Моделирование деятельности эксплуатирующего персонала производственных человеко-машинных систем

KZi = (Пzi(τ); T–zi; D(T–zi)), где Пzi(τ) – вероятность безошибочного и своевременного (за время, меньше заданного τ) выполнения задачи; Tzi– математическое ожидание времени выполнения задачи; D(Tzi) – дисперсия времени выполнения задачи.

Приведенные показатели при проектировании сложной ЧМС можно оценить с помощью обобщенного структурного метода (ОСМ) функционально-структурной теории, который позволяет проводить априорный анализ разрабатываемой сложной ЧМС и оптимизировать отдельные функциональные цепочки, применяя аппаратно-программные, эргономические или организационные решения [1]. При этом важно делать акцент на человеческом факторе оператора или эксплуатирующего персонала и выделять в моделях человеческое звено и его роль в ЧМС.

Такой подход к моделированию ЧМС позволяет обосновать то, как необходимо организовать деятельность человека (без перегрузок), какими эргономическими качествами должны обладать его орудия труда (аппаратные, программные, информационные), какие си- стемы безопасности должны помогать человеку с управлением технологическим оборудованием при психоэмоциональной перегрузке, и в результате позволит проектировать эффективные, безопасные, гуманные, безаварийные и экологические системы.

Цель работы : моделирование производственных ЧМС с учетом человеческого фактора оператора или эксплуатирующего персонала таких систем с использованием системного подхода и обобщенного структурного метода.

Человеческий фактор эксплуатирующего персонала

Человеческий фактор может быть определен как совокупность характеристик лица, принимающего реше-

Смежные системы

Метасистема

Возмущающие системы

Человеко-машинная система

Машина

Воспринимаемая информация

Человек-оператор

Обработка информации и принятие решения

/ Психоэмоциональное состояние ______ человека-оператора

Управляющее воздействие

Органы управления

Состояние оборудования

Средства отображения

Рис. 1. Выделение в модели ЧМС психоэмоционального состояния оператора (эксплуатирующего персонала)

ние. Для ЧМС человеческий фактор может обусловливаться ошибочными действиями оператора или эксплуатирующего персонала, поведение которых влияет на эффективность, безопасность и безаварийность работы человеко-машинной системы [2].

Значения Пz_i(τ) , T z_i , D( T z_i ) зависят от текущего психоэмоционального состояния персонала: чем ближе это состояние к оптимальному, тем выше скорость реакции и тем меньше время реакции и принятия решений. Причин неоптимального или опасного психоэмоционального состояния человека-оператора может быть множество: болезненное состояние, сильное внешнее воздействие (аэродинамическое, звуковое, световое, электромагнитное, радиационное и пр.), сильный стресс, болевой шок, утомление и т.д.

При классификации психоэмоциональных состояний выделяют активное бодрствование, психоэмоциональное напряжение, психоэмоциональную напряженность. Психоэмоциональная напряженность – состояние, формирующееся в результате чрезмерного возрастания психоэмоционального напряжения и характеризующееся временным понижением устойчиво- сти психических и психомоторных функций, выраженными соматовеге-тативными реакциями и снижением профессиональной работоспособности [3]. Оптимальным состоянием является состояние психоэмоционального напряжения. Для этого состояния характерно высокое качество выполнения задач.

Выбор способа определения параметров психоэмоционального состояния оператора или эксплуатирующего персонала промышленных систем, в первую очередь, определяется требованиями и критериями безопасности, подвижности, информативности, чувствительности и реализуемости. Исходя из этих критериев, для определения параметров психоэмоциональной напряженности оператора можно использовать анализ кожногальванической реакции, пульсовой волны, электрокардиосигнала, по результатам которого определяется степень адаптации к случайным или постоянно действующим нагрузкам и ряд показателей: ИВР – индекс вегетативного равновесия, ВПР – вегетативный показатель ритма, ПАПР – показатель адекватности процессов регуляции, ИНРС – индекс напряжения регуляторных систем [4].

