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基于眼动分析的桥吊司机安全操作结点研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 214次


施笑畏1  张天先1  姚波1

1上海海事大学 物流工程学院 上海 201306

摘要为了提高桥吊操作安全性,首先运用桥吊司机安全操作结点的相关理论,再结合眼动与注意力的生理学知识,用眼动仪采集桥吊司机操作不同箱型时的眨眼、注视、扫视、眼脸张开度、瞳孔直径等眼动参数,利用AHP层次分析法对多项眼动参数进行权重分析,得到眨眼次数和注视次数为主要眼动参数。对各操作结点的主要眼动参数进行横向对比,得到吊具连接和集箱就位两个最影响安全的关键操作结点。再探究关键结点的注视视线分布和关键结点眼动参数相关性,综合分析以上可得出桥吊司机在20英尺和40英尺集装箱下的操作特性,为桥吊司机新手的理论培训和安全作业提供参考。

关键词:桥吊司机,眼动参数,层次分析法(AHP),关键结点

中图分类号:U169               文献标志码:A

The crane driver safety Operation of key nodes of the bridge research based on eye movement analysis

Shi Xiaowei1  ZhangTianxian1  YaoBo1

(1.Logistics Engineering College, Shanghai Martime University,.Shanghai201306, China)

Abstract:To improve the operational safety of the crane drivers.In this paper, use the theory of bridge crane safety operation node and combine with the knowledge of eye movement connect with attention about physiology. Smart eye are used to collect eye movement parameter of crane drivers such as blink,fixation,saccade,eyelid opening,pupil diameter in different box. Using AHP analytic hierarchy process to a number of parameters for weights analysis. Get the main eye movement parameters of the blink and fixation. Horizontal contrast the main eye movement parameters of the operating junction,then know sling connection and the container in place are the critical operations nodes affect safety. Then explore the critical gaze of key nodes and the correlation of the critical nodes about the eye movement parameters. Finally,though comprehensive analysis all above can be drawn from the operating characteristics of the crane driver at 20 ft and 40 ft containers, which for bridge cranes driver’s theory training and safety working to provide the reference.

Keywordsbridge cranes driver,eye movement parameters,Analytic Hierarchy Process(AHP),key node

0引言

[1]   截至2014年,我国的港口货物吞吐量和集装箱吞吐量连续10年位居世界第一,但港口整体服务水平低。港口的综合实力水平与集装箱装卸作业效率密切相关。而桥吊司机的操作效率是直接影响港口作业效率的关键。桥吊司机操作过程中时常发生桥吊作业事故[1]。目前对于桥吊司机安全的研究仅停留在原理分析阶段,相应的安全分析和监测系统的开发还需要进一步深入研究。

桥吊操作结合眼动视觉研究的内容在国内外资料较少,较多的都是公路汽车驾驶,火车驾驶,飞机驾驶等研究结果[2-5]。已有研究表明桥吊驾驶员的主观人为因素和不规范操作成为重要原因[6]。在所有的桥吊安全事故中,事故发生的时间结点呈现规律性,多为吊具和集装箱接触的起始到终止阶段[7]。国内外研究发现,对于港口桥吊事故发生中,人为原因在其中占有主要因素。不规范的人为操作所引发的作业事故占港口事故总数的65%[8]

本文从桥吊司机操作的安全性出发,由眼动参数做数据支持,参考《桥吊安全结点操作法》[9],结合生理学相关知识和AHP层次分析法,最后分析数据得出桥吊司机在操作过程中的关键结点,又由关键结点的眼动特性得出的相关结论,为有关部门的培训和学习等工作提供理论依据和数据参考。

1眼动研究的理论依据

在采集桥吊司机操作不同箱型的眼动参数时,需要结合桥吊安全操作结点相关理论。通过注意力与眼动参数的相关知识,可采集与注意力相关的眼动参数。再用AHP层次分析法对眼动参数进行权重分析,得到最重要的眼动参数。为后面的眼动分析提供依据。

1.1桥吊安全结点操作法

为进一步地规范桥吊司机操作行为和达到安全高效的目的,在总结辛宝良等桥吊司机的经验基础上,归纳了《桥吊安全结点操作法》[9]。通过对码头桥吊司机的部分调查问卷显示,70%的桥吊司机都对此有所了解,并且对于作业结点的区分十分清楚。按桥吊操作全过程分解成以下的控制点,如图1所示。

