автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности работы оператора в системе "Человек-машина-животное"

- з Ш ^97

На правах рукописи

ВОСТРИКОВ Владимир Алексеевич

Повышение эффективности работы оператора в системе "Человек-машина-животное" (на примере машинного доения)

Специальность 05.20.0] - механизация сельскохозяйственного производства

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

Оренбург - 1997

Работа выполнена на кафедре "Механизация животноводства" Оренбургского государственного ордена Трудового Красного Знамени аграрного университета.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Л.П .Карташов

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

В.Д .Поздняков

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.И .Завражнов кандидат технических наук, доцент Ю.А.Ушаков

Ведущее предприятие - научно-производственное объединение "Южный Урал"

Защита состоится "21" марта 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета К-120.95.01 при Оренбургском государственном ордена Трудового Красного Знамени аграрном университете по адресу: 460795, г.Оренбург, ул.Челюскинцев 18, ОГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного ордена Трудового Красного Знамени аграрного университета.

Автореферат разослан 199 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук профессор

П.И. Огородников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Современные технологические и организационно-технические условия производства молока предъявляют повышенные требования к человеку-оператору в плане его физических и психофизиологических характеристик.

В данной работе человек-оператор рассматривается как элемент системы, и одновременно как подсистема биотехнической системы "человек-машина-животное".

Производственная деятельность оператора машинного доения коров на большинстве доильных установок относится к разряду физических работ тяжелой и средней степени, расход энергии составляет от 12 до 25 кДж/мин.

Аналитический обзор состояния рассматриваемого вопроса (повышение эффективности работы операторов машинного доения коров) показывает, что к третьему часу работы они снижают свою производительность на £?-33£. Б сбою очередь специалисты, имеющие более высокий уровень подготовленности (физической, технической) рациональнее используют свои возможности в течение продолжительного периода времени непрерывной работы.

Существует несколько методик по повышению эффективности работы человека: параллельная (резервирования), исключения человека из системы (автоматизированная), обучения (подготовка к трудовой деятельности), восстановления работоспособности. Последним двум направлениям до недавнего времени должного внимания не уделялось, а имеющиеся разработки не находили практического применения.

Таким образом, разработка технических реабилитационных средств, методика их использования является актуальной проблемой, требующей в свою очередь проведения информационной оценки этих средств, обоснования и разработки конструктивно-технологических и функциональных характеристик устройства для снятия физической усталости.

Цель работы. Обосновать, разработать техническое устройство для снятия физической усталости операторов машинного доения коров.

Объект исследования. Технологический процесс машинного доения коров, где предметом исследования является трудовая деятельность человека-оператора в биотехнической системе "человек-маши-

на-животное".

Основные задачи исследования.

1. Дать анализ состояния вопроса исследования трудовой деятельности операторов машинного доения коров.

2. Провести информационную оценку энергетическим затратам, выявить наиболее нагруженные сегменты туловища операторов.

3. Обосновать конструктивно-геометрические характеристики оригинального технического устройства и разработать методику его испольеования для снятия физической усталости операторов машинного доения коров.

4. Провести исследования процесса восстановления работоспособности операторов на техническом устройстве и дать рекомендации по его включению в процесс трудовой деятельности.

5. Определить .экономическую эффективность применения разработанного устройства.

Научная новизна. Обоснована, разработана методика проведения восстановительных мероприятий оператора с учетом количественно-качественной информации о восстанавливаемости физиологических показателей и характеристик восстанавливающих воздействий. Разработана программа восстановления физиологических показателей операторов после физических нагрузок с использованием персональной ЭВМ. Обосновано, разработано и испытано техническое устройство для снятия физической усталости операторов машинного доения коров.

Практическая значимость. Предложенное техническое устройство позволяет сократить период врабатывания операторов, увеличить период стабильной работоспособности, уменьшить время восстановления функциональных возможностей человека. Область применения технического устройства дополняется использованием его, как средства оперативного индивидуального самоконтроля функционального состояния операторов и может .быть использовано для"проведения биомеханических и эргономических исследований.

