книги из ГПНТБ / Сочивко В.П. Человек и автомат в гидросфере очерки системотехники

5) связи между элементами в системе сильнее их свя­ зей с элементами вне системы.

Интуитивно представляется, что сформулированные

щаясь к вопросам, обсуждавшимся в начале данного па­ раграфа, следует сказать, что наш подход позволяет описать не реальную систему, а ее идеализированную модель.

Системы можно разделить на два больших класса:

1)физические, или материальные (как естественного, так и искусственного происхождения);

2)абстрактные, или концептуальные.

Человечество преуспело в синтезе сравнительно про­ стых физических (материальных) систем, подошло к по­ строению сложных физических систем и крайне мало знает законы абстрактных систем.

Выбрав в качестве принципа классификации целевое назначение .системы, их можно разделить на следующие три класса:

1)вещественные;

2)энергетические;

3)информационные.

По признаку взаимодействия с окружающей средой системы делятся на:

1) открытые системы, которые обмениваются с окру­

воспринимать и отфильтровывать разнообразные случай­ ные входные воздействия, в том числе и не являющиеся полезными. Поведение закрытых систем не зависит от характеристик окружающей среды.

Заметим, что в кибернетике, изучающей логико-инфор­ мационные системы управления, к закрытым системам относят такие, которые обмениваются с окружающей средой энергией, но не информацией. Существуют области знания, в которых к закрытым относят такие системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом.

Изучая поведение систем, легко выделить следующие их разновидности:

1) статические системы (чаще всего это неподвижные механические конструкции);

2) динамические системы (чаще всего это системы, опи­ сываемые обыкновенными дифференциальными уравне­ ниями или уравнениями в частных производных с конеч­ ным либо с бесконечным числом обобщенных координат, причем как координаты, так и время изменяются на кон­ тинуумах *. В случае, если время дискретно, т. е.' изме­ няется на счетном множестве, а каждая из конечного или бесконечного числа обобщенных координат принимает значения на континуумах, поведение динамической си­ стемы описывается разностными уравнениями. Среди динамических систем существуют и конечные, у которых время изменяется на счетном множестве, координаты и внешние воздействия— на конечных множествах, а число внешних воздействий и координат конечно).

Эволюционный подход позволяет выделить: 1) структурно прогрессирующие системы;

2)структурно регрессирующие системы;

3)системы, остающиеся нейтральными.

Для сложных систем характерна иерархия структур­ ной организации.

Из вышеизложенного следует, что для системно-струк­ турного анализа могут быть использованы графоаналити­ ческие методы. Как будет видно из дальнейшего, они находят широкое применение при анализе и синтезе авто­ матов и систем класса «человек—машина». Возвращаясь к рис. 29, можно дать ему такую интерпретацию: х х — человек-оператор (например, гидронавт, управляющий подводным аппаратом); х 2— комплекс средств, обеспе­ чивающих управление; х3— собственно объект управле­ ния (например, буксирующее устройство); х4 — множество всех тех элементов, которые не влияют на функциони­ рование системы (например, другой гидронавт, действую­ щий независимо от первого).1

1 Континуум — математическое понятие, связанное с понятием непрерывности. Примером множества, имеющего мощность континуума, является совокупность всех точек прямой. Такому множеству может быть противопоставлено счетное множество, т. е. множество, все эле­ менты которого можно занумеровать натуральными числами.

68

-I

Подводные аппараты и сооружения, также являющиеся системами, по их применимости делятся на:

1)информационные системы (гидроакустические пере­ говорные устройства, локаторы, шумопеленгаторы, нави­ гационные комплексы и т. д.);

2)транспортные системы (подводные буксировщики

пловцов, исследовательские малые подводные лодки

ит. д.);

3)энергетические системы (электростанции, компрес­

соры, теплоцентрали и т. д.);

4)производственные системы (подводные буровые установки, ремонтные мастерские и т. д.);

5)системы снабжения (заправочные станции, склады топлива и пищи и т. д.);

6)обеспечивающие системы (подводные жилища, са­ нитарно-гигиенические устройства и т. д.).

Каждую из этих систем можно детально проанализи­ ровать и дать подробную классификацию возможных ва­ риантов ее реализации. Вместе с тем все названные си­ стемы направлены на решение одной общей задачи, а сле­ довательно, образуют единый комплекс, который можно представить графически, указав взаимосвязи отдельных звеньев.

