【摘要】：改革開放以來,在各個行業(yè)的共同努力下,我國經(jīng)濟飛速發(fā)展。中國建筑行業(yè),無論在企業(yè)單位個數(shù)、行業(yè)從業(yè)人數(shù)還是在行業(yè)生產總值上都呈現(xiàn)上升趨勢。建筑行業(yè),作為我國重要的支柱產業(yè)之一,和制造業(yè)、醫(yī)療保健業(yè)、金融業(yè)以及能源業(yè)等其他行業(yè)都有密切的聯(lián)系,已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。然而,由于建筑行業(yè)屬于勞動力密集型產業(yè),加上復雜的工作環(huán)境、管理等各種因素,使得建筑行業(yè)成為事故多發(fā)頻發(fā)行業(yè),建筑工人的職業(yè)致死率一直居高不下。建筑工地已被認定為最危險的工作場所之一,建筑工人也被認為最危險的工種之一。因此,如何有效地減少建筑工人的傷亡是建筑行業(yè)的一個核心問題,也是專家、學者以及相關從業(yè)者所面臨的難題。在建筑行業(yè),有多種職業(yè)致死傷害類型,如高處墜落、坍塌、物體打擊、起重傷害以及機械傷害等,其中最為主要的一類致死性傷害類型是因身體跌倒/跌落而直接或間接造成的身體傷害。造成身體跌倒/跌落的最直接因素是身體失去平衡,對于建筑工人而言,引起人體失衡的因素是多種多樣的,如環(huán)境因素、管理因素、個人身體狀況因素等等。在眾多因素中,工作姿勢的不穩(wěn)定性是非常重要而又最容易被忽略的一個因素,同時工作姿勢和負重、站立面等多種因素之間也存在著交互作用,共同影響著建筑工人在作業(yè)時的身體穩(wěn)定性。目前,關于人體平衡方面的研究較多,而應用在建筑行業(yè),且從姿勢穩(wěn)定性分析的角度分析工人跌倒跌落風險的研究相對較少。國內外現(xiàn)有的類似文獻也存在著一些不足,如在研究內容上,多側重研究某一因素對姿勢穩(wěn)定性的影響,或側重研究衡量某一參數(shù)在姿勢穩(wěn)定性評價中的有效性,或側重研究采用某一參數(shù)區(qū)分不同的群體(如老人和年輕人,有工作經(jīng)驗的工人和無工作經(jīng)驗的工人等);在研究方法上,多采用腳底壓力中心(COP)及腳底支撐面(BOS)相關的參量,且大都采用了昂貴、笨重的測力板(Force Plate)和基于光學的人體動作捕捉系統(tǒng)(如VICON光學運動捕捉系統(tǒng)),這些儀器因其自身昂貴、不便攜等缺點,限制了在建筑行業(yè)的實際應用。近幾年來,日本任天堂公司的Wii平衡板(Wii Balance Board)逐漸在人體平衡以及人體平衡能力康復方面得到應用,其在測量COP的可靠性也得到了大量學者的驗證。此外,慣性測量單元(IMU)技術的日漸成熟加上自身的諸多優(yōu)點(如廉價、便攜等),也逐漸被應用到人體平衡研究領域�；谝陨戏治�,本研究的目的在于通過對建筑工人常用工作姿勢進行穩(wěn)定性分析,在考慮多種參數(shù)對身體穩(wěn)定性的影響下,對建筑工人的跌倒風險進行評估,建立建筑工人工作姿勢穩(wěn)定性評估模型;并以任天堂Wii Balance Board為主要硬件,開發(fā)一套新型、廉價的建筑工人工作姿勢穩(wěn)定性評估系統(tǒng)�，F(xiàn)對本研究的主要內容及結果總結如下:首先,本文系統(tǒng)研究了中國建筑行業(yè)致死性職業(yè)傷害的現(xiàn)狀,并與美國、韓國進行了對比分析。依據(jù)2011年至2015年三個國家的官方統(tǒng)計數(shù)據(jù),研究分析了中國、美國及韓國三個國家建筑行業(yè)勞動力及致死性職業(yè)傷害現(xiàn)狀、主要的致死性職業(yè)傷害類型等,重點分析了跌倒/跌落傷害的現(xiàn)狀,并從以上幾個方面對三個國家進行了對比。