李普紅 周 軍 鄧建新 范志君

(①山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南 250061;②山東輕工業(yè)學(xué)院藝術(shù)學(xué)院，山東濟南 250353;③山東大學(xué)高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機械裝備朝著自動化、機器人化方向發(fā)展，甚至出現(xiàn)了全自動化生產(chǎn)線/車間等。但是手工搬運/操作(Manual Material Handling，MMH)依然存在，在有些場所是自動化設(shè)備無法替代的。與MMH有關(guān)的肌肉骨骼疾患(Musculoskeletal Disorders，MSDs)發(fā)病逐漸增加［1］。MMH 對于短期和長期的人體健康具有多種不良影響。國內(nèi)外大量的研究表明，在作業(yè)領(lǐng)域，不良的MMH作業(yè)姿勢及體位和長時間勞累是造成職業(yè)性肌肉骨骼損傷的主要原因，給企業(yè)和社會造成大量的補償支付成本損失［1－4］。不良的MMH因素主要考慮工作姿勢，身體負(fù)荷、心理負(fù)荷和工作難度。合理的工效學(xué)評價和工作設(shè)計，能夠有效地預(yù)防MSDs。人因素評估方式有許多種，多采用定性方式，結(jié)果不直觀，也不能更好地與一些其他因素結(jié)合使用，因此需要采取多種方式進(jìn)行研究。

1 工作場所人因素

工作場所中由于設(shè)施、工件以及作業(yè)精細(xì)程度特性不同，會直接影響到作業(yè)者的工作舒適度，從而使作業(yè)者面臨不同程度的職業(yè)性身體和心理損傷的風(fēng)險［5］。在人機系統(tǒng)中，對于職業(yè)性工作壓力最有影響的工作負(fù)荷因素已經(jīng)被許多學(xué)者所研究［6－11］，主要的工作負(fù)荷因素以及研究內(nèi)容見表1。

表1 人因素研究內(nèi)容

這些研究基本上都是以人體工作姿勢、負(fù)荷以及主觀滿意度等為優(yōu)化目標(biāo)，在此優(yōu)化目標(biāo)下達(dá)到工作效率高效、工作舒適和減少職業(yè)性身心損傷的累積量。這個優(yōu)化目標(biāo)，是一種結(jié)合心理和生理兩種經(jīng)驗的感知，在評價標(biāo)準(zhǔn)上要結(jié)合生理測量來評估主觀心理感受。

2 人因素評價方法

如何正確地評價工作場所中存在的人因素是預(yù)防職業(yè)性肌肉骨骼疾患的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，對工作場所中存在的人因素的評價方法，按照危險因素暴露分為自評法、觀察法和直接法［13］;按照具體采用的方法可以分為5種，即標(biāo)準(zhǔn)化的檢查問卷調(diào)查(Checklist)、心理物理學(xué)方法(Psychophysical Approach)、生理學(xué)模型(Physiological Models)、生物力學(xué)模型(Biomechanical Models)、整合的評價模型等［2］。綜合起來可以分為定性分析和定量分析兩種方法。

2.1 定性分析

定性分析主要憑分析者的直覺、經(jīng)驗、分析對象過去和現(xiàn)在的延續(xù)狀況及最新的信息資料，對分析對象的性質(zhì)、特點、發(fā)展變化規(guī)律作出判斷的一種方法。在人因素評估過程中，對危險因素與勞動者負(fù)荷之間的相互關(guān)系，尤其是心理影響評估分析，則主要由評估對象的直覺和感覺自評得出，通過調(diào)查問卷和心理物理學(xué)方法進(jìn)行，屬于定性分析。問卷內(nèi)容包括物理負(fù)荷、姿勢負(fù)荷、時間負(fù)荷、社會心理因素以及工作環(huán)境因素的問題，在問卷中插入身體部位圖或姿勢圖，多數(shù)采用是否的格式和意向尺度量表的方式。此法的最大優(yōu)點是方法直觀，應(yīng)用范圍廣，可用于大量的流行病學(xué)調(diào)查研究，而且費用低。缺點是評估對象對工效學(xué)危險因素暴露的評估并不準(zhǔn)確可靠。

簡單觀察法是另一種定性分析方法，利用紙和筆對工作場所存在的工效學(xué)因素進(jìn)行系統(tǒng)地觀察記錄，此方法目前應(yīng)用較為廣泛，可以對身體各部位的姿勢、體力負(fù)荷和社會心理因素等進(jìn)行評估。優(yōu)勢是在不干擾工人正常的作業(yè)情況下，能大范圍地觀察工作場所工效學(xué)危險因素，費用低，實用。但是評價結(jié)果受制于觀察的時段以及觀察者的水平，多適用于靜態(tài)和重復(fù)作業(yè)的評價。

