基于人机交互仿真实验的起重违规作业影响因素分析

段在鹏，艾仁华，邱少辉，谢汉青，王寓霖

(1.福州大学环境与安全工程学院，福建 福州 350108；2.中铝东南材料院(福建)科技有限公司，福建 福州 350015)

近些年起重机械成为我国建筑施工中必不可少的特种设备，但也伴随着巨大的风险。据统计，2018年我国起重机械事故占特种设备事故的比例高达45.66%，死亡人数为116人。其中，违章作业或操作不当导致的起重机械事故18起，总占比约为58%，故而研究人因违规对起重机械事故控制十分重要。

国内外有关起重机械的安全研究主要集中在机械本身的设备特性，如Shapira等对塔式起重机施工现场进行了定量评价，建立了塔式起重机安全评估一体化模型；全维军根据门座起重机风险因素的特点，应用层次分析法和多级模糊综合评判法对其进行了安全评价；卢艳结合危险源分析和事故树，对起重作业常见危险进行了分析，并给出了事故预防措施；Frendo通过对门式起重机脱轨事故进行分析，结果发现起重机脱轨事故是由设计错误引起，故指出设计之前应对起重机进行风险评估；Raviv等利用K-means聚类分析方法分析了大量起重机事故，结果发现技术故障是塔式起重机领域内最危险的危险因素。

目前关于人和环境因素对起重机械违规作业的影响研究相对较少，但是在其他机械行业如汽车驾驶领域对于人和环境因素的安全研究较多。如Hill等利用Logistic回归模型预测了交通事故伤害程度，结果发现不利天气下54岁以上的女驾驶员比同龄男驾驶员汽车碰撞伤害的危险程度更高；庄明科等使用探索性因素分析得出了影响驾驶行为的4个风险因素，并研究了驾驶经验、人格特质、驾驶态度和驾驶技术与驾驶行为的关系；Ersal等首次将神经网络与支持向量机(SVM)分类器结合，研究了驾驶过程中次要任务对驾驶人的影响，并据此判断驾驶人是否分心；Martimussen等利用K-means聚类分析方法，将驾驶人分为熟练的安全驾驶人、易违规的危险驾驶人、不熟练的危险驾驶人、缺乏自信的安全驾驶人4类；陶达等采用方差分析方法研究了驾驶员的性别、年龄和人格特质与危险驾驶行为的关系；Bener等利用SPSS进行统计数据分析，得到了疲劳、嗜睡与不安全驾驶行为之间的关系；张卫华等利用Pearson相关性和结构方程模型(SEM)分析方法，研究了驾驶员性别、危险感知能力、技术性驾驶能力等对低能见度环境中危险驾驶行为的影响程度；史晨军等通过构建基于扩展计划行为理论(Ex-TPB)的驾驶员疲劳驾驶行为结构方程模型(SEM)，得出行为意向、知觉行为控制和行为经验显著正向影响驾驶员疲劳驾驶行为，其中行为意向的影响最显著;段在鹏等首次利用起重机模拟器进行仿真实验，通过对起重机司机失误进行统计分析，并记录新入职的员工操作起重机的各项数据，分析了影响起重机司机失误的因素；徐婷等利用K-means聚类分析方法和AdaBoost算法建立了货车司机安全倾向性分类模型，研究了货车司机驾驶行为的差异性，以便对不同货车驾驶人实行分类管理。

虽然目前国内外有很多关于驾驶人员和环境因素的安全研究，但是汽车驾驶与起重机械操作有较大的区别。因此，本文拟基于对起重机械作业人员在作业过程中受到的各个影响因素，运用统计分析方法进行分析，找出对起重违规作业次数有显著影响的因素，以期为起重作业管理提供指导，进一步提高起重作业的安全管理水平。