Системным анализом может быть охвачен и весь период, связанный с разработкой комплекса в целом: постановка задачи, формулировка технического задания, этапы про­ ектирования и изготовления, этап испытаний. При рас­ смотрении этих вопросов с позиций системного анализа центральной задачей становится операция количествен­ ного сравнения альтернатив, которая выполняется с целью выбора альтернативы, подлежащей реализации. Однако детализация возможностей и особенностей системного анализа не входит в нашу задачу. Важнее отметить то обстоятельство, что особенностью данной книги является постоянный выбор одной из альтернатив — человек или автомат. В связи с этим перейдем к рассмотрению основных характеристик,' определяющих сравнение альтернатив, не исключая возможности выбора третьей альтернативы — человеко-машинной системы.

69

Г л а в а т р е т ь я

ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ И ИХ ПРЕОДОЛЕНИЕ

. . .Подводный мир более враждебен человеку, чем космос.

С. Карпентер

До сих пор не создано снаряжение, делающее пол­ ностью безопасным длительное пребывание человека под водой. Организму человека под водой угрожают много­ численные опасности: переохлаждение, удушье, нарко­ тическое отравление, стресс1 и др. Одни из них дают себя знать сразу же после погружения, другие — спустя некоторое время.

Несколько условно все воздействия гидросферы на человека можно разделить на два класса: 1) соматические, или физиологические; 2) психические. Разделение на «чисто» физиологическое и «чисто» психическое возможно только в абстракции, так как это два аспекта единого процесса жизнедеятельности человека. Ряд психологов определяет психическое как проявление физиологического. И. П. Павлов сформулировал известное положение о том, что условный рефлекс представляет собой одновременно физиологическое и психическое. Но в- ряде случаев пред­ ложенное условное разделение оказывается удобным.

На суше человек может позволить себе некоторую не­ брежность в регулировании параметров внешнего воздей­ ствия, так как обладает колоссальными резервами за счет физиологической избыточности. Классик физиоло­ гии У. Кэннон установил, что человек обычно использует

1 Стресс— крайняя форма психической напряженности, нервноэмоциональное состояние на грани срыва.

70

только 7% дыхательной поверхности легких, и этого вполне достаточно ' для эффективного газообмена. Для всех других органов также существует 3—15-кратный запас, характеризующий резервы организма. Можно предполагать, что имеются резервы и психики, хотя их количественная оценка затруднена.

Интуитивно существование резервов организма осо­ знается многими. Отсюда и проистекает ошибочное в целом представление о неисчерпаемых резервах организма чело­ века (Ф. М. Достоевский даже предлагал определять человека как существо, способное ко всему привыкнуть). Гидросфера, биологически чуждая человеческому орга­ низму, может очень быстро разрушить иллюзии такого рода.

Однако, коль скоро пребывание человека в гидросфере становится необходимым для участия в сложных произ­ водственных процессах и для изучения гидросферы, при­ ходится тщательно исследовать психофизиологические барьеры и изыскивать пути их преодоления.

Большинство факторов обитаемости подводных жилищ, аппаратов, судов подлежит нормированию. Среди них — объем воздушного пространства, газовый состав, предельно допустимые концентрации вредных примесей, ионный состав атмосферы, микробная загрязненность, относитель­ ная влажность, температура и ее колебания, скорость движения вентиляционной струи, уровень шума, осве­ щенность, количество и расположение приборов и органов управления, предметное и цветовое оформление и ряд других. Однако, учитывая реальные возможности совре­ менной техники и другие соображения, почти всегда при­ ходится идти на определенный компромисс между стрем­ лением обеспечить идеальные условия обитаемости и воз­ можностями проектирования и изготовления опытных образцов подводных сооружений.

В настоящее время ученые разных специальностей ведут интенсивные поисковые работы, направленные на решение труднейших проблем обитаемости. В частности, во всем мире ведутся поиски дыхательных средств, кото­ рые были бы построены на совершенно новых принципах. Предлагаются различные способы регенерации воздуха, пластмассовые мембраны, искусственные жабры, биоло- . гические фильтры, биотехнические системы газоснабже­ ния с использованием бактерий, подача в легкие насыщен­ ной кислородом жидкости и т. д. Некоторые из предлагае­

71

мых способов будут рассмотрены в последующих пара- ^ графах.

Обсуждаемая в данной главе проблема имеет специ­ фические аспекты, связанные с учетом психофизиологи­ ческих факторов в системе человек—машина. Эти вопросы будут нами рассмотрены в следующих главах.

