Разработка программы для оценки эффективности работы систем массового обслуживания на примере автозаправочной станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт

электроники и математики»

(технический университет)

Кафедра "Вычислительная техника"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

На тему «Разработка программы для оценки эффективности работы систем массового обслуживания на примере автозаправочной станции»

Студент Прокофьев Максим Александрович

Руководитель дипломного проекта Зыков Адольф Константинович

Допущен к защите " " 200 г.

Консультанты проекта:

Специальная часть _________________ А.К. Зыков

Охрана труда _________________ А.Ф. Завальнюк

Заведующий кафедрой _________________ С.А. Митрофанов

Москва 2009 г.

Содержание

1. Введение

1.1. Понятие моделирования

1.2. Элементы теории массового обслуживания

1.3. Имитационное моделирование систем массового обслуживания

2. Постановка задачи

3. Создание Имитационной модели

4. Реализация имитационной модели (среда Borland Delphi)

4.1 Описание переменных

4.2 Листинг программы

5. Краткое руководство пользователя

6. Охрана труда

7. Список использованной литературы

1. Введение

1.1 Понятие моделирования

Модель - это любой образ, аналог, мысленный или установленный, изображение, описание, схема, чертеж, и т.п. какого-либо объекта, процесса или явления, который в процессе познания (изучения) замещает оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные свойства.

Моделирование - это исследование какого-либо объекта или системы объектов путем построения и изучения их моделей. А также - это использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов.

Модель является средством для изучения сложных систем.

В общем случае сложная система представляется как многоуровневая конструкция из взаимодействующих элементов, объединяемых в подсистемы различных уровней. К сложным системам, в т.ч., относятся информационные системы. Проектирование таких сложных систем осуществляется в два этапа.

1). Внешнее проектирование.

На этом этапе проводят выбор структуры системы, основных ее элементов, организации взаимодействия между элементами, учет воздействия внешней среды, оценка показателей эффективности системы.

2). Внутреннее проектирование - проектирование отдельных элементов системы.

Типичным методом исследования сложных систем на первом этапе является моделирование их на ЭВМ.

В результате моделирования получаются зависимости, характеризующие влияние структуры и параметров системы на ее эффективность, надежность и другие свойства. Эти зависимости используются для получения оптимальной структуры и параметров системы.

Модель, сформулированная на языке математики с использованием математических методов называется математической моделью.

Имитационное моделирование - воспроизведение на компьютере (имитация) процесса функционирования исследуемой системы. Для него не требуется приведение математической модели к виду, разрешимому относительно искомых величин.

Для имитационного моделирования характерно воспроизведение явлений, описываемых математической моделью, с сохранением их логической структуры, последовательности чередования во времени. Для оценки искомых величин может быть использована любая подходящая информация, циркулирующая в модели, если только она доступна для регистрации и последующей обработке.

Искомые величины при исследовании процессов методом имитационного моделирования обычно определяют как средние значения по данным большого числа реализаций процесса. Если число реализаций N, используемых для оценки искомых величин, достаточно велико, то в силу закона больших чисел получаемые оценки приобретают статистическую устойчивость и с достаточной для практики точностью могут быть приняты в качестве приближенных значений искомых величин.

1.2 Элементы теории массового обслуживания

За последние десятилетия в самых разных областях народного хозяйства возникла необходимость решения вероятностных задач, связанных с работой систем массового обслуживания (СМО). Примерами таких систем служат телефонные станции, ремонтные мастерские, торговые предприятия, билетные кассы и т.д. Работа любой системы массового обслуживания состоит в обслуживании поступающего в нее потока требований (вызовы абонентов, приход покупателей в магазин, требования на выполнение работы в мастерской и т. д.).

Математическая дисциплина, изучающая модели реальных систем массового обслуживания, получила название теории массового обслуживания.

Задача теории массового обслуживания - установить зависимость результирующих показателей работы СМО (вероятности того, что требование будет обслужено; математического ожидания числа обслуженных требований и т. д.) от входных показателей (количество приборов в системе, параметров входящего потока требований и т. д.). Установить такие зависимости в формульном виде можно только для простых систем массового обслуживания.

Изучение же реальных систем проводится путем имитации, или моделирования их работы на ЭВМ с привлечением метода статистических испытаний.

Система массового обслуживания считается заданной, если определены:

1) входящий поток требований, или, иначе говоря, закон распределения, характеризующий моменты времени поступления требований в систему.

Первопричину требований называют источником. В дальнейшем условимся считать, что источник располагает неограниченным числом требований и что требования однородны, т. е. различаются только моментами появления в системе;

2) система обслуживания состоит из накопителя и узла обслуживания. Последний представляет собой одно или несколько обслуживающих устройств, которые в дальнейшем будем называть приборами. Каждое требование должно поступить на один из приборов, чтобы пройти обслуживание.

Может оказаться, что требованиям придется ожидать, пока приборы освободятся. В этом случае требования находятся в накопителе, образуя одну или несколько очередей. Положим, что переход требования из накопителя в узел обслуживания происходит мгновенно;

3) время обслуживания требования каждым прибором, которое является случайной величиной и характеризуется некоторым законом распределения;

4) дисциплина ожидания, т. е. совокупность правил, регламентирующих количество требований, находящихся в один и тот же момент времени в системе. Система, в которой поступившее требование получает отказ, когда все приборы заняты, называется системой без ожидания.

Если требование, заставшее все приборы занятыми, становится в очередь и ожидает до тех пор, пока освободиться один из приборов, то такая система называется чистой системой с ожиданием.

Система, в которой требование, заставшее все приборы занятыми, становится в очередь только в том случае, когда число требований, находящихся в системе, не превышает определенного уровня (в противном случае происходит потеря требования), называется смешанной системой обслуживания;

5) дисциплина обслуживания, т. е. совокупность правил, в соответствии с которыми требование выбирается из очереди для обслуживания. Наиболее часто на практике используются следующие правила:

- заявки принимаются к обслуживанию в порядке очереди;

- заявки принимаются к обслуживанию по минимальному времени

получения отказа;

- заявки принимаются к обслуживанию в случайном порядке в соответствии с заданными вероятностями;

6) дисциплина очереди, т.е. совокупность правил, в соответствии с которыми требование отдает предпочтение той или иной очереди (если их несколько) и располагается в выбранной очереди. Например, поступившее требование может занять место в самой короткой очереди; в этой очереди оно может расположиться последним (такая очередь называется упорядоченной), а может пойти на обслуживание вне очереди. Возможны и другие варианты.

