基于人機交互仿真實驗的起重違規作業影響因素分析

段在鵬，艾仁華，邱少輝，謝漢青，王寓霖

(1.福州大學環境與安全工程學院，福建 福州 350108；2.中鋁東南材料院(福建)科技有限公司，福建 福州 350015)

近些年起重機械成為我國建筑施工中必不可少的特種設備，但也伴隨著巨大的風險。據統計，2018年我國起重機械事故占特種設備事故的比例高達45.66%，死亡人數為116人。其中，違章作業或操作不當導致的起重機械事故18起，總占比約為58%，故而研究人因違規對起重機械事故控制十分重要。

國內外有關起重機械的安全研究主要集中在機械本身的設備特性，如Shapira等對塔式起重機施工現場進行了定量評價，建立了塔式起重機安全評估一體化模型；全維軍根據門座起重機風險因素的特點，應用層次分析法和多級模糊綜合評判法對其進行了安全評價；盧艷結合危險源分析和事故樹，對起重作業常見危險進行了分析，并給出了事故預防措施；Frendo通過對門式起重機脫軌事故進行分析，結果發現起重機脫軌事故是由設計錯誤引起，故指出設計之前應對起重機進行風險評估；Raviv等利用K-means聚類分析方法分析了大量起重機事故，結果發現技術故障是塔式起重機領域內最危險的危險因素。

目前關于人和環境因素對起重機械違規作業的影響研究相對較少，但是在其他機械行業如汽車駕駛領域對于人和環境因素的安全研究較多。如Hill等利用Logistic回歸模型預測了交通事故傷害程度，結果發現不利天氣下54歲以上的女駕駛員比同齡男駕駛員汽車碰撞傷害的危險程度更高；莊明科等使用探索性因素分析得出了影響駕駛行為的4個風險因素，并研究了駕駛經驗、人格特質、駕駛態度和駕駛技術與駕駛行為的關系；Ersal等首次將神經網絡與支持向量機(SVM)分類器結合，研究了駕駛過程中次要任務對駕駛人的影響，并據此判斷駕駛人是否分心；Martimussen等利用K-means聚類分析方法，將駕駛人分為熟練的安全駕駛人、易違規的危險駕駛人、不熟練的危險駕駛人、缺乏自信的安全駕駛人4類；陶達等采用方差分析方法研究了駕駛員的性別、年齡和人格特質與危險駕駛行為的關系；Bener等利用SPSS進行統計數據分析，得到了疲勞、嗜睡與不安全駕駛行為之間的關系；張衛華等利用Pearson相關性和結構方程模型(SEM)分析方法，研究了駕駛員性別、危險感知能力、技術性駕駛能力等對低能見度環境中危險駕駛行為的影響程度；史晨軍等通過構建基于擴展計劃行為理論(Ex-TPB)的駕駛員疲勞駕駛行為結構方程模型(SEM)，得出行為意向、知覺行為控制和行為經驗顯著正向影響駕駛員疲勞駕駛行為，其中行為意向的影響最顯著;段在鵬等首次利用起重機模擬器進行仿真實驗，通過對起重機司機失誤進行統計分析，并記錄新入職的員工操作起重機的各項數據，分析了影響起重機司機失誤的因素；徐婷等利用K-means聚類分析方法和AdaBoost算法建立了貨車司機安全傾向性分類模型，研究了貨車司機駕駛行為的差異性，以便對不同貨車駕駛人實行分類管理。

雖然目前國內外有很多關于駕駛人員和環境因素的安全研究，但是汽車駕駛與起重機械操作有較大的區別。因此，本文擬基于對起重機械作業人員在作業過程中受到的各個影響因素，運用統計分析方法進行分析，找出對起重違規作業次數有顯著影響的因素，以期為起重作業管理提供指導，進一步提高起重作業的安全管理水平。

