CC BY
36
ОЦЕНКА ЭРГОНОМИКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ РАБОТНИКОВ АПК
Н.А. Кореневский, А.Н. Коростелев, В.В. Серебровский, Т.Н. Сапитонова
Аннотация.
При решении задач оценки эффективности взаимодействия человека с техническими системами, включая транспортные средства агропромышленного комплекса, значительную роль играет эргономический фактор, который в определенной степени влияет и на возможные
изменения в состоянии здоровья обслуживающего персонала.
Ключевые слова: эргономика, транспортное средство, нечеткие модели, функция принадлежности, агрегация.
Анализ литературных данных и проведенные исследования позволили выделить ряд наиболее сущест-
венных эргономических показателей, влияющих на качество взаимодействия человек-транспортное средство. К таким показателям относятся: уровень шума в кабине; параметры микроклимата и, прежде всего, температура; уровень физической нагрузки на различных органах управления (рулевое колесо, рычаги, педали); антропометрические параметры сиденья водителя; уровни общей и локальной вибрации; уровень психоэмоционального напряжения и утомления, которые в свою очередь определяются такими факторами, как скорость движения, рельеф местности, нагрузки со стороны систем отображения информации, стиль вождения и т. д.
С математической точки зрения показатели эргономичности транспортного средства носят разнотипный характер и измеряются в различных несопоставимых шкалах, что требует их естественного нормирования. Существует достаточно большое количество операций нормирования, среди которых особое место занимает использование функций принадлежностей, которые при решении различных классификационных задач могут использоваться для синтеза соответствующих решающих правил [2, 6, 7, 8, 9]. Например, для определения риска возникновения тех или иных заболеваний от «неудачных» эргономических решений, для определения уровня комфортности кабины водителя и т. д.
Учитывая общие рекомендации по синтезу нечетких решающих правил, разработанные на кафедре биомедицинской инженерии Юго-Западного государственного университета [2, 9], предлагается следующая технология определения эргономического уровня транспортного средства по каждой из составляющих. Для простых показателей, которые можно непосредст-
(Х )
ции всего тела ' 5', вибрация на руках ' 6>, вибрация
(х6 )
на ногах
(х7 )
денья
(Х ) , (х10 )
угол наклона сиденья
(х8 )
высота си-
расстояние до основных органов управле-
следует присваивать на том интер-
субъективными ощущениями: уровень шума, уровень вибрации и т. д.
тэр (х2 )
венно измерить (уровень шума в кабине (х ), температура в кабине (х ), средний уровень нагрузки на руки ра
(х3) (х4) я
4 3', средний уровень нагрузки на ноги 4 4', вибра-
Рисунок 1 - График функции принадлежностей к уровню эргономичности по показателю температуры
В силу этого рекомендуется при построении соответствующих графиков функций принадлежностей использовать не столько прямое мнение экспертов, сколько результаты психофизического шкалирования, проведенного на множестве испытуемых и оцененного экспертами вместе с инженером по знаниям.
При этом в зависимости от технических возможностей психофизическое шкалирование может проводиться с использованием соответствующих датчиков в лабораторных условиях, имитирующих водительскую кабину, и в кабинах реальных транспортных средств.
В предлагаемой работе для построения соответствующих функций принадлежностей используются результаты психофизического шкалирования [1]. Например, по показателю «температура в кабине» используется психофизическая шкала типа
8Т = (8,93 • 10-4) • Тв
где Т - физическая температу-
ния 4 10 ' и др.), уровень эргономичности будем определять как функцию принадлежности к понятию «максимально достижимый уровень эргономичности» (МДУЭ) с базовой переменной по шкале непосредст-
х -тЭР (хг)
г эр \ г / . Причем значение
венного измерения
м(хг )
единицы для Г 4 1 '
вале (хХ1), где создаются максимально комфортные (эффективные) условия для взаимодействия человека с техническим средством. В качестве примера на рисунке 1 показан фрагмент графика функции принадлежности к уровню эргономичности по шкале температура в кабине.
Учитывая, что в силу психофизических законов ощущение температуры, включая комфортную температуру, достаточно индивидуально, график функции принадлежностей, приведенный на рисунке 1, для различных людей будет несколько отличаться друг от друга. Будут иметь место индивидуальные «разбросы» и другие эргономические характеристики, связанные с
Т - тепловые ощущения испытуемого; в - показатель степени, зависящий от индивидуальной психофизики испытуемого, лежащий в диапазоне 1,96,...,3,67.
Большинство обследуемых в качестве наиболее комфортной температуры называют интервал 22...24С0.
