В современных тренажерах и компьютерных программах обучения, подготовки и переподготовки закладываются принципы развития практических навыков с одновременной теоретической подготовкой, т.е. тренажер способен развиваться вместе с обучаемым оператором (машинистом).

Тренажерные и симуляционные технологии к настоящему времени сформировались в успешно развивающуюся отрасль мировой индустрии. На базе этих технологий разработаны многочисленные тренажеры для военного применения, позволяющие имитировать боевые действия с высочайшей детальностью в реальном времени, создано множество приложений технологии виртуальной реальности.

Современные тренажерные  системы в мировой практике классифицированы по следующим признакам: назначению, способу организации структуры тренажера, количеству (полноте) отрабатываемых профессиональных навыков, моделированию динамически изменяющихся параметров, месту размещения [1, 3,  4] .

В общем случае тренажерная система – это программно-аппаратный комплекс, имеющий структуру, представленную на рис.1.

Рис.1.Структура тренажера

При разработке тренажера к нему предъявляются требования, диктуемые принципами системно-эргономического подхода, определяющего целевую функцию человеко-машинной системы, и на основе которого должна разрабатываться методологическая база.

Необходимая и достаточная точность и сложность математической модели объекта управления определяется целевой функцией человеко-машинной системы, которая состоит в следующем: обеспечение человеку-оператору адекватной информационной модели прототипа объекта управления; обеспечение возможности анализа информации и принятия решений; формирование и совершенствование у оператора профессиональных навыков и умений [1].

Рис.2. Структурная схема обучения операторов горной техники

Развитие современных информационных технологий приводит к расширению сферы применения тренажеров в профессиональной подготовке. На кафедре горных машин и транспортно-технологических комплексов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» разработан компьютерный тренажерно-моделирующий комплекс (КТМК) обеспечивающий тре­нинг машинистов экскаваторов (на примере экскаватора ЭКГ-5А) [5, 6].

КТМК входит в состав многофункционального учебно-тренировочного комплекса современной системы обучения операторов горной техники в двухступенчатом цикле (рис. 2): первая ступень - изучение горного оборудования и технологических процессов с помощью специально разработанных компьютерных программ и экзаменаторов – мультимедийная обучающая система «Подготовка машиниста экскаватора»; вторая ступень - обучение навыкам ведения штатных и аварийных режимов на специально разработанных тренажерах, адекватно имитирующих как рабочее место оператора, так и технологические процессы – компьютерный тренажерно-моделирующий комплекс (КТМК), обеспечивающий тренинг машинистов экскаваторов (на примере экскаватора ЭКГ-5А) [6, 7, 8, 9].

Карьерный гусеничный экскаватор относится к категории сложных технических систем, что предполагает наличие многомодульной структуры программного обеспечения. В основу принципа имитации положено математическое моделирование характеристик в базовом вычислительном комплексе с использованием блочно-модульной структуры программного обеспечения.

Одна из главных задач КТМК – это подготовить машиниста экскаватора к адекватному восприятию информации и своевременному реагированию на процесс управления сложной технической системой (экскаватором), а также для выработки комплекса взаимосвязей, определяющих систему критериев, по которым можно судить о качестве обучения.

Выполнение перечисленных функций в КТМК обеспечи­вается наличием следующих систем: моделирование внешней обстановки (среды и объектов воздействия); моделирование динамики объекта управления – рабочего оборудования экскаватора; моделирование рабочего места машиниста с учетом антропометрических характеристик и  анализа его деятельности; оценка психофизиологического состояния машиниста применительно к конкретному типу экскаватора.

Увеличение объемов добычи полезных ископаемых влечет за собой не только спрос на горнодобывающую технику, но и поддержание большого парка действующих горных машин на требуемом техническом уровне, что является приоритетной составляющей эффективной работы отечественных горных предприятий. Это сопряжено с решением целого комплекса вопросов, которые позволят вывести горнодобывающую промышленность по эффективности, производительности и безопасности на качественно более высокий уровень.

Для этого необходимо выполнение следующих условий: техническое перевооружение отрасли, путем внедрения нового, более производительного горного оборудования; эргономическая поддержка потребительских свойств продукции горного машиностроения на этапах ее создания и эксплуатации; разработка новейших технологий переработки добытого сырья и природных ископаемых; повышение квалификации персонала горных предприятий всех уровней [1-3].

