劉巍巍, 丁子健, 林 強(qiáng)

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110870; 2. 沈陽(yáng)北瑞科技有限公司, 沈陽(yáng) 110027)

配電柜大多以非標(biāo)柜個(gè)性定制為主,其內(nèi)部設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)配電柜配套產(chǎn)品或應(yīng)用場(chǎng)景的不同而不同,裝配工藝區(qū)別較大,導(dǎo)致其自動(dòng)化裝配成本遠(yuǎn)高于人工裝配成本[1].配電柜裝配為上臂用力為主的輕體力手工裝配,體力消耗相對(duì)較低,對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求較高.操作者在信息的感知、理解、處理和預(yù)測(cè)等方面存在信息處理資源的消耗,加大了手工操作的復(fù)雜性及裝配者腦力負(fù)荷水平[2],因此,監(jiān)測(cè)并評(píng)估其腦力負(fù)荷,確定引起腦力負(fù)荷過(guò)高或上升過(guò)快的關(guān)鍵因素,可為非標(biāo)配電柜手工裝配作業(yè)的優(yōu)化提供理論依據(jù).

手工裝配作業(yè)者腦力負(fù)荷評(píng)估方法主要有等效評(píng)估和直接評(píng)估兩種.等效評(píng)估具有簡(jiǎn)單、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn),但因腦力負(fù)荷衡量尺度較難統(tǒng)一,而無(wú)法確定影響腦力負(fù)荷變化的具體因素.直接評(píng)估通過(guò)采集腦生理信號(hào)來(lái)評(píng)估腦力負(fù)荷.高龍龍[3]根據(jù)大腦的前額葉皮層與雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的響應(yīng)機(jī)理,使用近紅外光譜技術(shù)對(duì)不同腦力負(fù)荷水平的重復(fù)裝配任務(wù)進(jìn)行了相關(guān)研究.葛倩[4]采用樂(lè)高小汽車裝配模擬單元裝配線裝配作業(yè),采集裝配者腦電波(EEG),以此分析腦力負(fù)荷與績(jī)效的關(guān)系.直接評(píng)估法能夠根據(jù)生理指標(biāo)分析出影響腦力負(fù)荷變化的具體因素,但實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境未能反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作者生理信號(hào)受外在干擾因素的影響程度,與實(shí)際生理信號(hào)數(shù)據(jù)偏差較大.

本文于配電柜裝配現(xiàn)場(chǎng)采集了配電柜手工裝配人員裝配過(guò)程中的EEG信號(hào),分析不同頻率范圍內(nèi)EEG的變化情況,探究裝配過(guò)程中操作者的腦力負(fù)荷變化,以期預(yù)測(cè)裝配者精神疲勞狀態(tài),避免裝配錯(cuò)誤的發(fā)生.本文方法可為配電柜手工裝配作業(yè)提供指導(dǎo)方法.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與流程

EEG信號(hào)按照頻率可分為δ波(0.5～3.5 Hz)、θ波(4～8 Hz)、α波(8～12 Hz)、β波(13～30 Hz)和γ波(大于25 Hz)5種腦波[5].α波能量大小會(huì)隨著人體放松程度的增加而增加;當(dāng)執(zhí)行使人腦力勞動(dòng)增加的任務(wù)時(shí),α波會(huì)逐漸減少,同時(shí)與神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)的β波能量開始增加;θ波能量會(huì)隨著成人困意或疲倦感的增加而增加;而δ波一般會(huì)在成人處于麻醉、沉睡或缺氧狀態(tài)時(shí)出現(xiàn);γ波會(huì)在注意重點(diǎn)放在刺激源上時(shí)出現(xiàn),并且持續(xù)時(shí)間非常短[6].識(shí)別、分析與量化不同頻率范圍內(nèi)的EEG數(shù)據(jù)能夠精確反映被試人員警覺(jué)性、注意力和腦力負(fù)荷隨時(shí)間發(fā)生的變化規(guī)律,非常適合手工裝配人員腦力疲勞狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面的研究應(yīng)用.

基于此,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集電氣柜手工裝配人員在裝配過(guò)程中的EEG信號(hào),研究其不同頻率范圍的EEG信號(hào)能量變化規(guī)律以及對(duì)裝配人員的腦力負(fù)荷進(jìn)行定量評(píng)估.

