Мониторинг функционального состояния операторов технических систем как фактор безопасности технологических процессов

Актуальность. Рост энергонасыщенности производственных процессов, расширение технологических возможностей сопровождаются усложнением конструкций машин и механизмов, а также процессов управления ими. Иными словами, совершенствование сельскохозяйственной техники и оборудования для агропромышленного комплекса (особенно для перерабатывающей отрасли с использованием автоматизированных линий) усиливает нервно-психологическую нагрузку на операторов технических систем, предъявляет более высокие требованиях к нервно-психологическому статусу работника [1].

На основе ранее проведенных исследований выявлено, что производственная деятельность операторов технических систем зачастую протекает в неблагоприятных психологических условиях, к которым следует отнести социальную изоляцию в течение рабочего времени, дефицит психологических и производственных контактов, статическое и динамическое напряжение мышц тела, совершение большого числа мелких, часто повторяющихся корректировочных и управляющих движений при изменении эксплуатационных и технологических параметров технической системы, однообразное восприятие объектов: растений, заготовок, сырья, полуфабрикатов и т.д. [2].

Поскольку при управлении технической системой оператор не может абсолютно точно выдерживать значения заданных параметров биотехнической системы, то при установлении ограничений на процесс управления учитываются не только их программные значения, но и допустимые отклонения от них. До тех пор пока оператор выдерживает значения этих параметров в рамках допустимого «коридора», их отклонения от заданных значений расцениваются как погрешности управления, т.е. как вполне допустимое нормальное явление. Когда же эти отклонения выходят за установленные границы, следует говорить об ошибке, допущенной при управлении системой.

В процессе трудовой деятельности на оператора технических систем воздействуют следующие опасные и вредные производственные факторы, вызывающие состояние утомления, которые в последующем могут стать причиной несчастных случаев на производстве:

– умственная деятельность по обслуживанию машин и оборудования, требующая высокой концентрации и внимания;

– нагрузка на органы чувств в процессе работы;

– монотонный и однообразный ритм работы;

– параметры условий труда (температура, влажность, подвижность воздуха, освещение и прочее);

– физиологическое состояние оператора (заболевание, влияние внешних факторов среды на организм и т.д.);

– психологическое состояние оператора (тип темперамента, озабоченность, тревога и т.д.);

Сочетание данных факторов не всегда может привести к несчастному случаю, но неизбежно формирует общий статус оператора, который в литературе называют утомлением.

В работах ученых приводятся количественные и качественные показатели о влиянии состояния утомления на работоспособность и, как следствие, на безопасность труда [3, 4].

Сказанное, свидетельствует о необходимости разработки широкого круга технических, медицинских, психологических и других мероприятий по рационализации труда операторов технических систем на современных энергонасыщенных агрегатах и оборудовании, по изысканию эффективных способов и средств поддержания их высокой работоспособности, определения и предупреждения состояния утомления, что позволит снизить уровень заболеваемости и травматизма в аграрной отрасли.

Материал и методы. Цель исследований – разработка и апробация способа определения состояния утомления у операторов, занятых эксплуатацией и обслуживанием технологических машин и комплексов, используемых в аграрном секторе экономики страны.

Оценка работоспособности человека к настоящему времени изучена достаточно подробно [3–5] и включает в себя следующие этапы (фазы):

• -    вхождение в рабочий процесс;

• -    оптимальная работоспособность;

• -    снижение работоспособности вслед-

• Коллективу авторов на основе анализа работоспособности удалось изучить более подробно каждую из фаз работоспособности операторов технических систем и в последующем аппроксимировать закон изменения работоспособности линейным уравнением первой степени со значением корреляции, равным 0,66 (рисунок 1).

ствие утомления.

Представленный на рисунке график условно разделен на 6 отрезков, соответствующих следующим фазам работоспособности:

• -    фаза 1 - рост работоспособности, на этом этапе осуществляется вхождение в рабочий процесс, продолжительность фазы составляет от 40 до 75 минут;

• -    фаза 2 - максимальная работоспособность, продолжительность фазы от 100 до 150 минут;

• -    фаза 3 - снижение работоспособности вследствие накопления усталости, продолжительность фазы от 90 до 130 минут;

• -    фаза 4 - обеденный перерыв;

• -    фаза 5 - увеличение работоспособности вследствие эмоционального и физического отдыха, продолжительность фазы до 70-80 минут;

• -    фаза 6 - более ускоренное снижение работоспособности под воздействием утомления, переходящего в усталость.

