Оператор – это человек, принимающий участие в управлении объектами и системами и являющийся составным элементом человеко-машинной системы (ЧМС). В общероссийском классификаторе профессий (ОКПДТР) приводятся около 350-ти различных операторских профессий и 20-ти операторских должностей. При этом вне зависимости от вида ЧМС целью оценки операторской деятельности является определение соответствия достигнутого уровня подготовки оператора (его квалификации), предъявляемым требованиям. Формулировка этих требований и определяет тот показатель деятельности, достижение которого равнозначно достижению целей операторской подготовки [2].
В работе использован обобщенный структурный метод А.И. Губинского, ориентированный на формализацию процесса функционирования (ПФ) ЧМС в целом, т.е. как действий человека, так и операций технической части. Подготовка моделей ПФ ЧМС на основе функциональных сетей для последующей оценки показателей эффективности, качества и надежности (ЭКН) функционирования ЧМС проводится по следующей методике: 1. Формулировка цели работ по оценке ЭКН; 2. Сбор исходных данных; 3. Разработка модели ПФ в виде функциональной сети; 4. Расчет показателей эффективности, качества и надежности функционирования ЧМС; 5. Выводы и корректировка модели [3, 4].
В данной работе реализовано: расчет показателей надежности ЧМС (на примере оператора экскаватора); разработана математическая модель деятельности оператора экскаватора; выполнена количественная оценка надежности человеко-машинной системы в случаях работы операторов на высоком, достаточном и удовлетворительном уровнях. 
Проведя анализ деятельности оператора, была разработана функционально-структурная схема деятельности (рис.1) [5-12]. В таблице № 1 приведен перечень операций, которые выполняет оператор экскаватора ЭКГ. Расчет проводился для трех различных групп операторов (работа операторов на высоком, достаточном и удовлетворительном уровнях). В таблице 2 представлены зависимости для расчета вероятности безошибочного выполнения производственных функций.

№	Схема типовой функциональной структуры	Расчетная формула вероятности безошибочного выполнения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

В настоящей работе исследована возможность распространения методологии ФСТ проф. А. Губинского на задачу моделирования деятельности оператора экскаватора, разработанная математическая модель, позволяет получить значения показателей качества функционирования оператора экскаватора.

Средневзвешенный износ экскаваторного парка по сроку службы, эксплуатируемого на железорудных карьерах РФ, превышает 1,1÷2,5 раза. Значительный износ имеют экскаваторы ЭКГ-8И, который составляет 85-100%, как и у экскаваторов ЭКГ-5 (5А) [1, 2].

В последнее время наблюдается увеличение случаев разрушения элементов металлоконструкций экскаваторов, влекущих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта техники.

Основными причинами отказов рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором типа ЭКГ являются: динамические нагрузки, превышающие допустимый уровень; форма конструкции, приводящая к высокой концентрации напряжений; последствия ремонтных воздействий; относительно низкая квалификация машинистов.

Значительное число отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится на отказ рукояти – 27 % (рис. 1) [1].

Рис. 1. Структура отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А

Оценка влияния квалификации машинистов на надежность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А подробно рассмотрена в работе [1] обработаны данные хронометражных наблюдений за работой экскаваторов типа ЭКГ-5А при экскавации горной массы в конкретных условиях эксплуатации (рис. 2.).

Рис. 2. Распределение отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

В работах [1, 2, 4, 5], в ходе проведенных исследований установлено, что наибольшее количество отказов связано с проявлением пиковых нагрузок вследствие низкой квалификации машинистов (табл. 1).

Таблица 1. Результаты исследований

Необходимо также отметить, что в настоящее время методика, позволяющая, продлевать срок безаварийной эксплуатации  экскаваторов или управлять их долговечностью при разработке взорванных горных пород отсутствует. Существуют лишь методы расчета статической, динамической и усталостной прочности металлоконструкций экскаваторов, которые используются на стадии их проектирования. За основу в этих расчетах принимается положение о нормативных нагрузках значительно отличающихся от фактических, действующих на оборудование [3].

Для наиболее точных расчетов и решении задач прогнозирования ресурса металлоконструкций экскаваторов, разработана компьютерная программа, в которой в полной мере учтено: влияние  квалификации машинистов, характеристики горных пород и подготовленность горной массы к экскавации; характер формирования нагрузок во времени (рис. 3).

Функциональные возможности разработанного программного продукта позволяют: выбирать тип экскаватора; учитывать стаж работа машинистов по специальности; характеристики горной массы при экскавации в ковше; емкость ковша; сечение балки рукояти.

Рис. 3. Интерфейс программы

Таким образом, полученные данные позволяет определить режимы эксплуатации экскаватора, при которых будет достигаться максимальная долговечность конструкции рукояти.

Внедрение нового информационно-диагностического оборудования в систему “человек–горная машина–среда” современных экскаваторов позволяет улучшить качество управления и повысить уровень контроля над основными механизмами, такими как: напорный, подъема ковша, торможения, и др. Экскаваторы, эксплуатируемые на карьерах и разрезах, обладают электромеханическими системами большой единичной мощности и значительными габаритами, поэтому с внедрением нового оборудования, происходит повышение и требований к машинистам экскаваторов. Современный машинист, взаимодействуя с техническими системами должен, кроме управления в сложных горнотехнических условиях, также контролировать систему показателей внутренних систем и визуально контролировать рабочий цикл экскавации и погрузки горной массы в транспортное средство [1, 2, 3, 4, 5].

