Физические качества, энерготраты и тяжесть труда оператора

 

На результаты выполнения управляющих действий оператора большое влияние оказывают его физичес­кие качества. Под ними понимаются такие качества человека, которые обусловливают возможность выпол­нения им физической (мускульной) работы. К основным физическим качествам оператора относятся сила, бы­строта, выносливость, координация и точность движе­ний, ловкость и гибкость [104].

Сила человека определяется его способностью преодолевать внешнее сопротивление или противодей­ствовать ему за счет мышечных усилий. Различают следующие разновидности силы: статическая, проявля­ющаяся при напряжении неподвижных мышц; динами­ческая, проявляющаяся при движениях; амортизацион­ная, проявляющаяся при уступающих воздействию движениях; взрывная, характеризующая способность проявить силу большой величины за короткий проме­жуток времени.

Выносливость характеризует способность к дли­тельному выполнению какой-либо деятельности без заметного снижения ее эффективности. Различают динамическую и статическую выносливость (см. гла­ву X), а также общую и специальную выносливость. Общая выносливость определяется по отношению к продолжительной работе умеренной тяжести, включа­ющей функционирование большей части мышечного аппарата. Специальная выносливость представляет выносливость по отношению к определенной деятель­ности.

Координация движений есть согласованность од­новременно или последовательно выполняемых движе­ний. Точность движений определяется степенью соот­ветствия движений двигательной задаче. Различают три вида точности: по силе, пространственную и времен­ную. Под гибкостью понимается способность выпол­нять движения с большой амплитудой.

Комплексным качеством двигательных способно­стей человека является ловкость. Она измеряется сле­дующими показателями: координационной сложностью задания, точностью и временем ее выполнения, коли­чеством функциональных двигательных единиц, вов­леченных в движение. Значение ловкости особенно велико при выполнении сложных непрерывных дви­жений, оно существенно меньше при выполнении дискретных действий.

Управляющие действия определяют физический компонент деятельности оператора. В соответствии с основными положениями физиологии труда физичес­кую работу можно разделить на два вида [44, 75]:

■ динамическую мышечную работу, при которой мышцы различных групп попеременно растягиваются и сокраща­ются, т. е. ритмично напрягаются и расслабляются;

■ статическую мышечную работу, при которой мышцы не движутся (например, когда человек держит груз на вытя­нутой руке или работает согнувшись, на корточках).

При статической работе напряжение в среднем в 5 раз превышает напряжение, вызываемое дина­мической работой. При статической работе требует­ся в 3 — 4 раза больше времени на восстановление зат­раченной энергии, чем при динамической работе. Статическая нагрузка, возникающая при манипулиро­вании органами управления, не должна превышать 15% максимального усилия соответствующей ко­нечности (руки или ноги) при данной рабочей позе оператора.

Физическая нагрузка во многом определяет энер­готраты оператора (хотя следует сразу оговориться, что только ею не ограничиваются энергетические затраты организма). Поэтому в целом ряде случаев энергетический подход нередко используют для из­мерения тяжести работы. При этом тяжесть работы оценивают или по величине грузопереработки или по количеству расходуемой человеком энергии (калори­метрический метод).

Первый способ основан на предположении, что между величиной мышечных усилий, требующих оп­ределенного количества энергии, и степенью утомле­ния работающего существует пропорциональная зави­симость. Поэтому в ряде случаев для классификации работ по тяжести пытаются использовать законы ме­ханики. За меру тяжести при этом принимается рабо­та, совершаемая по перемещению груза на определен­ное расстояние, выраженная в килограммометрах или килоджоулях. Такой подсчет выполняемой человеком внешней механической работы не всегда дает точные результаты, поскольку процессы, протекающие в орга­низме, очень сложны, и работа человека не может быть приравнена к работе механического устройства. По­пытки учесть некоторые психофизиологические осо­бенности человека (вес его тела, подъем и спуск с грузом или без него, повороты и наклоны корпуса тела, тягу, толкание груза и т. д.) принципиально положение дел не меняют, поскольку общий подход к определе­нию энерготрат по прежнему остается чисто механистическим.

