基于AlphaPose與REBA的手工搬運作業(yè)姿勢風(fēng)險評估方法*

陳 星,常 原,鄭穎琇,陳再勵,何華剛

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

與工作相關(guān)的肌肉骨骼疾病(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)是一類職業(yè)性的慢性累積性疾患，是目前備受關(guān)注的職業(yè)健康問題之一[1]。WMSDs涉及各行各業(yè)，患病率較高，嚴(yán)重影響工人的生活質(zhì)量，其中重復(fù)作業(yè)、不舒適的姿勢、搬運、舉重[2]均是導(dǎo)致WMSDs的主要原因。人工搬運作業(yè)[3]廣泛存在于生產(chǎn)生活中，在建筑施工傷害中，因WMSDs造成的傷害占比大于37%[4]，且大部分因人工搬運作業(yè)導(dǎo)致。WMSDs癥狀包括腰痛、頸、肩痛等，在各行業(yè)中搬運作業(yè)人群患病情況極為嚴(yán)重，主要癥狀常見于人體軀干的上肢和下背部區(qū)域[5-6]。據(jù)統(tǒng)計，從事手工搬運作業(yè)的工人中，有25%的工人存在背疼癥狀，23%的工人存在肌肉疼痛癥狀，WMSDs呈高發(fā)態(tài)勢[7-8]。

評估工人作業(yè)姿勢常用方法主要有自我評價法、直接測量和觀察性評估[9]。自我評價法通過對工作日記、訪談、問卷的分析，收集工作場所對工人的不利因素；直接測量法通過試驗對象在工作時附著人體傳感器，收集工人的肌肉骨骼數(shù)據(jù)和運動角度，傳感器主要由運動捕捉系統(tǒng)、腦電圖儀和運動傳感器[10]組成。自我評價法簡單易行，但主觀性較強，只提供最終的疲勞狀態(tài)，不適用于建筑工人身體疲勞的調(diào)查。直接測量法在作業(yè)過程中可能中斷正常工作活動，影響參與者試驗過程中的生理和心理表現(xiàn)。針對人體數(shù)據(jù)收集，一般采用將職業(yè)安全與健康從業(yè)人員要求相結(jié)合的方式，但在建筑制造業(yè)中存在較大局限性。而觀察性評估方法允許工人在工作過程中不受干擾地進行觀察，可為人體工程學(xué)風(fēng)險評估提供精確、準(zhǔn)確的結(jié)果。

計算機視覺技術(shù)在安全風(fēng)險防控方面的應(yīng)用比較廣泛[11]，本文采用人體姿態(tài)識別AlphaPose模型檢測作業(yè)姿勢，根據(jù)關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)信息計算關(guān)節(jié)角度，依據(jù)快速全身評估方法(Rapid Entire Body Assessment,REBA)[12]評分規(guī)則，評估搬運作業(yè)姿勢風(fēng)險大小，便于及時修正工人的高風(fēng)險動作，預(yù)防職業(yè)性肌肉骨骼疾患。該方法通過非接觸式對采集視頻進行識別檢測，可計算視頻中每一幀的骨骼信息、關(guān)節(jié)夾角、REBA評分情況以及該動作風(fēng)險程度，評估過程中不影響正常作業(yè)過程，可廣泛應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場。

1 AlphaPose模型與REBA方法

1.1 人體姿態(tài)識別AlphaPose模型

AlphaPose為分階段檢測模型[13]，采用自頂向下的方法，利用目標(biāo)檢測算法檢測人體，通過單人姿勢估計(Single Person Pose Estimation，SPPE)算法對檢測到的人體進行姿態(tài)估計，選取18個關(guān)鍵關(guān)節(jié)點構(gòu)建人體骨架結(jié)構(gòu)，骨骼關(guān)節(jié)點檢測示意如圖1所示。

注：0-鼻子；1-左眼；2-右眼；3-左耳；4-右耳；5-肩中心；6-左肩；7-右肩；8-左手肘；9-右手肘；10-左手腕；11-右手腕；12-左臀部；13-右臀部；14-左膝蓋；15-右膝蓋；16-左腳踝；17-右腳踝