1 人機交互仿真實驗

1.1 研究問題的提出

汽車駕駛與起重機械操作有較大區別，但原理相似，根據他人的研究結果，本文選定性別、體脂、身體質量指數(BMI)、音樂種類、睡眠質量、疲勞程度、呼吸頻率、外界天氣、工作難度、實驗時長、噪音、風速作為起重違規作業潛在的影響因素。同時，根據實驗設備和實驗流程，利用起重機模擬器分別模擬橋式、門式、塔式起重場景，將起重機種類作為影響因素指標，操作完畢后根據實驗要求帶上手套進行再一次的操作。由于設備數量限制，且實驗人員和實驗次數較多，實驗操作過程所處時間和室內溫度有所變化，實驗人員人體饑餓程度、尿意和人體水分含量也有所變化，因此本文選定起重機種類、手套佩戴、工作時間段、溫度、人體饑餓程度、尿意和人體水分含量作為影響因素，探究其是否對起重違規作業有影響。

1.2 實驗設備

本次人機交互仿真實驗使用WM-SE/TD型、WM-SE/BP型等起重機模擬器分別模擬橋式、門式、塔式起重機作業場景，并采集每個實驗人員在不同影響因素下的實驗數據，其綜合實驗平臺具體如圖1所示。

圖1 綜合實驗平臺Fig．1 Integrated platform for experiments

1.3 實驗人員

本實驗共有48名實驗人員，均為高中及大學以上學歷，平均年齡為20歲，其中男性35人、女性13人。其各自占比見圖2。在實驗開始前，讓實驗人員通過前期學習培訓，熟悉基本操作，具備獨自操作設備的能力，分別對橋式、門式和塔式起重機模擬器進行未佩戴手套和戴手套操作，實驗總次數為288次，記錄起重違規作業次數。

圖2 實驗人員性別分布圖Fig.2 Gender distribution of experimenters

1.4 起重違規作業評定規則

本次人機交互仿真實驗起重違規作業分為以下幾種：①定點停放過程時沒有進圈或壓圈;②定點停放過程中水桶灑水；③起吊水桶過高(高于5m) ;④起吊水桶過低(低于1m);⑤開始作業前未鳴笛;⑥鉤物困難(大于1 min未鉤起貨物);⑦吊鉤與水桶脫開(脫鉤)。

1.5 統計學方法

變量為觀察對象的某項特征，根據變量特征的屬性，變量可分為連續變量和分類變量，其中連續變量的取值是連續可度量的，一般是區間型或比率型變量；分類變量的取值是非連續的，一般代表類別或狀態。根據變量分類的數量，變量可分為二分類變量和多分類變量，其中二分類變量表示只能有2種取值的分類變量；多分類變量則表示有3種及以上取值的分類變量。本次實驗變量為影響因素，將起重違規作業次數作為評定指標，實驗設備模擬結果和人體其他因素作為評定指標因素，探究評定指標因素對評定指標是否有顯著的影響。本次實驗因素根據變量分類規則，針對不同因素獲取方法及其實際意義，將其分為連續因素、二分類因素和多分類因素，并利用SPSS 22.0軟件對于不同變量類型，采用不同的統計分析方法進行分析，判別不同因素對起重違規作業次數是否有顯著的影響。

1.6 因素獲取及分類

根據各類影響因素的獲取情況，本實驗采用不同的收集方法，并進行因素分類，其分類結果見表1。

表1 實驗因素分類Table 1 Classification of experimental factors

2 因素影響差異性檢驗

2.1 二分類因素影響的差異性檢驗

采用獨立樣本

t

檢驗法對二分類因素影響的差異性進行檢驗，分析二分類因素對起重違規作業次數的影響，其檢驗結果見表2。

表2 獨立樣本t檢驗法對二分類因素影響差異性的檢驗結果Table 2 Results of t test of influence difference of binary factors’ independent samples

由表2可知：性別對起重違規作業次數有顯著的影響，結合平均值可以得出男性起重違規作業次數多于女性；有無佩戴手套對起重違規作業次數無顯著的影響；有無尿意對起重違規作業次數有顯著的影響，結合平均值可以得出有尿意會導致起重違規作業次數增加。

2.2 多分類因素影響的差異性檢驗

多分類變量常用的檢驗方法有單因素方差分析法檢驗和秩和檢驗法。若變量方差齊性，使用單因素方差分析法檢驗；若變量方差不齊性，使用秩和檢驗法檢驗。經統計分析發現：音樂種類、疲勞程度和外界天氣3個因素萊文統計的顯著性均大于0.05，通過了方差齊性檢驗，采用單因素方差分析法檢驗；工作時間段、工作難度、起重機種類和人體饑餓程度4個因素萊文統計的顯著性均小于0.05，未通過方差齊性檢驗，采用秩和檢驗法檢驗。