2.2 定量分析

定量分析是依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，并用數(shù)學(xué)模型計算出分析對象的各項指標(biāo)及其數(shù)值的一種方法?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，使得可以通過儀器來測量人在工作狀態(tài)時身體各部位工效學(xué)因素，并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。在人因素評價中主要方法如下:

(1)生理參數(shù)模型 體力勞動時，人體的生理反應(yīng)如心率、血壓、能耗和血液乳酸等都能夠體現(xiàn)體力負(fù)荷的大小。而能量代謝消耗是早已被廣泛接受的評價體力負(fù)荷指標(biāo)，氧需增加和心血管功能下降是疲勞發(fā)生的指征。生理參數(shù)模型即通過一定的能耗限值、心血管生理指標(biāo)等評價體力負(fù)荷，在限值范圍內(nèi)預(yù)防疲勞發(fā)生。直接測量氧耗可以估計生理學(xué)的需求，目前已發(fā)展多種便攜式的心率(或脈搏)和氧耗測量儀器。

表面肌電(surface electryomyography，sEMG)技術(shù)作為一種生理指標(biāo)測量技術(shù)［14］，就是通過表面電極將中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配肌肉活動時伴隨的生物電信號從運動肌表面引導(dǎo)記錄下來并加以分析，從而對神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)和活動水平做出評價。肌電信號是產(chǎn)生肌肉力的電信號根源，它是肌肉中許多運動單元動作電位在時間和空間上的疊加，反映了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷和康復(fù)工程中有廣泛的應(yīng)用。多年來，應(yīng)用sEMG信號特征指標(biāo)評價肌肉功能狀態(tài)主要集中在線性的時、頻分析2個領(lǐng)域。

(2)生物力學(xué)模型 生物力學(xué)模型就是通過三維虛擬仿真技術(shù)，建立外力作用于人體時人體骨骼受力情況模型，利用該模型來評估外力作用于機體的機械力，特別是作用于腰背的力，目標(biāo)是使搬運或操作任務(wù)對機體的作用力不能超過肌肉骨骼系統(tǒng)的耐受閾值。采用肌電儀、壓力分布測試儀等儀器測量機體在外力作用時肌肉受力狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入測量數(shù)據(jù)，來預(yù)測機體對外力需求的反應(yīng)。三維靜態(tài)骨骼肌肉系統(tǒng)力學(xué)模型(3D SSPP)，適用于提舉、推拉動作的靜態(tài)力學(xué)分析［15］;全身動態(tài)生物力學(xué)模型，除了考慮外力外，還考慮速度和加速度，多采用計算機和攝像機分析運動姿勢，建立幾何生理學(xué)模型，利用sEMG進(jìn)行分析評價，常用于實驗室條件下。生物力學(xué)模型方法能夠提供作用力大小的評價，但不適合重復(fù)動作的評價，而且模型建立和實際有一定差距。

2.3 定性分析和定量分析相結(jié)合的整合模型

整合的模型是根據(jù)問卷法、觀察法、生物力學(xué)、生理學(xué)和心理物理學(xué)不同的測量綜合考慮而提出的一種新的、為某些特定的搬運和操作任務(wù)的限值或指數(shù)，簡單直觀，分析方便，但是范圍有限。目前OWAS分析方法，NIOSH分析方法、快速全身評估法(REBA)，是定性分析與定量研究相結(jié)合的模型。

OWAS主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個部分的姿勢要素和1個負(fù)重要素，并對其進(jìn)行編碼賦值，通過這5個要素相互作用的分析以及所定義的5種疲勞等級，用不同數(shù)值表示，代表作業(yè)姿勢需要改進(jìn)的緊迫程度。優(yōu)點是對于姿勢負(fù)荷的評估較為準(zhǔn)確，編碼簡單，并且由計算機程序來執(zhí)行，比較客觀，結(jié)果根據(jù)專家分類可以分為4類不同應(yīng)急措施水平。缺點:①多側(cè)重于姿勢的評估，工作時長和重復(fù)頻率未考慮;②對工作中的姿勢采取多瞬間時間抽樣，適合于靜態(tài)姿勢分析;③各因素之間的相互作用未考慮;④雖然評估中有賦值量化，但評估結(jié)果需要專家分類定性。

