陳 星,常 原,鄭穎琇,陳再勵(lì),何華剛
(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
與工作相關(guān)的肌肉骨骼疾病(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)是一類職業(yè)性的慢性累積性疾患,是目前備受關(guān)注的職業(yè)健康問題之一[1]。WMSDs涉及各行各業(yè),患病率較高,嚴(yán)重影響工人的生活質(zhì)量,其中重復(fù)作業(yè)、不舒適的姿勢、搬運(yùn)、舉重[2]均是導(dǎo)致WMSDs的主要原因。人工搬運(yùn)作業(yè)[3]廣泛存在于生產(chǎn)生活中,在建筑施工傷害中,因WMSDs造成的傷害占比大于37%[4],且大部分因人工搬運(yùn)作業(yè)導(dǎo)致。WMSDs癥狀包括腰痛、頸、肩痛等,在各行業(yè)中搬運(yùn)作業(yè)人群患病情況極為嚴(yán)重,主要癥狀常見于人體軀干的上肢和下背部區(qū)域[5-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì),從事手工搬運(yùn)作業(yè)的工人中,有25%的工人存在背疼癥狀,23%的工人存在肌肉疼痛癥狀,WMSDs呈高發(fā)態(tài)勢[7-8]。
評(píng)估工人作業(yè)姿勢常用方法主要有自我評(píng)價(jià)法、直接測量和觀察性評(píng)估[9]。自我評(píng)價(jià)法通過對工作日記、訪談、問卷的分析,收集工作場所對工人的不利因素;直接測量法通過試驗(yàn)對象在工作時(shí)附著人體傳感器,收集工人的肌肉骨骼數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)角度,傳感器主要由運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、腦電圖儀和運(yùn)動(dòng)傳感器[10]組成。自我評(píng)價(jià)法簡單易行,但主觀性較強(qiáng),只提供最終的疲勞狀態(tài),不適用于建筑工人身體疲勞的調(diào)查。直接測量法在作業(yè)過程中可能中斷正常工作活動(dòng),影響參與者試驗(yàn)過程中的生理和心理表現(xiàn)。針對人體數(shù)據(jù)收集,一般采用將職業(yè)安全與健康從業(yè)人員要求相結(jié)合的方式,但在建筑制造業(yè)中存在較大局限性。而觀察性評(píng)估方法允許工人在工作過程中不受干擾地進(jìn)行觀察,可為人體工程學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供精確、準(zhǔn)確的結(jié)果。
計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在安全風(fēng)險(xiǎn)防控方面的應(yīng)用比較廣泛[11],本文采用人體姿態(tài)識(shí)別AlphaPose模型檢測作業(yè)姿勢,根據(jù)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息計(jì)算關(guān)節(jié)角度,依據(jù)快速全身評(píng)估方法(Rapid Entire Body Assessment,REBA)[12]評(píng)分規(guī)則,評(píng)估搬運(yùn)作業(yè)姿勢風(fēng)險(xiǎn)大小,便于及時(shí)修正工人的高風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)作,預(yù)防職業(yè)性肌肉骨骼疾患。該方法通過非接觸式對采集視頻進(jìn)行識(shí)別檢測,可計(jì)算視頻中每一幀的骨骼信息、關(guān)節(jié)夾角、REBA評(píng)分情況以及該動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)程度,評(píng)估過程中不影響正常作業(yè)過程,可廣泛應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場。
AlphaPose為分階段檢測模型[13],采用自頂向下的方法,利用目標(biāo)檢測算法檢測人體,通過單人姿勢估計(jì)(Single Person Pose Estimation,SPPE)算法對檢測到的人體進(jìn)行姿態(tài)估計(jì),選取18個(gè)關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建人體骨架結(jié)構(gòu),骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)檢測示意如圖1所示。
注:0-鼻子;1-左眼;2-右眼;3-左耳;4-右耳;5-肩中心;6-左肩;7-右肩;8-左手肘;9-右手肘;10-左手腕;11-右手腕;12-左臀部;13-右臀部;14-左膝蓋;15-右膝蓋;16-左腳踝;17-右腳踝