Разработанная методика проведения восстановительных мероприятий позволяет объективно определить момент снижения работоспособности и назначить режим восстановительных воздействий.

Практическая реализация. Исследования, проведенные в АО "Урал" и "Бродецкое" Оренбургского района Оренбургской области, позволили сделать вывод, что применяя техническое устройство для

снятия физической усталости, можно повысить работоспособность операторов машинного доения коров на 8-11%. Тем самым снизить трудоемкость на производство продукции (молока). Годовой экономический эффект составляет 4573800 руб, а срок окупаемости технического устройства для снятия физической усталости равен 1,5 года.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургского аграрного университета а 1993 году, на юбилейной научно-практической конференции в г.Рязани в 1994 году, на VIII (I Всероссийском) симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных в г.Оренбурге в 1995 году, на научно-практической конференции, посвященной 25-лети» кафедры "Механизация животноводства" ОГАУ в г.Оренбурге в 1995 году, на научно-практических конференциях Оренбургского государственного агроуниверситета в 1993-1996 годах.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 16 научно-теоретических статьях, 4 информационных листках Оренбургского ЦНТИ и 2 положительных решениях на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, предложений, списка использованной литературы и приложений.

Общий объем работы 165 страниц компьютерного текста, 10 таблиц, 30 иллюстраций и 259 наименований использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое обоснование теш исследований и аннотацию работы.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" дан анализ трудовой деятельности операторов машинного доения коров, приведены показатели энергозатрат при выполнении технологических операций, выявлены наиболее нагруженные сегменты туловища оператора, дана оценка биомеханики его двигательных действий, сформулированы цель и задачи исследований.

Вопросы трудовой деятельности операторов машинного доения коров изучались Л.П.Каргаиовым, Ю.Ф.Курановым, В.И.Квашенниковым,

Fi —

С.А.Соловьевым, В.Д.Поздняковым, Н.Г.Велиток, A.A.Симошенко, Ж.А.Нурписовым, И.Н.Еуробкиным, В.А.Волосожар, С.В.Мельниковым и др. По их мнетю трудовая деятельность операторов машинного доения непосредственно связана с технологией производства молока. Она зависит от способа содержания животных, степени механизации основных технологических процессов, организации рабочего места, сочетания труда и отдыха исполнителей, внедрения мероприятий по восстановлению работоспособности человека.

При существующем сегодня режиме работы операторов 36-80% рабочего времени приходится на доение. При этом в зависимости от типа доильной установки оператор машинного доения выполняет 12-18 приемов, 52-64 действия, 306-364 движения, совершая путь длиной до 3000 м.

Большая чэзть операций выполняется в неудобной позе, основная нагрузка приходится ка кисти рук (0,63...0,71), предплечье (0,12...0,15), оставшаяся нагрузка (0,25...О,14) распределяется на опорно-двигательный аппарат.

Исходя из вышеуказанного возникает необходимость введения системы мероприятий по снятию физической усталости, как одного из факторов повышения эффективности работы человека в биотехнических системах, что обусловило выбор теш и сформулированных выше цели и задач исследований.

Во второй главе "Аналитическая оценка надежности биотехнической системы "Ч-М-Ж" дана характеристика процесса машинного доения как системы, обоснованы показатели надежности звеньев системы, и эффективность работы человека в биотехнической системе, дана модель управления человеком процессом трудовой деятельности.

Машинное доение, как сложная биотехническая система изучалась многими учеными, но вопросы функционирования рассматривались с точки зрения технических подсистем (С.В.Мельников, Л.П.Карта-шов, Н.Н.Еелянчиков и др.) или физиологических особенностей животных (Э.К.Вальдман, Э.А.Кэлпис, Э.П.Кокорина и др.). В меньшей степени уделено внимание проблеме эффективности работы человека в системе. Здесь можно отметить работы В.И.Квашенникова, С.А.Соловьева, и в особенности работы В.Д.Позднякова, который рассматривает вопросы функционирования всего комплекса биотехнических систем.

