МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Кафедра “Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины

и оборудование”

Методические указания к выполнению

ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕОРИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

«Эргономический анализ технических систем»

(для студентов направлений 050502 «Инженерная механика» и 070106 «Автомобильный транспорт» дневной формы обучения)

Макеевка – 2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Кафедра “Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины

и оборудование”

Методические указания к выполнению

ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕОРИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

«Эргономический анализ технических систем»

(для студентов направлений 050502 «Инженерная механика» и 070106 «Автомобильный транспорт» дневной формы обучения)

Утверждено на заседании научно-методического совета механического факультета Протокол № 1 от 17.09.2009 г.

Утверждено на заседании кафедры «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» Протокол № 14 от 30.05.2009 г.

М акеевка – 2010

УДК 681.51:519.21

Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Теория технических систем» «Эргономический анализ технических систем» (для студентов направлений 050502 «Инженерная механика» и 070106 «Автомобильный транспорт» дневной формы обучения) / Сост.: В.А. Пенчук, Н.А. Юрченко.- Макеевка: ДонНАСА, 2010.- 22 с.

В методических указаниях приведены цель и порядок выполнения практических работ, теоретические основы, варианты заданий, контрольные вопросы.

Составители: проф. В.А. Пенчук

асс. Н.А. Юрченко

Рецензенты: доц. А.К. Кралин

доц. В.А. Талалай

О тветственный за выпуск проф. В.А. Пенчук

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«Эргономический анализ технических систем»

Цель работы: закрепление теоретического материала и получение практических навыков в эргономическом анализе технической системы.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить основные положения эргономики.

2. Охарактеризовать понятия: эргономика, антропология, антропометрия, эргономические показатели, воспринимающие каналы человека.

3. Дать ответ на вопрос согласно варианту.

Теоретические основы

Общие сведения об эргономике.

Эргономика (греч. Ergon - работа, Nomos - закон) изучает особенности и возможности функционирования человека в системах: человек, вещь, среда. Она включает в себя такие понятия, как антропометрия, биомеханика, гигиена труда, физиология труда, техническая эстетика, психология труда, инженерная психология.

Эргономика - отрасль науки, которая изучает движения человеческого тела во время работы, затраты энергии и производительность конкретного труда человека. Область применения эргономики довольно широка: она охватывает организацию рабочих мест, как производственных, так и бытовых, а также промышленный дизайн.

В основу эргономики легли многие дисциплины от анатомии до психологии, а главной ее задачей является создание таких условий работы для человека, которые бы способствовали сохранению здоровья, повышению эффективности труда, снижению утомляемости, да и просто поддержанию хорошего настроения в течение всего рабочего дня.

Термин "эргономика" был принят в Англии в 1949г., когда группа английских ученых положила начало организации Эргономического исследовательского общества. Юридически оформившись в 1949 г., эргономика претерпела существенные изменения за эти десятилетия. Так, если 20 лет назад основные работы велись в областях антропометрии, физиологии труда, проектирования труда, биомеханики, психологии, то в последнее десятилетие приоритеты эргономики существенно сместились в область безопасности, проектирования труда, биомеханики, напряженности труда, интерфейса "человек-компьютер".

Эргономика - наука, изучающая различные предметы, находящиеся в непосредственном контакте с человеком в процессе его жизнедеятельности. Ее цель - разработать форму предметов, которые были бы максимально удобными для человека при их использовании, и предусмотреть систему взаимодействия с ними.

Эргономика - результат синтеза гигиены, психологии, анатомии и целого ряда других наук. Результаты эргономических исследований используются при организации рабочих мест, а также в промышленном дизайне.

Антропология –наука, занимающаяся изучением человека.

Антропометрия - измерение различных частей тела для нужд антропологии; учение о соразмерности частей человеческого тела.

При любом труде человек несет мышечную, психическую и нервную нагрузки. При проектировании, внедрении и эксплуатации систем "человек-техника-среда" должны учитываться реальные возможности человека, которому предстоит работать в системе. Эргономист должен отчетливо представлять размер допустимых физических, интеллектуальных, эмоциональных затрат, которых потребует работа с конкретной технической системой, и в соответствии с этим корректировать действия ее создателей: инженера-разработчика, конструктора, технолога.

Деятельность человека в системе "человек-техника-среда" является таким же предметом изучения и проектирования, как и ее техническая часть.

