Människan som operatör

Transkript

1 Kurslitt. vt-07 AJ Människan som operatör Mänsklig styrning av komplexa dynamiska system Arne Andersson, Anders Jansson & Bengt Sandblad En bestseller som kommer i din bokhandel inom kort

2 Innehåll Förord... 5 Läsanvisningar... 8 Värdegrund Inledning Att styra ett system eller en process System och process Själva styrsituationen Människan kontra maskinen Det reglertekniska perspektivet Öppen styrning och återkoppling Framkoppling Regleralgoritmer Viktiga egenskaper hos reglersystem Några regulatortyper Givare och styrdon Analog och digital reglering Sammanfattning Det mänskliga operatörsperspektivet Människan som operatör en introduktion Hur ser konkreta styrsituationer ut? Kärnkraft Fartyg Lok Trafik tågtrafik Skogsmaskiner Pappersindustrin Vatten, elkraft Sjukvård Administrativa processer Överordnade mål med styrning Effektivitet och optimalitet Säkerhet Planera arbetet Arbetsmiljö ett bra arbete Att styra ett komplext, dynamiskt system Direkt och indirekt styrning Dynamik Återkoppling Komplexitet Många tillstånd och styrsyften Interaktioner Störningar Olinjariteter Bristande återkoppling

3 Ointuitiva beteenden En modell av systemet människa-teknik (MMSO) Mål Modell Styrbarhet Observerbarhet Övriga aspekter Vilka problem och möjligheter finns med människan som operatör? Kognitiva processer, medveten och automatiserad nivå m.m Minnet, korttidsminnet m.m Långtidsminnet Korttidsminnet Mönsterigenkänning m.m Mänsklig informationshantering Recognition och recall m.m Människans avancerade förmågor Human error etc Latenta fel Praktiskt men irrationellt beslutsfattande Errors, mistakes and violations Felgrepp - Slips Misstag, felbedömningar - Mistakes Regelbrott - Violations HRA metoder, CREAM, haveriutredningar m.m Situation awareness Human decision making Villkor för beslutsfattande Dynamiskt beslutsfattande Kontrollteori Två typer av beslut och inlärning Säkerhet i tekniska system Barriärer Tekniska barriärer Informationsmässiga barriärer Kompetensmässiga barriärer Organisatoriska barriärer Hur bör man tänka när man utformar barriärer? Säkerhetstänkande och säkerhetskultur Automationsproblem Samverkan mellan automater och mänskliga operatörer Automation surprises and the irony of automation Autonoma automater kontra slavar Vad betyder detta i praktiken för utformning av styrsystem med automatiska funktioner i sig? Utformning av styrsystem - grunder Grundläggande principer

4 Management by exception Management by awareness Att styra genom ett gränssnitt problemet med indirekt styrning Att arbeta som processoperatör Erfarenheter från operatörsarbete i praktiken Det direkta styrarbetet Synpunkter på bra och effektiva gränssnitt Vad vill en processoperatör? Utformning av effektiva operatörsgränssnitt Kognitiva problem Grundläggande designprinciper Riktlinjer och designheuristik Ett antal praktiska exempel på bra och dålig design Larm och larmproblematik Principiella problem med larm Erfarenheter med larm i praktiken Riktlinjer för utformning av effektiva larmsystem Några praktiska exempel Att styra på distans/via Internet Arbetsorganisation och ledarskap i processtyrning Kompetens och kompetensutveckling Arbetsplatsens utformning Arbetsmiljö Vad säger lagen? Fysisk och psykosocial arbetsmiljö Kognitiv arbetsmiljö Krav, kontroll, stöd-modellen Hur skapar vi en hållbar arbetsmiljö i arbetet? Ekonomi Användarcentrerat utvecklingsarbete En effektiv utvecklingsmodell Operatörer med i processen Den iterativa processen Prototyping Kontinuerlig utveckling Simulatorer som hjälpmedel för utveckling, utbildning och träning Simulering, simuleringsmodeller och simulatorer Vad är en simulator? Exempel från olika branscher Syften med simulatorer Tekniska aspekter på simulatorsystem Praktisk nytta av simulatorsystem Dagens tekniker och dagens styrsystem Kommersiella produkter Ett antal exempel Spel och operatör i en spelsituation

5 22. Framtida gränssnitt Referenser vidareläsning

6 Förord Situationer där en människa ska försöka att behärska, kontrollera och styra en teknisk omgivning är inte något som är helt nytt för vår tid. Redan från antiken, via medeltiden och in i den moderna industrialiserade tiden har vi skapat tekniska miljöer för att hjälpa och stödja oss i arbetet och i livet i övrigt. Konstbevattning, väderkvarnar, vävstolar och ångmaskiner och är exempel på detta. Idag har detta förstås en oerhört mycket större omfattning och vi styr olika slags industriella processer, fordon, trafiksystem, elkraftsystem, reningsverk, intensivvårdsutrustningar på sjukhus m.m. Från början var de tekniska uppfinningarna av rent mekanisk art och den människa som skulle kontrollera och styra tekniken kunde se och påverka tekniken direkt. Mjölnaren kunde både se och höra hur väderkvarnen uppförde sig och kunde direkt handgripligen ta tag i processen och se till att den uppförde sig enligt intentionerna. Idag sker den mesta styrning av maskiner indirekt, via elektriska styrsystem, elektronik och datorer. Detta innebär att den person som ska styra processen, operatören, kanske aldrig har sett processen och enbart ser den bild av denna som förmedlas via styrsystemets gränssnitt, kontrollrumspaneler osv. Operatören kan heller inte styra processen genom att påverka den direkt, utan är hänvisad till de möjligheter som styrsystemet erbjuder. I de flesta fall handlar det idag om att ge kommandon via en dator. Ibland befinner sig operatören inte ens i närheten av den process man har ansvaret för utan kontrollrummet kan finnas på annan plats eller till och med på en annan ort. Vi ser också, vilket i och för sig inte heller är något nytt, en trend mot mer automatiserade styrsystem. Automater, autopiloter och andra sofistikerade system utför mindre eller större delar av övervaknings- och styrarbetet. I många fall sker styrningen helt automatiskt och den mänskliga operatören har endast att passivt finnas till hands utifall något går snett och det automatiska systemet larmar. I många arbetssituationer ska därför automatiska system samverka med mänskliga operatörer vilket ställer speciella krav på utformningen för att människan inte ska riskera att förlora förståelse för vad som sker och möjligheter att ingripa på ett effektivt sätt. Självfallet har den tekniska utvecklingen, där vi tar hjälp av avancerade tekniska system för att utföra arbetsuppgifter, inneburit mycket positivt för människan och för samhället. Vi kan idag göra saker som förr var totalt omöjliga. Vi producerar mer och med högre kvalitet, vi kan förflytta människor och gods snabbt över hela världen och till och med ut i rymden, vi kan producera energi, kläder och mat och vi kan med teknikens hjälp utföra arbeten som förr var förknippade med stor ansträngning och fara för hälsa och liv. Förmodligen har vi bara sett början på denna utveckling. Det finns en stor potential att åstadkomma ännu mycket mer av positiva förändringar. Utmaningen är att gå vidare i utvecklingen men med ökad förståelse för vad som är nyttigt, meningsfullt och effektivt samt med hänsyn till vad som innebär hållbara förbättringar för människor, arbetsmiljö och för vår miljö och omgivning i övrigt. -5-