Установлено, что надежность всей биотехнической системы свя-

гана с функционированием звеньев (подсистем), а также с техническими характеристиками доильных .аппаратов (установок), технологическими показателями машинного доения. аязтомо-физиологичеекими свойствами и типами высшей нервной деятельности животных.

Показатели эффективности биотехнических систем, как правило, являются сложными функциями многих переменных:

W = f {XI, х2, ... , Xi, ... , Xn), (1)

где Xi - количественные характеристики факторов, как управляемые имеющие вероятностный характер.

Исследованиями Л.П. Карташва, В.Д.Позднякова установлены характеристики всех звеньев системы:

- для аппарата - плотность распределения времени безотказной работы f(t) или интенсивность отказав A(t);-

- для оператора по аналогии с техническими средствами - вероятность безошибочного выполнения операции у , TL, со , six функциональных единиц ß и алгоритма в целом ü^ ; <

- для животного - вероятность положительных реакций на наносимые раздражения, интенсивность отрицательных исходов.

Е совместных исследованиях В.Д.Позднякова', В.А.Вострикова, А.В.Хайруллиной установлено, что только 50% даже опытных мастеров (1 класса) за отведенное время (1 мин) уложились в норму времени и лишь 257. выполнили качественно эту операцию (рис.1). Эффективность работы здесь выражается через случайное событие - факт совершения ошибки. Там же установлено, что величина и частота ошибок возрастает с увеличением сложности задачи и темпа работы оператора, а также продолжительности работы.

Модель управления человеком процессом трудовой деятельности представши как управляющую систему регулирования с замкнутым контуром управления, включающим в себя "динамическое звено" (рис.2).

Процесс управления представляет собой временной интервал необходимый для переводз системы из состояния относительного покоя (исходное состояние) С& в конечное (момент завершения двигательного действия) Ог, которое в формализованном виде представили выражением:

- а -

рРв м

--- - - -- — - — 1

- — м- V * 1

К 1 *

1 / ч / 1 1 , .1____1 3

35 45 55 65 75 65 35

и

Рис.1. Распределение вероятности своевременной Ррь (1) и качественной Рр5 (2) подготовки вымени коровы к доению

Рис.2. Модель управления оператором трудовой деятельностью

Тп = Тдат + (Тин® + Трвш) + (Тснг + Траё)»

(2)

где Тп - полное время;

Тдаг - латентное (скрытое) время реакции;

Тин® - время восприятия информации;

Треш - время принятия решения;

Тснг ~ время формирования управляющего сигнала;

Трае - Еремя передачи сигнала от центральной нервной системы к работающей мышце.

Представленные показатели позволяют косвенно судить о степени физиологической усталости, поэтому учитывая специфичность решаемых задач, потребовалась разработка специальной программы и технических средств проведения экспериментальных исследований.

В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" приведены методика проведения исследований, опыты по определению профпригодности операторов к данному виду профессиональной деятельности, характеристика изменений физиологических показателей операторов по составу периферической крови и обшдя методика обработки экспериментальных данных.

Методика исследований основывалась на принципах аэробной работоспособности Кр. Суть ее состоит в том, что по количеству поглощенного кислорода 0-2 может быть измерена аэробная стоимость мышечной активности Еа испытуемого, и по величине его аэробной работоспособности и аэробной стоимостью мышечной деятельности Ра может быть вычислен резерв которым располагает организм для обеспечения работы мышц.

Р-о = Кр - Р-а (3)

Исследование было проведено дискретно серией стандартных нагрузок ступенеобразно возрастающей мощности. Развиваемая мощность выполняемой нагрузки определяла уровень максимальной физической работоспособности.

Потенциальные возможности операторов по развиваемой мощности (физической работоспособности) определяли по широко известному тесту РУ?С17о, в дальнейшем усовершенствованный Е. Л.Карпманом:

170 - Fx

PWC170 = Nl + (N2 - Ml) * --(4)

F2 " Fi

где Ni и N2 - мощности двух стандартных нагрузок: Вт или кГм/мин;

Fi и Fg - частота сердечных сокращений при этих нагрузках.