Введем также следующие характеристики потока событий:

· регулярность; поток называется регулярным, если события следуют одно за другим через равные промежутки времени;

· стационарность; поток называется стационарным, если его вероятностные характеристики не зависят от времени

· отсутствие последействия; поток называется потоком без последействия, если для любых не пересекающихся отрезков времени число событий, попадающих на один участок не зависит от числа событий, попадающих на другой

· ординарность; если события в потоке появляются поодиночке, а не группами, то поток называется ординарным.

1.3 Имитационное моделирование систем массового обслуживания

Сущность метода имитационного моделирования применительно к задачам массового обслуживания состоит в следующем. Строятся алгоритмы, при помощи которых можно вырабатывать случайные реализации заданных потоков однородных событий, а также моделировать процессы функционирования обслуживающих систем. Эти алгоритмы используются для многократного воспроизведения реализации случайного процесса обслуживания при фиксированных условиях задачи. Получаемая при этом информация о состоянии процесса подвергается статистической обработке для оценки величин, являющихся показателями качества обслуживания.

При исследовании сложных систем методом имитационного моделирования существенное внимание уделяется учету случайных факторов.

В качестве математических схем, используемых для формализации действия этих факторов, используются случайные события, случайные величины и случайные процессы (функции). Формирование на ЭВМ реализаций случайных объектов любой природы сводится к выработке и преобразованию случайных чисел. Рассмотрим способ получения возможных значений случайных величин с заданным законом распределения. Для формирования возможных значений случайных величин с заданным законом распределения исходным материалом служат случайные величины, имеющие равномерное распределение в интервале (0, 1). Другими словами, возможные значения xi случайной величины о, имеющей равномерное распределение в интервале (0,1), могут быть преобразованы в возможные значения yi случайной величины з, закон распределения которой задан. Способ преобразования состоит в том, что из равномерно распределенной совокупности отбираются случайные числа, удовлетворяющие некоторому условию таким образом, чтобы отобранные числа подчинялись заданному закону распределения.

Предположим, что необходимо получить последовательность случайных чисел yi, имеющих функцию плотности fз(y). Если область определения функции fз(y) не ограничена с одной или обеих сторон, необходимо перейти к соответствующему усеченному распределению. Пусть область возможных значений для усеченного распределения равна (a, b).

От случайной величины з, соответствующей функции плотности fз(y), перейдем к

Случайная величина о будет иметь область возможных значений (0,1) и функцию плотности fо(z), задаваемую выражением



Пусть максимальное значение fо(z) равно fm. Зададим равномерные распределения в интервалах (0, 1) случайных чисел x2i-1 и x2i. Процедура получения последовательности yi случайных чисел, имеющих функцию плотности fз(y), сводится к следующему:

1) из исходной совокупности выбираются пары случайных чисел

x2i-1, x2i;

2) для этих чисел проверяется справедливость неравенства

3) если неравенство (3) выполнено, то очередное число yi определяется из соотношения

При моделировании процессов обслуживания возникает необходимость формирования реализаций случайного потока однородных событий (заявок). Каждое событие потока характеризуется моментом времени tj, в который оно наступает. Чтобы описать случайный поток однородных событий как случайный процесс, достаточно задать закон распределения, характеризующий последовательность случайных величин tj. Для того, чтобы получить реализацию потока однородных событий t1, t2, …, tk, необходимо сформировать реализацию z1, z2, …, zk k-мерного случайного вектора о1, о2, …, оk и вычислить значения ti в соответствии со следующими соотношениями:

Пусть стационарный ординарный поток с ограниченным последействием задан функцией плотности f(z). В соответствии с формулой Пальма (6) найдем функцию плотности f1(z1) для первого интервала z1.

Теперь можно сформировать случайное число z1, как было показано выше, соответствующее функции плотности f1(z1), и получить момент появления первой заявки t1 = z1. Далее формируем ряд случайных чисел, соответствующих функции плотности f(z), и при помощи соотношения (4) вычисляем значения величин t2, t3, …, tk.

Пример. Пусть получено равномерно распределенное на случайное число .Решаем уравнение

(7)

С учетом этого уравнение (7) принимает вид

,

откуда . Последнее верно, т. к. и , и - равномерно распределенные на случайные числа.

2. Постановка задачи

Требуется провести моделирование работы автозаправочной станции (АЗС) в течении 8 часов

Параметры АЗС:

– число колонок 3;

– поток автомобилей, поступающих на заправку, подчиняется экспоненциальному закону с параметрами л=0 мин. и в=5 мин.

– время заправки на первой колонке 10±2,5 мин.

время заправки на второй и третьей колонке подчиняется экспоненциальному закону с параметрами л=4 мин. и в мин. (разумное значение в установить самостоятельно);

– автомобиль подъезжает к свободной колонке.

Требуется определить следующие параметры работы АЗС в течение 8 часов:

– коэффициент загрузки каждой колонки;

– среднее время обслуживания каждой колонкой;

– максимальное и среднее число автомобилей в очереди к каждой колонке;

– среднее время нахождения автомобиля в каждой очереди.

3. Создание имитационной модели

Согласно поставленной задаче разрабатываем следующую имитационную модель.

АЗС функционирует в течении 8 часов (480 минут). АЗС имеет три колонки - 3 канала обслуживания.

Поток автомобилей, поступающих на заправку - поток заявок - случаен, ординарен и подчиняется экспоненциальному закону распределения. Это говорит о необходимости получения случайных чисел, распределенных по экспоненциальному закону распределения. Воспользуемся методом обратных функций, описанным выше.

