2.3. Характеристика системы «человек – машина»

Любая производственная система (высокомеханизированная или маломеханизированная) представляет собой систему «человек  машина». Важнейшим элементом системы является человек. Безопасность системы зависитне только от человека, но и таких показателей как надежность машины, степень согласованности характеристик человека и машины (человеческий фактор).

Надежность машины  это свойство машины выполнять заданные функции, т.е. сохранять свое назначение и предусмотренные условиями эксплуатации показатели в течение требуемого промежутка времени. Надежность определяется совокупностью трех факторов: безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью.

Как бы ни была совершенна техника, ее эффективное безопасное применение в конечном итоге зависит от того, насколько полно согласованы конструктивные параметры этой техники с оптимальными условиями работы оператора, сего психофизиологическими возможностями и особенностямиорганизма.

Эргономика  научная дисциплина, изучающая человека и его деятельность в процессе современного производства с целью оптимизации орудий, процессов и условий труда, создания таких условий, которые делают труд более эффективным и обеспечивают необходимыйкомфорт для человека. Для эргономики характерен системный подходк решению перечисленных вопросов.

Эргономика стремится приспособить технику к человеку, чтобы его деятельность была и эффективной и комфортной. Другими словами, речь идет об определенной совместимости характеристик человека, техники и производственной среды, хотя этого и не всегда удается достичь.

Выделяют пять видов совместимостей, обеспечение которых гарантирует успешное функционирование системы: информационная, биофизическая, энергетическая, пространственно-антропометрическая и технико-эстетическая.

1.Информационная совместимость. В сложных системах оператор обычно непосредственно не управляет технологическими процессами. Зачастую он удален от места их выполнения на значительные расстояния. Объекты управления могут быть невидимы, неосязаемы, неслышимы. Оператор видит показания приборов, экранов мнемосхем, слышит сигналы, свидетельствующие о ходе процесса. Все эти устройства называют средствами отображения информации (СОИ). При необходимости оператор пользуется рычагами, ручками, кнопками, выключателями и другими органами управления, в совокупности образующими сенсомоторное поле. СОИ и сенсомоторные устройства – так называемая информационная модель машины (комплекса). Через нее оператор и осуществляет управление самыми сложными системами. Задача эргономики состоит в том, чтобы обеспечить создание такой информационной модели, которая отражала бы все нужные характеристики машины в данный момент и в то же время позволяла оператору безошибочно принимать и перерабатывать информацию, не перегружая его внимание и память. Эта задача очень сложная. От ее решения зависят безопасность, точность, качество, производительность труда операторов.

Информационная совместимость должна соответствовать возможностям человека по приему и переработке всего потока закодированнойинформациииэффективномуприложению управляющих воздействий к системе.

Например, у летчика, управляющего самолетом, за последние 30 лет количество средств контроля и управления в кабине самолета увеличилось в 10 раз (на современном авиалайнере их более 600). По данным мировой статистики, каждые два из трех летных происшествий происходят из-за летного состава. И это не просто ошибки человека, вызванные растерянностью или низкой квалификацией. Большинство из них объясняется тем, что необходимые действия лежат за пределами возможностей человека.

Количество информации принято измерять в двоичных знаках битах. У человека поток информации через зрительный рецептор равен 10⁸...10⁹ бит/с. Нервные пути пропускают 210⁶ бит/с, до сознания доходит около 50 бит/с, в памяти прочно удерживается 1 бит/с.

За 80 лет жизни память человека удерживает информацию порядка 10⁹ бит/с, но мозгом оценивается не вся, а наиболее важная информация. Для управления поведением человека и активностью его функциональных систем (т.е. выходной информацией, идущей из мозга) достаточно около 10⁷ бит/с с подключением программ, содержащихся в памяти.

Получение информации о многих процессах в управляемом объекте во внешней среде одна из важнейших функций оператора сложных систем. Данные, поступающие по каналам связи от управляемого объекта и внешней среды, отображаются на различных устройствах (стрелочные приборы, экраны осциллографов и т.п.), образующих «информационную модель»,  непосредственный источник информации для оператора, принимающего решение.

Основная трудность опосредованного управления  не только быстро «считывать», т.е. правильно определять показания приборов, но и быстро (иногда молниеносно) обобщать поступающие данные, мысленно представлять взаимосвязь между показаниями приборов и реальной действительностью. Это значит, что оператор на основании показаний приборов (информационной модели) должен создать в своем сознании внутреннюю (концептуальную) модель управляемого объекта и окружающей среды.

Так, например, летчик при полете по приборам в среднем 86 раз в минуту переключает внимание с одного прибора на другой, а на некоторых этапах интенсивность переключения взгляда достигает 150 и даже 200 раз.

2. Биофизическая совместимость. Подразумевает создание такой окружающей среды, которая обеспечивает приемлемую работоспособность и нормальное физиологическое состояние оператора. Эта задача стыкуется с требованиями безопасности труда. Предельные значения для многих факторов окружающей среды установлены законодательством, но они не всегда увязаны с функциональными задачами оператора. Поэтому при разработке машин или технологических процессов появляется необходимость специального исследования параметров шума, вибрации, освещенности, воздушной среды и т.д.