作业

桥吊

就位

起吊

离地

吊具

连接

集箱就位

小车

运行

吊具

回升

停止

作业

舱内起吊

双箱

起吊

就位

工间

异常

 

 

 

 


1 桥吊操作过程控制结点

Fig1 The process of crane operating control node

1.2与注意力相关的眼动参数

在总结了相关文献资料后[10-14] 影响人的注意力的因素多种多样,客观的天气,光线,声音等等因素,主观的有人的心情,压力,身体状况等等。但是在多种能够反映人的注意力状态的因素中,人的眼睛的活动状况是最即时也是最能简单获得的。在总结了若干有关眼动与注意力的生理学相关文献资料后,得出反映注意力的眼动参数主要有,眼睛注视情况,眨眼频率,视线跳跃度等因素,同时与瞳孔大小也有一定联系。结合相关资料对于眼动参数的已有研究,初定选用以下几种眼动数据进行分析和研究。即眨眼(Blink),注视(Fixation),扫视(Saccade),眼睑张开度(Eyelid Opening),瞳孔直径(Pupil Diameter,注视方向(gaze direction

1.3 AHP层次分析法的应用

AHP层次分析法[15]能够处理多目标、多准则、多层次复杂决策问题。在本文中,通过对相关文献资料,对桥吊司机的问卷调查,以及访谈形式的交流中,能把得到的相关信息结合层次分析法的理论转化为一个定量计算。

1.3.1 层次结构模型的构建

根据眼动眼动实验所得参数以及对桥吊司机操作过程的整体分析,确定桥吊司机注意力集中为目标层A,准则层B为眼动参数的三大类,头部活动B1,眼部活动B2,视线分布B3,指标层为准则层的具体参数指标,具体为头部位置C1,头左右转动度C2,头上下转动度C3,头倾斜度C4,眨眼次数C5,眼睑张开度C6,扫视次数C7,瞳孔直径C8,注视次数C9,视线起点C10,视线方向C11。该层次结构模型如图2所示。

 


 

2 桥吊司机注意力集中层次结构模型

Fig2 The AHP model of crane drive’s focus

1.3.2眼动参数权重的确定

通过层次结构模型的构建,再通过对上一层次某因素与本层次相关因素之间相对重要性的比较和层次结构图,构造判断矩阵,权重计算以及一致性检验。最后进行层次总排序及一致性检验。权重情况为表1所示。其中眨眼次数权重为27.90%,注视次数权重为19.66%,初步选取眨眼次数和注视次数两个眼动参数为下文研究桥吊司机操作关键结点。

 

1 决定桥吊司机注意力的眼动参数权重表

Tab 1 The eye movement parameters attention weight table of crane driver

 

眼动参数大类

眼动参数

参数权重

头部活动

头部位置

5.55%

左右转动度

1.72%

上下转动度

1.72%

倾斜度

3.21%

眼部活动

眨眼次数

27.90%

眼睑张开度

3.87%

扫视次数

3.87%

瞳孔直径

9.52%

注视次数

19.66%

视线分布

视线起点

7.66%

视线方向

15.31%

2眼动实验及眼动数据的采集

眼动实验在上海海事大学校内的真实集装箱起重机上进行的,实验所用的桥吊和集装箱是振华港机赠予的真实起重机械,是真实的集装箱和起重机。同时邀请到了振华的具备操作经验的桥吊司机现场操作,使实验所得的数据更具研究价值,使研究结论更为客观。

2.1眼动实验的设计

实验内容主要是20英尺和40英尺集装箱的装卸操作,20英尺和40英尺集装箱交替操作,从地面装至货船,从货船卸至地面。实验主要分为2个阶段:1.桥吊司机在集装箱起重机进行20英尺和40英尺集装箱的装卸操作。2.实验人员在桥吊司机在操作时记录各项眼动数据。本文主要研究的是桥吊作业的操作结点,所以同时操作眼动仪记录和摄像机记录非常重要。而且这两个阶段是同时进行的。

