7-5. Metody modelowe w projektowaniu układów „człowiek-obiekt techniczny-środowisko”

 Projektowanie techniczne i ergonomiczne powinno być traktowane jako wspólny proces, zmierzający do tego samego celu – stworzenia funkcjonalnych i bezpiecznych systemów technicznych. Jednym z podstawowych narzędzi wspomagających ten proces jest modelowanie, które umożliwia uproszczone odwzorowanie rzeczywistości.

Modele wykorzystywane są w inżynierii m.in. w:

• procesach myślenia (abstrakcyjne odwzorowanie zjawisk),
• komunikacji (np. szkice, schematy),
• przewidywaniu (symulacje),
• sterowaniu (np. pulpity),
• szkoleniu (symulatory, trenażery).

7-5. slajd 1

Wyróżnia się kilka rodzajów modeli:

• Modele graficzne – od prostych rysunków do złożonych odwzorowań organizmu, np. w analizie wypadków.
• Modele sylwetek ludzkich (fantomy) – służą do planowania przestrzeni pracy operatora; jednak są one ograniczone do analiz dwuwymiarowych.
• Modele strukturalne – pozwalają analizować ruchliwość ludzkiego ciała, traktowanego jako mechaniczny układ kinematyczny (ruchliwość całego ciała może wynosić nawet w = 240).
• Modele reologiczne – stosowane do badania reakcji ciała ludzkiego na drgania i częstotliwości mechaniczne.

7-5. slajd 2

7-5. slajd 3

7-5. slajd 4

Modelowanie wspomaga projektowanie systemów technicznych z uwzględnieniem ograniczeń i możliwości człowieka jako ich użytkownika. Właściwe wykorzystanie modeli wpływa na zwiększenie niezawodności, bezpieczeństwa i ergonomii projektowanych rozwiązań.

7-5. slajd 5

Symulacja komputerowa w biomechanice pracy

Symulacja komputerowa jest jedną z kluczowych metod badawczych w biomechanice pracy. Umożliwia analizę fizycznych możliwości człowieka, w tym parametrów kinematycznych, dynamicznych, wytrzymałościowych oraz właściwości układu kostno-mięśniowego.

Dzięki trójwymiarowemu modelowaniu komputerowemu możliwe jest:

• odwzorowanie zarówno statycznych, jak i dynamicznych faz współdziałania człowieka z otoczeniem,
• projektowanie środowiska pracy w przestrzeni 3D z uwzględnieniem ergonomii i bezpieczeństwa,
• stosowanie programów takich jak: APOLIN, SAMMIE, ANTHROPOS, DIANA, ErgoSHAPE, czy techniki wirtualnej rzeczywistości (VR).

Modelowanie bryłowe pozwala na realistyczne połączenie elementów C–OT–O, a zastosowanie VR umożliwia przeprowadzanie symulacji całego „cyklu życia” obiektu – od produkcji po utylizację. W ten sposób można identyfikować zagrożenia i szkolić operatorów jeszcze przed powstaniem fizycznego obiektu.

Typy modeli komputerowych:

• Modele fizyczne o parametrach skupionych – używane do analizy postawy ciała i pracy stawów (np. model 3DSSp – służy do prognozowania sił działających na ciało i ryzyka przeciążeń).
• Modele fizyczne o parametrach rozłożonych – tworzone z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES) lub elementów brzegowych (MEB), gdzie ciało odwzorowuje się jako siatkę licznych elementów, przypisując im odpowiednie właściwości biomechaniczne.

Symulacje MES/MEB wspierają systemy projektowania typu CAD, choć ich użycie w biologii jest trudniejsze niż w mechanice klasycznej, ze względu na złożoną budowę ludzkiego ciała.

7-5. slajd 6

Symulacja komputerowa znajduje zastosowanie także w optymalizacji przestrzeni pracy, np. przy wyznaczaniu ergonomicznego zakresu ruchu kończyn operatora.

7-5. slajd 7

W nowoczesnym projektowaniu technicznym i ergonomicznym konieczne jest prowadzenie prac badawczo-rozwojowych, które zasilają projektowanie ergonomiczne danymi o rzeczywistym funkcjonowaniu człowieka w systemie. W przedsiębiorstwach inżynieryjnych, szczególnie w branży maszynowej, działania te mają charakter systemowy i opierają się na różnych typach badań ergonomicznych.

