CC BY
98
РАЗДЕЛ III
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УДК 623.438.3
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ «ЧЕЛОВЕК-МАШИНА»
С. В. Баглайчук, В. А. Нехаев, В. А. Николаев Омский государственный университет путей сообщения, Россия, г. Омск
Аннотация. В статье затрагивается тема формирования математического описания уравнения колебаний системы «человек-машина». На основании анализа динамических воздействий (вибрационные и ударные) на механика-водителя военной гусеничной машины разработана и выбрана система человек-машина. Определена биомеханическая модель тела человека, использование которой методом математического моделирования, позволило решить частные задачи по определению характеристик и параметров работы виброзащитного устройства, способного защитить механика-водителя от внешних возмущений и продлить эксплуатационный ресурс военной гусеничной машине.
Ключевые слова: система «<человек-машина», биомеханическая модель тела человека, экипаж, нагрузка, возмущение.
Введение
Эксплуатация современной техники показывает, что эффективность ее применения в значительной степени определяется человеческим фактором. Для отдельных видов специализированных машин технический прогресс со всей остротой поставил проблему «человек-машина» и, в частности, задачу определения возможностей и характеристик человека-оператора.
В процессе эксплуатации человек-оператор подвергается вибрационному воздействию, что приводит к его утомляемости и снижает его функциональные возможности. В связи с этим возникает необходимость исследования динамических свойств тела человека как биомеханической системы, что в свою очередь, ставит задачу построения математических моделей тела человека-оператора, необходимых для оценки на него вибрационного воздействия. Нагрузки, вызванные динамическими процессами, происходящими в военной гусеничной машине (ВГМ), например в танке, существенно снижают боеспособность экипажа и эффективность использования системы экипаж-танк. Эти нагрузки условно можно подразделить на непрерывные (вибрационные) и импульсные (ударные).
Математическое описание колебаний системы человек-машина
Непрерывные воздействия. Непрерывными являются колебания корпуса танка во время движения, не сопровождающимися пробоем подвески ходовой части, а также вибрация элементов оборудования рабочих мест, контактирующих с человеком (органы управления, пол, сидение), вызванная работой силовой установки и других агрегатов. Эти воздействия описываются характеристиками случайных процессов. Непрерывные динамические воздействия не только влияют на скорость движения танка, но и существенно снижают эффективность стрельбы, так как затрудняют наблюдение через прицелы и приборы наблюдения, что замедляет отыскание цели [1].
Действие вибрации на организм человека определяется четырьмя основными характеристиками вибрационного процесса: интенсивностью, спектральным составом, длительностью и направлением воздействия, а также зависит от индивидуальных особенностей человека [2].
Параметры предельно допустимых механических колебаний на рабочих местах танкистов регламентированы в комплексе государственных военных стандартов "Мороз-6" (введен в действие с 01.01.99 г.).
Влияние скорости движения танков и интенсивности микропрофиля на средние квадратичные значения вертикальных ускорений в обитаемых отделениях показано на (Рис. 1, 2). Из приведенных зависимостей видно, что при движении танков на рабочем местемеханика-водителя возникают значительные ускорения.
0,5
0,3
0,1 I
V, км/ч
Рис. 1. Зависимость средних квадратических значений ст вертикальных ускорений от скорости
движения танков Т-80 и Т-72 при различной интенсивности микропрофиля трассы 15 (см2 / м) на сиденье механика-водителя
о, д
0,8 0,6 ОА
0,2
20 60 100 !см%
о
Рис. 2. Зависимость средних квадратических значений ст вертикальных ускорений при движении танка Т-72 со скоростью 20 км/ч от интенсивности микропрофиля на сиденье механика-водителя
О нагрузке на механика-водителя танка при движении судят не только по средним квадратическим значениям ускорений. Так, при движении танка со скоростью 19 км/ч по трассе 15 = 105 см2/м в одном из заездов в течении 1 мин на сиденье механика-водителя было зафиксировано 22 удара с ускорением не менее 3д. Также на состояние механика-водителя влияет частота вибрации, особенно в диапазоне от 0 до 30 Гц.