針對已有骨骼模型存在2個主要問題:定位錯誤和產(chǎn)生冗余檢測結(jié)果[14]。AlphaPose模型添加3個模塊:對稱空間變換網(wǎng)絡(luò)(Symmetric Space Transformation Network,SSTN)、姿態(tài)引導(dǎo)的樣本生成器(Pose-guided Proposals Generator,PGPG)與姿態(tài)非極大值抑制器(Parametric Pose Non-Maximum Suppression，PPNMS)。SSTN通過自動調(diào)整檢測框使目標(biāo)檢測結(jié)果更準(zhǔn)確；PGPG對已有數(shù)據(jù)進行姿態(tài)引導(dǎo)擴充，達(dá)到數(shù)據(jù)增強目的；PPNMS通過定義姿態(tài)距離計算姿態(tài)相似度，可消除冗余的檢測框，實現(xiàn)更精確的姿態(tài)識別與骨骼關(guān)節(jié)點檢測。在MPII數(shù)據(jù)集上對模型進行訓(xùn)練，保證算法的檢測精度滿足試驗要求，采用AlphaPose對人體關(guān)節(jié)點進行檢測，得到18個骨骼關(guān)節(jié)點在每幀圖像中的坐標(biāo)(x,y)，進而計算出該幀圖像人體各個關(guān)節(jié)的夾角。

1.2 快速全身評估方法(REBA)

REBA方法于2000年由Hignett等研發(fā)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的肌肉骨骼疾患評估。其基本原理是通過檢測作業(yè)行為中的6種身體關(guān)節(jié)角度(軀干、上臂、下肢、頸部、下臂、手腕)以及3種影響因素(負(fù)荷、抓握、活動頻率)，對照評分表[12]獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù)，累計相加得到總分，分值高低代表該作業(yè)姿勢的危害程度大小。

REBA方法評估流程如圖2所示。分?jǐn)?shù)查詢表A～C具體見文獻[12]，且分?jǐn)?shù)A由表A得出，分?jǐn)?shù)B由表B得出，分?jǐn)?shù)A與負(fù)荷分?jǐn)?shù)之和得到分?jǐn)?shù)C，分?jǐn)?shù)B與抓握工具分?jǐn)?shù)之和得到分?jǐn)?shù)D，分?jǐn)?shù)C與分?jǐn)?shù)D共同得到表C，并最終得到分?jǐn)?shù)E，最終結(jié)合活動頻率分?jǐn)?shù)(現(xiàn)在所進行的動作頻率)得到作業(yè)姿勢的REBA總分。在搬運過程中搬運動作的頸部和手腕2個部位處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，為排除非必要部位影響，將頸部及手腕在試驗動作中的夾角限制為特定范圍。根據(jù)REBA得分情況，基于表1中REBA與風(fēng)險水平的對應(yīng)關(guān)系，評估搬運作業(yè)姿勢的風(fēng)險等級。

表1 REBA總分與風(fēng)險等級

圖2 REBA評估流程

負(fù)荷分?jǐn)?shù)、抓握分?jǐn)?shù)與活動頻率分?jǐn)?shù)是試驗前設(shè)定的先驗條件，需要在程序運行前作為已知變量進行手動設(shè)定。通過將AlphaPose模型與REBA方法結(jié)合，避免角度觀測與人工打分的主觀性，簡化中間處理過程，結(jié)果以圖表的形式輸出，更加直觀地針對視頻動作進行分析評估，可準(zhǔn)確檢測人體骨骼框架，自動連續(xù)評估研究對象動作，評估效率高。

本文選取常見手工搬運作業(yè)作為研究對象，在試驗室進行視頻采集與數(shù)據(jù)分析工作。

2 手工搬運作業(yè)姿勢風(fēng)險分析

2.1 搬運作業(yè)WMSDs影響因素分析

人工搬運作業(yè)廣泛存在于建筑和土木工程領(lǐng)域，施工工人一般從事搬運物料等高強度作業(yè)，具有連續(xù)性和重復(fù)性，作業(yè)過程中可能因為姿勢不當(dāng)、物料過重、長時間勞動等原因引起身體不適，導(dǎo)致WMSDs風(fēng)險增加[15]，其中最常見的是背傷，事故發(fā)生原因主要是人們對背部安全缺乏重視。依據(jù)《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2009)[16]，結(jié)合近年關(guān)于WMSDs的問卷調(diào)查結(jié)果，篩選搬運作業(yè)可能導(dǎo)致WMSDs的因素，分析手工搬運作業(yè)WMSDs主要影響因素，如圖3所示。

