Основные аспекты взаимодействия человека - оператора и аппаратуры
Еще в самом начале пути студент-автоматчик слышит декларацию, что вся научно-техническая деятельность человека направлена на перевод возможно большего числа задач из разряда творческих в разряд рутинных, а автоматизация как область науки и техники ставит своей целью замену человека техническими средствами где только возможно.
Однако сегодня никакая техника не обладает и в обозримом будущем обладать не будет такими резервами памяти, такой способностью адаптироваться к изменяющейся ситуации, как человек, наконец, таким сугубо человеческим качеством, как интуиция, то есть по сути способностью принимать решения в условиях недостатка информации. Об этом можно бы подробно и небесполезно поговорить, но, так или иначе, с существованием такого явления, как оператор, всегда придется считаться - и считаться с тем, что ему свойственно уставать, что он может эффективно держать под контролем всего около 7 информационных объектов, что и скорость восприятия, и скорость исполнения решений у него очень невелики, и с тем, что он может быть нездоров, в дурном настроении, ему может быть просто жарко или холодно и т.д. и т.п.
По мере развития и усложнения функций, реализуемых электронной аппаратурой, требования к оператору ужесточаются. Но это ужесточение небеспредельно, поскольку психофизиологические возможности человека ограничены по природе, и эти ограничения не могут быть полностью преодолены за счет специальной подготовки операторов, и подготовка тоже ограничена временем и затратами.
Таким образом, конструктор РЭА, как всегда, должен найти компромиссное решение.
Должен быть найден оптимум в плане количества и характеристик информации, принимаемой оператором, а также в плане обеспечения таких условий его работы, при которых он способен воспринимать входную информацию ожидаемым образом, принимать верные решения и безошибочно их исполнять.
Это общее соображение для своей реализации требует учета массы факторов.
Деятельность оператора включает в себя несколько этапов: восприятие, осмысление, хранение, принятие решения, исполнение решения и контроль результатов.
Конструкция аппаратуры непосредственно влияет на восприятие информации и исполнение решения.
Восприятие.
Реально в технике используются три механизма восприятия: зрение, слух и осязание.
Обоняние тоже используется, но, как правило, бывает уже поздно.
Известно, что посредством зрения человек получает 80% всей информации.
Характеристики зрительного восприятия:
- поле зрения;
- разрешающая способность (острота зрения);
- способность к аккомодации, т.е. к фокусировке на разноудаленных объектах;
- способность к адаптации, т. е. к восприятию в условиях различной освещенности;
- цветовое восприятие.
Поле
зрения среднего человека
Разрешающая способность глаз сильно изменяется в зависимости от условий: от вида объекта, спектрального состава света, от освещенности, контрастности фона и объекта, скорости движения объекта, продолжительности зрительного воздействияи других факторов. К сожалению, по этому поводу в моем источнике почти нет конкретных данных, и это вообще, видимо, трудно сделать - каждый конкретный случай требует индивидуального подхода. Приводится лишь некоторые данные по пороговым (минимальным) воспринимаемым скоростям: на свету при наличии неподвижных ориентиров - 0/21/// сек, в темноте без неподвижных ориентиров –
1/15// - 1/55// / сек.
Аккомодация изменяется с возрастом ( известное явление возрастной дальнозоркости). Средний 20-летний человек способен аккомодироваться к предметам, расположенным в 100 мм от глаз, 40-летний - 220 мм, а 60-летний - 1000 мм. Объекты, расположенные в 6 м и далее, для глаза находятся в оптической бесконечности, для фокусировки на них аккомодация глазу не нужна.
Способность к адаптации меняется в тысячи раз при переходе от света к темноте (темновая адаптация) и обратно (световая адаптация). Для темновой адаптации требуется обычно порядка 20 мин. Мне доводилось слышать о приемах, позволяющих ускорять темновую адаптацию - вроде вспышки синего цвета, но здесь нужна конкретная информация.
Человек с нормальным цветовым зрением может различать до 150 цветов по цветовому тону, до 25 - по насыщенности, а по светлоте - до 64 при высокой освещенности и до 20 при низкой. Несмотря на то, что для профессии оператора в серьезных случаях требуется нормальное цветовое зрение, не стоит злоупотреблять оттенками - лучше, если цвета, используемые для органов управления и индикаторов, будут различаться существенно.
Отмечено также, что цветовое восприятие зависит от того, на какой цвет был обращен взгляд до момента наблюдения. Соответствующая таблица приведена в источнике.
Кажущиеся цвета при переносе взгляда с одной цветовой поверхности на другую.
Слух.
Известно, что большинство людей способны воспринимать очень малые изменения частоты звука: музыкальному интервалу в полтона соответствует отношение частот 1.059, и эту разницу способен уловить человек, которому на ухо наступил мамонт. Кроме того, очень хорошо ощущается разница в частоте следования звуковых импульсов. Это, конечно, достаточно широко используется.
Надо, однако, помнить, что слух способен адаптироваться и к уровню звука, и к достаточно долго повторяющемуся периодическому сигналу - по прошествии какого-то времени человек просто перестает воспринимать звуковой сигнал. Хорошо воспринимаются лишь быстрые перепады громкости или достаточно сильные изменения характера звучания.
Тактильная чувствительность.
Наибольшей чувствительностью обладает кожа на кончиках пальцев. Каждый знает по себе, что легко различается форма осязаемой поверхности и ее фактура. Это также используется при проектировании органов управления.