2.2.1 單因素方差分析法檢驗

分析音樂種類、疲勞程度和外界天氣對起重違規作業次數的影響，采用單因素方差分析法對多分類因素影響的差異性進行檢驗，其檢驗結果見表3。

由表3可知，音樂種類和人體疲勞程度對起重違規作業次數有顯著的影響，外界天氣對起重違規作業次數無顯著的影響。

表3 單因素方差分析法對多分類因素影響差異性的檢驗結果Table 3 One-way ANOVA test results of influence difference of polytomous factors

因為是多分類因素研究，各因素具體的差別不能僅依靠平均值分析，還需要對音樂種類和疲勞程度進行多重比較分析。

經過ANOVA檢驗，得出音樂種類和疲勞程度對起重違規作業次數有顯著的差異，選用LSD法進行兩兩比較，其比較結果見表4和表5。

表4 音樂種類多重比較結果Table 4 LSD results of music types

表5 疲勞程度多重比較結果Table 5 LSD results of fatigue

由表4可知：無音樂情況下的起重違規作業次數顯著地少于輕快音樂和動感音樂情況下;舒緩音樂下的起重違規作業次數顯著地少于動感音樂情況下;輕快音樂下的違規作業次數顯著地少于動感音樂情況下;其他均無顯著差異。

由表5可知，輕度疲勞情況下的起重違規作業次數顯著地少于重度疲勞情況下，其余均無顯著差異。

2.2.2 秩和檢驗法檢驗

分析工作時間段、工作難度、起重機種類和人體饑餓程度對起重違規作業次數的影響，采用秩和檢驗法對多分類因素影響的差異性進行檢驗,其檢驗結果見表6。

表6 秩和檢驗法對多分類因素影響差異性的檢驗結果Table 6 Rank sum test results of influence difference of polytomous factors

由表6可知：工作時間段、起重機種類和人體饑餓程度對起重違規作業次數無顯著的影響；工作難度對起重違規作業次數有顯著的影響。

通過采用秩和檢驗法對多分類因素影響的差異性進行檢驗，得出工作難度對起重違規作業次數有顯著的差異，對其進行成對比較，其比較結果見表7。

表7 多分類因素影響的差異性成對比較結果Table 7 Paired comparison results of influence difference of polytomous factors

由表7可知：工作難度為容易時，起重違規作業次數顯著少于工作難度為中、較難和難的情況；工作難度為中時，起重違規作業次數顯著少于工作難度為難的情況；工作難度為較難時，起重違規作業次數顯著少于工作難度為難的情況；其余均無顯著差異。

2.3 連續因素影響的差異性檢驗

分析起重機作業時連續因素對違規作業次數的影響，可采用廣義線性模型方法對連續因素影響的差異性進行檢驗。經過統計分析，廣義線性模型的德賓-沃森數值為1.858，在1.5～2.5之間，無自我相關，且ANOVA檢驗顯示

p

<0.01，說明9個自變量中至少有一個對因變量有顯著的影響。連續因素影響的差異性廣義線性模型檢驗結果見表8。

表8 廣義線性模型對連續因素影響差異性的檢驗結果Table 8 Generalized linear model test results of influence difference of continuous factors

由表8可知，通過回歸分析發現：BMI和風速與起重違規作業次數在顯著性0.05水平上呈顯著正向相關；實驗時長與起重違規作業次數在顯著性0.05水平上呈顯著負向相關。

3 因素影響規律分析

3.1 因變量的離散化

人為實驗過程存在一定的不可控因素，其也會對實驗結果產生影響，為了減少該影響，本文擬對實驗結果(起重違規作業次數)模糊化，即將起重違規作業次數離散化，將其轉換成新變量稱為起重違規作業次數等級，并利用SPSS軟件分析數據分布，再利用分割點將起重違規作業次數分成五相等組，閾值分別為5、8、12、17，將其重新編碼為不同變量，具體分類等級見表9。

由表9可知，起重違規作業次數越少，等級越低，評價越高。

表9 起重違規作業次數轉化等級代碼及含義Table 9 Conversion level codes and meanings of illegal hoisting operation times