圖3 手工搬運作業(yè)WMSDs影響因素

WMSDs的影響因素主要體現(xiàn)在人、物、環(huán)境、管理4個方面。人的因素包括生理(年齡、身高及體質(zhì)等)和心理(情緒壓力等)因素，通常搬運工齡越長，患病概率越大；動作的實現(xiàn)都要經(jīng)過自身心理過渡，消極的情緒可能會導(dǎo)致工作被動、效率下降，甚至產(chǎn)生不安全行為。物的因素主要包括物料重量、物料可抓握性,物料過重導(dǎo)致工人重體力負(fù)荷作業(yè)；可抓握性小、作業(yè)空間狹小,可能導(dǎo)致工人采用不良的搬運姿勢。環(huán)境因素中，工人所處環(huán)境決定工作效率與安全性，應(yīng)盡量減少在惡劣天氣下的工作時間，長時間工作導(dǎo)致工人操作能力下降，更容易疲勞。管理因素中應(yīng)堅持“安全第一、預(yù)防為主、綜合管理”的原則，提高工人安全防護意識，確保個體防護到位，有輕癥及時處理，搬運作業(yè)姿勢培訓(xùn)尤為重要，可從根本上降低WMSDs發(fā)生概率。

不良的搬運作業(yè)姿勢是手工搬運作業(yè)WMSDs最為重要的影響因素，其它因素都直接或間接導(dǎo)致不良作業(yè)姿勢的產(chǎn)生，進而導(dǎo)致WMSDs患病概率增大。手工搬運作業(yè)目前主要管控方法為現(xiàn)場安全督察，包括個體安全防護、突發(fā)情況應(yīng)急等，不能自動實時評估工人作業(yè)姿勢的風(fēng)險大小，不能現(xiàn)場快速評判動作姿勢的危險性并及時提出改善意見。

2.2 手工搬運作業(yè)姿勢分析

通過實地調(diào)研、問卷調(diào)查及專家訪談等方式，總結(jié)手工搬運物料常規(guī)動作流程如圖4所示，首先觀察貨物具體情況，不能提取超過自己承受重量的物品；靠近貨物采取屈膝下蹲的姿勢，背部挺直提取貨物；提取貨物時腿部用力，身體微向前傾貼近貨物，貨物重的一側(cè)靠近身體，不要扭動身體以免拉傷，緩慢起身；將貨物放到指定位置，放下與提取順序相反。

圖4 手工搬運重物動作流程

搬運過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題包括搬運的物品較重、采取錯誤的搬運動作、將物品從地面抬起時迅速扭轉(zhuǎn)身體、搬運物品時物品距離身體過遠(yuǎn)、僅用身體一側(cè)承受重物等。工人搬運動作不當(dāng)是導(dǎo)致WMSDs的主要原因，下蹲拾取物品過程中最容易出現(xiàn)問題，應(yīng)采取屈膝蹲坐的姿勢保持背部挺直，但大部分工人一般彎腰直腿搬運重物，會加重背部肌肉負(fù)擔(dān)。本文從人體工效率學(xué)角度對2種取物動作進行分析，討論其導(dǎo)致職業(yè)性肌肉骨骼疾患的風(fēng)險大小。

2.3 作業(yè)姿勢風(fēng)險評估框架構(gòu)建

利用AlphaPose模型與REBA方法，構(gòu)建手工搬運作業(yè)的WMSDs風(fēng)險評估框架，如圖5所示。將REBA的評分內(nèi)容應(yīng)用于骨骼數(shù)據(jù)處理階段，對姿勢的最終總得分進行風(fēng)險分級，實現(xiàn)輸出關(guān)節(jié)夾角的同時輸出身體各部位REBA的總得分，生成隨視頻圖像幀數(shù)不斷變化的關(guān)節(jié)夾角、REBA總分以及作業(yè)姿勢風(fēng)險等級曲線圖。經(jīng)過實地考察發(fā)現(xiàn)，搬運動作的頸部和手腕處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，將3種預(yù)先輸入變量(負(fù)荷、活動頻率、手握工具)暫定為0，試驗動作為搬運重物的行為。作業(yè)姿勢風(fēng)險評估框架主要由4部分組成，即圖像和數(shù)據(jù)采集、基于AlphaPose的人體骨骼識別、基于REBA方法的作業(yè)姿勢風(fēng)險計算以及人體工效學(xué)風(fēng)險評估報告生成。后續(xù)對評價過程進行詳細(xì)討論，主要包括計算人體姿態(tài)角度、REBA評分和確定WMSDs風(fēng)險等級3個方面。