На основании анализа уровня работоспособности оператора в течение рабочей смены возникает вывод, что контроль состояния утомления работников должен осуществляться многократно на протяжении всего рабочего дня. Данное требование невозможно реализовать без использования средств инструментального контроля, позволяющих оперативно и с минимальными затратами получить необходимую информацию о степени утомления оператора. С этой целью разработан и запатентован метод, позволяющий определить степень утомления работника на основе измерения биоэлектрического потенциала. Предложенный метод может быть использован при определении степени утомления не только операторов технических систем, но и работников, выполняющих виды работ, требующих повышенной концентрации внимания (водители, диспетчеры и т.д.).

В настоящее время известно множество способов определения степени утомления (перечислим некоторые):

• -    по жалобам обследуемого на чувство утомления (основным недостатком данного способа является то, что он субъективен и не имеет объективно-количественных параметров);

• -    выявление утомления с использованием корректурных таблиц (основными недостатками являются: недостаточная точность исследования, высокие требования к квалификации исполнителей, сложность и длительность) [1, 2].

На основе уже известных исследований по изучению регуляторных процессов, происхо- дящих в организме человека, основополагающая роль принадлежит центральной нервной системе. Исходя из этого, при оценке состояния человека следует в первую очередь оценивать состояние самой этой системы. Наиболее близким к предлагаемому способу определения степени утомления является разработанный коллективом авторов и применяемый на практике способ определения типов высшей нервной деятельности, заключающийся в проведении измерений показателей биоэлектрического потенциала поверхностно локализованных биологически активных точек (ПЛБАТ) у человека, в нашем случае оператора технических систем [6].

Для измерения биоэлектрического потенциала ПЛБАТ был разработан измерительный прибор на основе миллиамперметра типа ЭЛАП (рисунок 2). Основной отличительной особенностью разработанного прибора является использование в нем котроллера в модификации STM32F103C8T6. Разработанный прибор позволяет после измерения величины биоэлектрического потенциала, получить как цифровое значение средней величины силы тока, так и степень утомления, как функцию, полученную на основе обработанных значений. Степень утомления отображается на экране LCD дисплея.

Рисунок 2 – Прибор и измерение уровня биоэлектрического потенциала ПЛБАТ

Для снятия сигнала в приборе используется два электрода: активный и пассивный.

Активный электрод выполнен в виде щупа и изготовлен из токопроводящего материала, имеющего необходимые характеристики. Щуп изолирован путём помещения в пластмассовый корпус. Рабочий конец щупа заострен. Другой конец щупа соединен гибким проводом с электрической схемой прибора.

Пассивный электрод изготовлен в виде трубки из токопроводящего материала и также соединен с прибором. В разработанном образце пассивный электрод представляет собой антистатический браслет, что является удачным решением с точки зрения эргономики использования при проведении измерений.

Активный и пассивный электрод подключаются к прибору с помощью разъёмов, что облегчает замену щупа и браслета в случае их неисправности.

Исследования степени утомления проводились с работниками трудоспособного возраста от 16 до 59 лет мужского и женского пола.

Результаты исследований и их обсуждение. Технической задачей исследований является снижение затрат труда, длительности процесса, повышение объективности заключений в количественно сравнимых величинах при определении степени утомления операторов технических систем [7–10].

Рисунок 3 – ПЛБАТ для измерения биоэлектрического потенциала у операторов

При определении степени утомления у операторов технических систем предлагаемым способом точность увеличивается на 5,9% по сравнению с прототипом, а трудоемкость составляет до 7 минут в расчете на одного оператора [11].

В результате проведенных исследований было обследовано 11 операторов станков с числовым программным управлением, 9 водителей автотранспортных средств и 12 диспетчеров. Искусственно создавались отклонения технических систем и фиксировались действия операторов при различной степени утомления. По результатам исследования давались рекомендации по дальнейшей работе оператора на рабочем месте.

Выводы. На работоспособность человека (работника) в течение рабочего дня влияет очень много факторов. Если исключить воздействие вредных факторов, связанных с эмоциями человека, сезонными изменениями, погодными условиями, состоянием здоровья, то можно констатировать тот факт, что работоспособность человека напрямую связана с объемом и интенсивностью выполняемых работ. Под влиянием накапливающегося утомления работоспособность начинает снижаться.

Задачей руководителей на рабочих местах является организация рабочего процесса таким образом, чтобы в течение всего рабочего времени поддерживать работоспособность на высоком уровне. Достичь этого можно путем создания условий для отдыха и восстановления работоспособности. Однако, выделение времени на отдых автоматически сокращает ресурс рабочего времени, что также приводит к снижению объема выполненных задач. В таких условиях необходимо решить сложную технологическую задачу по определению объема времени для отдыха, объективно необходимого для восстановления работоспособности человека.

Разработанный способ определения состояния утомления позволяет осуществлять контроль состояния операторов технических систем как до начала работы, так и во время работы, и тем самым снизить вероятность возникновения несчастного случая на производстве по причине ошибки оператора при выработке управляющего воздействия.