Исследование толерантности человека-оператора к физической нагрузке

УДК 621.382:61.001.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЛЕРАНТНОСТИ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА К ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ

© 2010 г. М. Т. Алиев, И.В. Петухов

Марийский государственный Mari State Technical

технический университет University

Представлены метод, методика и результаты экспериментальных исследований функционального состояния человека-оператора и его толерантности к физической нагрузке по динамике значения времени ощущения зрительного анализатора. В результате экспериментальных исследований установлено, что существует зависимость между временными параметрами зрительного восприятия и степенью физического утомления.

Ключевые слова: человеко-машинные системы; человек-оператор; зрительная система; утомление; физическая нагрузка.

In work the method, a technique and results of experimental researches of a functional condition of the person-operator and its tolerance to physical activity on dynamics of value of time of sensation of the visual analyzer are presented. As a result of experimental researches it is established, that there is a dependence between time parameters of visual perception and a degree ofphysical exhaustion.

Keywords: human-machine systems; the person-operator; visual system; exhaustion; physical activity.

Введение

Несмотря на повсеместную автоматизацию производственных процессов, человек-оператор остается неотъемлемым звеном человеко-машинных систем (ЧМС) управления, участие которого обусловлено необходимостью принимать решения при неполностью определенном состоянии системы, по неполной информации.

Для эффективной профессиональной деятельности человек должен обладать соответствующими профессионально-важными качествами (ПВК), которые определяются как физические, анатомо-физиологи-ческие, психические и личностные свойства и отношение человека к миру, полезные или необходимые для быстрого и точного освоения и решения его профессиональных задач [1].

Выявление ПВК в деятельности оператора является важной и актуальной задачей, методами исследований могут быть наблюдение деятельности оператора, лабораторный эксперимент, моделирование и т.д.

Для обстоятельного эргономического изучения деятельности человека и его ПВК вне и в структуре различных ЧМС необходимы научно обоснованные методы квантификации труда на физическом, психофизиологическом и психическом уровнях.

Е.В. Глебова предлагает следующую классификацию основных производственных функции операторской деятельности независимо от конкретной профессии, отличающихся по своему содержанию [2]:

1. Контроль параметров на соответствие технологическому регламенту.

2. Регулирование параметров технологического процесса.

3. Прогнозирование развития аварийной ситуации.

4. Принятие решений о коррекции технологического процесса в объеме своих полномочий и знаний.

Отмечается, что производственные несчастные случаи могут происходить на каждом из этапов операторской деятельности. При этом наибольшее количество ошибок происходит на этапе восприятия и переработки информации [3].

Существенно количество ошибок как вследствие физической перегрузки работающих на отдельных действиях процесса труда, так и в результате неравномерности распределения энергозатрат по действиям, приемам, операциям, чрезмерного нервно-эмоционального напряжения, недостатков технологического оборудования, высоких скоростей изменения структуры и напряженности труда [4].

В качестве составляющей информационной рассогласованности ЧМС выделяют отсутствие или нарушение связи «человек - машина»; физически большую тяжестью труда, неестественную структуру двигательного выхода; реализацию ошибочных психологических установок; высокую статическую напряженность отдельных групп мышц (неудобной позой) и развивающиеся утомлением. Так, более 90 % экспертов допускают возможность серьезных ошибок оператора при выполнении рабочих движений; от 20 до 40 % отмечают их недостаточную свободу; более 50 % установили большой объем ненужных, неэффективных движений в составе труда [4].

Очевидно, что естественным резервом повышения надежности ЧМС является повышение надежности деятельности человека-оператора и уменьшение влияния «человеческого фактора» на каждом из этапов операторской деятельности.

Целью работы является исследование толерантности к физической нагрузке человека-оператора и зависимости временных параметров зрительного восприятия человека от степени его физического утомления.

Теоретический анализ

Для оценки характеристик и качеств человека-оператора, которые прямо или косвенно обусловливают выполнение деятельности, используют понятие «функциональное состояние», под которым понимают «... характеристику резервных возможностей организма и качества их регулирования» [5].

