魏志勇研究員 吳 瑞副研究員 郝凱瑞高級工程師 康鐘緒副研究員 張慧娟副研究員 孫 赟助理研究員

(北京市科學技術研究院城市安全與環(huán)境科學研究所，北京 100054)

0 引言

噪聲性聽力損失與累積噪聲暴露量存在良好的劑量—效應關系[1-3]，累積噪聲暴露量與勞動者接觸噪聲的聲壓級水平和持續(xù)時間有關。目前職業(yè)性噪聲暴露監(jiān)測有2種方法，一種是傳統(tǒng)的定點、定時測量結(jié)合計算的測量方法；另一種是勞動者佩戴個人聲暴露計的測量方法。實際測試過程中這2種方法均存在一定的缺陷，如測量過程的質(zhì)量控制缺失、測量不確定度較大等，從而帶來測量數(shù)據(jù)的可靠性問題。隨著我國制造業(yè)的進步，當前從事噪聲作業(yè)的勞動者不僅有固定崗位人員，還存在著大量流動崗位人員，這對職業(yè)性噪聲的測試評價提出更高的技術要求，相當比例的職業(yè)技術服務機構(gòu)尚無法很好的掌握噪聲暴露測量方法[4-5]。當前物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日新月異，很多新技術應用到了職業(yè)安全健康監(jiān)管工作中，可以克服以往技術條件的一些局限性，特別是實時定位、無線通信等技術的發(fā)展成熟為創(chuàng)立新的職業(yè)性噪聲暴露測量方法提供了選擇。本研究融合實時定位技術及聲場分布測量技術實現(xiàn)勞動者噪聲暴露的測量，為職業(yè)性噪聲防治提供了新的技術支撐。

1 新測量方法的原理

現(xiàn)有職業(yè)性噪聲暴露的測試方法[6-7]，其設備支撐是積分聲級計和個人噪聲劑量計。積分聲級計和個人噪聲劑量計是傳統(tǒng)的噪聲測試設備[8-9]，可以定點或由勞動者佩戴測試噪聲的瞬態(tài)值或累積值，由于其僅能測試噪聲值，因此測試過程是孤立的，測試數(shù)據(jù)也缺少聯(lián)動使用的條件；實際測試過程中存在質(zhì)量控制難、測量不確定度較大等問題。

現(xiàn)有技術條件的發(fā)展，提供了解決以上問題的可能。通過物聯(lián)網(wǎng)及定位技術的使用，可以快速獲得作業(yè)場所的各種信息，為現(xiàn)場噪聲測試數(shù)據(jù)之間的時、空聯(lián)動使用創(chuàng)造了條件，同時還可以避免個人噪聲暴露測試過程中的諸多人為因素和不可預知誤差。

本文據(jù)此提出了基于勞動者軌跡的噪聲暴露測量方法，以噪聲作業(yè)人員全覆蓋為目標，實現(xiàn)全面、快速、準確的噪聲暴露測定。在本文測試方法中，依據(jù)作業(yè)場所調(diào)查，了解需要調(diào)查的噪聲作業(yè)特征，通過勞動者佩戴定位標簽的方式得到其實時運動軌跡，借助作業(yè)場所的聲場分布測量結(jié)果獲得勞動者的實時噪聲接觸量，經(jīng)統(tǒng)計、計算得到勞動者的噪聲暴露值?；玖鞒虨椋鹤鳂I(yè)現(xiàn)場調(diào)查→聲場分布測量→勞動者運動軌跡記錄→噪聲暴露值計算。

1.1 聲場分布測量

目前獲得作業(yè)場所聲場分布的技術主要有2種方式，一是根據(jù)噪聲源的源強，結(jié)合理論計算和仿真計算的方法獲得聲場分布，由于生產(chǎn)企業(yè)的絕大部分作業(yè)場所反射體、散射物及噪聲源之間相互影響大，是非常復雜的聲學環(huán)境，因此確定噪聲源源強和建立計算模型均存在困難，導致獲得的聲場分布不能反映現(xiàn)場實際情況；二是通過現(xiàn)場分布式測量的方法來獲得聲場分布，為獲得較精確的聲場分布，需在現(xiàn)場布置大量聲學傳感器，以此直接獲得聲場的分布，這種方式在作業(yè)場所面積較大的情況下操作性差，因此一般是對作業(yè)場所進行網(wǎng)格化，在每個網(wǎng)格依次進行測試，但其精確性較差。