1 人机交互仿真实验

1.1 研究问题的提出

汽车驾驶与起重机械操作有较大区别，但原理相似，根据他人的研究结果，本文选定性别、体脂、身体质量指数(BMI)、音乐种类、睡眠质量、疲劳程度、呼吸频率、外界天气、工作难度、实验时长、噪音、风速作为起重违规作业潜在的影响因素。同时，根据实验设备和实验流程，利用起重机模拟器分别模拟桥式、门式、塔式起重场景，将起重机种类作为影响因素指标，操作完毕后根据实验要求带上手套进行再一次的操作。由于设备数量限制，且实验人员和实验次数较多，实验操作过程所处时间和室内温度有所变化，实验人员人体饥饿程度、尿意和人体水分含量也有所变化，因此本文选定起重机种类、手套佩戴、工作时间段、温度、人体饥饿程度、尿意和人体水分含量作为影响因素，探究其是否对起重违规作业有影响。

1.2 实验设备

本次人机交互仿真实验使用WM-SE/TD型、WM-SE/BP型等起重机模拟器分别模拟桥式、门式、塔式起重机作业场景，并采集每个实验人员在不同影响因素下的实验数据，其综合实验平台具体如图1所示。

图1 综合实验平台Fig．1 Integrated platform for experiments

1.3 实验人员

本实验共有48名实验人员，均为高中及大学以上学历，平均年龄为20岁，其中男性35人、女性13人。其各自占比见图2。在实验开始前，让实验人员通过前期学习培训，熟悉基本操作，具备独自操作设备的能力，分别对桥式、门式和塔式起重机模拟器进行未佩戴手套和戴手套操作，实验总次数为288次，记录起重违规作业次数。

图2 实验人员性别分布图Fig.2 Gender distribution of experimenters

1.4 起重违规作业评定规则

本次人机交互仿真实验起重违规作业分为以下几种：①定点停放过程时没有进圈或压圈;②定点停放过程中水桶洒水；③起吊水桶过高(高于5m) ;④起吊水桶过低(低于1m);⑤开始作业前未鸣笛;⑥钩物困难(大于1 min未钩起货物);⑦吊钩与水桶脱开(脱钩)。

1.5 统计学方法

变量为观察对象的某项特征，根据变量特征的属性，变量可分为连续变量和分类变量，其中连续变量的取值是连续可度量的，一般是区间型或比率型变量；分类变量的取值是非连续的，一般代表类别或状态。根据变量分类的数量，变量可分为二分类变量和多分类变量，其中二分类变量表示只能有2种取值的分类变量；多分类变量则表示有3种及以上取值的分类变量。本次实验变量为影响因素，将起重违规作业次数作为评定指标，实验设备模拟结果和人体其他因素作为评定指标因素，探究评定指标因素对评定指标是否有显著的影响。本次实验因素根据变量分类规则，针对不同因素获取方法及其实际意义，将其分为连续因素、二分类因素和多分类因素，并利用SPSS 22.0软件对于不同变量类型，采用不同的统计分析方法进行分析，判别不同因素对起重违规作业次数是否有显著的影响。

1.6 因素获取及分类

根据各类影响因素的获取情况，本实验采用不同的收集方法，并进行因素分类，其分类结果见表1。

表1 实验因素分类Table 1 Classification of experimental factors

2 因素影响差异性检验

2.1 二分类因素影响的差异性检验

采用独立样本

t

检验法对二分类因素影响的差异性进行检验，分析二分类因素对起重违规作业次数的影响，其检验结果见表2。

表2 独立样本t检验法对二分类因素影响差异性的检验结果Table 2 Results of t test of influence difference of binary factors’ independent samples

由表2可知：性别对起重违规作业次数有显著的影响，结合平均值可以得出男性起重违规作业次数多于女性；有无佩戴手套对起重违规作业次数无显著的影响；有无尿意对起重违规作业次数有显著的影响，结合平均值可以得出有尿意会导致起重违规作业次数增加。

2.2 多分类因素影响的差异性检验

多分类变量常用的检验方法有单因素方差分析法检验和秩和检验法。若变量方差齐性，使用单因素方差分析法检验；若变量方差不齐性，使用秩和检验法检验。经统计分析发现：音乐种类、疲劳程度和外界天气3个因素莱文统计的显著性均大于0.05，通过了方差齐性检验，采用单因素方差分析法检验；工作时间段、工作难度、起重机种类和人体饥饿程度4个因素莱文统计的显著性均小于0.05，未通过方差齐性检验，采用秩和检验法检验。