Эргономист должен принимать во внимание: возможности психических процессов человека по приему, переработке информации и принятию правильного решения в конкретных условиях функционирования системы "человек-техника-среда"; психические свойства и особенности оператора, проявляющиеся в склонности к более или менее рискованному поведению; его способность работать в состояниях утомления, эмоционального стресса, психической напряженности, монотонии и т.д.

Структура эргономики.

В соответствии с современными требованиями установлены следующие группы комплексных эргономических показателей.

Антропометрический показатель регламентирует соответствие машины размерам и форме тела работающего человека, распределению массы его тела, подвижности частей тела и другим параметрам.

На рабочем месте отмечаются следующие зоны пространств:

• досягаемая зона – та часть пространства, которая ограничивается крайними точками вытянутых верхних и нижних конечностей в нормальном положении тела. Размер этого пространства зависит от пропорции и положения тела оператора.

• функциональная зона - зона, где конечности оператора могут выполнить физиологически естественные рабочие движения в устойчивой позе;

• оптимальная зона – та часть пространства, в которой конечности человека-оператора способны продолжительное время совершать естественные рабочие движения с наибольшей эффективностью (точностью, быстротой, безопасностью и т.п.).

С учетом данных статистических характеристик антропометрических признаков человека можно утверждать, что рабочее место необходимо оборудовать с учетом физиологических особенностей оператора. Нужно иметь в виду, что имеется разница в росте между мужчиной и женщиной. Рост взрослого человека находится в диапазоне 1,50…2,0 м.

При определении зоны рабочего места в большинстве случаев применяется среднее значение человека-оператора. Для мужчин принимает средняя высота – 1,75 м, для женщин – 1,65 м. Этот рост человека-оператора является исходным для определения других антропометрических признаков человека.

Гигиенический показатель характеризует гигиенические условия жизнедеятельности и работоспособности человека при его взаимодействии с системой "человек-техника-среда". Он предполагает создание на рабочем месте нормальных метеорологических условий микроклимата и ограничение воздействия вредных факторов внешней среды (уровень освещенности, вентилируемости, влажности, запыленности, температуры, радиации, токсичности, шума и вибрации и т.д.). Превышение допустимых пределов по этим показателям может угрожать жизни и здоровью человека-оператора, вызывать "трудные" психические состояния, снижающие его работоспособность. Известно, например, что оптимальная для работы человека температура окружающей среды равна 18°С; при повышении температуры до 25°C начинается физическое утомление и появляются признаки ухудшения психического состояния (раздражительность, напряженность и др.); при 30°С ухудшается умственная деятельность, замедляются реакции, возникают ошибки; температуру около 50°С оператор может переносить в течение одного часа.

Эргономисты выделяют комфортную, относительно дискомфортную, экстремальную и сверхэкстремальную внешние рабочие среды на рабочем месте оператора.

Комфортная среда обеспечивает оптимальную динамику работоспособности оператора, хорошее самочувствие и сохранение его здоровья. Относительно дискомфортная среда, воздействуя в течение определенного интервала времени, обеспечивает заданную работоспособность и сохранение здоровья, но вызывает у человека-оператора неприятные субъективные ощущения и функциональные изменения, не выходящие за

пределы нормы. Экстремальная рабочая среда обусловливает снижение работоспособности человека и вызывает функциональные изменения, выходящие за пределы нормы, но не ведущие к патологическим нарушениям. Сверхэкстремальная среда приводит к возникновению в организме человека патологических изменений и (или) к невозможности выполнения работы.

Физиологический и психофизиологический показатели характеризуют те эргономические требования, которые определяют соответствие системы "человек-техника-среда" силовым, скоростным, энергетическим, зрительным, слуховым, осязательным, обонятельным возможностям и особенностям человека. При этом в процессе проектирования необходимо отчетливо представлять возрастные, половые, психологические и другие особенности операторов конкретной системы "человек-техника-среда". На основании многочисленных экспериментальных данных сформулированы, например, эргономические требования ГОСТа 21829-88 "Кодирование зрительной информации", Система стандартов безопасности труда, по которым минимальная допустимая яркость цветных знаков должна быть 10 кд/м², рекомендуемая - 170 кд/м², оптимальная угловая величина цветового знака - 35-45' и т д.