Время заправки на первой колонке 10±2,5 мин. Это означает необходимость генерации случайного числа на интервале (0,1) и дальнейшее его сдвижение на интервал (7,5 , 12,5). Для этого воспользуемся следующей формулой (4):

Время заправки на второй и третьей колонке подчиняется экспоненциальному закону. Для получения случайных чисел, распределенных по экспоненциальному закону воспользуемся методом, описанным выше.

Результатом имитации работы АЗС будут следующие параметры:

– коэффициент загрузки каждой колонки;

– среднее время обслуживания каждой колонкой;

– максимальное и среднее число автомобилей в очереди к каждой колонке;

– среднее время нахождения автомобиля в каждой очереди.

Представим схему функционирования каждой колонки (рис.1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

рис.1

Представим алгоритм функционирования модели (рис.2), причем представим наиболее общий случай, когда каждая из колонок уже имеет очередь заявок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

рис.2

4. Реализация имитационной модели (среда Borland Delphi)

4.1 Описание переменных

tgeneral - текущее время в системе. Программа имитирует работу систему пока Tgeneral < 8 часов (480 минут)

t - случайная величина, распределенная по экспоненциальному закону распределения с параметрами л=0 мин. и в=5 мин. Определяет моменты поступления заявок в СМО

t1 - случайная величина, определяющая время обслуживания заявки колонкой 1 (каналом 1), распределена на интервале 10±2,5

t2 - случайная величина, определяющая время обслуживания заявки колонкой 2 (каналом 2), распределенная по экспоненциальному закону распределения с параметрами л=0 мин. и в=4,5 мин.

t3 - случайная величина, определяющая время обслуживания заявки колонкой 2 (каналом 2), распределенная по экспоненциальному закону распределения с параметрами л=0 мин. и в=4,5 мин.

twait1, twait2, twait3 - время ожидания автомобилем своей очереди к каждой из колонок соответственно

sum_twait1, sum_twait2, sum_twait3 - суммарное время ожидания всех автомобилей в соответствующей очереди (очереди к соответствующей колонке)

tengaged1, tengaged2, tengaged3 - время, на которое каждая из колонок занята и не может временно обслуживать другие заявки

sum_t1, sum_t2, sum_t3 - суммарное время работы (непосредственно обслуживания) каждой из колонок

queue1, queue2, queue3 - количество автомобилей в очереди в данный момент времени

max1, max2, max3 - максимальная очередь к каждой колонке соответственно

quancar1, quancar2, quancar3 - количество, автомобилей, обслуженных каждой из колонок соответственно

length_queue1, length_queue2, length_queue3 - сумма длин очередей для каждой из колонок соответсвенно

q1, q2, q3 - счетчики состояний для каждой очереди соответствено

4.2 Листинг программы

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, StdCtrls;

type

TForm1 = class(TForm)

Button1: TButton;

Button2: TButton;

Label1: TLabel;

Label2: TLabel;

Label3: TLabel;

Label4: TLabel;

Label5: TLabel;

Label6: TLabel;

Label7: TLabel;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

procedure Button2Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

uses unit2;

{$R *.dfm}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

begin

form1.Visible:=false;

form2.Show;

end;

procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);

begin

halt;

end;

end.

unit Unit2;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, Grids;

type

TForm2 = class(TForm)

Button1: TButton;

Button2: TButton;

StringGrid1: TStringGrid;

Label1: TLabel;

Label2: TLabel;

Label3: TLabel;

Label4: TLabel;

Label5: TLabel;

Bevel1: TBevel;

Label6: TLabel;

Label7: TLabel;

Label8: TLabel;

Label9: TLabel;

Label10: TLabel;

Label11: TLabel;

Label12: TLabel;

Label13: TLabel;

Bevel2: TBevel;

Label14: TLabel;

Button3: TButton;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

procedure Button2Click(Sender: TObject);

procedure Button3Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form2: TForm2;

implementation

uses unit1;

{$R *.dfm}

procedure TForm2.Button1Click(Sender: TObject);

var tgeneral,t,t1,t2,t3,

twait1,twait2, twait3,

sum_twait1,sum_twait2,sum_twait3,

tengaged1,tengaged2,tengaged3,

sum_t1,sum_t2,sum_t3:real;

queue1,queue2,queue3,max1,max2,max3,

quancar1,quancar2,quancar3,

length_queue1,length_queue2,length_queue3,

q1,q2,q3:integer;

begin

stringgrid1.Visible:=true;

tgeneral:=0;

queue1:=0; queue2:=0; queue3:=0;

max1:=0; max2:=0; max3:=0;

tengaged1:=0; tengaged2:=0; tengaged3:=0;

twait1:=0; twait2:=0; twait3:=0;

sum_twait1:=0; sum_twait2:=0; sum_twait3:=0;

quancar1:=0; quancar2:=0; quancar3:=0;

sum_t1:=0; sum_t2:=0; sum_t3:=0;

length_queue1:=0; length_queue2:=0; length_queue3:=0;

q1:=1;q2:=1;q3:=1;

Randomize;

while tgeneral<480 do

begin

t:=abs(5*ln(5*random));

if (queue1<=queue2) and (queue1<=queue3) then

begin

t1:=abs(7.5+random*(12.5-7.5));

sum_t1:=sum_t1+t1;

queue1:=queue1+1;

length_queue1:=length_queue1+queue1;

q1:=q1+1;

if max1<queue1 then max1:=queue1;

if tengaged1>tgeneral

then twait1:=tengaged1-tgeneral+t1

else twait1:=0;

sum_twait1:=sum_twait1+twait1;

tengaged1:=tgeneral+t1;

quancar1:=quancar1+1;

end

else

begin

if queue2<=queue3 then

begin

t2:=abs(4-4*ln(4*random));

sum_t2:=sum_t2+t2;

queue2:=queue2+1;

length_queue2:=length_queue2+queue2;

q2:=q2+1;

if max2<queue2 then max2:=queue2;

if tengaged2>tgeneral

then twait2:=tengaged2+t2-tgeneral

else twait2:=0;