針對現(xiàn)有技術的局限性，本研究開發(fā)了一種能夠連續(xù)對空間位置和噪聲進行測量的前端裝置，如圖1。該裝置既可與護聽器結(jié)合使用也可附著在安全帽或人員身體特定部位使用；與護聽器結(jié)合使用可作為個人噪聲暴露監(jiān)測設備，監(jiān)測的同時可對設備使用情況進行實時監(jiān)控；實際測量時，既可由專業(yè)測試人員佩戴進行遍歷式行走實現(xiàn)測量，也可由噪聲作業(yè)人員佩戴實現(xiàn)測量，空間位置信息和該位置的噪聲值通過無線傳輸?shù)姆绞綄崟r發(fā)送至上位機處理。

獲取整個區(qū)域內(nèi)各點位的噪聲值后，根據(jù)設定的網(wǎng)格尺寸，對同一網(wǎng)格點內(nèi)的數(shù)值進行能量平均獲得每個網(wǎng)格點的噪聲值；對于少數(shù)無法到達的點位，采用基于聲傳播規(guī)律的擬合算法獲得網(wǎng)格點噪聲值，從而獲得整個作業(yè)場所的聲場分布情況。此方法具有部署便捷、實時準確、分辨率高、更新快、結(jié)果可累加的特點，具備極高的工作效率和性能優(yōu)勢。網(wǎng)格點噪聲級按式(1)計算：

(1)

式中：

N—p網(wǎng)格共有N個采樣數(shù)據(jù)；

Lp，i—p網(wǎng)格的第i個采樣數(shù)據(jù)，dB(A)；

Lp—p網(wǎng)格點的噪聲級，dB(A)。

1.2 人員軌跡測試

本文應用場景限定為車間內(nèi)作業(yè)環(huán)境，因此人員軌跡測試采用室內(nèi)定位技術。從實現(xiàn)原理來說，室內(nèi)定位技術有鄰近檢測、接收信息強度指示(Received Signal Strength Indication， RSSI)、到達時間(Time of Arrival， TOA)、到達時間差(Time Difference of Arrival， TDOA)、到達角度(Angle of Arrival， AOA)等幾種實現(xiàn)方法，目前較為成熟的室內(nèi)無線信號傳輸技術有超寬帶技術(Ultra Wide Band， UWB)、Wi-Fi技術、藍牙技術、超聲波技術、紅外技術等，其中UWB是一種采用脈沖信號進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩叹嚯x通信技術，具有對信道衰減不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、傳輸速率高、保密性強等優(yōu)點，定位誤差可達到亞米級[10-11]，可滿足聲場分布測量的誤差要求，也是本文選擇采用的技術。

本研究開發(fā)了作業(yè)人員實時軌跡測試定位基站和標簽，定位標簽采用低功耗、低成本設計，可以實現(xiàn)大規(guī)模的并發(fā)測試，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設備，如圖2、3。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

定位的基本原理是根據(jù)作業(yè)人員與多個基站之間的距離來確定所在空間的位置，從實現(xiàn)步驟上包括測距和定位2個主要環(huán)節(jié)。基于時間的UWB測距采用TOA測距方法，當時間不同步時采用TDOA測距方法，為抑制多徑傳播和消除信號干擾，獲得準確的直達波傳播時間以計算距離，采用Kalman濾波保證測距數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。利用至少3個以上基站的TOA測量值進行定位計算，在二維平面中球形定位的基本原理(如圖4)，當然此方法也可以拓展到三維空間。

圖3 測試設備實物圖

圖4 TOA定位原理圖

如圖4所示，已知基站A、B、C的坐標分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，待確定的D點坐標為(x，y)，D點距3個參考節(jié)點的距離分別為R1、R2、R3，可建立下列方程：