2.2.1 单因素方差分析法检验

分析音乐种类、疲劳程度和外界天气对起重违规作业次数的影响，采用单因素方差分析法对多分类因素影响的差异性进行检验，其检验结果见表3。

由表3可知，音乐种类和人体疲劳程度对起重违规作业次数有显著的影响，外界天气对起重违规作业次数无显著的影响。

表3 单因素方差分析法对多分类因素影响差异性的检验结果Table 3 One-way ANOVA test results of influence difference of polytomous factors

因为是多分类因素研究，各因素具体的差别不能仅依靠平均值分析，还需要对音乐种类和疲劳程度进行多重比较分析。

经过ANOVA检验，得出音乐种类和疲劳程度对起重违规作业次数有显著的差异，选用LSD法进行两两比较，其比较结果见表4和表5。

表4 音乐种类多重比较结果Table 4 LSD results of music types

表5 疲劳程度多重比较结果Table 5 LSD results of fatigue

由表4可知：无音乐情况下的起重违规作业次数显著地少于轻快音乐和动感音乐情况下;舒缓音乐下的起重违规作业次数显著地少于动感音乐情况下;轻快音乐下的违规作业次数显著地少于动感音乐情况下;其他均无显著差异。

由表5可知，轻度疲劳情况下的起重违规作业次数显著地少于重度疲劳情况下，其余均无显著差异。

2.2.2 秩和检验法检验

分析工作时间段、工作难度、起重机种类和人体饥饿程度对起重违规作业次数的影响，采用秩和检验法对多分类因素影响的差异性进行检验,其检验结果见表6。

表6 秩和检验法对多分类因素影响差异性的检验结果Table 6 Rank sum test results of influence difference of polytomous factors

由表6可知：工作时间段、起重机种类和人体饥饿程度对起重违规作业次数无显著的影响；工作难度对起重违规作业次数有显著的影响。

通过采用秩和检验法对多分类因素影响的差异性进行检验，得出工作难度对起重违规作业次数有显著的差异，对其进行成对比较，其比较结果见表7。

表7 多分类因素影响的差异性成对比较结果Table 7 Paired comparison results of influence difference of polytomous factors

由表7可知：工作难度为容易时，起重违规作业次数显著少于工作难度为中、较难和难的情况；工作难度为中时，起重违规作业次数显著少于工作难度为难的情况；工作难度为较难时，起重违规作业次数显著少于工作难度为难的情况；其余均无显著差异。

2.3 连续因素影响的差异性检验

分析起重机作业时连续因素对违规作业次数的影响，可采用广义线性模型方法对连续因素影响的差异性进行检验。经过统计分析，广义线性模型的德宾-沃森数值为1.858，在1.5～2.5之间，无自我相关，且ANOVA检验显示

p

<0.01，说明9个自变量中至少有一个对因变量有显著的影响。连续因素影响的差异性广义线性模型检验结果见表8。

表8 广义线性模型对连续因素影响差异性的检验结果Table 8 Generalized linear model test results of influence difference of continuous factors

由表8可知，通过回归分析发现：BMI和风速与起重违规作业次数在显著性0.05水平上呈显著正向相关；实验时长与起重违规作业次数在显著性0.05水平上呈显著负向相关。

3 因素影响规律分析

3.1 因变量的离散化

人为实验过程存在一定的不可控因素，其也会对实验结果产生影响，为了减少该影响，本文拟对实验结果(起重违规作业次数)模糊化，即将起重违规作业次数离散化，将其转换成新变量称为起重违规作业次数等级，并利用SPSS软件分析数据分布，再利用分割点将起重违规作业次数分成五相等组，阈值分别为5、8、12、17，将其重新编码为不同变量，具体分类等级见表9。

由表9可知，起重违规作业次数越少，等级越低，评价越高。

表9 起重违规作业次数转化等级代码及含义Table 9 Conversion level codes and meanings of illegal hoisting operation times