Изучение публикаций, а также анализ отечественного и зарубежного опыта эргономических исследований и разработок дает основания для заключения в необходимости проведения дальнейших исследований с целью формирования и систематизации научно-методической базы создания высококачественной, безопасной и конкурентоспособной продукции горного машиностроения.

Происходящие изменения в горном производстве выявляют проблемы эффективного функционирования системы «человек – горная машина – среда» (ЧМС) с учетом конкретных производственно-технических, горно-геологических, природно-климатических и социально-экономических условий, а возросшая интенсивность производственных процессов и динамичность условий взаимодействия элементов человеко-машинной системы изменяют требования к оптимальному сочетанию способностей человека и технических возможностей машины.

В связи с этим к наиболее актуальным проблемам в данной области можно отнести:

• обоснование, разработка и уточнение эргономических требований к средствам, организации и условиям деятельности человека-оператора;
• обобщение, систематизация и использование опыта эргономических исследований и разработок в интересах учета человеческого фактора при создании и эксплуатации машин;
• эргономическое проектирование операторской деятельности с учетом прогноза комплексного влияния факторов деятельности на профессиональную надежность человека-оператора;
• эргономическая оптимизация процессов, средств и условий деятельности человека-оператора, основанная на прогнозных методах оценки ее эффективности в различных условиях эксплуатации.

В статье остановимся на научной составляющей при разработке системы эргономического обеспечения горных машин и достигнутых практических результатах.

Теоретические представления о природе человеческих факторов в технике определяют структурную схему формирования целостной эргономической характеристики системы ЧМС как эргономичность. Эргономичность является критериальной категорией качества продукции, рассматриваемой в концепции управления эргономическим уровнем качества (эргономичностью) продукции (УЭКП) как объект управления. УЭКП – системно структурированный процесс, базирующийся на совокупности взаимосвязанных научно-теоретических принципов и положений, а также методов и средств их реализации, направленных на достижение в рамках менеджмента качества требуемой эргономичности [4, 5].

Эргономичность горной машины представляет собой многофакторную и многокритериальную систему с качественными и количественными характеристиками, и иерархическим их представлением. В ходе проведенных исследований нами предложен и адаптирован математический аппарат нечеткой логики и теории нечетких множеств для создания научно-методологических подходов обработки аналитической информации в условиях неопределенности и разработки математических моделей для описания, оценки и управлению эргономичностью горных машин, позволяющий аналитически работать с трудно формализуемыми качественными параметрами.

Важнейшей особенностью жизнеспособности любой теоретической концепции является ее реализация и поддержка в соответствующих программных продуктах. В настоящее время активно формируется мировой рынок коммерческих программных продук­тов для работы с нечеткой логикой, представлено более 100 пакетов прикладных программ. Среди представленных пакетов наибольшей универсальностью обладают FuzzyTECH и расширение Fuzzy Logic Toolbox for MatLab. Выбор программного обеспечения  MATLAB в качестве основного программного продукта для исследований обусловлен наличием и установленной лицензионной версии в центре информационных технологий ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» [5, 6].

Таким образом, нами достигнуты следующие научные результаты:

-предложен метод математической формализации информации в терминах нечетких множеств, позволяющий адаптировать математический аппарат теории нечеткой логики для приложения к предметной области исследования эргономичности горных машин.

-создан комплекс алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия решений основанный на формализации информации в терминах нечеткой математики, отличающиеся возможностью агрегирования разнородных эргономических показателей.

-определена возможность ранжирования горных машин по критерию эргономичности с использованием метода анализа иерархий.

-разработана концептуальная модель построения аппаратно-программного обеспечения тренажерно-обучающей системы.

С использованием современных информационных технологий Fuzzy Logic Toolbox for MatLab автоматизированы и подготовлены к практическому использованию на ПК математические модели системы поддержки принятия решения по определению уровня эргономичности горных машин (табл.) [7, 8].

Таблица

Для успешного решения прикладных задач эргономической оптимизации процессов, средств и условий деятельности человека-оператора нами созданы программные продукты [9-11]:

-для  интерактивного проектирования рациональной компоновки элементов рабочего места машиниста карьерного экскаватора с учетом антропометрических признаков человека (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012661208);

-для обеспечения профессиональной надежности человека-оператора – тренажер подготовки операторов горных машин и комплексов (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2013661738).

