高處作業(yè)人員位置與生理信號相關(guān)性分析*

孟燕華 孫貴磊 逄方銘 劉琦 林云 徐鷺遙

(中國勞動關(guān)系學(xué)院安全工程學(xué)院 北京 100048)

0 引言

高處作業(yè)是冒險(xiǎn)作業(yè)中風(fēng)險(xiǎn)極高的作業(yè)活動。其中，高處墜落是“五大傷害之首”，在所有事故類型中發(fā)生率最高, 危險(xiǎn)性最大[1]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，高處作業(yè)高度在2～5 m時(shí)，稱為一級高處作業(yè)；高處作業(yè)高度在5～15 m時(shí)，稱為二級高處作業(yè)[2]。每年高處墜落事故的發(fā)生數(shù)量都占所有事故類型的50%左右，造成高處墜落的原因有很多，而90%的事故都是人為失誤導(dǎo)致的[3]。分析高處作業(yè)不安全行為的產(chǎn)生原因，針對關(guān)鍵因素采取預(yù)防措施，是防止發(fā)生高處墜落事故的重要手段[4]。因此，研究建筑施工工人的不安全行為對于此事故的預(yù)防具有重要的意義。

HARJOTO M等[5]發(fā)現(xiàn)高處作業(yè)會增加企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)，若企業(yè)的社會責(zé)任表現(xiàn)越強(qiáng)，就越會減少過度的風(fēng)險(xiǎn)，從而避免高處冒險(xiǎn)作業(yè)的發(fā)生。OTTO A R等[6]發(fā)現(xiàn)如果受試者有健康問題，當(dāng)提高他們個(gè)體的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知水平時(shí)，可能會對態(tài)度和行為產(chǎn)生有益的影響。BORHAN M N等[7]調(diào)查結(jié)果表明在調(diào)查事故原因時(shí)，個(gè)人和社會因素的影響有顯著差異，性別之間沒有顯著差異。但在DE JAGER M等[8]的研究中認(rèn)為不管關(guān)系背景如何，男性表現(xiàn)出各種危險(xiǎn)行為的高風(fēng)險(xiǎn)，他們還在青少年完成一項(xiàng)危險(xiǎn)行為調(diào)查中發(fā)現(xiàn)青少年與同齡人相處的時(shí)間越多，參與冒險(xiǎn)行為的風(fēng)險(xiǎn)就越高。在國內(nèi)，還是針對不同部位和不安全動作加強(qiáng)高處作業(yè)方面安全的培訓(xùn)[9-12]較為普及。

目前國內(nèi)外還沒有利用VR模擬建筑施工場地高處作業(yè)場景的研究，而本次研究，我們基于虛擬現(xiàn)實(shí)( Virtual Reality，VR)技術(shù)以及對高處作業(yè)的危險(xiǎn)度和事故發(fā)生率的了解，采用VR技術(shù)模擬高處作業(yè)場景，同時(shí)利用ErgoLAB人-機(jī)-環(huán)同步平臺采集被試者的6項(xiàng)生理指標(biāo)[13-15]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

利用Vizible軟件設(shè)立“地面”、“一級高處作業(yè)”、“二級高處作業(yè)”3組試驗(yàn)場景，設(shè)定“噴漆作業(yè)”為被試作業(yè)類型，一級高處作業(yè)設(shè)定為距地面4 m處，二級高處作業(yè)設(shè)定為距地面8 m處。利用人—機(jī)—環(huán)同步平臺，截取3個(gè)實(shí)驗(yàn)場景下的虛擬現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中的心電信號(ECG)、肌電信號(EMG)、皮電信號(EDA)、呼吸信號(RESP)、脈搏信號(PPG)、皮溫信號(SKT)6種數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件對被試者問卷調(diào)查及生理信號分析。

1.2 試驗(yàn)對象

VR試驗(yàn)選擇 30 名被試者，依據(jù)調(diào)查問卷，試驗(yàn)?zāi)信壤O(shè)定為8∶2，被試者身體健康，試驗(yàn)過程中，被試者自愿且無其他情緒影響，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過程

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 調(diào)查問卷分析

2.1.1 前期調(diào)查問卷

設(shè)計(jì)電子調(diào)查問卷，下發(fā)給現(xiàn)場作業(yè)工人填寫，共收到問卷239份，其中有效問卷228份。問卷顯示，建筑施工人員中78.9%為男性，年齡主要分布在20～35歲；數(shù)據(jù)顯示60.6%的工人從事過高處作業(yè)，出現(xiàn)過危險(xiǎn)狀況的人員比例高達(dá)55%。根據(jù)問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)，各施工事故類型發(fā)生比率如圖2所示。

