Проблемы методологии оценки и повышения безопасности труда в человеко-машинных системах

На современном этапе научно-технического развития дальнейшее совершенствование системы обеспечения безопасности труда в промышленности и строительстве практически невозможно без единых методологических принципов и теоретических основ решения общих вопросов охраны труда.

Замедление темпов снижения производственного травматизма, стабилизация его уровня в ряде организационно-управленческих систем, недостаточная изученность причинно-следственных связей возникновения несчастных случаев на производстве показывают, что существующие традиционные методы исследования и профилактики травматизма, в основном, исчерпали свои возможности и необходим поиск новых, перспективных путей повышения безопасности труда и создание соответствующей теоретической базы.

Следует отметить, что частные решения отдельных вопросов инженерной охраны труда во многих случаях являются актуальными и полезными только в течение определенного периода до момента существенного изменения технологии и организации производства. В то же время универсальные методы, разработанные на основе теоретических положений и проверенные на практике, позволяют решать сложные задачи обеспечения безопасности труда в различных производственных условиях, независимо от уровня развития техники и конкретной технологии.

Поэтому общая методология оценки и повышения безопасности труда должна представлять собой систему методов и методик, объединеиных единым научным направлением, базирующихся на современном математическом аппарате с использованием ЭВМ. Такой подход позволяет решать большинство инженерных задач и проблема состоит в правильном выборе метода для описания того или иного явления, создания математической модели или алгоритмов расчета, формализации основных закономерностей. Удачный выбор метода во многом определяет успех или неудачу в достижении поставленных целей при исследовании вопросов охраны труда как в теоретическом, так и в практическом аспектах.

Единый теоретический подход при разработке методологии оценки и повышения безопасности труда в промышленности и строительстве может быть осуществлен на основе представления любой организационно-управленческой или большой технологической системы (производственные объединения, главки, строительно-монтажные тресты и управления, промышленные предприятия, цеха, участки, технологические процессы и др.) как системы человек-машина-среда, в которой все элементы связаны прямой и обратной связью и в совокупности определяют уровень безопасности труда. Причем понятия «машина», «человек», «среда» трактуются достаточно широко. Так под «машиной» понимаются установки, оборудование, инструменты, средства защиты, правила, инструкции, которые определяют технические, технологические, организационные характеристики безопасности и условий труда. «Среда» включает комплекс санитарно-гигиенических, информационных, социальных и природных факторов. «Человек» в системе организационного управления представляет собой многопараметрический, самоорганизующийся и самообучающийся, вероятностный элемент системы, функционирование которого определяется, в основном, антропометрическими, физическими и психофизиологическими параметрами.

Под «человеком», являющимся составной частью той или иной системы, подразумеваются все ляди, участвующие в этой системе.

Среда" и «машина» активно воздействуют на человека, вызывая определенные функциональные изменения в организме, заболевания и травмы, В то же время человек в процессе функционирования системы также оказывает влияние на «среду» и «машину» в виде управляющих воздействий. Кроме того, «машина» во многих случаях определяет санитарно-гигиенические параметры «среды», а «среда» — надежность и рабочие качества «машины» .

Такое системное представление любой организационно-технической структуры позволяет осуществить комплексный подход к проблеме безопасности труда и создать основы единой теории возникновения несчастных случаев на производстве, объясняющей противоречивые данные различных исследователей причин производственного травматизма [2,23,62., 76,77,90,94, «б].

Если принять за аксиому, что любой несчастный случай или авария возникают в результате сложного переплетения человеческого и машинного факторов, а также воздействия среды и представляют собой случайное во времени событие, то естественно производить исследования и оценку человеко-машинных систем, но безопасности труда с помощью вероятностных, математических моделей, реализуемых на ЭВМ. В подобной постановке задачи не возникает проблемы информационного обеспечения, так как существующая система учета производственного травматизма, несмотря на определенные недостатки, дает возможность получить достоверные статистические данные для построения и реализации вероятностных моделей, реагирующих на изменения в условиях труда. Разработка таких моделей и поиск универсальных критериев оценки предполагают исследование характера статистических потоков случаев травматизма в изучаемых системах. Следует отметить, что используемые в настоящее время критерии оценки (коэффициенты частоты, тяжести) не позволяют с уверенностью дифференцировать человеко-машинные системы по уровню безопасности труда, не дают ясной картины динамики травматизма, имеют низкую прогностическую ценность. Предлагаемые до настоящего времени критерии оценки на основе определения вероятностей отказа элементов системы, расчета суммарного экономического ущерба и другие, либо пригодны только для некоторых систем, либо не имеют достаточной и доступной информационной базы.