Для адаптации  машинистов (операторов) с малым опытом работы, во время обучения используются  современные тренажеры и программы, которые имитируют на экране рабочий цикл по экскавации горной массы. Современные учебно-тренировочные устройства способствуют закреплению теоретических знаний и повышению навыков управления  экскаватором [6].

После прохождения обучения, машинист (оператор) в соответствии с требованиями по эксплуатации должен пройти стажировку под руководством опытного машиниста экскаватора (продолжительностью от 2 до 5 смен) [7].

Основанием данной работы послужило сопоставление результатов приводимых исследований представленных в работах [1, 8, 9]  (табл. 1) с оценками уровня подготовки операторов после обучения, рассчитанные в работах [10, 11] (табл. 2), где P_глоб. – оценки уровня подготовки,

Результаты работ (табл.1, табл.2) соотнесены на рисунке.

Таблица 1. Значения коэффициентов определяющих  эффективность эксплуатации  и управления карьерных экскаваторов

Таблица 2. Результаты  оценок деятельности операторов

Рисунок. Соотношение уровней подготовки со значениями коэффициентов деятельности операторов

На основе анализа (табл.1), уровня подготовки (табл.2) и их сопоставления на рис., можно сделать вывод, что достаточный уровень подготовки соответствует стажу машиниста меньше года и допустим только к решению типовых задач. Тогда как высокий уровень подготовки соответствует стажу 5-10 лет. Такие специалисты могут выполнять различные технические задачи и нести ответственность за их выполнение. Данный уровень достигается при условии, что работник имеет большой наработанный опыт при выполнении типовых задач, а также имеет опыт работы на технических системах меньшей мощности.

Это подтверждает требование руководства по эксплуатации карьерных экскаваторов большой единичной мощности (более 15 м³), что машинист должен иметь опыт работы на подобном оборудовании с вместимостью ковша более 4 м³ не менее 5 лет, перед управлением экскаватором большой единичной мощности [12, 13].

Таким образом, сопоставление коэффициентов квалификации машиниста с уровнем подготовки позволяет соотнести уровень подготовки специалиста с его эффективностью, стажем, умением управлять экскаватором, но и определить его место в производственном процессе.

На современных карьерах и разрезах экскаваторный парк представлен карьерными механическими лопатами российских производителей (ПО «Уралмаш», ИЗ-КАРТЭКС и др.), при этом 80% всего парка экскаваторов – это мехлопаты с ковшом 5-10 м³, выпущенные в 80-е годы прошлого века (рис. 1) [1, 2].

Рисунок 1 – Состояние экскаваторного парка по угольной отрасли

Для повышения конкурентоспособности традиционных и новых образцов экскаваторной техники дальнейшее развитие ЭКГ необходимо осуществлять в направлении:

• повышения качества, надежности оборудования и оптимизации экскаваторных работ;
  
• повышения автономности и мобильности экскаваторов;
• улучшения безопасности эксплуатации, санитарно-гигиенических условий и комфорта труда обслуживающего персонала.

Перевооружение карьеров экскаваторами нового поколения, оснащенными современными управляющими, компьютерными информационно – диагностическими системами, аппаратными и программными средствами передачи, обработки и анализа данных обеспечивают не только повышение эффективности горных работ, но и изменяют требования к согласованию способностей человека и технических возможностей горной машины [5, 6]. Поэтому исследования по реализации конструктивных решений, обеспечивающих оптимальный процесс функционирования подсистемы «человек – экскаватор» с учетом эргономических требований, несомненно, актуальны [1-4].

Обзорность один из основных эргономических показателей управляемости карьерного экскаватора [3, 4]. В настоящее время, улучшение обзорных качеств кабин карьерных экскаваторов обусловлено увеличением площади остекления, размерами стекол, шириной и числом перемычек, изменением положения оператора в кабине, а также изменением положения кабины по высоте.

Техническое решение подъема и опускания кабины экскаватора уже используется компаниями Caterpillar и концерном Volvo, а также в перегружателях, произведенных на основе колесных гидравлических экскаваторов строительного типа.

Нами разработан механизм сопряженно-рычажного типа для изменения пространственного положения кабины ЭКГ в программе Autodesk Inventor, разработка схемы гидропривода с электроуправлением реализовано в Fluid SIM Hydravulics из пакета Festo Ditactic.

Fluid SIM Hydravulics из пакета Festo Ditactic – является обучающим инструментом и может использоваться как в комбинации с учебным оборудованием Festo Didactic GmbH & Со, так и отдельно. Основная особенность пакета Fluid SIM заключается в связи с САПР по функциональности и возможностям моделирования. Fluid SIM Hydravulics предназначен для конструирования схем гидропривода и гидроавтоматики с ручным, электрическим и электронным управлением, а также выполнять реалистическое моделирование, основанное на физических моделях ее составляющих. Для построения схем используются стандартные обозначения элементов, а интерфейс программы такой же, как и большинства приложений Windows [7].

Работа начинается с выбора пункта главного меню программы File-New. На экране, размещено два окна – библиотека компонентов (Component Library) и окно проекта (рис. 2). Для того, чтобы поместить тот или иной элемент библиотеки в окно проекта, достаточно выделить его левой клавишей мыши и, удерживая ее, перетащить в окно проекта.

Рисунок 2 – Интерфейс Fluid SIM Hydravulics

Разработанные гидравлическая схема привода механизма и электрическая схема представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Разработанная схема в разный момент работы