Особенности двигательного аппарата.
Большая часть операций производится руками. В движениях рук отмечены такие особенности:
· движения по горизонтали быстрее, чем движения по вертикали;
· движения к себе более точны, чем от себя.
Здесь необходим комментарий: имеется в виду движение пальцев в случае, когда кисть имеет опору. Если движение требует значительного усилия и выполняется всей рукой, точность зависит от того, в каком направлении тело имеет опору. Общее соображение: мышцы-сгибатели в принципе работают лучше, чем разгибатели - это, как очевидно, связано с конструкцией человеческих конечностей.
· прерывистые движения выполняются медленнее, чем непрерывные;
· дрожание рук имеется всегда.
Параметры, которыми характеризуется оператор как звено системы "человек - техника", звучат так, как будто он - неодушевленная железяка: быстродействие, точность и надежность.
Правда, количественно их выразить непросто.
Быстродействие определяется временем реакции анализаторов и временем исполнительных действий. Время реакции тактильного анализатора - 0.09 - 0.22 с, слухового - 0.12 - 0.18 с, зрительного - 0.15 - 0.22 с. Медленнее всех - тепловой анализатор при слабых воздействиях - 0.28 - 1.6 с. Во всех случаях время реакции зависит от условий наблюдения.
Время исполнительных действий зависит от множества факторов: индивидуальных способностей конкретного человека, его физиологического состояния на данный момент, того, насколько конструкция аппаратуры соответствует его антропометрическим данным, других факторов. Оно труднее всего поддается учету.
Средняя скорость переработки информации оператором - 6 бит/с.
При большей скорости возрастает напряжение, и оператор быстрее утомляется, при меньшей начинает играть свою роль тягостное ожидание - внимание рассеивается.
Точность оператора количественно определяют как разницу между показаниями индикатора и значением, считанным оператором.
Надежность оператора - такая же вероятностная характеристика, как и для технических устройств, и может быть выражена количественно, но факторы, ее определяющие, другие: во-первых, информация, получаемая оператором, не всегда исчерпывающа, во-вторых, сказываются личные особенности ее восприятия, далее, правильно задуманное не всегда исполняется безошибочно.
Очень серьезную роль играет психическое напряжение, связанное и со скоростью поступления информации, и длительностью периодов активной работы, и с различными факторами дискомфорта, а также всевозможные помехи.
В результате исследований установлены зона высшего комфорта, комфортная зона, некомфортная зона и невыносимая зона по различным факторам, определяющим условия работы оператора.
Условия работы оператора
|
Зона высшего комфорта |
Комфортная зона |
Некомфортная зона |
Ускорение, g |
0 |
0.1 |
1 |
Влажность, % |
60 |
20 |
10 |
Вентиляция, м3/чел |
34 |
22 |
8.5 |
Амплитуда вибрации, мм |
0 |
0.2 |
1.3 |
Шум, дБ |
60 |
85 |
120 |
Температура (тепло), оС |
+22 |
+24 |
+35 |
Температура (холод) , оС |
+22 |
+18 |
1 |
Наклон тела, о |
0 |
±5 |
±20 |
По логике вещей, нужна какая-то интегральная оценка условий работы. Понятно, что если хотя бы один параметр за пределами комфортной зоны, то оператору весьма неуютно, а два или более могут сделать жизнь совершенно непереносимыми.
В былые времена конструктору, заикнувшемуся, что не вредно бы сделать технику покрасивее или хотя бы поудобнее, вполне могли возвестить: “ Нечего баловать, перебьются... А тебе что, делать нечего? !”
На рисунке приведена схема деления рабочего места на зоны по степени удобства обзора и доступности для работы руками при работе сидя.
Проектирование панелей и пультов.
Средства отображения информации.
В соответствии с используемыми типами восприятия существуют визуальные, акустические и тактильные средства отображения информации.
Естественно, наибольшее распространение имеют визуальные средства, или индикаторы. Прежде всего индикаторы следует разделить по характеру отображаемой информации: аналоговые, дискретные, дисплеи и мнемосхемы.
Аналоговые:
· стрелочные с дуговой или круговой шкалой;
· линейные с перемещающейся точкой (стрелкой) или с заполнением.
Дискретные:
· единичные;
· знакосинтезирующие одноразрядные.
Дисплеи:
· однострочные;
· алфавитно-цифровые многострочные,
· комбинированные (универсальные), предназначенные для отображения визуальной информации любого характера.
Комбинированные (универсальные) - это мониторы ЭВМ, медицинских приборов, экраны радиолокаторов, некоторых наиболее крутых осциллографов и др.
Мнемосхемы в традиционном понимании: изображение функциональной или технологической схемы устройства или установки неизменно и нанесено прямо на панель, а индикаторы располагаются ассоциированно с изображением структурных элементов и отображают их режимы, потоки энергии или реагентов. В виде мнемосхем удобно представлять крупные системы с централизованным управлением: технологические установки, энергосистемы, транспортные системы.
Естественно, можно отображать мнемосхему на экране ЭВМ, только размеры при этом слишком малы для серьезных случаев и годятся разве что для подсистем среднего размера.
Все разновидности индикаторов имеют свои особенности восприятия.
Аналоговые индикаторы.
Аналоговые индикаторы не обспечивают высокой точности, но зато лучше, чем цифровые, дают представление о динамике процесса, о соотношении считываемого значения с какими-то ключевыми значениями: на шкале легко выделить эти ключевые значения или зоны.