Вместе с тем, и при отсутствии или недостаточно представительной статистике по травматизму исследование и оценка безопасности труда должны производиться, но на другой информационной основе, которая и определяет подход к формированию критериев оценки. Наиболее реальными и перспективными в современных условиях следует признать два основных подхода. В первом случае оценка систем базируется на результатах инструментальных и социологических исследований параметров рабочей среды. Обработку полученных таким образом информационных массивов следует осуществлять с помощью методов математической статистики и ЭВМ, причем алгоритм должен учитывать как возможность локального исследования отдельных факторов, так и получения комплексного критерия оценки.

Использование анкет социологического типа и методов экспертных оценок дает возможность установить травмоопасные виды оборудования и технологические операции, опасные зоны, специфические внешние условия, влияющие на выполнение работы, и другие параметры без соответствующих инструментальных исследований.

Второй подход предполагает наличие достаточной статистика микротравматизма и оценка систем производится с помощью вероятностной модели процессов микротравматизма.

Необходимость разработки методик комплексной оценки безопасности труда, позволяющих объективно и достаточно точно оценивать различные объекты народного хозяйства, подтверздается тематикой важнейших исследований, утвержденных ГКНТ Совета Министров СССР и ВЦСПС на 10 и II пятилетки (темы № 10.Д6, № 5.1.1. координационной программы 0.74.08, тема № 44.22.00 на 10 пятилеткутемы Д1, Д2, ДЗ по проблеме 11.01 на II пятилетку).

Однако, комплексная оценка человеко-машинных оистем является только первым этапом в решении проблемы повышения безопасности труда* Вторым этапом в этом направлении становится выявление всех связей в системе человек-машина-среда мевду факторами рабочей среды, машин, личностными качествами работающих и производственным травматизмом (заболеваниями).

Изучение природы производственного травматизма с различных позиций [2, 02., 90 4 б] показывает, что травматизм как явление причинно обусловлен большим числом факторов (более ста [90]) и производственная травма возникает при определенном сочетании этих факторов.

Установлено, что основными факторами, влияющими на травматизм, являются следующие [2., 7,62,65,77,90, Ш, 202>Д04]: а) технические и технологические (применяемое оборудование, инструменты, специфические особенности выполняемых операций, сырье и т. п.) — б) санитарно-гигиенические (шум, вибрация, запыленность, освещенность, микроклимат и др.) — в) организационные (обучение, инструктаж, финансирование, контроль, ответственность и др.) — г) социально-психологические (удовлетворенность работой, психологический климат в коллективе и др.) — д) климатические (метеорологические факторы, активность солнца и др.) — е) биографические и антропологические (пол, возраст, стаж, квалификация, образование, рост, длина рук и др.) — ж) психофизиологические и физические (внимание, эмоции, воля, реакция, выносливость, уровень силы, координация движений и др.) — з) производственные (объем продукции, численность работающих, ритмичность и др.).

Причем до настоящего времени не известны сочетания факторов, определяющих возникновение производственных травм, хотя наличие связей между уровнем травматизма и вышеперечисленными факторами доказано достаточно убедительно в различных отраслях промышленности [47,62,65,77, 78,85,90,94,446,424].

Таким образом, последние результаты исследований в СССР и за рубежом показывают, что производственную травму нужно рассматривать как продукт совместного действия множества внешних причин (технических, санитарно-гигиенических, организационных, социальных) и человеческого фактора, включающего антропологические, психофизиологические и физические особенности человека.

