Инженерно-психологическое и эргономическое проектирование Монитора пациента

Для выполнения операции записи код цвета пикселя заносится в входной регистр цвета 10 и с помощью схемы формирования сигналов чтения/записи 16 обеспечивается подача требуемых управляющих сигналов на видеопамять 20. При необходимости записи в крайний столбец (строку) окна прокрутки перед командой записи предварительно в регистр номера окна 9 должен быть занесен код требуемого окна, что позволит с помощью схемы управления мультиплексорами 15 и через мультиплексоры 18, 21 подать на входы регистров адреса строки 22 и столбца 19 необходимые адреса видеопамяти. Запись в крайний столбец (строку) осуществляется в виде линий заданного цвета определенной длины. Для прекращения операции записи в видеопамять каждая из схем управления окном прокрутки формирует сигнал завершения записи линии заданной длины. Этот выход каждой схемы управления окном прокрутки подключается к шине управления.

Для организации окна прокрутки необходимо с помощью соответствующих команд контроллера занести в регистры 27-30 значения адресов столбца и строки левого верхнего угла и правого нижнего угла окна: в регистр 27 - адрес столбца левого верхнего угла окна; в регистр 28 - адрес столбца правого нижнего угла окна; в регистр 29 - адрес строки правого нижнего угла окна; в регистр 30 - адрес строки левого верхнего угла окна. При последовательном сканировании адресов позиций пикселей на экране с помощью счетчиков 12 и 13 их содержимое через входы 24, 25 будет поступать на компаратор адреса 35 и сравниваться с адресами окна прокрутки. В случае попадания текущего адреса пикселя в зону прокрутки компаратор адреса 35 выработает сигнал зоны 51, который далее будет подан на соответствующий вход схемы управления мультиплексорами 15. Число сдвигов, на которые необходимо произвести прокрутку, хранится в счетчике позиций 31. Для увеличения содержимого счетчика на единицу используется команда видеоконтроллера «Сдвиг». Для определения направления прокрутки необходимо в регистр направления 32 занести требуемый код.

Рассмотрим процесс вычисление адреса для случая горизонтальной прокрутки справа налево. В этом случае первый сумматор 34 обеспечивает вычисление величины , выходной код сумматора 34 подается на вход сумматора 37 для вычисления значения и на вход схемы сброса счетчика позиций 38. Схема 38 обеспечивает сброс счетчика 31 при достижении условия (4.2). Выходной сигнал сумматора 37 подается на мультиплексор 41. Одновременно на остальные входы мультиплексора 41 подается логический ноль и выходной код счетчика позиций 31. Выходной сигнал мультиплексора 41 подается на вход сумматора 43, на другой вход сумматора подается код адреса столбца AC. Таким образом, в зависимости от кода на выходе мультиплексора 41 сумматор 43 реализует вычисление выражения (4.1). В случае, если формируемое изображение находится за пределами окна прокрутки, на выходе мультиплексора 41 появляется логический нуль и, соответственно, на выходе сумматора 43 - значение адреса, равное текущему адресу столбца экрана. Проверку условий выражения (4.1) и управление мультиплексором 41 реализует схема 40. Значение логического нуля на входе мультиплексора 41 необходимо для случая выхода текущего адреса пикселя за пределы зоны прокрутки. Для обнаружения этого факта на один из входов схемы 40 подается сигнал зоны 51. Вычисленный адрес столбца через мультиплексор 49 подается на выход 52 и далее через мультиплексор 18 подается на вход регистра адреса столбца видеопамяти. При таком виде сдвига адрес строки остается без изменений. Этот адрес через вход 25 поступает на сумматор 48, где складывается с константой равной нулю. Константа формируется на выходе мультиплексора 42. Мультиплексор управляется от схемы 40 аналогично управлению мультиплексором 41. Выходной адрес строки видеопамяти через мультиплексор 50, выход 53 и мультиплексор 21 подается на вход регистра адреса строки 22. Управление мультиплексорами 49 и 50 осуществляется в зависимости от кода, хранящегося в регистре направления и наличия команды записи в видеопамять.

При определении адреса столбца ячейки видеопамяти в случае горизонтального сдвига слева направо с помощью сумматоров 34, 37, 43 и мультиплексора 41 реализуется вычисление по выражению (4.4). Адрес строки определяется аналогично рассмотренному выше.

Для вычисления адресов строки в случае вертикальной прокрутки используются сумматоры 36, 39, 48 и мультиплексор 42. Они реализуют вычисления в соответствии с выражениями 4.6 или 4.9. Вычисления организуются аналогично рассмотренному выше.

Таким образом, схема управления окном прокрутки 14 автоматически формирует требуемый адрес видеопамяти для своего окна с учетом числа сделанных сдвигов. Это позволяет организовать сдвиг на произвольное число позиций и сдвиг по кольцу. При использовании N схем управления окном прокрутки получаем N независимых прямоугольных окон прокрутки на экране.

В режиме прокрутки изображения с записью в крайний столбец (строку) окна реализована аппаратная поддержка вычисления требуемого адреса для записи в видеопамять. Для этой цели используются сумматоры 44, 45, 46 и 47, с помощью которых вычисляются адреса по выражениям (4.3), (4.5), (4.10), (4.8). Для упрощения чертежа не показана схема проверки условия CP0 и мультиплексоры для выбора одной из двух альтернатив выражений (4.3), (4.5), (4.8), (4.10). Указанные выражения позволяют рассчитать адрес крайнего столбца или строки. Рассмотрим пример записи в последний столбец окна при горизонтальной прокрутке справа налево. В этом случае с помощью сумматора 44 по выражению (4.3) вычисляется адрес последнего (правого) столбца. Изображение столбца формируется путем записи в видеопамять вертикальных линий заданного цвета и длины по вычисленному адресу. Для этого во входной регистр цвета 10 предварительно заносится требуемый цвет, в счетчик длины 33 заносится длина линии в пикселях, а в регистр-счетчик 26 адрес первой строки в последнем столбце, с которой начинается рисование. Адрес первой строки может быть занесен в регистр счетчик 26 от центрального процессора через шину данных 1, либо получен автоматически путем записи в регистр-счетчик 26 значения из регистра адреса строки левого верхнего угла окна прокрутки (для упрощения чертежа эта связь не показана). Перебор адресов строк последнего столбца реализуется путем инкрементирования содержимого регистра-счетчика 26, выходной код которого через мультиплексор адреса строки 50 подается на выход 53 при одновременном формировании сигнала записи с помощью схемы 16 и декрементировании счетчика 33. Признак завершения процедуры рисования вертикального отрезка - обнуление счетчика длины 33. При этом адрес столбца остается неизменным. После записи вертикальной линии заданной длины, при необходимости, изменяется цвет пикселей (код в регистре 10), задается новая длина линии и процесс записи продолжается до тех пор, пока не будет сформирован последний столбец окна. При выводе строки необходимо осуществлять последовательный перебор адресов столбцов, что обеспечивается мультиплексором 49 путем передачи содержимого регистра-счетчика 26 на выход адреса столбца 52.