Форма шкалы влияет на восприятие: быстрее точнее считываются показания с дуговой, круговой и линейной горизонтальной шкал, хуже всего в этом плане вертикальная линейная. Линейная шкала с заполнением применяется, когда главным образом важна оценка уровня величины, а не соотношения с ключевыми значениями. Наиболее характерный пример - индикаторы уровня в звуковой аппаратуре. Кстати, здесь проявляется преимущество вертикальной шкалы: она удобнее для оценки соотношения нескольких (особенно больше двух) величин, при этом шкалы располагаются рядом. Мой собственный опыт: дуговые шкалы при двух каналах - еще неплохо, при четырех уже совершенно никуда не годится, а при линейных горизонтальных шкалах все время хочется и голову установить горизонтально, тем более что каналы-то в стереосистеме все-таки ЛЕВЫЙ и ПРАВЫЙ, а не верхний и нижний.
Еще некоторые тонкости. Возрастание значений должно идти слева направо и снизу вверх. Вероятно, в арабских странах на этот счет свои соображения - они пишут справа налево. Цифры должны располагаться так, чтобы стрелка их не перекрывала. В площади, отведенной под индикатор, не должно быть ни конструктивных элементов, ни символов, не имеющих отношения к функции ндикатора.
Дискретные индикаторы.
Единичные ндикаторы - светодиоды, лампы накаливания, электромеханические и другие - используются для отображения состояний “включено” и “выключено”, но, используя мигающий режим, можно отображать и дополнительную информацию.
Сейчас существуют светодиоды, в одном корпусе объединяющие два - красный и зеленый (АЛС331). Здесь возможности еще шире, вплоть до синтеза цвета за счет широтно-импульсной модуляции тока каждого светодиода.
Уместно напомнить о назначении цветов индикаторов согласно стандартам ССБТ: красный - отказ, мигающий красный - авария; желтый, непрерывно горящий или мигающий - предупреждение о включении, зеленый - штатный установившийся режим. Зеленым мигающим хорошо отображать штатный переходный режим.
Знакосинтезирующие индикаторы обычно используются для построения однострочных дисплеев, на которых может отображаться не только числовая, но и несложная текстовая информация типа ЕГГОГ. Несколько обособленно стоят случаи, когда индикаторы отображают целые числа типа номера (кода) режима или адреса устройства - такая информация просто воспринимается быстрее.
Многострочные сообщения обычно намного более емки информационно и требуют много времени не только для восприятия, но и для осмысления, поэтому самую оперативную информацию в таком виде представлять не следует. Для отображения многострочных сообщений практически используются не наборы одноразрядных индикаторов, а специальные многострочные дисплеи, как правило, со встроенным управлением. Могут использоваться электронно-лучевые трубки или газоразрядные индикаторные панели (ГИП), но это уже практически монитор ЭВМ как по возможностям, так и по сложности управления. Есть еще так назыаемые полупроводниковые модули экрана (светодиодные матрицы 8 х 8 точек), из которых можно набрать достаточно большое поле, и микросхемы управления к ним (АЛС347, КИПГО1А- 8х8Л - КИПГО3А- 8х8Л, 514ИР2). Конечно, они по возможностям покруче, чем многострочные дисплеи - на них можно и графическую информацию отображать, но управление соответственно намного сложнее.
Знакосинтезирующие индикаторы делают на светодиодах (одно - и многоразрядные, семисегментные, матричные 7х5 точек и спецсимвольные, есть и с большим числом сегментов), вакуумно - люминесцентные (одно- и многоразрядные, семи-, одиннадцатисегментные, всякие спецсимвольные и для очень конкретных применений), жидкокристаллические (здесь вообще разнообразие невероятное, поскольку технология их очень гибкая, а затраты на разработку невелики - можно даже сделать спецзаказ).
Светодиодные, ВЛ и газоразрядные индикаторы - активные, но их плохо видно, когда на них попадает прямой яркий свет, а ЖКИ - пассивные и нуждаются в подсветке независимо от того, в проходящем или в отраженном свете они работают.
В электромеханических единичных индикаторах сам элемент индикации имеет флуоресцентное покрытие, и при ярком свете контрастность не теряется. При слабом внешнем освещении нужна подсветка. Эти индикаторы крупные, обычно компонуются в целое знакоместо и очень хороши для табло общего обзора (на вокзалах или стадионах, например), тем более что они не очень критичны к температуре окружающей среды. Конструкция их основана на повороте подвижного элемента (блинкера), включающего в себя постоянный магнит, под действием магнитного поля катушки. С одной стороны этот элемент черный, а с другой покрашен флуоресцентной краской. Их существенный недостаток - малое быстродействие. Дело в том, что для эффективного взаимодействия в обмотку требуется подать импульс тока с амплитудой несколько сот миллиампер, и приходится переключать отдельные индикаторы по очереди.
Обычно активные индикаторы прикрывают стеклом, цвет которого соответствует цвету свечения индикатора, а обрамление делают черным. При этом свечение индикатора практически не ослабляется, а контрастность значительно повышается.
Цифровые индикаторы предназначены для отображения конкретных числовых значений, они воспринимаются медленнее показаний аналоговых приборов, поэтому быстро меняющуюся информацию на них выводить вряд ли стоит. Конечно, опытный человек может извлечь полезную информацию и из мелькания цифр, но это уже не ремесло, а искусство, а расчитывать нужно на оператора обычного уровня.