Огромный интерес представляют методики психофи­ зиологических исследований. Такие методики в настоя­ щее время разработаны, и в соответствии с ними прове­ дены интересные экспериментальные исследования как в реальных условиях гидросферы, так и в лабораторных условиях с имитацией глубоководного погружения. Учи­ тывая специфику такого рода частных методик, интерес­ ных далеко не каждому читателю, ограничимся в даль­ нейшем общим описанием проблемы.

§ 6.

Физиологические барьеры

• ■

После миллионов лет изгнания человек вернулся в море, вер­ нулся в свой древний дом.

Артур Кларк

Одной из самых серьезных опасностей подводных погружений является опасность, угрожающая человеку со стороны внешнего давления гидросферы. Находясь в воде или в подводном жилище со свободным выходом, гидронавт уже на глубинах до 200 м испытывает избыточ­ ное давление на поверхность тела до 20 кгс/см2 и более.

Само по себе избыточное давление такого порядка не является, по-видимому, губительным для живого орга­ низма. Многочисленные эксперименты на подопытных животных — мышах, козах, собаках — показывают, что млекопитающие выдерживают избыточное внешнее дав­ ление, превышающее 100 кгс/см2. Известны также досто­ верные факты, когда млекопитающие в естественных усло­ виях подвергаются очень высокому внешнему давлению — ластоногие и китообразные ныряют на большие глубины. Так, в 1955 г. у побережья Южной Америки был найден кашалот, запутавшийся в подводном телефонном кабеле на глубине 1200 м, а в 1951 г. подобный случай был зафик­ сирован на глубине 2200 м (сам факт запутывания каша­ лотов в кабеле специалисты склонны объяснять тем, что

72

кашалот принимает кабель за щупальца гигантских каль­ маров, которыми он преимущественно питается, ныряя

в глубину).

Таким образом, само по себе избыточное давление даже такого порядка не является губительным для млекопитаю­ щих, а значит, можно предполагать, и для человека. Однако преодоление перепадов давления уже таит в себе опас­ ность. Чем больше глубина погружения, тем меньше вре­ мени человек может оставаться под водой, если вслед за этим предполагается всплытие, тем продолжительнее сту­ пенчатая декомпрессия при подъеме его на поверхность.

Объясняется это тем, что при нормальном барометри­ ческом давлении в нашем организме растворено около 1 л азота. С погружением в воду, а значит, с повышеңием давления, это количество возрастает. Полное насыщение организма азотом при установившемся давлении (на за­ данной глубине) происходит через длительное время — порядка 6 ч. При подъеме, с уменьшением давления, процесс идет в обратном порядке: растворенный газ стремится выйти из тканей организма. При очень медлен­ ном подъеме это выделение может происходить посте­ пенно, в основном через легкие человека. При быстром подъеме газ в виде пузырьков интенсивно выделяется из тканей организма в кровь. Последствия такого «вскипа­ ния» крови в крупных и мелких кровеносных сосудах могут быть самыми трагическими. Поэтому минуты пре­ бывания на глубине требуют затем многочасового подъема, а физическая работа на глубине значительно удлиняет и без того большой период декомпрессии.

Огромное практическое значение подводных жилищ как раз в том и состоит, что в какой-то степени снимйются времени ьіе ограничения пребывания на глубине: ведь время декомпрессии не изменяется от того, одни сутки или неделю пробыл гидронавт под водой.

Но вот гидронавт в подводном жилище. Некоторые из таких жилищ выглядят довольно уютными на кадрах цветных кинофильмов, а эргономика1 дает четкие реко­

1 Эргономика — научное направление, основной задачей которого является исследование влияния, оказываемого на функциональное состояние и работоспособность, человека различными факторами окру­ жающей его физической среды (составом воздуха, освещением, шумом, перегрузками и т. д.), организацией рабочих мест, профессиональной пригодностью, подготовленностью. По результатам этих исследований вырабатываются рекомендации, направленные на оптимизацию трудо­ вой деятельности человека.

73

мендации по обеспечению комфорта (см. рис. 30). Однако даже при значительных затратах на оборудование, обе­ спечивающее комфорт, достигнуть нормальных условий обитаемости пока не удается. В большом числе факторов дискомфорта можно отметить следующие.

В атмосфере с повышенным содержанием гелия велика теплопроводность, в связи с чем тело человека даже при

температуре, намного превышающей так называемую «комнатную», интенсивно теряет тепло. Температура у гидронавтов повышается в среднем до 37,7° С, что медики связывают с особенностями атмосферы гелия. Повышенная влажность способствует простудным заболеваниям дыха­ тельных путей.