(2)

式中：

c—信號傳播速度，m/s；

τj—第j個接收端測得的傳播時間值，s。

求解上列方程組成的方程組可確定目標節(jié)點的坐標(x，y)。

1.3 噪聲暴露計算

本文基于上述定位技術對人員運動軌跡進行追蹤，結(jié)合作業(yè)場所的聲場分布情況獲得人員運動軌跡上的接觸噪聲，實現(xiàn)噪聲暴露的測量。

作業(yè)場所的網(wǎng)格劃分應足夠小，以保證本方法測試結(jié)果足夠準確。對于設置有巡檢通道的情況，可只對巡檢通道設置網(wǎng)格接收點，以減小計算量。網(wǎng)格劃分，如圖5。圖5中m和n分別表示網(wǎng)格行與列的計數(shù)，S1、S2、S3表示典型聲源。

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

勞動者的運動軌跡信息為一連串空間坐標向量，每個網(wǎng)格點位對應一個噪聲值，可以理解為在一定的時間內(nèi)(本方法采用1s)勞動者位于此網(wǎng)格位置，暴露在該網(wǎng)格所處的噪聲環(huán)境中，根據(jù)網(wǎng)格噪聲值可以計算出該勞動者接受的累積噪聲暴露量，如圖6。

圖6 運動軌跡與網(wǎng)格關系示意圖

在本方法中，需要對該運動軌跡每個數(shù)據(jù)點所對應的網(wǎng)格進行檢索，并構(gòu)建一個針對該運動軌跡的分時噪聲值序列，通過能量疊加，便可以獲得該運動軌跡接觸的累積噪聲暴露量，按式(3)進行計算。

(3)

式中：

LAeq，k—第k個軌跡的A計權(quán)等效聲級，dB(A)；

Lp，k，mxnx—第k個軌跡的第x個軌跡點的噪聲值，dB(A)。Lp，k，mxnx由分時噪聲值序列提供。

在該勞動者運動軌跡信息為1日數(shù)據(jù)時，即采用單條綜合性軌跡表示當日的所有工作時間，可按式(4)計算8h等效聲級。

(4)

式中：

LEX，8h—日暴露聲級，dB(A)；

LAeq，Te—當日的軌跡總和對應的A計權(quán)等效聲級，dB(A)；

Te—1日工作總時長，h；

T0—參考持續(xù)時間，8h。

當該勞動者運動軌跡信息為多日數(shù)據(jù)時，可按式(5)計算40h等效聲級。

(5)

式中：

LEX，W—周暴露聲級，dB(A)；

(LEX，8h)d—第d日的暴露聲級，dB(A)。

2 不確定度分析

測量不確定度可參考標準方法進行評定和分析[12-13]，首先需要分析不確定度來源，進而評定標準不確定度、計算合成不確定度等。職業(yè)性噪聲暴露測量結(jié)果不確定度來源于誤差和工作情況的自然變化2方面，主要有：①一日內(nèi)工作的變化、工況及采樣的不確定度等；②儀器和校準；③傳聲器位置；④虛假的貢獻量，如風、氣流，或?qū)髀暺鞯呐鲎布皞髀暺髋c衣服摩擦；⑤缺少或不完全的工作分析；⑥非典型噪聲源、語音，音樂(收音機)，報警信號及非典型行為的貢獻量[7]。

GB/T 21230—2014《聲學職業(yè)噪聲暴露的測定工程法》提供了對作業(yè)噪聲級采樣(基于作業(yè)的測量)、作業(yè)持續(xù)時間估計(基于作業(yè)的測量)、工種噪聲級采樣(基于工種的測量)、儀器及傳聲器位置所引起的不確定度計算方法，但對④、⑤、⑥幾種誤差影響無法估計不確定度，使得目前測試過程的質(zhì)量控制存在缺陷。本文提出的測量方法與之相比，在工況變化影響、儀器和校準影響環(huán)節(jié)與GB/T 21230—2014中全天測量法一致，采樣不確定度中③、④、⑤、⑥等方面誤差控制優(yōu)于現(xiàn)有方法。