Основы обобщенного структурного метода

ОСМ ориентирован на формализацию процесса функционирования ЧМС в целом, т.е. как действий человека, так и операций технической части (машины). При вычислении показателей используется функциональная структура на уровне системы (структура задач) и на уровне задачи (структурные операции). Функциональные структуры приводятся к единому виду за счет универсального аппарата функциональных сетей (ФСС). Аппарат функциональных сетей является достаточно мощным и универсальным средством моделирования и оценки для класса ЧМС, позволяющий учитывать специфические особенности поведения человека-оператора и используемые им машинные средства (технику, программы, информацию). Функциональные сети объединяют процедурную компоненту (собственно функциональную сеть) и декларативную компоненту (семантическую сеть). При использовании аппарата функциональных сетей можно моделировать изменчивость в характеристиках действий человека, перестройку поведения при изменении ситуации.

MASH-3

s

Обработка информации и принятие решения

Человек-оператор система MEN-1

Машина система MASH-1

Воспринимаемая информация

Управляющее воздействие

Средства отображения

Состояние оборудования

Органы управления

Рис. 2. ЧМС с дополнительными системами контроля психоэмоционального состояния и обратной связи с системами MEN-1 и MASH-1

Модель ЧМС, учитывающая психоэмоциональное состояние оператора (эксплуатирующего персонала), представлена на рис. 1 .

На рис. 1 видно, что на психоэмоциональное состояние человека-оператора влияет состояние оборудования, которым он управляет, влияние внешних смежных и возмущающих систем, информация, воспринимаемая через средства отображения; процесс обработки и принятия решения; собственные управляющие воздействия и пр.

При анализе психоэмоционального состояния человека-оператора в модели ЧМС необходимо отобразить дополнительно машинную систему MASH-2, которая будет производить оценку психоэмоционального состояния человека и машинную систему MASH-3, которая предназначена для выработки сигналов обратной связи с персоналом и основной машинной системой MASH-1 ( рис. 2 ). В системе MEN-1 (человек-оператор) графически условно выделено психоэмоциональное состояние человека-оператора.

В случае если человек-оператор окажется в таком психоэмоциональном состоянии, когда ему будет трудно или он не сможет управлять системой, сигналы по системе обратной связи сделают попытку привести человека-оператора в нормальное состояние (сигнал звуковой или световой, или иное воздействие). Сигнал по системе обратной связи с основной машинной системой

MASH-1 позволит остановить опасный процесс (например, затормозить транспортное средство, перевести его в режим «автопилот», то есть в режим автоматического управления). Система MASH-2 может выработать сигнал опасного психоэмоционального состояния даже тогда, когда в основной машинной системе MASH-1 не происходит существенных изменений.

Методика подготовки моделей процесса функционирования

Данная методика включает следующие действия.

1 Формулирование цели работ по оценке показателей эффективности, качества и надежности (ЭКН) . При этом необходимо выполнить ряд действий по присвоению имени всему оцениваемому процессу (например, «Процесс включения энергоустановки»), выделению и перечислению получаемых продуктов труда (например, сигналы включения и появление данных на измерительных приборах), назначению для каждого продукта труда конкретного состава показателей ЭКН.

• 2    Сбор исходных данных . Для этого составляется таблица с перечнем всех работ, входящих в процесс функционирования (ПФ), и каждой работе ставится в соответствие ее модель (типовая функциональная единица). В зависимости от назначения в ОСМ различают следующие единицы функционирова-

• ния: функционеры, соответствующие реальным операциям или действиям человека, рабочим операциям технологического оборудования, средствам вычислительной техники и программных средств в анализируемом ПФ, и композиционеры, соответствующие некоторым взаимосвязям операций и логическим функциям [5].

Единицы функционирования являются типовыми для достаточно широкого класса процессов функционирования ЧМС, поэтому их называют типовыми функциональными единицами (ТФЕ). Перечень условных обозначений и основных показателей качества выполнения ТФЕ, используемых в настоящей методике, приведен в таблицах в [5].

Далее устанавливаются исходные характеристики (в соответствии с номенклатурой показателей, указанных в таблицах типовых функциональных единиц для каждой работы). Исходные характеристики могут быть определены на основе статистических данных путем расчета и опроса экспертов.

• 3    Составление модели ПФ в виде функциональной сети F_o .