Все указанные функции реализуются аппаратно в самом видеоконтроллере, что позволяет разгрузить центральный процессор от операций управления видеосистемой и увеличить скорость выполнения указанных функций.

В качестве примера реализуемости заявляемого устройства можно привести разработанный авторами заявки видеоконтроллер монитора пациента. Видеоконтроллер позволяет осуществить аппаратную прокрутку окна экрана произвольного размера справа налево в соответствии с приведенными выражениями, прокрутку по кольцу и аппаратную поддержку записи в последний столбец окна. Видеоконтроллер реализован на базе FPGA XC2S100 семейства Spartan II фирмы Xilinx и управляет LCD TFT матрицей TORISAN TM150XG-26L06. Данная матрица имеет разрешение 1024х768 и интерфейс LVDS.

5. Разработка принципиальной схемы Монитора пациента

Основой системы является процессорный модуль. Его функциональное назначение заключается:

- в визуализации получаемой информации от периферийных модулей, непосредственно обрабатывающих информацию, получаемую с датчиков;

- в организации интерактивного диалога с оператором с целью задания режимов и параметров работы системы;

- в установлении связи с центральным компьютером лечебного учреждения;

- в организации всей работы в целом.

Ядром процессорного модуля является микроЭВМ, выполненная на базе RISC процессора AVR фирмы ATMEL. МикроЭВМ предназначена для конфигурации структуры и настройки остальных компонентов, входящих в процессорный модуль, визуализации информации, полученной от периферийных ЭВМ, накопления информации в пакеты долговременного хранения, а также для обеспечения связи с внешним персональным компьютером или устройствами, такими как внешние накопители данных или стандартные устройства ввода-вывода.

До включения питания микроЭВМ ATMEGA конфигурирует коммутационный процессор, выполненный на базе FPGA XILINX. Коммутационный процессор образует среду для управления микроЭВМ, FLASH-памятью, предназначенной для накопления данных, поступающих непосредственно с периферийных процессоров, либо после обработки их с помощью процессора цифровой обработки сигналов DSP фирмы ANALOG DEVICES. Также посредством коммутационного процессора, образуется мост между микроЭВМ и процессором DSP. Во-первых, микроЭВМ конфигурирует DSP путем загрузки в него программ для обработки данных, во-вторых, управляет работой процессора DSP. Процессор DSP также образует интерфейс RS232, с помощью которого можно подключать к нему также внешние устройства. В основном, это связано с возможностью включения различных внешних устройств, например запоминающего устройства архивного хранения данных. Коммутационный процессор образует интерфейс для подключения периферийных процессоров. Используется синхронный интерфейс с распределением потока данных по времени.

Для отображения (визуализации) информации используется специализированный видеоадаптер, подключенный к микроЭВМ. Специализированный видеоадаптер позволяет на аппаратном уровне ускорить некоторые операции по визуализации графической информации, полученной от периферийной ЭВМ. Видиоадаптер выполнен на базе FPGA фирмы XILINX и обладает открытой архитектурой, позволяющей настраивать его на конкретное применение. Видеоадаптер также конфигурируется с помощью микроЭВМ. Для подключения дополнительных устройств, имеющих служебный характер, и устанавливающихся в процессорный модуль опционно, микроЭВМ образует шину I²C, к которой подключаются цифровые преобразователи, датчик температуры, часы реального времени и конфигурационное последовательное запоминающее устройство. В конфигурационном последовательном запоминающем устройстве хранятся программы процессора DSP и структуры коммутационного процессора и видеоадаптера. Часы реального времени предназначены для получения реального времени для синхронизации процессов наблюдения. Датчик температуры предназначен для измерения температуры внутри прибора. Цифроаналоговые преобразователи служат для формирования опорных технологических сигналов для автоматических регулировок. Также к микроЭВМ подключается функциональная клавиатура. На демонстрационном чертеже ГУИР.403200.001 Э3 представлена схема электрическая принципиальная модуля отображения информации Монитора пациента.

Отдельные устройства процессорного модуля выполнены на следующих микросхемах.

1. МикроЭВМ AVR - ATMEGA 103 (DD3).

2. Процессор DSP - ADSP - 2188M (DD1) с питанием на микросхеме ADP 3335 (DD11).

3. Коммутационный процессор выполнен на микросхеме XILINXXC25200(U1) с питанием на микросхеме ADP 3335 (DD18).

4. FLASH - память емкостью 32 Мб выполнена на четырех микросхемах AT45DB642 (DD12, DD13, DD14, DD15).

5. Два интерфейса RS232 выполнены на микросхеме ADM 1385 (DD10).

6. Цифроаналоговые преобразователи выполнены на микросхеме AD7303 (DD9).

7. Часы реального времени выполнены на микросхеме DS 1307 (DD17).

8. Датчик температуры выполнен на микросхеме DS 1820 (DD14).

9. Конфигурационное ПЗУ выполнено на микросхемах AT24LC256 (DD6, DD7, DD8, DD19).

10. Видеоадаптер выполнен на микросхеме XILINXXC25200 (DD23) с питанием на микросхеме ADP 3335 (DD20), с использованием памяти AS7C34096 (DD24 и DD25) и формирователя LVDS DS90C385 (DD22).

