Оценка эргономичности транспортных средств на основе нечетких гибридных моделей

УДК 615.47

Н. А. Кореневский, д-р техн. наук,

А. А. Бурмака, д-р техн. наук,

Л. В. Стародубцева, канд. техн. наук,

С. А. Горбатенко, канд. техн. наук,

Юго-Западный государственный университет, г. Курск

Оценка эргономичности

транспортных средств

на основе нечетких гибридных моделей

Ключевые слова: эргономика, транспортное средство, нечеткие модели, функция принадлежности, агрегация. Key words: ergonomics, vehicle, fuzzy models, membership function, aggregation.

При решении задач оценки эффективности взаимодействия человека с техническими системами, включая транспортные средства, значительную роль играет эргономический фактор, который в определенной степени влияет и на возможные изменения в состоянии здоровья обслуживающего персонала.

Анализ литературных данных и проведенные исследования позволили выделить ряд наиболее существенных эргономических показателей, влияющих на качество взаимодействия человек—транспортное средство. К таким показателям относятся: уровень шума в кабине; параметры микроклимата, 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 эр-гономичности 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—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 непосредственно измерить (уровень шума в кабине х^, температура в кабине %2, средний уровень нагрузки на руки Х3, средний уровень нагрузки на ноги Х4, вибрации всего тела Х5, вибрация на руках Хб, вибрация на ногах Х7, угол наклона сиденья х§, высота сиденья Х9, расстояние до основных органов управления х^ и др.), уровень эргономичности будем определять как функцию принадлежности к понятию «максимально достижимый уровень эргономичности» (МДУЭ) с базовой переменной по шкале непосредственного измерения Хц — цэр(х;). Причем значение единицы для М-(х;) следует присваивать на том интервале (х;), где создаются максимально комфортные (эффективные) условия для взаимодействия человека с техническим средством. В качестве примера на рис. 1 показан фрагмент графика функции принадлежности к уровню эргономичности по показателю температуры в кабине.

Учитывая, что в силу психофизических законов ощущение температуры, включая комфортную тем-

1,0

6 10 14 18 22 26 30 34

42 T(x2), °C

Рис. 1

График функции принадлежностей к уровню эргономичности по показателю температуры

пературу, достаточно индивидуально, график функции принадлежностей, приведенный на рис. 1, для различных людей будет несколько отличаться друг от друга. Будут иметь место индивидуальные «разбросы» и другие эргономические характеристики, связанные с субъективными ощущениями: уровень шума, уровень вибрации и т. д. В связи с этим 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 Зт = (8,93 • 10-4)Тв, где Т — физическая температура; 5т — 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 22-24 °С.

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 повышенной (Тв) и пониженной (Тн) температур следующего вида:

1) в кабине комфортная температура независимо от температуры окружающей среды, она устанавливается достаточно быстро в начале рабочей смены — 0;

2) 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;

3) в жаркое время года в кабине жарко, но имеется возможность создания воздушного потока, облегчающего 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, подташнивание, повышенное сердцебиение) — 2;

4) 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;

5) 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;

6) температурный режим в кабине (по субъективным ощущениям) является причиной легкого недомогания — 5;

7) температурный режим в кабине приводит (по субъективным ощущениям) в конце смены к заметным болезненным ощущениям — 6;

8) 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;

9) 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 по пунктам 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 ю^ для шкал Тв и Тн могут существенно различаться.

С точки зрения взаимосвязи интенсивности уровня шума в кабине с его субъективным восприятием 5г, в работе [1] обосновывается следующая зависимость: 5г = 3,2857в (0,18 < в < 0,44).

В качестве тестового опросника при оценке уровня шума можно использовать следующую шкалу

1) шума в кабине почти не слышно, дискомфортные ощущения отсутствуют даже при использовании звуковой сигнализации — 0;

2) 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;

3) 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;

4) 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;

5) 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;

6) в условиях пункта 5 к началу рабочей смены субъективное ощущение «шумового дискомфорта» остается — 5;

7) создается субъективное ощущение, что шум в кабине провоцирует заболевания — 6;

8) 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 И (в ньютонах) и субъективным ощущением этих усилий 5:

• на рулевом колесе 5 = 0,62Л р.к (0,53 < в < 1,7);

• на ручном рычаге 5 = 0,667# врр (0,4 < в < 1,77);

на педали сцепления 5 = 8,766 • 10 4И

р.к •

х (1,41 < в < 3,12).