Иногда факт смены показаний не менее важен, чем сами показания. Если на пульте несколько индикаторов, должны быть средства привлечения внимания оператора к тому индикатору. показания которого сменились: например, “бип” и загорание светодиода у нужного индикатора.
Акустические средства куда менее разнообразны. Мы уже говорили об этом: несмотря на то, что ухо человека - весьма чувствительный инструмент, в качестве источника информации воспринимаются лишь изменения акустической обстановки, и то не всякие: появление (не исчезновение!) сигнала, достаточно резкое и частое изменение тона, изменение характера сигнала - с непрерывного на импульсный или наоборот, значительное изменение частоты следования импульсов. Надо помнить о том, что при большой продолжительности акустический сигнал перестает восприниматься в качестве источника информации вследствие адаптации. Резюме: акустическими средствами лучше отображать изменения, а не длительно сохраняющиеся состояния. Тем не менее, поскольку звуковая информация поступает в мозг по другим каналам, оператор может воспринимать ее в дополнение, а не взамен визуальной информации.
Технические средства: обычные динамики, пьезокерамические излучатели (звонки), сирены, колокола и др. Развитие техники синтеза речи позволяет расширить возможности акустического отображения информации.
В качестве примера тактильного отображения информации можно привести использование вибровызова в некоторых мобильных телефонах.
Элементы управления.
Для обеспечения высокой скорости и точности работы оператора органы управления должны быть легко различимы зрительно и на ощупь, должны иметь размеры, ход (угол поворота) и усилие переключения, соответствующие антропометрическим данным человеческой руки. Это, между прочим, означает, что при всем стремлении к миниатюризации аппаратуры корпуса должны быть такими, чтобы взять рукой, а не пинцетом, а кнопки - чтобы нажимать пальцем, а не иголкой, и индикаторы должны быть различимы без лупы.
Самые распространенные органы управления - кнопки и клавиши. Наиболее естественная форма их поверхности - слегка вогнутая. При нажатии обычной кнопки или клавиши естественным будет некоторое сопротивление, даже щелчок - это придает опреатору уверенность в том, что команда по крайней мере выдана. Такого рода обратная связь может быть не тактильной. а визуальной или слуховой, но быть должна обязательно.
Тумблеры - обычно двухпозиционные, реже трехпозиционные, имеют свои особенности восприятия. У тумблера тактильная обратная связь с оператором гораздо сильнее, чем у кнопки или клавиши, а самое главное в том, что одного взгляда достаточно для определения, в каком режиме работает аппаратура, по положению рычажка.
Мне представляется, что тумблеры лучше применять там, где оба положения относятся к равнозначным режимам, а кнопки с фиксацией и клавиши там, где один режим основной, а другой вспомогательный или специальный, или т. п. При этом, на мой взгляд, индикацию режима делать необходимо, поскольку при взгляде с фронта практически нельзя определить, нажата кнопка или нет.
Знающие люди считают, что при большом количестве тумблеров лучше располагать их горизонтальными рядами, чтобы рычажок перемещался в вертикальной плоскости, а не вертикальными рядами с горизонтальным движением рычажка - в принципе это хорошо согласуется с материалом прошлой лекции насчет того, какие движения рук наиболее быстры и точны. Варианты же с вертикальными рядами с вертикальным перемещением рычажка и горизонтальными рядами с горизонтальным перемещением очень неудобны, и вряд ли какие функциональные соображения могут заставить использовать такие компоновки.
Существует довольно много органов управления аналогового типа: вращающиеся рукоятки, штурвалы, рычаги, движки. Известные всем мыши, джойстики, трэкболы я бы отнес к комбинированным - в них есть и кнопки. Можно заметить. что при работе с аналоговыми органами управления никогда не полагаются на тактильную обратную связь - только на визуальную или акустическую.
Иногда аналоговые органы управления сочетают с интегратором: от положения органа управления зависит скорость изменения регулируемой величины. Для работы с такими вещами нужен навык, но в ряде случаев, когда надо подстраиваться под параметр, меняющийся с почти постоянной скоростью (например, при ручном сопровождении цели на экране РЛС), выигрыш налицо.
Структура лицевых панелей и панелей пультов.
В серьезных случаях панели содержат десятки, а то и сотни элементов, которые в соответствии с назначением могут быть объединены в зоны индикации, управления и коммутации. Зоны неминуемо перекрываются, поскольку связаны функционально.
Мы уже говорили о том, что возможности человека по восприятию и перевариванию информации ограничены, что заставляет искать такое расположение элементов, чтобы свести действие этого ограничения к минимуму и сделать работу операторов более эффективной.
Профессионалы сформулировали несколько принципов, помогающих это сделать. Они, конечно, основаны на психофизиологии человека, несмотря на несколько формальный вид.
Принцип группировки заключается в том, что большое количество однородных элементов (кучу кнопок или тумблеров, например) разбивают на нескоько визуально обособленных групп по логическим или формальным признакам. В первом случае в группу объединяются функционально связанные элементы, во втором - по чисто внешней однотипности. Второй подход используется лишь тогда, когда первый сильно затруднен.
Принцип взаимосвязи.
Здесь речь идет об объединении разнотипных элементов (индикаторов. органов управления и коммутации) в группы по принципу их функциональной взаимосвязи.
Принцип приоритетов.