圖5 手工搬運作業(yè)WMSDs風(fēng)險評估框架

3 人體關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)處理

3.1 關(guān)節(jié)夾角計算

因為人體姿態(tài)識別模型輸出的是人體18個骨骼關(guān)節(jié)點的空間相對坐標(biāo)及置信度，關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)不能直接輸入REBA，需要將坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)部位的身體姿勢角度。相鄰2個關(guān)節(jié)點可構(gòu)成對應(yīng)的肢體結(jié)構(gòu)，采用空間向量的方法進行計算。

(1)

式中：θLE表示左臂肘關(guān)節(jié)角度，(°)；L1表示左下臂關(guān)節(jié)向量長度；L2表示左上臂關(guān)節(jié)向量長度。

考慮到人體對稱結(jié)構(gòu)，上下臂及腿部關(guān)節(jié)角度分別為左右2組，結(jié)合REBA評分原則，為精確進行評分確定作業(yè)姿勢風(fēng)險，取身體左右對應(yīng)部位的關(guān)節(jié)夾角最大值，如式(2)所示：

θ=max[θL,θR]

(2)

式中：θ表示身體關(guān)節(jié)角度，(°);θL為左側(cè)身體關(guān)節(jié)角度，(°)；θR為右側(cè)身體關(guān)節(jié)角度，(°)。

3.2 數(shù)據(jù)濾波處理

加權(quán)濾波法(Savitzky Golay，SG)的核心思想是對窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進行加權(quán)濾波，加權(quán)權(quán)重是對給定的高階多項式進行最小二乘擬合得到[16]。經(jīng)過SG濾波處理后，可有效保留數(shù)據(jù)變化信息，同時消除數(shù)據(jù)突變。SG計算原理如下：

對當(dāng)前時刻前后共2n+1個觀測值進行濾波，用k-1階多項式進行擬合，如式(3)所示：

xt=a0+a1t+a2t2++ak-1tk-1

(3)

式中：t表示某時刻；xt表示t時刻的觀測值；a0，a1，…ak-1表示參數(shù)，通過最小二乘法確定。

同理，對于前后時刻的預(yù)測值用式(3)進行計算，共得到2n+1個式子，構(gòu)成矩陣，矩陣簡化后如式(4)所示：

X(2n+1)×1=T(2n+1)×k+Ak×1+E(2n+1)×1

(4)

式中：X(2n+1)×1表示2n+1行1列的矩陣X；T(2n+1)×k表示2n+1行k列的矩陣T；Ak×1表示k行1列的矩陣A；E(2n+1)×1表示2n+1行1列的矩陣E。

通過最小二乘法求得A(k×1)的解如式(5)所示：

A=(Ttrans·T)-1·Ttrans·X

(5)

式中：上標(biāo)trans表示轉(zhuǎn)置；()-1表示矩陣的逆矩陣。

模型的濾波值如式(6)所示：

P=T·A=T·(Ttrans·T)-1·Ttrans·X=B·X

(6)

式中：P表示模型濾波值；B表示關(guān)系矩陣。

最終得到濾波值與觀測值的關(guān)系矩陣，如式(7)所示：

B=T·(Ttrans·T)-1·Ttrans

(7)

通過計算B矩陣就可以將觀測值轉(zhuǎn)換為濾波值。

比對施工現(xiàn)場常見搬運動作，將其分解成相關(guān)度較高的3個動作即下蹲、小臂屈曲、手臂抬升，針對動作活動最頻繁的4個關(guān)節(jié)(上臂、下臂、軀干、腿部)進行分析?？紤]到視覺偏差及視頻遮擋對結(jié)果的影響，對下臂肘關(guān)節(jié)進行測試，拍攝肘關(guān)節(jié)的規(guī)則運動如圖6所示，將原始數(shù)據(jù)曲線與 SG平滑濾波處理后的數(shù)據(jù)曲線進行對比分析。