Идея его состоит в том, что мощность внешней физической работы линейно связана с ЧСС в диапазоне 130...170 уд/мин, и в этом же диапазоне существует аналогичная связь между потреблением кислорода Ог и пульсом.

В ходе проведенных исследований установлено, что операторы тлеющие более высокий уровень физической подготовленности более рационально расходуют физическую энергию, разница в расходе энергии но сравнению с менее физически подготовленными операторами составляет 25...30%, то есть коэффициент полезного действия подготовленного оператора выше и составляет 0,30...0,35.

Статистическая обработка экспериментальных данных была проведена на основе общих принципов сбора и обработки информации, с определением темпа роста (Тр), темпа прироста (Тп>, дисперсии бг, среднеквадратического отклонения б как характеристики абсолютной колеблемости варьируемого признака.

Результаты статистической обработки (среднее квадратическое отклонение 6=5,57, среднее линейное отклонение £> =4,32) показывают, что полученное соотношение 5: £ =1,28 характеризует близость полученного распределения к нормальному.

В четвертой главе "Разработка технического устройства для снятия физической усталости" изложены общие сведения и классификация технических средств для снятия физической усталости, а также разработанное автором устройство.

Предложенное автором техническое устройство для снятия физической усталости представляет собой совокупность устройств, предназначенных для восстановления работоспособности (снятия физической усталости) на основании фиксируемых показателей информации исходного состояния физиологической системы оператора, и реального, определяемого в каждый конкретный момент восстановительного периода. В общем случае техническое устройство (рис.3) включает в себя управляющую и управляемую систему, а также устройства и элементы прямой и обратной связи. Управляющая система объединяет

— 8

0

% - ?

->.

Рис.3. Структурно-функциональная схема технического устройства

устройства для снятия физической усталости, устройства приема и переработки информации и средства ее отображения, управляемая система в данном случае представлена человеком-оператором.

Восстанавливающие воздействия нагруженных участков тела (массаж) характеризовались частотой f (гЦ), амплитудой h (м~б), усилием Р (н), которые изменялись по заданной программе П (£\, Ь3, рн) f(t) с помощью персональной ЭВМ, а также по самочувствию и желанию испытуемого.

Мерой контроля восстанавливаемости физиологических показателей были приняты частота сердечных сокращений f'h, артериальное давление Ра, частота дыхания fe операторов.

Программа работы на техническом устройстве предусматривала следующую последовательность: в начале технологического цикла обязательным моментом являлась .подготовка функциональных систем оператора к началу трудовой деятельности; в процессе производственной деятельности (в установленные технологические перерывы активным воздействием на наиболее нагруженные сегменты техническим устройством) поддерживали достигнутый уровень фазы стабильной работоспособности; после окончания производственного процесса проведение серии восстановительных мероприятий с целью сокращения времени восстановления функционального состояния операторов.

В случае адекватности воздействий условиям восстановления (ситуация "ДА") наблюдаем многократное их повторение по времени t. При неадекватности (ситуация "НЕТ) требуется коррекция воздействий по амплитудно-частотным характеристикам (f, h, Р), которое реализуется от ЭВМ или индивидуально каждым субъектом.

В:пятой главе "Восстановление функционального состояния операторов машинного доения" описываются исследования по восстановлению (снятию) физической усталости операторов машинного доения, характер восстановительных мероприятий и восстановления функциональных показателей оператора, приводится расчет экономического эффекта от применения устройства.

Согласно разработанной и реализованной программе работы устройства, отмечается, что в первом подготовительном режиме удалось сократить время врабатывания операторов контрольной группы до 1,5+0,5 мин по сравнению с фоновой группой (4...6 мин), т.е. 23 pgt

Во время технологического процесса по обслуживанию животных

через каждые £7-30 мин были введены 4...6 мин перерывы в работе. Это время использовали для проведения тонизирующих мероприятий. Суть их сводилась к приближению фактических величин ЧСС к теоретически обоснованны!/. Посредством активного воздействия исполнительных механизмов технического устройства поддерживали время стабильной работы операторов контрольной группы в пределах 30...32 мин. В фоновой группе операторов, не использующих комплекс восстановительных мероприятий (перерыв в работе 4...6 мин состоял в основном из пассивного отдыха), наблюдали снижение времени устойчивой работоспособности с 30...32 мин до 20...22 мин (1а=30...32 мин; 12=26...28 мин; Ьз=22...24 мин; 14=20...22 мин).