Интерес к проблеме функционального состояния человека связан с рядом обстоятельств. В сфере трудовой деятельности длительное воздействие факторов трудового процесса и их интенсивность приводят к формированию таких неблагоприятных процессов, как мышечное и зрительное утомление, повышенная психоэмоциональная напряженность, хроническая усталость и др. [6].

В логике развития исследований функционального состояния наблюдается закономерная динамика: от направленности на описание особенностей воздействия внешних факторов (условия и содержание деятельности) к углубленному анализу состояний, возникающих в результате причин преимущественно внутреннего, психологического и психофизиологического характера [7 - 9].

Чтобы иметь возможность прогнозировать функциональное состояние человека, его поведение в различных экстремальных ситуациях, необходимо тщательное изучение его физического и психофизиологического состояния. На основе этих исследований могут быть выработаны рекомендации по регламентированию трудового процесса и возможной компенсации вредного влияния специфических и прочих стресс-факторов при физической и психофизиологической нагрузке.

В литературе описано значительное количество методов функциональной диагностики, способов и методик их осуществления, технических средств их инструментальной реализации.

При этом одним из наиболее широко используемых на сегодня методов оценки функционального состояния человека и его физической работоспособности является тестирование с помощью велоэрго-метрической пробы [10]. Велоэргометрия широко используется и рассматривается в качестве маркера психофизиологической толерантности и физической выносливости, имеющего генетическую детерминацию [11 - 13], входит в состав тестов врачебно-летной экспертизы пилотов авиации [14].

При этом в научной литературе отмечается зависимость лабильности анализаторных систем от степени утомления. Установлено, что влияние утомления в большей степени отражается на показателях критической частоты световых мельканий и времени простой зрительно-моторной реакции [15]. При этом снижение лабильности зрительных структур при развитии утомления может существенно опережать развитие общего утомления [16, 17].

Анализ литературных источников и результаты патентного поиска свидетельствуют, что при исследовании анализаторных систем в первую очередь определяют временные параметры зрительного воспри-

ятия, которые характеризуются, в частности, его возбудимостью и инерционностью [18 - 19].

С точки зрения человека-оператора существенное значение в аспекте характеристики его ПВК имеет способность к обнаружению полезного сигнала [20], которая связана с возбудимостью зрительного анализатора (ЗА).

При этом возбудимость ЗА определяет в основном время зрительного ощущения, т. е. время между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения [21].

Таким образом, время зрительного ощущения выбрано в качестве ПВК человека-оператора в режиме обнаружения и различения сигналов.

Методика оценки времени ощущения зрительного анализатора

Оценка временных параметров зрительного восприятия представляет собой типичный процесс многократной регистрации независимых наблюдений и обработки результатов оценки.

Технические системы с использованием ЭВМ получают широкое применение в исследовательской практике и являются ядром системы, которые используются для автоматической регистрации ответной реакции испытуемых, обработки результатов исследования, формирования базы данных.

Для оценки времени ощущения разработана методика, основанная на методе последовательного приближения с дискретным изменением длительности межимпульсного интервала парных импульсов [22].

Предложенный метод заключается в следующем. Испытуемому предъявляют последовательность парных световых импульсов длительностью тимп , разделенных межимпульсным интервалом /мии , повторяющихся через постоянный временной интервал Т, как показано на рис. 1.

Л

"^имл ^ 'мии <-2—>

Рис. 1. Временная диаграмма предъявляемых световых импульсов для определения времени ощущения зрительного анализатора

Временной интервал повторения парных импульсов принят равным 1 с для устранения эффекта маскировки, которая отсутствует или слабо выражена при времени повторения, равном 500 мс [23].

Временная диаграмма изменения длительности межимпульсного интервала между световыми импульсами в паре при оценке времени ощущения ЗА, представлена на рис. 2.

