活塞生产线中人因素评估及量化方法研究*

李普红 周 军 邓建新 范志君

(①山东大学机械工程学院，山东济南 250061;②山东轻工业学院艺术学院，山东济南 250353;③山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南 250061)

近年来，随着科学技术的高速发展，机械装备朝着自动化、机器人化方向发展，甚至出现了全自动化生产线/车间等。但是手工搬运/操作(Manual Material Handling，MMH)依然存在，在有些场所是自动化设备无法替代的。与MMH有关的肌肉骨骼疾患(Musculoskeletal Disorders，MSDs)发病逐渐增加［1］。MMH 对于短期和长期的人体健康具有多种不良影响。国内外大量的研究表明，在作业领域，不良的MMH作业姿势及体位和长时间劳累是造成职业性肌肉骨骼损伤的主要原因，给企业和社会造成大量的补偿支付成本损失［1－4］。不良的MMH因素主要考虑工作姿势，身体负荷、心理负荷和工作难度。合理的工效学评价和工作设计，能够有效地预防MSDs。人因素评估方式有许多种，多采用定性方式，结果不直观，也不能更好地与一些其他因素结合使用，因此需要采取多种方式进行研究。

1 工作场所人因素

工作场所中由于设施、工件以及作业精细程度特性不同，会直接影响到作业者的工作舒适度，从而使作业者面临不同程度的职业性身体和心理损伤的风险［5］。在人机系统中，对于职业性工作压力最有影响的工作负荷因素已经被许多学者所研究［6－11］，主要的工作负荷因素以及研究内容见表1。

表1 人因素研究内容

这些研究基本上都是以人体工作姿势、负荷以及主观满意度等为优化目标，在此优化目标下达到工作效率高效、工作舒适和减少职业性身心损伤的累积量。这个优化目标，是一种结合心理和生理两种经验的感知，在评价标准上要结合生理测量来评估主观心理感受。

2 人因素评价方法

如何正确地评价工作场所中存在的人因素是预防职业性肌肉骨骼疾患的关键环节。目前，对工作场所中存在的人因素的评价方法，按照危险因素暴露分为自评法、观察法和直接法［13］;按照具体采用的方法可以分为5种，即标准化的检查问卷调查(Checklist)、心理物理学方法(Psychophysical Approach)、生理学模型(Physiological Models)、生物力学模型(Biomechanical Models)、整合的评价模型等［2］。综合起来可以分为定性分析和定量分析两种方法。

2.1 定性分析

定性分析主要凭分析者的直觉、经验、分析对象过去和现在的延续状况及最新的信息资料，对分析对象的性质、特点、发展变化规律作出判断的一种方法。在人因素评估过程中，对危险因素与劳动者负荷之间的相互关系，尤其是心理影响评估分析，则主要由评估对象的直觉和感觉自评得出，通过调查问卷和心理物理学方法进行，属于定性分析。问卷内容包括物理负荷、姿势负荷、时间负荷、社会心理因素以及工作环境因素的问题，在问卷中插入身体部位图或姿势图，多数采用是否的格式和意向尺度量表的方式。此法的最大优点是方法直观，应用范围广，可用于大量的流行病学调查研究，而且费用低。缺点是评估对象对工效学危险因素暴露的评估并不准确可靠。

简单观察法是另一种定性分析方法，利用纸和笔对工作场所存在的工效学因素进行系统地观察记录，此方法目前应用较为广泛，可以对身体各部位的姿势、体力负荷和社会心理因素等进行评估。优势是在不干扰工人正常的作业情况下，能大范围地观察工作场所工效学危险因素，费用低，实用。但是评价结果受制于观察的时段以及观察者的水平，多适用于静态和重复作业的评价。

2.2 定量分析

定量分析是依据统计数据，建立数学模型，并用数学模型计算出分析对象的各项指标及其数值的一种方法。现代技术的发展，使得可以通过仪器来测量人在工作状态时身体各部位工效学因素，并能够进行数据分析，建立数学模型进行计算。在人因素评价中主要方法如下:

(1)生理参数模型 体力劳动时，人体的生理反应如心率、血压、能耗和血液乳酸等都能够体现体力负荷的大小。而能量代谢消耗是早已被广泛接受的评价体力负荷指标，氧需增加和心血管功能下降是疲劳发生的指征。生理参数模型即通过一定的能耗限值、心血管生理指标等评价体力负荷，在限值范围内预防疲劳发生。直接测量氧耗可以估计生理学的需求，目前已发展多种便携式的心率(或脉搏)和氧耗测量仪器。

表面肌电(surface electryomyography，sEMG)技术作为一种生理指标测量技术［14］，就是通过表面电极将中枢神经系统支配肌肉活动时伴随的生物电信号从运动肌表面引导记录下来并加以分析，从而对神经肌肉功能状态和活动水平做出评价。肌电信号是产生肌肉力的电信号根源，它是肌肉中许多运动单元动作电位在时间和空间上的叠加，反映了神经、肌肉的功能状态，在基础医学研究、临床诊断和康复工程中有广泛的应用。多年来，应用sEMG信号特征指标评价肌肉功能状态主要集中在线性的时、频分析2个领域。

(2)生物力学模型 生物力学模型就是通过三维虚拟仿真技术，建立外力作用于人体时人体骨骼受力情况模型，利用该模型来评估外力作用于机体的机械力，特别是作用于腰背的力，目标是使搬运或操作任务对机体的作用力不能超过肌肉骨骼系统的耐受阈值。采用肌电仪、压力分布测试仪等仪器测量机体在外力作用时肌肉受力状态数据，建立数学模型，导入测量数据，来预测机体对外力需求的反应。三维静态骨骼肌肉系统力学模型(3D SSPP)，适用于提举、推拉动作的静态力学分析［15］;全身动态生物力学模型，除了考虑外力外，还考虑速度和加速度，多采用计算机和摄像机分析运动姿势，建立几何生理学模型，利用sEMG进行分析评价，常用于实验室条件下。生物力学模型方法能够提供作用力大小的评价，但不适合重复动作的评价，而且模型建立和实际有一定差距。

2.3 定性分析和定量分析相结合的整合模型

整合的模型是根据问卷法、观察法、生物力学、生理学和心理物理学不同的测量综合考虑而提出的一种新的、为某些特定的搬运和操作任务的限值或指数，简单直观，分析方便，但是范围有限。目前OWAS分析方法，NIOSH分析方法、快速全身评估法(REBA)，是定性分析与定量研究相结合的模型。

OWAS主要分析人体背部、手臂、腿部、头部4个部分的姿势要素和1个负重要素，并对其进行编码赋值，通过这5个要素相互作用的分析以及所定义的5种疲劳等级，用不同数值表示，代表作业姿势需要改进的紧迫程度。优点是对于姿势负荷的评估较为准确，编码简单，并且由计算机程序来执行，比较客观，结果根据专家分类可以分为4类不同应急措施水平。缺点:①多侧重于姿势的评估，工作时长和重复频率未考虑;②对工作中的姿势采取多瞬间时间抽样，适合于静态姿势分析;③各因素之间的相互作用未考虑;④虽然评估中有赋值量化，但评估结果需要专家分类定性。

NIOSH方法是根据生物力学、生理学和心理物理不同的测量综合考虑而提出的一种新的、为某些特定的手工提举任务而制定的限制或指数。美国NIOSH于1991年对抬举方程进行了修订，在原有的推荐重量限值方程中增加了不对称的参数。方程如下:

其中:RWL为可接受的抬举重量;H为搬举起始或终止时手掌中心距两踝关节中间的水平距离，cm;V为搬举起始或终止时手掌距地面的垂直距离，cm;D为搬动起始与终止时的垂直距离，cm;FM为搬运频率参数(根据频率确定不同的系数);A为偏离矢状面的角度，(°);CM为物体易抓参数(根据难易确定为1.0，0.95和0.90);LI为抬举指数。

NIOSH抬举方程能定量评估手工抬举任务的重量负荷，针对人体的脊柱损伤最易感部位LS/Sl损伤可能的负荷限值进行评估。但此法的最大缺点是局限于评价手工抬举任务，对其他部位姿势无法评估，在评估中没有考虑抬举物品的大小以及其他环境因素的影响等。REBA是一种快速全身姿势负荷评估测量工具，将身体按活动部位分为躯干、颈部、腿、上臂、前臂和手腕，分别评估每个部位静态和动态过程中的重量和姿势负荷，按一定的评分标准计算各部位的工效学负荷得分。根据最后REBA得分(表2)，划分工效学负荷等级分类，以便采取相应的控制措施。