1.1 被試人員與設(shè)備選擇

調(diào)查表明,個(gè)體差異和超過(guò)3年的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)配電柜裝配作業(yè)過(guò)程影響不大[7].因此,被試者為12位擁有4～5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的裝配人員,男性,平均年齡31.2歲,均為右利手,無(wú)臨床神經(jīng)系統(tǒng)疾病,視力或矯正視力正常,聽(tīng)力正常.所有被試人員要求實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)不飲酒、不吃藥物,精神情緒正常.所有被試人員均自愿報(bào)名參加且合作態(tài)度積極,在知曉實(shí)驗(yàn)安全無(wú)害并了解實(shí)驗(yàn)流程后,均簽署了《實(shí)驗(yàn)知情同意書》.

腦電采集設(shè)備采用便攜式Ant Neuro EEProbeTMEegosportsTM64非侵入性腦電儀12臺(tái),每臺(tái)腦電儀包括非侵入性eegosportsTM電極帽、eegosportsTM信號(hào)同步放大器、eegosportsTM背包、eegosportsTM超極本、eegosportsTM觸發(fā)適配器、BNC觸發(fā)適配器.

實(shí)驗(yàn)所用配電柜為BR公司12組大小相似但內(nèi)部結(jié)構(gòu)互不相同的GCS型抽屜式非標(biāo)配電柜.裝配過(guò)程中所需電氣元件、安裝輔材器具等均按需準(zhǔn)備齊全,分類放置于可移動(dòng)物料小車內(nèi).裝配現(xiàn)場(chǎng)的溫度、光照與噪聲等均保持適宜穩(wěn)定.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前,所有被試者進(jìn)行無(wú)任何化學(xué)洗護(hù)用品的頭部清潔,清潔后靜坐15 min進(jìn)行精神放松,同時(shí)對(duì)EEG電極帽進(jìn)行清洗與消毒.放松完畢后,所有被試者按照“國(guó)際10-20系統(tǒng)電極放置方式”佩戴EEG電極帽,并對(duì)每個(gè)電極依次打入適量醫(yī)用導(dǎo)電膏.

實(shí)驗(yàn)中,每位被試者采取抽簽的方式隨機(jī)抽選一臺(tái)配電柜進(jìn)行手工裝配,裝配工藝大致分為孔位測(cè)量并標(biāo)記、打孔等6項(xiàng),具體如圖1所示.在裝配任務(wù)進(jìn)行的同時(shí)同步對(duì)裝配者EEG信號(hào)進(jìn)行記錄,并且在每一個(gè)裝配單元架設(shè)攝像機(jī),全程記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,以方便后續(xù)對(duì)不同工序時(shí)間、行為等數(shù)據(jù)的分析.被試者裝配時(shí)盡可能減少眨眼、咀嚼、咬牙等無(wú)關(guān)行為.每步工序設(shè)定最晚完成時(shí)間與獎(jiǎng)勵(lì)完成時(shí)間,獎(jiǎng)勵(lì)完成時(shí)間內(nèi)完成給予被試者額外現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì),超過(guò)最晚完成時(shí)間則立即停止裝配并終止EEG的記錄.裝配完成后停止EEG采集,對(duì)配電柜進(jìn)行外觀布線打分、電氣元件安裝規(guī)范性檢測(cè)、線路通斷檢測(cè),具體檢測(cè)結(jié)果如表1所示.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程歷時(shí)4 h,其中裝配過(guò)程3.2 h,檢測(cè)過(guò)程0.8 h.

表1 檢測(cè)結(jié)果

圖1 配電柜裝配工藝圖

1.3 流程設(shè)計(jì)

12位被試者EEG采集完畢后,首先進(jìn)行EEG數(shù)據(jù)預(yù)處理,剔除原始數(shù)據(jù)中的偽跡干擾;其次通過(guò)時(shí)頻分析提取出EEG信號(hào)中所蘊(yùn)含的不同頻率范圍內(nèi)的EEG時(shí)頻信息;最后通過(guò)數(shù)據(jù)可視化的方式將EEG和腦力負(fù)荷變化規(guī)律同配電柜裝配檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析出腦力負(fù)荷變化因素與易出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤的腦力負(fù)荷閾值.研究具體流程如圖2所示.