Эргономические требования ГОСТа 21752-86 "Маховики управления и штурвалы" следуют из экспериментально установленных максимальных усилий руки при различных углах сгиба в локте. Например, вытянутой правой рукой оператор может тянуть на себя рукоять с силой до 22 кг, толкать от себя - до 20 кг, выжимать вверх - до 5,5 кг, тянуть вниз - до 7 кг и т.д. В процессе проектирования необходимо отчетливо представлять возрастные, половые, психологические и другие особенности операторов конкретной системы "человек-техника-среда". Так, с возрастом резко падает чувствительность к свету: потребность в освещенности у человека 30-летнего возраста в два раза, у 40-летнего в три, а у 50-летнего в шесть раз больше, чем у 10-летнего. Отсюда следует, что если 30-летнему оператору достаточно освещенности в 1000 лк для максимально точного восприятия деталей, то для создания аналогичных

условий 50-летнему необходимо около 2000 лк.

При создании систем управления и сигнализации технической системы необходимо в обязательном порядке учитывать возможности человека-оператора: особенности его зрения, слуха, осязания и обоняния.

В информационных системах много различной информации, которую оператор должен воспринимать своим зрительным аппаратом. Зрительное поле человека условно делится на несколько зон: зрительного наблюдения (1,5 – 3⁰), мгновенного зрения (около 18⁰) и эффективной видимости (около 30⁰). Углы зоны обзора определяются поворотом головы человека без какого-либо напряжения и составляют в горизонтальной плоскости около 45⁰ и в вертикальной – около 30⁰.

При расположении приборов информации о состоянии технической системы необходимо учитывать особенности зрительного восприятия:

- горизонтальные движения глаз быстрее, чем вертикальные;

- точнее оцениваются и с меньшей утомляемостью горизонтальные показания измерительных приборов по сравнению с вертикальными;

- глаз и мозг человека может воспринимать одновременно объем информации с 5…7 объектов;

- глаз человека, являясь физическим телом, обладает определенной инертностью, вследствие чего прямоугольные контуры указателей, объектов воспринимаются легче, чем ломаные.

Эффективность зрительного аппарата человека зависит от расположения приборов информации. Установлено, что при переносе взгляда человека с прибора, расположенного на расстоянии 0,66 м от глаза, на прибор, расположенный на глубине 0,99 м, время считывания показаний увеличивается на 5…14%, а на расстояние до 1.14 м – на 8…21%.

У человека звуки улавливаются наружным ухом и через барабанную перепонку и слуховые косточки (среднее ухо) передаются в улитку лабиринта (внутреннее ухо), где колебания основной перепонки вызывают возбуждение в чувствительных нервных окончаниях корневого органа. Эти возбуждения

передаются в головной мозг, и человек воспринимает звук. Человек воспринимает колебания частотой от 10…20 Гц до 20 кГц.

В природе и при реализации различных технологических процессов происходит выделение различных газов. Насыщение этими газами воздуха приводит, как еще отмечал М.В. Ломоносов к «коловращению» молекул. Общая идея научной дисциплины о запахах – ольфакторники - сводится к следующему: пахучая молекула колеблется и посылает во все стороны особые волны. Обонятельные реснички на эпителии, подобно антеннам, улавливают эти волны и посылают в мозг сигнал о запахе.

В настоящее время зарегистрировано около ста тысяч различных запахов, некоторые из них приятны для человека, а некоторые могут вызывать головную боль, удушье и др.

При создании новых технических систем в обязательном порядке проводится экологическая экспертиза.

Психофизиологический показатель рассматривает «человеческий» компонент во всех его связях: ТС, окружающая среда и операнд. Если нагрузка на человека-оператора превзойдет предел работоспособности, то весь процесс преобразования операнда будет невозможным.

Нагрузка на организм человека-оператора технической системы должна рассматриваться по двум направлениям: физическая и умственная нагрузки.

Физическую и умственную нагрузки весьма сложно измерить и сопоставить в количественных показателях. Приведем только небольшой перечень возможных рабочих нагрузок человека-оператора технической системы:

- статическая мышечная нагрузка (грузчика, штангиста и т.п.);

- тяжелая динамическая нагрузка (гребля на лодке, работа отбойным молотком и т.п.);

- однообразная физическая работа в монотонной обстановке (работа на конвейере, на полуавтомате-прессе и т.п.);

- умственная работа, сопряженная с выполнением монотонных физических операций (вождение автомобиля, самолета и т.п.);

- умственная работа, связанная с выполнением обязанностей руководителя подразделения, предприятия.