Такое представление возникновения производственных травм открывает принципиальную возможность более глубоко и объективно исследовать факторы и их сочетания, приводящие к несчастным случаям.

Однако, наличие большого числа факторов с различными параметрами, влияющих на травматизм, и отсутствие универсального метода, позволяющего выявить в совокупности все наиболее значимые связи мевду факторами, приводящими к возникновению несчастных случаев, делают эту задачу практически неразрешимой. В частности, применение корреляционного анализа и других методов математической статистики для задач безопасности труда не дали до сих пор нужных результатов и необходим новый подход к решению данной проблемы.

Сформулированная задача по определению факторов и их сочетаний, характерных для несчастных случаев в условиях определенного производства, в данной работе впервые представлена как задача распознавания образов, для решения которой должны быть разработаны соответствующие алгоритмы диагностики, реализуемые на ЭВМ.

Следует отметить, что до настоящего времени методы классификации (распознавание образов) — при исследовании причин производстЛ венного травматизма и других общих вопросов охранытруда не использовались и не нашли отражения в соответствующих публикациях советских и зарубежных авторов. В то же время применение этих методов открывает широкие и принципиально новые возможности для изучения различных явлений в области безопасности и гигиены труда.

Наиболее перспективным методом в этом плане, как показывает анализ, является метод перебора конъюнкций признаков (МПК), впервые предложенный М. Бонгардом [44]. На основе данного метода и при условии разработки модифицированных алгоритмов альтернативной диагностики может быть успешно решена задача выявления связей между факторами рабочей среды, личностными качествами работающих и производственным травматизмом (заболеваниями). Результатом работы таких алгоритмов являются конкретные, решающие наборы признаков (параметры вышеуказанных факторов), определяющие возникновение несчастных случаев на производстве и указывающие пути их пре дотвраще ния.

Вместе с тем, в первопричинах возникновения несчастных случаев мы придерживаемся концепции, в которой подчеркивается, что личностные качества работающих при выполнении любого технологического процесса оказывают несомненное и значительное влияние на безопасность и, соответственно, на уровни травматизма. Так, проведенные исследования показали, что несчастные случаи, связанные с работой кранов, возникают не только в результате плохой видимости и сложности общения на расстоянии крановщика и стропальщика. Они возникают из-за субъективных черт характера (поспешности, небрежности и т. п.) крановщиков, которые особенно ярко проявляются при стрессовых ситуациях.

По данным более половины несчастных случаев при авариях башенных и самоходных кранов (было проанализировано 472 аварии) происходит из-за ошибок обслуживающего персонала. При этом не установлено связи меаду квалификацией (подразумевается под последней знания и умения) и стажем, с одной стороны, и установленной виновностью в ошибках при аварии — с другой.

В промышленности (машиностроительная, горнодобывающая отрасли) наблюдается такая же картина. Исследования производственного травматизма в горнодобывающей отрасли промышленности [78,77,92,Мб} позволили сделать ряд выводов, подтверждающих выдвинутое положение. Естественные различия в индивидуальных качествах работающих обусловливают разную вероятность происшествия несчастных случаев. Формирование и проявление несчастных случаев, а равно их частота и тяжесть, имеют очевидную связь с основными чертами характера и другими качествами личности. Около 75% несчастных случаев в шахтах происходит из-за ошибочных или неправильных действий рабочих. Эффективная профилактика травматизма предопределяет необходимость широкого внедрения метода профессионального отбора, с помощью которого осуществился бы выбор оптимальной области использования ладей с учетом их субъективных качеств.

В машиностроительной отрасли промышленности по психофизиологическим или личностным причинам (и, повидимому, в большой степени из-за несоответствия между человеком и выбранной профессией) происходит около 53% несчастных случаев, которые отнесены к травмам, ты этих же исследований показывают, что критерии, характеризующие машинный фактор, имеют тенденцию к снижению, а критерии, характеризующие человеческий фактор в системе человек-машина-среда, имеют четко выраженную тенденцию к росту.