表1總結(jié)了GB/T 21230—2014《聲學職業(yè)噪聲暴露的測定工程法》中規(guī)定的3種不同測量方法和本文測量方法不確定度來源的分析，結(jié)果表明本文測量方法的測量不確定度小于其他測量方法。

表1 測量不確定度來源分析

合成標準不確定度u可由式(6)確定：

u2=∑cl2ul2

(6)

式中：

ul—影響因素l的標準不確定度；

cl—影響因素l相關的靈敏度系數(shù)。

其中，采樣不確定度ul用式(7)進行估算。

(7)

式中：

Lp，Aeq，T，m—第m次噪聲級采樣的A計權(quán)等效連續(xù)聲壓級，dB(A)；

M—采樣總數(shù)。

3 測試案例及分析

本研究選擇典型的噪聲作業(yè)場所驗證測量方法測試結(jié)果的準確性，該噪聲作業(yè)場所為包裝流水線，流水線上分布著難以準確統(tǒng)計的設備聲源，廠區(qū)現(xiàn)場情況及測試安裝，如圖7。

圖7 現(xiàn)場情況及測試裝置安裝

3.1 聲場分布測試

噪聲作業(yè)場所測試區(qū)域面積約500m2(19m×27m)，覆蓋了整個包裝流水線和作業(yè)人員活動區(qū)域，測試時生產(chǎn)線均處于正常工作狀態(tài)。

采用本研究開發(fā)的測量裝置以專業(yè)測試人員遍歷的方式完成了區(qū)域測試，為了探討網(wǎng)格尺寸選取的適宜性，按本文測量方法獲得了2m×2m(case1)、1m×1m(case2)、0.5m×0.5m(case3)3種不同網(wǎng)格的聲場分布，如圖8。網(wǎng)格尺寸與本測量方法的準確性有關，主要原因是每個網(wǎng)格都會覆蓋一定的不均勻聲場區(qū)域，網(wǎng)格尺寸較大時可能所覆蓋的聲場差異較大，產(chǎn)生采樣誤差，原則上網(wǎng)格尺寸不宜過大。但當網(wǎng)格尺寸過小時，容易導致網(wǎng)格內(nèi)難以獲取足夠的采樣數(shù)據(jù)，或?qū)е聹y量工作量變大，并且目前的定位精度在亞米級，故本文暫選擇0.5～2m范圍的網(wǎng)格尺寸進行評估分析。

圖8 作業(yè)場所聲場分布圖

3.2 測量方法對比

本文對以下3種測量方法進行對比分析：

(1)佩戴個人聲暴露計的測量方法(測試儀器采用經(jīng)校準的Casella dBadge2個人噪聲暴露計)，傳聲器位于接近肩部位置，測試結(jié)果標記為m1。

(2)佩戴本研究裝置的測量方法，傳聲器接近耳部位置，測試結(jié)果標記為m2。

(3)基于勞動者軌跡的測量方法，佩戴本研究裝置測試作業(yè)人員軌跡，根據(jù)聲場分布計算結(jié)果標記為m3。

為消除時間和空間誤差，待測試人員(2名測試人員：巡檢人員A和巡檢人員B)同時佩戴個人噪聲暴露計及本研究裝置進行同步測試；測量時長為巡檢人員的一個巡檢周期；基于勞動者軌跡的測量方法，采用1m×1m的網(wǎng)格分辨率。

3種測量方法獲得的實時測量結(jié)果表現(xiàn)出了基本一致的時間變化趨勢，如圖9。實時測量結(jié)果中，m2和m3數(shù)據(jù)更為接近，整體比m1大一些，主要原因應為佩戴個人聲暴露計的測量方法受到人體遮擋作用更大。另外在巡檢人員A的m1測試結(jié)果中，存在一些較為明顯的突發(fā)峰值，而m2和m3未捕捉到，說明可能存在干擾，如人員觸碰到個體暴露計的防風罩等不可預計的原因。