7 Sedan den tekniska utvecklingens början finns det också många risker och faror med de system vi bygger upp. Det räcker att vi hör namn som Harrisburg, Tjernobyl, Estonia och Gottröra för att det ska dyka upp bilder av situationer där tekniken inte har behärskats och där brister i konstruktion, kontroll och styrning medfört större eller mindre olyckor och i en del fall oerhörda katastrofer. I dessa sammanhang återkommer begreppet den mänskliga faktorn. Detta är ofta avsett som en förklaring, på gränsen till en ursäkt, till varför saker gått snett. Människan har helt enkelt gjort fel, brustit i sin uppgift, och därigenom förorsakat en katastrof. Vi vänder oss till viss del mot detta synsätt. Självfallet gör vi människor ibland fel, vilket i olyckliga fall kan leda till katastrofer. Människan är oftast rationell i sitt agerande men vi arbetar aldrig efter en strikt logik. Forskningen har tydligt visat att om det finns en möjlighet att göra fel så kommer vi förr eller senare att göra det. Om det är lätt att göra fel, och man befinner sig i en komplex och stressande situation, så är inte frågan om en operatör kommer att göra fel, utan endast när det kommer att ske och hur omfattande konsekvenserna blir. Det är i nästan alltid den som gör det slutgiltiga felgreppet som blir anklagad, utpekad som skyldig och dömd. I många fall skulle man kunna ifrågasätta hur juridiken är utformad i sådana fall. Vilket ansvar har t ex den som konstruerat en omänsklig situation där det i princip är omöjligt för en människa att klara av arbetet utan att göra fel? Vi vet emellertid också att det finns sätt att utforma tekniken, att utbilda och träna operatörerna och att utforma arbetssituationerna så att risken att man gör fel starkt minimeras. Det är sådana lösningar som vi måste eftersträva. Det är inte rätt att se människan enbart som en riskfaktor i samband med styrning av tekniska system, som en som kan göra fel. I de allra flesta fall är inte heller lösningen att ersätta operatören med en automat. Människan har en rad egenskaper och färdigheter som är helt unika och som i många avseenden klart överglänser teknikens. Vi kan hitta lösningar på problem som inte var förutsedda och som kanske aldrig tidigare inträffat. Vi kan göra bedömningar och väga samman olika faktorer utan att det finns några klara regler angivna. Vi har en unik förmåga att lära oss och bygga upp kunskaper om mycket komplexa förlopp. Vi kan under vissa villkor överblicka oerhört stora informationsmängder och snabbt identifiera vad som är viktigt just nu. Vi har en unik förmåga att snabbt och effektivt identifiera och tolka mönster m.m., m.m. Sammanfattningsvis har människan som operatör en del svagheter men också många mycket starka sidor. Detsamma gäller för tekniken. Frågan blir alltså hur vi ska skapa situationer där vi låter människor och teknik, i samverkan, fungera så effektivt som möjligt. Det är detta som är kärnan i denna bok. Det finns mycket kunskap om hur människor fungerar och presterar i en uppgift som innebär att förstå, behärska, kontrollera och styra ett komplext dynamiskt system. Det kan handla om ett arbete inom processindustrin, i ett fordon, att styra trafik, behandla en svårt sjuk patient på en intensivvårdsavdelning eller att hantera ett komplext administrativt ärende. Vi hoppas att denna bok summerar sådana viktiga grundkunskaper och erfarenheter. -6-

8 Vi hoppas också att de som ska konstruera, bygga och införa tekniska styrsystem, och utforma de arbetsprocesser som de ska användas i, kan lära sig en del om vad som är viktigt att beakta. Eftersom utformningen av styrsystemen och operatörernas användargränssnitt är helt avgörande för hur man kan prestera och hur arbetet kommer att gestalta sig är det mycket viktigt att man grundar utformningen på all tillgänglig kunskap och erfarenhet. Vi tror också att de som arbetar i praktiken med styrning av olika slags system ska delta aktivt i utformningen av sina framtida verktyg, arbetsprocesser och arbetsorganisation. När operatörer deltar i sådant användarcentrerat utvecklingsarbete är det värdefullt att de, förutom kunskaper om sitt eget arbete, också har kunskaper av den art som denna bok vill förmedla. Slutligen tror vi att denna bok kan vara användbar i olika slags utbildningar på universitet och högskolor. För dem som ska ansvara för den framtida tekniska utvecklingen är det nödvändigt med omfattande kunskaper inte bara om hur man rent tekniskt bygger styrsystem och gränssnitt utan också om hur man gör det på människans villkor. Då kan de framtida styrsystemen ge såväl effektivitet och säkerhet i styrningen som bra arbeten och en god arbetsmiljö för operatörerna. Uppsala februari 2007 Arne, Anders, Bengt -7-