3.2 邏輯回歸分析

因變量為等級數據，可以利用有序Logistic回歸進行分析。將上述篩選出的有影響的因素作為自變量，通過檢驗后發現不符合平行性檢驗，采用多項Logistic回歸對顯著性影響因素進行檢驗，其檢驗結果見表10。

表10 影響因素的Logistic回歸檢驗結果Table 10 Logistic regression test results of the influencing factors

由表10可知，經過多項Logistic回歸檢驗，最終確定音樂種類、疲勞程度、工作難度、BMI和風速對起重違規作業次數有顯著的影響。

3.3 顯著性影響因素匯總與分析

將上述差異性分析和Logistic回歸分析得到的顯著性影響因素進行匯總，其結果見表11。

表11 顯著性影響因素匯總Table 11 Summary of significant influencing factors

上述利用人機交互實驗與多種統計方法探究了起重作業人員在作業過程中受到的各個影響因素對起重違規作業次數的影響，為了確定因素是否會顯著影響起重違規作業次數及其影響程度大小，將其分為3個等級：無影響因素是在差異性分析和邏輯回歸分析中均不顯著的因素；中等影響因素是僅在差異性分析中顯著的因素；強影響因素是在差異性分析和邏輯回歸分析中均顯著的因素。經調研，音樂種類、疲勞程度、工作難度、BMI、風速和性別等影響因素與實驗結果一致；睡眠質量、外界天氣和噪音等影響因素與實驗結果存在差異，下面進行具體討論：

(1) 強影響因素：①音樂種類。本次仿真實驗中發現，音樂節奏加快，實驗人員起重違規作業次數變多；起重違規作業次數平均值在無音樂時最少，在動感音樂時最多。通過詢問實驗人員得知，在實驗過程中，無音樂時實驗人員精神較為集中，起重違規作業次數較少，但隨著音樂節奏加快，實驗人員精神也隨之分散，因此產生較多的起重違規作業次數。日本學者Mizoguchi等考慮了音樂的節奏要素，把音樂節奏分為快、中和慢三類，其實驗結果表明：高音量的音樂對駕駛行為造成了明顯的不良影響，而慢節奏和喜歡的音樂則對安全駕駛有利，這與本次實驗結果一致。②疲勞程度。本次仿真實驗中發現，隨著疲勞程度增加，實驗人員起重違規作業次數也相應增加。在實驗過程中，生理和心理疲勞程度增加會導致實驗人員警戒性和注意力受損，警戒性的降低會使實驗人員起重違規作業概率增加，而注意力受損會導致在實驗人員起重違規作業行為發生時無法及時糾正，使得起重違規作業次數增多。Dorrian等研究了20名駕駛員在低、中、高疲勞水平下的精神運動警覺性任務(Psychomotor Vigilance Task,PVT)測試的自我評價表現和主觀警覺性方面表現，結果顯示隨著疲勞程度增加，PVT反應時顯著增加，駕駛員對列車操作失誤率增加，駕駛員自我監控能力下降，證實了疲勞增加導致駕駛員警戒性和注意力受損，這與本次實驗結果一致。③工作難度。本次仿真實驗中發現，隨著工作難度增加，實驗人員起重違規作業次數也隨之增加。因為不同的工作難度，要求實驗人員掌握工作技巧有不同的標準，工作難度越大，標準越高，操作難度越大，則操作不熟練概率越大，實驗人員起重違規作業次數越多。④BMI。本次仿真試驗中發現，BMI較高人群在仿真作業時經常出現定點停放壓圈的違規行為，相對于BMI在正常范圍內的人群報告了更多的違規行為。張玲等通過問卷調查得出BMI對OSAHS(即阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征)有顯著的影響，從而影響交通事故發生率，這與本次實驗結果一致。⑤風速。本次仿真實驗中發現，風載荷過大會影響起重機的穩定性和結構性，讓實驗人員出現不同程度的違規作業，因此認為風速越高，起重違規作業操作次數越多，甚至會造成嚴重的傷亡事故。高正平等利用風速觀測資料并結合當地氣象條件，得出不同塔高處風速對吊裝構件偏移量的影響較大，為保證施工安全，風速大于安全值時，應停止吊裝施工，這與本次實驗結果一致。