NIOSH方法是根據(jù)生物力學(xué)、生理學(xué)和心理物理不同的測量綜合考慮而提出的一種新的、為某些特定的手工提舉任務(wù)而制定的限制或指數(shù)。美國NIOSH于1991年對抬舉方程進(jìn)行了修訂，在原有的推薦重量限值方程中增加了不對稱的參數(shù)。方程如下:

其中:RWL為可接受的抬舉重量;H為搬舉起始或終止時手掌中心距兩踝關(guān)節(jié)中間的水平距離，cm;V為搬舉起始或終止時手掌距地面的垂直距離，cm;D為搬動起始與終止時的垂直距離，cm;FM為搬運頻率參數(shù)(根據(jù)頻率確定不同的系數(shù));A為偏離矢狀面的角度，(°);CM為物體易抓參數(shù)(根據(jù)難易確定為1.0，0.95和0.90);LI為抬舉指數(shù)。

NIOSH抬舉方程能定量評估手工抬舉任務(wù)的重量負(fù)荷，針對人體的脊柱損傷最易感部位LS/Sl損傷可能的負(fù)荷限值進(jìn)行評估。但此法的最大缺點是局限于評價手工抬舉任務(wù)，對其他部位姿勢無法評估，在評估中沒有考慮抬舉物品的大小以及其他環(huán)境因素的影響等。REBA是一種快速全身姿勢負(fù)荷評估測量工具，將身體按活動部位分為軀干、頸部、腿、上臂、前臂和手腕，分別評估每個部位靜態(tài)和動態(tài)過程中的重量和姿勢負(fù)荷，按一定的評分標(biāo)準(zhǔn)計算各部位的工效學(xué)負(fù)荷得分。根據(jù)最后REBA得分(表2)，劃分工效學(xué)負(fù)荷等級分類，以便采取相應(yīng)的控制措施。

表2 REBA得分的等級劃分

應(yīng)用REBA方法進(jìn)行工效學(xué)評估，具有一定的信度，但仍需要進(jìn)行效度的驗證，結(jié)合OWAS和NIOSH以及生物力學(xué)模型等進(jìn)行效標(biāo)效度的驗證，或是通過實驗室的客觀測量來進(jìn)一步驗證REBA的效度，能夠獲得更好的應(yīng)用范圍。

Coyle［16］應(yīng)用REBA和新西蘭危害控制記錄法對超市行業(yè)進(jìn)行工效學(xué)負(fù)荷評估，結(jié)果表明REBA方法在具體工效學(xué)負(fù)荷或生物力學(xué)負(fù)荷方面評估結(jié)果更為明確，尤其適合工效學(xué)干預(yù)措施的效果評價。

3 活塞生產(chǎn)線中人因素多指標(biāo)量化模型

以上各種評估方法，大都局限于對某一個部位或者某個因素的評估，綜合性的評估量化模型還不多。在活塞生產(chǎn)中，操作者需要手工操作和搬運，需要對人因素進(jìn)行量化研究，就是確定這些因素之間的相互權(quán)重，從而能夠把人因素定量化，與生產(chǎn)布局的其他優(yōu)化指標(biāo)結(jié)合，從而能夠設(shè)計出更好的布局方案，提高工作效率，降低工人身心損傷。于瑞峰［5］運用層次分析法分析了工作場所中的人因素權(quán)重。單純的采用1種方法進(jìn)行人因素量化，存在以下問題:

表3 人因素評價尺度

(1)人因素中各個評價指標(biāo)，如工作姿勢，身體負(fù)荷，心理負(fù)荷和工作難度的評估依賴于評估者個人的知識經(jīng)驗和判斷，因而不夠客觀。(2)層次分析法兩兩判斷矩陣也是基于評估者個人經(jīng)驗知識以及對現(xiàn)場判斷基礎(chǔ)上給出的，受到主觀條件的制約。(3)在多指標(biāo)評價中，如果一個指標(biāo)對其他指標(biāo)有較大的影響，則該指標(biāo)的快速發(fā)展對其他指標(biāo)的牽動程度得到相應(yīng)的提高，從而促進(jìn)整體的良性發(fā)展，故在量化評判中通過層層分析來擴大該指標(biāo)影響。

因此，采用定性分析和定量分析相結(jié)合的方法，利用調(diào)查問卷、觀察法和REBA方法，賦給活塞生產(chǎn)線上人因素相關(guān)評價因素，利用熵值法和層次分析法建立量化模型求解。