針對已有骨骼模型存在2個(gè)主要問題:定位錯(cuò)誤和產(chǎn)生冗余檢測結(jié)果[14]。AlphaPose模型添加3個(gè)模塊:對稱空間變換網(wǎng)絡(luò)(Symmetric Space Transformation Network,SSTN)、姿態(tài)引導(dǎo)的樣本生成器(Pose-guided Proposals Generator,PGPG)與姿態(tài)非極大值抑制器(Parametric Pose Non-Maximum Suppression,PPNMS)。SSTN通過自動(dòng)調(diào)整檢測框使目標(biāo)檢測結(jié)果更準(zhǔn)確;PGPG對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)引導(dǎo)擴(kuò)充,達(dá)到數(shù)據(jù)增強(qiáng)目的;PPNMS通過定義姿態(tài)距離計(jì)算姿態(tài)相似度,可消除冗余的檢測框,實(shí)現(xiàn)更精確的姿態(tài)識(shí)別與骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)檢測。在MPII數(shù)據(jù)集上對模型進(jìn)行訓(xùn)練,保證算法的檢測精度滿足試驗(yàn)要求,采用AlphaPose對人體關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測,得到18個(gè)骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)在每幀圖像中的坐標(biāo)(x,y),進(jìn)而計(jì)算出該幀圖像人體各個(gè)關(guān)節(jié)的夾角。
REBA方法于2000年由Hignett等研發(fā),廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的肌肉骨骼疾患評(píng)估。其基本原理是通過檢測作業(yè)行為中的6種身體關(guān)節(jié)角度(軀干、上臂、下肢、頸部、下臂、手腕)以及3種影響因素(負(fù)荷、抓握、活動(dòng)頻率),對照評(píng)分表[12]獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù),累計(jì)相加得到總分,分值高低代表該作業(yè)姿勢的危害程度大小。
REBA方法評(píng)估流程如圖2所示。分?jǐn)?shù)查詢表A~C具體見文獻(xiàn)[12],且分?jǐn)?shù)A由表A得出,分?jǐn)?shù)B由表B得出,分?jǐn)?shù)A與負(fù)荷分?jǐn)?shù)之和得到分?jǐn)?shù)C,分?jǐn)?shù)B與抓握工具分?jǐn)?shù)之和得到分?jǐn)?shù)D,分?jǐn)?shù)C與分?jǐn)?shù)D共同得到表C,并最終得到分?jǐn)?shù)E,最終結(jié)合活動(dòng)頻率分?jǐn)?shù)(現(xiàn)在所進(jìn)行的動(dòng)作頻率)得到作業(yè)姿勢的REBA總分。在搬運(yùn)過程中搬運(yùn)動(dòng)作的頸部和手腕2個(gè)部位處于相對靜止?fàn)顟B(tài),為排除非必要部位影響,將頸部及手腕在試驗(yàn)動(dòng)作中的夾角限制為特定范圍。根據(jù)REBA得分情況,基于表1中REBA與風(fēng)險(xiǎn)水平的對應(yīng)關(guān)系,評(píng)估搬運(yùn)作業(yè)姿勢的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
表1 REBA總分與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)
圖2 REBA評(píng)估流程
負(fù)荷分?jǐn)?shù)、抓握分?jǐn)?shù)與活動(dòng)頻率分?jǐn)?shù)是試驗(yàn)前設(shè)定的先驗(yàn)條件,需要在程序運(yùn)行前作為已知變量進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定。通過將AlphaPose模型與REBA方法結(jié)合,避免角度觀測與人工打分的主觀性,簡化中間處理過程,結(jié)果以圖表的形式輸出,更加直觀地針對視頻動(dòng)作進(jìn)行分析評(píng)估,可準(zhǔn)確檢測人體骨骼框架,自動(dòng)連續(xù)評(píng)估研究對象動(dòng)作,評(píng)估效率高。
本文選取常見手工搬運(yùn)作業(yè)作為研究對象,在試驗(yàn)室進(jìn)行視頻采集與數(shù)據(jù)分析工作。
