О формализации МТА в системе человек - машина - среда

УДК 631.3.072 Г.В. Редреев

О ФОРМАЛИЗАЦИИ МТА В СИСТЕМЕ ЧЕЛОВЕК - МАШИНА - СРЕДА

Представлен способ формализации машинно-тракторных агрегатов, предполагающий дальнейшее развитие теоретических исследований человекомашинных систем в агропромышленном производстве.

Ключевые слова: машинно-тракторный агрегат, человекомашинная система, формализация.

Введение

С развитием технических средств, превращения из простых устройств - в сложные технические системы все более проявляется несовершенство человека при их использовании. Особенно это актуально для сельскохозяйственного производства. Современные машинно-тракторные агрегаты (МТА) имеют значительные величины ширины захвата, большие скорости движения. Энергонасыщенные тракторы эксплуатируются с агрегатами, выполняющими до 5-6 полевых операций одновременно. Агротехнические требования к полевым работам по срокам их выполнения и продолжительности остаются такими же жесткими.

Влияние несовершенства органов чувств человека на надежность эксплуатируемых им технических средств уже давно привлекло внимание исследователей. М. Монмоллен в своей работе [1] определил эргономику как технологию связей в системах человек - машина. Рассмотрел отдельно эргономику рабочего места и эргономику систем. В эргономике систем разобран вопрос усовершенствования систем человек - машина с точки зрения распределения функций между ними, а также приспособления машины к человеку и человека к машине [1]. При приспособлении человека к машине рассмотрено два случая - отбор и обучение.

В фундаментальном руководстве по проблемам человеческого фактора [2] анализ надежности человека является частью анализа надежности системы человек - машина. Отмечены следующие элементы анализа:

- описание функции и назначения системы;

- описание критериев выполнения задачи;

- оценка характеристик персоналом факторов, ограничивающих работоспособность;

- анализ задачи с точки зрения возможности ошибок человека;

- оценка вероятностей потенциальных ошибок человека;

- оценка последствий ошибок человека;

- предложение рекомендаций по улучшению работы системы [2].

Из работ, посвященных изучению МТА как систем человек - машина, необходимо в первую очередь отметить исследование А.Г. Левшина [3]. Для наиболее полного рассмотрения показателей МТА в системное окружение в виде отдельной биологической (естественной) подсистемы включен механизатор (оператор).

С учетом указанной ранее взаимозависимости показателей физиологического состояния механизаторов и производительности агрегата А.Г. Левшин свел модель функционирования МТА к определению зависимости [3]

Pkj = Fr

где Fr(t) - функция производительности МТА в зависимости от времени; обоснованно предполагая, что в данной задаче в полной мере будет проявляться динамика изменения работоспособности механизатора.

Дальнейшее исследование человекомашинных систем (ЧМС) в АПК осуществлено И.Э. Липковичем [4]. Он предложил выделить базовые ЧМС, к которым отнесены: одиночная ЧМС в системе коллективного сельхозпредприятия; фермерская ЧМС; первичный трудо-

© Редреев Г.В., 2013

вой коллектив в сельхозпредприятиях или МТС; функциональный специализированный комплекс или отряд (уборочно-транспортный, пахотный и т. д.); ЧМС в техническом сервисе; организационно-технологическая ЧМС в форме специализированного функционального комплекса; МТС как производственная МТС. Затем Липковичем был поставлен ряд вопросов, требующих разрешения при исследовании ЧМС: взаимодействие человека-оператора и технической подсистемы в рамках единой ЧМС; надежность ЧМС; проблемы режима работы ЧМС; проблемы внешней среды [4].

При рассмотрении технологической надежности автором оценена работоспособность оператора на основе критерия энергетических затрат и технологическая надежность механической подсистемы на примере зерноуборочного комбайна. Обсуждена еще одна сторона надежности человека-оператора как информационно-аналитического центра приема и переработки информации [4].

Объекты и методы

С учетом анализа приведенных в настоящей работе исследований нам представляется актуальным и необходимым для практики эксплуатации МТА рассмотрение вопроса оценки надежности ЧМС. При этом надежность будет обсуждаться только в одном из ее аспектов -как безотказность. Будет исследован связанный с безотказностью качественный показатель -работоспособность. Нам представляется также необходимым рассмотрение человекомашин-ной системы в буквальном смысле слов, составляющих это словосочетание. Мы считаем, что человекомашинная система образуется всякий раз, когда человек приступает к управлению соответствующим техническим устройством (самоходной машиной, агрегатом) при совершении некоторого производственного процесса. В классификации Липковича [4] такая ЧМС отмечена как «одиночная ЧМС». Нетрудно заметить, что такая ЧМС входит как подсистема в остальные, входящие в классификацию Липковича, ЧМС, за исключением ЧМС в техническом сервисе и трудовых коллективов.

Решение задачи определения безотказности МТА как ЧМС предполагает как решение способа формализации ЧМС, так и решение способа адекватного включения человека в ЧМС.

