7-3. Przedmiot i zakres projektowania układów „człowiek - obiekt techniczny”

dr inż. Leonard Hempel - Politechnika Gdańska

7-3.1. Cybernetyczne ujęcie układu „człowiek - obiekt techniczny”,  relacje między członami układu

7-3.1.1. Ogólny opis systemu „człowiek - obiekt techniczny”

Na wstępie należy wyjaśnić, że używane często określenie układ zostało zastąpione określeniem system. Zamiana ta została dokonana z tego powodu, że projektowanie i badanie systemów „człowiek - obiekt techniczny”, ze względu na duże zróżnicowanie celów ich istnienia oraz złożony charakter ich budowy, wymagają ujęcia systemowego.

Spośród wielu określeń systemu C - OT wybrano następujące:

System C - OT zawiera trzy zasadnicze podsystemy: człowieka, obiekt techniczny i otoczenie bliskie, które realizują zadanie określone przez system celowy [3]. W zależności od czynników zewnętrznych, każdy podsystem w różnym stopniu uczestniczy w realizacji zadania.

System celowy charakteryzuje się występowaniem celu, któremu podporządkowana jest działalność systemu C - OT i który, zależnie od okoliczności, może być wybrany przez system lub narzucony mu z zewnątrz. Wielkości obszarów ( 7-3. slajd 2), będących iloczynami zbiorów określonych na poszczególnych systemach, zależą od wielu czynników. Człowiek bardzo rzadko angażuje się całkowicie w realizację danego zadania określonego celem, np. kierowca podczas jazdy samochodem często odrywa uwagę od kierowania pojazdem i oddaje się refleksjom. Inny przykład: niektóre części obiektu technicznego w danej chwili nie uczestniczą w realizacji zadania, itp.



 7-3. slajd 2

Trwająca rewolucja naukowo-techniczna prowadzi do ciągłych zmian w strukturze obiektów technicznych oraz do zmiany funkcji, jaką pełni człowiek współdziałający z obiektami technicznymi. Systemy „człowiek - obiekt techniczny” charakteryzują następujące zależności [3]:

• duży stopień złożoności (duża liczba części składowych, szeroki zakres wykonywania funkcji, duża wrażliwość na bodźce zewnętrzne, obecność człowieka wraz z jego strukturą psychiczną itd.)
• wysoki stopień zintegrowania, jedność funkcjonalna (wspólny cel działania, wspólne przeznaczenie), co powoduje złożoność hierarchicznej budowy systemu
• skomplikowane (wielofunkcyjne) działanie; najprostsze narzędzia w ręku wykwalifikowanego człowieka tworzą układ zdolny do wykonywania najbardziej złożonych operacji
• określony stopień automatyzacji, przyczyniający się do zwiększenia niezależności w zachowaniu się systemu
• stochastyczne, nieregularne w czasie, występowanie bodźców zewnętrznych
• występowanie współzawodnictwa, to znaczy takiego funkcjonowania systemu, przy którym należy uwzględnić rywalizację między niektórymi elementami (dotyczy to zespołów ludzkich).

W cybernetyce stosuje się trzystopniowy sposób opisu badanych systemów. Są to: opis morfologiczny (identyfikuje się elementy składowe i relacje między nimi), opis funkcjonalny (identyfikuje się sposoby działania elementów i sposoby ich wzajemnego oddziaływania), opis parametryczny (określa się wartości parametrów elementów i ich wzajemnych relacji). Poszczególne poziomy identyfikacji zależą od wiedzy na dany temat.

7-3.1.2. Problemy identyfikacji systemów C - OT

Projektowanie jako proces przetwarzania informacji wymaga odpowiedniego opisu (identyfikacji) projektowanego systemu i jego elementów. O złożoności omawianych systemów może świadczyć przedstawiony poniżej przykład trzypoziomowej „mapy zadań identyfikacyjnych” [3].

1. Człowiek (organizm) - C
   1. Opis morfologiczny:
      • struktura organizacyjna zespołu roboczego
        
      • budowa ciała człowieka
        
      • budowa narządów zmysłu
        
      • budowa narządów wewnętrznych
        
      • ogólne własności i właściwości ciała (np. rezystancja, częstości drgań własnych).
   2. Opis funkcjonalny:
      • działanie w obrębie zespołu roboczego (rola i miejsce)
        
      • działanie narządów wewnętrznych
        
      • działanie narządów zewnętrznych
        
      • procesy przetwarzania materiałów i energii
        
      • procesy przetwarzania informacji
        
      • procesy starzenia
        
      • rytmy i antyrytmy biologiczne
        
      • reakcje wewnętrzne (współdziałanie, sterowanie).
   3. Opis parametryczny:
      • zakresy oddziaływań zespołu roboczego
        
      • statyczne i dynamiczne wymiary ciała
        
      • wartości poszczególnych cech
        
      • tempo zmiany stanów ustroju.
2. Obiekt techniczny (maszyna) - OT
   1. Opis morfologiczny:
      • budowa wewnętrzna i zewnętrzna
        