Таким образом, из принятой нами концепции первопричин травматизма следует, что для повышения безопасности труда и снижения уровня травматизма в человеко-машинных системах должны быть установлены психофизиологические качества (и их сочетания), способствующие возникновению неочастных случаев у работников основных травмоопасных профессий. Постановка и эффективное решение этой задачи также может быть осуществлено на основе алгоритмов альтернативной диагностики с использованием результатов тестирования различных профессиональных групп.

Необходимость разработки научно-обоснованных методик профессиональной диагностики как для целей профилактики травматизма, так и для оптимального использования трудовых ресурсов подчеркивается в Постановлении Президиума ВЦСПС и ГНТК СМ СССР № 10 от 1972 г., а также в решениях Научного Совета по проблеме «охрана труда», определившими основные направления научных исследований на ближайшие 10−15 лет. происшедшим из-за ошибочных действий.

Из вышеизложенной концепции первопричин возникновения несчастных случаев также следует, что для снижения уровня травматизма в человеко-машинных системахкроме адаптации человека к условиям соответствующего производства, необходимо также создание оптимальной рабочей среды и, в первую очередь, в отношении санитарно-гигиенических условий.

Исследованиями советских и зарубежных ученых установлено существенное влияние, которое оказывает весь комплекс санитарно-гигиенических условий [90,94И225] «так и отдельных факторов рабочей среды [459,473,209 ] «на уровень травматизма и заболеваний» При этом среди наиболее часто травмируемых профессиональных групп строительного профиля находятся группы, где на рабочих местах наблюдаются высокие уровни шума, пыли и другие вредные производственные факторы.

Оптимизация рабочей среды в человеко-машинных системах связана с разработкой эффективных и надежных средств коллективной защиты работающих или модернизацией производственных процессов в целом.

При разработке средств коллективной защиты, как правило, возможны различные варианты решения, но выбор лучшего или оптимального по тем или иным критериям варианта затруднен, а иногда и невозможен, из-за ограниченных возможностей человека-проектировщика «вручную» рассчитать и сделать оценку достаточно большого числа вариантов защиты. Использование ЭВМ в процессе проектирования не только ускоряет во много раз выполнение расчетов, но и вносит новые качества, позволяя оценить многочисленные варианты решений и выбрать лучшие или оптимальные, в математическом смысле, решения задач безопасности труда. При этом в качестве критериев или целевых функций могут выступать как получение максимального эффекта защиты при ограничениях по стоимости, так и стоимость защиты при условии ее достаточной эффективности.

Следует отметить, что далеко не все задачи инженерной охраны труда, связанные с разработкой средств коллективной защиты, могут быть сведены к известным алгоритмам линейного, целочисленного или динамического программирования. В тех случаях, когда это невозможно, путь к решению лежит в алгоритмизации задачи с целью применения переборных схем и использования ЭШ.

Как показывает наш анализ применяемых в настоящее время методик расчета средств коллективной защиты и обеспечения необходимых параметров рабочей среды, большинство из них создано без учета возможностей вычислительной техники и требует существенной модификации при разработке алгоритмов решения на ЭШ.

Комплекс алгоритмов и программ по расчету и выбору вариантов средств защиты или средств обеспечения требуемых параметров рабочей среды позволяет не только значительно сократить время и стоимость проектирования, но и получить оптимальные варианты решения по различным факторам рабочей среды. Перспективность и не обходи-мость развития научных исследований по этой проблеме подчеркивалась в «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976;1980 годы» и «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года» — основополагающих документах, принятых на ХХУ и ХХУ1 съездах КПСС. В последнем документе указывается на необходимость «. Расширять автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники .п, а также повышения эффективности использования математической теории в прикладных целях [4] •.

Новые требования к эффективности и качеству работы выдвигают автоматизацию проектирования на одно из центральных мест в общей стратегии применения вычислительной техники в народном хозяйстве.