После окончания работы операторы контрольной группы проходили восстановительный массаж. У операторов, получающих комбинированный массаж на техническом устройстве, к концу 5-ой мин восстановления отмечали снижение величины ЧСС до исходного уровня. Полное волнообразное восстановление величины ЧСС наблюдали к концу 12 мин.

У операторов фоновой группы, на проходящих восстановительные мероприятия на техническом устройстве, восстановление величины ЧСС до исходного уровня было лишь к 7-ой мин, а полная физическая реабилитация наступала только к концу 15 мин.

Исследования восстанавливаемости операторов машинного доения уточненным медико-биологическим способом (по изменению состава периферической крови) показали, что у операторов, прошедших восстановление на техническом устройстве, восстанавливаемость функциональных характеристик выше чем в фоновой группе в среднем на 8...11%.

Полученные данные позволили внести в методику определения производительности оператора параметры, учитывающие поправочные коэффициенты, которые характеризуют состояние оператора, условия его работы и т.д.

При общей продолжительности времени машинного доения, равной 2 часам, посредством поддержания фазы активной работоспособности в пределах 30...32 мин (применением технического устройства в течение 4...6 мин), при равном числе активных фаз п=4, оператор контрольной группы обслуживал за этот период:

N1 = (Фр/Тр)*4 = 50 животных

(5)

* л _ - л.-*

где Фр - фаза активной работоспособности равная 30 мин.; Тр -время затрачиваемое на обслуживание одного животного равное 2,4 мин.

В то время как оператор, не проходящий восстановительные мероприятия на техническом устройстве, обслуживал:

N<2 = (Ф-1 + Фг + Фз + ф4) </ Тр * 41 животное (б)

где Ф1=30 мин, Ф9= £6 мин, Фз= 22 мин, <$4=20 мин.

Что позволило дополнительно надаивать за смену 100...105 л молока. При закупочной цене 700...750 руб/л суша дополнительной прибыли составила более 75000 руб е сутки, соответственно за год 20...22,б млн.руб, и с учетом затрат на обслуживание дополнительных животных, получили 4573300 чистой прибыли.

Полученную положительную разность в числе обслуживаемы;-: животных относим к фактору улучшения условий работы (введение системы восстановительных мероприятий, снятие физической усталости).

Производительность труда операторов рассчитывали по разработанной формуле:

Оме* (60 * К1 ... Ку) / Тр

учитывающей поправочные коэффициенты характеризующие условия работы, состояние оператора и т.д.

По результата литературных данных и материалам собственных эксперементальнш исследований построим номограмму, по которой можно характеризовать трудовую деятельность операторов машинного доения коров с учетом влияния функционального состояния исполнителя (рис.4).

Экономическая эффективность ог применения предлагаемого технического устройства для снятия физической усталости составляет 4573800 руб. Срок окупаемости технического устройства для снятия физической усталости равен 1,5 года.

т

а

при &1п ' 40с.

G,„}'ЗOOO...ЗSO0rr

ДППКЮо ¿0 «О 40 1в о

зфункционально( состояние

А ч—--—>б

* -

'Л ».< ьо I,} и ц г» Гп (кг)

мН

2У ?У

4 Работоспособность - р

Допустима*

Зона не ного исподнее*-.

и»л во)по* папе/л

Зона и1по-пнтиного 1нл-

ч«**« нее

А*~*Ь Рмомнрпмые зимняя

ДИЛК

I

СП

Рис.4. Номограмма для определения показателей трудовой деятельности операторе

вывода, ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Нз основании данных теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Анализ состояния исследуемой проблемы показал, что опера-гор машинного доения коров существенны},! образом влияет на эффективность функционирования биотехнической системы "человек-мааи-нз-животное", это влияние достигает 25-30%.