В соответствии с этим прнципом элементы группируются по их оперативной значимости либо по частоте обращения к ним в процессе работы. Элементы и функциональные группы с наивысшим приоритетом располагаются в оптимальных зонах обзора и доступности.
Теперь о некоторых подробностях из области психофизиологии.
Зрительная система человека имеет функциональную асимметрию. Так, непроизвольная фиксация взгляда всегда распределяется неравномерно: если разбить плоскость лицевой панели на четыре квадранта, то на верхнюю часть будет приходиться около 3/4 всех фиксаций взгляда, из них большая часть - на левый верхний квадрант. Ясно, что наиболее значимые элементы (индикаторы во всяком случае) следует располагать именно там.
Далее, при углах обзора больше 25о от центральной оси информация с левой стороны панели считывается медленнее.
Существует также естественное и почти не осознаваемое (о происхождении судить не берусь) убеждение, что увеличению регулируемой величины должно соответствовать движение регулятора снизу вверх, слева направо или по часовой стрелке; то же относится к индикаторам. Это, кстати, называется принцпом стимула и реакции.
Функционально связанные элементы управления и индикации должны располагаться так, чтобы оператор, работая с органом управления, не загораживал рукой соответствующий индикатор, т. е. индикатор должен быть расположен либо сверху, либо слева при работе правой рукой, либо справа при наоборот.
Чаще всего алгоритм работы с лицевой панелью можно прогнозировать, т. е. заранее предвидеть, в какой последователдьности оператор будет оглядывать индикаторы и в какой последователдьности нажимать кнопки. Так вот, при компоновке следует учитывать, что предпочтительная направленность движений и обзора - слева направо и сверху вниз.
Несколько слов об элементах коммутации - разъемах для подключения внешних устройств. В идеале их вообще не должно быть на панели управления, но так получается не всегда - измерительные прибры тому пример. Если уж они есть, то располагать их надо в нижней части панели, чтобы не перекрывать оперативные зоны.
Стараются не размещать на лицевых панелях ничего, не несущего информации - ни лишних надписей, ни крепежа, ни подстроечных элементов, оперативно не используемых.
Поэтому предпочтительнее использование таких комплектующих изделий, крепеж которых не вылезает на панель. В тяжелых случаях используют фальшпанели: элементы крепятся на несущей панели винтами с потайной головкой, а затем все это накрывается панелью с надписями.
Хорошая идея: если какая-то группа элементов используется нечасто, то она может быть скрыта в корпусе, а при необходимости откидываться, выдвигаться или просто открываться - в бытовой технике можно часто наблюдать и то, и другое, и третье.
Оптимальная компоновка панелей и пультов с учетом всего вышеизложенного - необходимое, но не достаточное условие полного кайфа, поскольку оператор, будучи живым человеком, воспринимает свой пульт не только с функциональной и эргономической точки зрения, но и с эстетической тоже. Он просто в силу профессии должен быть достаточно восприимчивым человеком, а если пульт производит впечатление уродины - угадайте, как ему будет работаться, да еще изо дня в день?
Дизайн - это в широком смысле промышленное искусство.
Дизайн включает в себя различные виды проектной деятельности, направленной на формирование эстетических и функциональных качеств предметной среды; дизайн синтезирует подходы самых разнообразных областей человеческой деятельности: техники. эстетики, эргономики, психологии, социологии, экономики и др.
Роль дизайна трудно переоценить: он позволяет создавать не просто красивую, удобную, эффективную в эксплуатации аппаратуру, но непосредственно влияет на ее эксплуатационную надежность и в очень значительной степени - на конкурентоспособность.
Теоретической базой дизайна является техническая эстетика, а практической реализацией - художественное конструирование.
При создании целого комплекса изделий разрабатыается дизайн-программа, которая предусматривает не просто стилевое единство во внешнем виде, но и унификацию конструктивов, органов управления и индикации, в какой-то степени алгоритмов работы с этими изделиями. Мало того, крупная дизайн-программа может включать выработку того, что называется фирменным стилем: товарный знак (логотип), бланки документов, вплоть до интерьера офисов и униформы персонала.
В журнале “Техническая эстетика” за 1976 год была серия статей о реализации дизайн-программы по созданию системы средств измерительной техники. Пересказывать их бесполезно, но найти и посмотреть рекомендую. Расскажу лишь то, что меня поразило в то время: прибор в выключенном состоянии выклядит как совершенно черный ящик с одной кнопкой “Сеть”, при нажатии на которую загорается цифровой индикатор, подсвечиваются изнутри надписи около сенсорных органов управления, откидывается крышка, за которой входные гнезда - и вперед.
Речь в данном случае идет о том, что при реализации дизайн-программы вырабатыается масса конструкторских и художественно - конструкторских решений самого передового характера, и не грех кое-что творчески заимствовать.
Поскольку мое отношение к дизайну немного похоже на отношение лисы к винограду, не стану даже излагать основ и ограничусь лишь резюме: ограничиваясь при проектировании аппаратуры лишь функциональной стороной, вы неминуемо снижаете ее потребительские качества и не укрепляете свою профессиональную репутацию. Читайте книжки или зовите на помощь профессионалов.
Иерархия конструктивов.
Системный подход.
Начнем с философского осмысления вопроса.
В природе любой объект получается в результате соединения и взаимодействия различного рода “кубиков”, при этом даже набор, включающий в себя относительно небольшое число разновидностей, позволяет получить гигантское число вариантов. В свою очередь, каждый “кубик” сам состоит из более мелких составных частей, и так далее, а сам объект может входить в качестве составной части в какой-то более крупный объект. Таким образом, внутренняя структура любого объекта или явления представляется в виде иерархической “пирамиды”, включающей в себя взаимодействующие как по вертикали, так и по горизонтали объекты различных уровней.