9 Läsanvisningar Innehållet i boken och hur det kan läsas Värdegrund Det är ganska tydligt att den grundläggande syn och de värderingar man har på människor, på arbete, på kompetenser och erfarenheter starkt påverkar hur man organiserar och utvecklar såväl arbetsprocesser som de verktyg och system som operatörerna har till sin hjälp i arbetet. Litar vi på människan och operatören och på att de kan och vill utföra ett bra arbete i olika avseenden eller misstror vi dem och skapar system som tar över, passiverar och kontrollerar? Tror vi på operatörernas kompetens och engagemang i att kunna aktivt delta i utvecklingsoch förändringsarbete eller ser vi dem som inkompetenta och överlåter utvecklingen åt dem som anses vara experter på området? Sådana frågor hänger samman med den värdegrund man har som grund för sitt agerande. Detsamma kan man säga om vad man ska ta upp i en bok som denna och hur man ska formulera de kunskaper, riktlinjer och råd som vi vill förmedla. Vi har därför sett det som viktigt att redan här klargöra lite av våra egna värderingar och det synsätt vi har på arbete, operatörer, organisationer, arbets- och förändringsprocesser. Människor är helt beroende av att ha meningsfulla och förstådda mål för sitt agerande. Då finns förutsättningarna för att prestera bra och göra ett fullgott arbete. Annars uppfattar med situationen som meningslös. För att kunna klara situationen skapar man då sina egna mål, som i sämsta fall då blir destruktiva. Människor vill göra ett bra arbete, om de ges förutsättningar för detta och får organisationens förtroende. Det är i princip alltid så att de som finns i en verksamhet är uppfyllda av att prestera bra, om det inte är så att något hindrar dem från detta. Människor vill aktivt verka för att utveckla sina och gruppens kompetenser och effektivitet, om de ges sådana möjligheter. I allmänhet är man mycket ambitiös och kreativ i detta avseende, och sätter verksamhetens mål framför personliga. Att få utvecklas, och bidra till verksamheternas utveckling, ses oftast som något mycket positivt och belönande. De kompetenser som skickliga och erfarna operatörer har är omistliga att inkludera vid all planering, utvärdering och utveckling. De medarbetare som ges möjligheterna att ta ett ansvar för verksamheternas utveckling gör detta alltid på ett kreativt och engagerat sätt. Frågan om att skapa en bra och effektiv verksamhet och ett bra, utvecklande och engagerande arbete för medarbetarna handlar alltså till stor del om att se till att villkoren och förutsättningarna för detta kan åstadkommas. Ett bärande tema i denna bok är därför detta: Hur kan vi utforma arbetsprocesser, styrsystem och användbara operatörsstöd som ger sådana förutsättningar. -8-

10 1. Inledning Att styra ett system eller en process. Vår önskan att kunna påverka, styra, vår omgivning är inte något nytt och enbart förknippat med att vi idag lever omgivna av tekniska system av olika slag. Människor har i alla tider försökt påverka sin omgivning så att den uppför sig på något önskat sätt. Då naturen inte självmant gav den temperatur eller nederbörd som man önskade sig för att få en behaglig tillvaro och gynnsamma förhållanden för odling fick man ingripa själv. Det finns dokumentation om hur egyptierna använde sig av avancerade bevattningsmetoder redan för 4000 år sedan. Eftersom vattenflödet i Nilen varierade över året, och man var beroende av vatten för att kunna odla i det torra klimatet, försökta man utnyttja vattnet så effektivt som möjligt när tillgången var god. Genom att flytta vatten till kanaler och bassänger kunde man förbättra möjligheterna till odling. För att möjliggöra denna påverkan, styrning, av vattenflödena var det några olika saker som måste åstadkommas. Man behövde bl a information om när vattentillgången skulle bli sådan att man kunde utnyttja flödet på ett effektivt sätt. För den skull tog man, förmodligen baserat på erfarenhet, fram prognosmodeller som utgick från kunskap om de normala variationerna i vattenflödet, på information om nederbörden längs Nilen och på aktuella uppgifter om vattennivåerna högre upp längs floden. För att kunna flytta vattenmängder från flodfåran till bevattningskanaler och odlingsområden var man också tvungen att uppfinna olika tekniska system för att lyfta vatten till kanalerna. Ett berömt exempel på en sådan mekanism är Archimedes skruv som han utvecklade i Syrakusa c:a 200 f. Kr. Med hjälp av denna kunde kan skruva upp vatten till en högre nivå för vidare transport. Fig. Bevattningskanal i gamla Egypten -9-

11 Ett annat tidigt exempel på styrning är hur man på olika sätt man påverka en väderkvarn för att den ska bete sig på ett så bra som möjligt i relation till det syfte man har: att mala säd på ett under olika förutsättningar effektivt sätt med så hög kvalitet på det resulterande mjölet som möjligt. Väderkvarnarna hade också annan användning, t ex att driva de mekaniska delar som transporterade vatten i bevattningssystem. Väderkvarnarna gjorde det möjligt att använda sig av en opåverkbar kraft, vinden, för att utföra ett noggrant kontrollerat arbete. De första väderkvarnarna började konstrueras på 600-talet och under medeltiden och ändra fram till på 1900-talet var de en oerhört viktig faktor för nationernas försörjning. Styrningen av väderkvarnarna och av processen att framställa mjöl från säd uppvisar en spännande blandning av mänsklig styrning, genom den yrkesskicklighet som mjölnare och andra inblandade uppvisar, och mer eller mindre automatiserade styrfunktioner. Den automatiska styrningen av olika delar av väderkvarnarna var från början ganska primitiv men blev med åren allt mer sofistikerad. För att väderkvarnen ska fungera bra måste ett antal olika villkor vara uppfyllda. Vingplanet ska helst vara vinkelrätt riktat mot vinden. De enskilda vingarna ska ha en lämplig vinkel mot vinden för att en roterande rörelse ska kunna uppstå. Om vinden blir för stark kan man behöva reva vingarna för att inte farten ska bli för hög eller väderkvarnen ta skada. I de mer primitiva väderkvarnarna fanns först inga styrfunktioner alls men snart skapade man olika möjligheter för att manuellt kunna ställa in väderkvarnen på lämpligt sätt. Under åren uppfanns sedan fler och fler automatiska funktioner, för att man utan mänskligt ingripande skulle kunna styra, reglera, väderkvarnens olika funktioner. Ett problem var att rikta hela väderkvarnen mot vinden. Först gjordes detta med hjälp av en lång stång på väderkvarnens baksida, som man kunde vrida hela kvarnen med. År 1745 uppfann engelsmannen Edmund Lee ett system av vidsegel på kvarnens baksida, som när vinden kom in från sidan påverkade ett antal kugghjul som vred hela kvarnen till dess att den pekade mot vinden igen. Ett annat problem var att kunna ställa in vingarna så att kraften blev lämplig. Skotten Andrew Meikle uppfann t ex 1772 ett fjädersegel där en fjädringsanordning på varje segel gav vika om vinden blev för hård och därmed styrde en inställning som minskade vindkraften på seglet. Fjädrarna kunde ställas in då kvarnen stod stilla, varefter väderkvarnen inom rimliga gränser kunde rotera med konstant hastighet oberoende av vindstyrkan. Ytterligare en funktion som har automatiserats är styrning av hur snabbt säden rinner in mellan stenarna som funktion av väderkvarnens hastighet. I alla dessa exempel var det dock helt säkert så att det var mjölnarens skicklighet som i slutändan var avgörande för hur bra väderkvarnen fungerade, att den kördes inom rimliga gränser så att den inte tog skada och så att det producerade mjölet höll hög och önskad kvalitet. Lika säkert var det också att de tekniska systemen och de automatiska reglersystemen bidrog till att göra arbetet effektivt. Under årens gång anpassade man, så gott man kunde, den manuella och den automatiska styrningen till varandra så att de utgjorde en effektiv samverkande helhet. -10-