研究發(fā)現(xiàn),在三個國家中,建筑行業(yè)都屬于致死性職業(yè)傷害高發(fā)行業(yè),在全部行業(yè)中,建筑行業(yè)的死亡比例高于其從業(yè)人數(shù)比例;在三個國家中,中國擁有最多的建筑行業(yè)從業(yè)人數(shù)和死亡人數(shù),卻擁有最小的占比(占全部行業(yè))以及最小的萬人死亡率;三個國家建筑行業(yè)的從業(yè)人數(shù)全部呈上升趨勢,而死亡人數(shù)中國和韓國呈下降趨勢,美國呈上升趨勢;建筑工人的致死性職業(yè)傷害在三個國家中都是非常嚴重的,其中最為主要的兩個傷害類型是“高處墜落(Fall from a higher level)”以及“物體打擊(Struck by)”,兩者中又以“高處墜落”所占比列最高。第二,靜態(tài)腳底支撐面(BOS)及其與腳底壓力中心(COP)的相互作用是研究人體平衡的重要參數(shù),本文對兩種BOS數(shù)據(jù)的獲取方法的可靠性進行了實驗研究。標準的測量BOS方法是采用基于光學的人體動作捕捉系統(tǒng),但因其昂貴的價格和不便攜性,限制了其應用。近幾年,慣性動作捕捉技術在人體建模及動作捕捉方面的應用日漸成熟,為BOS數(shù)據(jù)的測量提供了新的選擇,但其準確性需進一步驗證。本文選取了兩種BOS數(shù)據(jù)獲取方法:基于慣性動作捕捉系統(tǒng)(以Xsens MVN BIOMECH慣性動作捕捉系統(tǒng)為例)以及基于腳印測量的方法,對其可靠性進行了實驗研究。結果表明,和基于慣性動作捕捉系統(tǒng)獲取方法相比,基于腳印測量的方法測得的BOS具有較高的準確性,其在BOS面積、前邊長(兩大腳趾間距離)以及后邊長(兩腳跟后中心距離)的平均相對誤差范圍分別為:0.009%~6.089%、0.025%~2.435%和0.375%~5.728%,頂點的平均位置誤差范圍為4.686毫米~13.120毫米。與之相反的是,基于慣性動作捕捉系統(tǒng)Xsens MVN所獲得的BOS存在較大的誤差,其在BOS面積的平均相對誤差范圍達-12.6%~64.4%;方差分析顯示,不同的姿勢或動作對Xsens MVN所測BOS的誤差具有統(tǒng)計學上顯著性影響,且誤差大小和是否存在雙膝彎曲的姿勢或動作有很大的關系。當不存在下蹲動作時,Xsens MVN所測BOS尺寸小于真實的BOS,在BOS的面積、前邊長以及后邊長的平均相對誤差分別為-10.3%、-4.6%和-13.9%;當存在下蹲動作時,Xsens MVN所測BOS尺寸大于真實的BOS,上述誤差分別為+30.4%、+35.8%和+32.7%。此外,Xsens MVN所測BOS會隨著不同的動作而不斷變化,特別是雙膝彎曲等下身動作。因此,采用慣性動作捕捉系統(tǒng)獲取BOS具有不可忽略的誤差,且易受不同姿勢和動作的影響;而采用腳印測量獲取BOS是比較可靠和值得推薦的方法。第三,對建筑工人的姿勢穩(wěn)定性進行了實驗研究。該實驗采用了組內重復測量,6(6種工作姿勢)×2(2種負重水平)×2(2種站立面傾斜角)完全析因設計。實驗中同時考慮了工作姿勢、負重以及站立面傾斜角三種因素對身體穩(wěn)定性的影響,分析了它們之間的交互作用關系。實驗中采集了30個受試者在4種實驗條件下每個工作姿勢的相關實驗數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包括利用評分表格獲得的針對姿勢穩(wěn)定性的主觀評分(0-10分,身體保持平衡難易程度)、利用Xsens MVN慣性人體運動捕捉系統(tǒng)獲得的身體運動數(shù)據(jù)、利用本研究所開發(fā)的基于任天堂Wii平衡板(Wii Balance Board)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的腳底壓力中心(COP)以及利用腳印測量獲得的腳底支撐面(BOS)的數(shù)據(jù)。實驗結果發(fā)現(xiàn):(1)受試者前后兩次評價差值的平均值在0.65以內,平面非負重條件下組內相關系數(shù)ICC(3,1)=0.890,平面負重條件下ICC(3,1)=0.919,斜面非負重條件下ICC(3,1)=0.673,斜面負重條件下ICC(3,1)=0.940。因此,受試者對身體穩(wěn)定性的主觀評分的可靠性較高。