Такое представление называется системным подходом.
Число уровней, содержание каждого из них, а также то, какой уровень принимается за нулевой (неделимый), определяют конкретные обстоятельства. Скажем, с точки зрения рядового законопослушного гражданина объектом нулевого уровня в иерархии денежных единиц является рубль, а с точки зрения нувориша - штука баксов.
Если вернуться к электронным устройствам, то применять или нет системный подход, может решить сам разработчик. Практически, однако, никто несистемно и не мыслит, поскольку системный подход не просто интуитивно ощущается как естественный, но можно привести достаточно много веских аргументов “за”, простых и четко сформулированных.
Первое соображение.
Любое целенаправленное объединение объектов нуждается в проверке, ибо ошибка всегда имеет свою цену, иногда очень высокую. Если начинать проверку только после окончательной сборки изделия, упрямо воспринимая его как нечто единое и неделимое, то из-за пустячной капли припоя в “нужном” месте могут разом выгореть сотни компонентов или произойти что-нибудь похуже.
Кроме того, при локализации проблемы обязательно потребуется спуститься на объективно существующие нижние уровни, а там вследствие горизонтального взаимодействия поиск неисправного объекта может быть сильно затруднен (известно, насколько труднее установить неисправность компонента, впаянного в плату, чем лежащего в коробочке).
С другой стороны, если начинать проверку с более низких уровней, то увеличивается количество проверяемых объектов, и суммарные трудозатраты растут. На практике, конечно, находят оптимум, но нередко, когда цена ошибки или требования надежности предельно высоки, проверяют всё, начиная с нулевого уровня - цена ошибки возрастает, смею утверждать, экспоненциально с номером уровня, с которого начинается проверка.
На радиоэлектронных предприятиях, выпускающих продукцию особо ответственного назначения, служба входного контроля проверяет каждый транзистор, каждую микросхему, иногда доходит даже до проверки каждого болта. В этой службе занято очень много людей - как в среднем цехе.
Второе соображение.
Функции, а также конструкцию объекта также можно представить как систему: решение более крупной задачи получается в результате стыковки решений более мелких задач. Одни и те же локальные задачи могут решаться в рамках нескольких различных задач более высокого уровня (понятно, что функция триггера или логического элемента требуется в функциональных узлах совершенно различного назначения, точно также одинаковые несущие конструкции используются в разных модулях, блоках и т.п.), и, если принять часто встречающиеся локальные технические решения в качестве “кубиков”, можно не только здорово сэкономить на проектных работах и в производстве, но и сделать устройство изделия более понятным, что облегчает его тестирование, эксплуатацию, диагностику и ремонт - пусть даже в каждом конкретном случае использование типового “кубика” несколько отдаляет техническое решение от оптимума.
К слову, многие специалисты считают облегчение понимания устройства изделия эксплуатационным персоналом далеко не второстепенной задачей и полагают, что во имя этой цели можно отказаться от объединения слишком многих функций в одном узле, что, конечно, несколько увеличивает издержки производителя, но гораздо более улучшает эксплуатационные свойства изделия, что “добавляет очки” в борьбе за клиента. Кроме того, достаточно часто вводятся дополнительные элементы, не выполняющие основных функций, а предназначенные лишь для обеспечения тестирования устройства.
Третье соображение.
Неидеальность компонентов или использование одних и тех же устройств в разных вариантах функционирования предполагает наличие подстроек. Известно, что методом последовательных приближений можно установить значение параметра, зависящего не более чем от двух регулировок, поэтому волей-неволей приходится выделять функциональные узлы не более чем с двумя подстройками и нормировать их параметры, после чего они уже могут считаться теми самыми “кубиками” - в функциональном или даже конструктивном смысле.
Четвертое соображение.
Представляя изделие в виде иерархической структуры (в конструктивном плане), можно относительно легко спланировать его изготовление: правильно определить очередность изготовления узлов, организовать параллельное изготовление каких-то из них и т. п. (пример - сетевое планирование)
Поскольку системотехнические и схемотехнические решения не являются предметом нашего курса, переходим прямо к иерархии конструктивных решений.
Прежде всего определение:
Конструктив - это класс конструктивных решений, обладающих ограниченным набором общих конструктивных признаков, имеющих существенное значение.
Классификация - вообще дело достаточно неоднозначное, хотя бы уже по поводу того, что считать существенным признаком, но в данном случае неоднозначности почти нет, и тот факт, что в разных источниках используется различная терминология, на суть дела мало влияет. Кстати, хотя в плане конструирования терминология имеет второстепенное значение, для взаимопонимания между коллегами важно все-таки о чем-то однозначно договориться.
Я предлагаю ту систему классификации, к которой привык за время своей конструкторской работы.
Нулевой уровень в иерархии конструктивов - элемент (компонент).
Несмотря на свое сложное внутреннее устройство, с точки зрения схемотехники и конструирования он неделим. Возможны корпусированные (корпусные) и бескорпусные элементы.
Последние (а зачастую и первые) входят в конструктивы следующего уровня - гибридные интегральные схемы (ГИС), микросборки и микромодули.