12 Fig. En väderkvarn samt en skiss av en reglerutrustning. En viktig slutsats av dessa tidiga exempel på planering och styrning är att några olika förutsättningar och villkor måste vara uppfyllda för att man ska kunna åstadkomma det man strävar efter, i dessa exempel att kunna förse annars obrukbar mark med vatten och därmed möjliggöra odling och försörjning åt en hel nation eller att kunna producera mjöl med snabbhet och kvalitet. För det första måste man ha ett tydligt mål, syfte, för det man vill uppnå. Vidare måste man ha en rad olika kunskaper om hur det man vill påverka fungerar, så att man utgående från denna kunskap kan konstruera det styrsystem som fordras. Man måste också ha information om ett antal storheter som beskriver det system man vill påverka, så att man känner dess tillstånd nog bra för kunna fatta korrekta beslut om nödvändiga styråtgärder. Slutligen måste man ha tillgång till funktioner som påverkar systemet så att dess tillstånd förändras på det sätt man önskar och avser. Vi ska senare se att dessa fyra olika basala villkor alltid måste vara uppfyllda när man vill påverka eller styra ett system mot ett uppsatt mål System och process Vi är i denna bok intresserade av hur människor och teknik kan påverka någonting i avsikt att få det att bete sig på ett önskat sätt. Det någonting som man påverkar kallar vi ibland för systemet och ibland för en process. Med ett system (en strukturerad helhet) menar vi en avgränsad del av vår omvärld. Det kan handla om en väderkvarn, en pappersmaskin, ett kärnkraftverk, en tankbåt, tågtrafiken i Mellansverige, en svårt sjuk patient tillsammans med en livsuppehållande apparatur eller ett flygplan. Vad som vi i en viss situation väljer att definiera som ett system avgörs av det syfte vi har. Om vi väljer att studera hur vi kan styra en viss maskin på ett önskvärt sätt så utgör maskinen det system som vi betraktar. Systemet skiljs från sin omgivning av systemgränsen. Systemet och dess omgivning kan ömsesidigt påverka varandra, interagera. Ofta består inte systemet av en enda enhet, utan av en mängd enheter, delsystem, som tillsammans utgör en komplex helhet. Det är typiskt att man inte kan förstå hur ett system beter sig enbart genom att studera de enskilda delarna och deras funktion. Systemets totala egenskaper beror ofta till stor del av hur de olika delarna inbördes -11-

13 samverkar, interagerar med varandra. Man brukar benämna detta systemsynsätt som att helheten är mer än summan av delarna. Det är viktigt att man tydligt definierar vad som betraktas som systemet och vad som betraktas som omgivningen när vi pratar om att vi vill styra ett visst system. Omgivning Systemgräns Interaktioner System Fig. Ett system avgränsat från sin omgivning och som interagerar med denna. Ibland refererar vi till att vi vill påverka eller styra en process (ett förlopp). Det vi då menar är i princip detsamma som att vi vill styra ett system, men genom att kalla det för en process betonar vi att det är systemets beteende som funktion av tiden som vi är intresserade av att påverka på ett visst sätt. Med process menar vi i fortsättningen ett avgränsat systems tidsmässiga förlopp, t ex ett flygplans färd, det som sker i ett kärnkraftverk eller hur tågtrafiken flyter fram inom ett avgränsat område. Vi kan ofta beskriva en process genom att beskriva hur olika systemdelar utvecklas som funktion av tiden Själva styrsituationen All styrning förutsätter att vi har något syfte med det vi vill åstadkomma. Vi vill att bilen kommer fram säkert till en viss önskad plats och kanske före en viss önskad tidpunkt. Vi vill att en pappersmaskin ska tillverka papper av en viss given kvalitet och utan att det blir avbrott i tillverkningen. Vi vill att en svårt skadad patient med hjälp av livsuppehållande apparater och medicinering ska tillfriskna. Vi ska längre fram utveckla en bild av hur en styrsituation kan se ut, men så här i inledningen kan vi beskriva styrsituationen med följande bild. Vi vill styra en process som vi definierat genom att ange vad vi just i detta fall betraktar som vårt system. Styrningen kan vara en blandning av mänsklig styrning, där en operatör påverkar systemet i avsikt att få det att bete sig på något önskat sätt. Styrningen sker i allmänhet inte direkt mot systemet, utan via något styrsystem. Förutom den mänskliga styrningen genom operatörens arbete kan det finnas en automatisk styrning, t ex genom ett automatiskt reglersystem eller en autopilot. Operatören kan ibland påverka hur automatiken ska bete sig och kanske också övervaka att den gör som dem ska. -12-