Безотказность технических систем является вероятностной характеристикой, которую принято выражать через вероятность безотказной работы р или через вероятность отказов q [5]. Имеется в виду, что

р + q = 1.

Представим процесс функционирования МТА как совокупность процессов производственной эксплуатации (ПЭ), технологического обслуживания (ТхО), технического обслуживания (ТО) и устранения отказов во время работы (Р). Поскольку надежность каждого из этих процессов влияет на безотказность МТА, графически процесс функционирования МТА может быть представлен как их последовательное соединение

ПЭ

ТхО

ТО

Рис. 1. Процесс функционирования МТА

Вероятность безотказной работы МТА определим из выражения

Р = РП  РТ  Рто  рр.

В каждый из выделенных нами процессов необходимым образом входит человек, также влияя на их надежность

Рис. 2. Процесс функционирования МТА с учетом человека

Вероятность безотказной работы МТА с учетом человека находим из соответствующего выражения

р = Рпч  Ртч  Рточ  Ррч.

Процесс функционирования МТА после свертывания будет выглядеть:

Рис. 3. Процесс функционирования МТА после свертывания

Процесс производственной эксплуатации связан с процессом технологического обслуживания, процесс технологического обслуживания в свою очередь тесно связан с процессом технического обслуживания. Процесс технического обслуживания взаимосвязан с процессом устранения отказов во время работы. Для обеспечения этих взаимосвязей вышеуказанные пары процессов находятся под контролем человека (оператора); человек определенным образом резервирует эти процессы, как и процесс функционирования МТА в целом.

С учетом этого схема процесса МТА как человекомашинной системы может быть представлена следующим образом:

Рис. 4. Структура процесса функционирования МТА как ЧМС

Процесс МТА имеет сложную структуру, не сводимую к простым параллельным и последовательным соединениям элементов, безотказность которых может быть определена по зависимостям (1) и (2).

Рис. 5. Структура МТА как ЧМС

Для преобразования структуры в набор простых соединений элементов представим схему на рис. 4 несколько в другом виде (рис. 5).

Результаты исследований Изменение структурной схемы проводится преобразованием соединения элементов «треугольником» в соединение элементов «звездой». В соответствии с назначением МТА и выделенными в нем процессами целесообразно проводить преобразование соединений треугольников ACD и BCE. Как показал предварительный анализ, это преобразование приводит к структурной схеме с последовательным и параллельным соединениями элементов, допускающей получение аналитического выражения для определения вероятности безотказной работы.

Рис. 6. Преобразованная структура ЧМС МТА

Для обеспечения идентичности структуры МТА на рис. 6 структуре МТА на рис. 5 необходимо, чтобы вероятность безотказной работы группы элементов между любой парой узлов преобразованной части структуры была равной вероятности безотказной работы группы элементов между той же парой узлов исходной структуры. Например, для узлов АС

Ра • рсх = [1 -

Составив аналогичные уравнения для пар узлов АО и БС, получим систему из трех уравнений с тремя неизвестными, решая которую, получим аналитические зависимости для вероятности безотказной работы элементов А, Б и С1.

Va

Pd

[1 -

J

-J

1 -

Pci

[l-( 1-p Ijb.) X ( 1- P пчхр jzjJl X [1- ( 1 -P rv) X ( 1 -рВЧ"Лр Ife )]

-_.7 ----л .-".--

Аналогично определяются зависимости для вероятности безотказной работы вновь образованных элементов С2, В и Е.

Таким образом, приведенное изменение структуры человекомашинной системы машинно-тракторного агрегата позволяет получить аналитическое выражение для определения вероятности безотказной работы, учитывающее человека как элемент системы.

Список литературы

1. Монмоллен, М. Системы «человек - машина» / М. Монмоллен. - М. : Мир, 1973. - 256 с.

2. Человеческий фактор. В 6 т. Т. 1. Эргономика - комплексная научно-техническая дисциплина / под ред. Г. Сальвенди ; пер. с англ. Ж. Кристенсен [и др.]. - М. : Мир, 1990. - 599 с.

3. Левшин, А.Г. Разработка методов повышения эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов как человекомашинных систем : дис. ... д-ра техн. наук / А.Г. Левшин. - М., 2000. - 322 с.

4. Липкович, И.Э. Механико-эргономическое обоснование человекомашинных систем в агроинженерной сфере растениеводства : дис. ... д-ра техн. наук / И.Э. Липкович. - Зерноград, 2004. - 788 с.

5. Ушаков, И.А. Курс теории надежности систем : учеб. пособие для вузов / И.А. Ушаков. - М. : Дрофа, 2008. - 239 с.

SUMMARY

G.V. Redreev

On the formalization of the AIT in the man - machine - environment

In this paper, a method of formalization of tractor units, involving the further development of theoretical studies of human-machine systems in agricultural production.

Key words: tractor units, man-machine system, the formalization.