CN110584682A - 基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置，包括：压力感应板设置在地面上，用于检测压力值；多条路径包括危险路径，在危险路径上设置黑白相间条格贴纸以将危险路径划分为多个区域；多个信号指示灯分别设置在多个区域的边缘；多个激光传感器，设置在危险路径一侧，用于检测测试者的踩踏位置；生理信号检测装置，用于将检测到的测试者的生理信号发送至移动终端；移动终端，用于对生理信号进行记录并分析，根据生理信号分析结果和测试者搬运重物过程中的踩踏位置结果分析测试者的疲劳状态与不安全行为的关系。该装置合理模拟施工现场人工搬运，测量工人的不安全行为数据和生理信号，易操作实施。

Description

基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置

技术领域

本发明涉及建筑施工安全技术领域，特别涉及一种基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置。

背景技术

建筑业是推动我国国民经济发展和社会进度的支柱产业之一，但同时建筑业也是安全事故高发行业，安全问题也日趋严重。自2012年起，我国建筑业由安全事故引起的人员死亡人数已经超过煤矿行业，建筑业成为我国所有工业生产领域中最危险的行业。

在建筑施工现场，工人的不安全行为普遍存在。影响工人不安全行为的因素很多，根据来源可以分为内部因素和外部因素两大类。内部因素主要指个体自身的因素，可以分为生理因素、心理因素、安全意识、安全能力等方面，而外部可以分为环境因素和组织管理因素。这些因素都是通过对于人的生理或心理状态的短期影响或长期影响，进而影响工人的不安全行为。

疲劳是和工人的生理和心理状态直接相关的因素之一。建筑工人的作业具有劳动时间长、工作强度大、体力负荷高等特点，其体力消耗较大。从广义上来说，根据引起疲劳的原因不同，疲劳可以划分为普通疲劳和病理疲劳。普通疲劳可以分为生理疲劳和心理疲劳。生理疲劳和心理疲劳产生的原因不同，但都会影响工人的作业效率和工作表现，引起人体生理指标的改变。

人工搬运是施工现场非常普遍的工作任务，此类工作多发生于运输机械无法覆盖的区域，施工现场的大部分工种都会涉及人工搬运作业。由于搬运物体的重量和搬运姿势的原因，人工搬运容易引发工人的生理疲劳，与施工现场的安全事故联系密切。

许多行业都有研究者尝试测定工人疲劳程度的方法，传统的主观量表方法较为简便，但不可避免存在一定的主观性偏差，且在实际应用中并不方便，特别是无法频繁地应用主观评价方法对现场作业的工人进行评估，因此尝试使用生理指标进行疲劳评估成为了当前学者研究的趋势。由于疲劳涉及生理、心理、环境、行为等多个维度的因素，在不同行业、不同情境下，量化评价疲劳程度的方法也有所不同，因此这成为各个领域的学者都面临的问题。目前在建筑施工领域尚未形成一个统一有效的基于生理指标的疲劳评价方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置，该装置合理模拟施工现场人工搬运，测量工人的不安全行为数据和生理信号，易操作实施。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置，包括：

压力感应板、多条路径、多个信号指示灯、多个激光传感器、生理信号检测装置、移动终端；

所述压力感应板设置在地面上，用于检测压力值，根据所述压力值判断重物的拿起和放下；

所述多条路径包括危险路径，在所述危险路径上设置黑白相间条格贴纸以将所述危险路径划分为多个区域；

所述多个信号指示灯分别设置在所述多个区域的边缘，用于通过所述多个指示灯的开关状态指示所述多个区域的通行状态；

所述多个激光传感器，设置在所述危险路径一侧，用于检测测试者的踩踏位置；

所述生理信号检测装置，用于检测测试者的生理信号，所述测试者在所述压力感应板上搬起重物，通过所述多条路径后送回至所述压力感应板，将检测到的所述生理信号发送至所述移动终端；

移动终端，用于对所述生理信号进行记录并分析，根据生理信号分析结果和测试者搬运重物过程中的踩踏位置结果分析所述测试者的疲劳状态与不安全行为的关系。

本发明实施例的基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置，通过以生理指标为基础，结合施工现场人工搬运作业特点，设计能够合理模拟施工现场人工搬运，测量工人的不安全行为数据和生理信号的装置，此装置可以有效测量基于生理指标的疲劳评价，并探究生理指标的变化与两种类型疲劳的关系。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置示意图；