(2)基于主觀評分的方差分析及配對樣本T檢驗顯示,不同的工作姿勢(平面非負重條件下:F(1.545,44.814)=16.562,p=0.000;平面負重條件下:F(3.362,97.508)=51.254,p=0.000;斜面非負重條件下:F(3.338,96.788)=30.700,p=0.000;斜面負重條件下:F(3.775,109.470)=53.942,p=0.000)、不同的負重水平(t(359)=25.115,p0.0005 d=1.32)以及不同的站立面傾角(t(359)=5.063,p0.0005 d=0.27)對身體的穩(wěn)定性都有統(tǒng)計顯著性的影響。(3)基于主觀評分的因素間交互作用分析結果顯示,上述三個因素(工作姿勢、負重情況及站立面傾角)之間存在著顯著性交互作用(F(3.476,100.803)=6.517,p=0.000.0005),站立面傾斜角和負重僅在下蹲姿勢(P2)下存在顯著性交互作用(F(1,29)=20.730,p=0.000.0005),工作姿勢和負重在平面和斜面兩種站立面情況下都存在顯著性交互作用(平面:F(2.616,75.860)=47.518,p=0.0000.05;斜面:F(5,145)=24.295,p=0.0000.05),工作姿勢和站立面僅在非負重條件下存在顯著性交互作用(非負重:F(1.671,48.472)=18.526,p=0.0000.05)。因此,在本實驗設計下,負重情況對工作姿勢穩(wěn)定性的影響大于站立面傾斜,因素之間存在著復雜的交互作用關系。在對建筑工人的工作姿勢穩(wěn)定性進行評估時,除了考慮多種因素以外還應考慮因素之間的復雜交互作用。(4)研究了常用客觀評價指標與主觀評分之間的相關性,其中客觀評價指標涵蓋三類:A.只考慮COP的評價指標;B.同時考慮COP和BOS的評價指標;C.基于慣性傳感器獲得的身體不同部位的線性加速度。結果表明大部分客觀評價指標和主觀評價具有較強的相關性(皮爾遜相關系數(shù)r介于0.5-0.8),其中COP在前后方向上的平均速度以及COP軌跡在前后方向上的總長度具有最強的相關性(r=0.718),觸碰BOS時間(Time to contact BOS)次之(r=0.710)。(5)基于主觀評分的各姿勢的穩(wěn)定性分析結果顯示,下蹲姿勢是一個較為特殊的工作姿勢:在平面情況下,和非負重相比,負重時身體具有較高的穩(wěn)定性;在非負重情況下,站立在斜面上時,身體具有較高的穩(wěn)定性。綜上,受試者可以對自身的穩(wěn)定性給出較為可靠的主觀評價;工作姿勢、負重情況以及站立面的傾斜情況都會對工作姿勢的穩(wěn)定性造成顯著性影響;上述三個因素之間以及兩兩之間都存在著復雜的交互作用;文中所涉及到的大部分客觀參數(shù)和姿勢穩(wěn)定性的主觀評分具有較強的相關性。第四,建立了建筑工人工作姿勢穩(wěn)定性評估模型。基于上述三類客觀評價指標的實驗數(shù)據(jù),本文采用多元線性回歸分析的方法,建立了姿勢穩(wěn)定性評估模型。在模型的輸入即參數(shù)的選擇方面,提供以下四種選擇:A.只考慮COP;B.同時考慮COP和BOS;C.同時考慮COP、BOS以及身體功能穩(wěn)定區(qū)(Functional Stability Region,FSR);D.同時考慮COP、BOS以及身體相關部位的加速度(Acceleration)。之后,根據(jù)專業(yè)背景知識、主觀參數(shù)和客觀評價之間的相關性大小以及數(shù)學方法(逐步回歸)對大量的參數(shù)進行篩選。在建模方法方面,為解決大量參數(shù)之間存在的多重共線性問題,選擇了主成分回歸分析以及逐步回歸分析,用于幫助解釋自變量和因變量相關性。采用主成分回歸和逐步回歸的方法,基于篩選后的四種參數(shù)選擇,建立了多個評估模型。然而,依靠主成分回歸建立的模型需要計算的參數(shù)過多,在實際應用中難以實現(xiàn),且已有研究表明多重共線性問題并不會影響模型的評估效果;另外,FSR數(shù)據(jù)在實際應用中是較難獲取的,且受個體因素影響較大。基于以上兩個原因,考慮到實用性以及本研究后期僅用于姿勢穩(wěn)定性評估預測的目的,最終選擇了依靠逐步回歸建立的,分別考慮COP,COP-BOS,COP-BOS-Acceleration的三個評估模型做為姿勢穩(wěn)定性評估模型。