ГИС и микросборки сегодня занимают достаточно прочное положение. Их разработка и производство оправдываются при тиражах порядка нескольких тысяч, в то время как полупроводниковые микросхемы с аналогичными функциями становятся рентабельными при тиражах в сотни тысяч.
Микромодули же, не очень широко применявшиеся и раньше, сегодня практически исчезли.
В большинстве случаев для корпусированных элементов следующим уровнем иерархии является печатный узел (плата).
Термин “плата”, однако, гораздо чаще означает печатную плату - деталь.
Итак, печатный узел - это печатная плата с установленными на ней элементами.
Печатный узел лишен несущего обрамления, но может иметь средства для разъемного соединения с конструктивами более высоких уровней, что является главным признаком модуля (см. ниже).
С моей точки зрения, печатный узел - это конструктив самого низкого уровня, (исключая ГИС, микросборки и микромодули), получаемый с помощью монтажных и сборочных операций, в котором реализованы какие-то конкретные функции.
В печатный узел могут быть неразъемно вмонтированы один или несколько других печатных узлов, которые я называю субплатами.
Следующий уровень - модуль.
Основной признак модуля - средства разъемного соединения с конструктивами более высоких уровней. Модуль получается в результате сборочных и монтажных операций с одной или несколькими платами.
Используются также термины ячейка и типовой элемент замены (ТЭЗ), хотя они обозначают обычно просто конструктив, имеющий разъемные внешние соединения.
Разница особенно наглядна, когда в модуль входит одна плата, и он функционально ей аналогичен, а отличается от нее лишь наличием жесткой рамки, передней панели и разъема. Конечно, в модуль может входить несколько плат, а также элементы, и даже другие модули (я их называю субмодулями).
Конструктивом более высокого уровня для элементов может оказаться не плата и не модуль, а то, что я называю блоком объемного монтажа.
Классический пример - старый ламповый радиоприемник.
Модули обычно входят в блок.
Блок - это конструктив, объединяющий несколько конструктивов более низкого уровня с помощью разъемных соединений. При этом в блок могут входить платы и элементы, вмонтированные неразъемно. Классический пример блока - программируемый контроллер.
В блок могут также входить субблоки.
На следующем уровне находятся стойка, шкаф и пульт.
Стойка объединяет с помощью разъемных соединений несколько блоков, шкаф - тоже, но, в отличие от стойки, не имеющей оболочки, он обеспечивает степень защиты, более высокую, чем IP00.
Блоки могут объединяться не в стойки, а в рамы.
Отличие в том, что к блокам, объединенным в рамы, обеспечивается доступ как с лицевой стороны, так и сзади. Рамы обычно объединяются в стойки так, что могут поворачиваться относительно общей несущей конструкции стойки.
Такая конструкция использовалась в ЕС ЭВМ.
Пульт, как и шкаф, обеспечивает необходимую степень защиты аппаратуры, но имеет конструктивные особенности, связанные с обеспечением работы оператора.
Следующий уровень - кабина (комплекс). Шкафы, пульты, блоки при этом объединяются главным образом функционально, а конструктивно их объединяют общая система питания, вентиляции, какие-либо другие системы, а главным образом - размещение в общем отсеке.
На более высоких уровнях конструктивная связь между составными частями еще более уступает функциональной, хотя что-то все равно остается - так, при развертывании зенитно-ракетного комплекса на местности нельзя расположить передающую антенну так, чтобы она излучала на приемную, нельзя также, чтобы ракета стартовала прямо над аппаратными кабинами, и т.п.
Под компоновкой понимается расположение на плоскости или в пространстве всех компонентов изделия всех конструктивных уровней.
В результате компоновки определяются форма, размеры, взаимное расположение элементов в пространстве и масса изделия.
Можно достаточно четко разграничить внутреннюю и внешнюю компоновку.
При внутренней компоновке определяется размещение элементов внутри изделия с учетом массогабаритных ограничений, тепловых потоков, электромагнитной совместимости элементов, устойчивости против внешних механических воздействий и других факторов. Подробности по этому поводу - чуть позже.
При внешней компоновке решаются в основном вопросы взаимодействия с оператором, а также вхождения в состав комплексов, размещения на транспортных средствах и т. п.
Важный момент - основные компоновочные схемы на уровне модуля или блока.
Если модуль включает в себя более одной платы, приходится заботиться о том, чтобы любая из плат была доступна для ремонта при демонтаже минимального количества крепежных элементов и без нарушения электрического монтажа. Известные конструктивные решения - размещение плат на несущей рамке (в одной или двух параллельных плоскостях), книжная и веерная конструкции. В моей практике встречалась конструкция, в которой платы располагались в трех параллельных плоскостях, при этом все три могли откидываться, поворачиваясь на своих осях, но верхняя и нижняя откидывались в одну сторону, а средняя - в другую. Вообще такая конструкция - не образец для подражания, но в некоторых обстоятельствах это может оказаться оптимальным решением.
Возможны также различные варианты по расположению плат или модулей в пространстве: вертикально, как чаще всего и делается, или горизонтально - это делается только в специальных случаях, поскольку радикально ухудшает условия теплоотдачи компонентов.
Модули могут вставляться спереди, или же спереди располагается общая панель, за которой кросс-плата, а модули вставляются сзади.
В этом варианте передняя панель представляет собой единое целое, можно создать эффективное уплотнение по контуру панели и легко обеспечить высокую степень защиты, тогда как в традиционном варианте уплотнение нужно создавать не только по контуру, но и на стыках передних панелей модулей, что конструктивно очень непросто.
