Wybrane zagadnienia diagnozy ergonomicznej stanowisk pracy w lokomotywach elektrycznych

„PO JA ZD Y SZY N O W E ‘98” Seria: TRANSPO RT z.32, nr kol. 1393

Iwona G RABA REK

W łodzim ierz CHOROM AŃSKI

W YBRANE ZAGADNIENIA DIAGNOZY ERGONOM ICZNEJ STANO W ISK PRACY W LOKOM OTYW ACH ELEKTRYCZNYCH

Streszczenie. W referacie przedstawiono wspomagane kom puterowo techniki ergo­

nom iczne oceny stanowiska pracy maszynisty lokomotywy elektrycznej. Podano wyniki badań dotyczące zastosowania systemów ekspertowych oraz budowy m odelu człowiek - m aszyna - otoczenie. Przedstawiono próbę określenia własności tego układu przy w yko­

rzystaniu metody sieci neuronowych w modelowaniu zachowań człow ieka i własności m echanicznych maszyny.

THE SELECT QUESTIONS OF ERGONOMIC DIAGNOSIS OF ELECTRIC LOCOM OTIVE D R IV ER’S W ORK - PLACE

Sum m ary. The paper presents computer aided technics o f ergonomic level evalua­

tion o f electric locomotive driver’s work-place. The results o f research refer to applica­

tion expert system and building man - machine - environm ent system were shown. The paper contains a test o f determine the properties o f this system based on artificial neural networks.

1. WSTĘP

D iagnoza ergonom iczna umożliwia ocenę poziomu optymalizacji układu człowiek - m a­

szyna - otoczenie. Pow inna ona być prowadzona w każdej fazie życia wyrobu, tj. od fazy projektowej, poprzez wykonanie do eksploatacji. Podstawowymi zatem w ym aganiam i sta­

wianymi każdem u wyrobowi będą:

• łatwość obsługi;

• poczucie bezpieczeństwa;

• m ożliw ość w yręczenia człowieka w trudnych, nieprzyjemnych lub niebezpiecznych sytu­

acjach;

• kom fort pracy.

W diagnozie ergonomicznej wykorzystuje się zróżnicowane techniki badawcze, oceniające istniejący stan z w iększą lub m niejszą dokładnością. Narzędzia diagnostyki ergonomicznej weszły w now ą fazę rozwoju wraz z rozwojem informatyki. Przede w szystkim w spom aganie

kabinowej. M etodyka badania hałasu.

P N -90/K -11003 Ochrona pracy. K abina maszynisty lokomotywy elektrycznej dwu- kabinow ej. M etodyka badania drgań.

Prace pogłębiające problem atykę diagnozowania ergonomicznego stanowisk pracy m aszyni­

sty w lokom otywach elektrycznych dotyczą wykorzystania systemów ekspertowych. Częścio­

we w yniki tych prac autorka przedstawiła na Konferencji „Pojazdy Szynow e’96” . Stwierdzić należy, że pom im o istnienia aktywnie działających systemów ekspertowych m etodologia ich tw orzenia boryka się jeszcze z wieloma problemami. Do najtrudniejszych np. zalicza się:

- problem adekwatnej reprezentacji wiedzy, - rozum ow anie w warunkach niepewności, - problem y z grom adzeniem wiedzy,

- interfejs pom iędzy system em a użytkownikiem.

W niniejszym referacie przedstaw iono próbę odniesienia się do ww. zagadnień poprzez zasto­

sowanie zaaw ansow anych technik komputerowych, jakim i są np. sieci neuronow e w budowie m odelu układu człow iek - m aszyna - otoczenie lub systemy ekspertowe.

2. ZA STO SO W A N IE SYSTEM U EKSPERTOW EGO W OCENIE ERGO N OM ICZNEJ

N ajistotniejszym zadaniem w procesie budowy systemu ekspertowego było zorganizow a­

nie badań, m ających na celu uzyskanie opinii ekspertów. Opinie te um ożliw iają określenie czynników decydujących o poziomie ergonomicznym stanowisk pracy maszynistów.