14 Avgränsat system Automatiskt styrsystem Styrsystem Operatör Process Fig. En operatör styr en avgränsad process genom ett styrsystem. Delar av styrningen sker också med hjälp av någon automatik. Som ett enkelt exempel kan vi ta en bilförare (operatören) som vill köra en bil från en plats till en annan. Via ratt, gas, broms m.m.(styrsystemen) kan föraren påverka systemet (bilen) så att färden (processen) förlöper som avsett. I en moden bil finns mycket av automatik som aktivt påverkar vad som sker. Datorer och annan elektronik styr förgasare, tändning m.m. Servosystem av olika art förmedlar förarens intentioner till bilens olika tekniska delsystem. Bilens funktion och beteende övervakas av automatiken och denna kan larma om något går fel Människan kontra maskinen Traditionellt har man oftast sett styrproblemet som ett rent tekniskt problem, och utvecklat omfattande vetenskaper för hur man beskriver och analyserar styrsituationen och hur man konstruerar tekniska lösningar för att lösa problemet. Reglerteorin och reglertekniken ger modeller, metoder och tekniker för tekniks styrning av system. Inom dessa vetenskaper ser man oftast människan som en extern komponent i styrarbetet, t ex som den som anger syftet med styrningen, den som ställer in börvärdet i den tekniska regulatorn osv. I många situationer finns det ett behov av att människor som operatörer och de tekniska styrsystemen fungerar bra tillsammans. Ska man beskriva och förstå hur ett sådant styrarbete fungerar, där människor och teknik samverkar, så räcker inte ett rent tekniskt perspektiv. Vi måste förstå vad som är teknikens egenskaper och vad som är människans, liksom vad som är teknikens respektive människans styrkor och svagheter i arbetet med att styra en process. Som en inledning till hur vi ska komma fram till en bra helhetsbild av detta ska vi först titta lite kort på hur man inom reglertekniken ser på styrning. -13-

15 Det reglertekniska perspektivet Reglertekniken är en ingenjörsvetenskap som har till uppgift att utveckla teorier, metoder och tekniker för styrning av ett system för att uppnå något angivet syfte. Till allra största delen handlar det om att styra tekniska system i vår omgivning som maskiner, industriella processer, fordon och trafiksystem. De utvecklade teorierna och metoderna har också med varierande framgång tillämpats på andra samhällssystem, företag, ekonomi, politisk planering m.m. Reglertekniken skiljer mellan manuell styrning och automatisk styrning. Manuell styrning är det som kan utföras av en människa i direkt kontroll över en process, t ex att reglera flödet i en vattenstråle genom att vrida på en kran. Den automatiska styrningen är en styrning som genomförs av ett reglersystem utan att en människa är med. En grundbild av ett reglersystem är att vi med hjälp av an styrsignal (insignal) påverkar ett system vilket då beroende på sina inre egenskaper och på styrsignalen uppvisar ett beteende (utsignal). Bilden kompliceras oftast av att vi inte kan kontrollera all påverkan på systemet utan systemet påverkas också av störningar av olika slag. Störningar Påverkan (insignal) System Beteende (utsignal) Fig. Ett system som påverkas utifrån, dels på ett medvetet sätt, dels genom störningar, kommer som ett resultat av detta att uppvisa ett visst beteende. Såväl påverkan, störningarna som beteendet kan bestå av flera olika delar, dvs vi påverkar systemet på flera olika sätt och vi är oftast intresserade av systemets beteende i flera olika avseenden. Öppen styrning och återkoppling En viktig skillnad är mellan öppen styrning och återkopplad styrning. Öppen styrning innebär att man påverkar systemet på ett visst givet sätt, vilket kommer att resultera i ett visst beteende hos systemet. Hur man påverkar beror inte på något sätt av systemets beteende. Om vi vill styra temperaturen i ett rum, genom att värma upp det med ett element som saknar termostat har vi öppen styrning. Vi ställer in elementet på en viss effekt och detta kommer att leda till att rummet får en viss temperatur. Vad temperaturen blir beror bl a av rummets egenskaper som vi ofta inte känner i detalj, hur väl det är isolerat samt av hur utetemperaturen (störningen) varierar. Inställningen av elementet påverkas alltså inte av vilken temperatur rummet faktiskt har. -14-

16 Utetemperatur Inställning Element Rum Temperatur Fig. Öppen styrning av temperaturen i ett rum. Inställningen, och därmed elementets uppvärmning, påverkas varken av rummets temperatur eller av utetemperaturen. Principen för återkoppling eller sluten styrning är en annan. Vi vill här åstadkomma en styrning där man påverkar systemet med hänsyn taget till hur systemet faktiskt beter sig. Härigenom kan vi styra mot ett visst angivet mål. Detta sker genom att vi anger ett önskat beteende (börvärde) som vi ger som insignal till en regulator. Detta börvärde jämförs med det värde som systemets beteende visar (ärvärdet), vilket vi kan mäta med hjälp av någon givare. Regulatorn räknar ut en lämplig styrsignal (insignal) till ett styrdon som påverkar systemet som då kommer att få ett visst beteende. Det återkopplade styrningen kan alltså se till att systemet uppvisar det önskade beteendet även om vi inte känner till alla systemets egenskaper och även om störningarna varierar över tiden. Inställning (börvärde) Regulator Styrsignal Element Utetemperatur Rum Temperatur Givare Fig. Återkopplad (sluten) styrning genom negativ reglering. Information om systemets beteende (temperaturen, ärvärdet) återförs till en regulator. Där jämför man detta med det önskade beteendet (börvärdet). En styrsignal räkas ut som ställer in styrdonet (elementet) så att det påverkar systemet på lämpligt sätt för att syftet ska uppnås. Denna form av återkopplad styrning kallas också negativ återkoppling, eftersom man låter skillnaden mellan börvärde och ärvärde, även kallat reglerfelet, vara det som påverkar styrdonet. Vi positiv återkoppling låter vi beteendet direkt påverka systemet, vilket då t ex kan generera en ohämmad tillväxt. Ett exempel är antalet kaniner i en kaninpopulation. Antalet nya kaniner som tillkommer per tidsenhet är proportionell mot antalet vuxna kaniner. Populationen kommer då att växa på ett exponentiellt sätt om inga begränsande faktorer, som begränsad tillgång till mat eller sjukdomar, finns. -15-

