Предпроектное эргономическое проектирование

• Текст:В.В. Зефельд
  2 ноября 2018
• Добавить в кабинетДобавлено в кабинет

Проектируя изделие или рабочее место, художник-конструктор использует данные, основу которых составляют научные сведения о человеке. В частности, данные кор­рективной эргономики позволяют правильно учесть возможности и особенности челове­ка. Однако этот свод рекомендаций носит довольно общий характер и не нацелен на какое-либо конкретное изделие.

Чтобы максимально приблизить эргономические данные к сути проектного дела, не­обходимо изменить форму их представления. Общепонятным «языком» как для художника-конструктора, так и для эргономиста могут стать пространственно-временные параметры изделия: размеры, геометрическая форма, режим эксплуатации и т. п. Именно здесь, на наш взгляд (то есть через конкретные пространственно-временные параметры и форму изделия), для эргономиста открывается возможность влиять на характер взаимодействия человека с орудием труда, а значит и непосредственно участвовать в конструировании конкретной человеческой деятельности.

Рассмотрим три примера из практики предпроектного эргономического моделирования пространственно-временной формы изделия и рабочего места.

Рис. 1. Общий вид стенда для экспериментального определения оптимальных размеров и геометрической формы изделий и рабочих мест

При разработке художественно-конструкторского проекта токарно-копировального полуавтомата фирмы «Utita» (Италия) эргономисты ВНИИТЭ предложили использовать такие пространственно-временные параметры станка, при которых движения работающего обусловлены наиболее рациональным использованием мускульной энергии. Вначале эргономистами был проведен функциональный и структурный анализ деятельности станочника. Это позволило установить, что наиболее характерными операциями за станком являются установка и снятие обрабатываемой детали. При этом станочник испытывает довольно значительную физическую нагрузку, которая складывается из мышечного напряжения по поддержанию обусловленной размерами и геометрической формой станка рабочей позы и собственно манипуляций с деталью. Перед эргономистами встала задача — найти такие размеры и геометрическую форму станка, при которых напряжение мышц по поддержанию вынужденной рабочей позы было бы сведено к минимуму.

Поиск формы осуществлялся на специальном стенде (рис. 1). С помощью скользящих металлических стержней и навесного оборудования, имитирующего основные рабочие элементы станка (зажимной патрон, заднюю бабку и т. п.), последовательно вос­производился ряд объемных моделей станка. Во время работы испытуемого с моделями записывалась биоэлектрическая активность мышц. Полученные миограммы позволили выбрать из ряда исследуемых моделей одну, размеры и геометрическая форма которой наиболее близко подходила к оптимуму.

Другой пример — работа над интерьером операторского пункта обжигового цеха Вос­кресенского химкомбината им. В. В. Куйбышева. Здесь разработка эргономической модели была ориентирована на организацию сенсомоторной активности оператора в аварийной ситуации.

Рис. 2. Схематическое изображение изменения объектов зрительного восприятия оператора при переходе из зоны оперативного покоя в рабочую зону 

Как известно, длительное и бездеятельное ожидание аварийного сигнала, появляющегося чрезвычайно редко, отрицательно влияет на надежность и быстроту действий оператора во время аварийной ситуации, ибо в этот момент объем анализируемой им информации резко возрастает, что в свою очередь препятствует выработке оператором правильной последовательности восприятия производственной информации Упорядочить сенсомоторную активность человека можно с помощью организации зоны оперативного покоя, удаленной на расчетное расстояние от пульта управления. В нашем примере это расстояние равно трем шагам (рис. 2). Предполагается, что так называемая зона оперативного покоя является в интерьере пункта основной рабочей позицией. При аварийном сигнале оператор встает и оценивает взглядом ситуацию на панели информации. Делая первый шаг, он соотносит общую информацию о состоянии технологического процесса с детальной, представленной на мнемосхеме пульта управления. Второй шаг — анализирует информацию соответствующего блока мнемосхемы. Третий шаг — принимает решение и воздействует на органы управления. Геометрическая форма и размер всего интерьера и оборудования также подчинены логике процесса включения оператора в работу по схеме «трех шагов». Если элементы и ракурсы интерьера и оборудования в зоне оперативного покоя создают разнообразную обстановку отдыха (удобная мебель, аквариум, декоративная зелень, соответствующий цветосветовой климат и т. д.), то во время движения оператора к пульту управления ракурсы интерьера и оборудования последовательно меняются таким образом, что визуальный контроль нужной информации значительно упрощается. Так, например, расположенная на пульте управления мнемосхема из зоны оперативного покоя не просматривается. Однако, по мере приближения оператора к пульту, в поле зрения оператора попадает только мнемосхема, все же остальные элементы формы пульта не прочитываются. Если в предыдущих примерах эргономические модели были ориентированы на оптимум проявления отдельных психомоторных функций одного человека, то в предлагаемом ниже примере требовалось обеспечить оптимальную двигательную активность людей, длительное время выполняющих обширный комплекс производственно-бытовых операций в условиях ограниченного и изолированного от внешней среды обитаемого объема. Компоновка интерьера условного космического корабля, выполненная с позиций эргономического моделирования, сопоставляется с компоновкой обитаемых отсеков двух космических кораблей для полета на Марс, предложенной американскими инженерами-конструкторами.