Нагрузка на оператора-человека зависит еще от гигиенических и социологических (личностных и групповых проблем) условий.

Оценка любого конкретно анализируемого процесса преобразования с помощью технической системы и человека-оператора должна проводиться с требованием основных 4-х критериев: способности работника, переносимости работы, преемственности работы и удовлетворения, приносимого работой.

Способность человека-оператора технической системы определяется не только его природными данными, но и квалификацией, полученной при дополнительном образовании. Под уровнем переносимости работы оператора технической системы понимается наибольший временной уровень рабочей нагрузки, с которой справляется человек-оператор без каких-либо нарушений здоровья и снижения функциональных возможностей.

Критерий переносимости работы человека-оператора технической системы оценивается по гигиеническим показателям.

Третий критерий оценки условий труда – это уровень преемственности рабочей нагрузки. Он должен соотноситься со вторым критерием, но тем не менее доказательством гуманности условий работы является продолжительность или длительность на протяжении трудовой жизни человека.

Четвертый критерий иногда весьма влияет на показатели работы человека и всегда носит индивидуальный характер, как остальные критерии оценки условий труда.

Психологический показатель отражает соответствие машины возможностям и особенностям восприятия, памяти, мышления, психомоторики, закрепленным и вновь формируемым навыкам работающего человека, степени и характера группового взаимодействия и т.д.

Контрольные приборы в зависимости от особенности их чтения можно группировать в следующие три группы:

- контрольные (сигнальные) чтения (приборы этой группы называются сигнализаторами: лампочки, сирены, звонки и т.п.);

- директивные (приборы показывают на возникновение отклонений: «больше-меньше»; «право-лево»);

- количественные (приборы показывают изменения параметров по шкалам, сеткам, счетчикам и т.п.);

- пиктографические (приборы этой группы имеют шкалы, карты, рисунки, экраны);

- речевые (надписи на приборах, табло и т.п.).

Читаемость определяется объективными характеристиками оформления лицевой части прибора и дальности его нахождения от оператора. Критерием оценки оформления прибора служат показатели быстроты, точности и обобщенности при считывании показаний. Только специальными исследованиями устанавливаются требования к шкалам приборов.

Существуют следующие рекомендации инженерной психологии:

- приборы, выдающие основную и наиболее важную информацию, должны располагаться в центре сенсорного поля;

- приборы, сигнализирующие об относительно редких, но важных для технологического процесса явлениях, следует снабжать сигнализаторами с достаточными привлекающими эффектами;

- яркость световых сигнализаторов должна быть не менее чем в 2 раза больше яркости фона;

- при большом количестве приборов необходимо использовать как сигнализаторы, так и анализаторы (звук, вибрация и т.д.);

- большое значение имеет расположение приборов по фронту и глубине рабочего пространства оператора.

От внутреннего состояния человека, воздействия на него технической системы и потребностей зависит его психологическое состояние, которое

может быть: оптимальным, стрессовым, депрессионным, субъективным.

Стресс - это результат воздействия на человека весьма неблагоприятных для него конфликтных ситуаций производственного или бытового характера.

Депрессия – это состояние человека от переутомления или плохого здоровья, невозможности удовлетворить какую-либо насущную потребность и т.п.

Психологических состояний и причин, которые их вызывают, множество. Успешность выявления конкретных причин позволяет обеспечить более комфортные условия человеку как оператору технической системы.

Стресс у человека зависит от индивидуальных характеристик, профессионального мастерства и рабочей нагрузки.

Напряжения, обусловленные выполнением функций оператора, вызывают на одном и том же рабочем месте у разных индивидуумов разные стрессы. Степень стресса можно определить по анализам, которые берутся из физиологических систем человека.

Воспринимающие каналы человека.

Для приема информации используются зрительный, слуховой и кожный каналы восприятия.

1. Зрительный канал обладает хорошо выраженными аналитическими свойствами, обеспечивает наибольшую точность определения величины признака, особенно при использовании цифровых кодов, шкал, изменений положений указателей приборов. Он позволяет сравнивать и измерять информацию одновременно по нескольким признакам. Способность к поэлементному анализу большого числа отдельных составляющих сложного сигнала позволяет воспринимать с помощью этого канала большой объем информации. Наименьшая точность наблюдается при кодировании величины яркостью.