3.1 建立指標(biāo)體系

(1)指標(biāo)體系確立

利用層次分析法，確立人因素評價指標(biāo)體系［5］，如圖1所示。將整個人因素指標(biāo)分為3層，目標(biāo)層U:人因指數(shù)U;準(zhǔn)則層B:體力負(fù)荷B1，腦力負(fù)荷B2;指標(biāo)層C:作業(yè)姿態(tài)C1，身體負(fù)荷C2，作業(yè)難度 C3，心理負(fù)荷C4。首先確定對每一個準(zhǔn)則層來說下層指標(biāo)的權(quán)重，然后在確定每一個指標(biāo)對應(yīng)目標(biāo)層的權(quán)重。

(2)各個評價因素的賦值

為了對各評價指標(biāo)準(zhǔn)確賦值，我們在上述作業(yè)姿態(tài)(表2)、身體負(fù)荷、作業(yè)難度和心理負(fù)荷指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化增加，建立1～10階標(biāo)度的評價尺度，如表3所示。其中，作業(yè)姿態(tài)C1由REBA方法觀察計算得分［5］，根據(jù)表2，按照風(fēng)險水平賦值。作業(yè)難度和心理負(fù)荷的評分尺度由下列因素構(gòu)成:

①作業(yè)的精度要求:有些作業(yè)內(nèi)容的復(fù)雜程度和精細(xì)程度較高或需要動作的精確度較高，需要作業(yè)者高度注意力，這種精神上的高度緊張導(dǎo)致的心理上的興奮會使人體的腎上腺素分泌增加，從而抑制了人的感情和體力活動能力，引起疲勞的提前出現(xiàn)［5］。Johannsen，Welford等許多學(xué)者的研究結(jié)果表明:長期處于高度精神緊張的作業(yè)，作業(yè)者不僅會降低工作滿意感和工作動機，而且還可能出現(xiàn)許多身心疾病，影響健康［17］。實驗證明，在需要精細(xì)操作的工作，比如精密機械加工等，作業(yè)者的疲勞程度與總荷重有著極為重要的關(guān)系。②作業(yè)的操作頻次:在自動化作業(yè)中，需要作業(yè)者手工操作的頻次越多，輔助生產(chǎn)時間延長，在總體生產(chǎn)時間上損耗較多，則該工序相對來說較復(fù)雜。③操作人員熟練程度:操作人員的熟練程度直接決定著對該工序作業(yè)或者搬運的難易。

某活塞生產(chǎn)線各工序作業(yè)要求精度和換工裝夾具、刀具頻次以及作業(yè)難度和心理負(fù)荷評分如表4。

表4 某活塞生產(chǎn)線各工序作業(yè)難度及心理負(fù)荷得分

3.2 用熵值法和層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重

層次分析法中要計算各層對上層目標(biāo)的權(quán)重，一般需要將各層的因素進(jìn)行兩兩比較，用模糊數(shù)1～9標(biāo)度進(jìn)行主觀賦值計算權(quán)重。本文采用基于客觀數(shù)據(jù)計算權(quán)重的熵值法進(jìn)行計算，從而避免因采用賦值計算權(quán)重的主觀因素的影響，使權(quán)重更符合實際情況。

(1)確定各指標(biāo)熵權(quán)

①原始數(shù)據(jù)規(guī)范化處理:對于給定的m個指標(biāo)，n個項目評價方案的原始數(shù)據(jù)矩陣為A(aij)m×n，采用極值法進(jìn)行規(guī)范化處理(負(fù)項指標(biāo)，極值越小越好)，對其歸一化后得到R(rij)m×n，公式為

②計算第i項指標(biāo)的熵值

在有m指標(biāo)，n個項目評價方案的問題中，第i個指標(biāo)的熵為

③計算第i項指標(biāo)的的熵權(quán)ωi

對于層次分析法的分層評價系統(tǒng)，根據(jù)熵的可加性，利用下層架構(gòu)的指標(biāo)差異性系數(shù)1－ei，按比例確定對應(yīng)于上層結(jié)構(gòu)的權(quán)重值ωk。

(2)構(gòu)造判斷矩陣，求解人因素各指標(biāo)權(quán)重

①根據(jù)公式(3)中得出的權(quán)重值，進(jìn)行各層次比較判斷矩陣構(gòu)造。

③一致性判斷

表5 一致性指標(biāo)R.I.的數(shù)值

④綜合權(quán)重系數(shù)