人工搬運(yùn)作業(yè)廣泛存在于建筑和土木工程領(lǐng)域,施工工人一般從事搬運(yùn)物料等高強(qiáng)度作業(yè),具有連續(xù)性和重復(fù)性,作業(yè)過程中可能因?yàn)樽藙莶划?dāng)、物料過重、長時(shí)間勞動(dòng)等原因引起身體不適,導(dǎo)致WMSDs風(fēng)險(xiǎn)增加[15],其中最常見的是背傷,事故發(fā)生原因主要是人們對背部安全缺乏重視。依據(jù)《生產(chǎn)過程危險(xiǎn)和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2009)[16],結(jié)合近年關(guān)于WMSDs的問卷調(diào)查結(jié)果,篩選搬運(yùn)作業(yè)可能導(dǎo)致WMSDs的因素,分析手工搬運(yùn)作業(yè)WMSDs主要影響因素,如圖3所示。
圖3 手工搬運(yùn)作業(yè)WMSDs影響因素
WMSDs的影響因素主要體現(xiàn)在人、物、環(huán)境、管理4個(gè)方面。人的因素包括生理(年齡、身高及體質(zhì)等)和心理(情緒壓力等)因素,通常搬運(yùn)工齡越長,患病概率越大;動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)都要經(jīng)過自身心理過渡,消極的情緒可能會(huì)導(dǎo)致工作被動(dòng)、效率下降,甚至產(chǎn)生不安全行為。物的因素主要包括物料重量、物料可抓握性,物料過重導(dǎo)致工人重體力負(fù)荷作業(yè);可抓握性小、作業(yè)空間狹小,可能導(dǎo)致工人采用不良的搬運(yùn)姿勢。環(huán)境因素中,工人所處環(huán)境決定工作效率與安全性,應(yīng)盡量減少在惡劣天氣下的工作時(shí)間,長時(shí)間工作導(dǎo)致工人操作能力下降,更容易疲勞。管理因素中應(yīng)堅(jiān)持“安全第一、預(yù)防為主、綜合管理”的原則,提高工人安全防護(hù)意識(shí),確保個(gè)體防護(hù)到位,有輕癥及時(shí)處理,搬運(yùn)作業(yè)姿勢培訓(xùn)尤為重要,可從根本上降低WMSDs發(fā)生概率。
不良的搬運(yùn)作業(yè)姿勢是手工搬運(yùn)作業(yè)WMSDs最為重要的影響因素,其它因素都直接或間接導(dǎo)致不良作業(yè)姿勢的產(chǎn)生,進(jìn)而導(dǎo)致WMSDs患病概率增大。手工搬運(yùn)作業(yè)目前主要管控方法為現(xiàn)場安全督察,包括個(gè)體安全防護(hù)、突發(fā)情況應(yīng)急等,不能自動(dòng)實(shí)時(shí)評(píng)估工人作業(yè)姿勢的風(fēng)險(xiǎn)大小,不能現(xiàn)場快速評(píng)判動(dòng)作姿勢的危險(xiǎn)性并及時(shí)提出改善意見。
通過實(shí)地調(diào)研、問卷調(diào)查及專家訪談等方式,總結(jié)手工搬運(yùn)物料常規(guī)動(dòng)作流程如圖4所示,首先觀察貨物具體情況,不能提取超過自己承受重量的物品;靠近貨物采取屈膝下蹲的姿勢,背部挺直提取貨物;提取貨物時(shí)腿部用力,身體微向前傾貼近貨物,貨物重的一側(cè)靠近身體,不要扭動(dòng)身體以免拉傷,緩慢起身;將貨物放到指定位置,放下與提取順序相反。
圖4 手工搬運(yùn)重物動(dòng)作流程
搬運(yùn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題包括搬運(yùn)的物品較重、采取錯(cuò)誤的搬運(yùn)動(dòng)作、將物品從地面抬起時(shí)迅速扭轉(zhuǎn)身體、搬運(yùn)物品時(shí)物品距離身體過遠(yuǎn)、僅用身體一側(cè)承受重物等。工人搬運(yùn)動(dòng)作不當(dāng)是導(dǎo)致WMSDs的主要原因,下蹲拾取物品過程中最容易出現(xiàn)問題,應(yīng)采取屈膝蹲坐的姿勢保持背部挺直,但大部分工人一般彎腰直腿搬運(yùn)重物,會(huì)加重背部肌肉負(fù)擔(dān)。本文從人體工效率學(xué)角度對2種取物動(dòng)作進(jìn)行分析,討論其導(dǎo)致職業(yè)性肌肉骨骼疾患的風(fēng)險(xiǎn)大小。
利用AlphaPose模型與REBA方法,構(gòu)建手工搬運(yùn)作業(yè)的WMSDs風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架,如圖5所示。將REBA的評(píng)分內(nèi)容應(yīng)用于骨骼數(shù)據(jù)處理階段,對姿勢的最終總得分進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí),實(shí)現(xiàn)輸出關(guān)節(jié)夾角的同時(shí)輸出身體各部位REBA的總得分,生成隨視頻圖像幀數(shù)不斷變化的關(guān)節(jié)夾角、REBA總分以及作業(yè)姿勢風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)曲線圖。經(jīng)過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),搬運(yùn)動(dòng)作的頸部和手腕處于相對靜止?fàn)顟B(tài),將3種預(yù)先輸入變量(負(fù)荷、活動(dòng)頻率、手握工具)暫定為0,試驗(yàn)動(dòng)作為搬運(yùn)重物的行為。