• 3.1.    Для составления однопродуктовой функциональной сети (ФС) необходимо:

• а)    задать начало функциональной сети в виде стартера всей сети, изображенного прямоугольником, внутри которого записаны имя процесса F_o и необходимые сведения о нем ( рис. 3а );

  
  
  

• б)    задать конец ФС в виде финишера всей сети, изображаемого прямоугольником, внутри которого пишется имя получаемого продукта ( рис. 3б );

• в)    к нижнему полюсу стартера сети присоединить первую рабочую операцию ( рис. 3в ), а в случае одновременно начинаемых работ – первые рабочие операции;

• г)    продолжать построение функциональной сети, пристраивая ко вторым, третьим и т. д. работам последующие, пока не будет полностью воспроизведена технология;

• д)    последние рабочие операции присоединить к финишеру всей сети;

• е)    проверить с экспертами, не допущено ли искажение технологии при составлении функциональной сети. Если будут выявлены ошибки, откорректировать структуру функциональной сети по полученным замечаниям.

• 3.2.    Для составления многопродуктовой сети необходимо составить ФС для каждой однопродуктовой сети: F¹ 0 , F² 0 , ..., F^N 0 .

Моделирование производственной ЧМС

а              б               в

Рис. 3. Задание начала (а), конца (б) функциональной сети и добавление рабочей операции (в)

го структурного метода функционально-структурной теории, производится свертка типовых структур функциональной сети. При этом для каждого фрагмента структурной сети, свернутого в один типовой элемент, получаем по одному значению В¹, В⁰, Т, D(T) .

Меняя структуру функциональных сетей, т.е. внося изменения в человеческую и машинные системы, вновь производим свертку и рассчитываем показатели ЭКН. Таким образом, путем многократного изменения элементов функциональной сети (функциональной модели) удается априорно (путем расчетов по модели) найти оптимальное решение.

В модели промышленной системы на рис. 4 показаны следующие эргатиче-ские системы MEN-1 и MEN-1(PEC) . Система MEN-1 представляет собой функциональную сеть действий человека-оператора. В качестве типовых функциональных единиц применены: ♦ рабочие операции человека-оператора, которые графически изображены прямоугольником с обозначением Р ;

• ♦    операции человека-оператора по контролю функционирования, которые изображены кружком с обозначением К .

Кроме того, для сложных действий возможно использование полного набора функционеров, предлагаемых обобщенно-структурной теорией для разработки модели процесса функционирования. Ветвление функциональной сети и наличие в процессе функционирования циклов обеспечивают графические обозначения в виде ком- позиционеров:

• ♦    стартеров «И», «ИЛИ вкл.», «ИЛИ искл.»;

• ♦    финишеров «И», «ИЛИ вкл.», «ИЛИ искл.»;

• ♦    циклоформирователей и циклоограничителей.

Система MEN-1(PEC) показывает психоэмоциональное состояние человека-оператора. Ее априорно чрезвычайно сложно смоделировать, поскольку причинно-следственная связь этой системы прослеживается не только с системой MEN-1 , но и с целым рядом взаимодействующих и смежных систем.

В обязательном порядке отображены функциональные сети эргатической системы и сети машинных систем MASH-1 , MASH-2 , MASH-3 .

Заключение

При моделировании процесса функционирования эксплуатирующего персонала или человека-оператора при эксплуатации им промышленного или энергетического средства следует рассматривать человека и управляемую им машину как единую сложную человеко-машинную систему. В качестве методологической основы при исследовании таких систем необходимо использовать человеко-системный подход и осуществлять системно-эргономические исследования с акцентированием человеческого фактора.

Психоэмоциональное состояние персонала влияет на показатели качества выполнения задачи всей человекомашинной системой, в том числе на эффективность, безопасность и без-

Машинная система	Машинная система	Психоэмо		Функции машины
обратной связи	контроля психоэмоционального	циональное состояние	Функции	(транспортного или
с системами MEN-1 и MASH-1	состояния человека-оператора	человека-оператора	человека-оператора	энергетического средства)

Рис. 4. Моделирование производственной человеко-машинной системы

аварийность ее эксплуатации. При моделировании автоматического мониторинга психоэмоционального состояния человека-оператора можно расширить ЧМС дополнительными машинными системами:

• ♦    системой контроля психоэмоционального состояния человека-оператора;

• ♦    системой обратной связи с человеком-оператором и с эксплуатируемой им машиной.

Показатели безошибочности и времени выполнения операций при проектировании сложной ЧМС можно оценить с помощью обобщенного структурного метода, который позволяет проводить априорный анализ разрабатываемой сложной ЧМС и оптимизировать отдельные функциональные цепочки, применяя аппаратно-про- граммные, эргономические или организационные решения.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образова-