В состав монитора пациента в базовой конфигурации входят: канал измерения электрокардиограммы (по 3 отведениям), канал измерения температуры (2 первичных преобразователя), канал измерения насыщенности крови кислородом (SPO₂), канал измерения углекислого газа (CO₂) в выдыхаемом воздухе, канал измерения артериального давления, канал измерения частоты дыхания.

6. Дизайнерская проработка конструкции Монитора пациента с помощью компьютерного моделирования

Конструирование как мысленное представление будущего объекта занимает центральное место в процессе производства изделия.

Задачи конструирования тесно взаимосвязаны с другими процессами технической подготовки производства, такими, как, например, технологическая подготовка.

Конструкторская подготовка производства является частью технической подготовки. Этот процесс охватывает все мысленные, ручные и машинные операции, необходимые для предварительной проработки изделия, целью которых является получение на основе задачи конструирования описания изделия, достаточного для его производства и эксплуатации.

Поэтому процесс конструирования оказывает решающее влияние на потребительскую стоимость самого изделия, а также экономичность его производства и эксплуатации. Исследования показали, что на 75 % стоимость изделия определяется в ходе конструкторской подготовки производства. Эта доля возрастает с увеличением степени разделения труда и уровня технической оснащенности, что требует от конструктора соответствующих приемов работы.

В процессе разработки должны мысленно «проигрываться» все фазы эксплуатации изделия. Необходим выбор не только конструкторского решения, но и пути этого решения.

Неопределенность при разработке может быть снижена итерационной (пошаговой) обработкой информации, объем которой в процессе конструирования постоянно растет, а также использованием уже существующих решений, предварительным продумыванием решений или их элементов и сознательным возвращением к исходной ситуации для сравнения полученной структуры с требуемой.

Поиск решений обеспечивается при дополнении неполных данных, касающихся задачи конструирования, и выделении в ней главного.

Структуру процесса конструкторской подготовки производства можно представить в виде таблицы 6.1.

При проведении конструкторской подготовки производства благодаря применению методов, программ и вспомогательных технических средств отпадает необходимость выполнения повторяющихся работ.

Таблица 6.1 - Основная структура процесса конструкторской подготовки производства

Важнейшим направлением существенного повышения производительности процесса разработки изделий является применение современных программных продуктов - идеологии и систем проектирования с использованием параметрического моделирования.

Повысить конкурентные преимущества выпускаемой продукции при одновременном сокращении расходов невозможно без качественного преобразования всех этапов производства. На этапе конструкторско-технологической разработки - это, безусловно, применение систем автоматизированного проектирования (САПР) хорошего уровня.

Существующие в настоящее время САПР классифицируются на системы «нижнего», «среднего» и «верхнего» уровня. К системам младшего класса («нижнего уровня») можно отнести AutoCAD, VersaCAD, CADKEY. Они сравнительно недороги, но хороши только для решения определенного круга проблем и малоэффективны с точки зрения средних и крупных компаний, деятельность которых далеко выходит за рамки черчения, пусть даже и с расширенными возможностями трехмерного моделирования.

Более развитые CAD-системы старшего класса, как, например, EDS Unigraphics, Pro/ENGINEER, CATIA или CADDS представляют собой очень большие программные комплексы, в состав которых входит несколько десятков крупных функциональных модулей. Благодаря чему эти системы обладают достаточно большими функциональными возможностями, но вместе с тем требуют мощного оборудования и сами по себе весьма дорогие (от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч долларов).

Поэтому широкого распространения такие системы для массового проектирования не получили. Они использовались лишь в областях, где без них проектирование было практически невозможно. Состояние коренным образом изменилось с появлением персональных компьютеров с процессором Pentium, обладающих производительностью, достаточной для выполнения основных операций трехмерного моделирования.

Мощность и быстродействие современных персональных компьютеров позволяют решать им задачи, еще несколько лет назад являвшиеся исключительной прерогативой дорогостоящих рабочих станций. В процессе разработки требуется комплексное решение ряда проблем проектирования. К ним относятся моделирование изделий, их расчет и разработка технологического процесса изготовления.

Системы 3D моделирования на персональных компьютерах могут применяться для разработки примерно 90-95 % деталей узлов и механизмов на предприятиях, а, следовательно, позволяют постепенно перейти от двухмерного к полностью трехмерному проектированию.

Одной из крупнейших в мире компаний, разрабатывающих CAD/CAM/CAE-системы "высокого" уровня, является американская компания Parametric Technology Corporation (PTC). Основная разработка компании система Pro/ ENGINEER. Начиная с 1988 года, компания ежегодно выпускает две новых версии Pro/ ENGINEER.

В общем случае процесс проектирования изделия с использованием современных программных средств включает в себя трехмерное моделирование, оптимизацию конструкции, подготовку рабочей конструкторской документации, а в некоторых случаях и определение процессов изготовления (создание программ для станков с числовым программным управлением). Эффективное сочетание всех этих процессов значительно уменьшает время выхода изделий на рынок.

6.1 Программное обеспечение для моделирования Монитора пациента

При работе над проектом совместно применялись два программных продукта: Pro/ENGINEER и T-FLEX CAD 2D.

Концептуальное трехмерное моделирование монитора, включая выработку общего дизайна, поиск оптимальной и рациональной внутренней компоновки, осуществлялось с использованием Pro/ENGINEER. По полученной трехмерной модели автоматически создавалась геометрия будущих чертежей. Далее осуществлялся экспорт файла в DWG-формат с последующим импортом в T-FLEX CAD. После чего в этой системе выполнялась конструкторская документация в полном соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД).

Pro/ENGINEER - это, прежде всего, система трехмерного проектирования, как твердотельного, так и поверхностного. Она имеет очевидные преимущества перед традиционным в прошлом двухмерным проектированием:

- наглядность представления проектируемой модели позволяет избежать ошибок, связанных с тем, что при двухмерном проектировании конструктору трудно представить трехмерную модель, имеющую сложную геометрию;

- оперирование геометрией на уровне объектов инженерных элементов значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования. Ядро Pro/ENGINEER использует уникальную по своим возможностям технологию - Proven Technology, основанную на граничных представлениях. Основное отличие Proven Technology от известных технологий трехмерного проектирования ACIS, Parasolid, используемых в конкурирующих продуктах (UNIGRAPHICS, I-DEAS, CADDS, EUCLID), жесткие требования к проектируемой геометрии (геометрия должна быть определена однозначно). Такие ограничения не требуют от конструкторов лишних усилий при проектировании, но позволяют достичь полного соответствия геометрии заданным размерам, что важно при дальнейшей работе (изготовление технологической оснастки, подготовка программ для обработки на станках с ЧПУ и т.д.).