Другой способ (калориметрический) основан на том, что выполняемая человеком механическая работа сопровождается расходованием тепловой энергии, источником которой является потребляемая пища. Та­кой подход вытекает на основании рассмотрения ус­ловной модели энергетики организма. [3].

Рис. 14.7. Условная модель энергетики организма.

 

Энергетику организма условно можно предста­вить в виде системы биохимических аккумуляторов энергии, получающих ее из общего энергетического резерва организма и питающих органы — потреби­тели (рис. 14.7). Каждый аккумулятор обладает определенной энергоемкостью, поэтому утомление лю­бого органа (мускулатуры руки или всего тела, орга­нов чувств, мозга и центральной нервной системы и т. д.) можно представить как израсходование энер­гии в аккумуляторе, питающем этот орган. Время же отдыха можно представить как время зарядки акку­мулятора.

С учетом сказанного, как следует из рис. 14.7, об­щие энерготраты организма можно представить как сумму двух составляющих

где А_акт — энерготраты на активную деятельность (не­рвно-мозговую и физическую), А_со — энерготраты на самообслуживание организма.

Из сказанного видно, что энерготраты на выпол­нение мышечной работы составляют лишь часть общих энерготрат. Поэтому оценка тяжести труда лишь пу­тем оценки величины внешней механической работы, выполняемой человеком, является очень упрощенной и неточной. Такая оценка нужна лишь для установле­ния нижней и верхней границ физической нагрузки человека: известно, что как чрезмерно низкая физичес­кая нагрузка (гиподинамия), так и чрезмерно высокая отрицательно сказываются на физическом состоянии и работоспособности человека.

Более точную оценку энерготрат организма дает применение калориметрического метода. Различают методы прямой и непрямой калориметрии. В первом случае оценка ведется по количеству выделенного че­ловеком тепла, которое можно измерить с помощью специальных калориметров, представляющих собой теплоизолированные помещения (калориметрические камеры), улавливающие отдаваемое организмом теп­ло. Точность такого метода весьма высока, однако его применение возможно только в лабораторных условиях.

Поэтому на практике используют методы непря­мой калориметрии. Они основаны на анализе выдыха­емого воздуха с последующим расчетом дыхательного коэффициента (отношение объема выделившегося уг­лекислого газа к объему поглощенного кислорода). Для сбора выдыхаемого воздуха используется мешок Дуг­ласа, а для определения энерготрат — газовый счет­чик и газоанализатор выдыхаемого воздуха. Анализ проводится с учетом температуры воздуха и баромет­рического давления.

Энергетический расход для мужчин при условии, что в работе участвуют большая часть мышц приведен в табл. 14.10 [207]. Для женщин эти величины следует брать примерно на 20% ниже. Как следует из табл. 14.10 верхняя граница физической мощности составляет 8300 кДж израсходованной рабочей энергии за смену. Средний энергетический расход за смену у мужчин при шестидневной рабочей неделе не должен превы­шать 6650 кДж (у женщин — 4150 кДж). Чистый энер­гетический расход за неделю у мужчин не должен превышать 33000 кДж в оптимальных микроклимати­ческих условиях. Максимальный энергетический расход за сутки, включая основной обмен и расход энергии в нерабочее время, не должен превышать 20000 кДж.

 

Таблица 14.10

Энергетический расход для мужчин

при различных видах нагрузки

 

 

 

Нагрузка	Чистый расход, кДж	Потреб­ление кислоро да, л/мин	Частота пульса, ударов в 1 минуту	Примеры
за смену	в ми­нуту
Очень легкая	<1250	<6	0,5	70—80	Канцелярская работа сидя
Легкая	1250—2500	6—12	0,5—1,0	80—90	Работа преимущественно сидя
Умеренная	2500—4150		0,5—1,0	90—100	Переноска легких предметов
Средняя	4150—6250	20—33	1,0—1,5	100—125	Большая часть работ, выполняемых на производстве, переноска грузов массой 15 кг
Тяжелая	6250—«300	33—45	1,5—2,0	125—150	Переноска грузов массой более 30 кг

 

В зависимости от величины энергетического рас­хода различают несколько категорий тяжести работ (табл. 14.10). Среднетяжелую работу, когда энергети­ческий расход за смену составляет 6250 кДж (или 33 кДж в минуту), здоровый человек может выполнять в течение долгого времени. Очень тяжелую работу, когда энергетический расход за смену составляет 10500 кДж (или 46 кДж в минуту), может выполнять лишь здоровый человек в возрасте от 20 до 30 лет в течение короткого времени.