Для построения шкал усилий на руках 5у.р и ногах 5ун может быть использован следующий опросник:

1) управление не вызывает дискомфорта вплоть до конца рабочей смены — 0;

2) в процессе работы иногда возникает физический дискомфорт, но в ходе изменения стиля управления он проходит — 1;

3) в процессе управления возникают неприятные ощущения вплоть до физической боли, снять которую удается при коротком отдыхе — 2;

4) управление требует определенных физических затрат, которые по субъективным ощущениям приводят к физическому дискомфорту в конце рабочей смены, но дискомфорт полностью исчезает в ходе отдыха, не беспокоя во время сна — 3;

5) в условиях пункта 4 мешает комфортному сну — 4;

6) в условиях пункта 5 ощущение физического дискомфорта остается к началу рабочей смены — 5;

7) создается субъективное ощущение, что усилия, затрачиваемые на управление, провоцируют профессиональные заболевания конечностей — 6;

8) 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 проводить по следующим шкалам.

По степени запыленности рабочего места соответствующий опросник имеет вид:

1) условия труда без пыли, рабочее место изолированно от пыли — 0;

2) пыль не ощущается, но в течение недели на окружающих конструкциях заметны незначительные отложения пыли — 1;

3) пыль не ощущается, но в течение недели на окружающих конструкциях лежит заметный слой пыли, требующий уборки — 2;

4) пыль не ощущается, но в течение смены лежит заметным слоем на окружающих конструкциях — 3;

5) в течение рабочей смены ощущается еле заметное наличие пыли, не вызывающее физиологического дискомфорта — 4;

6) в течение рабочей смены заметно наличие пыли, которая вызывает легкий физиологический дискомфорт (ощущение на зубах, слегка на глазах) — 5;

7) рабочее место сильно запылено, пыль попадает в рот, нос, глаза, вызывая сильный дискомфорт — 6;

8) из-за пыли работать практически невозможно — 7.

Вибрационные характеристики рабочего места удобно определять по шкале 5в с использованием следующего опросника:

1) условия работы не связаны с вибрацией — 5 = 0;

2) условия работы связаны с низкоинтенсивной, физически плохо ощутимой вибрацией — 5в = 1;

3) условия работы связаны с заметно ощутимой вибрацией, не вызывающей физического дискомфорта — 5в = 2;

4) условия работы связаны с хорошо ощутимой вибрацией, вызывающей к концу дня некоторый физический дискомфорт, но с течением времени есть ощущение, что дискомфорт «не накапливается» — 5в = 3;

5) условия работы связаны со значительной вибрацией, которая вызывает болевые ощущения к концу рабочей смены и при значительном стаже работы (больше 25 лет) приводит к патологически изменениям — 5в = 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:

1) на рабочем месте практически отсутствует влияние газов от работающих двигателей — 5г = 0;

2) на рабочем месте концентрация газов такова, что она вряд ли является фактором риска по отношению к патологии — 5г = 1;

3) на рабочем месте концентрация газов такова, что она может спровоцировать заболевание —

«г = 2;

4) на рабочем месте концентрация газов такова, что она, скорее всего, будет провоцировать заболевание к>1 — 5г = 3;

5) концентрация газов на рабочем месте такова, что заболевание будет провоцироваться у значительного (более 50 % случаев) числа людей — 5г = 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 5п с физическим углом наклона а соотношением:

Зп = 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 (^пэн) и хронического физического утомления (Цхфу) в соответствии с выражениями:

иПЭН = Fп(шст, шлт,

8Ддд, §-Й^В20, ^—р9, ПВ,КВ, УВ),

где Fп — функция нечеткой агрегации составляющих для определения уровня ПЭН; ШСТ, ШЛТ — показатели ПЭН по шкалам ситуативной и личностной тревожности теста Спилбергера—Ханина; 8В-8, 8Ву—20, 8-Р9 — шкала отклонений сопротивлений БАТ, связанных с психоэмоциональной сферой, от своего номинального значения; ПВ, КВ,

и УВ — шкалы показателей переключаемости, кон-центрированности и устойчивости внимания [3].

