Учет требований эргономики при проектировании техники

При сложившихся практике и методах проектирования техники в лучшем случае осуществляется лишь учет требований эргономи­ки на различных стадиях ее разработки, что позволяет добиваться определенной оптимизации деятельности человека (группы людей) в системе «человек (группа людей) — техника» и соответственно повышать эффективность функционирования системы в целом. Эр­гономические требования в технике определяются психологически­ми, физиологическими, антропометрическими и биомеханическими характеристиками человека и устанавливаются с целью оптими­зации его деятельности. Под эргономическими требованиями по­нимаются такие характеристики, которые, будучи воплощенными в технике, становятся ее свойствами и показателями [5].

Проектные и исследовательские задачи эргономики решаются применительно к конкретным типам систем «человек — машина — среда», к определенным видам деятельности человека.

Учет эргономических требований должен пронизывать все этапы проектных решений и их экспертизы. На стадии разработки техни­ческого задания в общем виде должны быть определены эргономи­ческие требования к объекту проектирования и выявлена потреб­ность в проведении специальных эргономических исследований. Очень важно корректно осуществить перевод задачи с языка ин­женерного конструирования на язык эргономики путем анализа данной задачи в контексте специфической проблематики человечес­кого фактора. Для этой цели проводится анализ назначения проектируемого объекта и связанных с этим требований к его функци­онированию, определяются место и роль человека в решении задач, вытекающих из вышеупомянутого назначения.

Входя в состав группы проектировщиков и принимая участие в процессе проектирования техники, специалист в области эргоно­мики имеет дело с особым объектом проектирования — человеком и его деятельностью, средствами которого выступают знания о че­ловеке и соответствующие специальные методы и процедуры [8].

Деятельность человека в системе — начало и завершение эрго­номического проектирования, оценки и исследования. Уже на на­чальной стадии проектирования составляется ориентировочная про-фессиограмма, определяющая цели и задачи трудовой деятельнос­ти, психофизиологическую характеристику ее условий, состав и содержание входящих в нее операций, а также конкретные требо­вания, предъявляемые в данном случае к человеку и технике.

Профессиографирование — сложное и тонкое дело. Специалис­та, осуществляющего анализ трудовой деятельности, можно срав­нить с проницательным терапевтом, в практике которого научные методы сочетаются с богатой интуицией, опытом. Иногда эргономист сам овладевает, хотя бы в первоначальной степени, тру­довой деятельностью и таким образом получает возможность ана­лизировать ее «изнутри». Профессиограмма — исходный пункт эр­гономического исследования и основа всей работы по учету соответствующих требований при проектировании техники.

Анализ аналогов и прототипов уточняет знания о назначении, принципах действия и конструктивных особенностях техники, опре­деляет их характеристики применительно к целям трудовой дея­тельности и ее оптимизации, включая создание наилучших условий для эксплуатации, технического обслуживания и ремонта проекти­руемых объектов.

Важной задачей проектирования является распределение функ­ций между человеком и техникой. Эти задачи нельзя решать толь­ко на основе инженерных подходов к распределению функций в системе «человек—техника», тем более, что ни один из них не обладает необходимой универсальностью и эффективностью прило­жений [14].

Проблема выбора степени автоматизации и механизации функ­ций представляется достаточно сложной и ответственной. Проек­тирование деятельности летчика в процессе автоматизированной посадки, например, позволило определить целесообразность не ав­томатического, а полуавтоматического управления на посадочной прямой, поскольку в этом случае готовность летчика управлять вручную при внезапном отказе автоматики поддерживается на вы­соком уровне благодаря, во-первых, сохранению статуса его готов­ности к экстренному действию, а во-вторых, сохранению наиболее тесной связи с управляемым объектом [7]. При выборе варианта рационального распределения функций очень важно не нарушать определенную целостность структуры деятельности человека. При выборе того или иного варианта распределения функций (и его разновидностей) должны учитываться и общеметодологичес­кие соображения, касающиеся социальной функции человека как субъекта труда, и результаты конкретных эргономических, психоло­гических и физиологических и других исследований. Очевидно также, что на современном этапе обоснование рационального или даже оптимального распределения функций должно опираться на количественные оценки качества выполнения задач человеком (и машиной) и оценки влияния этого качества на общую эффектив­ность системы. Критерии таких оценок пока недостаточно разрабо­таны, однако это ни в коем случае не может служить оправданием еще встречающегося пренебрежения к количественным методам оценки.