在獲得各級指標(biāo)同層各要素之間的相對重要程度wci和wbj之后，就可以計算對總目標(biāo)的綜合重要度

(3)人因素系數(shù)U確定

在確定了指標(biāo)的內(nèi)容和各項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)的基礎(chǔ)上，利用廣義效用函數(shù)，可計算出人因素系數(shù)U。

其中:wi為人因素指數(shù)指標(biāo)C層對U層的權(quán)重系數(shù);Ci為人因素各影響因素的評估值。

3.3 實例計算

某活塞生產(chǎn)線各道工序人因素評估值如表6。利用熵值法求得各指標(biāo)層熵權(quán)系數(shù)ωCi、ωBj如表7。

利用表7中數(shù)值，進(jìn)行各個判斷矩陣構(gòu)造，如下:U－B矩陣:

B1－C矩陣:

B2－C矩陣:

并用方根法求得各層次對應(yīng)目標(biāo)層相應(yīng)權(quán)重，并進(jìn)行一致性判斷，可將C層對總目標(biāo)層U的相對重要性進(jìn)行排序比較，得到C層元素對總目標(biāo)U的總權(quán)重wi。如表8所示。

進(jìn)行一致性檢驗，C.I.，C.R.為零，因此具有完全一致性。所以

表6 某活塞生產(chǎn)線各工序人因素評估值

表7 各指標(biāo)層熵權(quán)重

表8 綜合重要度

w=［0.064 129 0.022 181 0.673 464 0.240 227］為活塞生產(chǎn)線人因素指標(biāo)權(quán)重。

利用公式(6)，計算出某活塞生產(chǎn)線每個工序的人因素量化值，見表9。

4 結(jié)果分析

(1)從人因素的總排序結(jié)果看，作業(yè)難度的權(quán)重(0.673 464)大于其他3個指標(biāo)，身體負(fù)荷(0.022 181)最低，說明在該生產(chǎn)線各工序的人因素里，作業(yè)難度是關(guān)鍵因素，在不同工序階段，身體負(fù)荷相差最小，因為都是負(fù)擔(dān)同一個活塞，與實際觀測結(jié)果相符。因此對該生產(chǎn)線各工位采取的干預(yù)措施是降低作業(yè)的難度，在保證加工質(zhì)量的前提下，選用熟練操作人員和標(biāo)準(zhǔn)化、易操作的夾具量具，提高工作效率，降低工作難度。

表9 某活塞生產(chǎn)線各工序人因素量化值

(2)對于準(zhǔn)則層的兩個因子，體力負(fù)荷B1的權(quán)重0.423 041低于腦力負(fù)荷B2的權(quán)重0.576 959，說明在該生產(chǎn)線各因素中，各工位對操作者的影響主要在于各工序的工作難度以及造成的心理負(fù)荷，這些因素間接引起操作者累積性勞動損傷，故要降低操作人員的腦力負(fù)荷。從體力負(fù)荷B1下的C1，C2，C3的排序結(jié)果看，工作難度權(quán)重(0.795 978)大于其他2個指標(biāo)，在體力負(fù)荷里邊是關(guān)鍵因素，要降低體力負(fù)荷，須從改善工作姿勢和降低工作難度2個方面入手。從體力負(fù)荷B2下的C3，C4的排序結(jié)果看，工作難度權(quán)重大于心理負(fù)荷權(quán)重，重視工作難度因素。這些因素集中體現(xiàn)了工作難度因素起主要作用，影響著操作者疲勞程度。

(3)與單純采用層次分析法得出的結(jié)果比較:單純的層次分析法分析時，在準(zhǔn)則層的2個因子的權(quán)重系數(shù)判定時，一般都會認(rèn)為體力負(fù)荷權(quán)重大于腦力負(fù)荷，會誤導(dǎo)后續(xù)求解，導(dǎo)致最終結(jié)果與本文模型結(jié)果相反結(jié)論。而本模型則從不同條件下的人因素出發(fā)進(jìn)行賦值，利用熵值法來確定準(zhǔn)則層的各因子的權(quán)重系數(shù)。

5 結(jié)語

本文討論分析了工作場所人因素以及各種評價方法，針對傳統(tǒng)人工活塞生產(chǎn)線中人因素進(jìn)行了分析，建立了定性和定量相結(jié)合的量化模型，用熵值法和層次分析法進(jìn)行求解計算，避免了由于單一數(shù)字主觀賦值所造成的判斷誤差，是一種主客觀相結(jié)合的有效方法。模型結(jié)果對活塞各工序人因素進(jìn)行評定和量化，為不同工序的人因素改善和量化使用提供了科學(xué)依據(jù)。

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