При отсутствии возможности или при нецелесообразности проведения физических измерений для оценки «простых» эргономических показателей может быть использовано субъективное шкалирование, осуществляемое с помощью тестовых опросников, позволяющих вводить балльные оценки субъективных ощущений измеряемого параметра.
Причем составление вопросов и системы шкалирования целесообразно осуществлять не абстрактным образом, а ориентируясь на цель исследования.
Например, при оценке влияния эргономики транспортного средства (ТС) на состояние здоровья водителей опросник ориентируется на возможные профессиональные заболевания.
С учетом этого уровень температурного дискомфорта может быть определен двумя шкалами для поТ Т
вышенной ( В) и пониженной ( Н) температур следующего вида.
В кабине комфортная температура независимо от температуры окружающей среды, и она устанавливается достаточно быстро в начале рабочей смены - 0.
В кабине комфортная температура независимо от температуры окружающей среды, но в начале рабочей смены при жаркой погоде вне кабины установление нормального температурного режима ощущается как значительный дискомфорт - 1.
В жаркое время года в кабине жарко, но имеется возможность создания воздушного потока, облегчаю-
щего ощущение жары, однако это не создает комфортного температурного режима, но в конце рабочей смены не возникает субъективных ощущений, что окружающая температура является причиной болезненных ощущений (головная боль, головокружение, подташни-вание, повышенное сердцебиение) - 2.
В жаркое время года в кабине так же жарко, как и во внешней среде, но в конце рабочей смены не возникает субъективных ощущений, что окружающая температура является причиной болезненных ощущений - 3.
В жаркое время года температурный режим в кабине хуже, чем температурный режим окружающей среды, но субъективных ощущений, что он является причиной физических недомоганий, нет - 4.
Температурный режим в кабине (по субъективным ощущениям) является причиной легкого недомогания -5.
Температурный режим в кабине приводит (по субъективным ощущениям) в конце смены к заметным болезненным ощущениям - 6.
Температурный режим в кабине (по субъективным ощущениям) является причиной достаточно сильных болезненных ощущений, но за время отдыха болезненные ощущения, (по субъективным ощущениям) вызываемые повышенной температурой, проходят - 7.
Создается субъективное ощущение, что неблагоприятный тепловой микроклимат кабины провоцирует заболевания - 8.
10. Имеется объективная медицинская информация о том, что температурный режим кабины способствует возникновению и развитию заболеваний - 9.
Опросник на пониженную температуру окружающей среды строится аналогично, но с заменой по п
1,...,10 ощущений жары на ощущение холода.
При этом следует учитывать, что жара и холод приводят к различным модальностям комфортных ощущений и к различным последствиям с точки зрения состояния здоровья человека. Поэтому соответствующие функции принадлежностей к степени эргономичности
или степени риска заболеваний по классам ^ для
ТВ ТН
шкал В и Н могут существенно различаться.
С точки зрения взаимосвязи интенсивности уровня
с
шума в кабине с его субъективным восприятием Г в работе [1] обосновывается следующая зависимость: СГ = 3,285-1в (0,18 < в < 0,44)
В качестве тестового опросника при оценке уровня
шума можно использовать следующую шкалу ( сш ).
Шума в кабине почти не слышно, дискомфортные ощущения отсутствуют даже при использовании звуковой сигнализации - 0.
Шум в кабине есть, но он не воспринимается дискомфортно, однако он маскирует звуковую сигнализацию, использование которой на фоне шума в кабине требует напряжения внимания - 1.
Уровень шума в кабине ощущается как некомфортный, но в конце рабочей смены не возникает ощущений, что шум является причиной болезненных ощущений или психологического дискомфорта - 2.
Уровень шума в кабине таков, что по субъективным ощущениям к концу рабочей смены именно он является источником болезненных ощущений или психологического дискомфорта (головная боль, раздражительность, вялость и др.) - 3.
Уровень шума таков, что, по субъективному мнению испытуемого, он является причиной болезненных
ощущений и (или) психологического дискомфорта и после работы, но к началу рабочей смены ощущение «шумового дискомфорта» пропадает - 4.
В условиях пункта 5 к началу рабочей смены субъективное ощущение «шумового дискомфорта» остается - 5.
Создается субъективное ощущение, что шум в кабине провоцирует заболевания - 6.
Имеется объективная медицинская информация о том, что шум в кабине способствует возникновению и развитию профессиональных заболеваний, включая кохлеарный неврит - 7.
Усилия, затрачиваемые водителями транспортных средств на различных органах управления различны. В работе [1] приводятся следующие аналитические зависимости между затрачиваемым усилием К в Ньютонах
с
и субъективным ощущением этих усилий :
с = 0,62К;
- на рулевом колесе рк
(0,53 < в < 1,7).