Испытуемому предъявляют последовательность парных световых импульсов, длительностью 200 мс каждый, разделенных начальным межимпульсным интервалом длительностью тнмии, равным 30 мс (рис. 2, интервал времени Т0 - ТД При первом изме-

рении в серии межимпульсного интервала между световыми импульсами в паре уменьшается дискретно (рис. 2, интервал времени Т1 - Т2) с шагом 0,5 мс до момента субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один. Затем межимпульсный интервал увеличивается на случайную величину (рис. 2, интервал времени Т2 - Т3) в диапазоне от 0,7 до 1 мс, после чего уменьшается дискретно (рис. 2, интервал времени Т3 - Т4) с шагом 0,1 мс до момента субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один. Значение длительности межимпульсного интервала в этот момент времени принимается равным времени ощущения ЗА. При второй и последующей оценке в серии предыдущее зафиксированное значение межимпульсного интервала увеличивается на случайную величину в диапазоне от 0,4 до 0,9 мс, далее процедура оценки выполняется аналогично первому измерению.

т0 т Т2 Т3 Т4 1

Рис. 2. Временная диаграмма изменения длительности межимпульсного интервала между световыми импульсами в паре

Аппаратно-программный комплекс, реализующий данную методику, выполнен на базе ПЭВМ, в состав комплекса входит пульт предъявления световых импульсов и программное обеспечение, написанное на языке С++, что позволяет выполнять следующие

функции: регистрацию испытуемого; оценку времени ощущения зрительного анализатора испытуемого; запись данных в архив.

Экспериментальные исследования

В ходе проведения экспериментальных исследований на первом этапе проводилась оценка времени ощущения ЗА в статическом режиме без физической нагрузки.

В результате экспериментов установлено, что индивидуальное время зрительного ощущения в группе из 30 испытуемых находится в пределах от 5,51 до 18,58 мс. Медиана распределения результатов измерения по группе составляет 11,4 мс с доверительным интервалом [10,1 мс; 13,5 мс] при уровне доверия 95 %.

На втором этапе исследований проводились экспериментальные исследования толерантности к физической нагрузке, осуществляемые с использованием велоэргометра ВЭ-05 «Ритм» ТУ 200 УССР 45-86 при работе сидя.

Величина нагрузки постоянной мощности для не занимающихся физической культурой и спортом соответствовала 75 % должного максимального потребления кислорода, определяемого по номограммам Б.П. Преварского. Скорость педалирования устанавливалась равной 60 об/мин.

Оценка времени ощущения ЗА выполнялись в начале тестирования и далее через каждые 2 мин.

Во время тестирования осуществлялся постоянный контроль сердечной деятельности при помощи монитора сердечного ритма фирмы «Polar», артериального давления, общего состояния и внешнего вида испытуемого, изменения которых служили основанием для определения времени наступления состояния утомления, перехода от состояния утомления к состоянию переутомления и прекращения тестирования.

20,0 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0

1,0 0,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Рис. 3. Диаграмма индивидуальных значений времени ощущения ЗА по группе из 30 испытуемых. По горизонтальной оси - испытуемые; по вертикальной оси - индивидуальное время ощущения ЗА, мс

т

т

т

Типичные графики динамики времени ощущения ЗА и частоты сердечных сокращений для тренированных и нетренированных испытуемых, из числа обследованных, представлены на рис. 3, 4.

В экспериментальных исследованиях приняли участие 18 испытуемых. Из них операторов с хорошей физической подготовкой (тренированных) - 10, с низкой физической подготовкой (нетренированных) -8. Каждый испытуемый при каждой оценке времени зрительного ощущения, в ходе эксперимента, выполнял одно измерение.

19,0 18,5 18,0 17,5 17,0 16,5 16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 12,0 11,5 11,0

1 1

1 пгг ! 1 ЧСС

1 1 i 1  —• __

^ т к

1

.. / ! ч

- / ! \

! \

J В< О / !

J !

О 1 1 ------- 1

:: ! !

I III " !

1 ——1—

Анализ графиков свидетельствует о достоверных различиях в динамике показателей времени ощущения ЗА и толерантности к физической нагрузке тренированного и нетренированного человека.

На основе анализа графика значения ВО зрительного анализатора возможно условное разделение этапов работоспособности. Так, период врабатывае-мости (этап I) у нетренированного испытуемого составляет 4 мин (рис. 4), тренированного - также 4 мин (рис. 5).

