Математическое описание колебаний системы «Человек-машина»

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

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

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

C =

- С,

- С1

0

-c

-c

0 0

-c

3

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

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 ) +

+ 2с2

m4z 4 + ЖЬ (z4 - n)+Fmsign(z4 - n)+

+ Fk (z4 - n)-c1 (z1 - z4 )-Ь1 (z1 - z4 )-

-c3

С

1

Рис. 3. Модель тела человека совместно с системой виброзащиты

Ориентируясь на использование ПЭВМ, эти системы уравнений следует, приводить к нормальной форме Коши,

dZ dt

= F{z, a, u, t),

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

6z±_ дt

- = F

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

Нехаев Виктор Алексеевич

Николаев Виктор Александрович

Baglaychuk Sergey Vladimirovich

Nehaev Victor Alekseevich

Nikolaev Victor Aleksandrovich

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-