- на ручном рычаге
(0,4 < в < 1,77),
5 = 0,667Я ;р
- на педали сцепления
(1,41 < в < 3,12)
-4 п в
пс
5 = 8,766 • 10-4 Я
Для построения шкал усилий на руках ур и ногах
5
ун может быть использован следующий опросник.
Управление не вызывает дискомфорта вплоть до конца рабочей смены - 0.
В процессе работы иногда возникает физический дискомфорт, но в ходе изменения стиля управления он проходит - 1.
В процессе управления возникают неприятные ощущения вплоть до физической боли, снять которую удается при коротком отдыхе - 2.
Управление требует определенных физических затрат, которые по субъективным ощущениям приводят к физическому дискомфорту в конце рабочей смены, который полностью исчезает в ходе отдыха, не беспокоя во время сна - 3.
В условиях пункта 4 мешает комфортному сну - 4.
В условиях пункта 5 ощущение физического дискомфорта остается к началу рабочей смены - 5.
Создается субъективное ощущение, что усилия, затрачиваемые на управление, провоцируют профессиональные заболевания конечностей - 6.
Имеется объективная медицинская информация о том, что усилия, затрачиваемые на управление, способствуют возникновению и развитию профессиональных заболеваний - 7.
Оценку уровня вибрации, запыленности и загазованности кабины можно выполнить по следующим шкалам.
По степени запыленности рабочего места соответствующий опросник имеет вид.
Условия труда без пыли, рабочее место изолированно от пыли - 0.
Пыль не ощущается, но в течение недели на окружающих конструкциях заметны незначительные отложения пыли - 1.
Пыль не ощущается, но в течение недели на окружающих конструкциях лежит заметный слой пыли, требующий уборки - 2.
Пыль не ощущается, но в течение смены лежит заметным слоем на окружающих конструкциях - 3.
В течение рабочей смены ощущается еле заметное наличие пыли, не вызывающее физиологического дискомфорта - 4.
В течение рабочей смены заметно наличие пыли, которая вызывает легкий физиологический дискомфорт (ощущение на зубах, слегка на глазах) - 5.
Рабочее место сильно запылено. Пыль попадает в рот, нос, глаза, вызывая сильный дискомфорт - 6.
Из-за пыли работать практически не возможно -7. Вибрационные характеристики рабочего места
удобно определять по шкале Св с использованием следующего опросника.
с
Условия работы не связаны с вибрацией в =0. Условия работы связаны с низкоинтенсивной, физически плохо ощутимой вибрацией Св =1.
Условия работы связаны с заметно ощутимой вибрацией, не вызывающей физического дискомфорта Св =2.
Условия работы связаны с хорошо ощутимой вибрацией, вызывающей к концу дня некоторый физический дискомфорт, но с течением времени есть ощущение, что дискомфорт «не накапливается» Св =3.
Условия работы связаны со значимой вибрацией, которая вызывает болевые ощущения к концу рабочей смены и при значительном стаже работы (больше 25
с
лет) приводит к патологически изменениям в =4.
Для большей дифференциации этот опросник может быть детализирован до локальных вибраций на руки, на ноги и т. д.
Характерной особенностью ряда рабочих мест является то, что из-за невысоких скоростей сельхозмашин в организм человека попадает газ от работающих двигателей, создавая достаточно высокий риск различных заболеваний.
Риск возникновения заболеваний от воздействия газов работающих двигателей предлагается оценивать с помощью следующего опросника.
На рабочем месте практически отсутствует влияние
с
газов от работающих двигателей г =0.
На рабочем месте концентрация газов такова, что она вряд ли является фактором риска по отношению к
Ю£ С г 1
патологии £ г =1.
На рабочем месте концентрация газов такова, что
она может спровоцировать заболевание Ю Сг =2.
На рабочем месте концентрация газов такова, что
она, скорее всего, будет провоцировать заболевание Ю
Концентрация газов на рабочем месте такова, что
заболевание
£
будет провоцироваться у значитель-
с
ного (более 50% случаев) числа людей г =4.
При длительных нагрузках уровень дискомфорта и определенные риски в появлении и развитии заболеваний создает рабочая поза и, в частности, угол наклона сиденья, который по данным работы [1] характеризуется связью субъективных ощущений сп с физическим углом наклона а соотношением:
Бп = 0,179ав (1,45 < в < 2,7)
Данные экспериментальных исследований показывают, что большинство испытуемых наиболее комфортным считают угол наклона 10...13°.
Шкалирование удобства рабочей позы следует проводить для той техники, которая не имеет средств подстройки сидений под антропометрические особенности водителя.