(2) 中等影響因素：①性別。本次仿真實驗中發現，男性比女性報告了更多的違規作業行為，在實驗過程中，女性實驗人員表現得較為謹慎與細心，產生了較少的起重違規作業次數；男性實驗人員則表現得較為激進與冒險，產生了較多的起重違規作業次數。段在鵬等利用起重機模擬器進行了仿真實驗，通過分析得出女性司機在首次進行起重機操作時，操作失誤次數小于或等于男性司機的失誤次數，這與本次實驗結果一致。②尿意。本次仿真實驗中發現，有尿意的實驗人員比無尿意的實驗人員報告了更多的違規作業行為。在實驗過程中，無尿意感知的實驗人員表現得較為平靜，注意力較為集中，起重違規作業次數較少；有尿意感知的實驗人員注意力較為分散，起重違規作業次數較多。③實驗時長。在本次仿真實驗中發現，實驗所用時長越多，實驗人員起重違規作業次數越少。完成同樣任務所用時長越多，主要是指實驗人員花費更多時間準確停放水桶，表現為較少的起重違規作業次數。

(3)無影響因素：①佩戴設備。本次仿真實驗中發現，實驗人員是否佩戴手套對起重違規作業次數無顯著的影響。佩戴手套的目的是對操作人員的手部進行防護，在本次仿真實驗中，實驗機器對實驗人員無手部危害，因而其影響不顯著。②睡眠質量。回歸分析表明，睡眠質量對實驗人員起重違規作業次數無顯著的影響。LeBlanc等對人群研究發現，睡眠質量不好對工作會有更大的壓力。駕駛起重機是腦力活動，需要全神貫注，壓力過大，精神過于緊張，會有疲勞感，容易造成失誤，這與本次實驗結果存在差異。這可能是因為單個實驗人員仿真實驗時間較短，精力在短時間高度集中，受到睡眠質量的影響較小，實際起重機操作中，操作時間長，睡眠質量可能會影響起重違規作業次數。③外界天氣。目前沒有太多外界天氣對起重安全的研究，但有較多外界天氣對駕駛員安全駕駛行為的影響研究。大多數研究都表明，外界天氣對駕駛員安全駕駛行為有顯著的影響，本實驗得到不同結論可能是因為實驗為仿真實驗，天氣變化對實驗人員的真實影響并沒有體現，因此不會顯著影響違規作業次數。④起重機種類。本次仿真實驗中發現，塔式起重機、門式起重機、橋式起重機在駕駛員起重作業違規次數上沒有統計意義上的顯著性差異。在本次仿真實驗中，起重機種類通過模擬軟件給出，且橋式和門式起重機為同一仿真機器模擬，不能完全真實地模擬。⑤溫度。因為是仿真實驗，在室內進行，溫度沒有極端差異，因此對實驗人員起重違規作業次數無顯著的影響。⑥噪音。Picard等研究發現，每日職業噪聲暴露≥100分貝和噪聲引起的聽力損失可能會干擾機動車輛的安全運行。本次仿真實驗結果與他人研究成果存在差異，可能原因是本次實驗從實驗人員的健康考慮，將模擬實際作業環境下的噪音控制在了46～93分貝之間，并且將噪音絕大多數控制在70分貝以下，沒有產生更多的影響。

4 結 論

本文根據其他學者的研究成果，結合具體實驗流程，收集了19項潛在的起重違規作業影響因素，通過起重機模擬器進行288次人機交互仿真實驗，記錄了不同影響因素下的起重違規作業情況，并利用獨立樣本

t

檢驗分析了二分類因素對起重違規作業的影響，利用方差分析和秩和檢驗分析了多分類因素對起重違規作業的影響，利用廣義線性回歸分析了連續因素對違規作業的影響，最后使用多項Logistic回歸分析了全部影響因素，同時將其與差異性分析結果進行匯總，確定了影響因素等級。結果表明：在起重機械操作中，影響駕駛員起重違規作業的主要因素有音樂種類、疲勞程度、工作難度、BMI和風速，其次是性別、尿意和實驗時長，而手套佩戴、睡眠質量、外界天氣、起重機種類、溫度和噪音等對起重違規作業并無顯著的影響。