17 Antal Nya kaniner + + Antal kaniner i populationen Fig, Positiv återkoppling. Om förändringen är positivt proportionell mot populationens storlek kommer detta att generera en ohämmad exponentiell tillväxt. Först om någon begränsande faktor införs, som t ex begränsad tillgång på föda, inför vi en negativ återkoppling som kommer att begränsa tillväxten. Tid Framkoppling Reglertekniken ger också en annan metod för att kunna styra ett system där man vill eliminera effekterna av yttre störningar, kallad framkoppling (feed-forward). Denna princip bygger på att man kan mäta eller i alla fall uppskatta störningarna och sedan ta hänsyn till hur dessa ser ut när man räknar ut styrsignalen. I exemplet med temperaturreglering av ett rum kan man t ex mäta yttertemperaturen och sedan använda detta för att ställa in regulatorn. Det finns oftast en viss tidsfördröjning mellan en ökning i börvärdet till regulatorn och den tidpunkt då temperaturen i rummet ställt in sig på önskad nivå. Det finns också en tidsfördröjning, som beror av isolering m.m., innan en förändring i utetemperaturen slår igenom inne i rummet. Om nu utetemperaturen förändras bygger framkopplingen på att man drar på eller drar ner värmetillförseln i tid för att man inte ska få oönskade svängningar i innetemperaturen. Genom en kombination av framkoppling och återkoppling kan man få en god reglering som är relativt okänslig för störningar av olika slag. Givare Styrsignal Utetemperatur Börvärde Regulator Element Rum Temperatur Givare Fig. Genom framkoppling kan man t ex i tid kompensera för sådana externa störningar som annars skulle kunna påverka styrningen på ett negativt sätt. Information om störningarna tas med i regulatorns beräkningar av hur styrsignalen ska se ut. -16-

18 Regleralgoritmer Av beskrivningen ovan framgår det att en central uppgift inom reglertekniken är att räkna ut hur styrsignalen ska se ut. Detta görs i regulatorn. Baserat på den information som kommer in räknar man men hjälp av lämpliga regulatoralgoritmer ut vilken styrsignal som är lämplig att skicka vidare till styrdonet. Inom reglerteorin har man utvecklat mycket kraftfulla metoder för att i olika situationer och för olika slags styrsyften formulera lämpliga regleralgoritmer. En genomgående princip är att för att kunna skapa algoritmer som räknar ut lämpliga styrsignaler så måste man ha tillräckligt bra kunskap om hur systemet som ska styras fungerar. Framförallt måste man ha kunskap om hur olika slags påverkan resulterar i olika slags beteende hos systemet. Man säger att man måste ha en tillräckligt bra modell av det system som ska styras, och med modell menar man här oftast en matematisk beskrivning av sambanden mellan påverkan och beteende. Viktiga egenskaper hos reglersystem Reglerteorin ger teknikerna verktyg för att kunna skapa reglersystem med en lång rad önskvärda egenskaper. Vi ska här kort lista några sådana egenskaper, eftersom dessa även kommer att vara viktiga längre fram när vi kommer in på mänsklig styrning av system. Stabilitet Ett stabilt reglersystem har egenskapen att systemets utsignal inte kan skena iväg på ett okontrollerbart sätt. Givet att vi bara påverkar systemet på ett begränsat sätt så ska också systemets beteende hålla sig inom rimliga gränser. Om det finns tidsfördröjningar och annat i systemet så kan en liten ändring i insignalen ibland förorsaka att det instabila systemet börjar självsvänga på ett okontrollerbart sätt. beteende beteende tid Fig. En liten förändring av påverkan leder i ett stabilt system till att systemet snabbt ställer in sig till det nya värdet (vänster). Samma påverkan kan hos ett instabilt system leda till ett okontrollerbart beteende (höger). tid -17-

19 Noggrannhet Ett reglersystem med hög noggrannhet leder till att beteendet (utsignalen) ställer in sig så att det mycket noga följer påverkan (insignalen). Är systemet mindre noggrant kan det finnas ett kvarstående reglerfel. börvärde börvärde reglerfel utsignal utsignal tid Fig. Ett noggrant reglersystem har inget kvarvarande reglerfel (vänster) medan så är fallet hos ett icke noggrant reglersystem (höger). Känslighet Känslighet är ett mått på hur mycket ett systems beteende varierar om någon annan parameter förändras. Ett exempel kan vara störningskänslighet. Om störningarna förändras med 50% och detta leder till att beteenden bara förändras med 1% är systemet relativt okänsligt för variationer i störningarna. Leder samma förändring till att beteendet förändras med 100% är systemet betydligt med störningskänsligt. Känsligheten kan också gälla i relation till insignalen, systemmodellens noggrannhet etc. Robusthet Begreppet robusthet är nära relaterat till känslighet. Robusthet är ett sammanfattande begrepp som beskriver hur väl reglersystemet klarar av att hantera olika slags processosäkerheter. Huvudfrågan är om reglersystemet som helhet kommer fungera på ett tillfredsställande sätt även om man inte har full kontroll över systemmodeller, förändringar i systemet över tiden, kunskap om störningar, kvalitet i insignaler m.m. Främst är man intresserad av huruvida reglersystemet kan antas komma att förbli stabilt (robust stabilitet) och om regleringen kommer att ha den kvalitet som man eftersträvar (robust prestanda) även om man har brister i kunskap och information. Om man t ex ska styra ett säkerhetskritiskt system, som ett flygplan eller ett kärnkraftverk, är det av stor betydelse att reglersystemen är synnerligen robusta. Snabbhet Snabbhet är ett mått på hur fort systemets utsignal (ärvärdet) ställer in sig till ett nytt värde om vi plötsligt ändrar insignalen (börvärdet). Ofta vill vi ha en så snabb respons som möjligt utan att några andra negativa konsekvenser uppstår. Det finns i praktiken t ex ofta en konflikt mellan snabbhet å ena sidan och stabilitet å andra sidan. tid -18-