图2为根据本发明一个实施例的已有的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置路线示意图；

图3为根据本发明一个实施例的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置路线示意图；

图4为根据本发明一个实施例的危险区域类型示意图；

图5为根据本发明一个实施例的搬运任务完成示意图；

图6为根据本发明一个实施例的实验装置构件连接图；

图7为根据本发明一个实施例的实验装置控制程序主界面示意图；

图8为根据本发明一个实施例的心理疲劳引发实验平台主界面示意图；

图9为根据本发明一个实施例的预实验第二阶段生理疲劳引发实验搬运路线示意图；

图10为根据本发明一个实施例的Bioharness胸带在测试者搬运过程中测得的心电图示意图；

图11为根据本发明一个实施例的NirSmart成像仪在测试者搬运过程中测得的数据示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置。

如图1所示，该基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置包括：压力感应板、多条路径、多个信号指示灯、多个激光传感器、生理信号检测装置、移动终端。

压力感应板设置在地面上，用于检测压力值，根据压力值判断重物的拿起和放下。

多条路径包括危险路径，在危险路径上设置黑白相间条格贴纸以将危险路径划分为多个区域。

在本发明的实施例中，包括两条危险路径。

多个信号指示灯分别设置在多个区域的边缘，用于通过多个指示灯的开关状态指示多个区域的通行状态。

具体地，指示灯开启表示指示灯对应的区域为危险区域，禁止踩踏，测试者在通过时跨越危险区域；

指示灯关闭表示指示灯对应的区域为安全区域，允许踩踏。

多个激光传感器，设置在危险路径一侧，用于检测测试者的踩踏位置。

进一步地，可以通过多个信号指示灯的开关顺序控制测试者通过危险路径的难易程度；还可以通过改变多个信号指示灯的数量控制测试者通过危险路径的难易程度。

生理信号检测装置，用于检测测试者的生理信号，测试者在压力感应板上搬起重物，通过多条路径后送回至压力感应板，将检测到的生理信号发送至移动终端。

移动终端，用于对生理信号进行记录并分析，根据生理信号分析结果和测试者搬运重物过程中的踩踏位置结果分析测试者的疲劳状态与不安全行为的关系。

进一步地，在本发明的实施例中，还包括：红外光栅传感器；

红外光栅传感器设置于多条路径的入口处和\或出口处，用于检测测试者是否通过。

进一步地，在本发明的实施例中，木板障碍物；

木板障碍物设置于危险路径入口处和\或出口处，用于模拟真实环境。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：心理疲劳引发装置；

心理疲劳引发装置用于在测试者进行搬运重物之前引发测试者心理疲劳，以模拟真实环境。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多条路径还包括：安全路径；

测试者通过多条路径搬运重物时，在危险路径和安全路径之间进行选择，其中，测试者通过安全路径搬运重物的搬运距离大于通过危险路径搬运重物的搬运距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：控制平台；控制平台用于显示测试者的位置和多个信号指示灯的信号类型，还用于设置测试者的搬运任务。

下面通过实验对本发明的装置进行详细说明。

在研究建筑工人疲劳和不安全行为的已有研究中，具有一定的局限性，具体为：

(1)疲劳的测量存在主观量表偏差。在实验中对于测试者疲劳的评价完全采用主观评价量表，这可能会导致测试者对自身疲劳状态进行评价时存在主观偏差。虽然疲劳是一种主观感受，但是纯粹的主观评价不可避免会受到评定者主观判断偏差的影响，采用主观量表的疲劳数据进行量化分析不够精确。

(2)未考虑心理疲劳对于搬运任务完成情况的影响。测试者持续进行搬运任务容易引发生理疲劳，但不易引发心理疲劳。该实验无法引起测试者显著的心理疲劳。而在实际工作中，由于各种因素，工人是有可能出现心理疲劳的。

(3)未考虑测试者疲劳后对风险倾向性的变化。在实验方案仅一条搬运路径，工人及时在疲劳后也没有其他选择，必须要克服疲劳状态造成的不利影响去识别和跨越“危险”区域，然而在施工现场由于场景的复杂性，工人往往会面临不同的选择，可能会在疲劳前后对于风险的倾向性发生变化，而导致疲劳前后的选择不同。