Основные преимущества Pro/ENGINEER заключаются в следующем:

- объектно-ориентированное параметрическое моделирование.

Моделирование в Pro/ENGINEER основано на "примитивах", таких как фаски, ребра, скругления, оболочки и другие, что позволяет создавать геометрию любой сложности. Наряду с информацией об их местоположении и связях с другими объектами, "примитивы" содержат негеометрическую информацию, например - процесс изготовления и связанные с ним расходы. Для размещения "примитивов" нет необходимости в координатной системе, так как они напрямую связываются с существующей геометрией. Вследствие этого все изменения осуществляются быстро и просто, и отвечают оригинальному конструкторскому замыслу. Особенностью "примитивов" является то, что, кроме данных о геометрии, они содержат всю информацию о топологии построения, включая историю создания, связи исходных и зависимых объектов, и могут быть изменены «предсказуемо». Все это позволяет вносить изменения в конструкцию, не прибегая к перестроению объектов.

- Единая информационная модель изделия.

Данные Pro/ENGINEER содержатся в единой базе данных, что дает возможность нескольким группам проектировщиков одновременно работать над одним и тем же изделием. Отсутствует процесс трансляции данных между различными модулями Pro/ENGINEER, и гарантируется полное соответствие геометрии исходному замыслу.

- Параметризация.

Все данные Pro/ENGINEER (не только геометрические) являются параметрами - доступными в любой момент для изменения величинами. Модифицируя эти параметры, можно легко генерировать различные варианты изделия. Это уникальное свойство Pro/ENGINEER позволяет оперировать геометрией на недоступном для других систем уровне.

- Полная (двусторонняя) ассоциативность.

Pro/ENGINEER основан на единой структуре данных с возможностью делать изменения непосредственно в системе. Система автоматически отслеживает любые изменения в рамках проекта, сделанные в каком угодно месте большого комплексного проекта на любой стадии его готовности. Таким образом, изменения, внесенные в какой-либо момент разработки, автоматически переносятся на все реализованные этапы конструкторского - технологического процесса. Это позволяет избежать ошибок; например, с изменением модели автоматически изменятся сборка, чертеж, оснастка и управляющая программа. Таким образом, обеспечивается параллельность разработки конструкторского и технологического процессов. Система, обладающая свойством двунаправленной ассоциативности, сокращает время и трудоемкость работ по серьезным изменениям конструкции. По разным оценкам, эта величина колеблется от 60 до 90%.

- Повторное использование инженерных данных.

Достичь роста производительности и улучшения качества изделия невозможно без использования типовых деталей, узлов и конструкторско-технологических процессов. Этот подход известен как «повторное использование инженерных данных» (Engineering Data Reuse - EDR).

- Параллельная работа над проектом.

Модуль управления проектами Pro/INTRALINK в силу его уникальной способности работать с инженерными данными Pro/ENGINEER, кроме стандартных функций ведения проектов, позволяет интегрировать изменения, проводимые различными инженерными, в одном проекте. Это значительно сокращает время разработки изделия и риск того, что внесенные изменения останутся неучтенными.

- Независимость от платформы.

Pro/ENGINEER функционирует на всех платформах, работающих под управлением UNIX или WINDOWS NT. Пользователи могут выбирать наиболее экономичную конфигурацию платформы для своих нужд и сочетать любые конфигурации платформ. Pro/ENGINEER позволяет легко обмениваться информацией между платформами с любой архитектурой.

- Сквозной цикл - «проектирование- производство».

Только Pro/ENGINEER обеспечивает сквозной цикл изготовления изделия: конструкторское проектирование - технологическое проектирование - инженерный анализ - управляющие программы.

Использование Pro/ENGINEER обеспечивает значительное сокращение цикла «проектирование-производство» за счет возможности сквозного параллельного процесса проектирования.

По данным международного института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology) использование сквозного параллельного проектирования позволяет достичь следующих результатов:

- внесение изменений - на 65-90 % быстрее;

- время разработки - на 30-70 % меньше;

- выход продукта на рынок - на 20-90 % быстрее;

- качество продукта - на 200-600 % выше;

- затраты - на 5-50 % меньше;

- окупаемость - на 20-120 % быстрее.

Под повышением качества продукта здесь следует понимать значительное сокращение количества ошибок при проектировании. Они выявляются не в процессе изготовления и сборки изделия, а «на экране».

- Модули Pro/ENGINEER.

Модульная структура программного комплекса позволяет пользователям подбирать оптимальную конфигурацию системы из нескольких десятков имеющихся сегодня специализированных функциональных модулей так, чтобы она соответствовала их прикладным задачам.

Pro/ASSEMBLY - параметрическая система управления сборкой, облегчающая задачу создания больших сложных узлов. Модуль поддерживает табличное создание деталей и узлов, и автоматическое замещение компонентов в узле. Pro/ASSEMBLY включает также возможности создания параметрических, основанных на объектах, деталей в режиме сборки, основываясь на геометрии других компонентов для определения размеров и места.

Рro/РDМ - модуль "менеджер проекта". Обеспечивает инструментарий для облегчения управления и координации работы группы конструкторов, занятых разработкой крупного проекта. Сюда включены центральный архив чертежей, контроль доступа к чертежам, регистрация произведенных изменений, проверка индексов контроля, обмен данными между разработчиками, запросы объектных связей и сведения о расходовании материала.

Pro/PIPING - используя Pro/PIPING, конструктор может легко разработать трехмерную систему трубопроводов, состоящую из труб большого диаметра с арматурой, гнутыми трубопроводами и гибкими шлангами. Прокладка труб производится параллельно разработке всей остальной конструкции изделия, обеспечивая, таким образом, одновременную оптимизацию системы трубопроводов и изделия в целом.