Экспериментально установлено, что при движении танка с разной скоростью по трассам с различным микропрофилем частота колебаний на сиденье механика-водителя равна 1; 1,5; 1,8; 19,5 - 24,5; 27,6 и 30 Гц.Такие значения являются резонансными для плечевого пояса и головы. При этом снижается острота зрения вследствие смещения изображения объекта относительно сетчатки глаза.
Импульсные воздействия. И м пул ьсные ударные ускорения, действующие не более 1 с, возникают при пробитии подвесок, стрельбе из собственного орудия, снарядном обстреле, подрыве на мине и действии воздушной ударной волны взрыва. На рабочем месте механика-водителя при пробитии подвесок такие ускорения достигают 9д (за 0,15 - 0,2 с), при стрельбе из танковой пушки - 3д. При подрыве мины под днищем корпуса танка на детали крепления сиденья действует ускорение 65д, а на механика-водителя 32 - 41 д [3].
Сложность реальных систем «человек-машина» не позволяет строить для них абсолютно адекватные математические модели. Биомеханические характеристики тела человека зависят от рабочей позы, степени напряжения мышц и уровня воздействия вибрации. Биологической структуре тела человека присуще свойство регуляции - самоотстройки от резонансных частот. Вследствие этого ограничиваются построением динамических моделей тела человека в виде сосредоточенных масс, имеющих упругие и диссипативные связи, так как линейные размеры тела человека существенно меньше длин волн, проходящих через систему [4].
Желая получить математические модели колебаний тела механика-водителя ВГМ (например, танка), представленного в виде различных механических моделей, совместно с системой виброзащиты будем исходить из следующих предположений о характере их функционирования:
1) система «человек-машина» функционирует во времени, находясь в каждый момент времени в одном из возможных ее состояний;
2) система «человек-машина» находится под воздействием вертикального кинематического возмущения, действующего со стороны днища корпуса ВГМ (например, танка);
3) эффект виброзащиты в данный момент времени определяется состоянием системы «человек-машина» по отношению к действующему на нее возмущению, относящемуся к данному и предшествующим моментам времени.
Различные модели колебательных систем описываются системами дифференциальных уравнений. На объект виброзащиты (на механика-водителя танка) действуют вертикальные силы со стороны основного упругого элемента, компенсирующие силы дополнительного упругого элемента, силы сухого трения в дополнительном виброзащитном устройстве [5]. Отметим что энергия, рассеиваемая за счет сил внутреннего трения в упругих элементах, не учитывается [6]. Она составляет величину порядка 10-2 - l0-3 от амплитудного значения потенциальной энергии упругих элементов. Учитываем только трения в дополнительном виброзащитном устройстве. Изложенное позволяет перейти к построению математических моделей систем «человек-машина», которые приведены на (рис. 3, 4). Например, на (рис. 3, в), представлена трех-массовая модель тела человека совместно с массой сиденья и системой виброзащиты. Сосредоточенная масса m1 - обозначает голову человека, m2 - совокупность органов верхнего плечевого пояса, m3 - совокупность органов нижней части туловища, масса m4 -приведенная масса сиденья.
На расчетных схемах обозначено:с, ,bi -значение коэффициентов жесткости и вязкости упругого-диссипативных связей тела человека; m¡ - массы отдельных «сегментов» тела человека и сиденья; K - компенсирующая связь, - второй канал передачи возмущения, с зоной отрицательной жесткости и силой сухого трения в дополнительном виброзащитном устройстве. z¡ - обобщенная координата, определяющая движении i - й массы; п - входное кинематическое воздействие, r = H sin a)t;
Для вывода дифференциальных уравнений существуют уравнения Лагранжа II рода, которые в общем виде записываются так.