(4)对测试者的疲劳测量非持续性。在实验实施过程中，测试者的疲劳状态是通过主观评价量表实现的，这导致了疲劳的测量是阶段性而非持续性的，疲劳测量的间隔过长会导致无法及时捕捉工人疲劳状态的变化，测量的间隔过短则会对测试者的实验过程造成干扰。

(5)疲劳测量方法不宜推广到实际应用。实验采用主观量表对测试者测量测试者的疲劳程度，然而在施工现场频繁要求工人填写主观疲劳量表不现实，导致无法应用于现场工人的疲劳监测。

针对上述已有的实验的局限性，对上述局限进行改进，主要为：

(1)进行持续的生理测量。引入生理信号，在实验过程中对测试者进行持续的生理信号测量，通过测试者生理指标的变化反应其疲劳状态的变化。通过对测试者生理指标与搬运任务完成情况的关系进行分析，避免量表评价带来的主观性偏差。同时，生理信号的测量是持续性的，可以在实验全程监测测试者疲劳状态的改变，避免主观量表评价对实验过程的中断。同时，该方法具有在施工现场推广应用的可能性，未来可以采用适当的便携式测量设备，在不影响工人作业的前提下进行生理信号测量，或者把生理信号测量功能集成到安全帽、安全带等设备上。

在本发明的实施例中，通过生理信号测量装置来实现测试者生理信号的实时检测。

(2)心理疲劳与生理疲劳融合。增加心理疲劳引发实验，在测试者进行人工搬运任务前让其进行心理疲劳引发实验，对比其在心理疲劳前后在实验中的表现，研究心理疲劳对于测试者在人工搬运任务中的表现有何影响。

在本发明的实施例中，通过心理疲劳引发装置引发测试者的心理疲劳。

(3)更真实的模拟真实环境。增加搬运路线的选择。在实验中增加一条“安全”路径，测试者可以自由选择走“安全”路径或者有“危险”区域的路径，在此基础上可以研究测试者在疲劳前后对于风险的倾向性是否发生变化。

增加铺于地面的木板障碍物，需要测试者抬脚跨过。增设需要跨越的障碍物原因在于，工现场地面经常出现障碍物或者高低差，需要频繁抬脚，腿部会有乏力感，但实验场景的地面非常平整。因此增加需要跨越的障碍物来更好地模拟施工现场环境引发的疲劳。

(4)增加危险类型。增加4种新的“危险”区域的类型，对应的将2类错误类型扩展至6类完成情形。

如图2所示，设置有两个检测重物的压力板，在一次搬运任务中测试者需要把重物从一个压力板搬起，经过“危险”区域搬运至另一个压力板处。整个搬运任务通道的长度为10m，宽度为1m，搬运重物的重量为15kg。搬运路径上设置有1.6m长的危险区域，“危险”区域由4个0.4m×1m的条格，每个条格边均设置有一个信号指示灯，信号指示灯的亮灯时间分为长短两种，“长亮”表示该区域“危险”，不可踩踏，“短亮”表示该区域“安全”，可以踩踏。“危险”区域出现的形式有两种：a.A-C长亮，B-D短亮；b.B-D长亮，A-C短亮。各个参数的设置均经过了缜密的考虑，结合施工现场实际搬运情况和人体搬运步伐。

