьков: Ин-т пробл. машино-строения АН УССР, Препринт-69, 1977

52. Стоян Ю.Г., Соколовский В.З. Решение некоторых многоэкстремальных задач методом сужающихся окрестностей. Киев: Наук, думка, 1980.

53. Стоян Ю.Г., Смеляков C.B., Аристова И.В., Алисейко Е.В. О сведении задачи телесной трассировки к задаче поиска оптимальной манхеттеновой трассы // В кн. "Теория и методы автоматизации проектирования", 1984, вып. 1, с. 5-9.

54. Стоян Ю.Г., Яковлев C.B. Исследование сходимости и эффективности метода сужающихся окрестностей. Харьков: Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт-168, 1981.

55. Стоян Ю.Г., Яковлев C.B. Математические модели и оптимизационные методы геометрического проектирования. -Киев: Наукова думка, 1986.

56. Стоян Ю.Г. Некоторые свойства специальных комбинаторных множеств. Харьков: Ин-т пробл. Машиностроения АН УССР, Препринт-85, 1980.

57. Стоян Ю.Г. Об одном обобщении функции плотного размещения //Доклады АН УССР, 1980, № 8, серия А, с. 71-74.

58. Стоян Ю.Г. Размещение геометрических объектов. -Киев: Наук. думка, 1975.

59. Фролов С.А. Кибернетика и инженерная графика. М.: Машиностроение, 1974.

60. Фролов С.А. Начертательная геометрия. М.: Высш. школа, 1978.

61. Якунин В.А. Геометрические основы системы автоматизированного проектирования технических поверхностей. М.: Изд. МАИ, 1980.

62. Якунин В.И., Бородкина С.И., Наджаров K.M. и др. Алгоритмы и программы решения геометрических задач на ЭВМ. М.: МАИ, 1982.

63. Якунин В.И., Рыжов H.H., Егоров Э.В. и др. Теоретические основы формирования моделей поверхностей: Учебн. пособ. -М.: МАИ, 1985.

64. Якунин В.И. Методологические вопросы геометрического проектирования и конструирования сложных поверхностей. М.: МАИ, 1990.

65. Якунин В.И. Анализ состояния и перспективы научных исследований в современной прикладной геометрии // Тезисы докладов VII -и всероссийской конференции по компьютерной геометрии и графике "Кограф-97". Нижний Новгород, 1997,-с.4-5.

66. Aruin A. S. Aktuelle Probleme der ergonomischen Biome-chanik//Vor-tragsreihe 30 Intern. Wiss. Koll. Т. H. Ilmenau, 1985, S. 187—190.

67. Bapu P. et al. Users' guide for COMBIMAN programs. Dayton:

68. University of Dayton Research Institute. 1980.

69. Bittner A. Computerized aecomodated percentage evaluation (CAPE) model for cockpit analysis and other exclusion studies. TP-75-49 Pactific Missile Test Center. Pt. Mugu. California, 1975.

70. Bonney M. C., Blunsdon C. A., Case K., Porter J. M. Man-machine interaction in work systems//Int. J. Prod. Res., 1979. V. 17. P. 619—629.

71. Cahill H. E., Davids R. C. ADAM-A computer aid to maintainability design//Proc. Annu. Reliab. and Maintainab. Syrnp., New-York. 1984, P. 12—16.

72. Coblentz A., Steck R., Renaud C., Ignazi J. La conception et revaluation de sistemes homme-machine par la representation tridimensionelle en CAO//Travail Humain. 1985. V. 3. P. 265—278.

73. Edwards R., Osgood A., Renshaw K., Chen H. Crew station assessment of reach (CAR) model; Users' guide. Report D-l 80-1932-1-1, Boeing. Aerospace. Seattle. Washington. 1976.

74. Katz R. Crew station design and evaluation methods: Users guide Seattle. Washington: Boeining Computer Services. 1972. Report 40003.

75. Kingsley E. C., Schofild N. A., Case K. CAMM1E-A computer aid foi man—machine modelling//Computer Graphics. 1981. V. 15. P. 163— 169.

76. Kroemer K. H. E. COMBIMAN — computerized biomechanical man-model. AMRL-TR-72-16, Aerospace Medical Research Laboratory. Wright— Patterson Air Force Base. Dayton. Ohio. 1972.