д_ dt
í dT'\
dT
дП дФ
% J d4k d4k d4k
(k = 1,2,...и), (1)
где Т, П - кинетическая и потенциальная энергии системы; Ф - функция Рэлея; qк -обобщенная координата; п - число степеней свободы, системы.
Рассмотрим сначала цепные колебательные системы, представленные на рисунке 3. Подставив выражения для кинетической и потенциальной энергий и функции рассеяния в уравнение Лагранжа и произведя дифференцирование по обобщенным координатам, скоростям и времени, получим системы диф-
ференциальных уравнений, описывающие вертикальные колебания механика-водителя танка, представленного различными биодинамическими моделями, на виброзащитном сиденье [7, 8]:
М + ЕЁ + сё + ё) = 0 (?), (2)
где М, В и С - матрицы инерционных, диссипативных и упругих коэффициентов соответственно; Е(ё, ё) - вектор нелинейных сил, - компенсирующий силы упругости дополнительного упругого элемента и силы сухого трения в его опорах; 0() - вектор-матрица возмущающих сил.
Для модели, представленной на (рис.3, в), матрицы инерционных, упругих и диссипативных коэффициентов имеют вид:
М = diag(ml, т2, т3, т4), (3)
C =
- С,
- С1 (с1 + С2 )
0
-c
-c
(c2 + С3 )
0 0
-c
3
(4)
B =
0 - Сз (сз + Жь )j
- ь о о ^
Г b
- b (ь1 + Ь2) - Ь2
о 21
о о - ь
о
- Ь21 (b2 + Ь3) - Ь3
(5)
у3 J
где Жь - вертикальная жесткость основного упругого элемента системы виброзащиты.
Дифференциальные уравнения, описывающие движение системы «человек-машина», представленной на (рис. 3, в), имеют вид:
m,
\z1 + С1 (Z - z4 ) + Ь1 (z1 - z4 ) +
(6)
+ 2с2 (z1 - z2 )+ 2Ь2 (z1 - z2 ) = ° m2 Z2 + С2 (z2 - Z1) + Ь2 (Z2 - z) = о, (7) m3z3 + c3(z3 - z4)+ Ь3(z3 - z4) = 0, (8)
m4z 4 + ЖЬ (z4 - n)+Fmsign(z4 - n)+
+ Fk (z4 - n)-c1 (z1 - z4 )-Ь1 (z1 - z4 )-
-c3(z3 -z4) + Ь3(z3 -z4)= ° (9)
С
1
Рис. 3. Модель тела человека совместно с системой виброзащиты (а - одномассовая; б - двухмассовая; в - трехмассовая)
Ориентируясь на использование ПЭВМ, эти системы уравнений следует, приводить к нормальной форме Коши,
dZ dt
= F{z, a, u, t),
(10)
с начальными условиями при Ы0; zi(t)= z0; или, в векторно-матричной форме,
т3
с ъ
t Ц
а) 5)
Рис.4 Модель тела оператора совместно с системой виброзащиты (а - по Ю.Н. Чеканову; б - по А.В. Макарычеву)
6z±_ дt
- = F (z, A, u, X, t )
(11)
с начальными условиями ё(t0 ) = ё0, где
Ё = (^!, Ё2,...,), - вектор выходных фазовых координат (перемещений, скоростей, ускорений и т.д.) ^ =(а1,а2,...,ат),- вектор параметров системы; и = (иь щ,...,и3 ), -
м = u2,...,us/ вектор функций времени, моделирующих воздействия на систему; x =(xl3X2,...,Xi), -
вектор начальных условий; F = (f1,/2,...,fn),
- вектор-функция нелинейных характеристик.
Заключение
В заключении можно отметить, что на основании анализа динамических воздействий на механика-водителя ВГМ была разработана система человек-машина и определена биомеханическая модель тела человека, вследствие чего к использованию которой методом математического моделирования, позволило решить частные задачи по определению характеристик и параметров работы виброзащитного устройства. Все эти данные позволят выполнить задачи по защите механика-водителя от внешних возмущений, а также повысить эксплуатационный ресурс ВГМ.