圖9 實時測量結(jié)果

一個巡檢周期時長3種測量方法的A計權(quán)等效聲級，見表2。結(jié)果表明：m2和m3數(shù)據(jù)較為接近，m1稍低于m2和m3；從數(shù)據(jù)離散性來看，m1的標準差SD大于m2和m3，m2的SD大于m3。此處SD表征的是勞動者接觸到的聲級波動大小。m3的SD最小，原因是采用了平均后的聲場分布，回溯的數(shù)據(jù)一定程度上表征了等效狀況。

表2 一個巡檢周期的接觸噪聲測試結(jié)果

為評估網(wǎng)格分辨率對m3的影響，對2m×2m(case1)、1m×1m(case2)、0.5m×0.5m(case3)網(wǎng)格進行回溯評估和對比分析，不同網(wǎng)格分辨率的測量結(jié)果，如圖10。

圖10 不同網(wǎng)格分辨率測量結(jié)果

不同網(wǎng)格分辨率的A計權(quán)等效聲級，見表3。結(jié)果表明：不同網(wǎng)格分辨率對一個巡檢周期的測試結(jié)果影響并不明顯。表3給出了m3與m2測試值之差的SD，不同網(wǎng)格分辨率情況下其離散性并不大，且數(shù)值比較接近，說明本方法在測試網(wǎng)格尺寸的選擇上有一定的選擇余地。

表3 不同網(wǎng)格分辨率的接觸噪聲測試結(jié)果

本研究僅對一次巡檢周期時間段內(nèi)的測試結(jié)果進行了對比分析，數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較好的趨同性，本文測量方法獲得的數(shù)據(jù)離散性更小。若進一步擴大數(shù)據(jù)采集量，采用一日或多日測試數(shù)據(jù)表達聲場分布和作業(yè)人員軌跡，獲得的測量結(jié)果將具備更高的準確性。

3.3 數(shù)據(jù)不確定性分析

根據(jù)前述分析，本測量方法用于長期測試時，測量不確定度主要來源于測試設備誤差和采樣的誤差，規(guī)避了聲學測量的偶然誤差。本測量方法采用1級或2級精度的采集儀，測試設備誤差導致的不確定度與現(xiàn)有測量方法一致。而采樣誤差來自時間抽樣和空間抽樣誤差，本方法中對應為網(wǎng)格值的時間采樣誤差及軌跡定位測試誤差等因素。

關于網(wǎng)格點的時間采樣因素影響，由于不同網(wǎng)格中獲得的噪聲采樣量不一致，故需要討論由于采樣量不同導致的數(shù)據(jù)不確定性，即可等效理解為采樣時間長度導致的不確定度，總結(jié)其變化規(guī)律。

隨機抽取一個網(wǎng)格內(nèi)采樣樣本分布情況，如圖11。該網(wǎng)格內(nèi)共采樣獲得186個A計權(quán)聲級樣本，數(shù)據(jù)采樣標準偏差為0.43。對更多的網(wǎng)格進行以上處理，共抽取52個網(wǎng)格，占總網(wǎng)格數(shù)量的1/10，其數(shù)據(jù)離散性與測試樣本量的關系，如圖12。

圖11 單個網(wǎng)格內(nèi)采樣樣本分布情況

圖12 數(shù)據(jù)離散性與測試樣本量的關系

從圖12中可見，除部分網(wǎng)格點的標準偏差超過了1，大部分網(wǎng)格點的標準偏差分布在0.4～0.6之間，聲場總體表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)的特征，且隨著測試樣本數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)離散性有降低的趨勢，這也表明增加每個網(wǎng)格內(nèi)的樣本數(shù)量，即增加總體采樣時間，有利于減小測試結(jié)果的不確定度，測試值將逐漸逼近真實值。從測試結(jié)果看，300個樣本量以上的網(wǎng)格結(jié)果相對穩(wěn)定，表明采用本測量方法時，保持每個網(wǎng)格測試總時長5min(對應300個數(shù)據(jù)樣本量)以上就將提供較為可靠的測試結(jié)果。