W ram ach tych badań [1 ,2 ] ustalono grupy czynników, które m ają w pływ na poziom ergo­

nomiczny stanow isk pracy w lokomotywach elektrycznych. Ujęto je w trzech grupach:

• czynniki konstrukcyjno-techniczne (wysokość pola pracy, rozmieszczenie w yposażenia kabiny, rozm ieszczenie i widoczność urządzeń sterowniczych i wskaźnikowych, konstruk­

cja fotela, widoczność szlaku oraz zabezpieczenie elem entów ostrych i wystających);

• czynniki ludzkie (przystosowanie do pracy, kondycja psychofizyczna, obciążenie psychicz­

ne, m onotonia i monotypowość);

• czynniki m aterialnego środowiska (hałas, drgania, mikroklimat, oświetlenie, zapylenie i zanieczyszczenie powietrza, pole elektromagnetyczne i kolorystyka).

Szczegółow y sposób postępow ania przy wspomaganej komputerowo ocenie poziom u er­

gonom icznego stanowiska pracy w technicznych środkach transportu ilustruje algorytm (rys. 1).

Z godnie z przedstaw ionym rys.l algorytmem na całkow itą ocenę składają się następujące etapy:

• przeprow adzenie sesji konsultacyjnej,

• opracowanie karty oceny,

• sform ułow anie ergonomicznej oceny stanowiska.

R y s .l. A lg o ry tm s y ste m u e k sp e rto w e g o o c en y p o z io m u e rg o n o m ic z n eg o stan o w isk p ra c y w ś ro d k a ch tra n sp o rtu Fig. I . A lg o rith m o f e x p e rt sy stem fo r e rg o n o m ie level e v alu atio n o f v e h ic le d riv e r’s w o rk -p la c e

niającego. K arta jest dokum entem źródłowym inwentaryzacji czynników ocenianych na sta­

nowisku pracy. Zawiera ona te grupy czynników, które zostały w sesji konsultacyjnej uznane za najbardziej istotne (kryterialne) dla danego środka transportu.

System rejestruje nadane przez oceniających poszczególnym czynnikom kryterialnym oce­

ny (w skali od 1 do 3 ), przy czym:

3 - to stan dobry - nie budzący zastrzeżeń, stwarzający m inim alną uciążliw ość pracy, dający poczucie komfortu,

2 - to stan dopuszczalny - zastrzeżenia i usterki m ieszczą się w granicach norm, nie stw arzają jednak kom fortu pracy, wym aga unowocześnienia poziomu warunków pracy i organizacji

produkcji,

1 - to stan niedopuszczalny - zastrzeżenia i usterki przekraczają dopuszczalny poziom uciąż­

liwości pracy, stw arzając zagrożenie, dezorganizując pracę.

N ierozw iązanym do końca problem em pozostaje ocena stopnia ważności poszczególnych czynników na danym stanowisku oraz określenie wskaźnika charakteryzującego ocenę kom ­ pleksową. W skaźnik ten powinien uwzględniać skwantyfikowany udział danego czynnika w ogólnej ocenie poziom u ergonomicznego.

System y ekspertowe tylko w pewnym zakresie rozw iązują problem wyboru czynników najbardziej istotnych dla danego stanowiska. Podobnie przedstawia się system nadawania wag poszczególnym czynnikom.

3. ZA ŁO ŻEN IA BU DOW Y MODELU UKŁADU CZŁOW IEK - POJAZD - O TOCZENIE

Szerszym spojrzeniem na problem optymalizacji układu człowiek - m aszyna - otoczenie je st próba budowy m odelu takiego układu. Powstaje jednak pytanie, jak przeprowadzić jego w eryfikację i identyfikację? Jedną z odpowiedzi na to pytanie jest zastosowanie kom putero­

wych m etod sym ulacyjnych, które znalazły ju ż swoje miejsce i w ergonomii. Przy czym m o­

del m aszyny je st ju ż dość dobrze zdefiniowany i określony m.in. prawami mechaniki oraz funkcjonującym i układami sterow ania [3],