Pro/MANUFACTURING - основан на объектно-ориентированном подходе к моделированию производственных операций, необходимых для изготовления детали. По мере создания каждого объекта Pro/MANUFACTURING прослеживает необходимый путь инструмента и моделирует результаты воздействия производственной операции на заготовку. В дальнейшем данные о движении инструмента преобразовываются с целью формирования управляющих программ для обрабатывающих ЧПУ-станков.

Pro/NC-CHECK - предоставляет графический интерфейс для имитации процесса удаления материала в процессе обработки на токарных, фрезерных, сверлильных и других станках с ЧПУ.

Pro/CABLING - предлагает исчерпывающие возможности для разводки проводов в трехмерной модели с учетом их функциональной направленности, а также создания жгутов при сборке.

Pro/MOLDESIGN - конструирует формообразующие части пресс-форм на основе отлитых деталей. Позволяет осуществлять имитацию заполнения пресс-форм. Дает возможность разрабатывать пресс-форму и саму деталь совместно.

Pro/SHEETMETAL - расширяет возможности Pro/ENGINEER в области проектирования и производства изделий из листового металла.

Pro/SURFACE - дополняет возможности Pro/ENGINEER в области решения сложных задач поверхностного моделирования.

Pro/FEATURE - создает "пользовательские определенные" сложные конструкторские объекты, такие как структуры с изменяющимися профилями, оболочки, трехмерные объекты, сложные в геометрическом отношении детали.

Pro/DESIGN - управляет проектированием сложных изделий "сверху-вниз", включая создание и передачу информации о проектировании сборки, генерацию вариантов проектирования и автоматическую сборку полностью взаимосвязанных компонентов проектируемой конструкции узла.

Pro/PLOT - расширяет поддержку плоттеров для базового пакета программ Pro/ENGINEER и Pro/DETAIL. Поддерживает возможности вывода файлов в форматах HPGL и PostScript. Pro/PLOT совместим со стандартными форматами Calcomp, Gelber, HPGL2 и Versatec для более чем 100 патентованных плоттеров.

Pro/DETAIL - обеспечивает проекционное черчение видов, сечений в Pro/ENGINEER. Модуль обладает обширными возможностями образмеривания, введения допусков и создания проекций. Он позволяет создавать производственные чертежи по трехмерной модели Pro/ENGINEER.

Среди модулей имеются также и некоторые другие, как, например, Pro/Animate (фотореалистическая анимация), Pro/Designer (быстрая проработка концептуального дизайна изделия), Pro/Detail (создание рабочих чертежей), Pro/Develop (средства создания дополнительных модулей), Pro/Interface (обмен данными с другими CAD-системами), Pro/Mesh (генерация сетки конечных элементов).

Далее в качестве примера приведена трехмерная модель монитора, представленной в виде разобранной сборки на рисунке 6.1.



Рисунок 6.1 - Трехмерная модель монитора (разобранный вид)

Система T-FLEX CAD 2D применяется для параметрического проектирования и оформления конструкторско-технологической документации в полном соответствии с ЕСКД и международными стандартами ISO, DIN, ANSI с возможностью быстрого изменения стандарта. В основе системы лежит параметрическое ядро.

Система достаточно эффективно применяется для вариантного проектирования, создания параметрических сборочных конструкций и для создания и оформления чертежной документации.

Основной отличительной особенностью T-FLEX CAD 2D по сравнению с известными и зарубежными системами является простое и удобное создание параметрических чертежей. Все параметры чертежа могут быть выражены с помощью переменных, рассчитаны с помощью формул, выбраны из баз данных.

Еще одной отличительной особенностью T-FLEX CAD 2D является создание параметрических сборочных чертежей. Созданные в системе параметрические чертежи можно соединять между собой и получать параметрические сборочные чертежи. Используя параметрические сборочные чертежи системы T-FLEX CAD, можно быстро и эффективно получать требуемые модификации сборок.

Далее в качестве примера приведен уменьшенный чертеж (рис. 6.1), выполненный в системе T-FLEX CAD. Представлен чертеж стенки - одной из деталей, входящих в конструкцию монитора. Эта деталь является несущей. На нее устанавливаются все внутренние компоненты.

6.2 Программирование микропроцессора ATMEGA128L

Изображение, отображаемое на экране прибора в основном режиме работы, представляет собой совокупность полей для отображения числовых значений и равномерно движущихся кривых (графиков). Данные, отображаемые в каждом из этих полей, меняются независимо друг от друга. Поэтому с точки зрения построения изображения на экране, все данные, поступающие в прибор от датчиков и появляющиеся после их обработки, связываются с определенным графическим или цифровым полем.

Программа построения изображения состоит из двух независимых модулей. Один модуль предназначен для рисования участков кривых и сдвига участка изображения на экране. Этот модуль запускается строго периодически по прерыванию от таймера. Второй модуль предназначен для вывода цифровых данных. Он непрерывно просматривает состояние всех цифровых полей, и, если данные в каком-либо поле изменились, перерисовывает цифры. Алгоритмы вывода числовых данных и изображения аналоговых сигналов представлены на демонстрационном чертеже ГУИР.403200.001 ПД. Поскольку числовые данные изменяются медленно, то этот модуль не требует большой скорости перерисовки и может прерываться модулем вывода кривых и другими программами. Фрагмент программы приведен в приложении Б.

Алгоритм вывода изображения кривой сводится к рисованию вертикальных фрагментов кривой в крайнем правом столбце соответствующей области экрана и сдвигу изображения кривой влево на одну точку. Фрагмент программы приведен в приложении В.

монитор пациент эргономический моделирование

7. Технико-экономическое обоснование эффективности разработки и использования Монитора пациента

7.1 Характеристика изделия

Целью разработки явилось создание медицинского прибора для мониторинга основных параметров состояния здоровья человека в условиях стационарного лечения и скорой помощи, экспрессной оценки физиологических функций лётных экипажей, самолетов, водителей транспортных средств, многопрофильного скрининга населения.

Прибор позволяет проводить: регистрацию электрокардиограммы в реальном масштабе времени по трем отведениям, измерения артериального кровяного давления, частоты сердечных сокращений, температуры в локальной области кожного покрова и внутриполостную температуру, измерение CO₂ на выдохе и SpO₂. Новым в исследовании и разработке прибора явилось расширение возможностей мониторинговой аппаратуры для диагностики заболеваний по методике Захарьина-Геда, совершенствование аналого-цифровых измерительных блоков и методов обработки измерительной информации. Применена оригинальная система сохранения результатов измерений для их экспертной оценки.