最后,分析了以上所選三個模型的效度,即將提出的模型的評估結果與受試者的主觀評分(殘差分析)、商業(yè)分析軟件3D Static Strength Prediction Program(3DSSPP)的分析結果進行了對比研究。在殘差分析中,重復5次隨機選取70%受試者的實驗數(shù)據(jù)用于建立評估模型,30%的數(shù)據(jù)用于模型檢驗,分析其殘差;在與3DSSPP對比分析中,將隨機抽取的5位受試者的身體測量參數(shù)及相關工作姿勢的關節(jié)角作為軟件的輸入,然后將3DSSPP軟件的姿勢穩(wěn)定性評估結果以及本實驗建立的模型評估結果與真實的受試者的評分進行對比。殘差分析結果顯示,模型能夠較好地對姿勢的穩(wěn)定性進行有效評估。殘差的絕對平均值小于1.4(標準差約為1),算術平均值小于0.5(標準差約為1.5),不過需要特別指出和注意的是最大殘差絕對值達到了5.0左右。和3DSSPP的對比結果顯示,本研究提出的模型的評估結果明顯優(yōu)于商業(yè)軟件3DSSPP。3DSSPP未能對本實驗中的工作姿勢的穩(wěn)定性進行有效的評估,其評估結果存在較大誤差,且未能對姿勢之間、不同負重情況之間以及不同站立面之間在姿勢穩(wěn)定性上的差異進行有效區(qū)分。而本研究提出的模型能夠提供一個較為合理和準確的評估結果。綜上,該研究建立了多個工作姿勢穩(wěn)定性評估模型,并進行了對比選擇,所選擇的評估模型對姿勢穩(wěn)定性的評估效果較好,且優(yōu)于商業(yè)評估軟件3DSSPP的評估結果。第五,開發(fā)了基于以上評估模型的新型工作姿勢穩(wěn)定性評估系統(tǒng)。評估系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析(含姿勢穩(wěn)定性評估)系統(tǒng)。(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決了采用較為廉價和便攜的方式獲取腳底壓力中心COP的問題,硬件主要采用了任天堂的Wii平衡板(Nintendo Wii Balance Board);軟件方面主要基于微軟C#Windows Presentation Foundation(WPF)開發(fā)平臺開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能有:計算機和Wii平衡板之間的藍牙配對連接、Wii平衡板數(shù)據(jù)的校準、Wii平衡板原始壓力數(shù)據(jù)的采集、壓力中心(COP)的計算及采集、數(shù)據(jù)的可視化、腳底支撐面(BOS)數(shù)據(jù)的保存和可視化以及相關數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控等功能。(2)數(shù)據(jù)分析及姿勢穩(wěn)定性評估系統(tǒng)主要用于分析COP,BOS及慣性傳感器的相關數(shù)據(jù),以及基于這些數(shù)據(jù)的工作姿勢穩(wěn)定性評估。該數(shù)據(jù)分析及姿勢穩(wěn)定性評估軟件,基于MATLAB App Designer開發(fā)平臺,可實現(xiàn)COP及BOS相關數(shù)據(jù)的預處理(濾波和截取等)及可視化、慣性傳感器線性加速度數(shù)據(jù)的預處理及可視化、數(shù)據(jù)的導入及導出、參數(shù)的計算及工作姿勢穩(wěn)定性評估等。具體來講,數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)涵蓋四個模塊:A.基本信息輸入及保存模塊,可實現(xiàn)受試者基本信息、實驗任務基本信息、BOS數(shù)據(jù)以及文件保存路徑信息的輸入及保存功能。B.數(shù)據(jù)的初步處理及可視化模塊,可實現(xiàn)針對COP數(shù)據(jù)、BOS數(shù)據(jù)以及基于慣性傳感器的加速度數(shù)據(jù)的導入和保存、所有數(shù)據(jù)的截取及動態(tài)可視化、濾波器的參數(shù)設定等功能。