Существующие методы качественных оценок, опирающиеся на перечни преимуществ и ограничений человека и техники, обладают существенными недостатками. Эти перечни слишком общие, и они не учитывают специфики взаимодействия человека с техникой, огра­ничений и факторов экономического и социального порядка, а так­же вопросов мотивации человека. Наконец, они далеко не строго и в малой степени охватывают имеющиеся (совершенно еще недо­статочные) временные и точностные параметры операций, выполня­емых человеком.

При попытках применить количественные методы обоснования распределения функций основные трудности возникают не столько из-за неразработанности формальных приемов оптимизации, сколь­ко нз-за отсутствия данных по некоторым важным параметрам системы «человек—техника» на ранних этапах проектирования, когда именно и следует решать задачу распределения функций.

Совершенно очевидно, что продвижение в решении проблемы распределения функций может быть достигнуто только на пути сов­мещения качественных и количественных оценок с преобладанием последних. Такое совмещение должно, естественно, основываться на четкой классификации решаемых задач и анализе их компонен­тов, прежде всего конкретных операций, выполнение которых и составляет процесс деятельности по управлению техникой.

После того как будет установлена последовательность выполня­емых операторами функций (по подзадачам, блокам операций, основным операциям и т. п.) и определены необходимый объем и формы представления информации, а также выявлены хотя бы в общих чертах надежностные, временные и точностные тре­бования к деятельности человека в целом, можно будет давать обоснованные ответы на следующие вопросы разработчиков систем «человек—техника»: сколько человек и какой квалификации нуж­но для решения задач системы ЧМ и какие именно функции они должны выполнять; какие алгоритмы и программы для ЭВМ долж­ны быть разработаны; какое оборудование должно быть спроек­тировано или взято из готовых систем. Далее определяется:

1) окончательный для системы ЧМ состав специалистов, их функциональные обязанности и организации работы; 2) состав коллек­тивных и индивидуальных средств отображения информации, орга­нов управления рабочих мест и пультов управления; 3) компоновка средств отображения информации и органов управления на рабо­чих местах и размещение рабочих мест в производственных поме­щениях.

Приведем примерный общий порядок выбора варианта раци­онального распределения функций, который был отработан при проектировании систем «человек (группа людей) — судовая техни­ка» и основные положения которого применимы и к другим систе­мам «человек—техника» [5, с. 143].

Т а б л и ц а 1

Порядок выбора варианта рационального распределения функций.

К аналитическому этапу деятельности эргономиста предъявля­ются высокие профессиональные требования, так как его резуль­татом должно явиться решение принципиальных эргономических вопросов усовершенствования существующего или проектируемого нового технического объекта. На этом этапе наиболее эффективно проявляется содружество эргономиста, инженера-конструктора и дизайнера, взаимопонимание которых, как правило, обогащает представление каждого из них об общем объекте проектирования и позволяет находить наиболее продуктивные проектные решения, в том числе и основывающиеся на знании психофизиологических закономерностей деятельности человека. По результатам аналити­ческого этапа определяются необходимость проведения и цель экс­периментальных эргономических исследований.

Эргономический анализ трудовой деятельности и распределение функций между человеком и техникой создают необходимую основу для разработки вначале укрупненных, а затем и детальных алго­ритмов работы человека. Сущность разработки алгоритмов состоит в расчленении трудовой деятельности на качественно различные составляющие, определении их логической связи между собой и порядка следования друг за другом [9]. Алгоритмическое описание работы позволяет перейти к определению тех психологических и физиологических функций, которые обеспечивают реализацию от­дельных элементарных действий и логических условий.

Осуществив перечисленные выше действия, переходят к непо­средственной разработке эргономических требований к технике и условиям ее функционирования, отдельным ее элементам и рабочим местам, которые затем воплощаются в конструкции и организации всех названных объектов. Система проектных решений и эксперти­зы проектов, обеспечивающих учет требований эргономики, не представляет однонаправленный процесс последовательного пере­хода от этапа к этапу, а зачастую включает движение в обратном направлении с последующим возвращением на исходную позицию и дальнейшим продвижением вперед.

Примером практической реализации рассмотренной выше общей схемы эргономического проектирования может служить (в несколь­ко свернутом виде) разработка художественно-конструкторского проекта гидрокопировального станка с программным управлением. Хотя в этом случае имело место не создание нового станка, а мо­дернизация уже существующего, эргономическое проектирование было достаточно глубоким и многосторонним.

Работа началась с детального ознакомления с основными прин­ципами и технологическими особенностями работы токарно-копировальных полуавтоматов, отличающими их от универсальных то­карных станков и от токарных полуавтоматов других типов.