Рис. 3. Схема взаимосвязей между функциональными группами помещений: 1 — транмпортная связь для людей; 2 — транспортная связь для предметов; 3 — непосредственный речевой контакт. Рис. 4. Схема расположения помещений по отсекам. Штриховкой выделены оборудование и емкости 

Расчет предпроектной эргономической модели космического корабля для полета на Марс включал три основных этапа. На первом этапе выбирался необходимый состав помещений и устанавливалась схема взаимосвязей между функциональными группами помещений (рис. 3). Функциональная группа помещений объединяется по принципу однородности выполняемой в этих помещениях работы (производственная, хозяйственная и т. д.). Линиями взаимосвязи могут быть: транспортная для людей и предметов, визуальная, непосредственного речевого контакта и т. п. При установке линий взаимосвязи следует стремиться к максимальному сокращению их длины и следить за тем, чтобы они не пересекались между собой. Второй этап — на основе схемы взаимосвязей устанавливалась схема объемно-планировочного решения интерьера. Все помещения размещены по четырем отсекам — этажам (рис. 4). Основным принципом отработки схемы было стремление к максимальной компактности и доступности в расположении оборудования и различных емкостей. Наконец, на третьем этапе определились точный объем и геометрическая форма обитаемого пространства корабля. На рис. 5 приведены экспериментально установленные границы эффективно осваиваемого руками пространства из фиксированного положения тела. При выполнении тех или иных производственно-бытовых операций человек использует лишь часть этого пространства, которую можно назвать функциональным пространством двигательной активности на рабочем месте. Суммой таких функциональных пространств и можно было бы ограничиться при определении объема и геометрической формы интерьера.

Однако нельзя не учитывать сложившуюся у человека потребность совершать движения не только сугубо производственно-бытового характера. Поэтому на рабочем месте членов экипажа требуется несколько больший объем функционального пространства, а в некоторых случаях даже близкий к максимально осваиваемому. Так, например, при установлении объема и геометрической формы функционального пространства физкультурного зала следует учитывать максимальные размеры эффективно осваиваемого близлежащего пространства. Это диктуется необходимостью пространственного обеспечения всех возможных движений тела человека при выполнении разнообразных физических упражнений и игр. Помещение для личной гигиены может иметь минимальный объем и упрощенную геометрическую форму, поскольку время пребывания здесь человека незначительно. Однако длительность пребывания в помещении не во всех случаях может служить критерием размеров свободного от предметов обитаемого пространства. Например, в помещении шлюза в целях обеспечения безопасности, а также надежности выполнения двигательных рабочих операций объем и геометрическая форма интерьера должны в большей степени соответствовать максимальным размерам зрительно-моторного поля. Прорисовку объема и геометрической формы интерьера отдельного помещения целесообразно начинать с выбора наиболее оптимальных вариантов взаиморасположения групп людей или позиций одного человека. При этом на чертеж наносятся не только размеры тела человека, но и геометрические границы максимального размера зрительно-моторного поля, исходя из принятого рабочего положения (рис. 5). Только после этого намечается геометрическая конфигурация ограждающих конструкций интерьера.

Рис. 5. Проекции максимальных границ зрительно-моторного поля человека: 1 — для положения стоя (ступни ног фиксированы на ширине плеч); 2 — для положения сидя (фиксирован нижний пояс тела и ограничено движение корпуса назад); 3 — для положения лежа (фиксирована область таза и спины). Рис. 6. принципиальные компоновочные схемы обитаемой части космического корабля для полета на Марс: 1 — помещение для контрольно-измерительных приборов; 2 — главный пульт управления; 3 — физическая лаборатория; 4 — ремонтная мастерская; 5 — люк; 6 — кают-компания-столовая-операционная; 7 — индивидуальная каюта — рабочий кабинет; 8 — камбуз; 9 — грузовой лифт; 10 — физкультурный зал; 11 — биохимическая лаборатория; 12 — оранжерея; 13 — совмещенный санузел; 14 — шлюз; 15 — помещение для хранения скафандров; 16 — продовольственный склад