sum_twait2:=sum_twait2+twait2;

tengaged2:=tgeneral+t2;

quancar2:=quancar2+1;

end

else

begin

t3:=abs(4-4.5*ln(4.5*random));

sum_t3:=sum_t3+t3;

queue3:=queue3+1;

length_queue3:=length_queue3+queue3;

q3:=q3+1;

if max3<queue3 then max3:=queue3;

if tengaged3>tgeneral

then twait3:=tengaged3+t3-tgeneral

else twait3:=0;

sum_twait3:=sum_twait3+twait3;

tengaged3:=tgeneral+t3;

quancar3:=quancar3+1;

end;

end;

if (tengaged1<tgeneral) and (queue1<>0) then

begin

queue1:=queue1-1;

length_queue1:=length_queue1+queue1;

q1:=q1+1;

end;

if (tengaged2<tgeneral) and (queue2<>0) then

begin

queue2:=queue2-1;

length_queue2:=length_queue2+queue2;

q2:=q2+1;

end;

if (tengaged3<tgeneral) and (queue3<>0) then

begin

queue3:=queue3-1;

length_queue3:=length_queue3+queue3;

q3:=q3+1;

end;

tgeneral:=tgeneral+t;

end;

stringgrid1.Cells[1,0]:='Колонка 1';

stringgrid1.Cells[2,0]:='Колонка 2';

stringgrid1.Cells[3,0]:='Колонка 3';

stringgrid1.Cells[0,1]:='Коэффициент загрузки';

stringgrid1.Cells[0,2]:='Среднее время обслуживания';

stringgrid1.Cells[0,3]:='Максимальное число автомобилей в очереди';

stringgrid1.Cells[0,4]:='Среднее число автомобилей в очереди';

stringgrid1.Cells[0,5]:='Среднее время нахождения автмобиля в очереди';

stringgrid1.Cells[1,1]:=floattostr(round(sum_t1/480*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[2,1]:=floattostr(round(sum_t2/480*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[3,1]:=floattostr(round(sum_t3/480*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[1,2]:=floattostr(round(sum_t1/quancar1*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[2,2]:=floattostr(round(sum_t2/quancar2*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[3,2]:=floattostr(round(sum_t3/quancar3*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[1,3]:=inttostr(max1);

stringgrid1.Cells[2,3]:=inttostr(max2);

stringgrid1.Cells[3,3]:=inttostr(max3);

stringgrid1.Cells[1,4]:=floattostr(round(length_queue1/q1));

stringgrid1.Cells[2,4]:=floattostr(round(length_queue2/q2));

stringgrid1.Cells[3,4]:=floattostr(round(length_queue3/q3));

stringgrid1.Cells[1,5]:=floattostr(round(sum_twait1/quancar1*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[2,5]:=floattostr(round(sum_twait2/quancar2*1000)/1000);

stringgrid1.Cells[3,5]:=floattostr(round(sum_twait3/quancar3*1000)/1000);end;

procedure TForm2.Button2Click(Sender: TObject);

begin

halt;

end;

procedure TForm2.Button3Click(Sender: TObject);

begin

form2.Visible:=false;

form1.Show;

end;

end.

массовое обслуживание моделирование имитационный

5. Краткое руководство пользователя

Запуск программы «Имитация работы АЗС» осуществляется двойным щелчком мыши по файлу Project2.exe.

При открытии данного файла вы увидите следующую форму

рис.1

Данная форма называется «Диплом» и содержит информацию о разработчике программы.

Данная форма имеет две кнопки:

1) «Продолжить». При нажатии на эту кнопку происходит переход к следующей форме «Моделирование работы АЗС»

2) «Выход». При нажатии на эту кнопку происходит корректный выход из приложения

Выберем кнопку «Продолжить». Выбрать кнопку - значит однократно нажать на нее левой клавишей мыши. Произойдет переход на форму, представленную ниже.



рис.2

Форма «Моделирование работы АЗС» содержит информацию об условиях моделирования. ВНИМАНИЕ: данная информация не подлежит изменению и приводится только в качестве исходных данных для процесса моделирования.

Кнопка «Моделирование работы АЗС» производит собственно моделирование системы. В качестве результата в таблицу выводятся параметры, характеризующие данную систему.

ВНИМАНИЕ: кнопку «Моделирование работы АЗС» можно использовать многократно. Программа работает корректно без повторного запуска приложения Project2.exe.

Результаты пробного моделирования приведены на рисунке ниже.

рис.3

Во второй части данной формы теперь мы видим таблицу результатов.

Также данная форма содержит кнопки:

1) «Диплом». При нажатии на данную кнопку происходит переход на форму «Диплом», описанную выше.

2) «Выход». При нажатии на эту кнопку происходит корректный выход из приложения.

6. Охрана труда

6.1 Исследование опасных и вредных факторов при работе с ЭВМ

Работа пользователя с ЭВМ, как и любой иной производственный процесс, сопряжена с опасными и вредными факторами[7].

Опасные факторы - это производственные факторы, воздействие которых на человека ведет к травме или другому резкому и внезапному ухудшению здоровья.

Вредные факторы - это производственные факторы, воздействие которых в определенных условиях ведет к возникновению профессионального заболевания или снижению трудоспособности.

При разработке программного обеспечения для дипломного проекта используются следующие компоненты вычислительной техники:

1. персональный компьютер класса Pentium;

2. монитор SONY Trinitron Multiscan G200 (частоты кадровой и строчной развертки 75 Гц и 37.5 кГц соответственно).

Безопасность жизнедеятельности на производстве обеспечивается за счет охраны труда. Под термином «охрана труда» понимается система законодательных актов, закрепляющих социально-экономические, организационные, технические, гигиенические и лечебно-профилактические методы и средства, обеспечивающие безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Охрана труда состоит из следующих основных частей: техники безопасности, производственной санитарии, эргономики, промышленной эстетики и правовой базы.

Техника безопасности - система средств и методов, направленных на предотвращение или снижение до безопасного уровня воздействия опасных производственных факторов.