表2 REBA得分的等级划分

应用REBA方法进行工效学评估，具有一定的信度，但仍需要进行效度的验证，结合OWAS和NIOSH以及生物力学模型等进行效标效度的验证，或是通过实验室的客观测量来进一步验证REBA的效度，能够获得更好的应用范围。

Coyle［16］应用REBA和新西兰危害控制记录法对超市行业进行工效学负荷评估，结果表明REBA方法在具体工效学负荷或生物力学负荷方面评估结果更为明确，尤其适合工效学干预措施的效果评价。

3 活塞生产线中人因素多指标量化模型

以上各种评估方法，大都局限于对某一个部位或者某个因素的评估，综合性的评估量化模型还不多。在活塞生产中，操作者需要手工操作和搬运，需要对人因素进行量化研究，就是确定这些因素之间的相互权重，从而能够把人因素定量化，与生产布局的其他优化指标结合，从而能够设计出更好的布局方案，提高工作效率，降低工人身心损伤。于瑞峰［5］运用层次分析法分析了工作场所中的人因素权重。单纯的采用1种方法进行人因素量化，存在以下问题:

表3 人因素评价尺度

(1)人因素中各个评价指标，如工作姿势，身体负荷，心理负荷和工作难度的评估依赖于评估者个人的知识经验和判断，因而不够客观。(2)层次分析法两两判断矩阵也是基于评估者个人经验知识以及对现场判断基础上给出的，受到主观条件的制约。(3)在多指标评价中，如果一个指标对其他指标有较大的影响，则该指标的快速发展对其他指标的牵动程度得到相应的提高，从而促进整体的良性发展，故在量化评判中通过层层分析来扩大该指标影响。

因此，采用定性分析和定量分析相结合的方法，利用调查问卷、观察法和REBA方法，赋给活塞生产线上人因素相关评价因素，利用熵值法和层次分析法建立量化模型求解。

3.1 建立指标体系

(1)指标体系确立

利用层次分析法，确立人因素评价指标体系［5］，如图1所示。将整个人因素指标分为3层，目标层U:人因指数U;准则层B:体力负荷B1，脑力负荷B2;指标层C:作业姿态C1，身体负荷C2，作业难度 C3，心理负荷C4。首先确定对每一个准则层来说下层指标的权重，然后在确定每一个指标对应目标层的权重。

(2)各个评价因素的赋值

为了对各评价指标准确赋值，我们在上述作业姿态(表2)、身体负荷、作业难度和心理负荷指标基础上进行细化增加，建立1～10阶标度的评价尺度，如表3所示。其中，作业姿态C1由REBA方法观察计算得分［5］，根据表2，按照风险水平赋值。作业难度和心理负荷的评分尺度由下列因素构成:

①作业的精度要求:有些作业内容的复杂程度和精细程度较高或需要动作的精确度较高，需要作业者高度注意力，这种精神上的高度紧张导致的心理上的兴奋会使人体的肾上腺素分泌增加，从而抑制了人的感情和体力活动能力，引起疲劳的提前出现［5］。Johannsen，Welford等许多学者的研究结果表明:长期处于高度精神紧张的作业，作业者不仅会降低工作满意感和工作动机，而且还可能出现许多身心疾病，影响健康［17］。实验证明，在需要精细操作的工作，比如精密机械加工等，作业者的疲劳程度与总荷重有着极为重要的关系。②作业的操作频次:在自动化作业中，需要作业者手工操作的频次越多，辅助生产时间延长，在总体生产时间上损耗较多，则该工序相对来说较复杂。③操作人员熟练程度:操作人员的熟练程度直接决定着对该工序作业或者搬运的难易。

某活塞生产线各工序作业要求精度和换工装夹具、刀具频次以及作业难度和心理负荷评分如表4。

表4 某活塞生产线各工序作业难度及心理负荷得分

3.2 用熵值法和层次分析法确定各指标权重

层次分析法中要计算各层对上层目标的权重，一般需要将各层的因素进行两两比较，用模糊数1～9标度进行主观赋值计算权重。本文采用基于客观数据计算权重的熵值法进行计算，从而避免因采用赋值计算权重的主观因素的影响，使权重更符合实际情况。