实验采用激光发射和感应器来检测测试者的脚步踩在的区域，从而判断测试者是否成功完成了一次搬运任务。根据测试者失误方式的不同，将测试者的失误分为两种类型：

(1)“失误Ⅰ”指对信号指示灯识别错误，误把“危险”区域识别为“安全”区域；

(2)“失误Ⅱ”指对于对自身脚步落点的控制失误，即虽然成功识别出“危险”区域，但是脚步的落点踩到了“危险”区域的边缘。

在实验过程中，疲劳评价量表对测试者进行疲劳评价，获取测试者的生理疲劳信息，进而分析测试者生理疲劳与安全绩效的关系。

如图3所示，在图2的基础上，增加一个“危险”区域和一条可选择的“安全”路径，选择走“安全”路径需要搬运更远的距离。增加一个新的“危险”区域是防止有测试者永远选择绕远，走“安全”路径规避风险，使得无法分析其在疲劳状态下的表现情况。测试者需要在重物放置点拿起重物出发，搬运重物先经过“危险区域①”，然后选择经过“危险区域②”或者“安全”路径，到达重物放置点并放下重物，完成一次搬运。测试者选择穿过两个“危险”区域的理论搬运距离为11m，选择穿过“危险区域①”和“安全”路径的理论搬运为(11+2X)m，由于测试者实际不会完全沿道路中心线走，一般会选择道路内侧走更短的路线，因此两条路径的实际搬运距离约为10m和(10+2X)m。其中X的距离将会在预实验中确定合适的数值。

在改进后的实验路线中，两个“危险”区域信号指示灯的识别难度不同。“危险区域①”由于是必经区域，其信号识别难度不宜过高，否则实验结果比较容易受到其他因素的干扰，例如测试者学习能力的强弱可能会导致实验结果样本方差较大且容易存在练习偏差。“危险区域①”的信号识别难度也不宜过低，导致实验结果对疲劳的敏感度过低，实验结果差异过小。因此，该区域的信号难度应在适中偏低。“危险区域②”是可以被“安全”路径绕过的区域，其难度可适当高于“危险区域①”，过低的难度可能导致测试者很少选择绕路走“安全”路径，但难度过高则可能导致测试者过多选择“安全”路径。因此，“危险区域②”的信号难度应在适中偏高。

改进后的实验任务中，“危险”区域的类型扩充为6种，分别是：a.A-C长亮，B-D短亮；b.B-D长亮，A-C短亮；c.A-D长亮，B-C短亮；d.B-C长亮，A-D短亮；e.A-C-D长亮，B短亮；f.A-B-D长亮，C短亮。6种“危险”区域类型如图4所示。新增4种“危险”区域类型主要原因是增加提升信号识别难度的途径。在原来的实验中，由于信号指示灯只有两种信号类型，测试者只需观察相邻两个灯即可判断出信号类型，难度较低；而信号指示灯的识别难度仅通过“长亮”和“短亮”的时间间隔控制的，难度控制手段单一且不易调整。“危险”区域的类型扩展后，测试者需要观察全部四个信号指示灯才能正确判断出信号类型。对于识别难度的调整，除通过灯亮时间间隔外，还可以通过改变信号类型数量的方式实现。除信号识别难度增加外，新增加的“危险”区域类型还包括需要测试者一次性跨越两个条格的类型，可以提升跨越“危险”区域的脚步落点控制难度。这些新增的调节难度方式可以满足对“危险区域②”难度调整的需求。

如图5所示，新增“安全”路径和4种“危险”区域后，测试者在完成一次搬运任务后，完成类型也扩展为6种情况，如表1所示，表1为6种搬运任务完成类型的定义。对完成类型的关注点仍然集中在感知能力(对于信号指示灯的识别)和运动控制能力(对于脚步落点的控制)两个方面，定义6种完成类型是为了方便后期进行细致的分析。此处需要说明的是，TypeⅥ仍被认为测试者对于信号识别不精确的一种类型，因为实验中要求测试者要踩中每一个代表“安全”的条格，这么做一方面是为了更准确地获取测试者识别信号的情况，防止测试者为了减少踩中“危险”条格的可能性而故意只踩其认为“安全”的一个条格区域，另一方面也符合“安全”的要求，即只踩一个“安全”的条格区域必然会导致跨越两个连续的条格，跨越长度本身超过了人正常的步幅范围，不是一种“安全”的做法，跨越两个连续的条格是增加难度的途径。

表1

进一步地，如图6所示，本实验的装置分为硬件和软件两部分。

结合图1和图6所示，硬件部分包含计算机(移动终端)、压力感应板、木板障碍物及两套指示和检测“危险”区域的设备，每套设备里包含4个信号指示灯、9组激光感应组件(激光传感器)、2组红外感应光栅(红外感应光栅传感器)和黑白相间条格的背景贴纸。木板和其下方的压力感应器组成了压力感应板，放置于地面上，用于检测重物的拿起和放下。4个0.4m×1m的条格用铺在地面上的黑白相间的贴纸进行标定，信号指示灯放置于条格短边的一侧，激光感应组件成对沿条格的长边边缘线和短边中心连线放置，尽量贴近地面。红外感应光栅位于“危险”区域两侧1.25m处，在“危险区域①”的出口光栅和“危险区域②”的入口光栅地面处还设置有需要跨越的木板障碍物。