Многие виды работ связаны с передвижением (ходьбой), подъемом и перемещением груза. Это также влияет на энерготраты оператора. Основные рекомен­дации по выполнению таких работ сводятся к следую­щему [207]. При рабочем усилии приблизительно до 50 Н (до 5 кг) рекомендуется положение сидя. При уси­лии от 50 до 100 Н положение тела не влияет на эф­фективность труда. При усилии более 100 Н работу в положении сидя выполнять не следует. При подъеме груза массой 20 — 25 кг работа мышц наиболее эффек­тивна. Подъем с земли грузов до 10 кг не является эффективным ввиду необходимой затраты сил на подъем тела. Наиболее экономичной высотой для подъема гру­зов является высота от 50 до 100 см над уровнем пола. Процессы подъема грузов необходимо механизировать во всех случаях, когда работнику приходится поднимать груз массой более 10 кг с пола на высоту выше головы, массой более 20 кг — до уровня плеча, массой более 30 кг — по пояса, более 40 кг — до колена, а также когда масса груза при доставке достигает 40% массы человека. Более подробные рекомендации по выполне­нию работ, связанных с подъемом и перемещением груза, можно найти в [7].

При организации работ, связанных с передвиже­нием, следует учитывать следующее. Средняя частота шагов при естественной ходьбе взрослых мужчин со­ставляет 1,8 Гц, при ходьбе женщин — 1,9 Гц, варьируя в довольно широких пределах от 40 до 180 шагов в минуту. Конструкции для пешего передвижения, на­пример пешеходные мосты, должны иметь полосу соб­ственных частот, выходящую за пределы основных гармоник спектра опорной реакции при ходьбе. В про­тивном случае может возникнуть опасность резонанса.

Довольно большой физической нагрузкой для че­ловека является подъем по лестнице: при нормальной скорости передвижения энерготраты могут достигать 63 кДж/мин, что равно энерготратам при ходьбе по ровной поверхности со скоростью 3 км/час с заплеч­ным грузом до 10 кг. Поэтому желательно, чтобы кон­струкции лестниц были оптимальными. Оптимальные размеры ступеней определяются на основе двух групп требований: во-первых, соответствия размеров ступе­ней размерам тела и кинематике и, во-вторых, мини­мального уровня энерготрат при подъеме по лестнице. Лестницы, удовлетворяющие этим требованиям, явля­ются в то же время наиболее безопасными. Реко­мендации по выполнению этих требований приведены в [7]. Одна из них сводится к выполнению условия

где а — высота; b — ширина ступеней.

При организации работ, связанных с передвиже­нием, следует учитывать также фрикционные свойства обуви и опорной поверхности, осуществлять меропри­ятия по демпфированию ударных нагрузок, учитывать биомеханические свойства обуви [7].

Энергетический подход к изменению тяжести тру­да и оптимизации трудовой деятельности человека довольно широко применяется на практике. Например, плодотворные попытки использования такого подхода для оптимизации конструкторских решений по орга­низации рабочего места оператора, улучшения каче­ства управления машиной, распределения функций между человеком и машиной в СЧМ предприняты Н.В. Адамовичем [3].

Однако измерение лишь одних энергетических затрат человека во многих случаях недостаточно для оценки тяжести его труда. Возможны ошибки, когда работу в неблагоприятных условиях относят к числу легких и наоборот. Например, в условиях конвейерно­го производства рабочие могут затрачивать небольшое количество энергии. Однако, как показывают физио­логические исследования, утомляемость при этом мо­жет быть весьма большой за счет высокого нервно-психического напряжения.