(1)确定各指标熵权

①原始数据规范化处理:对于给定的m个指标，n个项目评价方案的原始数据矩阵为A(aij)m×n，采用极值法进行规范化处理(负项指标，极值越小越好)，对其归一化后得到R(rij)m×n，公式为

②计算第i项指标的熵值

在有m指标，n个项目评价方案的问题中，第i个指标的熵为

③计算第i项指标的的熵权ωi

对于层次分析法的分层评价系统，根据熵的可加性，利用下层架构的指标差异性系数1－ei，按比例确定对应于上层结构的权重值ωk。

(2)构造判断矩阵，求解人因素各指标权重

①根据公式(3)中得出的权重值，进行各层次比较判断矩阵构造。

③一致性判断

表5 一致性指标R.I.的数值

④综合权重系数

在获得各级指标同层各要素之间的相对重要程度wci和wbj之后，就可以计算对总目标的综合重要度

(3)人因素系数U确定

在确定了指标的内容和各项指标的权重系数的基础上，利用广义效用函数，可计算出人因素系数U。

其中:wi为人因素指数指标C层对U层的权重系数;Ci为人因素各影响因素的评估值。

3.3 实例计算

某活塞生产线各道工序人因素评估值如表6。利用熵值法求得各指标层熵权系数ωCi、ωBj如表7。

利用表7中数值，进行各个判断矩阵构造，如下:U－B矩阵:

B1－C矩阵:

B2－C矩阵:

并用方根法求得各层次对应目标层相应权重，并进行一致性判断，可将C层对总目标层U的相对重要性进行排序比较，得到C层元素对总目标U的总权重wi。如表8所示。

进行一致性检验，C.I.，C.R.为零，因此具有完全一致性。所以

表6 某活塞生产线各工序人因素评估值

表7 各指标层熵权重

表8 综合重要度

w=［0.064 129 0.022 181 0.673 464 0.240 227］为活塞生产线人因素指标权重。

利用公式(6)，计算出某活塞生产线每个工序的人因素量化值，见表9。

4 结果分析

(1)从人因素的总排序结果看，作业难度的权重(0.673 464)大于其他3个指标，身体负荷(0.022 181)最低，说明在该生产线各工序的人因素里，作业难度是关键因素，在不同工序阶段，身体负荷相差最小，因为都是负担同一个活塞，与实际观测结果相符。因此对该生产线各工位采取的干预措施是降低作业的难度，在保证加工质量的前提下，选用熟练操作人员和标准化、易操作的夹具量具，提高工作效率，降低工作难度。

表9 某活塞生产线各工序人因素量化值

(2)对于准则层的两个因子，体力负荷B1的权重0.423 041低于脑力负荷B2的权重0.576 959，说明在该生产线各因素中，各工位对操作者的影响主要在于各工序的工作难度以及造成的心理负荷，这些因素间接引起操作者累积性劳动损伤，故要降低操作人员的脑力负荷。从体力负荷B1下的C1，C2，C3的排序结果看，工作难度权重(0.795 978)大于其他2个指标，在体力负荷里边是关键因素，要降低体力负荷，须从改善工作姿势和降低工作难度2个方面入手。从体力负荷B2下的C3，C4的排序结果看，工作难度权重大于心理负荷权重，重视工作难度因素。这些因素集中体现了工作难度因素起主要作用，影响着操作者疲劳程度。

(3)与单纯采用层次分析法得出的结果比较:单纯的层次分析法分析时，在准则层的2个因子的权重系数判定时，一般都会认为体力负荷权重大于脑力负荷，会误导后续求解，导致最终结果与本文模型结果相反结论。而本模型则从不同条件下的人因素出发进行赋值，利用熵值法来确定准则层的各因子的权重系数。

5 结语

本文讨论分析了工作场所人因素以及各种评价方法，针对传统人工活塞生产线中人因素进行了分析，建立了定性和定量相结合的量化模型，用熵值法和层次分析法进行求解计算，避免了由于单一数字主观赋值所造成的判断误差，是一种主客观相结合的有效方法。模型结果对活塞各工序人因素进行评定和量化，为不同工序的人因素改善和量化使用提供了科学依据。

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