软件部分是对于硬件设备的控制程序，程序基于Matlab平台开发，程序主界面参照原实验程序界面，并根据改进后的实验需求进行了调整。主界面如图7所示。

主界面各部分的介绍如下。

(1)串口设置：用于软件与硬件的连接和状态检查，点击“扫描”后软件进行连接硬件的扫描，然后可在下拉菜单中选择两个“危险”区域对应硬件的串口，选择“on”后若指示灯显示绿色，则串口连接正常。

(2)压力器状态：“当前值”显示压力传感器所受压力的当前值，“阈值”表示判断重物放下和拿起对应的压力传感器检测值，可根据重物重量自行设置。

(3)实验设置：可分别设置每个“危险”区域信号指示灯的信号类型及每种类型出现的比例，还可以设置每个“危险”区域信号指示灯“长亮”和“短亮”的时间。

(4)传感器状态：显示两个“危险”区域每一个传感器的状态，指示灯绿色表示对应的传感器正常工作，中间没有出现障碍物，指示灯红色表示传感器未对准或者中间出现障碍物阻挡。

(5)操作面板：“当前状态”可显示测试者的位置以及当前实验信号指示灯的信号类型，“总次数”可以设置本次实验共需要进行多少次搬运任务，“当前次数”表示当前是搬运任务的第几次，同时还可以进行开始/停止、重置本次搬运任务、重置所有搬运任务、导出实验结果等操作。

作为引发心理疲劳的一种方式，开发了对应的实验平台。实验平台可在网页浏览器直接打开，主界面如图8所示。

主界面主要包括欢迎语、实验介绍文字、测试者名称输入框、倒计时、随机的加法题目、答案输入框和控制按钮。测试者在实验过程中只需通过数字区小键盘即可输入答案，按回车键(ENTER)提交，无需点击鼠标。倒计时结束后，系统会自动提交答案输入框内的答案。答案提交后，将自动生成下一个题目。底色图案设计是为引发疲劳选取。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过预实验对本装置的有效性和合理性进行检验，主要包括以下几点：

(1)确定两个“危险区域”的合理难度(信号类型复杂程度和信号指示灯亮灯时间间隔)；

(2)确定“安全”路径相对于“危险”路径的绕远距离；

(3)检验心理疲劳引发实验的有效性；

(4)对比不同生理信号测量设备的实际测量效果，选择最合适的设备；

(5)确定测量生理信号中哪些指标与测试者被引发的疲劳(包括生理疲劳和心理疲劳)有相关性，作为后续实验的测量指标；

(6)根据实验效果和测试者反馈完善其他细节。

下面详细介绍预实验的方法流程。

由于预实验涉及内容较多，预实验将分两个阶段进行。预实验第一阶段的实验对象选择在校的10名大学生。预实验前要求测试者无酗酒，未服用任何刺激性药物，且都得到了充分的休息，身体和精神状态良好。

预实验第一阶段，主要确定“危险”区域的合理难度，即两个“危险”区域信号指示灯的设置问题。“危险区域”的难度体现在两个方面，一是信号的识别难度，二是脚步落点的控制难度。信号的识别难度将通过信号指示灯的信号种类和亮灯时长间隔调整，脚步落点的控制难度主要通过跨越“危险”条格的宽度调整。

预实验第一阶段每名测试者需要完成4组搬运任务，每组任务需要搬运25次。搬运任务为无重物搬运，即测试者不需要搬运重物，只需识别指示灯的信号并避开“危险”条格，踩中“安全”条格即可。测试者必须跨越两个“危险”区域，没有“安全”路径的选项。每组任务完成后测试者可休息1分钟。实验开始前每名测试者先进行20次的任务练习，以熟悉实验流程，减少练习误差的影响。