Следует отметить, что такая важнейшая проблема безопасности труда, как повышение надежности и безопасности машин, сознательно оставлена вне границ настоящего исследования, так как автор не ставил целью охватить все стороны этой проблемы. Однако, общие принципы, на которых базируется решение задач по нормализации и оптимизации рабочей среды, могут быть использованы и при решении проблемы приспособления машины к человеку. Это прежде всего многовариантный, с помощью ЭВМ, перебор различных параметров машин, который позволяет, в конечном счете, выбрать оптимальный вариант с учетом стоимости (производительности) и уровня защиты.

Результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, привели к разработке общей методологии оценки и повышения безопасности труда в человеко-машинных системах, что позволило вынести на защиту:

1) марковские модели комплексной оценки безопасности труда в человеко-машинных системах, позволяющие на основе общепринятой методики учета производственного травматизма более точно оценить состояние безопасности труда и дифференцировать организационно-управленческие системы с позиций охраны труда даже в тех случаях, когда традиционными методами это не представляется возможным;

2) вероятностно-статистические методики исследования и оценки, безопасности труда в человеко-машинных системах, позволяющие при отсутствии достаточно представительной статистики по травматизму производить сравнительную, количественную оценку систем в данном аспекте, установить относительную опасность и вредность производственных факторов;

3) универсальную методику на основе алгоритмов альтернативной диагностики с обучением ЭВМ по выявлению основных, наиболее значимых факторов рабочей среды и личностных качеств работающих, определяющих возникновение несчастных случаев и общий уровень травматизма в человеко-машинных системах;

4) методику профессиональной диагностики работников травмоопасных профессий для снижения уровня производственного травматизма в человеко-машинных системах по причинам личностного фактора;

5) определение области эффективного применения методов оптимизации и ЭВМ при создании средств защиты на основе разработанного пакета прикладных программ, что существенно снижает стоимость проектных работ я повышает их качество*.

Все, вынесенные на защиту, модели, методики, алгоритмы внедрены в строительно-монтажных, проектных организациях и промышленных предприятиях с подтвержденным экономическим эффектом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ основных методов исследования, оценки и повышения безопасности труда в различных отраслях народного хозяйства СССР и за рубежом позволил определить единый методологический подход решения проблемы оценки и повышения безопасности труда в сложных человеко-машинных системах, базирующийся на концепции много-причинности возникновения несчастных случаев, которые являются результатом сложного взаимодействия всех элементов системы ЧМС. При этом уровень безопасности труда во всей системе зависит как от состояния отдельных элементов («человек», «машина», «среда»), так и от их совместного функционирования. Такой подход открывает практическую возможность оценки безопасности труда в любых сложных человеко-машинных системах с помощью вероятностных моделей травматизма, микротравматизма, а при недостаточной статистике несчастных случаев — путем оценки параметров рабочей среды.

Общепринятые критерии оценки безопасности труда (коэффициенты частоты и тяжести травматизма) недостаточно чувствительны к изменениям в системе ЧМС, обладают низкой прогностической ценностью и точностью получаемых оценок.

2. Разработанные, испытанные и внедренные математические модели комплексной оценки безопасности труда в человеко-машинных системах сформированы на основе теории массового обслуживания, базируются на существующей статистической отчетности по травматизму и реагируют на изменения условий безопасности труда.

Количественные критерии, вытекающие из моделей, позволяют комплексно оценить любую сложную человеко-машинную систему без детального изучения технологических процессов, дать прогноз уровня безопасности труда и дифференцировать строительно-монтажные организации, промышленные предприятия и другие организационно-управленческие системы с позиций охраны труда даже в тех случаях, когда традиционными методами это не представляется возможным.

Установлена область практического использования разработанных моделей с учетом точности получаемых результатов и возможностей расчета критериев оценки.

3. Для человеко-машинных систем, в которых отсутствует представительная статистика по травматизму, разработаны, испытаны и внедрены методики комплексной оценки безопасности труда, на основе использования массивов информационных карт (инструментальное исследование параметров) и социологических анкет (исследование с помощью экспертных оценок), а также вероятностная модель процессов микротравматизма.