作業(yè)姿勢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架主要由4部分組成,即圖像和數(shù)據(jù)采集、基于AlphaPose的人體骨骼識(shí)別、基于REBA方法的作業(yè)姿勢風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算以及人體工效學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告生成。后續(xù)對評(píng)價(jià)過程進(jìn)行詳細(xì)討論,主要包括計(jì)算人體姿態(tài)角度、REBA評(píng)分和確定WMSDs風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)3個(gè)方面。
圖5 手工搬運(yùn)作業(yè)WMSDs風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架
因?yàn)槿梭w姿態(tài)識(shí)別模型輸出的是人體18個(gè)骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間相對坐標(biāo)及置信度,關(guān)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)不能直接輸入REBA,需要將坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)部位的身體姿勢角度。相鄰2個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)可構(gòu)成對應(yīng)的肢體結(jié)構(gòu),采用空間向量的方法進(jìn)行計(jì)算。
(1)
式中:θLE表示左臂肘關(guān)節(jié)角度,(°);L1表示左下臂關(guān)節(jié)向量長度;L2表示左上臂關(guān)節(jié)向量長度。
考慮到人體對稱結(jié)構(gòu),上下臂及腿部關(guān)節(jié)角度分別為左右2組,結(jié)合REBA評(píng)分原則,為精確進(jìn)行評(píng)分確定作業(yè)姿勢風(fēng)險(xiǎn),取身體左右對應(yīng)部位的關(guān)節(jié)夾角最大值,如式(2)所示:
θ=max[θL,θR]
(2)
式中:θ表示身體關(guān)節(jié)角度,(°);θL為左側(cè)身體關(guān)節(jié)角度,(°);θR為右側(cè)身體關(guān)節(jié)角度,(°)。
加權(quán)濾波法(Savitzky Golay,SG)的核心思想是對窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)濾波,加權(quán)權(quán)重是對給定的高階多項(xiàng)式進(jìn)行最小二乘擬合得到[16]。經(jīng)過SG濾波處理后,可有效保留數(shù)據(jù)變化信息,同時(shí)消除數(shù)據(jù)突變。SG計(jì)算原理如下:
對當(dāng)前時(shí)刻前后共2n+1個(gè)觀測值進(jìn)行濾波,用k-1階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合,如式(3)所示:
xt=a0+a1t+a2t2++ak-1tk-1
(3)
式中:t表示某時(shí)刻;xt表示t時(shí)刻的觀測值;a0,a1,…ak-1表示參數(shù),通過最小二乘法確定。
同理,對于前后時(shí)刻的預(yù)測值用式(3)進(jìn)行計(jì)算,共得到2n+1個(gè)式子,構(gòu)成矩陣,矩陣簡化后如式(4)所示:
X(2n+1)×1=T(2n+1)×k+Ak×1+E(2n+1)×1
(4)
式中:X(2n+1)×1表示2n+1行1列的矩陣X;T(2n+1)×k表示2n+1行k列的矩陣T;Ak×1表示k行1列的矩陣A;E(2n+1)×1表示2n+1行1列的矩陣E。
通過最小二乘法求得A(k×1)的解如式(5)所示:
A=(Ttrans·T)-1·Ttrans·X
(5)
式中:上標(biāo)trans表示轉(zhuǎn)置;()-1表示矩陣的逆矩陣。
模型的濾波值如式(6)所示:
P=T·A=T·(Ttrans·T)-1·Ttrans·X=B·X
(6)
式中:P表示模型濾波值;B表示關(guān)系矩陣。
最終得到濾波值與觀測值的關(guān)系矩陣,如式(7)所示:
B=T·(Ttrans·T)-1·Ttrans
(7)
通過計(jì)算B矩陣就可以將觀測值轉(zhuǎn)換為濾波值。
比對施工現(xiàn)場常見搬運(yùn)動(dòng)作,將其分解成相關(guān)度較高的3個(gè)動(dòng)作即下蹲、小臂屈曲、手臂抬升,針對動(dòng)作活動(dòng)最頻繁的4個(gè)關(guān)節(jié)(上臂、下臂、軀干、腿部)進(jìn)行分析??紤]到視覺偏差及視頻遮擋對結(jié)果的影響,對下臂肘關(guān)節(jié)進(jìn)行測試,拍攝肘關(guān)節(jié)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)如圖6所示,將原始數(shù)據(jù)曲線與 SG平滑濾波處理后的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對比分析。