Известны случаи, когда у операторов прокатных станов, работающих в условиях большой информаци­онной нагрузки и неблагоприятных санитарно-гигие­нических условий труда, очень быстро возникают от­рицательные сдвиги в функциональном состоянии. Сходные же явления обнаружены у аппаратчиков высокоавтоматизированного химического производи ства, работающих в условиях сенсорного «голода» при благоприятных условиях труда. Оба примера показы­вают, что противоположные воздействия вызывают у операторов один и тот же результат — глубокое утом­ление и ухудшение функционального состояния орга­низма [75].

Эти примеры лишний раз показывают, что только по величине энергетической или информационной на­грузки не всегда можно судить о тяжести и напряжен­ности труда. При этом следует отметить, что зачастую понятие тяжести работы отождествляется на трудовую деятельность с преобладанием нагрузки на мышечную систему. А труд с преимущественным напряжением нервной системы обычно характеризуют понятием на­пряженности работы. Однако такое разделение являет­ся довольно условным, поскольку в трудовой деятельно­сти компоненты физической и умственной нагрузки неотделимы друг от друга. Это объясняется тем, что трудовая деятельность человека всегда совершается при участии сознания, а утомление всегда состоит в фун­кциональных изменениях в деятельности центральной нервной системы. При таком подходе степень нагрузки организма определяют единым понятием — тяжесть труда, понимая под ней как физическую тяжесть, так и нервно-психическую напряженность [110].

В этом случае для оценки тяжести труда измере­нию подвергаются факторы условий труда, а не энер­гетические затраты организма. При этом исходят из того, что именно факторы условий труда при их опре­деленном значении являются причиной тех функцио­нальных изменений в организме, которые в конечном счете характеризуют тяжесть труда. Отсюда вытекает стремление дать количественную оценку этим факто­рам, не исследуя сами реакции организма на их воз­действие. Согласно такому подходу, о тяжести работы судят по сумме отклонений условий труда от нормаль­ных, выраженных в баллах. Подобный подход к реше­нию данной проблемы является попыткой найти кри­терии для аналитической оценки тяжести работы.

Как физиологическое понятие тяжесть труда учиты­вает степень комплексного воздействия всех факторов, составляющих условия труда (санитарно-гигиенических, психофизиологических, социально-психологических, эстетических и др.), на работоспособность человека, его состояние и здоровье. Физиологическое понятие тяже­сти труда одинаково применительно как к физическо­му, так и к умственному труду, в том числе и к тем ра­ботам, которые выполняются во вредных или опасных условиях, а также в условиях высокой ответственнос­ти за выполняемые действия. Более подробно подход к комплексной количественной оценке условий труда рассматриваются в главе XIX. При таком подходе энер­готраты организма или величина выполняемой че­ловеком физической работы учитываются (наравне с другими) лишь как один из факторов, характеризую­щих условия труда. При этом следует иметь в виду, что чрезмерно малая физическая нагрузка (менее 2000 кДж за смену) является отрицательным фактором [160]. По­этому при проектировании трудовых процессов и орга­низации труда оператора следует предусмотреть специ­альные меры, обеспечивающие его физическую нагрузку, не меньшую минимально допустимого уровня.

 

Речевой ответ оператора

 

В некоторых случаях для осуществления управля­ющих воздействий используется речевой ответ опера­тора. Под ним понимается разновидность моторного действия (наряду с целенаправленными движениями конечностей человека), осуществляемого посредством звуковой речи. Такая речь представляет собой особое движение, поскольку артикуляционные акты, лежащие в основе звукообразования, непосредственно связаны с высшими психологическими функциями, с формиро­ванием и высказыванием понятий, суждений.

Как звуковая, так и письменная речь — это код, который при хорошем знании языка не требует специ­альной операции перекодирования. Существуют три специфические особенности речевых действий по сравнению с другими реакциями.

1. Речевые программы значительно менее подверже­ны автоматизации и выходу из-под контроля созна­ния, чем программы обычных движений. Отсюда вытекает возможность использовать простейшие речевые действия для уменьшения вероятностей ошибок автоматизма.

2. Речь, как правило, более значимый стимул, чем любой другой. Это необходимо иметь в виду при разработке речевых сигналов. Ошибочная выдача таких сигналов недопустима, так как человек, осо­бенно в стрессовых ситуациях, склонен верить речевой команде безусловно.