200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90

70 60 50 40

0

2

4

6

8 10 12 14 16

18

20

22

24

26

Рис. 4. График значения времени ощущения зрительного анализатора и частоты сердечных сокращений нетренированного испытуемого. По горизонтальной оси - время измерения, мин; по вертикальной оси: слева - время ощущения (ВО), мс; справа - частота сердечных сокращений (ЧСС), уд/мин

12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0

! 1

! !

! ЧСС !

!

" 1

"А "тггтт: _L_L_L_L_L_L_L_L

ВО

f  *  ^

! _______;_______

/ ! ! ! !

'' I ! II III

! ! ! ! !

| —1—1— —1— —1— -1- —1— —1— —1—1—1—1—1—1—\—1— —1—

200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Рис. 5. График значения времени ощущения зрительного анализатора и частоты сердечных сокращений тренированного испытуемого

Период работы с утомлением (этап II) у нетренированного испытуемого продолжается до 16 мин от начала тестирования, в то время как тренированный испытуемый способен выполнять работу до 40 мин от начала тестирования. Период острого утомления (этап III), когда следует заканчивать тестирование в процессе физической или психофизиологической нагрузки, у нетренированного испытуемого продолжался до 20 мин, у тренированного - до 46 мин. В целом, по группе испытуемых были получены значения, представленные в таблице.

Кроме того, установлено, что частота сердечных сокращений является показателем функционального состояния организма человека, но экспериментально выявлено, что данный показатель не показывает явную границу наступления утомления и, что особенно важно, момент перехода в состояние острого утомления. Динамика изменения значения времени ощущения ЗА позволяет выявить этапы наступления утомления и момент перехода в состояние острого утомления.

Вывод

Таким образом, установлено, что существует зависимость между временными параметрами зрительного восприятия и степенью физического утомления. Анализ графиков динамики изменения значения времени ощущения ЗА позволяет оценить степень толерантности к физической нагрузке тренированного и нетренированного человека-оператора.

При этом можно делать вывод о способности человека-оператора к обнаружению и восприятию полезного сигнала в условиях монотонной физической деятельности, оценить индивидуальные резервные возможности анализаторных систем к восприятию зрительной информации, провести дифференцирование испытуемых по степени пригодности к осуществлению операторской деятельности, связанной с монотонным физическим утомлением.

На основе изученных данных факторов можно спроектировать индивидуальный характер адаптации человека к информационной нагрузке в условиях физической деятельности, своевременно внести коррективы объема и интенсивности нагрузки, рационально

организовать время и длительность рабочих перерывов и повысить производительность труда.

Приведенные в статье результаты получены при поддержке гранта по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)» № 2.1.2/4841 «Методическое, алгоритмическое и программно-техническое обеспечение исследования временных аспектов сенсорного восприятия человека-оператора».

Литература

1. Беспалов Б.И. Психодиагностика профессионально важных качеств и профотбор диспетчеров пожарной службы «01» // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 14. Психология. 1998. № 3. С. 79 - 94.

2. Глебова Е.В. Снижение риска аварийности и травматизма в нефтегазовой промышленности на основе модели профессиональной пригодности операторов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук, Уфа. 2008. 46 с.

3. Дженсеном Р. Ошибки пилота, М., 1986. 120 с.

4. Панов Г.Е. Эргономика в нефтяной промышленности. М.,

1979. 280 с.

5. Виноградов М.И. Физиология трудовых процессов: 2-е изд., исправл. и доп. М., 1966. 367 с.

6. Особенности формирования и пути оптимизации функционального состояния человека в зависимости от специфики труда / Ю.В. Мойкин [и др.] // Взаимодействие двигательной и вегетативной функций при трудовой деятельности / Тверской гос. ун-т. Тверь, 1992. С. 4 - 8.

7. Генкин А.А., Медведев В.П. Прогнозирование психофизиологических состояний. Л., 1973. 143 с.

8. Леонова А.Б. Психодиагностика функциональных состояний человека. М., 1984. 200 с.