Аналогично определяются шкалы для оценки других простых эргономических свойств.
Более сложное влияние эргономики транспортных средств на человека через систему психофизиологических нагрузок будем оценивать через шкалы комплексных показателей, отражающих уровень психоэмоционального напряжения (Ипэн) и хронического физического утомления (иХфУ) в соответствии с выражениями:
и
ПЭН
= ¥П (ШСТ, ШЛТ, 3 ЯЯ8,
(1)
3 Я^ 20,3 Я Р9, ПВ, КВ,УВ)
где ^П - функция нечеткой агрегации составляющих для определения уровня ПЭН; ШСТ, ШЛТ - показатели ПЭН по шкалам ситуативной и личностной тревожности теста Спилбергера-Ханина; Жк8, Жув20,
Ж
Р9 - шкала отклонений сопротивлений БАТ, связанных с психоэмоциональной сферой от своего номинального значения; ПВ, КВ, и УВ - шкалы показателей переключаемости, концентрированности и устойчивости внимания [3].
Уровень хронического физического утомления (ХФУ) рассчитывается в соответствии с выражением [5]:
и ХФУ =ГФ (ИфУ, ПВ, КВ,УВ, 3 ЯЕ23
3КЕ36 ,ЗКЯ36 , 3КУ40 , 3КУ60 , 3КУ20 , ^) ,(2)
где Ф - функция нечеткой агрегации составляющих для определения уровня ХФУ; ИФУ - индекс физического утомления, рассчитываемый по методике Кинсмана-Вайсера-Леоновой; 1 - стаж работы. Остальные обозначения аналогичны обозначениям выражения (1).
Конкретные выражения и параметры составляющих выражений (1) и (2) приведены в работах [3, 5].
С учетом приведенных механизмов формирования шкал, позволяющих оценивать разномодальные эргономические свойства транспортных средств, предлагается следующий способ дифференциальной и комплексной эргономической оценки качества исследуемого класса биотехнических систем.
На основании технических описаний и экспертного оценивания составляется перечень эргономических свойств исследуемых классов транспортных средств.
Для простых (получаемых на одной шкале) эргономических свойств определяется целесообразность и возможность использования: прямых измерений на исследуемом транспортном средстве (группа свойств хц измерений на специально создаваемых тренажерах
У ■
(группа свойств ■); оценок психофизических ощущений, получаемых методами психофизического шкали-
с
рования (группа свойств к); специально подбираемых
I
или синтезируемых опросников (группа свойств 4). По каждой из полученных шкал путем экспертного оценивания определяются функции принадлежностей к уровню эргономичности каждого из выбранных
свойств т (х1 ), Мэр (У; } Мэр (ск ), т ^ ) .
Для исследования эргономических свойств, которые оцениваются через реакцию человека, взаимодействующего с технической системой, выбирается комплекс психофизиологических показателей, характеризующих его функциональное состояние (ФС), определяются составляющие, характеризующие различные классы ФС, формируемые под воздействием эргономики транспортного средства (ТС), и определяется комбинированная шкала, отражающая степень изменения составляющих ФС в зависимости от условий работы и конструктивных особенностей ТС. В предлагаемой работе это шкалы уровня психоэмоционального напряжения (1) и хронического физического утомления (2). Используя шкалы Ипэн и Ихфу как базовые переменные функций принадлежностей, методом экспертного оценивания определяется уровень эргономичности
Яэр (ИПЭН ) №эр (ИХФУ )
ТС по этим шкалам
Х[1 - УЭ( Р)]
(3)
уэ( р)
где - уровень эргономичности, определяемый по Р частным свойствам; р=1,...,Р; ( г) -
функция принадлежности к уровню эргономичности по
г = 2,..., р
свойству г ; ’ ’ г ;
^г = X1, x2,..., Уl, У2,..., ^
^2,...^1, ^2,...,И
пэн ,иХФУ .
УЭ(1)= яэр (Zl)
В другом варианте (по выбору экспертов) агрегация может быть осуществлена с использованием аддитивного критерия вида:
УЭ* = I аг -тэр )
(4)
где аг - весовые коэффициенты, характеризующие вклад каждой составляющей в общий показатель эргономичности, определяемые методом экспертного оценивания.
Для перехода от (4) к нормированной величине можно воспользоваться обобщенной функцией принад-
1?р (уэ* )
уэ = тэПУЭ
лежности к уровню эргономичности пример графика которой приведен на рисунке 2.
УЭ = тЭр (уэ *)
Каждая из полученных функций принадлежностей характеризует конкретные эргономические свойства, дифференцируя их по конструктивным особенностям ТС и условиям труда водителя.