以下參考用蒙特卡洛法評定測量不確定度的方法[13]，采用模擬測試的方式分別對本文獲得的case1、case2、case3這3種分辨率網(wǎng)格聲場分布進行空間采樣不確定度評估。模擬測試采用實測的5min巡檢軌跡作為參考軌跡，對參考軌跡各個點位坐標加以隨機定位誤差(不確定度分別為0.2、0.5m)作為模擬測試獲得的軌跡，如圖13。通過回溯參考軌跡和模擬測試軌跡對應的噪聲測試值差別，進行測試數(shù)據(jù)的離散性分析，以實現(xiàn)對本案例的空間采樣不確定度的評估。參考軌跡坐標含300個數(shù)據(jù)，對應5min的巡檢行為，在此基礎上依次生成20組模擬巡檢軌跡，并進行等效聲級計算，分別比較20組模擬軌跡對應噪聲測量值差別，并評估測量不確定度。

圖13 參考軌跡與模擬測試軌跡

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，2m×2m網(wǎng)格和1m×1m網(wǎng)格對于巡檢作業(yè)的A計權(quán)等效聲級測試結(jié)果更為穩(wěn)定，兩者20組測試數(shù)據(jù)的標準偏差較低，若采用0.5m網(wǎng)格，測量結(jié)果的標準偏差略有增加。定位不確定度0.5m相對0.2m導致的測試數(shù)據(jù)偏差有所增加，但也較為有限，測試數(shù)據(jù)的標準偏差均不大。因此從本次測試數(shù)據(jù)看，在現(xiàn)有定位技術水平下，噪聲網(wǎng)格測試時采用1m×1m或2m×2m是較優(yōu)的選擇。本文目前采用均勻網(wǎng)格進行網(wǎng)格尺寸的初步分析評估，如果采用更有針對性的網(wǎng)格尺寸劃分方式，如在靠近聲源或人員活動密集區(qū)域適當加密網(wǎng)格，或根據(jù)聲場參數(shù)動態(tài)地劃分網(wǎng)格，相信將會獲得更可靠和更高效的測量結(jié)果。

表4 測試數(shù)據(jù)不確定度評估

以上分析了本測量方法在噪聲采樣過程中產(chǎn)生的測量不確定性，由于本測量方法在測試勞動者噪聲暴露時可以采用全員、全時間覆蓋結(jié)合間接測試的方式，故采樣的誤差主要來自于聲場分布測繪時的采樣誤差和定位軌跡測試誤差導致的噪聲回溯測試誤差。

通過案例研究分別估計了采樣時間長度(采樣數(shù)量)與定位位置誤差導致的不確定度。對于本案例穩(wěn)態(tài)聲場情況，采樣時間長度5min(300個樣本量)導致的誤差并不大，測試能夠保持可控的不確定度；定位誤差對于噪聲測試的影響極小，當定位精度為0.2m時，1m×1m或2m×2m網(wǎng)格分辨率下的標準偏差幾乎可以忽略。以上證明了本測量方法對于穩(wěn)態(tài)聲場的有效性，相對于目前標準方法具有優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于聲場分布和勞動者實時定位技術實現(xiàn)作業(yè)人員噪聲暴露測量的方法，開發(fā)了相應的測量裝置，通過案例驗證，證明了本測量方法的有效性和優(yōu)越性。

(1)本測量方法可以避免目前職業(yè)性噪聲暴露測試過程中存在的多項誤差來源，在降低測量不確定度方面相對目前的標準方法有明顯的優(yōu)越性。

(2)針對穩(wěn)態(tài)聲場情況，本測量方法提出了控制測量不確定度的原則和估算方法。針對非穩(wěn)態(tài)聲場情況，本測量方法不確定度的控制仍有待后續(xù)進一步研究。

(3)未來還需要對采樣過程中傳聲器的放置方式、采樣路線組織、非均勻網(wǎng)格處理等因素的影響進行深入研究，以進一步提高本測量方法的測量準確度。