На втором этапе с учетом полученных данных и на основе ори­ентировочной профессиограммы деятельности станочника были сформулированы и уточнены задачи, стоящие перед проектной группой в плане эргономики:

— решение пространственной организации рабочих мест станоч­ника и наладчика;

— создание рациональной компоновки органов управления и средств индикации с целью снижения утомления, связанного с особенностями профессиональной деятельности;

— снижение вероятности ошибочного пользования органами управления;

— снижение времени, необходимого для обслуживания станка

в процессе работы.

В качестве основного реконструируемого рабочего места было выбрано место станочника, как представителя наиболее массовой в эксплуатации станков профессии, а не рабочее место наладчика, как предлагалось первоначально заказчиком. Обусловливалось это и тем, что деятельность станочника отличается повышенной моно­тонностью, стереотипностью и повторяемостью операций в пределах ограниченного пространства. При монотонной деятельности, как известно, снижается внимание и быстро развивается утомление, что, в свою очередь, может вести к случаям производственного травматизма. Поэтому улучшение организации рабочего места ста­ночника, снижение статической и динамической мышечной нагруз­ки, улучшение организации сенсомоторного поля должны способ­ствовать созданию оптимальных условий трудовой деятельности, более длительному сохранению высокого уровня работоспособнос­ти, экономии человеческих ресурсов, а также повышению эффек­тивности эксплуатации станка.

Третий этап был посвящен профессиографическому анализу дея­тельности станочника в условиях производства при работе на стан­ках отечественного и зарубежного производства, аналогичных модернизируемому. Были выделены основные трудовые операции, выполнен пооперационный хронометраж, выявлена частота пользо­вания различными органами управления, определен характер конт­роля за протеканием технологического процесса.

Четвертый этап состоял в эргономическом анализе организации рабочих мест станочника и наладчика на станке-прототипе в ре­жиме наладки и автоматическом режиме. Известно, что простран­ственное расположение рабочих элементов станка во многом опре­деляет объем и характер сенсомоторной активности оператора, а стало быть, и эффективность его труда. Отсюда большое внима­ние было уделено изучению специфики трудовых операций, проте­кающих в рабочих зонах станка.

Пооперационный анализ позволил ранжировать трудовые опе­рации по степени их значимости для технологического процесса, выявить предпочтительные рабочие зоны для каждой из групп опе­раций и соотнести их с существующим конструктивным решением оборудования. Для станочника основной оказалась зона, связанная с установкой детали. Для наладчика таких зон оказалось больше:

кроме зоны, связанной с установкой детали, общей и для рабочего и для наладчика, работа последнего может протекать также в зоне программирующей матрицы, расположенной в отдельном шкафу, в зоне барабана устройства и тонкой ручной подналадки поло­жения резцов; есть еще ряд вспомогательных рабочих зон, в ко­торых выполняются операции, носящие эпизодический, разовый характер.

Графический анализ компоновочного решения проводился путем наложения на ортогональные проекции прототипа станка контура максимальных границ сенсомоторного поля, определенных в экс­периментах. Отсюда легко было увидеть, что все органы управле­ния, средства индикации и рабочие поверхности находятся в преде­лах досягаемости работающего человека для двух основных рабо­чих позиций. Для проявления его трудовой активности в целом условия не были оптимальными ввиду не всегда правильной ори­ентации рабочих поверхностей. Устранить этот недостаток помогло исследование функций визуального контроля и двигательных опе­раций станочника. Для эргономической оптимизации общекомпо­новочного решения предложено было также максимально сокра­тить глубину станка по всему фронту.

Самым существенным недостатком в организации рабочего места являлось пространственное разнесение зон управления и кон­троля за предметом труда и обрабатывающим инструментом, т. е. зон моторной и сенсорной активности работающего, которое ведет к ненужным затратам его мышечной и психической энергии. Осо­бенно недопустимы подобные перегрузки в работе наладчика, по­скольку от точности и качества наладки зависит качество всей се­рии изделий, произведенных впоследствии на станке. Известные не­удобства возникали и при выполнении тонкой ручной подналадки с помощью лимбов, при вращении которых рабочий закрывает рукой диски с делениями.

Ряд конструктивных недочетов был выявлен при анализе вспо­могательных операций. В частности, неудачное расположение верх­него копира требует большой затраты физических сил при фикса­ции детали, ненужных перемещений наладчика в процессе работы;

неудачное решение защитных экранов приводит к появлению лиш­них операций и удлинению цикла обработки.