Производственная санитария - совокупность организационных мероприятий и технических средств, предотвращающих или уменьшающих воздействие на рабочих вредных производственных факторов.

Эргономика - научная дисциплина, формализующая способ организации рабочего места.

При разработке программного продукта и дальнейшей работе с ним необходимо учитывать требования и рекомендации по охране труда.

Типичными ощущениями, испытываемыми людьми, работающими длительное время с компьютером при несоблюдении требований охраны труда, являются: головная боль,

резь в глазах, тянущие боли в мышцах шеи, рук и спины, зуд кожи на лице и т.п. Испытываемые каждый день, они могут привести к: кожным воспалениям, частичной потере зрения, мигреням, тремору, сколиозу.

Неправильная работа на компьютере может вызывать множество недомоганий:

1. астенопию - быструю утомляемость глаз;

2. боли в спине и шее;

3. запястный синдром - болезненное поражение срединного нерва запястья;

4. тендиниты - воспалительные процессы в тканях сухожилий;

5. стенокардию и различные стрессовые состояния;

6. дерматиты кожи лица;

7. хронические головные боли, головокружения, повышенную возбудимость и депрессивные состояния;

8. снижение концентрации внимания;

9. нарушение сна.

Выделим основные опасные производственные факторы, возникающие при работе с вычислительной техникой (ВТ).

Самым опасным производственным фактором при работе с ВТ является возможность поражения человека электрическим током. ЭВМ и ее периферийные устройства питаются от однофазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Безопасным для человека считается напряжение не более 40 В. Таким образом, прикосновение человека к токоведущим частям может привести к серьезной травме - поражению электрическим током.

При работе с ЭВМ основной источник вредных факторов - дисплей, выполненный на основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ). Жидкокристаллические дисплеи на порядок безопаснее, но, и на порядок дороже. Дисплеи на основе электроннолучевой трубки (далее просто дисплеи) выделяют несколько типов излучения:

1. Ультрафиолетовое;

2. Инфракрасное;

3. Видимое;

4. Мягкое рентгеновское;

5. Низкочастотное излучение, порождаемое кадровой и строчной развертками монитора (75 Гц и 37.5 кГц соответственно)

Эргономически неблагоприятными могут оказаться микроклимат и освещение (Ец = 400-700 лк).

Можно выделить следующие вредные и опасные факторы:

1. Электричество;

2. Электромагнитное поле низкой частоты и радиочастоты;

3. Ультрафиолетовое излучение;

4. Инфракрасное излучение

5. Статическое электричество;

6. Плохой микроклимат рабочего места;

7. Неправильная освещение рабочего места;

6.2 Влияние опасных и вредных факторов на разработчика и пользователя

Поражение электрическим током

ЭВМ и ее периферийные устройства питаются от однофазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Это напряжение является опасным, прикосновение человека к токоведущим частям может привести к серьезной травме. Безопасным для человека считается напряжение не более 40 В[9].

Проходя через организм человека, электрический ток производит термическое, электролитическое и механическое (динамическое) действия, являющиеся обычными физико-химическими процессами, присущими как живой, так и неживой материи; одновременно электрический ток производит и биологическое действие, которое является специфическим процессом свойственным лишь живой ткани.

Термическое действие тока проявляется в ожогах участков тела, нагреве до высокой температуры кровеносных сосудов, нервов, сердца и других органов находящихся на пути тока, что вызывает в них серьезные функциональные расстройства.

Электролитическое действие тока выражается в разложении органических жидкостей, в том числе и крови (плазмы), что сопровождается значительными нарушениями их физико-химического состава.

Механическое (динамическое) действие тока выражается в расслоении, разрыве и других подобных повреждениях различных тканей организма, в том числе мышечной ткани, стенок кровеносных сосудов, сосудов легочной ткани и др. в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара от перегретой током тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие электрического тока проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма, в нарушении внутренних биологических процессов. Перевозбуждение нервных окончаний может приводить к неестественно мощному сокращению мышечной ткани, когда в качестве побочных эффектов наступают многочисленные травмы внутренних органов (как вследствие сжатия, так и разрыва), переломы костей. Причем сокращение мышц в определенных ситуациях может вызывать перелом позвоночного столба и, как следствие, летальный исход.

Исход воздействия тока зависит от ряда факторов:

1. величина силы тока - чем больше сила тока, тем, как правило, опаснее его действие;

2. время воздействия - чем дольше происходит воздействие, тем опаснее это для здоровья;

3. пути протекания - прохождение тока через жизненно важные органы опаснее всего, чем длиннее путь протекания ток, тем опаснее возможные последствия;

4. частота тока - наиболее опасен переменный ток с частотой в диапазоне 20 - 100 Гц;

5. состояние окружающей среды - чем выше влажность, тем сильнее может быть поражение;

6. индивидуальные особенности человека: пол, возраст, состояние здоровья, психологическая готовность принять удар - все это может сказаться на степени полученных повреждений.

По видам травм травмирующие воздействия электрического тока разделяют на местные и общие.

1. К общим относят электроудары, делящиеся на 4 класса: 1 класс - судорожное сокращение мышц без потери сознания; 2 класс - судорожное сокращение мышц с потерей сознания; 3 класс - потеря сознания с нарушением работы органов дыхания и кровообращения; 4 класс - состояние клинической смерти.

2. К местным: электрические знаки, ожоги, металлизация кожи, электрофтальмия - воспаление радужной оболочки глаза, механические повреждения.

Классификация силы воздействия электрического тока по ощущениям человека см. таблицу 4.1.

Таблица 4.1. «Классификация силы воздействия электрического тока по ощущениям человека».