Уровень хронического физического утомления (ХфУ) рассчитывается в соответствии с выражением [5]:

иХФУ = Fф

где Fф — функция нечеткой агрегации составляющих для определения уровня ХфУ; ИфУ — индекс физического утомления, рассчитываемый по методике Кинсмана—Вайсера—Леоновой; * — стаж работы; остальные обозначения аналогичны обозначениям в формуле (1).

Конкретные выражения и параметры составляющих формул (1) и (2) приведены в работах [3, 5].

С учетом приведенных механизмов формирования шкал, позволяющих оценивать разномо-дальные эргономические свойства транспортных средств, предлагается следующий способ дифференциальной и комплексной эргономической оценки качества исследуемого класса биотехнических систем;

1. На основании технических описаний и экспертного оценивания составляется перечень эргономических свойств исследуемых классов транспортных средств.

2. Для простых (получаемых на одной шкале) эргономических свойств определяется целесообразность и возможность использования: прямых измерений на исследуемом транспортном средстве (группа свойств х{); измерений на специально создаваемых тренажерах (группа свойств у); оценок психофизических ощущений, получаемых методами психофизического шкалирования (группа свойств 5^); специально подбираемых или синтезируемых опросников (группа свойств По каждой из полученных шкал путем экспертного оценивания определяются функции принадлежностей к уровню эргономичности каждого из выбранных свойств Цэр (х£), Мэр (у) Мэр(«к), Мэр(*д).

3. 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 Цпэн и Цхфу как базовые переменные функций принадлежностей, методом экспертного оценивания определяется уровень эргономичности ТС по этим шкалам — цэ„ (Цпэн) и Цэр (^хфу).

4. 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

где УЭ (р) — уровень эргономичности, определяемый по Р частным свойствам; р = 1, ..., Р; |Лэр ^г) — функция принадлежности к уровню эргономично-сти по свойству Zr; г = 2, ..., р; Zг = Х1, Х2, ..., У1, У2, ., э1, э2, ., *2, ., иПЭН, иХФУ;

УЭ (1) =

= Цэр (Zг).

В другом варианте (по выбору экспертов) агрегация может быть осуществлена с использованием аддитивного критерия вида

цв

УЭ* =Х аг М ),

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 принадлежности к уровню эргономичности УЭ = ц^р(УЭ*), график которой приведен на рис. 2.

5. Используя УЭ как базовую переменную, методом экспертного оценивания определяются функции принадлежностей к классам эргономичности. На рис. 3 приведен пример графиков функций принадлежностей к классам неудовлетворительная Цн (УЭ), удовлетворительная Цу (УЭ), хорошая (УЭ) и отличная Цо (УЭ) эргономика (на этом графике 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.

УЭ = ц0>р

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 УЭ*

1,0

Цн

УЭ

Рис. 3

График функций принадлежностей к классам уровня эргономики транспортных средств

Рис. 2

Нормирование уровня эргономичности УЭ* через функцию принадлежностей

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 эргономично-сти сделать прогноз или поставить точный диагноз практически невозможно, далее следует решать задачу синтеза соответствующих решающих правил (например, в соответствии с методикой, изложенной в работе [2]).

Работа была выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Государственный контракт № П424.

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. Курск, 1995. 204 с.

2. Кореневский Н. А. Проектирование нечетких решающих сетей, настраиваемых по структуре данных для задач медицинской диагностики // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2005. Т. 4. № 1. С. 12—20.

3. Кореневский Н. А., Филатова О. И., Лукашов М. И., Круп-чатников Р. А. Комплексная оценка уровня психоэмоционального напряжения // Биомедицинская радиоэлектроника. М., 2009. № 5. С. 4-9.

4. Кореневский Н. А., Буняев В. В., Гадалов В. Н., Тутов Н. Д. Синтез моделей взаимодействия внутренних органов с проекционными зонами и их использование в рефлексодиагностике и рефлексотерапии. Курск: Изд-во Курского гос. техн. ун-та, 2005. 224 с.

5. Лукашов М. И., Кореневский Н. А. Еремин А. В., Филатова О. И. Определение уровня длительного физического утомления как фактора риска рецидивов хронических заболеваний // 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.

7. Zadeh L. A. Advances in Fuzzy Mathematics and Engineering: Fuzzy Sets and Fuzzy information-Granulation Theory. Beijing Normal University Press, 2005.

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.

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. Vol. 42. N 2, March 2008. P. 67-72.

0

r

0