С другой стороны, во втором варианте электрические связи органов управления и индикации каждого модуля выполняются внутри него, их длина может быть минимизирована. В первом эти связи должны быть выведены на разъем модуля и затем в общем жгуте подведены к органам управления, расположенным на общей передней панели. В результате суммарная их длина сильно увеличивается, что плохо по многим причинам, и в первую очередь из-за ухудшения помехоустойчивости устройства, и, кроме того, появляются лишние разъемные соединения, что отрицательно сказывается на надежности.
Возможны варианты, когда модули вставляются сбоку с одной или двух сторон - никакими нормативными документами это не ограничивается, но и типовых решений под экзотические варианты практически нет.
Несмотря на то, что в мире десятки фирм занимаются производством конструктивов всех уровней, включая модули и блоки, обладающих отличными функциональными и эстетическими свойствами, для нас цена их продукции оказывается, как правило, неприемлемо высокой.
Поэтому, если уж доведется кому проектировать аппаратуру на уровне блока, скорее всего конструктив придется разрабатывать самому, в лучшем случае взяв что-то готовое в качестве прототипа.
Как уже говорилось, иерархическая структура конструктивов в числе прочего продиктована и требованиями максимального облегчения настройки и ремонта, то есть модули и блоки должны, во-первых, легко выниматься и вставляться на место, и, во-вторых, иметь разъемные соединения.
Первое требование предполагает хорошо продуманную конструкцию направляющих, а также ловителей - конструктивных элементов, позволяющих вслепую состыковать разъем без дополнительных усилий, чреватых поломками.
Обычно предусматривают возможность каких-то узкодиапазонных регулировок, чтобы два любых одинаковых модуля одинаково легко входили на одно и то же место одного изделия или один модуль одинаково легко входил на свое место в разных изделиях.
Кроме этого, нужно побеспокоиться, чтобы разные модули одного типоразмера не могли быть вставлены ошибочно. Для этого, к примеру, можно сделать кодирующие штыри и гнезда. Штыри должны быть такой длины, чтобы при ошибочном вставлении разъем нельзя было состыковать.
Можно также предусмотреть электрическую блокировку. К примеру, на каждом разъеме устанавливаются перемычки на разные пары контактов, и через них подается питание - таким образом, если хоть одна перемычка не на месте, устройство не включится.
Уже шла речь о том, что цепи, общие для всех или большинства модулей, а также особо опасные цепи вроде сетевого напряжения, лучше разводить на строго определенные контакты и ни в одном модуле не использовать эти контакты для других цепей.
Возможны и другие варианты.
Многие конструктивные варианты разъемных соединений имеют склонность самопроизвольно расстыковываться, что, конечно, надежность не повышает, поэтому вставленный модуль или блок должен надежно фиксироваться на своем месте, по возможности с помощью быстрорасчленяемого механизма.
И последнее: совершенно очевидно, что конструирование аппаратуры по иерархическому принципу, в особенности с применением типовых конструктивов ощутимо снижает плотность монтажа, при этом чем платы крупнее, тем это снижение меньше сказывается.
Основные факторы и ограничения, определяющие конструкцию изделия.
В очередной раз повторю, что конструкция изделия - результат компромисса между многими, зачастую противоречивыми, требованиями и ограничениями самого различного характера - от основных функциональных требований до требований к квалификации обслуживающего персонала. Чем больше из них будет учтено и чем точнее будет определена значимость каждого из них, тем лучше будет результат.
Основные требования, которые могут быть предъявлены к изделию, приведены в таблице, некоторые из них требуют комментариев.
Серийность изделия определяет в первую очередь приемлемый уровень затрат на проектирование и подготовку производства. В частности, при малой серийности приходится руководствоваться принципом “лучшее - враг хорошего” даже при реализации основных функциональных требований: повышать степень унификации конструктивных решений, покупных изделий и материалов, отказываться от некоторых технологий, эффективных, но требующих больших единовременных затрат на оснастку, используя вместо них универсальные, но менее эффективные (фрезерование вместо штамповки, например, или литья под давлением) и т. п., в конечном счете удаляясь от оптимума.
При большой же серийности оптимальность конструкции приобретает почти решающее значение, поскольку даже малая экономия, умножаясь на сотни тысяч экземпляров, превращается в суммы с большим числом нулей.
Время запуска в производство ( то есть время от начала создания изделия до его изготовления и реализации) важно в том плане, что прогресс - вещь непрерывная, и при затяжке с реализацией проекта конкурент может успеть раньше.
Срок морального износа - результат прогноза, основанного на анализе тенденций развития техники и динамики спроса. Он влияет на конструкцию в том плане, что, во-первых, следует закладывать только передовые технические решения, а, во-вторых, обеспечивать минимально необходимый уровень надежности, чтобы изделие выработало ресурс как раз к тому времени, когда оно морально устареет.
Во многих случаях следование этому принципу приводит к безумному расточительству: наши предки делали вещи на века, не считали зазорным их ремонтировать и плевать хотели на престижные соображения, в наше же время в жирных, так называемых развитых странах вполне рабочие вещи попадают на свалку из-за того, что цвет корпуса стал немодным или отвалилась рукоятка.
М. С. Шепелёв
Проектирование и производство средств автоматизации
Курс лекций для специальности
“Автоматизация производственных процессов и производств”
Напечатано ОАО "Костромагеофизика" 2001 г.