圖6 肘關(guān)節(jié)規(guī)則運動

肘部關(guān)節(jié)夾角運動范圍為20°～150°，角度變化序列如圖7所示，雖然曲線變化趨勢符合預(yù)期效果，但經(jīng)過局部放大可以發(fā)現(xiàn)，夾角波動存在突變。經(jīng)SG濾波處理后的關(guān)節(jié)變化曲線可以直觀看出角度變化的曲線更符合人體運動規(guī)律，過渡更加平滑，沒有明顯突變。

圖7 肘關(guān)節(jié)運動角度序列

綜上，算法提取的人體骨骼框架和視頻中人體的耦合度較高，經(jīng)過人工測量驗證，算法計算精度與實際夾角差距可忽略不計。關(guān)節(jié)夾角的評分依據(jù)REBA方法，每個關(guān)節(jié)的分級跨度均較大，對于關(guān)節(jié)實際角度和算法計算角度在10°以內(nèi)是可以接受的，對最終的評判結(jié)果影響較小。

4 試驗分析

在試驗室對工人搬運動作進行分階段測試，測試試驗對象完成拿起重物的行為，試驗物品采用重量為500 g的長方形物塊。試驗第1階段是經(jīng)過專家調(diào)查證明該動作具有一定骨骼肌肉疾患風(fēng)險的彎腰直腿取物；第2階段是正常屈膝下蹲拾取物品，如圖8所示。

圖8 典型搬運姿勢測試

試驗共采集到312幀圖像，對采集的視頻進行作業(yè)姿勢評估。試驗對象身體主要部位夾角變化如圖9所示。由圖9可知，在第1階段，彎腰直腿俯身取物的軀干夾角和腿部夾角變化不同步，而第2階段的2個關(guān)節(jié)同步變化且角度相差甚較小。腿部和軀干夾角有明顯相關(guān)聯(lián)系，可應(yīng)用于施工現(xiàn)場監(jiān)測視頻，判斷監(jiān)測對象進行搬運動作拿起時，是否有不舒適姿勢的出現(xiàn)。

注：散點表示由原始數(shù)據(jù)計算每一幀圖像的關(guān)節(jié)夾角；實線表示經(jīng)濾波處理后的夾角變化曲線

作業(yè)姿勢REBA得分如圖10所示。經(jīng)SG濾波平滑處理的數(shù)據(jù)，避免因角度范圍微小變化而引起的評分突變，有效提高評分準(zhǔn)確度。整個試驗過程中，REBA總分最低為2，最高為7，風(fēng)險水平為中，作業(yè)姿勢有一定危害，應(yīng)避免長時間連續(xù)工作，需要適當(dāng)改善作業(yè)姿勢。

圖10 作業(yè)姿勢REBA得分

作業(yè)姿勢的REBA總分低于警戒線，第1階段REBA得分波動較大，相對于第2階段得分更高，第1階段隱含危險性更大，在提升試驗物品時身體重心未下降，向前彎腰時腰部負(fù)擔(dān)加重，易扭傷。在進行搬運作業(yè)時，應(yīng)該監(jiān)測現(xiàn)場工人身體各部位風(fēng)險，明確指出其作業(yè)行為中的危險姿勢，針對性地提出改善作業(yè)姿勢建議。

5 結(jié)論

1)利用AlphaPose模型與REBA方法，提出一種非侵入式的作業(yè)姿勢風(fēng)險評估方法，通過采集視頻數(shù)據(jù)對搬運作業(yè)姿勢系統(tǒng)性評估分析，可輸出監(jiān)測對象身體的關(guān)節(jié)角度變化與REBA動態(tài)打分，為改善作業(yè)姿勢提供參考。

2)本文研究方法對于視頻的關(guān)節(jié)角度計算準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)濾波處理降低對視頻采集質(zhì)量的要求，適用于復(fù)雜多變的作業(yè)現(xiàn)場觀測環(huán)境，可推廣到對特定的動作進行分析評價。