      • cechy fizyczno-chemiczne
        
      • podsystem energetyczno-materiałowy
        
      • podsystem informacyjny.
   2. Opis funkcjonalny:
      • sposób działania
        
      • procesy starzenia i zużywania
        
      • zasady i prawa działania.
   3. Opis parametryczny:
      • wartości obciążeń statycznych i dynamicznych
        
      • graniczne wartości poszczególnych cech
        
      • techniczne parametry działania i ich tolerancja
        
      • tempo zmian cech pierwotnych.
3. Otoczenia bliskie (środowisko pracy) - OB
   1. Opis morfologiczny:
      • struktury organizacyjne formalne i nieformalne nadzespołów roboczych
        
      • warunki materialne miejsca pracy
        
      • warunki przestrzenne miejsca pracy
        
      • warunki psychologiczne (bezpieczeństwo, higiena, estetyka)
        
      • metody produkcji (działania)
        
      • rodzaje zagrożeń.
   2. Opis funkcjonalny:
      • zasady i reguły oddziaływania poszczególnych warunków
        
      • zagrożenia czynnikami niebezpiecznymi i szkodliwymi.
   3. Opis parametryczny
      • dynamika zmian poszczególnych parametrów
        
      • wartości graniczne i dopuszczalne czynników niebezpiecznych i szkodliwych.
4. Otoczenia dalsze - OD
   1. Opis morfologiczny:
      • systemy gospodarcze, polityczne, społeczne, prawne
        
      • zasady organizacji pracy
        
      • warunki klimatyczne
        
      • warunki kulturowe
        
      • szkolnictwo i oświata
        
      • opieka medyczna
        
      • zasoby materiałowo-energetyczne.
   2. Opis funkcjonalny:
      • zasady funkcjonowania poszczególnych systemów
        
      • zasady zmian warunków klimatycznych
        
      • funkcjonowanie systemów kształcenia i oświaty.
   3. Opis parametryczny:
      • miary poprawności funkcjonowania otoczenia dalszego.
        
      • stosowane miary wartości.
5. Relacje wewnętrzne systemu C - OT - RW
   1. Opis morfologiczny:
      • rodzaje oddziaływań wzajemnych poszczególnych elementów systemu.
   2. Opis funkcjonalny:
      • sposoby oddziaływań wzajemnych elementów systemu.
   3. Opis parametryczny:
      • wartości oddziaływań i ich zmiany w czasie i miejscu.
6. Relacje zewnętrzne - RZ
   1. Opis morfologiczny:
      • rodzaje więzi i oddziaływań wzajemnych systemu C - OT i OD.
   2. Opis funkcjonalny:
      • pośrednie i bezpośrednie sposoby oddziaływań w czasie.
   3. Opis parametryczny:
      • ilościowe (ewentualnie jakościowe) dane o wzajemnych zależnościach systemu C - OT i otoczenia dalszego.
7. Człowiek badacz - CB
   1. Opis morfologiczny:
      • struktura i skład osobowy zespołów badawczych.
   2. Opis funkcjonalny:
      • metody badawcze stosowane przez zespół (badacza)
        
      • koncepcyjność badaczy
        
      • umiejętność analizowania i syntetyzowania.
   3. Opis parametryczny:
      • miary efektywności stosowanych metod badawczych.
8. Narzędzia badań - NB
   1. Opis morfologiczny:
      • rodzaje narzędzi badawczych niezbędnych do badania danego systemu C - OT przy określonym celu badania.
   2. Opis funkcjonalny:
      • sposoby wykorzystywania posiadanych narzędzi badawczych
        
      • właściwy dobór i zastosowanie narzędzi badawczych.
   3. Opis parametryczny:
      • zakresy stosowalności poszczególnych metod badawczych
        
      • możliwości pomiarowe aparatury badawczej.
9. Otoczenie procesu badania - OPB
   1. Opis morfologiczny:
      • otoczenie bliższe (np. poziom nauki w danym środowisku, opieka naukowa, nastawienie do prowadzonych badań, środki finansowe).
   2. Opis funkcjonalny:
      • tempo prowadzonych badań
        
      • tempo wdrażania wyników badań
        
      • metody finansowania badań.
   3. Opis parametryczny:
      • miary określające potencjał naukowy i ekonomiczny otoczenia procesu badania.

7-3.1.3. Ważniejsze relacje w procesie realizacji potrzeb społecznych [8]

Cybernetyczne modelowanie rzeczywistości nadaje się do poszukiwania, identyfikacji i badania relacji zachodzących pomiędzy elementami tworzącymi system. „Szkieletowymi” elementami PPR są etapy projektowania P, produkcji W i użytkowania U.

System zaspokajania potrzeb społecznych podlegał ewolucji ( 7-3. slajd 3).