Анормальным является сам газовый состав, которым дышат гидронавты. Этот так называемый газовый коктейль того или иного состава обеспечивает минимальные жиз­

74

ненные условия, но не оптимальный для организма газо­ вый обмен.

Практически во всех программах глубоководных по­ гружений значительное внимание уделяют медицинским наблюдениям и исследованиям: изучают состояние сер­ дечно-сосудистой системы, измеряют частоту дыхания, давление, температуру, пульс, снимают электроэнцефа­ лограмму, берут кровь. При этом у гидронавтов обнару­ живается отклонение от нормы ряда физиологических параметров организма.

Исследователи отмечают, что наиболее часты кожные заболевания гидронавтов. Специфика микроклимата под­ водных баз приводит к возрастанию общей бактериальной загрязненности воздушной среды и усилению болезне­ творных свойств микроорганизмов, причем, как показы­ вает анализ [16], основным источником бактериального загрязнения помещений является сам их обитатель. В то же время у гидронавтов резко снижаются бактерицидные, защитные свойства кожи. Это и обусловливает появление кожных заболеваний.

Своеобразие бактериальной микрофауны подводного жилища требует тщательного контроля его характеристик, наблюдений за иммунологическими реакциями гидронав­ тов. При отборе членов экипажа необходимо, помимо всего прочего, решать и вопрос об их биологической сов­ местимости, чтобы исключить возможность вредного взаимного влияния микрофлоры гидронавтов. Естест­ венно, что одновременно необходимо уделять большое внимание гигиенической обработке внутренних помещений и индивидуальным средствам гигиены.

Следует отметить, что после двух-трех суток пребыва­ ния в подводном помещении наступает стабилизация ряда физиологических показателей, устанавливается новое равновесное состояние организма, отличающееся от со­ стояния при обычных земных условиях и соответствую­ щее среде подводного помещения. Этот период можно охарактеризовать как период устойчивой адаптации. Ча­ стота дыхания и пульса, артериальное давление и другие физиологические показатели приходят у большинства гидронавтов в норму. Снимается спазм кровеносных ка­ пилляров, вызывавший их сужение.

Вместе с тем продолжает суммироваться негативное действие факторов подводной среды: нарастает апатия, возникает и развивается утомление, снижается физичес­

75

кая работоспособность, обостряются катаральные явле­ ния в верхних дыхательных путях. Повышается чувст­ вительность кожи к микробам, в результате чего разви­ ваются гнойничковые заболевания. Изменяются защитные иммунологические реакции организма. Естественно, что происходят характерные изменения и в психической дея­ тельности гидронавтов, о чем будет идти речь в следующем параграфе.

Определенным ограничениям подвергается кухня гидронавтов. Но ведь питание следует рассматривать не только как источник энергии — широкая палитра вку­ совых эмоций скрашивает достаточно суровую жизнь подводных исследователей, поддерживает их настроение и работоспособность. Однако кухня подводных жилищ в значительной степени теряет то, что принято называть «букетом» и что влечет за собой сложный комплекс вку­ совых, обонятельных и 'зрительных ощущений.

Наиболее серьезное внимание должно привлекать то обстоятельство, что даже важные для жизнеобеспечения условия все еще плохо поддаются эффективному контролю и регулированию. Именно несовершенством существую­ щей техники жизнеобеспечения объясняется трагический случай, происшедший в начале эксперимента по про­ грамме «Силэб-3». Когда приборы на борту вспомогатель­ ного судна «Элк-Ривер» показали утечку гелия из еще не заселенного подводного дома «Силэб-3», трем гидронавтам было поручено выполнить на дне необходимые ремонтные работы. В специальной стальной камере высокого давле­ ния гидронавты спустились к подводной лаборатории. Они открыли входной люк, ведущий в лабораторию, и в этот момент нд телевизионном экране судна «Элк-

читься, хватаясь руками за шланг подачи воздуха к ин­ дивидуальному дыхательному аппарату. ' Напарник немедленно втащил Б. Кэннона в камеру-подъемник. Два гидронавта тщетно пытались привести пострадав­ шего в чувство на протяжении всех 40 мин (!), потребо­ вавшихся для подъема на поверхность.

Тщательная медицинская экспертиза показала исклю­ чительно высокое содержание углекислого газа в крови гидронавта. Из этого можно заключить, что он задох­ нулся вследствие неисправности в системе обеспечения глубоководного скафандра воздухом ' для дыхания.

76