G łów ne problem y budowy modelu człow ieka związane są natomiast z jego zm iennym i stanami psychofizycznym i, różnorodną inteligencją w ied z ą wyszkoleniem itd. M etodolo­

gicznie złożonym zagadnieniem jest więc pytanie, jak analizować wzajemne oddziaływanie człow ieka na m aszynę, a m aszyny na człowieka. Istniejące reguły w wielu przypadkach często w yrażone są tylko w postaci hipotez lub uogólnień danych eksperymentalnych.

Je d n ą z prób określenia własności układu człowiek - maszyna - otoczenie jest m etoda sieci neuronowych. W ykorzystyw ana jest ona do m odelow ania zachowań człowieka oraz własności m echanicznych maszyny, opisanych modelem matematycznym.

W zw iązku z tym stanowisko pracy maszynisty można rozpatrywać jako model składający się z podukładów: „pojazd”, „człowiek”, „otoczenie”.

Jako założenia w stępne przyjęto, że:

1. „M aszyna” oznacza „Pojazd” ;

2. W ogólnym modelu, zachowanie podukładu „Pojazd” określone je st poprzez równania m e­

chaniki typowe dla danego obiektu z uwzględnieniem układu sterowania;

W równaniach określających „Pojazd” uwzględniono tak zwane „SO CZnP” - Sygnały O d­

działyw ania Człow ieka na Pojazd.

3. Będzie m ożna modelować tzw. „Sytuacje” tzn. różne manewry czy działania realizowane przez „Pojazd” ;

4. „SO C ZnP” są funkcją szeregu parametrów, w tym sygnałów będących sprzężeniam i zw rot­

nymi od podukładu „Pojazd” ;

5. Model globalny Człowiek - Pojazd powinien umożliwiać analizę ruchu pojazdu, jego od­

działyw anie na człow ieka oraz ocenę bezpieczeństwa całego układu.

W m odelu uw zględniono np. sygnały oddziaływania człowieka na pojazd. Człowiek może oddziaływać poprzez n czynności typowych dla analizowanej przez model sytuacji. Dla da­

nej i-tej czynności oddziaływanie na pojazd scharakteryzowane jest poprzez trzyelem entowy wektor (patrz rysunek 2):

(7, = [ u l l , u , , , u , 1] ' , (1) gdzie:

ul, - czas rozpoczęcia manewru,

ui2 - popraw ność przeprowadzenia manewru, ul} - szybkość przeprowadzenia manewru.

Istotną trudnością jest określenie wartości składowych wektora U, = [un , u l2, u j2]' . M oż­

na przyjąć założenie, że wartości tego wektora są funkcją trzech składników:

U, = F ( C , M , S ) , (2)

gdzie:

C - wektor tzw. czynników ludzkich, M - wektor tzw. czynników technicznych,

Ś - w ektor czynników związanych z otoczeniem (materialnym środowiskiem pracy).

Liczba składowych w ektora C jest bardzo liczna i może podlegać dalszym podziałom.

Jest to między innymi: kondycja psychofizyczna, wydatek energetyczny, obciążenie psychicz­

ne inform acjam i, dośw iadczenie i wyszkolenie, choroby zawodowe itp. Z kolei wektor M określają takie kom ponenty, jak stan techniczny pojazdu, stopień autom atyzacji itd. W ek­

tor S determ inow any jest przez np. hałas, drgania mechaniczne. W procesie symulacji niektó­

re składniki w ektorów C , M oraz S m ogą być arbitralnie zadane lub traktowane jako sprzę­

żenia zwrotne od m odelu symulacyjnego układu pojazd-otoczenie (rysunek 2). Zauważm y, że dla danego wektora U , odnoszącego się do danej czynności jego składowe nie m uszą być odwzorowaniem wszystkich składników wektorów C , M oraz.S', ale tylko niektórych uzna­

nych za najważniejsze. W arto zwrócić uwagę również na fakt, że niektóre czynności m uszą być w ykonywane sekwencyjnie (jedna po drugiej), stąd w modelu na rys.2 założono koniecz­

ność im plem entacji m agistrali będącej swego typu synchronizatorem.