圖2 施工事故類型發(fā)生比率

對于高處作業(yè)，確定建筑施工工人在即將發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)變化最明顯的生理信號，對建筑施工場地高處作業(yè)事故的預(yù)防具有基礎(chǔ)意義。

2.1.2 試驗(yàn)后主觀問卷調(diào)查

利用心理標(biāo)尺對30名被試者進(jìn)行不同高處危險(xiǎn)性感覺調(diào)查分析，以標(biāo)尺長度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，4 m高度的主觀衡量標(biāo)尺長度均值為3.987 5 cm，8 m高度的主觀衡量標(biāo)尺長度均值為5.937 5 cm，地面數(shù)值均為0。僅對4 m高度與8 m高度的配對樣本相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.907，具有極強(qiáng)相關(guān)性。對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1，可以看出數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，因而對數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表1 正態(tài)性檢驗(yàn)

表2 問卷的配對樣本t檢驗(yàn)

表2顯示，不同高度處，在0.05的統(tǒng)計(jì)學(xué)水準(zhǔn)下，被試的主觀感覺也呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明高度差異是影響被試者主觀感受的。從圖3中可以看出，離地面越高，作業(yè)人員的主觀感覺越明顯，但0～4 m的增加量大于4～8 m的增加量，這說明隨離地面距離的增加，這種增長速度逐漸減緩。

圖3 危險(xiǎn)性主觀評分

2.2 生理信號分析

為對被試者進(jìn)行更為客觀的分析，采用生理信號無線測試方法，提取30位被試者在作業(yè)時(shí)的6類生理信號，進(jìn)行初步分析發(fā)現(xiàn)，有2人數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，其中1人為數(shù)據(jù)采集異常，另有1人標(biāo)準(zhǔn)差|Z|>2。去除異常數(shù)據(jù)后，對所有數(shù)據(jù)均值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。

表3 生理信號時(shí)域均值相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析可以看出，在6個(gè)生理信號中，在0.05的檢驗(yàn)水準(zhǔn)下，僅EDA時(shí)域均值和SKT顯示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。如果用生理信號作為衡量作業(yè)人員狀態(tài)的依據(jù)，則在有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步看三者相關(guān)性。但從數(shù)據(jù)本身來看，同一組被試，4 m高處的生理信號與地面生理信號的相關(guān)性應(yīng)大于8 m高處，EDA符合要求，而SKT恰恰相反。可以看出，高處作業(yè)的高度識別并不能采用SKT的時(shí)域值來進(jìn)行標(biāo)定。進(jìn)一步對EDA時(shí)域均值(由Tonic Data、Phasic Data、SC signal的平均值合成表示皮電信號)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Shapiro-Wilk進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4，可以看出，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

表4 配對樣本t檢驗(yàn)

圖4中顯示了EDA時(shí)域參數(shù)均值與高度數(shù)值關(guān)系，可以看出，同等高度下，圖中EDA的增幅逐漸降低，這與主觀評分走勢相一致，也說明采用EDA對作業(yè)人員分析的有效性。對數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合可得：

圖4 EDA時(shí)域均值與高度的相關(guān)性

Mean = -0.028 4H2+ 0.737 7H+5.526 4，R2= 1

(1)

EDA均值和高度呈現(xiàn)拋物線相關(guān)性。為針對每個(gè)人的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，引入個(gè)人基礎(chǔ)狀態(tài)常數(shù)C予以修正參數(shù)，即測得個(gè)體在地面時(shí)的數(shù)值后，獲取常數(shù)C的值，因此，式(1)修正為

IEDA = -0.028 4H2+ 0.737 7H+C

(2)

式(2)可以用于對每個(gè)人的數(shù)據(jù)予以測算，以測量作業(yè)人員是否進(jìn)入高處作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)一步估算作業(yè)人員的高度位置。

3 結(jié)論

(1)對平地、高處作業(yè)的生理信號時(shí)域分析中，皮電信號的均值在不同高度處顯示出顯著性差異，因而EDA可以作為高處作業(yè)識別的生理信號；

(2)高處作業(yè)時(shí)，個(gè)體的EDA均值與高度二次線性相關(guān)：IEDA = -0.028 4H2+ 0.737 7H+C(C為修正常數(shù))，IEDA隨高度的增加，其增加值逐漸減小；

(3)EMG、PPG、SKT、RESP、ECG 5個(gè)生理指標(biāo)參數(shù)與作業(yè)高度無明顯相關(guān)性。