Подготовлена к государственной регистрации программа для ЭВМ «Численное моделирование оптимального выбора горных машин с учетом эргономического обеспечения», которая базируется на методе анализа иерархий.

Одним из методов теории принятия решений является  метод анализа иерархий (МАИ). Метод анализа иерархий создан американским  ученым Т. Саати. Уникальность метода заключается в том, что он является одновременно и качественным и количественным. Будучи в основе качественным, т.к. используется информация о попарных качественных сравнениях по лингвистическим критериям, МАИ позволяет количественно оценить приоритеты альтернатив или иных элементов иерархии Т. Саати нашел математически обоснованный способ оперирования суждениями. В результате стало возможным свести исследование даже очень сложных систем к последовательности попарных сравнений соответствующим образом определенных компонент. Это позволяет поднять метод экспертных оценок на более высокий логический уровень [2]. Общая структура метода  анализа иерархий  может включать несколько иерархических уровней со своими критериями. Метод состоит из совокупности следующих этапов: первый этап заключается в структуризации  задачи в виде иерархической структуры с несколькими уровнями; на втором этапе выполняются  попарные сравнения элементов каждого уровня; вычисляются  коэффициенты важности для элементов каждого уровня, при этом проверяется согласованность суждений; подсчитывается комбинированный  весовой коэффициент и определяется наилучшая альтернатива.

В настоящее время в связи с возросшими возможностями современных ЭВМ разработаны программные информационные системы, обеспечивающие поддержку процесса принятия решений на всех его фазах [3]. Созданы, как методики использования МАИ в составе распространенных офисных пакетов MS Excel, Access, Open Office, так и специализированые программы, к числу которых можно отнести:

-        Expert Choice – http://www. Expert choice.com;

-        MPriority – www.tomake choice.com/ mpriority.html;

-        СППР «Эксперт» – http://lab12.geosys.ru/pageslab/lab12_expert.htm;

-        OPTIMUM – http://www. tomakechoice. com/paper/ Odessa2009p.pdf;

-        СППР «Выбор» 5.3 – http://www.cirtas.ru/ product. php? id=10;

-        WinEXP+ – http://www.teleform.ru/pages/ 0002/0006/0001/ 0002.html и другие.

В работах [4-8] проведены исследования по выявлению показателей, определяющих уровень эргономического обеспечения горных машин. Методом парных сравнений произведена декомпозиция проблемы на более простые составляющие части с дальнейшей обработкой последовательности суждений лица, принимающего решения (рис. 1). С использованием  пакета MS Excel выполнено ранжирование эргономических показателей и определены их численные значения (рис. 2).

Рис. 1. Декомпозиция задачи в иерархию

Рис. 2. Результаты исследований в установлении значимости эргономических показателей

Для автоматизации процесса проведения экспертной оценки нами разработана компьютерная программа. В программе реализована процедура поэтапного выполнения расчетов, на начальном этапе задается необходимо количество экспертов – независимых квалифицированных специалистов, имеющих опыт работы в горной промышленности. Для повышения степени объективности и качества процедуры принятия решений целесообразно учитывать мнения нескольких экспертов. С этой целью проводится групповая экспертиза, оценка весомости критериев (эргономические показатели – управляемость, обитаемость, обслуживаемость,  осваиваемость, технологичность) и альтернатив (модели карьерных экскаваторов) с учетом данного подхода предполагает привлечение специалистов-управленцев,  производственников, ученых и т. п.

Необходимо заметить, что каждый из критериев имеет разную степень значимости. Соответственно, на первом этапе, необходимо по разработанным анкетам произвести оценку значимости каждого эргономического показателя с точки зрения членов экспертной группы. В программе реализована возможность редактирования и хранения результатов анкетирования различных групп эргономических показателей (рис. 3). Далее выполняется попарное сравнение имеющихся альтернатив с точки зрения каждого из критериев и определяется глобальный приоритет рассматриваемых типов экскаваторов по всем показателям с учетом их значимости.