9. Hypoleptinemia in femall and male elite gymnasts / E. Weimann [et al.] // Eur. J. Clin. Invest. 1999. Vol. 29, № 10. P. 853 - 860.

10. Малашенкова М.В. Система массового спортивного оздоровления и использования рекреационного потенциала горноклиматических курортов : автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М., 2009. 45 с.

11. Панев Н.И., Сергеева Л.И., Коротенко О.Ю. Структурно-функциональные изменения миокарда при сочетании хронического пылевого бронхита с ишемической болезнью сердца и артериальной гипертензией // Бюл. СО РАМН, 2008. № 5 (133). С. 127 - 133.

12. Семиглазова М.В. Клинические варианты и динамика расстройств депрессивного спектра у пациентов после

Результаты тестирования испытуемых

Обследуемая группа Завершение фазы врабатывания Завершение фазы работы с утомлением Завершение фазы острого утомления

Нетренированные испытуемые от 4 до 6 мин от 6 до 16 мин от 10 до 20 мин

Тренированные испытуемые от 2 до 4 мин от 30 до 48 мин от 36 до 50 мин

острого инфаркта миокарда : дис. ... канд. техн. наук. М., 2008. 233 с.

13. Ионов В.А., Ржавский, Е.А., Слободянюк А.А. Инженерное образование: здоровьесберегающие приоритеты // Вюник СевДТУ. Вип. 90: Педагопка: зб. наук. пр. Севастополь, 2008. С. 3 - 8.

14. Крапивницкая Т.А. Совершенствование врачебно-летной экспертизы при сердечно-сосудистой патологии (клини-ко-психологическое исследование) : автореф. дис. ... д-ра мед. наук. М., 2006. 49 с.

15. Влияние высокой температуры на некоторые показатели функционального состояния и работоспособности / И.М. Моммадов [и др.] // Физиология человека. 1989. Т. 15. № 1. С. 105 - 109.

16. Медведев В.И. Компоненты адаптационного процесса. Л., 1984. 108 с.

17. Жужгин С.М., Семешина Т.М. Лабильность зрительного анализатора как показатель функционального состояния человека // Физиология человека. 1991. Т. 17. № 6. С. 147 - 150.

Поступила в редакцию

18. Горшков С.И., Золина З.М., Мойкин Ю.В. Методики исследований в физиологии труда. М., 1974. 311 с.

19. Петухов И.В., Роженцов В.В., Алиев М.Т. Исследование точности оценок временных характеристик зрительного восприятия // Бюл. эксперим. биологии и медицины. 2007. Т. 144/ № 8. С. 236 - 237.

20. Сборник Н.Т. Психофизические исследования деятельности человека-оператора и их техническое обеспечение. М., 1979. 92 с.

21. Кравков С.В. Глаз и его работа. Психофизиология зрения, гигиена освещения : 4-е изд., перераб. и доп. М.; Л., 1950. 531 с.

22. Алиев М.Т. Метод, алгоритмическое, приборное и программно-техническое обеспечение оценки времени ощущения зрительного анализатора : автореф. дис... канд. техн. наук. Казань, 2006. 18 с.

23. Тароян Н.А. Мямлин В.В., Генкина О.А. Межполушар-ные функциональные отношения в процессе решения человеком зрительно-пространственной задачи // Физиология человека. 1992. Т.18, № 2. С. 5 - 14.

10 декабря 2010 г.

Алиев Марат Туфикович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Проектирование и производство электронно-вычислительных средств», Марийский государственный технический университет. Тел. (8362) 68-60-70. E-mail: amt_home@rambler.ru

Петухов Игорь Валерьевич - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Проектирование и производство электронно-вычислительных средств», Марийский государственный технический университет. Тел. (8362) 68-60-70. E-mail: laboratory502@rambler.ru

Aliev Marat Tufikovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Design and Technology of Computer Utilities», Mari State Technical University. Ph. (8362) 68-60-70. E-mail: amt_home@rambler.ru

Petukhov Igor Valerievich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Design and Technology of Computer Utilities», Mari State Technical University. Ph. (8362) 68-60-70. E-mail: laboratory502@rambler.ru