Библиографический список
1. Исаков, П. П. Теория и конструкция танка. - Т. 7. Эргономическое обеспечение разработки танка. / П. П. Исаков - М.: Машиностроение, 1986. - 191 с.
2. Челомей, В. Н. Вибрации в технике. - Т. 6. Защита от вибрации и ударов / В. Н. Челомей - М.: Машиностроение, 1981 - 456 с.
3. Васильев, В. В.Конструкция многоцелевых гусеничных машин. Теория и движения и динамика многоцелевых гусеничных машин / В. В. Васильев, М. П. Поклад, О. А. Серяков - Омск, 2013. -436 с.
4. Николаев, В. А. Синтез системы виброизоляции машиниста локомотива, основанной на принципе компенсации возмущений / В. А. Николаев - Омск, 1985. - 226 с.
5. Матвеев, Ю. П. Фоновое воздействие общей и локальной вибрации. / Ю. П. Матвеев, В. Н.Потапов.
- М.: Профиздат, 1987. - С. 73-76.
6. Monroe shock absorber for trucks / Tyres and Access / - 2013. - 80 p.
7. Фролов, К. В. Прикладная теория виброзащитных систем / К. В. Фролов. - М.: Машиностроение, 1980. - 276 с.
8. Фурунжев, Р. И. Управление комбинациями многоопорных машин / Р. И. Фурунжев, А. И. Останин. - М.: Машиностроение, 2004. - 206 с.
THE MATHEMATICAL DESCRIPTION OF FLUCTUATIONS OF THE "MAN-MACHINE" SYSTEM
S. V. Baglaychuk, V. A. Nehaev, V. A. Nikolaev
Abstract. The article dwells on the subject of forming mathematical description of the equation of the "man-machine" system's fluctuations. The "man-machine" system is developed and chosen on the basis of analysis of dynamic impacts (vibratory and percussive) on a mechanic-driver of a military tracked machine. There is determined a biomechanical model of a human body, using of which has allowed to solve problems on determination of characteristics and work parameters of vibroprotection device, capable to protect a mechanic-driver from external indignations and prolong a working resource of a military tracked machine.
Keywords: "man-machine" system, biomechani-cal model of a human body, crew, load, indignation.
References
1. Isakov P. P. Teorija i konstrukcija tanka. [Theory and structure of a tank]. T. 7. Jergonomicheskoe obespechenie razrabotki tanka. / Moscow, Mashinostroenie, 1986. 191 p.
2. Chelomej V. N. Vibracii v tehnike. [Vibration in technique] T. 6. Zashhita ot vibracii i udarov. Moscow, Mashinostroenie, 1981. 456 p.
3. Vasil'ev V. V., Poklad M. P., Serjakov O. A. Konstrukcija mnogocelevyh gusenichnyh mashin. Teorija i dvizhenija i dinamika mnogocelevyh gusenichnyh mashin [Structure of multi-objective tracked machines. Theory, motion and dynamics of multi-objective tracked machines]. Omsk, 2013. 436 p.
4. Nikolaev V. A. Sintez sistemy vibroizo-ljacii mashinista lokomotiva, osnovannoj na principe kompensacii vozmushhenij [System synthesis of en-gineman's vibroinsulation, based on principle of indignations' compensations]. Omsk, 1985. 226 p.
5. Matveev Y. P, Potapov V. N. Fonovoe vozdejstvie obshhej i lokal'noj vibracii. [Background influence of general and local vibration]. Moscow, Profizdat, 1987. pp. 73-76.
6. Monroe shock absorber for trucks / Tyres and Access - 2013. 80 p.
7. Frolov K. V. Prikladnaja teorija vibrozashhitnyh sistem [Applied theory of vibration systems]. Moscow, Mashinostroenie, 1980. 276 p.