预实验第一阶段流程如表2所示。

表2

预实验第二阶段分为生理疲劳引发实验和心理疲劳引发实验两部分，每个部分独立进行，需要测试者佩戴生理测量设备进行相关实验。

如图9所示，在生理疲劳引发实验中，每名测试者需要在佩戴生理测量设备的情况下完成四组搬运任务，重物为10kg，每组任务需要搬运20次，测试者可以选择绕过“危险区域②”而走“安全”路径。选择走“安全”路径需要额外绕远4m。在实验正式开始前和每组任务完成后，测试者均需要填写主观疲劳评价量表。

实验开始前每名测试者先进行20次的任务练习(无重物)，以熟悉实验流程，减少练习误差的影响。实验完成后，对实验对象进行访谈，调查其对于“安全”路径绕远距离、生理疲劳的积累过程及影响、以及实验前练习次数的看法。主观疲劳评价量表为日本产业卫生学会研制的《疲劳症状自评量表》(2002)的中文版。该量表的开发和应用时间较长，经历了几个版本的逐渐完善，更加适应现代社会对疲劳的评价需求，是在全球疲劳研究领域具有影响力的量表之一。

在心理疲劳引发实验中，每名测试者需要在佩戴生理测量装置的情况下完成四组心算任务，每组心算任务时间为15分钟。测试者需要在6s的时间内，完成屏幕产生的两个随机的两位数的加法计算，输入答案并提交，或者倒计时结束后系统自动提交测试者输入的答案。在实验正式开始前和每组任务完成后，测试者均需要填写主观疲劳评价量表。实验开始前每名测试者需要先进行2分钟的计算练习，以便熟悉实验内容和操作，减少练习误差的影响。实验完成后，对实验对象进行访谈，了解其对实验强度和心理疲劳积累过程的看法。实验中优先使用更为便携的Bioharness无线生理测量胸带、汇心便携皮电仪和NirSmart近红外成像仪进行生理信号的测量，检验其测量效果是否能够满足实验分析需求。MP160型生理记录分析系统为实验的备用选择，若前三种设备测量结果无法满足实验需求，则更换设备进行预实验。

预实验第二阶段生理疲劳和心理疲劳引发实验的流程如表3和表4所示。表3为预实验第一阶段生理疲劳引发实验流程，表4为预实验第一阶段心理疲劳引发实验流程。

表3

表4

对预实验结果进行分析，预实验第一阶段主要为了确定两个“危险”区域的合理难度。因此对于实验结果的分析主要集中在信号识别失误和脚步落点的控制失误两个方面。测试者搬运任务的完成情形是TypeⅡ或TypeⅣ时，记录一次信号识别失误，任务的完成情形是TypeⅢ或TypeⅣ时，记录一次脚步落点的控制失误。如表5所示，表5为预实验第一阶段信号识别失误次数。

表5

预实验第一阶段结果表明，增加信号种类(第三组)或者减少信号指示灯亮灯时长间隔(第二组)都会导致测试者出现信号识别误的平均次数增加，以此可推断出这两种方法均能够增加信号的识别难度。还可以看出，两种方法同时作用效果更加明显，可以导致测试者出现信号识别失误的平均次数增加106.67％。

表6为预实验第一阶段脚步落点控制失误次数，如表6所示，在信号类型由3种增加6种后，后两组相比于前两组，测试者出现脚步落点控制失误的平均次数增加。而一组和二组比较，三组和四组比较，可以发现在信号类型相同、灯亮时长间隔不同的情况下，测试者出现脚步落点控制失误的平均次数没有明显变化。分析可知，后增加的三种信号类型，测试者均需要跨越两个“危险”条格才可以通过。因此可以认为后增加的三种信号会提高脚步落点控制的难度，可以导致测试者出现脚步落点控制失误的平均次数增加114.29％。

表6

从实验结果可以看出，信号类型少、灯亮时长间隔长，信号的识别难度相对较低；不需要跨越两个“危险”条格的情况下，脚步落点控制难度相对较低。10名测试者的第一组完成情况普遍较好，从访谈中也可以了解到测试者认为第一组信号难度相对较易，但如果注意力不集中仍有可能识别错误。因此选择第一组的信号设置作为“危险区域①”的信号设置。