 7-3. slajd 3

W okresie pierwotnych metod wytwarzania system zaspokajania potrzeb ograniczał się do jednego uczestnika i jednego procesu. Człowiek sam przygotowywał działanie, sam wytwarzał niezbędne przedmioty pracy i sam je użytkował zaspokajając określoną potrzebę  (7-3. slajd 3a)


 (7-3. slajd 3a)

W wyniku rozwoju następował kolejny podział pracy: projektant - wykonawca (producent) oddzielił się od użytkownika (konsumenta)  (7-3. slajd 3b).



 (7-3. slajd 3b

W systemie takim pojawiły się dwie relacje. Relacja U®P,W, reprezentująca potrzeby i wymagania użytkownika, oraz relacja P,W®U, która w postaci przekazanego do użytkowania wyrobu (produktu) określa stopień realizacji potrzeby. Jest ona ograniczeniem swobody użytkownika, który jest zmuszony do „dostosowania się” do możliwości wyrobu i tylko w zakresie tych możliwości może realizować swoje potrzeby. Relacja P,W®U pojawiła się w czasach przedprzemysłowych i do dnia dzisiejszego ma ogromne znaczenie. Jedną z dróg do zmniejszenia ograniczenia swobody użytkownika jest wprowadzane obecnie projektowanie uczestniczące (partycypacyjne), podczas którego użytkownik ma prawo do decyzji projektowych. Dalszy rozwój środków produkcji oraz wzrost ich złożoności wymusił rozdział pomiędzy projektowaniem a wytwarzaniem.

Realizacja potrzeby społecznej przebiega teraz w trzech fazach, pomiędzy którymi pojawiły się nowe relacje  (7-3. slajd 3c).



 (7-3. slajd 3c)

Każda z tych faz ma obecnie dużą autonomię. Faza projektowania mogła stać się autonomiczna, ponieważ będąc procesem przetwarzania informacji, potrzebne informacje otrzymuje. Powstanie systemu informacyjnego w PPR daje nową szansę rozwoju systemu. Większość relacji w nowoczesnych procesach realizacji potrzeb ma charakter informacyjny. Nowymi relacjami w rozpatrywanym układzie jest relacja P®W, która definiuje „co zrobić” i „jak to zrobić”, oraz relacja W®P definiująca „jak można to zrobić”. Strumień wyrobów jest wyrazem relacji W®U. Nowy wymiar jakościowy uzyskały relacje P®U i U®P. Pojedynczy użytkownik dla projektanta stał się anonimowy, jego wymagania są „uśrednione” dla określonej grupy klientów. Powstała nowa grupa specjalistów, między innymi od marketingu, opracowujących cechy i potrzeby użytkowników, co pozwala uniknąć „nietrafienia” z produktem do klienta.

Brak sprzężenia P®U prowadzi do wynaturzeń w PPR, zaspokajanie potrzeb nabiera charakteru monopolistycznego lub dyrektywnego  (7-3. slajd 3d).



 (7-3. slajd 3d)

Relacja ta jest ważna z punktu widzenia projektowania układów antropotechnicznych, gdyż dostarcza projektantowi „wiedzy” o cechach, potrzebach i możliwościach człowieka - użytkownika. Brak tej relacji uniemożliwia wprowadzanie projektowania zadaniowego i partycypacyjnego. Relacja ta jest podstawową racją „bytu” ergonomii w projektowaniu. Dalszy szybki rozwój przemysłowo-techniczny spowodował, że pojawiły się nowe problemy, użytkownik nie ma czasu i umiejętności potrzebnych do „utrzymania ruchu” obiektów technicznych. Powstały służby serwisowe producentów, zajmujące się obsługą, naprawami i konserwacją obiektów. Powstała nowa relacja U®W, a dokładniej E®W, gdyż faza użytkowania stała się procesem eksploatacji złożonym z użytkowania, obsługiwania i zasilania.

Analiza relacji zachodzących pomiędzy elementami PPR uzasadnia potrzebę utworzenia ergonomicznego systemu kształtowania produktu EKP. Użytkownik (konsument) zaspokajając swe potrzeby kontaktuje się tylko z wyrobem, dlatego jego partnerem w nadsystemie PWU jest system PR traktowany jako całość. Użytkownik chcąc zachować wpływ na ostateczny kształt produktu (obiektu technicznego) wzmacnia relację z projektantem, co doprowadziło do powstania systemu ergonomicznego kształtowania produktu EKP ( 7-3. slajd 4).



 7-3. slajd 4

Istotne znaczenie w systemie EKP ma relacja U®P, która poprzez diagnostykę ergonomiczną systemu użytkowania (eksploatacji) dostarcza informacji do systemu projektowania.

Jak widać, ergonomia i bezpieczeństwo pracy formułując wymagania i ograniczenia mają duży wpływ na przebieg procesu zaspokajania potrzeb.