20 börvärde börvärde utsignal utsignal tid tid Fig. Ett snabbt system (höger) antar fort sitt nya värde, medan det tar längre tid för ett långsamt system(vänster). Optimal styrning En styrning är optimal om man lyckas hitta det sätt att styra på som maximerar eller minimerar någon uppsatt kriteriefunktion. Om vi t ex vill kunna styra en industriell process så att de totala produktionskostnaderna minimeras, så definierar vi en formel som beräknar dessa kostnader som funktion av systemets beteende. Det kan t ex handla om att vi summerar kostnaderna för råvaror, produktionsbortfall, kvalitetsbrister, energiåtgång för tillverkningen m.m. Om vi nu kan styra processen så att den totala kostnadsformeln minimeras så säger vi att vi har åstadkommit en optimal styrning. Att den är optimal gäller förstås bara i relation till den formel (kriteriefunktion) som vi definierat. Ett styrsystem kan också ibland innehålla vissa delar som bidrar till optimalitet i styrningen, utan att hela systemet har en optimerande funktion. Sådana delsystem ingår ofta som stöd till operatören i mer komplexa styrsituationer. Adaptiv styrning Ett adaptivt reglersystem innebär att regulatorn är självinställande. När man räknar ut en styrsignal med hjälp av regulatoralgoritmerna är dessa beräkningar alltid baserade på en modell av det system som ska styras. Om nu systemet skulle råka ändra egenskaper, t ex på grund av att det åldras, någon komponent går sönder etc. så är modellen kanske inte längre nog bra för en god styrning. Om man då konstruerar en låda som hela tiden räknar ut en lämplig modell av det styrda systemet och återför denna till regulatorn, så kan man försäkra sig om att man hela tiden har en tillräckligt bra modell. Uträkningen av den aktuella modellen sker genom att man hela tiden mäter insignal och utsignal och med hjälp av dessa mätserier beräknar (modellanpassning) en lämplig modell. Några regulatortyper Det finns några huvudsakliga typer av regulatorer som är mycket vanliga vid normal teknisk processreglering. En proportionell regulator (P-regulator) styr med hjälp av en styrsignal som är proportionell mot reglerfelet. Reglerfelet är skillnaden mellan börvärdet och systemets beteende (utsignal). Om utsignalen vid en viss tidpunkt är större än börvärdet blir reglerfelet negativt vilket leder till en negativ styrsignal. Detta leder då normalt till att utsignalen minskar och således att även reglerfelet minskar, -19-

21 vilket leder till att styrsignalen avtar. Situationen blir den motsatta om utsignalen är mindre än börvärdet, dvs då kommer styrsignalen att vara positiv. Genom den negativa återkopplingen kommer systemets beteende att styras in mot börvärdet. En rent proportionell regulator kan ha en del mindre goda egenskaper, t ex att man får ett systematiskt kvarstående reglerfel. Detta kan man eliminera genom att konstruera en integrerande regulator (I-regulator). Denna regulator beräknar integralen (summan) av reglerfelet över tiden och låter detta mått på det totala reglerfelet påverka styrsignalen. Finns det något kvarstående reglerfel kvar kommer I-regleringen att kompensera styrningen så att detta på sikt försvinner. Även I-regulatorn och kombinationer av P- och I-reglering (PI-regulator) kan ha en del mindre önskvärda egenskaper. Styrningen kan t ex bli långsam och kan ibland medföra instabilitet. För att råda bot även på detta kan man låta styrsignalen även bero av systemutsignalens derivata, dvs ett mått på hur snabbt utsignalen förändras. En D-verkande regulator kan bidra till att regleringen blir betydligt snabbare än annars. PID-regulatorer av olika slag och i olika kombinationer är det vanliga sättet att styra tekniska system. Givare och styrdon Regulatorer arbetar med information. Information om börvärde, systembeteende, störningar m.m. tas emot i form av signaler, algoritmer räknar ut vilka styrsignaler som ska skickas vidare och information om detta skickas i form av signaler vidare till styrdonen. För att kunna fånga upp informationen om systemets beteende, dvs mäta utsignalerna från systemet, måste man använda sig av någon slags givare (sensor). Det finns många exempel på givare för olika slags storheter. Temperaturgivare i form av termistorer, termoelement m.m. omvandlar systemets temperatur till en elektrisk signal. Flödesgivare som t ex tryckdifferensmätare eller elektromagnetiska mätare omvandlar ett vätske- eller gasflöde till en signal. Tryckgivare av mekanisk eller piezoelektrisk art omvandlar ett tryck till en signal. Andra givare kan mäta vätskenivåer, varvtal, positioner, hastigheter osv. Styrdonen (aktuatorer) är andra tekniska prylar som ska ta emot information från regulatorn och sedan omvandla detta till en direkt påverkan på systemet. I allmänhet består styrdonet av någon slags motor som genom en rörelse kan manipulera något i systemet, t ex en ventil, en strömbrytare, ett reglage eller en pump. Analog och digital reglering De på teoretisk väg beräknade regulatorerna, dvs de burkar som utgående från olika insignaler och mätvärden ska beräkna styrsignalerna med hjälp av sina algoritmer, måste sedan implementeras. Detta kan göras på olika sätt. Tidigare byggde man upp regulatorerna med hjälp av elektroniska kretsar, men idag sker den mesta regleringen med hjälp av datoriserad utrustning. -20-