Тип воздействия	Величина вызывающего этот тип воздействия переменного тока (мА)	Величина вызывающего этот тип воздействия постоянного тока (мА)
	Начало диапазона	Конец диапазона	Начало диапазона	Конец диапазона
Неощутимый	0	0,5	0	5
Ощутимый	0,5	1,5	5	7
Отпускающий	1,5	6	30	50
Неотпускающий - вызывает сильные и весьма болезненные судороги мышц грудной клетки, что приводит к затруднению или даже прекращению дыхания.	6	10	50	80
Фибриляционный - оказывает непосредственное влияние и на мышцу сердца, что в конечном итоге может привести к его остановке и летальному исходу.	300	>	80	100

Влияние электромагнитного поля низкой частоты

В отличие от рентгеновского ЭМИ, опасность воздействия ЭМИ низких и радиочастот при снижении его интенсивности не уменьшается. Электромагнитное поле низкой частоты появляется в блоке строчно-кадровой развертки дисплея. Оно распространяется по его боковым сторонам и воздействует в основном на людей, сидящих за соседними ЭВМ. Источниками ЭМИ низкочастотного и радиочастотного диапазонов могут являться система вертикального отклонения луча ЭЛТ, работающая на частотах 43 200 Гц, система горизонтального отклонения луча ЭЛТ - 30 110 кГц, система модуляции луча ЭЛТ - до 300 МГц.

Также, источником таких излучений может являться любая аппаратура, в которой используются катушки индуктивности, конденсаторы, генераторы частоты, установки мощности, силовые установки и все, излучающее электромагнитные волны.

При медицинских исследованиях выяснилось, что длительное воздействие электромагнитного поля низкой частоты и большой интенсивности на человека способно вызвать биологические эффекты на организм пользователя, такие как:

1. обострения кожных заболеваний (угревая сыпь, себорроидная экзема, розовый лишай, рак кожи и др.);

2. воздействие на нервную систему (потеря порога чувствительности, нервно-психические расстройства);

3. перегрев тканей человеческого тела и нарушение терморегуляции за счет поляризации диэлектриков и токов проводимости, что особенно вредно для тканей сердечно-сосудистой системы;

4. воздействовать на метаболизм и изменение биохимической реакции в крови на клеточном уровне, в результате чего у оператора возникают симптомы стресса;

5. нарушение в протекании беременности;

6. увеличение в 2 раза вероятности выкидышей у беременных женщин;

7. репродуктивной функции и возникновению рака;

8. нарушение режима терморегуляции организма;

9. изменение в нервной системе (потеря порога чувствительности);

10. понижение/повышение артериального давления.

Как следствие вышеизложенного возникает вредный фактор - низкочастотное и радиочастотное ЭМИ.

Влияние ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение возникает у поверхности экрана монитора в результате бомбардировки пучком электронов синего люминофора цветных ЭЛТ. При превышении интенсивности излучения допустимых норм оно также оказывает вредное воздействие на организм человека и является источником вредного фактора - ультрафиолетового ЭМИ.

Воздействие ультрафиолетового излучения сказывается при длительной работе за компьютером и проявляется через покраснение кожи. Длительное воздействия ультрафиолетовым излучением приводит к поражениям глаз (глазное воспаление роговицы, помутнение хрусталика).

Влияние инфракрасного излучения

Все нагретые части оборудования излучают инфракрасные электромагнитные волны в диапазоне частот от десятков микрометров до 1,5 мкм. Инфракрасное ЭМИ можно получить и с помощью электрических колебаний. Максимально воздействие на человека оказывают волны длиной 0,78 мкм. Глубоко проникая в кожные покровы, инфракрасное ЭМИ может вызвать внутренний нагрев тканей, что приводит к глубинным нарушениям терморегуляции в организме и сложным заболеваниям желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой и нервной систем. Возникает вредный фактор - инфракрасное ЭМИ.

Влияние мягкого рентгеновского излучения

Свечение ЭЛТ достигается путем бомбардировки люминофора разогнанными до больших скоростей электронами. Поэтому перепад напряжения между анодом и катодом ЭЛТ достигает 15 кВ. Как известно из физики при U=3 - 500 кВ появляется рентгеновское излучение. При 3кВ < U < 40кВ мы попадаем в зону мягкого рентгеновского излучения. Возникает вредный фактор - рентгеновское излучение. Воздействие этого вредного фактора может привести к образованию чужеродных соединений молекул белка, изменениям внутренней структуры веществ в организме, приводящей к развитию лейкемии, опухолей и катаракт глаз, воспалению лимфатических узлов и т.д.

Влияние статического электричества

Вычислительная техника при работе образует вокруг себя статическое электричество. ЭЛТ дисплеев излучают достаточно мощный поток положительных ионов, которые взаимодействуют с микрочастицами пыли, всегда присутствующими в воздухе. При подвижности воздуха в помещении более 0,2 м/с пыль, накопившаяся на экране дисплея, слетает с него и переносится на лицо и руки оператора, что приводит к раздражению кожи, дерматиту, угрям. Так как человек является носителем отрицательного заряда, то положительные заряженные частички пыли переносят положительный заряд на кожу человека. Под воздействием статического электричества нарушается синтез белка, что может привести к серьезным заболеваниям.

Электростатические поля вызывают скопление пыли и мелких частиц вокруг дисплея, что ухудшает общую атмосферу рабочего места. Это может привести к заболеваниям дыхательных путей, раздражению кожи, усталости глаз, депрессии, головной боли, бессоннице. Следовательно, появляется вредный фактор - повышенный уровень электростатического поля[11].

Электронные компоненты персонального компьютера работают на низких напряжениях 5-12В постоянного тока. При большом значении напряженности статического электричества может происходить замыкание клавиатуры, микросхем плат. Нормируемая величина напряженности статического электричества Е <= 15 кВ/м.

6.3 Методы защиты пользователей от опасных и вредных факторов

Защита от поражения электрическим током

Для обеспечения безопасности работы пользователя необходимо принять меры к исключению возможности поражения его электрическим током.

Поражение током может возникнуть в результате пробоя изоляции, обрыва токоведущего провода и замыкания его на корпус оборудования. Это может привести к воздействию на оператора, прикоснувшегося к корпусу, напряжения и тока больше предельно допустимых уровней. Для защиты от напряжения прикосновения используется зануление.