Эргономический анализ позволил обнаружить недостатки пуль­та управления, на котором сосредоточено значительное количество органов управления, индикаторов и средств контроля. Именно в зо­не пульта осуществляется большая часть наиболее ответственных операций, о чем, в частности, свидетельствует частота обращения к этой зоне наладчика. При работе в автоматическом режиме пульт становится основным элементом рабочего места, т. е. средоточием моторной активности рабочего. Как показал анализ, значительная часть пульта расположена ниже оптимальной зоны сенсомоторной деятельности как наладчика, так и станочника, а в размещении органов управления отсутствует единый принцип их группировки по функциям, последовательности действий и т. д. С точки зрения наладчика, неудобным является горизонтальное расположение органов управления и индикаторов, относящихся к работе с верхним копировальным суппортом. Необходимость максимального смеще­ния вправо органов управления этим суппортом делает предпоч­тительным не горизонтальное их размещение, а вертикальное.

Итогом проделанной аналитической работы эргономистов яви­лось задание дизайнерам, которое в общем виде свелось к следую­щим главным пунктам:

— улучшить условия координации сенсорной (прежде всего зрительной) и моторной деятельности рабочего-станочника и наладчика;

— улучшить соответствие пространственных параметров станка антропометрическим данным работающих на нем людей;

— совместить программирующую матрицу с пультом управле­ния;

—оптимизировать расположение органов управления на пульте в соответствии с особенностями работы основных групп спе­циалистов, эксплуатирующих и обслуживающих данный ста­нок.

Конкретные эргономические рекомендации заключались в сле­дующем:

— стремиться к уменьшению глубины станка;

— установить дублирующие органы управления на заднюю бабку;

— перенести устройство предварительной установки суппорта на пульт управления;

— увеличить высоту расположения пульта для размещения всех органов управления в оптимальной зоне;

— придать наклон пульту управления;

— сгруппировать органы управления и контроля по функциональному признаку;

— осуществить вертикальную компоновку органов управления вместо горизонтальной;

— дополнительно выделить зрительно каждую функциональную группу органов управления (например, цветом);

— рабочие органы, связанные с верхним копировальным суп­портом, разместить в правом верхнем углу пульта управле­ния на высоте 120—150 см от пола, органы управления ниж­ним копировальным суппортом расположить рядом с ними или несколько ниже.

Кроме того, было сделано несколько частных замечаний:

— предусмотреть возможность установки деталей любых раз­меров без снятия защитных экранов;

— переработать конструкцию ручек защитных экранов;

— предусмотреть местное освещение станка;

— предусмотреть устройства для поддержания копира, особен­но при значительной его длине, для облегчения операции установки и тем самым уменьшения физического напряже­ния рабочего. Для проведения экспериментальных эргономических исследова­ний был изготовлен специальный стенд, позволяющий оперативно воспроизводить пространственные условия деятельности станочни­ка. С помощью скользящих стержней и навесного оборудования, имитирующего основные рабочие элементы станка (зажимной пат­рон, заднюю бабку и т. п.), на стенде последовательно воспроиз­водился ряд объемных моделей станка и рабочей зоны. Во время работы на моделях у испытуемых записывалась биоэлектрическая активность мышц. Полученные миограммы позволили выбрать из ряда исследуемых моделей одну, размеры и геометрическая форма которой обусловливали минимальное напряжение мышц станочни­ка по поддержанию рабочей позы.

Заключительным этапом работы было сравнение двух вариан­тов станка-прототипа с проектом модернизированного станка. В ка­честве основных методик использовались графоаналитические ме­тоды и метод электромиографии (запись биопотенциалов мышц).

Графоаналитические методы в сочетании с фотографией исполь­зовались преимущественно при анализе характеристик зон рабо­чего пространства, основных рабочих положений тела и зон зри­тельного контроля. Электромиография использовалась для анализа суммарных энергетических затрат организма рабочего при выпол­нении основных производственных операций, при изменении про­странственной организации моторной зоны (сравнивались данные по прототипу и модифицированному варианту станка). Исследова­ние велось на уже упоминавшемся стенде, позволяющем быстро воспроизводить любые пространственные условия деятельности (например, параметры основных рабочих зон 'прототипа и модифи­цированного варианта при выполнении операции установки детали и т. д.). С помощью этих методов было выявлено также оптималь­ное размещение органов точной настройки (рукояток с лимбами).

Анализ полученных данных показал, что при работе на моди­фицированном варианте станка у оператора (как станочника, так и наладчика) значительно снижается мышечное утомление (осо­бенно мышц спины и живота) и уменьшается асимметрия работы. наиболее мощных мышц, несущих статическую нагрузку, что в це­лом сокращает энергозатраты организма. Одновременно повыша­ются скорость и точность считывания показаний с индикаторов и средств контроля, причем в ходе сравнительного анализа выяви­лась возможность дополнительного дизайнерского усовершенство­вания отдельных узлов и деталей Т а б л и ц а 2

Примерное содержание эргономической работы на стадиях, проектирования оборудования

станка.