3.2 逻辑回归分析

因变量为等级数据，可以利用有序Logistic回归进行分析。将上述筛选出的有影响的因素作为自变量，通过检验后发现不符合平行性检验，采用多项Logistic回归对显著性影响因素进行检验，其检验结果见表10。

表10 影响因素的Logistic回归检验结果Table 10 Logistic regression test results of the influencing factors

由表10可知，经过多项Logistic回归检验，最终确定音乐种类、疲劳程度、工作难度、BMI和风速对起重违规作业次数有显著的影响。

3.3 显著性影响因素汇总与分析

将上述差异性分析和Logistic回归分析得到的显著性影响因素进行汇总，其结果见表11。

表11 显著性影响因素汇总Table 11 Summary of significant influencing factors

上述利用人机交互实验与多种统计方法探究了起重作业人员在作业过程中受到的各个影响因素对起重违规作业次数的影响，为了确定因素是否会显著影响起重违规作业次数及其影响程度大小，将其分为3个等级：无影响因素是在差异性分析和逻辑回归分析中均不显著的因素；中等影响因素是仅在差异性分析中显著的因素；强影响因素是在差异性分析和逻辑回归分析中均显著的因素。经调研，音乐种类、疲劳程度、工作难度、BMI、风速和性别等影响因素与实验结果一致；睡眠质量、外界天气和噪音等影响因素与实验结果存在差异，下面进行具体讨论：

(1) 强影响因素：①音乐种类。本次仿真实验中发现，音乐节奏加快，实验人员起重违规作业次数变多；起重违规作业次数平均值在无音乐时最少，在动感音乐时最多。通过询问实验人员得知，在实验过程中，无音乐时实验人员精神较为集中，起重违规作业次数较少，但随着音乐节奏加快，实验人员精神也随之分散，因此产生较多的起重违规作业次数。日本学者Mizoguchi等考虑了音乐的节奏要素，把音乐节奏分为快、中和慢三类，其实验结果表明：高音量的音乐对驾驶行为造成了明显的不良影响，而慢节奏和喜欢的音乐则对安全驾驶有利，这与本次实验结果一致。②疲劳程度。本次仿真实验中发现，随着疲劳程度增加，实验人员起重违规作业次数也相应增加。在实验过程中，生理和心理疲劳程度增加会导致实验人员警戒性和注意力受损，警戒性的降低会使实验人员起重违规作业概率增加，而注意力受损会导致在实验人员起重违规作业行为发生时无法及时纠正，使得起重违规作业次数增多。Dorrian等研究了20名驾驶员在低、中、高疲劳水平下的精神运动警觉性任务(Psychomotor Vigilance Task,PVT)测试的自我评价表现和主观警觉性方面表现，结果显示随着疲劳程度增加，PVT反应时显著增加，驾驶员对列车操作失误率增加，驾驶员自我监控能力下降，证实了疲劳增加导致驾驶员警戒性和注意力受损，这与本次实验结果一致。③工作难度。本次仿真实验中发现，随着工作难度增加，实验人员起重违规作业次数也随之增加。因为不同的工作难度，要求实验人员掌握工作技巧有不同的标准，工作难度越大，标准越高，操作难度越大，则操作不熟练概率越大，实验人员起重违规作业次数越多。④BMI。本次仿真试验中发现，BMI较高人群在仿真作业时经常出现定点停放压圈的违规行为，相对于BMI在正常范围内的人群报告了更多的违规行为。张玲等通过问卷调查得出BMI对OSAHS(即阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征)有显著的影响，从而影响交通事故发生率，这与本次实验结果一致。⑤风速。本次仿真实验中发现，风载荷过大会影响起重机的稳定性和结构性，让实验人员出现不同程度的违规作业，因此认为风速越高，起重违规作业操作次数越多，甚至会造成严重的伤亡事故。高正平等利用风速观测资料并结合当地气象条件，得出不同塔高处风速对吊装构件偏移量的影响较大，为保证施工安全，风速大于安全值时，应停止吊装施工，这与本次实验结果一致。