3.Речь передает избыточную информацию, относя­щуюся не только к процессу достижения цели. Речь всегда содержит «эмоциональную» составляющую, которая отражает и текущее состояние человека, и его стойкие личностные особенности. Указанная «Избыточность» может быть с успехом исполь­зована для повышения надежности передачи ин­формации между специалистами, включенными в СЧМ, причем языком в данном случае надо счи­тать не только собственно речевые сигналы, но и мимику, и жесты говорящего. Поэтому в СЧМ, где речевая связь имеет большое значение, желатель­но по возможности обеспечивать визуальный контакт между говорящими. Поскольку частотно-амп­литудные характеристики речи отражают психи­ческие состояния человека, эти признаки можно использовать в диагностических целях, например, для контроля функционального состояния опера­тора [53].

С помощью речевого ответа возможно в ряде слу­чаев речевое управление машиной. По сравнению с двигательными действиями оно имеет такие преиму­щества.

Во-первых, при использовании для управления машиной речевых команд существенно облегчается работа оператора, поскольку человек по природе бо­лее приспособлен для передачи информации посред­ством речи, нежели с помощью движений конечнос­тями. Поэтому произнести короткую речевую команду ему всегда легче, чем выполнить самое простое мо­торное действие рукой или ногой. Отсюда и утомле­ние при речевом управлении оказывается гораздо меньшим, чем при ручном. Ввод речевых команд не требует повышения громкости речи и длительной не­прерывной работы. Анализ деятельности оператора в некоторых существующих системах с голосовым вво­дом информации показывает, что темп отдачи команд, диктуемый оператору системой, не превышает 2 с на команду.

Во-вторых, ввод речевых команд осуществляется примерно в 2,5 раза быстрее, чем ввод двигательных команд (только для команд с неопределенностью ме­нее 2 бит эти скорости оказываются одинаковыми).

В-третьих, при речевом вводе сигналов человек допускает гораздо меньше ошибок, чем при ручном: в вербальном выражении умозаключения по решению возникшей задачи значительно меньше вероятность допустить ошибку, нежели тогда, когда это решение перекодируется в ручные моторные действия. Поэто­му при речевом управлении менее вероятны т. н. «глу­пые» ошибки оператора, его промахи. К тому же оши­бочно выданная речевая команда обычно сразу же обнаруживается; ошибка же при выборе кнопки, тум­блера чаще всего выявляется уже после отработки системой введенной команды:

В-четвертых, благодаря речевому управлению рас­ширяется оперативность управления: речевые коман­ды могут использоваться как дополнительный канал ввода информации, наряду с ручным управлением, причем эти каналы могут действовать как последова­тельно, так и параллельно. При речевом управлении увеличиваются возможности совместного дистанцион­ного управления системой несколькими рассредото­ченными в пространстве операторами (с регламента­цией по времени выхода каждого из них на управление).

В-пятых, при использовании речевого управления сокращается срок подготовки операторов. Если для формирования двигательных навыков требуются ме­сяцы, то подготовка оператора, способного успешно осуществлять голосовое управление, занимает несколь­ко часов, дней, необходимых для освоения словаря информационно-управляющей системы и правил уп­равления.

Рассматриваемые системы имеют и свои недостат­ки: необходимость обеспечения соответствующей зву­коизоляции, исключения посторонних разговоров, вы­сокую сложность и стоимость системы. Однако ранее названные достоинства таких систем значительно пре­валируют над их недостатками.

Речевое управление может использоваться для установления режимов работы системы, для ввода команд, корректирующих ее работу, для запроса дан­ных, которые могут потребоваться по ходу управления.

В настоящее время речевое управление уже реа­лизовано в ряде систем. Так, существуют системы речевого управления станками. В ряде случаев для их управления оказалось достаточным всего 5—10 слов, причем благодаря небольшому словарю управления удается получать более простые и надежные системы распознавания речи. Существует система речевого управления металлорежущим станком, действующая со словарем в 250 слов [77]. Более подробно вопросы речевого взаимодействия оператора с машиной рассматриваются в главе XXIV.