在访谈中测试者普遍表示，增加信号种类对于信号的识别会有影响，因为需要看清所有的信号指示灯才能判断信号类型。而缩短亮灯时长间隔对于信号识别难度的提升比较明显，尤其是包含6种信号类型且亮灯时长间隔的第四组信号识别难度过大，稍有松懈就有可能识别错误，这也与实验结果比较吻合。有3名测试者表示即使进行充分的练习，也无法非常准确的识别第四组实验的信号类型。由于第四组任务的信号识别难度过大，第三组任务的信号识别的难度比较适合“危险区域②”的难度设定，因此选择第三组的信号设置作为“危险区域②”的信号设置。

同时，在访谈中大部分测试者都表示20次的练习已经足够充分，只有1名测试者认为20次练习不够。因此在后续实验中练习次数仍定为20次，如果有个别测试者学习较慢，可以考虑适当增加其练习时间。

预实验的第二阶段，在生理疲劳引发实验和心理疲劳引发中，测试者都在实验前和实验过程中进行了主观疲劳评价量表的填写，通过测试者主观量表的结果分析，验证本装置疲劳引发的有效性。

如表7所示，表7为生理疲劳引发实验主观量表得分均值。通过计算生理疲劳引发实验中测试者主观疲劳评价量表得分的平均值，发现随着搬运任务的进行，测试者的主观疲劳得分有明显增加，且在各分项得分中，酸痛感得分增加最明细，这也符合体力劳动后疲劳的特征。

如表8所示，表8为心理疲劳引发实验主观量表得分均值。通过计算心理疲劳引发实验中测试者主观疲劳评价量表得分的平均值，可以看到，随着心算任务的进行，测试者的主观疲劳得分有明显增加，且在各分项得分中，不安感得分增加最明细。不安感分项中的条目主要跟心理疲劳相关，这也符合脑力消耗后疲劳的特征。

表7

表8

预实验的同时，也对生理测量设备的效果进行对比。

(1)Bioharness无线生理测量胸带测量数据稳定性较差，在测试者进行活动过程中经常出现设备传感器与测试者接触不好而导致数据质量较差，测量所得心电图与标准心电图偏差较大；数据传输经常出现一瞬间的断连状态，即所有数据点都归零，对后期数据分析造成很大干扰，影响后期分析。测试者搬运过程中测得的心电图如图10所示。

(2)汇心便携皮电仪测得数据准确性较差。该设备可以测量测试者的心率和皮电，但是心率数据与Bioharness无线生理测量胸带所测得的心电图推算出来的心理数据差距较大，也不符合人类正常心率的范围。皮电数据准确性未知，但考虑到心电数据的准确性问题，对皮电数据准确性仍持怀疑态度。从设备测量原理来说，腕带式设备的测量准确性一般是相对较差的，这也是大多数生理测量实验不选择腕带式设备的原因之一。

(3)慧创NirSmart近红外脑功能成像仪数据稳定性较差，由于设备通过光线采集近红外信号，任何设备与测试者头部测量位置之间的相对移动都会导致信号的波动，使得数据整体噪声过大。如图11所示，即使采取了降噪和去运动轨迹的处理，数据仍然波动较大，影响后期分析。

由于第一组设备的上述问题，预实验第二阶段通过尝试，最后采用MP160型生理记录分析系统作为数据采集工具，数据采样频率为1000Hz。

通过预实验，结合设备特点，对四种生理测量设备的使用效果对比，结果见表9，表9为生理测量设备对比表。综合考虑后，最终选择MP160型生理记录分析系统作为正式实验中的生理测量设备。

表9

其中，数量越多表示越优。

在实验后与测试者进行交流，包括：

(1)测试者普遍认为，两类疲劳引发实验都能够显著增加他们的疲劳感，实验完成后普遍感觉比较累。但是测试者也提到每组间隔期间，在填写主观量表的过程中可以获得短暂的休息，如果疲劳引发实验没有中断，效果应该会更加明显。

(2)在搬运任务中，大多数测试者认为“安全”路径绕远的距离并不算远，可以适当增加绕远距离。

(3)部分测试者表示，搬运任务中的沙袋没有便于抓拿的地方，只能用手托着，十分不方便，建议进行改进。同时部分测试者表示频繁的弯腰拿起重物并不合理，不符合施工现场真实的工作情景。在实验过程还观察到，测试者在弯腰拿放重物时，心电信号和呼吸信号都会出现较大的波动。