Новая техника, внедряемая в производство, должна быть не только технически совершенной, но и экономически выгодной. На основе экономической оценки новой техники принимается решение об инвестициях в данный проект.

Экономическая целесообразность инвестиций в производство нового изделия осуществляется на основе расчета и оценки следующих показателей:

- чистая дисконтированная стоимость (ЧДД);

- срок окупаемости инвестиций (Т_ОК);

- рентабельность инвестиций (Ри).

Для оценки экономической эффективности инвестиционного проекта по производству нового изделия необходимо [14]:

1. рассчитать результат (Р) от производства нового изделия, который включает чистую прибыль и амортизационные отчисления;

2. рассчитать инвестиции, необходимые для производства нового изделия;

3. рассчитать показатели эффективности инвестиционного проекта по производству нового изделия.

7.2 Расчет стоимостной оценки результата

7.2.1 Определение себестоимости и отпускной цены изделия

Результатом (Р) от производства нового изделия является прирост чистой прибыли, полученной от его реализации.

Для определения чистой прибыли необходимо рассчитать себестоимость и отпускную цену нового изделия.

1. Расчёт затрат по статье “Сырьё и материалы”

В эту статью включается стоимость основных и вспомогательных материалов, необходимых для изготовления единицы продукции по установленным нормам.

Расчет затрат на материалы представлен в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Расчёт затрат на материалы

Наименование материала	Единицы измерения	Норма расхода	Цена за единицу, ден. ед.	Сумма, ден. ед.
1. Припой ПОС-61	кг	0,15	33 000	4 950
2. Канифоль	кг	0,08	7 000	560
3. Лак ЭП-730	кг	0,01	21 600	216
4. Клей	кг	0,02	1 600	32
5. Флюс глицериновый	л	0,05	1 900	95
Итого		5 853
Всего с учетом транс-портных расходов (1,2%)		7 023,6
Возвратные отходы (1%)		70,236
Всего		6 953,364

2. Расчет затрат по статье «Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты и услуги производственного характера»

В эту статью включаются затраты на приобретение в порядке производственной кооперации готовых покупных изделий и полуфабрикатов, используемых для комплектования изделий или подвергающихся дополнительной обработке на данном предприятии для получения готовой продукции (радиоэлементы, микросхемы и пр.).

Результаты расчета затрат представлены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Расчёт затрат на комплектующие изделия и полуфабрикаты

Наименование комплектующего или полуфабриката	Количество на единицу, шт.	Цена, ден. ед.	Сумма, ден. ед.
1. Микросхемы	24	27 770	666 480
2. Кварцевый генератор	1	420	420
3. Конденсатор	53	680	36 040
4. Устройство индикации	3	18 280	54 840
5. Микросборка	6	51 040	306 240
6. Набор соед. для ИВЭП	2	7 590	15 180
7. Жгут проводов для ИП	2	11 340	22 680
8. Датчик	3	27 330	81 990
9. Камера	1	218 540	218 540
10. Кронштейн	1	6 510	6 510
11. Лампа	3	9 580	28 740
12. Объектив	1	46 690	46 690
13. Плата видеозахвата	1	545 810	545 810
14. Устройство оптоэлектронное	4	38 830	155 320
15. Устройство программ и отладки	1	187 000	187 000
16. Модуль SpO2	2	1 092 000	2 184 000
17. Модуль неинв. измерения АД с манжетой	2	1 432 000	2 864 000
18. Многоразовый датчик SpO2 для взрослых	2	240 000	480 000
19. Многоразовый датчик SpO2 педиатрический	2	200 000	400 000
20. Удлинительный кабель	2	180 000	360 000
21. Модуль капнометрии	2	262 00	52 400
22. Датчик температуры (полостной)	2	1 670	3 340
23. Датчик температуры (кожный)	2	1 500	3 000
Всего	6 535 220
Всего с транспортно-заготовительными расходами (1,1%)	7 188 742

3. Расчет затрат по статье «Основная заработная плата производственных рабочих»

В эту статью включаются расходы на оплату труда производственных рабочих, непосредственно связанных с изготовлением продукции, выполнением работ и услуг.

Расчёт основной заработной платы представлен в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Расчет основной заработной платы производственных рабочих

Вид работ (операции)	Разряд работ	Часовая тарифная ставка, ден. ед./ч	Норма времени по операции, ч	Прямая зарплата (расценка), ден. ед.
1. Заготовительные	II	1380	4	5 520
2. Установка элементов на печатную плату	IV	1870	4	7 480
3. Монтажная	V	2071	6	12 426
4. Контрольная	VI	2262	10	22 620
5. Сборочные	VI	2262	6	13 572
Итого	61 618
Премия (40%)	24 647
Основная заработная плата	86 265

Результаты расчета остальных статей затрат, себестоимости и отпускной цены представлены в таблице 7.4.

Таблица 7.4 - Расчёт себестоимости и отпускной цены единицы продукции

Наименование статьи затрат	Условное обозначе-ние	Значение, ден. ед.	Примечание
1	2	3	4
1. Сырьё и материалы	РМ	6953,36	см. табл. 1
2.Покупные комплектую-щие изделия	РК	7 188 742	см. табл. 2
3. Основная заработная плата производственных рабочих	З0	86 265	см. табл. 3
4. Дополнительная заработ-ная плата производственных рабочих	ЗД	12 939,75	Нд=15%
5. Отчислении на социаль-ные нужды (отчисления в фонд социальной защиты населения и обязательное страхование)	РСОЦ	34 721,66	, Нсоц = 34% + 1%
6. Накладные расходы	РОБП	172 530	Ннакл=200%
Производственная себестоимость	СПР	7 502 151,77	СПР= РМ + РК + З0 + ЗД + РСОЦ + + Рнакл
8. Коммерческие расходы	РКОМ	375 107,59	Нком= 5%
Полная себестоимость	СП	7 877 259,36	СП=СПР + РКОМ
7. Плановая прибыль на единицу продукции	ПЕД	1 969 314,84	, Нре - норма прибыли на единицу изделия, 25%
Отпускная цена	Цотп	9 846 574,2	ЦОПТ=СП + ПЕД

7.2.2 Расчет чистой прибыли

На основе маркетинговых исследований и заказов потребителей был определен плановый объем реализации изделия, который составил 100 нат. ед.