圖2 研究流程圖

2 EEG信號(hào)采集及預(yù)處理

2.1 信號(hào)數(shù)據(jù)采集

由于第3、第5、第9三位被試者EEG信號(hào)存在偽跡過(guò)多、超出最晚完成時(shí)間等問(wèn)題,故將三者EEG刪除,剩余9位被試者EEG信號(hào)均為64電極通道,1 024 Hz采樣率,無(wú)壞段與壞電極,每個(gè)信號(hào)長(zhǎng)度在10 790～11 320 s之間.

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

EEG數(shù)據(jù)使用EEGLAB進(jìn)行預(yù)處理.首先,由于被試者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未額外佩戴外接眼電電極,因此刪除設(shè)備外接EOG眼電通道;其次,采用FIR濾波器進(jìn)行帶通濾波處理,截取并保留頻率范圍為0.3～40 Hz的EEG信號(hào);最后,以全腦63個(gè)電極平均作為參考電極后,對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立成分分析(ICA),進(jìn)一步剔除掉眼電、肌電等偽跡干擾成分.ICA分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 ICA結(jié)果地形圖

3 基于小波包分解的時(shí)頻分析

3.1 方法選取

小波分析作為傅里葉分析的發(fā)展與延拓,小波變換在時(shí)間與頻率兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力,通過(guò)小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析,能夠有效地從信號(hào)中提取信息[8].小波包分解作為離散小波變換的進(jìn)一步優(yōu)化,能夠彌補(bǔ)小波變換只對(duì)低頻信號(hào)分解,不再對(duì)高頻信號(hào)分解的缺點(diǎn),并且小波包分解能根據(jù)信號(hào)特性和分析要求自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶,從而與信號(hào)頻譜相匹配,是一種比小波分解更為精細(xì)的分解方法,是EEG時(shí)頻分析的最佳方法之一[9].因此本文擬采用小波包分解對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析.

3.2 小波包分解與重構(gòu)

3.2.1 小波包分解

(1)

(2)

由于EEG信號(hào)采樣率為1 024 Hz,因此對(duì)其進(jìn)行7層小波包分解,其中,小波函數(shù)采用多貝西小波,消失矩為10,采用的熵為香濃熵,分解后得到128個(gè)小波包子帶,每個(gè)小波包子帶對(duì)應(yīng)的頻率范圍如表2所示.小波包分解示意圖如圖4所示.

表2 小波包分解最底層頻帶劃分

圖4 小波包分解樹示意圖

小波包變換中的每一層信號(hào)都被分解成低頻和高頻部分[10].7層小波包分解之后的EEG信號(hào)S可以表示為S=S(7,0)+S(7,1)+S(7,2)+S(7,3)+S(7,4)+S(7,5)+S(7,6)+S(7,7)+S(7,8)+S(7,9).

5種EEG波段分別對(duì)應(yīng)的小波包系數(shù)為δ波=S(7,0);θ波=S(7,1);α波=S(7,2);β波=S(7,3)+S(7,4)+S(7,5)+S(7,6);γ波=S(7,7)+S(7,8)+S(7,9).

3.2.2 小波包重構(gòu)

EEG信號(hào)的子帶范圍會(huì)在小波包分解的過(guò)程中發(fā)生一次顛倒,分解后的各EEG小波包子帶中會(huì)夾雜少量在該頻率范圍之外的高頻信號(hào).因此,本文選擇小波包子帶節(jié)點(diǎn)S(7,0)～S(7,6)進(jìn)行小波包重構(gòu),重構(gòu)并按照不同波段合并子帶后的EEG信號(hào)如圖5所示.

圖5 重構(gòu)后的EEG各節(jié)律波

3.3 時(shí)頻分析

繪制重構(gòu)后的EEG小波包子帶時(shí)間頻率圖與能量占比圖,分別如圖6～7所示.圖6中顏色沒(méi)有意義,深淺程度代表相應(yīng)波段能量的大小.

圖6 時(shí)間頻率圖

圖7橫坐標(biāo)數(shù)字從左至右依次為S(7,0)～S(7,9).由圖7可以看出,θ波、α波、β波能量分別約占總能量的12%、20%、67%,δ波與γ波能量總和占比小于1%.