2.2眼动数据的采集

实验人员用眼动仪smarteye pro5.5记录下桥吊司机操作时候的眼动参数,还在桥吊上另外安装三台摄像机,用于拍摄驾驶舱外吊具工作的全过程,即吊箱操作的全过程,以及驾驶员手部的动作,视频资料和眼动参数资料是实时对应的。所以外部摄像机的摄像内容一定要与眼动仪记录的司机的眼动参数一致。本文主要研究的是桥吊作业的操作结点,所以同时操作眼动仪记录和摄像机记录非常重要。为了减少桥吊司机不适感,本实验采用smart eye非强迫式视线追踪仪器。

3眼动数据的分析

由相关理论介绍和权重分析得出的结论,选取眨眼和注视两个眼动参数为确定桥吊操作结点中的关键结点的主要数据。操作结点划分依据《桥吊安全结点操作法》分为桥吊就位,吊具连接,起吊,小车运行,集箱就位,吊具回升六个部分。由于本文主要是对操作结点的研究,故准备以结点划分提取数据并归类保存。根据研究方向,利用数据分析软件对初筛选之后的数据进行分析,结合相关理论得到分析结果。

3.1 Blink(眨眼)和Fixation(注视)的相关数据分析

3.1.1 Blink(眨眼)的相关数据分析

选取操作对象为20英尺和40英尺集装箱的两部分眨眼数据进行分析。其中,作业时间通过吊箱操作现场视频和数据帧数/频率综合得出,眨眼次数由导出的数据文件直接读出,每分钟眨眼次数=(眨眼次数*频率)/作业时间,平均眨眼持续时间=眨眼持续帧数/频率/眨眼次数。

(1)  作业时间对比:

 

3  2040’集装箱操作结点作业时间对比图

Fig3 Container operating junction working time’ s Comparison Chart of 20 TEU and 40 TEU

 

如图3所示,首先可以得出在总的操作时间上40英尺集装箱花的时间比20英尺集装箱多。其次可以发现,桥吊就位,吊具连接,小车运行和集箱就位这几个操作结点所用的时间相对较多,而且这4个操作结点的操作内容可能相对较繁琐,所以桥吊司机在这4个操作结点时需要更小心地完成操作

(2)  眨眼次数对比:

 

图4  20’40’集装箱操作结点平均每分钟眨眼次数对比图

Fig4 The comparison chart of Container operating junction point average number of blinks per minute

 

如图4所示,相同箱型的集装箱吊箱操作过程中,吊具连接和集箱就位两个操作结点的眨眼次数明显低于其他操作结点。还计算得出,在相同环境下,40英尺集装箱操作时的眨眼次数平均每分钟比20英尺集装箱操作时少0.2次。

(3)  眨眼持续时间对比:

 

 

5 2040’集装箱操作结点平均眨眼持续时间对比图

Fig5 Container operating junction point average blink duration comparison chart of 20 and 40 TEU

 

如图5所示可以得出在吊具连接和集箱就位两个操作结点的平均眨眼持续时间明显低于其他结点,同时,20英尺集装箱操作的平均眨眼持续时间相比40英尺集装箱相对稳定。且各个结点的平均眨眼持续时间的平均值略微大于40英尺集装箱操作的该数值。

(4)  眨眼对比分析结果:

2 不同箱型操作整体眨眼情况分析表

Tab2 The different box operational blink analysis table of 20 and 40 TEU

 

作业情况

20英尺集装箱操作

40英尺集装箱操作

平均作业时间(s

270.72

360.57

平均每分钟眨眼次数(次)

6.53

6.33

平均眨眼持续时间(s

0.31

0.30

 

由表2所示,在作业时间上,T20<T4020英尺集装箱平均每分钟眨眼次数比40英尺集装箱多0.2次,在各个结点平均眨眼持续时间上,t20>t40。在吊具连接和集箱就位两个结点的眨眼频率最小和眨眼持续时间短。

3.1.2 Fixation(注视)的相关数据分析

根据实验所得到的数据总体来看,Fixation(注视)参数的采集质量较差,与眨眼相比有多个样本内未采集到该数据,故分析结果可能缺乏普遍性,但是其存在代表性并有一定的价值。其中注视帧数所占比例为注视帧数/结点总帧数,能说明在某个操作结点过程中,发生注视这一行为的时间比例。