7-3.2. Ergonomia jako dziedzina projektowania antropocentrycznego

7-3.2.1. Wprowadzenie do projektowania

Podczas projektowania współczesnych, złożonych i kosztownych systemów należy zatroszczyć się nie tylko o to, aby jakościowo, a szczególnie niezawodnie, wypełniały one nałożone funkcje, ale i o uwzględnienie strat sił i środków na ich wykonanie, na wyszkolenie personelu obsługującego i użytkującego. Należy również zatroszczyć się o odniesienie tych wskaźników do efektów, jakie przyniesie zastosowanie takich systemów i do oczekiwanego na nie zapotrzebowania ( 7-3. slajd 5).



 7-3. slajd 5

Ponadto, należy dążyć do tego, aby tworzone systemy były dogodne dla szybkiego elastycznego wdrożenia w wypełnianie nowych zadań, wynikających ze zmiany wewnętrznych i zewnętrznych warunków ich funkcjonowania. Następnie, przy opracowaniu i budowie nowych systemów trzeba ukierunkować się nie tylko na osiągnięcie znanych celów i rozwiązywanie aktualnych zadań, ale na proponowanie nowych warunków i wariantów ich działania, na perspektywy ich dalszego wykorzystania. Należy pamiętać, że błędy popełnione w procesie projektowania, nieuwzględnienie poszczególnych celów, czynników, osobliwości pracy, mogą przynieść duże straty materialne i społeczne[7].

Wszystko to istotnie zmieniło kierunki tradycyjnego inżynierskiego myślenia. W miejsce zróżnicowania i wąskiej specjalizacji istniejącej w projektowaniu pojawiły się przeciwne zadania, integracja i synteza złożonych systemów, zadania, w których wymaga się połączenia wielu celów, uzgadniania wielkiej liczby czynników technicznych, ekonomicznych, ergonomicznych i socjalnych, uwzględniania rozwoju systemu i jego perspektyw. Jak już wspomniano, projektowanie staje się projektowaniem sytuacyjnym. Projektowanie złożonych systemów przeobraziło się w wielostopniowe zadanie zawierające wiele nowych dużych problemów, takich jak ( 7-3. slajd 6):

• naukowe badanie celów, możliwości, warunków, perspektyw i innych czynników, określających wybór, stworzenie i zastosowanie nowego systemu
• wybór, na podstawie tych danych, istoty i struktury systemu, spełniających stawiane przed nimi wymagania
• projektowo-konstruktorskie opracowanie systemu
• zbudowanie (wykonanie) systemu
• jego praktyczne wykorzystanie (eksploatacja).


 7-3. slajd 6

Jeden z klasyków badań systemowych (systemotechniki) A. Hall określa jej cel następująco: „skrócić przerwy w czasie między kosztownymi odkryciami i ich zastosowaniem i między postaciami ludzkich potrzeb i produkcją nowych systemów, stworzonych do zaspokajania tych potrzeb” [4].

Systemy „człowiek-maszyna”, „człowiek-obiekt techniczny-otoczenie” odznaczają się wysoką integracją, są hierarchicznie uporządkowane i centralne ( 7-3. slajd 7).



 7-3. slajd 7

Projektowanie systemów złożonych, a takimi są systemy C-OT-O, musi być wspomagane metodami systemotechnicznymi [7].

7-3.2.2. Ogólne zasady podchodzenia do projektowania systemów C-OT-O

Projektowanie systemów C-OT-O zawiera trzy aspekty [5]:

• projektowanie techniczne
• projektowanie układów antropotechnicznych
• projektowanie artystyczne.

7-3.2.3. Istota metod systemowych

Systemotechniczne metody ( 7-3. slajd 8) bazują na wykorzystaniu ilościowych opisów działania poszczególnych elementów systemu i ich wzajemnych relacji.



 7-3. slajd 8

Jednak do dzisiaj brak ilościowego opisu działań człowieka lub jest on bardzo przybliżony. W związku z tym, często człowieka traktuje się jako element otoczenia (gdzie można niekiedy zadowolić się ogólnym opisem), a nie jako składnik systemu. Dlatego prowadzi się poszukiwania innych metod, które obok charakterystyk ilościowych, uwzględniałyby charakterystyki jakościowe. Tak powstało podejście do projektowania systemów C-OT oparte na rozdzieleniu funkcji między składnikami systemu.

Powstało również inne podejście, którego istotą jest projektowanie działalności człowieka w systemie sterowania.

7-3.2.4. Ogólna zasada projektowania przy podejściu antropocentrycznym

Zastosowanie podejścia systemotechnicznego do projektowania wymaga, aby wskaźniki działalności człowieka w systemie sterowania były przedstawiane w takich samych kategoriach, w jakich opisuje się pracę obiektu technicznego. W związku z tym pojawia się następująca sprzeczność: jeżeli uda się opisać matematycznie działanie człowieka przy wykonywaniu danej funkcji sterowniczej, to tym samym można stworzyć algorytm tego działania, co oznacza, że może być ono automatyzowane, to znaczy przekazane maszynie. Pojawia się paradoksalna sytuacja: aby dokładnie uwzględnić „czynnik ludzki”, jego funkcję należy opisać ilościowo, a gdy tylko uda się to zrobić, czynnik ten przestaje być "ludzkim". Paradoks ten odkrył N. Jordan, który zakwestionował podstawy włączania człowieka i maszyny do jednego systemu. Jego punkt widzenia polega na tym, że systemy należy projektować tylko z pozycji wzajemnego dopełnienia człowiekiem maszyny i maszyną człowieka, a nie wychodzić z podziału funkcji, tj. nie rozdzielać funkcji, a zapewnić wzmocnienie funkcji.