圖7 各頻率段能量占比圖

4 腦力負(fù)荷模型建立

綜合圖6～7,每一位被試者EEG信號(hào)均包含大量θ波、α波與β波,且能量大小隨時(shí)間的變化而變化.此外,配電柜裝配者未達(dá)麻醉、沉睡、缺氧等特殊狀態(tài)且裝配過(guò)程未有額外刺激源,因此忽略δ波與γ波.目前研究表明,當(dāng)腦力疲勞程度加深吋,大腦皮層受到抑制,EEG快波含量增加,慢波含量減少[11].因此,本文提出將快波θ波與β波的能量之和與慢波α波能量的比值作為評(píng)估腦力負(fù)荷指標(biāo)模型,其表達(dá)式為

(3)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先,運(yùn)用Fieldtrip工具,將9位被試者EEG信號(hào)分別以10 s為間隔提取θ波、α波、β波能量大小.其次,繪制每一位被試者EEG各波段能量隨時(shí)間變化曲線圖.接著,將9位被試者EEG能量變化曲線以多項(xiàng)式擬合和的形式擬合出一條變化曲線.三條擬合曲線顯著性水平均小于0.05,R2(COD)分別為0.86、0.89、0.90,說(shuō)明擬合較為優(yōu)越.利用三條擬合曲線構(gòu)建并繪制腦力負(fù)荷變化曲線,具體如圖8所示.最后,根據(jù)腦力負(fù)荷曲線變化趨勢(shì),將腦力負(fù)荷曲線分成五個(gè)階段,同時(shí)對(duì)應(yīng)腦力負(fù)荷分段將EEG各波段變化曲線分成相同的五段.EEG各波段能量變化曲線如圖8所示,腦力負(fù)荷變化曲線如圖9所示.

圖8 EEG各波段能量變化曲線

圖9 腦力負(fù)荷變化曲線圖

5.2 結(jié)果分析

5階段EEG各波段曲線與腦力負(fù)荷曲線的具體分析如下.

5.2.1 第1階段

第1階段對(duì)應(yīng)裝配工藝為孔位測(cè)量標(biāo)記與打孔前200 s.首先,在配電柜手工裝配剛開始,即0時(shí)刻時(shí),裝配者M(jìn)WL值約為0.1,并且腦內(nèi)含有0.49 V的α波、0.05 V的θ波和接近0 V的β波.可知15 min靜坐在實(shí)驗(yàn)前非常有效地放松了裝配者精神狀態(tài),此時(shí)少量θ波是由于裝配者輕微的困意而非疲勞所導(dǎo)致.

其次,在裝配者開始裝配后,MWL在前500 s由0.1上升至0.6,隨后緩慢下降至0.5,并保持相對(duì)平穩(wěn).θ波能量在前900 s內(nèi)緩慢降低至接近0 V保持至1 200 s后,開始上升;α波能量在約500 s時(shí)下降至約0.45 V,之后保持相對(duì)平穩(wěn);β波能量在700 s左右迅速上升至0.25 V,在710～1 430 s下降至0.20 V.

由上述數(shù)據(jù)變化可知,第1階段裝配者精神疲勞程度較低,MWL穩(wěn)定保持低水平.該階段前半段裝配者精神放松程度由較高水平開始降低,腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度開始增加;后半段裝配者依舊穩(wěn)定保持放松的精神狀態(tài),腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度有所減少.

5.2.2 第2階段

第2階段對(duì)應(yīng)裝配工藝為打孔、元件安裝、布線和接線前500 s.MWL由0.5上升至1.75,MWL曲線上升斜率為3.5;θ波在打孔和元件安裝過(guò)程中由0.02 V上升至0.1 V,在布線和接線過(guò)程中緩慢上升至0.125 V;α波則在整個(gè)階段由0.48 V大幅下降至0.32 V;β波在打孔過(guò)程中緩慢上升至0.21 V,在元件安裝、布線、接線過(guò)程中大幅上升至0.446 V.

由上述數(shù)據(jù)變化可知,第2階段裝配者精神疲勞程度開始變大,MWL開始大幅上升.精神放松程度在整個(gè)階段內(nèi)均大幅下降,腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度在元件安裝、布線、接線三個(gè)過(guò)程中開始大幅提升,在打孔和元件安裝過(guò)程中累計(jì)作業(yè)疲勞開始增加.根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果,有5位被試者在此階段元件安裝不正確,表明發(fā)生裝配錯(cuò)誤的幾率在41.7%,故需注意裝配者腦力負(fù)荷的變化,采取相應(yīng)預(yù)防措施.