2. Нз основе теоретических исследований эффективности работы человека-оператора, анкетирования и ранжирования получена и апробирована формула обобщенного показателя функционального состояния человека, которая учитывает значимость каждого фактора: возраста, уровня его профессиональной обученнооти, квалифицированной подготовленности, состояния функциональных (физиологических) систем организма, обеспечивающих степень его физической подготовленности и работоспособности, что позволило определить пригодность операторов к данному виду профессиональной деятельности.

3. Экспериментальные исследования биомеханики трудовой деятельности операторов машинного доения коров позволили выявить наиболее нагруженные сегменты тела и определить степень его энергозатрат, разработать биомеханику наиболее активных элементов (мышечных групп) человека, на основании чего была разработана методика и оригинальное техническое устройство для сокращения реабилитационного периода и повышения работоспособности операторов машинного доения коров.

4. Разработанная , методика проведения восстановительны}: мероприятий позволяет осуществлять управляемое воздействие на оператора по корректировке показателей его физиологического состояния в режиме стабильной работоспособности.

5. Разработанное техническое устройство для снятия физической усталости представляет собой систему управляемых и управляющих элементов, которые функционируют как в автоматическом режиме, по программе задаваемой ЭВМ, так и в ручном, на основании субъективных ощущений (самочувствия) оператора.

6. Экспериментальные исследования на техническом устройстве для снятия физической усталости позволили установить, что в испытуемой группе операторов машинного доения коров динамика работоспособности характеризуется более коротким периодом врабатьшания,

длительностью (стабильностью) фазы активной работоспособности, сокращением периода восстановления работоспособности.

7. Показатели восстанавливаемости функциональных систем организма операторов зависят от индивидуальных особенностей (уровня физической подготовленности) операторов и могут быть использованы как критерии формирования трудовых бригад (коллективов).

8. Повышение работоспособности операторов, при единовременной рационализации приемов и методов работы позволило увеличить количество обслуживаемых животных с 41 до 50 голов на одного оператора.

9. Экономический эффект от внедрения технического устройства для снятия физической усталости составляет 4573900 руб в год на одного оператора.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Биомеханическая оценка трудовой деятельности операторов машинного доения коров. Сб.науч.тр.: Пути увеличения производства и резервы повышения качества сельскохозяйственной продукции. Оренбург, 1993 (соавтор В.Д.Поздняков).

2. Методы и технические средства для изучения опорно-двигательного аппарата человека. Сб.науч.тр.; Пути увеличения производства и резервы повышения качества сельскохозяйственной продукции. Оренбург, 1993 (соавтор В.Д.Поздняков).

3. Обоснование конструктивно-технологических и функциональных характеристик устройства для снятия физической усталости операторов машинного доения коров. Материалы научно-производственной конференции. Рязань, 1993 (соавтор В.Д.Поздняков).

4. Комплексная оценка целесообразности разработки и использования тренажеров. Материалы конференции. Оренбург, 1994 (соавтор В.Д.Поздняков).

5. Разработка средств для снятия усталости операторов машинного доения. М.: "Техника в сельском хозяйстве". N 4, 1995.

6. Исследования биомеханики руки человека при машинном доении. М.: "Техника в сельском хозяйстве". N 5, 1995.

7. Функциональное состояние операторов, как критерий надеж-

ности биотехнических систем. Сб.науч.тр. ОГАУ. Оренбург, 1995.

8. Обобщенная оценка функционального состояния операторов машинного доения коров. Сб.науч.тр. ОГАУ. Оренбург, 1996 (соавтор Е.Д.Побднякое).

9. Повышение работоспособности и надежности операторов человеко-машинных систем в животноводстве. Сб.науч.тр. ОГАУ. Оренбург, 1996.

10. О профессиональной пригодности операторов машинного доения коров. М.: Молочное и мясное скотоводство. N 2, 1995 (соавтор В.Д.Поедкяков).