圖6 肘關(guān)節(jié)規(guī)則運(yùn)動(dòng)
肘部關(guān)節(jié)夾角運(yùn)動(dòng)范圍為20°~150°,角度變化序列如圖7所示,雖然曲線變化趨勢符合預(yù)期效果,但經(jīng)過局部放大可以發(fā)現(xiàn),夾角波動(dòng)存在突變。經(jīng)SG濾波處理后的關(guān)節(jié)變化曲線可以直觀看出角度變化的曲線更符合人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,過渡更加平滑,沒有明顯突變。
圖7 肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度序列
綜上,算法提取的人體骨骼框架和視頻中人體的耦合度較高,經(jīng)過人工測量驗(yàn)證,算法計(jì)算精度與實(shí)際夾角差距可忽略不計(jì)。關(guān)節(jié)夾角的評(píng)分依據(jù)REBA方法,每個(gè)關(guān)節(jié)的分級(jí)跨度均較大,對于關(guān)節(jié)實(shí)際角度和算法計(jì)算角度在10°以內(nèi)是可以接受的,對最終的評(píng)判結(jié)果影響較小。
在試驗(yàn)室對工人搬運(yùn)動(dòng)作進(jìn)行分階段測試,測試試驗(yàn)對象完成拿起重物的行為,試驗(yàn)物品采用重量為500 g的長方形物塊。試驗(yàn)第1階段是經(jīng)過專家調(diào)查證明該動(dòng)作具有一定骨骼肌肉疾患風(fēng)險(xiǎn)的彎腰直腿取物;第2階段是正常屈膝下蹲拾取物品,如圖8所示。
圖8 典型搬運(yùn)姿勢測試
試驗(yàn)共采集到312幀圖像,對采集的視頻進(jìn)行作業(yè)姿勢評(píng)估。試驗(yàn)對象身體主要部位夾角變化如圖9所示。由圖9可知,在第1階段,彎腰直腿俯身取物的軀干夾角和腿部夾角變化不同步,而第2階段的2個(gè)關(guān)節(jié)同步變化且角度相差甚較小。腿部和軀干夾角有明顯相關(guān)聯(lián)系,可應(yīng)用于施工現(xiàn)場監(jiān)測視頻,判斷監(jiān)測對象進(jìn)行搬運(yùn)動(dòng)作拿起時(shí),是否有不舒適姿勢的出現(xiàn)。
注:散點(diǎn)表示由原始數(shù)據(jù)計(jì)算每一幀圖像的關(guān)節(jié)夾角;實(shí)線表示經(jīng)濾波處理后的夾角變化曲線
作業(yè)姿勢REBA得分如圖10所示。經(jīng)SG濾波平滑處理的數(shù)據(jù),避免因角度范圍微小變化而引起的評(píng)分突變,有效提高評(píng)分準(zhǔn)確度。整個(gè)試驗(yàn)過程中,REBA總分最低為2,最高為7,風(fēng)險(xiǎn)水平為中,作業(yè)姿勢有一定危害,應(yīng)避免長時(shí)間連續(xù)工作,需要適當(dāng)改善作業(yè)姿勢。
圖10 作業(yè)姿勢REBA得分
作業(yè)姿勢的REBA總分低于警戒線,第1階段REBA得分波動(dòng)較大,相對于第2階段得分更高,第1階段隱含危險(xiǎn)性更大,在提升試驗(yàn)物品時(shí)身體重心未下降,向前彎腰時(shí)腰部負(fù)擔(dān)加重,易扭傷。在進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí),應(yīng)該監(jiān)測現(xiàn)場工人身體各部位風(fēng)險(xiǎn),明確指出其作業(yè)行為中的危險(xiǎn)姿勢,針對性地提出改善作業(yè)姿勢建議。
1)利用AlphaPose模型與REBA方法,提出一種非侵入式的作業(yè)姿勢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,通過采集視頻數(shù)據(jù)對搬運(yùn)作業(yè)姿勢系統(tǒng)性評(píng)估分析,可輸出監(jiān)測對象身體的關(guān)節(jié)角度變化與REBA動(dòng)態(tài)打分,為改善作業(yè)姿勢提供參考。
2)本文研究方法對于視頻的關(guān)節(jié)角度計(jì)算準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)濾波處理降低對視頻采集質(zhì)量的要求,適用于復(fù)雜多變的作業(yè)現(xiàn)場觀測環(huán)境,可推廣到對特定的動(dòng)作進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。
中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)2022年7期