Зрительный канал дает самую полную информацию о положении наблюдаемых объектов в пространстве (по трем координатам).

Зрительный канал обеспечивает наименьшую точность передачи

временной информации. При поступлении сигналов в этот канал наблюдается меньшая точность и большая флюктуация в оценке длительности временных интервалов, чем при поступлении их по слуховому, кинестетическому и тактильному каналам. Ошибка в точности воспроизведения 3-, 5- и 10- секундных интервалов времени при использовании зрительного анализа составляет 13.8 - 18% стандарта, а флюктуация - 1.2 - 2.9 с.

Зрительный канал восприятия при передаче аварийной информации является также достаточно эффективным. Недостатком его является то, что источник информации обязательно должен находиться в поле зрения. Особенно важное значение приобретает канал в условиях интенсивного шума.

2. Слуховой канал обеспечивает наибольшую точность в оценке временных характеристик сигналов (их длительности, темпа, ритма и т.п.). Ошибка в воспроизведении 3-, 5-, 10- секундных заполненных временных интервалов составляет при использовании слухового анализатора 1.2 - 4.7% заданных стандартов. Человек способен воспринять до 16 - 25 градаций тональных сигналов, различающихся по высоте или громкости.

Слуховой канал позволяет использовать при приеме многомерных звуковых сигналов интенсивность и частоту, тембр и ритм. Однако общий набор сигналов и возможность варьирования ими для этого анализатора меньше, чем для зрительного. Значительно ограничивает использование этого канала трудность приема и анализа информации, поступающей одновременно более чем от одного источника сигналов.

Слуховой канал при бинауральном восприятии обеспечивает высокую точность определения направления на источник звука. Когда же применяется искусственный код (обычное изменение частоты акустического сигнала, его тона), точность локализации оказывается ниже, чем при использовании зрительного и кожного анализаторов. В основном, в этом случае с помощью слухового анализатора можно определять изменение положения объекта в пространстве только по одной координате.

Слуховой канал восприятия при передачи информации об аварийном

состоянии имеет те преимущества, что слуховой анализатор обладает выраженной способностью к экстренной мобилизации. Звуковой сигнал хорошо воспринимается независимо от местоположения его источника по отношению к оператору. Отрицательным свойством длительного интенсивного звукового сигнала является его выраженное тормозное влияние на высшую нервную деятельность.

3. Кожный (тактильный) канал при передаче количественной информации значительно уступает зрительному и слуховому каналу. С его помощью можно передать более 10 градаций величины за счет использования частоты вибротактильных или электрокожных сигналов (после соответствующей тренировки).

Кожный канал обладает меньшими возможностями для приема многомерных сигналов, чем два предыдущих. При передаче по нему многомерных сигналов практически могут быть использованы частота сигналов и их пространственная локализация.

Кожный канал обеспечивает определение положения объекта в пространстве по двум координатам при непосредственном соприкосновении с объектом и при дистанционном определении положения его в пространстве за счет искусственных кодовых признаков. Такими кодовыми признаками могут быть частота вибротактильных или электрокожных сигналов и их локализация. Применение для этого изменения амплитуды, величины и площади давления тактильных сигналов ограничивается быстрым развитием адаптации в тактильном анализаторе.

Кожный канал восприятия также может быть использован при подаче аварийных сигналов. При передаче аварийного сигнала в некоторых случаях может использоваться болевая чувствительность.

Сигналы, несущие информацию об аварийных ситуациях, можно подразделить на предупреждающие и сигналы, свидетельствующие об аварии и переключающие человека на деятельность по новому алгоритму. Предупреждающие сигналы не должны нарушать заданного режима рабочей

деятельности. Следствием аварийных сигналов должно быть изменение алгоритма работы для предотвращения развития аварийной ситуации и восстановления нормального функционирования системы. Для передачи предупреждающего сигнала можно использовать любой канал связи (зрительный, слуховой, тактильный). Выбор его зависит от структуры деятельности, загруженности того или иного анализатора и вида алгоритма, на который должен быть переключен оператор. Выбор канала связи для передачи аварийного сигнала обусловливается тем, что сигнал должен быть обязательно и немедленно воспринят при любых обстоятельствах, не зависимо от характера работы.