Занулением (заземлением) называется преднамеренное соединение нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением с нулевым защитным проводником. Оно применяется в трехфазных сетях с заземленной нейтралью в установках до 1000 вольт и является основным средством обеспечения электробезопасности. Применение в одной и той же сети зануления одной части оборудования, и заземления другой части не допускается, т.к. при замыканиях на корпус в одном из элементов заземленного оборудования все зануленное оборудование окажется под повышенным напряжением. Сопротивление заземления источника питания с напряжением до 1000 В не должно превышать 4 Ом.

Принцип защиты занулением заключается в отключении сети при коротком замыкании, которое вызывает перегорание (отключение автомата), а, следовательно, отключает потребителя от сети[10].

Рассчитаем величину номинального тока для включения в цепь питания ПЭВМ защитного автомата.



4.1 Схема подключения ЭВМ к электросети

Определим ток короткого замыкания Iкз, через НЗП и по его величине Iном предохранителя или автомата:

Iкз.- ток короткого замыкания,

Uф - фазное напряжение, равное 220В;

rт - паспортная величина сопротивления обмотки трансформатора, равная 0.412 Ом,

Rобщ = R1 + R2 + RНЗП , где

p - удельное сопротивление проводника (рНЗП = р2 = 0.0175[Ом*мм2/м] (медь); р1 =0.028[Ом*мм2/м] (алюминий));

L - длина проводника (L1=600м, L2=100м, LНЗП=50м);

S - площадь проводника (S1=2мм2, S2=SНЗП=1мм2).

, где

k - коэффициент, учитывающий тип защитного устройства (в зависимости от типа автомата: k=3 для автомата с электромагнитным расцепителем;

Iном - номинальный ток срабатывания защитного устройства.

Rобщ = 8,4 [Ом] + 1,75 [Ом] + 0,875 [Ом] = 11[Ом];

Во избежание поражения электрическим током и выхода из строя ПЭВМ и периферийного оборудования, в случае возникновения короткого замыкания или других причин появления напряжения прикосновения Uпр, в цепь питания ПЭВМ необходимо включить автомат с Iном = 6А.

Защита от электромагнитного излучения НЧ

Существенная защита от ЭМИ низких частот может быть достигнута:

1. выбором расстояния до излучающего оборудования - для дисплеев - 1 м и более от стен, 1,2 м и более от задней части дисплея, 50-80 см от передней части дисплея и 1,5-2,22 м от боковой части дисплея;

2. соблюдением норм по длительности работы с оборудованием - для дисплеев - не более 4 часов в день при прочих временных правилах;

3. экранированием оборудования (на этапе производства - компенсирующие катушки и экранирующие кольца из специального сплава с высокой магнитной проницаемостью, которые располагают вокруг излучающих частей; при использовании - различные защитные экраны);

4. выбором техники, удовлетворяющей общепринятым стандартам.

Нормирование ЭМИ низких частот производится раздельно для различных диапазонов, а также раздельно для электрической и магнитной составляющих. Нормы по напряженности электрического поля на расстоянии 30ч50 см от источника для ЭМИ НЧ в диапозоне 60 Гц ч 30 кГц составляет 10 В/м. В диапазоне радиочастот ЭМИ составляют 0.1 % от нормы, поэтому ими пренебрегают.

Существуют требования международных стандартов на уровни ЭМИ низких частот (см. таблицу 4.2).

Таблица 4.2. «Требования международных стандартов на уровни ЭМИ»

Стандарт	Напряженность переменного электрического поля для диапазонов *, В/м	Напряженность переменного магнитного поля для диапазонов *, нТл	Электро- статичес- кий потен- циал*, В
	5 Гц ч 2 кГц	2 кГц ч 400 кГц	5 Гц ч 2 кГц	2 кГц ч 400 кГц
MPR II	25	2.5	250	25	500
TCO'91 ('92)	10**	1.0**	200**	25	500
TCO'95	10**	1.0**	200**	25	500

Примечания:

* уровни напряженности измеряются на расстоянии 50 см от дисплея;

** измерения производятся перед экраном на расстоянии 30 см.

Менее жесткие нормы на ЭМИ приводятся также в стандартах ISO 9241-3, TЬV/Rheinald Ergonomie и ряде других.

Защита от ультрафиолетового излучения

Меры защиты от ультрафиолетового излучения обычно направлены на предотвращение превышения суммарного ультрафиолетового потока. Для защиты рекомендуется использование:

1. Люминесцентных ламп мощностью не более 40 Вт. Нельзя использовать лампы типа ЛД, ЛДЦ, так как у них Тцв=6000-6500 К;

2. Мониторов с улучшенными характеристиками и защитное экранирование;

3. Отражающих материалов для покрытия стен - меловая побелка или побелка с добавлением гипса. Не рекомендуется оксиды свинца и титана, краски на масляной основе.

4. Солнечных экранов, жалюзи на окнах;

5. Очков «Стинглас» с защитными стеклами 2 мм с добавлением свинца;

6. Одежды из поплина и фланели.

Защита от инфракрасного излучения

Защитой от инфракрасного ЭМИ является поддержание нормальной температуры оборудования и помещения. Это обеспечивает правильное функционирование аппаратуры и нормальную терморегуляцию человека.

Для обеспечения требуемого теплообмена используются следующие средства:

1. теплоотводящие экраны;

2. вентиляторный обдув внутри оборудования и помещения;

3. приточно-вытяжная общеобменная и местная вентиляции и кондиционирование (БК1500, БК2000);

4. личные меры работников - одежда, утепление или проветривание помещений.

Защита от мягкого рентгеновского излучения

Чтобы минимизировать воздействие рентгеновского излучения на организм человека надо использовать следующие методы: защита временем; защита расстоянием; экранирование.

При работе в смену не более 4 часов, необходимо рассчитать безопасное расстояние до монитора, учитывая, что норма естественного рентгеновского фона в год равна 0,1 P.