C.參數(shù)計算模塊,可實現(xiàn)本研究中所涉及到的所有客觀參數(shù)的計算及展示,包括僅考慮COP的參數(shù)以及同時考慮COP和BOS的相關參數(shù)等。D.姿勢穩(wěn)定性評估模塊,該模塊內可選取三個不同的評估模型,然后基于模塊C所計算出的客觀參數(shù)進行工作姿勢的穩(wěn)定性評估,評估結果可以報告的形式保存。該工作姿勢穩(wěn)定性評估系統(tǒng),具有價格低廉、實用性強且易于推廣的特點。綜上所述,我國快速發(fā)展的建筑行業(yè),為國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了突出的貢獻,但因其特殊的行業(yè)特點,導致建筑行業(yè)事故多發(fā)頻發(fā)。在眾多建筑工地事故類型中,跌落傷害是最為嚴重的,而身體失衡是導致跌落傷害的最直接原因。在造成身體失衡的眾多因素中,工作姿勢的不穩(wěn)定是非常重要而又容易被忽略的因素。而現(xiàn)有研究在研究內容和數(shù)據(jù)獲取方法上都存在一些不足,如較少針對建筑工人的工作姿勢穩(wěn)定性進行跌倒/跌落相關的風險研究、較少考慮建筑工人對姿勢穩(wěn)定性的主觀評價、較少考慮多因素及多因素之間的交互作用對姿勢穩(wěn)定性的影響以及數(shù)據(jù)的獲取方式昂貴不便攜等。本研究從建筑工人的工作姿勢穩(wěn)定性分析的角度出發(fā),研究了建筑工人的跌倒和跌落風險,建立了建筑工人工作姿勢穩(wěn)定性評估模型,并開發(fā)了一套新型及價格低廉的評估系統(tǒng)�；谘芯拷Y果,對本文的主要結論總結如下:(1)通過對中國、美國和韓國建筑行業(yè)職業(yè)致死性傷害研究發(fā)現(xiàn),在三個國家中,建筑行業(yè)事故多發(fā)頻發(fā),跌倒和跌落傷害是建筑行業(yè)第一致死性職業(yè)傷害。(2)通過對Xsens MVN獲取的BOS以及通過腳印獲取的BOS的可靠性研究可得,基于慣性動作捕捉系統(tǒng)Xsens MVN所獲取的BOS存在較大誤差,且易受不同姿勢或動作的影響,而基于傳統(tǒng)腳印測量的BOS準確性較高。(3)考慮多個因素的工作姿勢穩(wěn)定性評估實驗研究結果可得,受試者可以對自身的穩(wěn)定性給出較為可靠的主觀評價;不同的工作姿勢、不同的負重水平以及不同的站立面傾斜角對工作姿勢的穩(wěn)定性具有統(tǒng)計學上顯著性影響;以上三因素之間,以及兩兩之間存在著復雜交互作用;COP在前后方向上的速度以及觸碰BOS邊界時間兩個客觀參數(shù)和主觀評價指標具有較高的相關性。(4)基于工作姿勢穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù),采用主成分回歸和逐步回歸,建立了建筑工人工作姿勢穩(wěn)定性評估模型。該模型同時考慮了COP、BOS以及不同身體部位的加速度,殘差分析及與3DSSPP軟件的對比分析結果顯示,該模型評估準確性較好,優(yōu)于商業(yè)評估軟件3DSSPP。(5)開發(fā)了一套建筑工人工作姿勢穩(wěn)定性評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),以價格低廉的Wii Balance Board為主要硬件,可實現(xiàn)COP和BOS數(shù)據(jù)的采集、初步處理、深加工、可視化以及姿勢穩(wěn)定性評估,具有價格低廉、實用性強且易于推廣的優(yōu)點。本研究成果可以應用于評估建筑工人跌倒/跌落風險,對減少建筑工人的跌落傷害、優(yōu)化建筑工人的作業(yè)動作、降低工人跌倒、跌落風險以及減少因身體跌倒引發(fā)的二次傷害有重要意義。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU714
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本文編號：2656965