(4)测试者普遍表示，实验前的练习次数充足。

根据测试者的访谈反馈和实验过程中的实际情况，对正式实验做出以下调整：将“安全”路径的绕远距离增加至6m；将搬运的沙袋装至帆布袋中，测试者可以选择手提或肩跨；测试者不再需要在每次搬运任务始末拿起、放下重物，可以选择一直拿着重物进行实验，每次搬运任务完成后测试者站到压力感应板上给予压力信号即可。

通过两个阶段的预实验，完成了预实验的目的，得出以下结论。

(1)确定了两个“危险区域”的合理难度：“危险区域①”包含a、b、c三种信号类型，亮灯时长为长亮0.4s、短亮0.2s；“危险区域②”包含a、b、c、d、e、f六种信号类型，亮灯时长为长亮0.4s、短亮0.2s。

(2)实验前20次的练习对大部分测试者来说是足够的。

(3)根据主观疲劳量表的结果可知，生理疲劳引发实验和心理疲劳引发实验都是有效的，能够引起测试者疲劳程度的增加。

(4)经过对几种生理测量设备的效果的对比，结合其本身特点，最终选用MP160型生理记录分析系统作为正式实验中的生理测量设备。

(5)通过对测试者静息状态和疲劳状态下生理指标的对比，确定了皮温、呼吸频率、皮电、皮电标准差、RR间期、SDNN、HF、TP、LF/HF九项指标作为正式实验的分析指标。

(6)增加“安全路径”的绕远距离至6m；将搬运的沙袋装至帆布袋中，测试者可以选择手提或肩跨，且不再需要在每次搬运任务始末拿起、放下重物。

根据本发明实施例提出的基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置，通过以生理指标为基础，结合施工现场人工搬运作业特点，设计能够合理模拟施工现场人工搬运，测量工人的不安全行为数据和生理信号的装置，此装置可以有效测量基于生理指标的疲劳评价，并探究生理指标的变化与两种类型疲劳的关系。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于生理测量的建筑工人疲劳与不安全行为关系研究装置，其特征在于，包括：

压力感应板、多条路径、多个信号指示灯、多个激光传感器、生理信号检测装置、移动终端；

所述压力感应板设置在地面上，用于检测压力值，根据所述压力值判断重物的拿起和放下；

所述多条路径包括危险路径，在所述危险路径上设置黑白相间条格贴纸以将所述危险路径划分为多个区域；

所述多个信号指示灯分别设置在所述多个区域的边缘，用于通过所述多个指示灯的开关状态指示所述多个区域的通行状态；

所述多个激光传感器，设置在所述危险路径一侧，用于检测测试者的踩踏位置；

所述生理信号检测装置，用于检测测试者的生理信号，所述测试者在所述压力感应板上搬起重物，通过所述多条路径后送回至所述压力感应板，将检测到的所述生理信号发送至所述移动终端；

移动终端，用于对所述生理信号进行记录并分析，根据生理信号分析结果和测试者搬运重物过程中的踩踏位置结果分析所述测试者的疲劳状态与不安全行为的关系。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：红外光栅传感器；

所述红外光栅传感器设置于所述多条路径的入口处和\或出口处，用于检测所述测试者是否通过。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：木板障碍物；

所述木板障碍物设置于所述危险路径入口处和\或出口处，用于模拟真实环境。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

通过所述多个信号指示灯的开关顺序控制所述测试者通过所述危险路径的难易程度。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

通过改变所述多个信号指示灯的数量控制所述测试者通过所述危险路径的难易程度。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：心理疲劳引发装置；

所述心理疲劳引发装置用于在测试者进行搬运重物之前引发测试者心理疲劳，以模拟真实环境。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多条路径还包括：安全路径；

测试者通过所述多条路径搬运重物时，在所述危险路径和所述安全路径之间进行选择，其中，测试者通过所述安全路径搬运重物的搬运距离大于通过所述危险路径搬运重物的搬运距离。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通过所述多个指示灯的开关状态指示所述多个区域的通行状态，包括：

指示灯开启表示指示灯对应的区域为危险区域，禁止踩踏，测试者在通过时跨越所述危险区域；

指示灯关闭表示指示灯对应的区域为安全区域，允许踩踏。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，控制平台；

所述控制平台用于显示测试者的位置和所述多个信号指示灯的信号类型。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述控制平台还用于设置测试者的搬运任务。