7-5. slajd 8

Typologia prac ergonomicznych

Ergonomia powinna być integralną częścią procesu projektowego. Aby projektowanie było skuteczne, musi korzystać z wiedzy zdobytej przez inne formy działalności ergonomicznej w przedsiębiorstwie, m.in. analizy, oceny i testy użytkowe.

Pozyskiwanie danych o działalności operatorów

Efektywne projektowanie systemów OT (obiekt techniczny – człowiek) wymaga określenia parametrów działania człowieka-operatora, takich jak:

• przepustowość informacyjna,
• szybkość działania,
• niezawodność.

Te cechy zależą od wielu czynników, które można badać różnymi metodami:

Główne metody pozyskiwania danych:

• analiza dokumentacji i oprzyrządowania systemu,
• obserwacja pracy operatora,
• rejestracja wskaźników jego działania,
• eksperymenty funkcjonalne,
• analiza błędów popełnianych przez operatora,
• oceny eksperckie,
• wywiady i spotkania z operatorami.

7-5. slajd 9

Cele badań

Zebrane dane ergonomiczne wykorzystuje się przy:

• analizie istniejących systemów pracy z udziałem operatora,
• ocenie warunków działania w nowoprojektowanych systemach na podstawie dokumentacji,
• identyfikacji przyszłych warunków pracy i ich wpływu na człowieka w projektowanych systemach.

Charakterystyka metod badawczych

• Analiza dokumentacji pozwala określić funkcje, ograniczenia i wymagania stawiane operatorowi.
• Obserwacja operatora dostarcza danych o sposobie odbioru informacji, działaniach sterujących, obciążeniu i zmęczeniu.
• Rejestracja wskaźników wymaga wykorzystania specjalistycznych urządzeń pomiarowych.
• Eksperymenty pozwalają badać reakcje operatora w kontrolowanych warunkach.
• Analiza błędów identyfikuje źródła pomyłek i sposoby ich unikania.
• Ocena ekspercka pozwala uzyskać jakościową ocenę działalności, gdy inne metody są niewystarczające.
• Spotkania z operatorami umożliwiają pozyskanie cennych informacji od praktyków z różnym doświadczeniem.

Opis i analiza działalności operatora są kluczowe dla skutecznego projektowania systemów ergonomicznych typu C–OT–O (Człowiek–Obiekt Techniczny–Otoczenie). Analizy te dzielą się na dwa poziomy:

Poziom systemowy

Na tym poziomie działalność operatora analizuje się całościowo, w kontekście funkcjonowania w systemie technicznym. W zależności od celu można przeprowadzać analizę:

• dla opracowania nowej działalności,
• dla optymalizacji istniejącej działalności,
• dla modelowania i opisu działalności w celu jej głębszego poznania i zastosowania w projektowaniu.

W analizie systemowej stosuje się trzy główne metody:

Metoda wykazu funkcji operatora

• Polega na sporządzeniu listy czynności wykonywanych przez operatora.
• Funkcje dzieli się np. na: percepcyjne, decyzyjne, komunikacyjne, motoryczne.
• Umożliwia określenie częstości, dokładności i potencjalnych błędów przy wykonywaniu danych działań.

7-5. slajd 10

Metoda wieloczynnikowego ważenia

• Umożliwia hierarchizację czynników wpływających na pracę operatora.
• Czynniki i wskaźniki działalności przedstawia się w postaci dendrytu – wykresu obrazującego ich względne znaczenie.
• Używa się wartości liczbowych (np. współczynników wagi), by określić istotność każdego czynnika.

Metoda opisu organizacji przestrzennej

• Analizuje rozmieszczenie operatora względem elementów technicznych i połączeń informacyjnych.
• Stosowana w badaniach indywidualnych (np. stanowisko sterowania) i grupowych (np. załoga samolotu).
• Przedstawia m.in. schematy przepływu informacji, rozmieszczenie urządzeń, obciążenie kanałów komunikacyjnych.