6 2040’集装箱操作结点注视帧比例图

Fig6 Container operating junction gaze frame scale table of 20 and 40 TEU

由图6可以看出,虽然存在误差点,但是对研究有一定的辅助作用。由图分析可得以下内容:

(1) 从吊具连接开始,一直到集箱就位,这四个操作结点桥吊司机的注视频率明显增大。

由于20英尺和40英尺集装箱的视觉效果以及操作特点不同,在操作40英尺集装箱时,需要桥吊司机的注意力更为集中。

(2) 从吊具连接开始,桥吊司机的注视频率开始增大,且一直保持到集箱就位结束。另外,40英尺集装箱操作的整体注视频率大于20英尺集装箱操作。

3.2关键结点的注视视线分布探究

利用AutoCAD软件批量导入所有注视方向的坐标数据。如图78所示。

   

7桥吊司机注视区域(20英尺集装箱和40英尺集装箱)

Fig7 Crane driver attentional region(20 TEU and 40 TEU)

如图7所示,图中约70%的点集中30%左右的边界区域,由此可知,桥吊司机在吊箱操作过程中的吊具连接和集箱就位这两个关键结点,操作时的主要注视区域在集装箱的边缘。在作业的时候,吊具和集装箱的连接情况以及集装箱和集卡的连接情况是司机需要重点观察的.

3.3关键结点眼动参数的相关性分析

把每帧的眼睑张开大小和瞳孔直径视为相关变量。眼睑张开度和瞳孔直径相关散点图如图8所示,眼睑张开度和瞳孔直径之间的关系不明显,以下利用相关系数继续研究。

 

 

Pearson相关系数:

其中,n为样本容量,和分别为两变量的变量值。

实验中选择双侧显著性检验概率的双元变量相关性分析,结合桥吊司机作业关键结点划分,如表3所示

3按照结点类型的双变量相关性

Tab3 According to the node type of bivariate correlation

Type

Eyelid Opening

Pupil Diameter

非关键结点

Eyelid Opening

Pearson 相关性

1

-0.02

显著性(双侧)

 

0.705

N

377

377

Pupil Diameter

Pearson 相关性

-0.02

1

显著性(双侧)

0.705

 

N

377

377

关键结点

Eyelid Opening

Pearson 相关性

1

.318**

显著性(双侧)

 

0

N

993

993

Pupil Diameter

Pearson 相关性

.318**

1

显著性(双侧)

0

 

N

933

933

**.01水平(双侧)上显著相关

 

由表4可知,对于非关键结点,眼睑张开度和瞳孔直径相关系数为-0.020,其显著性为0.705,大于0.1,即对于非关键结点,这两个眼动参数相关性不明显。而对于关键结点,眼睑张开度和瞳孔直径的相关系数为0.318,其显著性值为0.000,即对于关键结点,这两个眼动参数具有明显的相关性。

由以上分析可初步得出,眼睑张开大小和瞳孔尺寸相关性大小与当前操作作业时,桥吊司机的关注程度有关,即与桥吊司机信息处理的负荷有关。

4结论

通过综合分析以上可知,桥吊司机在操作20英尺和40英尺集装箱的若干个操作结点中,存在关键结点,为吊具连接和集箱就位。且桥吊司机在操作吊具连接和集箱就位操作时,视线注视区域主要分布于集装箱边缘,在这两个操作结点,吊具和集装箱的实时连接情况对于安全作业是十分重要的。桥吊司机作业过程中,眼睑张开度和瞳孔直径的相关性和桥吊司机对于当前作业的信息负荷程度有关,关键结点的眼睑张开度和瞳孔直径大小存在一定相关性,如何根据眼睑张开度和瞳孔直径等眼动参数的指标来对桥吊司机进行疲劳预警,有待实验的下一步研究。

参考文献

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[15] 张丽杰,骆素君,柴树峰.层次分析法在区域物流中心选址中的应用[J].物流科技,2011,5.

 

 



[1][1]基金项目:上海市人才发展基金项目(201508)集装箱码头装卸系统智能调度研究

作者简介:施笑畏(1973—),女,浙江嘉兴人,副教授,博士,研究方向为数据挖掘、人工智能、数字电视的应用和CAD/CAM。

 

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