R ys.2. S c h e m a t k o n c e p c y jn y m o d e lu C zło w iek - P o jazd - O to c ze n ie F ig .2. Id e a sch e m e o f m o d el o f m a n -m a c h in e - e n v iro n m e n t system

4. ZAKRES BADAŃ SYM ULACYJNYCH

Proponuje się wykorzystanie wielowarstwowych nieliniowych sieci neuronow ych i zasto­

sow anie najbardziej sprawdzonego algorytmu wstecznej propagacji błędu w procesie uczenia się sieci. Proces uczenia się sieci oraz akwizycji danych pomiarowych należy w założonym m odelu sym ulacyjnym postrzegać jako proces ciągły (wręcz jako istotny elem ent całego pro­

cesu symulacji). Do najważniejszych zadań realizowanych przez zaproponowany model zali­

czyć będzie można:

1. Badania sym ulacyjne (zachowanie się pojazdu) kompleksowego układu składającego się z człowieka, pojazdu i otoczenia.

2. Analizę oddziaływ ania pojazdu na człowieka.

3. A testację konstrukcji pojazdów z punktu widzenia parametrów ergonomicznych.

W tym celu konieczna je st implementacja danych eksperymentalnych, dotyczących psy­

chofizjologicznych reakcji człowieka w różnorodnych stanach otoczenia i pojazdu.

5. PODSUM OW A NIE

Przedstaw ione wyniki badań w ykazują celowość zastosowania sieci neuronowych w bu­

dowaniu modeli układu człow iek - maszyna - otoczenie. Przyjęte założenia hipotetyczne m o­

delu m ogą stanowić podstawę do opracowania metody badań różnicującej wagę poszczegól­

nych czynników kryterialnych w zależności od rodzaju środka transportu. Zdaniem autorki celow a byłaby w eryfikacja modelu na konkretnym stanowisku pracy m aszynisty. W pierwszej fazie tych badań niezbędne je st przeprowadzenie szeregu eksperymentów, co jest całkowicie realne ze względu na istniejący ju ż symulator kabiny lokomotywy elektrycznej EP-09. Wy­

korzystanie tego sym ulatora znacznie przyspieszyłoby zastosowanie opracowanego m odelu w praktyce.

LITERATURA

1. Grabarek I.: Opracowanie systemu rejestracji i analizy kryteriów oceny poziom u ergono­

m icznego stanow isk pracy w środkach transportu. Praca własna, W T PW, W arszawa 1997.

2. G rabarek I.: Założenia metody selekcji zbioru kryteriów oceny poziom u ergonom icznego różnego typu środków transportu. Praca własna, WT PW, W arszawa 1997.

3. G rabarek 1., Chorom ański W., Bajon W.: Com puter Aided Simulation o f Dynamie Proper­

ties o f the M an Vehicle System (referat przyjęty na „Haam aha’98” - Sixth International Conference on Human Aspects o f Advanced Manufacturing: Agility & Hybrid A utom a­

tion).

4. Praca zbiorowa: Opracowanie kryteriów, wymagań i metod oceny bezpieczeństwa pracy i ergonom ii dla lokom otyw elektrycznych. IT PW, W arszawa 1986.

5. Salvendy G.: Handbook o f Human Factors and Ergonomics, John Wiley & Sons 1997.

Recenzent: Prof.dr hab.inż. Jan Gronowicz

Abstract

The paper presents com puter aided sim ulation techniques applied to the study o f ergo­

nomic problem s. The main concept behind the solution proposed here is the integration o f know ledge and skills from different scientific disciplines (including m odelling methods and sim ulation techniques thereof). The paper contains the algorithm o f expert system for ergo­

nom ic level evaluation o f electric locomotive driver’s work - place.