Поверхности ограждающих конструкций либо повторяют контуры максимальных границ зрительно-моторного поля, либо представляют собой секущие этот объем плоскости. И в том, и в другом случае поверхности ограждающих конструкций во всех своих точках легко доступны без изменения положения тела, что представляет значительное удобство и требует наименьшей затраты рабочего времени при различных двигательных операциях. Например, геометрическая конфигурация плоскостей ограждающих конструкций интерьера индивидуальной каюты — рабочего кабинета (рис. 6) во многом повторяет контуры совмещенных максимальных границ поля для основных рабочих положений тела. Остальное же пространство служит емкостью для предметов и оборудования. Используя в соответствии с характером производственно-бытовых функций то или иное оборудование из емкостей, космонавт может быстро переоборудовать интерьер каюты в спальню или рабочий кабинет специализированного профиля. Кроме того, находясь в малом замкнутом пространстве своей каюты, он имеет возможность совершать большое количество разнообразных движений из трех основных положений тела. Организованный таким образом интерьер создает необходимые условия для двигательных операций при минимальном объеме обитаемого пространства. Преимущества такого подхода (рис. 6) к компоновке обитаемых отсеков можно проиллюстрировать сравнительным анализом с компоновками, предложенными инженерами-конструкторами (рис. 7 а, б). Практика проектирования подобных объектов обычно подчинена требованиям конструктивно-технологической целесообразности. За основу берется геометрическая форма космического корабля (конус, цилиндр, шар и т. п.), которая затем расчленяется плоскостями на ряд отсеков. В результате такой разбивки размер и геометрическая форма отсеков, как правило, случайны и не сообразуются с особенностями двигательной активности человека. Это вы­зывает ряд затруднений как при обеспечении эффективности действий космонавтов, так и при конструктивных решениях отдельных фрагментов интерьера и оборудования. Полученный объем и геометрическая форма свободного от предметов обитаемого пространства вынуждают человека совершать большое количество нерациональных движений. А иногда использование всего объема свободного пространства становится вообще недоступным для человека (имеются в виду так называемые «мертвые зоны» в пространстве интерьера). Простота конструктивных решений нарушается еще и потому, что проектировщик вынужден вписывать готовые конструкции производственного и бытового назначения в не соответствующие им пространства в интерьере. Обитаемое пространство трех приведенных компоновок (рис. 6, 7, а, б) дифференцировано нами на 5 качественно различных категорий. На основании размера и взаиморасположения пространства этих категорий можно дать сравнительную оценку компоновочных решений.

К первой категории отнесены те объемы обитаемого пространства, которые недоступны для освоения руками человека при фиксированных основных положениях тела. Наличие объемов обитаемого пространства этой категории в интерьере крайне нежелательно, так как приводит к увеличению веса основных ограждающих конструкций и к потере рабочего времени из-за неоправданных передвижений человека. Ко второй категории причислены объемы пространства, которые могут быть освоены руками одного человека из основных положений тела.

В третью категорию входят «отрезанные» ограждающими конструкциями или обору­дованием части максимального объема, эффективно осваиваемого человеком близлежащего пространства, то есть части пространства второй категории, которые пропа­дают из-за недостатка конструкторских решений. Потеря объема пространства этой категории при длительной эксплуатации интерьера имеет отрицательное значение, так как лишает человека возможности совершать определенное количество движений на рабочем месте. Например, человек не может наклониться вправо или влево. Кроме того, при значительном отсечении объема пространства этой категории искажается естественная траектория движения рук, что отрицательно сказывается на работоспособности и надежности двигательных операций человека.

Четвертая категория включает объемы пространства, которые могут быть одновременно освоены руками двух и более человек, или одним человеком с любого из двух и более рабочих мест. Большой объем пространства этой категории в интерьере указывает на высокую компактность объемно-планировочного решения. Однако сам по себе суммарный объем пространства данной категории не может служить критерием качества компоновочного решения.