7-5. slajd 11

7-5. slajd 12

7-5. slajd 13

7-5. slajd 14

Podsumowanie praktyczne:

Metody te umożliwiają projektantom:

• lepsze zrozumienie roli operatora w systemie technicznym,
• ocenę jakości interakcji człowiek–maszyna,
• identyfikację kluczowych miejsc przeciążenia informacyjnego i błędów,
• dostosowanie układów technicznych do możliwości psychofizycznych człowieka.

Metody opisu działalności operatora na poziomie operacyjnym

Analiza działalności operatora na poziomie poszczególnych operacji sterowania umożliwia precyzyjne odwzorowanie działań człowieka w systemie technicznym. Stosuje się tu metody graficzne i algorytmiczne, które pozwalają na uchwycenie sekwencji, warunków logicznych i sposobów przetwarzania informacji.

Główne metody:

Metoda grafów

• Służy do szybkiego przedstawienia logicznych etapów i możliwych wariantów działań operatora.
• Działania przedstawiane są jako węzły, a decyzje lub przejścia – jako gałęzie grafu.
• Można dodać skalę czasową, by uwzględnić czas realizacji poszczególnych etapów.
• Przykład: analiza reakcji operatora na wskazania czujnika (czy włączony, czy zgodny z programem, jakie działania podejmuje dalej).

Metoda diagramu etapów operatywnych (Kurke)

• Używa symboli geometrycznych do przedstawienia różnych rodzajów działań (np. percepcja, decyzja, działanie fizyczne).
• Linie między symbolami ilustrują kolejność i zależności między operacjami.
• Pozwala na przejrzyste odwzorowanie cyklu operacyjnego.

7-5. slajd 15

Metoda opisu algorytmicznego

• Traktuje działalność operatora jako algorytm złożony z:
  • operacji przetwarzania informacji,
  • warunków logicznych określających ich kolejność.
• Najlepiej sprawdza się przy analizie już działających systemów, w których algorytmy można odtworzyć lub zoptymalizować.

Metoda algorytmów organizacyjnych

• Rozszerzenie metody algorytmicznej, stosowanej do rozwiązywania problemów decyzyjnych przez operatora.
• Pozwala przedstawić logiczne ścieżki myślenia i działania operatora graficznie.
• Przykład: wykrycie przyczyny przekroczenia temperatury oleju w silniku poprzez przegląd warunków logicznych.
• Algorytmy ukazują wszystkie warunki i kolejność ich sprawdzania.

7-5. slajd 16

Wnioski:

Metody te wspierają:

• szczegółowe zrozumienie zachowań operatora w czasie rzeczywistym,
• identyfikację krytycznych punktów decyzyjnych,
• optymalizację interfejsów i zwiększenie niezawodności działania systemu,
• projektowanie intuicyjnych i bezpiecznych procedur sterowania.

1.  Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. nauk. D. Koradecka. T.1-2. Warszawa, CIOP 1999.
2. Górska E., Tytyk E.: Ergonomia w projektowaniu stanowisk pracy. Podstawy teoretyczne. Warszawa, OWPW 1998.
3. Hempel L.: Człowiek i maszyna. Model techniczny współdziałania. Warszawa, WKiŁ 1984.
4. Kotik M.A.: Kurs inżyniernoj psichołogii. Tallin, Bałgus 1978.
5. Krick E.V.: Wprowadzenie do techniki i projektowania technicznego. Warszawa, WNT 1975.
6. Słowikowski J.: Ergonomia w projektowaniu i rozwoju maszyn roboczych. Problemy Maszyn Roboczych 1996, vol.8, z.8, Radom ITE.
7. Spravocnik po inżyniernoj psichołogii. Red. nauk. B.F. Łomov. Moskva, Masinostrojenije 1982.
8. SŁOWIKOWSKI J.: Ergonomia w pracach badawczo-rozwojowych w budowie maszyn. Materiały VII Konferencji: Okrętownictwo i Oceanotechnika, - Transport zintegrowany, Wyd. Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 2004, s.223÷230.
9. SŁOWIKOWSKI J.: Optymalizacja ergonomiczna elementów i układów sterujących z użyciem symulatora ED3. Prace PIMB, Warszawa 2001, s.51-60.