Człowiek jest refleksyjnym składnikiem systemu, odzwierciedlającym w swojej świadomości zarówno składniki techniczne, jak i działanie całego systemu. Oprócz tego działanie człowieka jest uwarunkowane społecznymi, ekonomicznymi, politycznymi i licznymi innymi motywami. Oznacza to, że człowiek jako element systemu „społeczeństwo”, posiada znaczną liczbę przedstawionych w pamięci, w jego świadomości, danych, które oprócz zwykłych sygnałów wejściowych określają sygnały wyjściowe.

Maszyna jest narzędziem pracy człowieka, a nie jego partnerem. Krytyka metody rozdziału funkcji doprowadziła do zaproponowania podejścia, w którym projektuje się systemy działania człowieka - operatora; jest to klasyczne podejście antropocentryczne ( 7-3. slajd 9).



 7-3. slajd 9

Pomimo teoretycznego uzasadnienia podejście to nie jest do dzisiaj powszechnie wykorzystywane w praktyce projektowej. Wymienia się dwie istotne przyczyny tego faktu. Po pierwsze, nie ma jednolitej teorii działania człowieka - operatora. Po drugie, jeżeli uda się stworzyć metodykę projektowania działalności operatora, nie rozwiąże ona problemu projektowania obiektu technicznego. Na podstawie działalności operatora trzeba i tak stworzyć projekt maszyny adekwatnej do tej działalności.

Na zakończenie trzeba jeszcze wspomnieć o tym, że podczas projektowania na podstawie rozdziału funkcji, po ustaleniu funkcji człowieka i zaprojektowaniu środków technicznych wydziela się etap projektowania działalności człowieka. Różnica polega na tym, że teraz projektuje się działalność człowieka dla danego obiektu technicznego, a w projektowaniu antropocentrycznym takiego obiektu jeszcze nie ma.

7-3.3. Istota projektowania układów antropotechnicznych

Projektowanie systemów C-OT-O jako proces jest jednym z etapów przemysłowego procesu realizacji potrzeb. Polega ono na rozwiązaniu wszystkich problemów wynikających z uwzględnienia człowieka jako elementu systemu. Cechą charakterystyczną tego projektowania jest wykonanie projektu działalności człowieka analogicznie do tego, jak projektuje się część techniczną.

Do zadań projektowania układów antropotechnicznych należy między innymi „zgranie” styku człowieka i maszyny. Zastosowanie tego projektowania, zwanego niekiedy projektowaniem ergonomicznym, pozwala rozwiązywać zadanie, z optymalizacją nie pojedynczych działań człowieka-operatora, ale z optymalizacją całej działalności systemu, co ostatecznie prowadzi do poprawy efektywności technicznej i ekonomicznej całego systemu.

7-3.3.1. Podstawowe etapy projektowania układów antropotechnicznych

W projektowaniu ergonomicznym można wyróżnić następujące etapy ( 7-3. slajd 10):

• analiza zadania. Bada się i analizuje charakterystyki systemu, strumienie informacji, funkcje poszczególnych części systemu, procesy transformacji wejść w wyjścia, możliwości człowieka w odniesieniu do wykonywania określonych zadań
• rozdział funkcji między człowieka a obiekt techniczny w celu rozwiązania poszczególnych zadań. Rozdział prowadzi się z uwzględnieniem możliwości człowieka i obiektu technicznego oraz w celu optymalizacji działania systemu. Optymalizacja takich systemów ma charakter wielokryterialny - jest polioptymalizacją i wymaga zastosowania specjalnych metod
• analiza funkcji człowieka i ewentualny podział zadań między operatorami. Wynikiem tego etapu mogą być: określone typy i liczby miejsc pracy, zadania wykonywane na poszczególnych stanowiskach, niezbędne informacje w łączności między operatorami
• projektowanie środków wzajemnego powiązania człowieka, obiektu technicznego i otoczenia. Projektując środki przedstawiania i przekazu informacji tworzy się ogólną strukturę miejsca pracy. Obowiązuje tu, wprowadzona przez B. F. Łomowa, zasada aktywnego operatora - tj. takiego, który nie czeka biernie na wydarzenia, ale aktywnie je prognozuje
• projektowanie działalności operatora. Proces ten przebiega równolegle z poprzednimi. Polega on na określeniu struktur i algorytmów (instrukcji) działania operatora, sposobów wykonywania. Określa się tutaj wymagania dotyczące charakterystyk człowieka (objętość pamięci, zdolność koncentracji, szybkość reakcji, emocjonalność itp.), opracowuje się metody treningu i nauki, sprawdza się zgodność systemu z wymaganiami i normami ergonomicznymi
• sprawdzanie wewnętrznej i zewnętrznej zgodności systemu. Podczas tego etapu określa się ergonomiczność systemu i porównuje się wyniki uzyskane z zadanymi wymaganiami.