Аналитическое выражение для комплексной оценки эргономики транспортного средства получается агрегацией всех частных функций принадлежностей.
В предлагаемой работе агрегация осуществляется по итерационной формуле [2, 6]:
уэ( р+1) = уэ( р)+т„ (2, )х
Рисунок 2 - Нормирование уровня эргономичности УЭ через функцию принадлежностей
5. Используя УЭ как базовую переменную, методом экспертного оценивания определяются функции принадлежностей к классам эргономичности. На рисунке 3 приведен пример графиков функций принад-
й м» (уэ )
лежностей к классам неудовлетворительная н ,
ту (уэ ) т (уэ)
удовлетворительная у , хорошая г ' и от-
т(УЭ)
личная эргономика.
т (уэ)
1,0
Т I I I I I I I I Г
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Рисунок 3 - График функций принадлежностей к классам уровня эргономики транспортных средств
УЭ
На этом рисунке
g = н, у, х,о.
Используя предложенный способ оценки уровня эргономичности транспортных средств, можно решать задачи оценки их влияния на состояние здоровья водителей, если каждое из свойств рассматривать с точки зрения их влияния на возникновение и развитие соответствующих профессиональных заболеваний.
Удобно при этом либо отдельные свойства, либо комплексный показатель уровня эргономичности использовать как базовые переменные для функций принадлежностей к исследуемым классам заболеваний. Учитывая, что только по уровню эргономичности сде-
г
лать прогноз или поставить точный диагноз практически невозможно, далее следует решать задачу синтеза соответствующих решающих правил, например, в соответствии в соответствии с методикой, изложенной в работе [2].
Список использованных источников
1 Камозин, Л.М. Разработка и исследование методов и средств оценки качества биотехнической системы на основе психофизического шкалирования на примере тракторов // дисс. канд. техн. наук / Л.М. Камозин. - Курск, 1995. - 204 с.
2 Кореневский, Н.А. Проектирование нечетких решающих сетей, настраиваемых по структуре данных для задач медицинской диагностики / Н.А. Кореневский // Системный анализ и управление в биомедицинских системах.- 2005.- Т. 4. №1.- С. 12-20.
3 Комплексная оценка уровня психоэмоционального напряжения/ Н.А. Кореневский, О.И. Филатова, М.И. Лукашов, Р.А. Крупчатников // Биомедицинская радиоэлектроника.-М., 2009.- № 5.- С. 4-9.
4 Синтез моделей взаимодействия внутренних органов с проекционными зонами и их использование в рефлексодиагностике и рефлексотерапии: монография/ Н.А. Кореневский, В.В. Буняев, В.Н. Гадалов, Н.Д. Тутов.- Курск: Изд-во Курского гос. техн. ун-та, 2005.- 224 с.
5 Определение уровня длительного физического утомления как фактора риска рецидивов хронических заболеваний/ М.И. Лукашов, Н.А. Кореневский, А.В. Еремин, О.И. Филатова // Биомедицинская радиоэлектроника.- 2009.-№5.- С. 10-15.
6 Bruce G. Buchanan, Edward H. Shortliffe. Rule-Based Expert Systems: The MYCIN Experiments of the Stanford Heuristic:
Programming Project. Addison-Wesley Publishing Company. Reading, Massachusetts, 1984, ISBN 0-201-10172-6.
7. Zadeh, L.A. Advances in Fuzzy Mathematics and Engineering: Fuzzy Sets and Fuzzy information-Granulation Theory. Beijing Normal University Press. 2005. ISBN 7-303-05324-7.
8. Zadeh, L.A., King-Sun Fu, Kokichi Tanaka, Masamichi Shimura. Fuzzy sets and their applications to cognitive and decision processes. Academic Press, Inc. New York San Francisco London, 1975. ISBN 0-12-775260-9.
9. Korenevskii N.A., Krupchatnikov R.A., Gorbatenko S. A. “Generation of fuzzy network models taught on basis of data structure for medical expert systems” Biomedical Engineering. Springer New York. Volume 42, Number 2 / March 2008. Pp. 6772. ISBN 0006-3398 (Print) 1573-8256 (Online).
Информация об авторах
Кореневский Николай Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры информационных и электротехнических систем и технологий ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 58-70-98.
Коростелев Андрей Николаевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 53-13-30.
Серебровский Вадим Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры информационных и электротехнических систем и технологий ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 58-70-98.
Сапитонова Татьяна Николаевна, магистрант, старший лаборант кафедры биомедицинской инженерии, ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», тел. (4712) 58-70-98.