8. Furunzhev R. I. Ostanin A. I. Upravlenie kombinacijami mnogoopornyh mashin [Management of multisupporting machines' combinations]. Moscow, Mashinostroenie, 2004. 206 p.
Баглайчук Сергей Владимирович (Россия, г. Омск) - аспирант Омского государственного университета путей сообщения, начальник учебной лаборатории кафедры (боевых гусеничных, колесных машин и военных автомобилей) Омского автобронетанкового инженерного института. (644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. e-mail: [email protected])
Нехаев Виктор Алексеевич (Россия, г. Омск) -доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теоретической механики, Омского государственного университета путей сообщения. (644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. e-mail: [email protected])
Николаев Виктор Александрович (Россия, г. Омск) - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теоретической механики, Омского государственного университета путей сообщения. (644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. email: [email protected] )
Baglaychuk Sergey Vladimirovich (Russian Federation, Omsk) - postgraduate student of Omsk state transport university, head of educational laboratory of the department "Military tracked and wheeled machines". Omsk automotive and armor engineering institute (644046, Omsk, Marks Ave, 35. e-mail: memfis00@rambler. ru)
Nehaev Victor Alekseevich (Russian Federation, Omsk) - doctor of technical sciences, professor, professor of the department "Theoretical mechanics", Omsk state transport university. (644046, Omsk, Marks Ave., 35. e-mail: [email protected])
Nikolaev Victor Aleksandrovich (Russian Federation, Omsk) - doctor of technical sciences, professor, professor of the department "Theoretical mechanics", Omsk state transport university. (644046, Omsk, Marks Ave., 35. e-mail: [email protected])
УДК 004.93
РАЗГРАНИЧЕНИЕ ДОСТУПА К ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ СКРЫТОГО МОНИТОРИНГА ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ: НЕПРЕРЫВНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ
А. В. Еременко1, Е. А. Левитская2, А. Е. Сулавко3, А. Е. Самотуга3 1 Омский государственный университет путей сообщения, Россия, Омск;
2 РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина, Россия, Снежинск;
3 Омский государственный технический университет, Россия, Омск.
Аннотация. Работа посвящена проверке гипотезы о том, что данные, полученные в процессе мониторинга работы пользователя со стандартным оборудованием компьютерной системы, позволяют проводить его скрытую дополнительную идентификацию с достаточной для потенциального потребителя надежностью. Предложен метод скрытой непрерывной идентификации субъектов по особенностям работы со стандартным оборудованием в компьютерной системе. Метод разработан для защиты информации от угрозы несанкционированного доступа.
Ключевые слова: скрытый мониторинг, клавиатурный почерк, биометрическая идентификация, особенности работы с мышью, портрет работы пользователя в компьютерной системе.
Введение
Мы живем в условиях постоянной информатизации общества, информационные технологии и сама информация играют все большую роль в жизни людей, ценность информации возрастает. Поэтому вопросы защиты информации от несанкционированных воздействий всегда остаются актуальными. Аналитические исследования показывают, что большая часть рисков информационной безопасности обусловлена деятельностью инсайдеров - внутренних нарушителей, собственных сотрудников, нашедших способы прохождения всех рубежей авторизации и получивших санкционированный доступ к
корпоративной информации за пределами своей компетенции. По данным Zecurion Analytics суммарный ущерб от деятельности внутренних нарушителей в мире за 2013 год составил более 25 млрд. долл. (данный показатель подсчитан исходя из оптимистичных оценок, пессимистичный вариант предполагает потери, превышающие указанное число в разы), и с каждым годом оценки ущерба растут [1]. В соответствии с The Global State of Information Security Survey 2014 - глобальным исследованием информационной безопасности, проведенным фирмой PwC и журналами CIO и CSO, основной причиной инцидентов, связанных с нарушением безопасно-