Чистая прибыль рассчитывается по формуле:

П_ч = N * П _ед (1- Нп/100), (7.1)

где N - годовой объем выпуска продукции, нат. ед.;

П _ед - прибыль, приходящаяся на единицу изделия, ден. ед.;

Нп - ставка налога на прибыль, 24 %.

Пч = 100 * 1 969 314,84 (1 - 24/100) = 149 667 927,84 руб.

Так, объем производства по годам не изменяется, чистая прибыль по годам имеет одинаковое значение.

7.3 Расчет инвестиций в производство нового изделия

Инвестиции в производство нового изделия включают:

1. инвестиции на разработку нового изделия (Иразр);

2. инвестиции в основной и оборотный капитал.

Инвестиции на разработку нового изделия согласно смете разработчика составляют 10 000 000 руб.

Производство продукции предполагается осуществлять на действующем оборудовании на свободных производственных мощностях, поэтому инвестиции в основной капитал не требуются.

Для производства нового вида продукции требуется прирост инвестиций в собственный оборотный капитал в размере 30-40% общей годовой потребности в материальных ресурсах.

Годовая потребность в материалах определяется по формуле:

, (7.2)

Пм = 6 953,364 * 100 = 695 336,4 руб.

где - материальные затраты на единицу продукции, ден. ед. (см. таблицу 7.1).

Годовая потребность в комплектующих изделиях определяется по формуле:

, (7.3)

Пк = 7 188 742 * 100 = 718 874 200 руб.

где - затраты на комплектующие изделия на единицу продукции, ден. ед. (см. таблицу 7.2).

Инвестиции в прирост собственного оборотного капитала составят

Иоб = 0,4 * (Пм + Пк) (7.4)

Иоб = 0,4 * (695 336,4 + 718 874 200) = 287 827 814,56 руб.

Таким образом, инвестиции в производство нового изделия составят

И = Иразр + Иоб (7.5)

И = 10 000 000 + 287 827 814,56 = 297 827 814,56 руб.

7.4 Расчет показателей экономической эффективности проекта

При оценке эффективности инвестиционных проектов необходимо осуществить приведение затрат и результатов, полученных в разные периоды времени, к расчетному году, путем умножения затрат и результатов на коэффициент дисконтирования , который определяется следующим образом:

, (7.6)

где - требуемая норма дисконта, 15%;

- порядковый номер года, затраты и результаты которого приводятся к расчетному году;

- расчетный год, в качестве расчетного года принимается год вложения инвестиций, = 1.

Расчет чистого дисконтированного дохода за четыре года реализации проекта и срока окупаемости инвестиций представлены в таблице 7.5.

Таблица 7.5 - Экономические результаты работы предприятия

Результат	Един. измер.	Усл. обоз.	По годам производства
			2010	2011	2012	2013
Объем производства	шт.		100	100	100	100
1. Прирост чистой прибыли	руб.	?	149 667 927,84	149 667 927,84	149 667 927,84	149 667 927,84
2. Прирост результата	руб.	?	149 667 927,84	149 667 927,84	149 667 927,84	149 667 927,84
3.Коэффициент дисконтирования	руб.		1	0,8696	0,7561	0,6575
4. Результат с учетом фактора времени	руб.		149 667 927,84	130 151 230,05	113 163 920,24	98 406 662,55
Затраты (инвестиции)
5. Инвестиции в разработку нового изделия	руб.	Иразр	10 000 000	-	-	-
6. Инвестиции в собственный оборотный капитал	руб.	Иоб	287 827 814,56	-	-	-
7. Общая сумма инвестиций	руб.	И	297 827 814,56	-	-	-
8. Инвестиции с учетом фактора времени	руб.		297 827 814,56	-	-	-
9. Чистый дисконтированный доход по годам	руб.		-148 159 886,72	130 151 230,05	113 163 920,24	98 406 662,55
10. ЧДД нарастающим итогом	руб.		-148 159 886,72	-18 008 656,67	95 155 263,57	193 561 926,12

Рассчитаем рентабельность инвестиций (Р_И) по формуле

, (7.7)

Ри = 149 667 927,84/297 827 814,56* 100% = 50 %

где - среднегодовая величина чистой прибыли за расчетный период, ден. ед., которая определяется по формуле

, (7.8)

Псчр = 449 003 783,52/3 = 149 667 927,84 руб.

где - чистая прибыль, полученная в году t, ден. ед.

В результате технико-экономического обоснования инвестиций по производству нового изделия были получены следующие значения показателей их эффективности.

1. Чистый дисконтированный доход за четыре года производства продукции составит 193 561 926,12 рублей.

2. Все инвестиции окупаются на третий год.

3. Рентабельность инвестиций составляет 50%

Таким образом, производство данного нового вида изделия является эффективным и инвестиции в его производство целесообразны.

8. Охрана труда. Безопасности персонала и пациентов при использовании диагностической и терапевтической аппаратуры

Проектируемая система Монитор пациента предназначена для мониторинга основных параметров состояния здоровья человека в условиях стационарного лечения и скорой помощи, экспрессной оценки физиологических функций лётных экипажей самолетов, водителей транспортных средств, многопрофильного скрининга населения.

Монитор пациента универсален, может комплектоваться дополнительными блоками и датчиками в соответствии с требованиями медицинских учреждений; в своем составе содержит высокопроизводительный процессор, позволяющий совершенствовать диагностику заболеваний, адаптировать прибор к конкретным условиям эксплуатации. Настройка прибора производится при включенном питании сети 220 В 50 Гц.

При проведении наладочных работ и измерении физиологических параметров на человека возможно влияние следующих опасных и вредных производственных факторов [12]: повышенная или пониженная температура воздуха в помещении, повышенный уровень шума, электрическая опасность, недостаточная освещенность монитора, электромагнитные излучения.