В некоторых случаях для нормального выполнения производственно-бытовых функций в пространстве четвертой категории нет необходимости. Бывает и так, что в отдельных участках пространства происходит «столкновение» различных функций. (Например, при работе двух человек за одним пультом управления или при выполнении физических упражнений.) В этом случае наличие объема пространства данной категории в интерьере недопустимо. К пятой категории обитаемого пространства отнесены те участки, в которых непосредственно осуществляются конкретные рабочие операции. При сравнении компоновочных схем с точки зрения пространственного обеспечения таких функций, как сон, отдых, прием пищи, умывание и т. п., на рис. 6 видно, что каждому космонавту для сна отведена отдельная каюта, а на двух других схемах, приведенных на рис. 7 а, б, индивидуализации пространства нет. Длительное пребывание в таких отсеках не может быть рекомендовано, так как сон (7–8 часов) и личное время занимают около половины суток. Отсутствие в схемах на рис. 7 а, б индивидуальных кают — рабочих кабинетов обусловлено не столько ограниченностью обитаемого пространства (его объем для сна, отдыха и приема пищи на одного человека приблизительно такой же, что и на схеме, приведенной на рис. 6), сколько нерациональным его использованием. На схемах, приведенных на рис. 7 а, б, отношение индивидуализированного пространства к общественному составляет 1:5, в то время как на схеме, представленной на рис. 6, это соотношение — 5:1. Кроме того, на схемах а, б (рис. 7) слишком велико процентное содержание обитаемого пространства первой категории. Сравнение объема и геометрической формы пространств, отведенных под физические упражнения, свидетельствует о неудовлетворительности решения по схеме на рис. 7 б. Мало того, что это пространство не изолировано, его объем и геометрическая форма исключают возможность осуществления многих видов основных движений тела даже одним человеком, тогда как решение по схеме на рис. 6 позволяет совершать большой комплекс физических упражнений одновременно тремя лицами. Правильное пространственное обеспечение выполнения производственных функций наиболее важно в помещениях центрального пункта управления и контрольно-измерительных приборов. Критерием оценки объемно-планировочного решения здесь служит не только рациональное использование обитаемого пространства, как это отмечалось выше, но и величина удобных для использования рабочих поверхностей, на которых размещаются приборы, инструменты и органы управления. 

Рис. 7. Принципиальные компоновочные схемы космического корабля (США) для полета на Марс: а) 1 — лаборатория; 2 — помещение для занятий гимнастикой; 3 — камбуз-столовая;  4 — кают-компания; 5 — двухъярусная кровать; 6 — санузел; 7 — центральный пункт управления; б) 1 — главный пункт управления; 2 — рабочая зона; 3 — лаборатория; 4 — помещения для хранения микрофильмов; 5 — стол для чтения микрофильмов; 6 — ремонтная мастерская; 7 — зона отдыха; 8 — место для занятий гимнастикой; 9 — кладовая для запасов пищи; 10 — камбуз; 11 — система кондиционирования воздуха; 12 — помещение для хранения предметов личной гигиены; 13 — спальня; 14 — туалет; 15 — двухъярусная кровать; 16 — шлюз; 17 — столовая

Так, несмотря на то, что объем обитаемого пространства центрального пункта управления, а также помещения для контрольно-измерительных приборов на рис. 7 а несколько больше, чем на рис. 6, размер удобных для использования рабочих плоскостей на рис. 6 в два раза больше, а число позиций человека, из которых он эти плоскости осваивает, одинаково. Объясняется это тем, что на схеме (рис. 7 а) не найдено правильное соотношение объемов обитаемого пространства второй и третьей категорий и довольно значителен объем пространства первой категории. Различие в объеме обитаемого пространства сравниваемых компоновочных схем (на рис. 6 — 216 м³, на рис. 7 а — 127 м³ и на рис. 7 б — 73 м³) в основном связано с разным составом помещений. При отсутствии в обитаемых отсеках некоторых изолированных помещений специализированного профиля возможно наложение различных производственно-бытовых функций в пространстве и во времени, что может привести к снижению работоспособности членов экипажа и надежности результатов выполняемой работы. Например, на схеме б (рис. 7) выполнение ремонтных работ совмещается с физическими упражнениями. Это снижает эффективность выполнения того и другого и может оказать отрицательное влияние на психическое состояние членов экипажа (вызвать раздражительность, напряженность и пр.). В конечном же итоге такое совмещение может привести к потере рабочего времени и снижению надежности выполнения рабочих операций. Контуры предпроектной эргономической модели организованного пространства, обеспечивающего нормальное проявление двигательной активности группы людей, намечены нами в самых общих чертах. Для окончательной прорисовки эту модель необходимо ориентировать на нормальное проявление широкого круга психофизиологических и социальных функций членов экипажа. Приведенные примеры предпроектного эргономического моделирования, конечно, не раскрывают полностью методы и средства этого моделирования, так как сами они в настоящее время окончательно еще не установились. Очевидно одно — предпроектное эргономическое моделирование должно быть теснейшим образом связано с проблемами проективной эргономики. Ясно и то, что расчет эргономических моделей следует начинать после функционального и структурного анализа конкретного вида деятельности человека. Только в этом случае создаваемые при участии эргономистов различные изделия и организованные пространства будут целесообразны как в конструктивно-технологическом аспекте, так и в плане гуманизации искусственной среды обитания. Внедрение предпроектного эргономического моделирования в практику несомненно повысит качество и сократит сроки художественно-конструкторского проектирования широкого круга изделий и организованных пространств. Эргономически обоснованная функциональная пространственно-временная форма модели изделия или рабочего места ни в коем случае не будет ограничивать творчество проектировщиков, так как эта форма определяет лишь габаритные и опорные пространственно-временные параметры изделия или рабочего места. В пределах этих параметров возможно создание бесчисленного количества художественных и конструкторских решений.