 7-3. slajd 10

Podczas projektowania ergonomicznego powinny być realizowane ogólne wymagania sprowadzające się do:

• konieczności zapewnienia zadanych charakterystyk całego systemu, a nie tylko samego obiektu technicznego. Takie charakterystyki, jak: niezawodność, dokładność, wydajność, szybkość działania itp. mają dotyczyć systemu, a nie jego elementów
• zapewnienia maksymalnego wypełniania zasad ergonomii
• zapewnienia przestrzegania dopuszczalnych warunków działania człowieka operatora
• zapewnienia, aby zagwarantowane były sprzyjające warunki pracy człowieka (użytkownika, konsumenta, operatora)
• zapewnienia człowiekowi wygody w eksploatacji OT do tego stopnia, aby nie wymagać od operatora zbyt wysokich kwalifikacji
• opracowania dokumentacji techniczno-ruchowej umożliwiającej operatorowi szybkie opanowanie procesu użytkowania OT.

7-3.4. Rozdział funkcji między człowieka i obiekt techniczny

W obecnych czasach pojawiły się maszyny, mogące wypełniać niektóre intelektualne funkcje człowieka (myślenie, sterowanie, organizacja). Doprowadziło to do tego, że w niektórych zadaniach możliwości człowieka i maszyny w systemach stały się współmierne, co wymaga podziału funkcji między człowieka i maszynę.

7-3.4.1. Porównanie możliwości człowieka i maszyny

W celu porównania możliwości człowieka i maszyny stosuje się różne kryteria ( 7-3. slajd 11).



 7-3. slajd 11

Szybkością, dokładnością i objętością przyjmowania poszczególnych sygnałów współczesna EMC wielokrotnie przewyższa człowieka.

1. Komórka nerwowa potrzebuje 10^-2 s na przyjęcie informacji, a EMC uzyskuje tę czynność w 10^-7 s (obecnie nawet szybciej). Jednak równoległa obróbka informacji przez mózg w znacznym stopniu kompensuje tę przewagę i nadal daje człowiekowi pierwszeństwo w przyjmowaniu złożonych kompleksów sygnałów i obrazów. Człowieka cechuje stałość przyjmowania (rozmiarów, formy, światła), powodująca odbiór niezależnie od warunków przedstawienia przedmiotu (oddalenia, położenia w polu widzenia, oświetlenia).
2. Ogólną objętość ludzkiej pamięci szacuje się na setki milionów bitów. EMC przekazuje takie ilości informacji, których człowiek nie potrafi. Ale jednocześnie w pamięci człowieka każdy wskaźnik pracy systemu zwykle jest włączony w taką liczbę rozmaitych połączeń, których jeszcze nie potrafi realizować żadna EMC. Przewaga maszyny pojawia się przy danych jednoimiennych. Pamięć maszyny można wymazać, pamięci człowieka -nie.
3. Maszyna nie dysponuje taką liczbą różnych programów przeobrazowania (przetworzenia) i połączenia informacji, jaką dysponuje człowiek. Nie potrafi rozwiązać zadań o wysokiej nieokreśloności. Ale przy rozwiązywaniu pojedynczych zadań z dużą liczbą jednorodnych i wzajemnie powiązanych danych maszyny znacznie przewyższają możliwości człowieka.
4. W zadaniach ruchowych (motorycznych), takich jak: szybkość, dokładność, siła maszyny bezwarunkowo przewyższają człowieka. Ale wejścia i wyjścia człowieka są bardziej elastyczne niż maszyny.
5. Człowiek w systemie występuje jako składnik zdolny w wysokim stopniu do samoorganizacji na różnych poziomach. Człowiek potrafi znaleźć drogę do zachowania pracy systemu w celu osiągnięcia celu. Człowiek wykorzystuje swoje doświadczenie.
6. Charakter oddziaływań zewnętrznych i wewnętrznych, jakim podlegają człowiek i maszyna, jest krańcowo różny.

Człowiek szybko się męczy i wymaga okresowego odpoczynku:

• nie jest w stanie długi czas skoncentrować się na określonym obiekcie i może odrywać uwagę
• jest wrażliwy na różne stresowe sytuacje
• podlega wpływowi różnych subiektywnych czynników
• jest zdolny do samokontroli stanu zdrowia i zapobiegania wielu niesprawnościom organizmu. Maszyna tego nie potrafi.