Оперативные и наладочные работы облегчены благодаря расположению панели набора программ и пульта управления стан­ка в одном месте, рядом, на одной плоскости, в удобной для ра­ботающего человека зоне: замене ручной установки упоров приборами для отсчета циклов; размещению на задней бабке дубли­рующего пульта управления; значительному увеличению площади остекления защитных экранов и снижению их веса; введению подсечки по передней и боковым сторонам станка с целью обеспе­чения нормального положения ног и соответственно позы работа­ющего; а также благодаря другим усовершенствованиям, упроща­ющим обслуживание станка и уход за ним. Рациональное решение электрических и гидравлических систем станка, поиск которых про­диктован был также задачами обеспечения удобного обслужива­ния и ухода за станком, позволило уменьшить его габаритные размеры: длину—.на 250 мм, ширину—на 253 мм, 'в результате чего занимаемая им площадь уменьшилась на 1, 5 м². Помимо это­го была обеспечена целостность композиции и цветофактурного' решения станка. Вместе с тем следует признать, что невозмож­ность внесения радикальных изменений в конструкцию и компо­новку данного станка существенно ограничила приближение к оптимуму условий работы станочника и наладчика.

Многие эргономические нормы и требования нашли отражение в ГОСТах: Системы «человек—машина», Системы стандартов без­опасности труда (ССБТ), Санитарных норм и правил, Стандартов на термины и номенклатуру эргономических показателей качест­ва — и других нормативных документах. Учет требований эрго­номики при проектировании техники предполагает неукоснительное соблюдение указанных нормативно-технических документов. В табл. 2 приводится примерное содержание работы, которая в полном объеме должна выполняться по учету требований эргономики на всех стадиях разработки сложных объектов техники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Маркс К. и Энгельс Ф. Соч., т. 46, ч. II.

2. В и л е н с к и и М. А. Социально-экономическая эффективность научно-тех­нического прогресса.—В сб.: Методологические вопросы определения соци­ально-экономической эффективности новой техники. М., «Наука», 1977.

'3. Гатовский Л. М. Научно-технический прогресс и экономика развитого социализма. М., «Наука», 1974.

4. Г а т о в с к и и Л. М. Критерии определения экономической эффективности использования новой техники в народном хозяйстве.— В сб.: Советско-амери-канский симпозиум экономистов. М., «Прогресс», 1978.

5. Г у б и н с к и и А. И., Е в г р а ф о в В. Г. Эргономическое проектирование

судовых систем управления. Л., «Судостроение», 1977. •: 6. Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование. Современ­ные методы проектного анализа. Пер. с англ. Под ред. В. Ф. Венды и

В. М. Мунипова. М., «Мир», 1976. 7-Доброленский Ю. П., Завалова Н. Д., Пономаренко В. А.,

Туваев В. А. Методы инженерно-психологических исследований в авиации.

М., «Машиностроение», 1975..8. Дубровский В. Я., Щедровицкий Л. П. Инженерная психология

и развитие системного проектирования.—В сб.: Инженерно-психологическое

проектирование, вып. 2. М., Изд-во Моск. ун-та, 1970.

9. 3 а р а к о в с к и и Г. М. Психофизиологический анализ трудовой деятель­ности. М., «Наука», 1966.

10. Леонтьев А.Н. Деятельность. Сознание. Личность. М., Политиздат, 1975.

11. Ломов Б. Ф. О путях построения теории инженерной психологии на осно­ве системного подхода.— В кн.: Инженерная психология. Теория, методоло­гия, практическое применение. М., «Наука», 1977.

12. Мелещенко Ю. С. Техника и закономерности ее развития. Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1970.

13. Основы технической эстетики (расширенные тезисы). М., изд. ВНИИТЭ, 1970.

14. Р о н ж и н О. Н. Информационные методы исследования эргатических систем. М., «Энергия», 1976.

.15. Смолян Г. Л. Концепция взаимодействия человека и машины: истоки, раз­витие, значение.— «Вопросы философии», 1978, № 4.

16. Суслов В. Я. Труд в условиях развитого социализма. 'М., «Наука», 1976.

17. Укреплять взаимосвязь общественных, естественных и технических наук. «Коммунист», 1978, № 1.

Э8. Формирование духовного мира человека и НТР (методологические пробле­мы анализа духовного мира человека развитого