Биофизическая совместимость человека и системы состоит в достижении разумного компромисса между физиологическим состоянием и работоспособностью человека, с одной стороны, и различными факторами, характеризующими систему с учетом объема, качества выполняемых им задач и продолжительности работы  с другой. Здесь должны быть обоснованы и выбраны номинальные и предельные значения отдельных воздействий на организм человека с целью обеспечения минимальной опасности и максимально возможной производительности.

3. Энергетическая совместимость предусматривает согласование органов управления машиной с оптимальными возможностями человека в отношении прилагаемых усилий, затрачиваемой мощности, скорости и точности движений.

Силовые и энергетические параметры человека имеют определенные границы. Для приведения в действие сенсомоторных устройств (рычагов, кнопок, переключателей и т. п.) могут потребоваться очень большие или чрезвычайно малые усилия. И то и другое плохо. В первом случае человек будет уставать, что может привести к нежелательным последствиям в управляемой системе. Во втором случае возможно снижение точности работы системы, так как человек не почувствует сопротивления рычагов.

Возможности двигательного аппарата представляют определенный интерес при конструировании защитных устройств и органов управления. Сила сокращения мышц человека колеблется в широких пределах. Например, номинальная сила кисти в 450…650 Н при соответствующей тренировке может быть доведена до 800 Н. Сила сжатия в среднем равная 550 Н для правой и 450 Н для левой руки, может увеличиваться в два раза и более. В табл. 2.2 приведены значения оптимальных усилий на органы управления.

4. Антропометрическая совместимостьпредполагает учет размеров тела человека, возможности обзора внешнего пространства, положения оператора в процессе работы (сидя или стоя) для определения объема рабочего места, зоны досягаемости для конечностей оператора и др. с целью создания комфортных условий труда и снижения утомляемости.

Таблица 2.2

Механические усилия и возможности человека

Вид нагрузки	Величина усилия
Максимальная нагрузка на костно-мышечную систему	167107 Па
Средняя сила бицепса правой руки: мужчины женщины	380 Н 220 Н
Номинальная сила кисти	450 Н
Сила сжатия пальцев руки	500 Н
Оптимальные усилия: нажатия тумблеров, кнопок ножных педалей рычагов ручного управления рукояток	1,4…12 II До 300 Н До 160 Н До 100Н
Скорость движения рук	0,01…8000 см/с

Антропометрические характеристики определяются общими размерами тела человека и его отдельных частей и используются для проектирования наиболее рациональных, удобных и безопасных орудий труда. Они позволяют рассчитывать пространственную организациюрабочего места, устанавливать зоны досягаемости и видимости, размеры конструктивных параметров рабочего места и приспособлений. Для этого часть пространства рабочего места, в котором осуществляются трудовыепроцессы, должнабыть разделенана рабочие зоны. Величину рабочей зоны и соотношение между антропометрическими характеристиками человека и пространственной организацией рабочихмест решает наука эргономика.

Антропометрические характеристики делятся на динамические истатические. Динамические характеристики используются для определения объема рабочих движений, зон досягаемости и видимости. По ним рассчитывают пространственную организацию рабочего места.

Статические могут быть линейными и дуговыми. В зависимости от ориентации тела в пространстве линейные размеры делятся на продольные (высота различных точек над полом или сиденьем), поперечные (ширина плеч, таза и т.п.), передне-задние (передняя досягаемость рук и др.).

Эргономика проводит исследования рабочих поз. Рабочая поза «стоя» требует больших энергетических затрат и менее устойчива из-за поднятого центра тяжести, поэтому при этой позе быстрее наступает утомление.

Рабочая поза «сидя» имеет целый ряд преимуществ: резко уменьшается высота центра тяжести над точкой опоры, благодаря чему возрастает устойчивость тела. Значительно сокращаются энергетические затраты организма для поддержания такой позы, вследствие чего она является менее утомительной. Однако длительные статические напряжения мышц могут вызвать быстрое утомление, снижение работоспособности, профзаболевания (искривление позвоночника, расширение вен, плоскостопие) и привести к травматизму. Статичная поза утомительнее, нежели динамическая.

Рабочую зону, удобную для действия обеих рук, нужно совмещать с зоной, удобной для охвата человеческим взором.

Технико-эстетическая совместимость заключается в обеспечении удовлетворенности человека от общения с техникой, цветового климата, от процесса труда. Всем знакомо положительное ощущение при пользовании изящно выполненным прибором или устройством. Для решения многочисленных и чрезвычайно важных технико-эстетических задач эргономика привлекает художников-конструкторов, дизайнеров.

Таким образом, безопасность и эффективность системы «человек –машина» определяется надежностью машины, качеством подготовки оператора, влиянием окружающей внешней среды и степенью согласованности характеристик человека и машины в конкретной системе «человек – машина». Анализ и учет человеческого фактора  обязательное условие при разработке системы «человек – машина».