7-3.4.2. Funkcje człowieka w procesie sterowania

Człowiek w procesie sterowania powinien wykonywać następujące funkcje:

• rozpoznawanie sytuacji w całości według licznych złożenie powiązanych charakterystyk oraz przy niepełnej informacji o niej
• myślenie indukcyjne, czyli tworzenie uogólnień na podstawie pojedynczych faktów, szczególnie przy niepełnej informacji o zadaniu
• rozwiązywanie zadań, w których brak algorytmu, nie ma wyraźnych zasad przetwarzania informacji
• rozwiązywanie zadań, w których jest wymagana elastyczność i dostosowanie do zmieniających się warunków, szczególnie zdań, które wcześniej trudno przewidzieć
• rozwiązywanie zadań o wysokiej odpowiedzialności, w których wysoka jest cena pomyłki.

7-3.4.3. Zadania maszyn w procesie sterowania

Celowe jest powierzenie maszynie następujących funkcji [10]:

• wypełnienie wszelkich rodzajów obliczeń matematycznych (szybkość działania, dokładność)
• wykonywanie jednakowych, powtarzających się operacji według zadanego algorytmu
• przechowywanie w pamięci jednorodnych informacji w celu wykorzystania w obliczeniach i szybkiego przekazywania odpowiedzi na pytania operatora
• rozwiązywanie zadań wymagających dedukcyjnego myślenia, tj. otrzymania na podstawie ogólnych reguł rozwiązań dla szczególnych przypadków
• wykonanie działań wymagających szybkiej reakcji na rozkaz.

7-3.5. Zasady rozdzielenia funkcji między człowieka a maszynę

N. Wiener w żartobliwej formie powiedział: „oddajcie człowiekowi to co ludzkie, a maszynie cyfrowej to co maszynowe, w tym powinna zamykać się istota prowadzenia prac przy organizowaniu wspólnych działań ludzi i maszyn”. Podstawowa trudność to rozpoznanie, która funkcja w systemie sterowania jest „ludzka”, a która „maszynowa”.

Rozpoznanie takie ułatwiają następujące zasady  7-3. slajd 12:

1. Zasada przeważających możliwości.

   Wywodzi się z określenia: kto lepiej wykonuje daną funkcję, temu należy ją zlecić.

   Zasada ta wymaga zastosowania zbioru wskaźników funkcjonowania całego systemu (działalność, szybkość działania, niezawodność, koszt realizacji tych rezultatów, efektywność działania) w celu określenia badanej przewagi.

   Zasada maksymalizacji wskaźników całego systemu.

   Najlepszy rozdział funkcji to taki, przy którym uzyskuje się wysokie wskaźniki pracy całego systemu (a nie oddzielnie maszyny i ludzi). Pojawia się tu problem polioptymalizacji rozwiązań elementów systemu i jego struktury.

   Zasada optymalizacji objętości informacji w systemie sterowania.

   Ta zasada przewiduje taki udział funkcji, przy którym ilość informacji napływającej do człowieka i maszyny, szybkość jej zaprezentowania odpowiada ich możliwościom w przyjmowaniu i przetwarzaniu, uwzględniając ich obciążenie w danej chwili w systemie sterowania. Należy pamiętać o stopniu nieokreśloności poszczególnych zadań. Im więcej czynników należy uwzględniać przy dawaniu odpowiedzi, tym większa przewaga człowieka.

   Zasada wzajemnego dopełnienia.

   Wykorzystanie w procesie wspólnych możliwości człowieka i maszyny, a w razie konieczności - rozdzielenie między nimi poszczególnych funkcji podczas pracy. Wprowadzenie do współczesnych systemów C - OT - O środków i systemów technicznej kontroli parametrów psychofizycznych i fizjologicznych człowieka i przy ich pomocy dostosowanie maszyny do tych możliwości i stanu człowieka. Takie systemy mogą filtrować jego błędne działania, włączać techniczne rezerwowanie człowieka w przypadku wystąpienia u niego trudności, zmieniać formę przedstawiania informacji i jej zawartości w zależności od jego stanu itp.

   Zasada odpowiedzialności.

   Przewiduje ona uwzględnienie rozdziału „odpowiedzialności” między człowiekiem a maszyną przy rozwiązywaniu zadań. Zasada ta uwarunkowana jest z jednej strony niezawodnością obiektów technicznych, a z drugiej strony - szerokością i elastycznością zdolności człowieka do przystosowaniu się do warunków, jego zdolnością do szukania optymalnych rozwiązań w warunkach nieokreśloności i w nieprzewidywanych sytuacjach. Dlatego najbardziej odpowiedzialne zadania w systemach sterowania należy powierzać człowiekowi.

   Zasada aktywności i zadowolenia operatora.