22 Den digitala regleringen, som alltså sker med hjälp av programvara i datorer, innebär att alla signaler in och ut från regulatorn (datorn) måste vara digitala. I de fall att givare och styrdon inte är digitala måste de analoga signalerna omvandlas via A/D- respektive D/A-omvandlare. I praktiken köper man oftast mer eller mindre färdiga datoriserade reglersystem i form av kommersiellt tillgängliga produkter. Dessa måste sedan anpassas och ställas in för att klara av de aktuella styruppgifterna. Sammanfattning Det tekniska reglerperspektivet är främst inriktat mot att lösa det s.k regulatorproblemet: att se till att det styrda systemets utsignal följer det angivna börvärdet så bra som möjligt under de rådande omständigheterna. Av den korta beskrivningen ovan framgår förhoppningsvis också en mycket central sak som vi redan berört i den allra första inledningen till denna bok. För att kunna styra (reglera) ett tekniskt system med hjälp av ett återkoppling måste man ha ett mål för den styrning man vill åstadkomma, man måste ha en tillräckligt bra modell av det styrda systemet och kanske också av de störningar som uppträder, man måste kunna mäta systemets beteende och slutligen måste man ha lämpliga styrdon som kan påverka systemet på önskat sätt så att målet uppnås Det mänskliga operatörsperspektivet I det mer traditionella reglertekniska perspektivet finns människan i princip endast med som någon som ställer in ett börvärde till en regulator. Självfallet finns det många helt automatiska styrsystem, där människan inte gör mer än högst anger ett börvärde. I våra hem där vi gärna vill ha en jämn temperatur i rummen oberoende av vad som sker är vi säkert nöjda med att bara behöva ställa in önskad temperatur i en termostat och sedan förlita oss på att automatiken tar hand om resten. Om vi vill skicka iväg en obemannad farkost till en fjärran planet för vi se till att den kan klara av sitt uppdrag utan direkt kontroll av någon mänsklig operatör. Även inne i vår egen kropp pågår ständigt ett stort antal mycket avancerade helt självständiga automatiska reglerprocesser. Kroppen själv styr temperatur, blodtryck, sockernivåer m.m. utan vår medvetna påverkan. I praktiken är människan emellertid ofta en aktiv deltagare i styrarbetet och en helt nödvändig förutsättning för att styrningen över huvud taget ska fungera. Den tekniska regleringen kan i många fall inte alls klara av styrningen på egen hand, utan människan måste vara en komponent i det totala styrsystemet. Antalet situationer där en människa i form av en operatör gör en viktig del av styrningen är många. Det vi här ska ägna oss mest åt är sådana sammanhang där en professionell operatör har uppgiften att i ett arbetssammanhang styra ett system, en process. Som en pilot i ett flygplan, en operatör i ett kärnkraftverk eller en styrman på ett fartyg. Det finns vissa likheter mellan människan som operatör och ett rent tekniskt reglersystem, men också mycket stora olikheter. En stor olikhet är att människan -21-

23 inte är en förutsägbar strikt logisk varelse. Vi agerar inte enligt logiska regler utan kan vara irrationella och oförutsägbara. Detta kan i vissa situationer vara en nackdel, och man kan tycka att det vore bättre att ersätta människan med en automat, men det visar sig att just detta också är människans stora fördel över maskinerna och datorerna. Vi ska i fortsättningen av denna bok studera hur människan fungerar som operatör av en process, men även se vilka förutsättningarna är för en effektiv samverkan mellan mänskliga operatörer och automatiska styrsystem. Om man har den kunskapen kan man se till att processer styrs på det sätt som är bäst ur en rad perspektiv att människan gör det hon är bäst på och automaterna det de är bäst på Människan som operatör en introduktion. Människans som operatör, med uppgift att styra en process mot önskat beteende, har både en rad styrkor och svagheter. I många fall är människan helt nödvändig för att man ska kunna få processen att fungera överhuvudtaget. Människans förmåga att anpassa sig, att hitta lösningar på helt nya problem, att snabbt lära sig nytt m.m. är mycket avancerade. Samtidigt har människan en rad svagheter och presterar mycket dåligt i vissa avseenden och under vissa betingelser. Det är därför vi skriver denna bok, för att beskriva vad man vet och människans förmågor, styrkor, brister och svagheter i sådana situationer. Bara genom att man tillägnar sig dessa kunskaper och lär sig att beakta dem när styrsystem och operatörsgränssnitt utformas kan man hitta de bästa lösningarna Hur ser konkreta styrsituationer ut? Här följer ett antal korta exempel, från olika branscher och situationer Kärnkraft Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar. -22-

24 Fartyg Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar Lok Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar Trafik tågtrafik Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar. -23-

25 Skogsmaskiner Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar Pappersindustrin Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar Vatten, elkraft Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar. -24-

26 Sjukvård Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar. Förklara varför även denna form av arbete, t ex intensivvård, kan ses som operatörsarbete och styrning av ett dynamiskt komplext system Administrativa processer Bild på operatör och en text om vad operatörsarbetet här innebär. Kort om speciella problemställningar. Förklara varför även denna form av arbete, t ex ärendehantering, kan ses som operatörsarbete och styrning av ett dynamiskt komplext system Överordnade mål med styrning Det finns i samband med alla styrsituationer ett antal mål som man vill uppnå med styrningen. Dessa är oftast specifika dels för processen och arbetssituationen, dels för de individuella operatörerna. Sådana mål ska vi behandla längre fram. Det finns också ett antal mer generella typer av mål som så gott som alltid är med i bilden. Nämligen: -25-

27 Effektivitet och optimalitet Styrningen ska leda till en effektiv process och i förekommande fall att man har en så optimal styrning som möjligt i relation till verksamhetens mål. Det är också viktigt att själva styrningen är effektiv och optimal så att man inte lägger ner med ansträngning och energi etc. än nödvändigt Säkerhet Säkerhet står ofta i fokus. Speciellt i processer vars beteende kan innebära fara i något avseende Planera arbetet Ett viktigt syfte är operatörens strävan att hålla processen inom sådana gränser att inte styrarbetet tenderar att bli alltför krävande, tidskritiskt, stressande etc. Genom att jobba förebyggande kan man uppnå detta. Man håller sig hela tiden ajour med hur processen beter sig, vad som håller på att ske etc. och ingriper så att processen inte driver iväg eller närmar sig några kritiska områden Arbetsmiljö ett bra arbete Operatörsarbetet är ofta krävande i olika avseenden. Arbetsmiljöhänsyn i olika avseenden är viktiga för att arbetet ska vara ett bra arbete. Man måste undvika stressande och belastande situationer. När operatörerna verkligen måste agera effektivt och snabbt måste förutsättningarna för detta finnas. Några frågeställningar att diskutera kring Vad menas med X Några förslag till vidareläsning Bok 1 Bok 2-26-