Разработанные методики исследования и оценки параметров рабочей среды и машин позволяют надежно производить как дифференциальную, так и комплексную оценку сложных человеко-машинных систем в аспекте безопасности труда. Методика на основе анкет и экспертных оценок дает возможность установить относительную опасность и вредность производственных факторов без проведения инструментальных измерений. Алгоритм обработки информационных карт и социологических анкет в разработанных методиках является универсальным и может быть использован для исследования, оценки различных сложных человеко-машинных систем промышленности и строительства.

Критерий оценки безопасности труда, полученный на основе вероятностной модели процессов микротравматизма, учитывает интенсивность появления микротравм, время нетрудоспособности, общее число работающих и может быть рекомендован для комплексной оценки человеко-машинных систем при налаженном учете случаев микротравматизма,.

4. Осуществлена постановка и разработаны алгоритмы решения задачи по выявлению сочетаний основных факторов (первопричин) в сложной системе человек-машина-среда, определяющих возникновение несчастных случаев и уровень травматизма в системе. Эта задача представлена как задача распознавания образов и решена методами альтернативной диагностики с обучением ЭВМ.

Универсальная методика по выявлению сочетаний основных факторов травматизма позволяет получить для различных профессиональных групп сочетания таких факторов рабочей среды и личностных качеств, которые вероятностно определяют возникновение производственной травмы. В результате использования этой методики было установлено, что для производственных травм характерны строго определенные сочетания психофизиологических, организационных, социально-психологических, технических и технологических факторов.

Исключение ряда признаков из выявленных сочетаний позволит снизить уровень производственного травматизма,-как показали результаты внедрений, в различных человеко-машинных системах (строительно-монтажные организации, промышленные предприятия) на 18−40%.

Разработанный алгоритм альтернативной диагностики с направленным обучением предназначен для трудных случаев классификации, когда не представляется возможным с достаточной уверенностью отнести объект к одному из двух различаемых классов.

Методика профессиональной диагностики работников, основанная на этом алгоритме, показала достаточно высокую эффективность (90−94% верного диагноза) и результаты внедрения подтверждают перспективность исследований в данном направлении.

5. Для создания оптимальной рабочей среды предложены, обоснованы и испытаны два основных подхода при проектировании средств защиты и обеспечения высокопроизводительных условий труда.

Оптимизационный подход на основе линейного программирования дает возможность при решении задач охраны труда в человеко-машинных системах получить максимальный эффект защиты с учетом заданных материальных затрат и минимальные затраты при достижении необходимых параметров защиты.

При отсутствии в математическом обеспечении ЭВМ стандартных подпрограмм, реализующих методы линейного программирования, или невозможности сформулировать задачу как «чисто» экстремальную, оптимальное решение может быть достигнуто путем разработки специальных алгоритмов, использующих возможности современных ЭВМ.

Подход, основанный на алгоритмах с использованием переборных схем, позволяет осуществить автоматизацию инженерных расчетов и выбор наилучшего варианта технического решения в процессе проектирования защиты, исходя из сформулированных критериев. При этом открываются качественно новые возможности в обеспечении безопасности и создании оптимальных условий труда.

Использование предлагаемых подходов в практике проектирования позволяет повысить качество проектов средств защиты, сократить сроки проектирования в 2,5−3 раза, получить определенный экономический эффект и снизить затраты на реализацию проектов.

Результаты испытания и внедрения разработанного пакета прикладных программ, реализующих предлагаемые подходы, показывают перспективность оптимизации и автоматизации решений инженерных задач охраны труда, что позволяет рекомендовать их к внедрению в специализированных проектных организациях и конструкторских бюро.

Таким образом, разработанные, испытанные на практике и внедрен-, ные результаты диссертационной работы формулируют и доказывают научные положения, совокупность которых представляет собой решение крупной научной проблемы по оценке и повышению безопасности труда в промышленности и строительстве, имеющей важное народнохозяйственное и социально-экономическое значение.;

Подтвержденный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил более 200 тыс. рублей. Кроме того, результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Рижском политехническом институте.