Приведем нормативные значения этих факторов, как одно из средств обеспечения безопасности. В теплый период года необходимо обеспечить следующие параметры микроклимата (класс работ 1б): температура воздуха в рабочей зоне 22 24 С; допустимый уровень шума 60 дБА [14]; величина относительной влажности не более 60%; освещенность на поверхности стола в зоне размещения монитора должна быть 400 лк (люминесцентное освещение), 200 лк (лампы накаливания), на экране монитора соответственно 200 и 100 лк, местное освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана и увеличивать освещенность экрана более 300 лк; уровни напряженности электрического поля тока промышленной частоты 50 Гц, создаваемые монитором и изделием в целом не должны превышать 0,5 кВ/м; уровни напряженности электростатического поля, создаваемые монитором, и изделием в целом не должны превышать 15,0 кВ/м; интенсивность ультрафиолетового излучения от экрана видеомонитора не должна превышать 0,0001 Вт/м² в диапазоне 280 - 315 нм и 0,1 Вт/м² в диапазоне 315 - 400 нм. Излучение в диапазоне 200 - 280 нм не допускается.

Система должна использоваться в помещении, удовлетворяющем вышеприведенным требованиям. Далее остановимся подробнее на опасности поражения персонала и пациентов при проведении наладочных и измерительных работ.

Возникновение электротравмы в результате воздействия электрического тока может быть связано со случайным прикосновением человека к токоведущим неизолированным частям блока питания при проведении наладки и ремонта. Это может быть при поврежденной изоляции при проведении наладочных и ремонтно-профилактических работ со снятым корпусом при случайном прикосновении к клеммам питания, имеющим напряжение 220 В и частоту 50 Гц.

Параметры прибора по электробезопасности соответствуют требованиям МС МЭК 601-1-88 (ГОСТ Р50267.0-92) к изделиям класса II, типа CF, а также к изделиям с внутренним источником питания.

Согласно СанПиН 9-80 РБ 98 [13] нормирование микроклимата в рабочей зоне производится в зависимости от периода года, категории работ по энергозатратам, избытка явного тепла. В данном случае работу с Монитором пациента по интенсивности общих энерготрат можно отнести к категории Iб.

В СанПиН установлено два периода года: холодный, теплый. Теплый период года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха +10С и выше; холодный период - ниже +10С в течении пяти суток.

Приведем нормативные значения этих факторов, как одно из средств обеспечения безопасности. В теплый период года необходимо обеспечить следующие параметры микроклимата. Согласно СанПиН 9-80 РБ 98 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений», устанавливающим оптимальные и допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха для помещений, предназначенных для работы с контрольно-измерительной техникой. Согласно категории работ Iб оптимальные значения температуры воздуха составляют 22 24С. Рекомендуемая относительная влажность воздуха 50%. Скорость движения воздуха не должна превышать 0,1 м/с.

Для обеспечения требуемых микроклиматических параметров воздушной среды в рабочем помещении, где выполняются наладочные и измерительные работы, необходимо применять общеобменную искусственную вентиляцию в сочетании с системами кондиционирования воздуха. Основной задачей кондиционирования является поддержание параметров воздушной среды в допустимых пределах. Система управления кондиционерами обеспечивает работу, определяемую температурой и относительной влажностью воздуха в помещении.

Для отопления помещений используется водяное центральное отопление. Система центрального водяного отопления гигиенична, надежна в эксплуатации и обеспечивает возможность регулирования температуры в широких пределах.

Для снижения потенциально опасного излучения монитора целесообразно предпринимать специальные меры защиты от низкочастотных полей: пользователям следует находиться не ближе чем на 1,2 метра от задних или боковых поверхностей соседних терминалов.

В связи с повышенной нагрузкой на орган зрения персонала важное место среди мероприятий по гигиене их труда занимает работа, направленная на изучение оптимальной световой среды, т.е. организация комфортного и гигиенически естественного и искусственного освещения рабочих мест и помещений.

Анализ нормативных требований к освещённости рабочих мест персонала показывает, что уровень горизонтальной освещённости должен быть 400 лк, а коэффициент пульсации освещённости не более 5% при искусственном освещении [13].

Для освещения рабочих мест персонала используется комбинированное освещение (общее + местное). Предпочтительным, по субъективным оценкам работающих, является общее освещение, так как оно не даёт большого перепада яркостей на рабочем месте и в помещении, как при использовании светильников местного освещения.

Для общего освещения рекомендуется использовать в основном потолочные или встроенные светильники с люминесцентными лампами. Применяются источники света нейтрально-белого «тёмного» белого света с индексом цветопередачи не менее 70. Допустимый показатель дискомфорта от осветительных установок для этих помещений равен 40.

Для исключения засветок экранов прямыми световыми потоками светильники общего освещения располагаются сбоку от рабочего места, параллельно линии зрения оператора.

Таким образом, в ходе проделанной работы по обеспечение безопасных условий труда при проведении наладочных и измерительных работ Монитора пациента, были выявлены следующие опасные факторы: микроклимат в производственном помещении и опасность поражения электрическим током, и выполнены вышеуказанные меры защиты для предотвращения травматизма человека.

Для снижения фактора риска производить техническое обслуживание источника питания не реже одного раза в год. Требуется периодически осматривать электрическую изоляцию токоведущих проводов для своевременного обнаружения дефектов и повреждений (периодичность проверки не реже одного раза в год).

Перед началом работы с приборами их нужно осмотреть и проверить состояния изоляции питающих проводов, наличие и исправность заземления приборов.

В проектируемой системе основной мерой защиты от поражения электрическим током является изоляция питающих проводов.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что большинство случаев поражения человека электрическим током связано с неаккуратным обращением с токоведущими частями электроустановок, находящимися под напряжением, а также износу электроизоляции. Для устранения этих причин электропоражений весь персонал, осуществляющий свою работу в непосредственной близости от электроустановок, контрольно-измерительных приборов должен быть ознакомлен с правилами техники безопасности (вводный инструктаж, первичный инструктаж, периодический инструктаж, теоретическая подготовка персонала). Плановые проверки технического состояния Монитора пациента позволяют вовремя заменить износившиеся элементы изоляции, что также снижает вероятность поражения человека электрическим током.