   Zasada wynika z naturalnego dążenia człowieka do aktywnej „samorealizacji” w działalności i „samopotwierdzenia”, na podstawie wyników swojej pracy. Dlatego nie wystarczy zostawić człowiekowi tylko te funkcje, z którymi nie może sobie poradzić maszyna, ale należy specjalnie obciążyć go wypełnieniem tych zadań, przy których może się aktywnie wykazać. Maszyna może robić wszystkie rutynowe i nietwórcze zadania. Nie należy jednak zapominać, że zadania niebezpieczne dla zdrowia człowieka należy przekazać maszynie.

2. Zasada łatwości nauczania operatora i formowania jego indywidualnego stylu.

   Wymaga, aby przy określaniu funkcji człowieka brać pod uwagę czynnik strat środków i czasu, potrzebnych do wyboru i szkolenia operatorów oraz możliwości wyrobienia sobie przez nich swojego stylu działania.



 7-3. slajd 12

Omówiony problem rozdziału istnieje tylko w sferze procesów informacyjnych i decyzyjnych. Rozdział funkcji z punktu widzenia strat energetycznych jest rozwiązywany prosto: człowiekowi zostawia się takie zadania ruchowe, które go nie przeciążają i jednocześnie stwarzają wymagany poziom aktywności i motoryczności.

Rozdział funkcji jest procesem wieloetapowym, zawiera etap wstępnego rozdziału i szereg etapów korekcji tego rozdziału w miarę zwiększania się danych o pracy systemu i zadań człowieka w tym systemie.

7-3.6. Wstępny rozdział funkcji między człowieka i maszynę

Jednym z możliwych sposobów rozdziału może być następujące postępowanie [4]:

1. Określenie przeznaczenia systemu, sformułowanie celów i sporządzenie wykazu rozwiązywanych przez system zadań. Rozważa się: informacje wejściowe, wyjściowe sygnały, zasady ich przetwarzania, prawdopodobieństwa pojawienia się w systemie różnych zadań i sposobów przetwarzania informacji.
2. Bezpośrednie rozdzielanie funkcji. Rozpoczyna się ono od wyboru poszczególnych funkcji dla maszyn. Zasada wyboru jest następująca: zadania, które w obecnym czasie wykonują maszyny z wymaganą jakością, przy dopuszczalnym koszcie i gabarytach, należy przydzielić również maszynie w projektowanym systemie.
3. Wszystkie pozostałe zadania, które będą realizowane w systemie szereguje się wg następujących charakterystyk:
   • liczba przymiotów (cech) dających wykonanie każdego zadania w różnych warunkach działania
   • liczba możliwych wariantów rozwiązania w różnych warunkach ich wykonania
   • wiarygodność informacji, wykorzystywanych przy rozwiązywaniu zadań
   • prawdopodobieństwo pojawienia się danego zadania
   • logicznych lub obliczeniowych złożoności rozwiązywania zadań.
4. Rozdzielenie pozostałych zadań wg zasad wymienionych w rozdziale 7-3.3.

   Opisana metoda jest ilustracją systemowego podejścia do rozwiązywania zadań projektowania systemów C - OT - O.

Oprócz metod jakościowych istnieją również ilościowe metody rozdziału funkcji. Sposób ilościowego rozdziału funkcji może bazować na ocenie możliwości systemu do wypełnienia nałożonej na niego funkcji generalnej (najwyższego poziomu). Aby taką funkcję realizować, muszą być realizowane funkcje niższych poziomów, które z kolei są poprzedzone funkcjami elementarnymi (technologicznymi dla maszyn i psychologicznymi dla operatora). Proces rozwiązywania podzielono na szereg poziomów. Analiza potoków zadań cząstkowych jest prowadzona z wykorzystaniem teorii obsługi masowej, badań operacyjnych, teorii grafów itp.

7-3.7. Literatura

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. Pahl G., Beitz W.: Nauka konstruowania. Warszawa, WNT 1984.
7. Projektoznawstwo. Red. nauk. W. Gasparski. Warszawa, WNT 1988.
8. Słowikowski J.: Zagadnienia diagnostyki ergonomicznej w budowie maszyn. Warszawa, 1980, Prace i Materiały IWP, z. 56.
9. Słowikowski J.: Ergonomia w projektowaniu i rozwoju maszyn roboczych. Problemy Maszyn Roboczych 1996 vol. 8, z. 8, Radom ITE.
10. Spravocnik po inżyniernoj psichołogii. Red. nauk. B.F. Łomov. Moskva, Masinostrojenije, 1982
11. OZIEMSKI ST. (pod red.): Człowiek w maszynie. Podstawy antropocentrycznego projektowania stanowisk operatorów maszyn, Wyd. Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom - Warszawa, 2004
12. SŁOWIKOWSKI J.: Metodologiczne problemy projektowania ergonomicznego w budowie maszyn. Wyd. Centralnego Instytutu Ochrony Pracy, Warszawa 2000
13. SŁOWIKOWSKI J.: Przesłanki ergonomiczne „wyczuwania” maszyny przez człowieka. Bezpieczeństwo Pracy, 2001, nr 7-8, s.2-6
14. TYTYK E.: Projektowanie ergonomiczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.