5.2.3 第3階段

第3階段對(duì)應(yīng)裝配工藝為接線,主要為主回路接線過(guò)程.腦力負(fù)荷由1.75上升至2.7,MWL曲線上升斜率為0.19;θ波在整個(gè)階段由0.125 V大幅上升至0.25 V;α波在整個(gè)階段保持相對(duì)平穩(wěn);β波由0.48 V小幅上升至0.52 V.

由上述數(shù)據(jù)變化可知,第3階段裝配者精神疲勞程度變化不大,MWL上升幅度較小.精神放松程度與腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度均保持穩(wěn)定,累積作業(yè)疲勞持續(xù)大幅增加.同時(shí)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示,在此階段未有接線錯(cuò)誤的現(xiàn)象出現(xiàn).

5.2.4 第4階段

第4階段對(duì)應(yīng)裝配工藝為接線,主要為主回路、輔助回路接線.MWL在整個(gè)階段由2.7上升至5,MWL曲線上升斜率為0.42;θ波在整個(gè)階段由0.25 V持續(xù)上升至0.38 V;α波由0.28 V下降至0.24 V;β波由0.52 V上升至0.69 V.

由上述數(shù)據(jù)變化可知,第4階段裝配者精神疲勞程度開始大幅增加,MWL在較高水平的基礎(chǔ)上仍上升較快,精神放松程度以一定程度小幅下降,腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度在高水平基礎(chǔ)上持續(xù)大幅上升,累積作業(yè)疲勞持續(xù)大幅增加.同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果,有5位被試者在此階段出現(xiàn)共計(jì)5條線路接線錯(cuò)誤,表明應(yīng)在第4階段對(duì)裝配者高水平且持續(xù)上升的腦力負(fù)荷密切關(guān)注,并采取相應(yīng)的預(yù)防措施.

5.2.5 第5階段

第5階段對(duì)應(yīng)裝配工藝為接線,主要為輔助回路接線與線纜固定.MWL在整個(gè)階段由5上升至7.8,MWL曲線上升斜率為1.04;θ波在整個(gè)階段由0.38 V持續(xù)上升至0.475 V;α波由0.24 V下降至0.16 V;β波由0.69 V小幅上升至0.73 V.

由上述數(shù)據(jù)變化可知,第5階段裝配者精神疲勞程度持續(xù)大幅增加,腦力負(fù)荷在高水平基礎(chǔ)上仍繼續(xù)大幅上升,身心放松程度在較低水平上持續(xù)下降,腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度在高水平基礎(chǔ)上進(jìn)一步持續(xù)上升,累積作業(yè)疲勞持續(xù)大幅增加.同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果,在此階段有7位被試者出現(xiàn)共計(jì)11條線路接線錯(cuò)誤,表明在第5階段應(yīng)密切關(guān)注裝配者高水平且持續(xù)上升的腦力負(fù)荷,并采取相應(yīng)預(yù)防措施.

6 結(jié) 論

本文通過(guò)分析得出以下結(jié)論:

1) 本文通過(guò)采集非標(biāo)配電柜裝配現(xiàn)場(chǎng)操作者EEG信號(hào),利用小波包分解提取其中的θ波、α波和β波,根據(jù)EEG信號(hào)各波段的擬合曲線建立出腦力負(fù)荷模型;通過(guò)腦力負(fù)荷變化曲線判斷腦力負(fù)荷閾值和腦力負(fù)荷指數(shù)的閾值.為非標(biāo)配電柜手工裝配信號(hào)采集與腦力負(fù)荷分析方法提供了理論支持.

2) 本文根據(jù)腦力負(fù)荷變化曲線,劃分腦力負(fù)荷的不同變化階段,對(duì)照實(shí)際裝配檢測(cè)結(jié)果,確定易出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤的階段;通過(guò)對(duì)應(yīng)階段的EEG分析,明確了影響腦力負(fù)荷指數(shù)變化的關(guān)鍵性因素.本文研究結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果相一致,驗(yàn)證了該方法的有效性,可進(jìn)一步應(yīng)用到輕體力手工裝配作業(yè)優(yōu)化的實(shí)踐指導(dǎo)中.

3) 本文只采用EEG為腦力負(fù)荷評(píng)估依據(jù),后續(xù)采用腦磁圖(MEG)、近紅外光譜(fNIRS)等多項(xiàng)腦神經(jīng)生理信號(hào)評(píng)估腦力負(fù)荷.