Мощность дозы рентгеновского излучения вычисляется по формуле:

Pri=P0*e-k, k=m*r, где

Р0 - мощность дозы рентгеновского излучения [мкР/час];

m - линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей воздухом, см-1

r - заданное расстояние от монитора, см

Некоторая часть ПЭВМ не соответствуют Шведскому стандарту MPR2, устанавливающему нормы на вредные излучения, и на расстоянии 5 см. от экрана имеют Pr5=50-100 мкР/ч. Возьмем для расчета m=3.14*10-2 см-1 . Зависимость излучения от расстояния представлена в Таблице 8.3.

r, см	5	10	20	30	40	50	60	70
Pri,мкР/ч	100	73,5	53,4	40	28,5	21	15	11

Возьмем r =60 см и определим, какую дозу облучения получат пользователи за смену, неделю и год работы на ПЭВМ:

Доза, полученная за период:

· смену 15 * 4 = 60 мкР;

· неделю 60 * 5 == 300 мкР;

· за год 300 * 45 = 13500 мкР.

Сравним дозу, полученную за год в ходе расчета с нормой рентгеновского излучения за год:

Д получ/год <=Д нормир. дозы 0.01 Р<= 0.1P

Безопасным расстоянием до монитора является расстояние 60 см.

Во избежание переоблучения рекомендуется:

1. находится от экрана монитора на расстоянии 60см и более;

2. применять терминалы, удовлетворяющие современным стандартам MPR2 и ТС092, 95, 99. Желательно устанавливать мониторы с низкой выходной радиацией (LR-мониторы);

3. использовать экранирование (защитные экраны).

Защита от влияния статического электричества

Снижение уровня напряженности статического электричества достигается:

1. проведением влажной уборки;

2. использованием нейтрализаторов статического электричества;

3. использованием антистатических покрытий и материалов;

4. использование защитных экранов дисплеев с заземлением;

5. недопущением увеличения подвижности воздуха в помещении выше 0,2 м/с;

Наиболее эффективным способом нейтрализации статического электричества является применение нейтрализаторов, создающих вблизи наэлектризованного диэлектрического объекта положительные и отрицательные ионы. Различают несколько типов нейтрализаторов.

Нейтрализаторы радиоизотопного и аэродинамического типов используют во взрывоопасных производствах. Индукционные нейтрализаторы применимы в случаях, когда их можно расположить очень близко к наэлектризованному материалу - 20 мм и менее. Кроме того, они не ликвидируют заряд полностью - остаточная плотность заряда на материале может достигать 510-6 Кл/м2. Высоковольтные нейтрализаторы высокоэффективны, и их работа не зависит от величины заряда на материале.

Предельно допустимая нормируемая величина напряженности электростатического поля Е <= 15 кВ/м.

Нормализация микроклимата

Для нормального самочувствия человека важно правильное сочетание температуры, влажности, давления и скорости движения воздуха в рабочем помещении. Желательно, чтобы диапазон температур воздуха рабочего помещения находился в следующих диапазонах[8]:

1. в теплое время года от - +22 С до +24 С;

2. в холодное время года - от +21 С до +23 С,

3. а в выходные и праздничные дни от +16 С до +17 С.

Влажность - в пределах 40-60%. Давление - от 734 до 1267 ГПа (550-950 мм рт. ст.). Скорость движения воздуха - не более 0.2 м/с.

С целью создания нормальных условий для разработчика и безотказной работы ВТ установлены оптимальные и допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха (см. таблицу 8.4).

Таблица 4.4. «Микроклимат рабочей среды»

	Параметры воздушной среды на рабочих местах
	Оптимальные	Допустимые
Температура наружного воздуха, С	Температура, С	Относи-тельная влажность, %	Скорость движения, м/с	Температура, С	Относительная влажность, %	Скорость движения, м/с
Ниже 10	20-22	40-60	0.2	18-22	Не более 70	0.3
Выше 10	20-25	40-60	0.5	*	**
* - Не более, чем на 3 С выше наружного воздуха в 13 ч. дня самого жаркого месяца, но не выше 28 С. ** - 70% при 24 С, 60% при 25 С, 55% при 27 С.

Для обеспечения требуемой по указанным нормам качества воздушной среды необходима вентиляция. Вентиляционные устройства должны ассимилировать или удалять избыточную теплоту, влагу, а также пыль с соблюдением при этом определенной подвижности воздуха в помещении.

Обеспечение необходимой освещенности

ЭВМ может быть установлена в ВЦ или на автоматизированном рабочем месте. Помещения должны иметь естественное и искусственное освещение. Желательна ориентация оконных проемов на север или северо-восток. Оконные проемы должны иметь регулируемые жалюзи или занавеси, позволяющие полностью закрывать оконные проемы. Для дополнительного звукопоглощения занавеси следует подвешивать в складку на расстоянии 15-20 см от стены с оконными проемами.

Освещенность дисплейных классов, рекомендуемая отраслевыми нормами, лежит в пределах 400700 лк и мощностью ламп до 40Вт. При искусственном освещении помещения ВЦ рекомендуется использовать люминесцентные лампы ЛБ и ЛТБ. Их мощность не превышает 40 Вт, цветовая температура излучения находится в диапазоне 35004200 °К, срок службы до 10000 часов. У них малая яркость светящейся поверхности, близкий к естественному спектральный состав излучаемого света обеспечивает хорошую цветопередачу. Допускается применение ламп накаливания в светильниках местного освещения.

Рекомендуемая освещенность Е=400-700лк. Освещенность на рабочем месте с ЭВМ должна быть не менее: экрана - 200 лк; клавиатуры, документов и стола - 400 лк. Основной поток естественного света при этом должен быть слева для правшей и справа для левшей.

Для устранения бликов на экране и сильных перепадов освещенности в поле зрения, необходимо экраны располагать таким образом, чтобы минимизировать попадание отраженного от их поверхности яркого дневного света в глаза пользователя[20]. Рабочие места должны располагаться от стен с оконными проемами на расстоянии не менее 1.5 м, от стен без оконных проемов на расстоянии не менее 1.0 м. Пользователь должен располагаться на расстоянии не менее 60-70 см. от экрана, напряжение аккомодации должно быть минимально. Для подсветки документов допускается установка светильников местного освещения, которые не должны создавать бликов на поверхности экрана и увеличивать его освещенность до уровня более 300 лк.