(2) 中等影响因素：①性别。本次仿真实验中发现，男性比女性报告了更多的违规作业行为，在实验过程中，女性实验人员表现得较为谨慎与细心，产生了较少的起重违规作业次数；男性实验人员则表现得较为激进与冒险，产生了较多的起重违规作业次数。段在鹏等利用起重机模拟器进行了仿真实验，通过分析得出女性司机在首次进行起重机操作时，操作失误次数小于或等于男性司机的失误次数，这与本次实验结果一致。②尿意。本次仿真实验中发现，有尿意的实验人员比无尿意的实验人员报告了更多的违规作业行为。在实验过程中，无尿意感知的实验人员表现得较为平静，注意力较为集中，起重违规作业次数较少；有尿意感知的实验人员注意力较为分散，起重违规作业次数较多。③实验时长。在本次仿真实验中发现，实验所用时长越多，实验人员起重违规作业次数越少。完成同样任务所用时长越多，主要是指实验人员花费更多时间准确停放水桶，表现为较少的起重违规作业次数。

(3)无影响因素：①佩戴设备。本次仿真实验中发现，实验人员是否佩戴手套对起重违规作业次数无显著的影响。佩戴手套的目的是对操作人员的手部进行防护，在本次仿真实验中，实验机器对实验人员无手部危害，因而其影响不显著。②睡眠质量。回归分析表明，睡眠质量对实验人员起重违规作业次数无显著的影响。LeBlanc等对人群研究发现，睡眠质量不好对工作会有更大的压力。驾驶起重机是脑力活动，需要全神贯注，压力过大，精神过于紧张，会有疲劳感，容易造成失误，这与本次实验结果存在差异。这可能是因为单个实验人员仿真实验时间较短，精力在短时间高度集中，受到睡眠质量的影响较小，实际起重机操作中，操作时间长，睡眠质量可能会影响起重违规作业次数。③外界天气。目前没有太多外界天气对起重安全的研究，但有较多外界天气对驾驶员安全驾驶行为的影响研究。大多数研究都表明，外界天气对驾驶员安全驾驶行为有显著的影响，本实验得到不同结论可能是因为实验为仿真实验，天气变化对实验人员的真实影响并没有体现，因此不会显著影响违规作业次数。④起重机种类。本次仿真实验中发现，塔式起重机、门式起重机、桥式起重机在驾驶员起重作业违规次数上没有统计意义上的显著性差异。在本次仿真实验中，起重机种类通过模拟软件给出，且桥式和门式起重机为同一仿真机器模拟，不能完全真实地模拟。⑤温度。因为是仿真实验，在室内进行，温度没有极端差异，因此对实验人员起重违规作业次数无显著的影响。⑥噪音。Picard等研究发现，每日职业噪声暴露≥100分贝和噪声引起的听力损失可能会干扰机动车辆的安全运行。本次仿真实验结果与他人研究成果存在差异，可能原因是本次实验从实验人员的健康考虑，将模拟实际作业环境下的噪音控制在了46～93分贝之间，并且将噪音绝大多数控制在70分贝以下，没有产生更多的影响。

4 结 论

本文根据其他学者的研究成果，结合具体实验流程，收集了19项潜在的起重违规作业影响因素，通过起重机模拟器进行288次人机交互仿真实验，记录了不同影响因素下的起重违规作业情况，并利用独立样本

t

检验分析了二分类因素对起重违规作业的影响，利用方差分析和秩和检验分析了多分类因素对起重违规作业的影响，利用广义线性回归分析了连续因素对违规作业的影响，最后使用多项Logistic回归分析了全部影响因素，同时将其与差异性分析结果进行汇总，确定了影响因素等级。结果表明：在起重机械操作中，影响驾驶员起重违规作业的主要因素有音乐种类、疲劳程度、工作难度、BMI和风速，其次是性别、尿意和实验时长，而手套佩戴、睡眠质量、外界天气、起重机种类、温度和噪音等对起重违规作业并无显著的影响。