Рис. 3. Интерфейс программы – Численное моделирование оптимального выбора горных машин с учетом эргономического обеспечения

Функциональные возможности разработанного программного обеспечения позволяют [9, 10]:

• создавать сложные и разветвленные иерархии;
• представлять полную информацию о проведенных попарных сравнениях с возможностью устранения возможных несогласованностей в матрицах парных сравнений;
• проводить вычисление приоритетов альтернативных решений;
• оценивать альтернативы (экскаваторы) по каждому из эргономических показателей с выводом  итоговой диаграммы.

Рис.1. Классификация операторов эргатических систем

Анализ трудовой деятельности операторов (на примере машинистов карьерных экскаваторов), изучение требований технологических регламентов и инструкций по эксплуатации горных машин и транспортно-технологических комплексов,  а так же учет мнений экспертов легли в основу методики, которая состоит из трех основных составляющих: анализ компонентов, входящих в состав структуры производственной деятельности операторов; оценка каждой группы и индикаторов, определяющих эффективность функционирования; формирование предварительного отчета и анализ результатов (рис.2).

Рис. 2. Алгоритм

Методика включает следующие этапы:

1. Процедуру классификации чего по группам ключевых индикаторов, определяющих эффективность функционирования оператора. К первой группе относится вид деятельности, определяющий «профессиональные навыки»  машиниста экскаватора – P_i, ко второй «теоретические знания» – T_i.
2. Экспертная оценка важности групп и индикаторов внутри группы.
3. Нормирование индикаторов.
4. Сбор и обработка экспертной информации  – обработка мониторинговых карт.
5. Определение коэффициент эффективности деятельности операторов горных машин и транспортно-технологических комплексов.
6. Анализ результатов.

С целью  повышения степени объективности и качества процедуры принятия решений нами разработана компьютерная программа необходимая для автоматизации процесса проведения экспертной оценки. Программа базируется на методе анализа иерархий (МАИ). МАИ создан американским  ученым Т. Саати и  является одним из методов теории принятия решений. Уникальность метода заключается в том, что он является одновременно и качественным и количественным, что позволяет метод экспертных оценок на более высокий логический уровень [1, 2]. Общая структура метода  анализа иерархий  может включать несколько иерархических уровней со своими критериями. Метод состоит из совокупности следующих этапов: первый этап заключается в структуризации  задачи в виде иерархической структуры с несколькими уровнями; на втором этапе выполняются  попарные сравнения элементов каждого уровня; вычисляются  коэффициенты важности для элементов каждого уровня, при этом проверяется согласованность суждений; подсчитывается комбинированный  весовой коэффициент и определяется наилучшая альтернатива (рис. 3). Стоит отметить, что в настоящее время разработаны, как методики использования МАИ в составе распространенных офисных пакетов MS Excel, Access, Open Office, так и специализированные программы.

В разработанной программе процедура расчетов производится поэтапно, на начальном этапе задается необходимо количество экспертов – специалистов-управленцев,  производственников, ученых и т. п. Эксперты,  на основе личного опыта по разработанным анкетам оценивают весомость критериев, которые имеют разную степень значимости. Программа содержит диалоговые средства, позволяющие получать наиболее полную информацию о проведенных попарных сравнениях и устранять возможные несогласованности в матрицах сравнений. Для сравнения критериев друг с другом можно использовать полосу сравнения, которая помогает определить, какой из них более, а какой – менее важен. По итогам работы программы для каждой из альтернатив выводится сравнительная диаграмма, позволяющая найти наиболее подходящее решение (рис. 4). В программном  продукте реализована возможность редактирования и хранения результатов анкетирования [4-7, 8].

Рис. 3. Декомпозиция задачи в иерархию. Оценка вида деятельности определяющие «профессиональные навыки» операторов

Рис. 4. Интерфейс программы «PERSONAL.2015»

Функциональные возможности разработанного программного обеспечения позволяют [8-11]: разрабатывать сложные и разветвленные иерархии; представлять полную информацию о проведенных попарных сравнениях с возможностью устранения возможных несогласованностей в матрицах парных сравнений; проводить вычисление приоритетов альтернативных решений; оценивать альтернативы с выводом  итоговой диаграммы.

Разработанный методический и программный инструментарий позволит эффективно оценивать операторов горных машин  и обоснованно формировать перспективные планы развития персонала горнодобывающих компаний.