一种电力巡检人员身体应力测定系统及其实验方法

技术领域

本发明属于电气工程和人机工程学技术领域，具体涉及一种电力巡检人员身体应力测定系统及其实验方法。

背景技术

电力巡检任务的主要人员执行内容主要集中在不同环境、场地和气候下的电力系统检修，其中人员上肢静态、动态运动以及所处环境感知都是决定检修任务中人体应力程度的关键要素，将这些要素融合采集和评估才能准确的确定和预测检测任务的安全性，并根据这些要素合理的设计和改良现有设备，以保证人员安全和作业效率。我国是制造大国，电力系统的检修任务在我国非常普遍，虽然目前虽然有无人机和智能巡检机器人相关研发，但是由于任务所处环境的多样性、技术的专业性，以及前沿技术的市场化程度较低和经济下行所带来的区域经济不均衡等影响，巡检任务在很大比例上仍然由人工完成。在复杂环境和任务精度的影响下，如果电力系统的结构设计不合理，或检修任务触发时的检修条件苛刻，往往会造成任务内容超出检修人员的预期能力范围，带来培训和实际作业认知失调，极易引发人员财产安全损失的隐患。

很多学者和机构都对身体应力进行了研究。就任务过程来说，人体感知到的压力通常反映出心理压力，表现为担忧、疲惫和注意力集中问题。在生理层面上，被评估为具有威胁性或挑战性的情况会引发压力反应。两个主要系统负责应激反应，分别是自主神经系统(ANS)和下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴。作为对压力源的反应，第一个系统通过交感神经系统(SNS)和肾上腺触发，激活不自主的身体功能，如呼吸、血压(BP)和心跳。生理变化，包括收缩压(SBP)、舒张压(DBP)、心率(HR)和呼吸频率增加，可确保个体保持警觉和专注，并能快速应对压力源。压力源过去后，身体通过副交感神经系统(PNS)恢复正常状态。心率变异性(HRV)是心跳之间的时间变化，是反映交感神经和副交感神经活动平衡的压力指标。第二个较慢的系统，即HPA轴，负责调节影响许多身体功能的激素皮质醇的释放，包括免疫系统、身体代谢以及情绪和情绪的调节，这是作业人员应对压力状况所必需的。慢性压力可以通过持续激活SNS和HPA轴来失调压力系统，导致身体保持恒定的警觉状态。此外，由于长期压力，控制压力反应的负反馈机制无法发挥作用。因此，压力诱导的皮质醇产生并未停止，导致生理压力水平居高不下。由于失调的压力系统会导致多种负面后果，包括代谢、自身免疫、心血管和精神疾病，这也是电力巡检任务所诱发电力系统工人工伤的主要表现形式。因此在系统规划的早期阶段进行干预以改善ANS和HPA轴功能非常重要。

就作业环境来说，在任务行为和生理反应的关系上，人体需要保持37±1℃的合理恒定的核心体温(T

因此结合任务内容和任务环境中的生理机能调节机理，通过身体应力指标分析巡检人员安全。身体应力包括在任务整体区间内或分项区间内的心率变异性(HRV)高频波(HF)和低频波(LF)的比值，在具体的搬运任务中，可以根据人员关节角度、所处高度、环境温度、环境湿度和操作时间求出较为准确的任务-生理应力关系映射，从而得知电力系统任务中工人的生理应力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电力巡检人员身体应力测定系统及其实验方法，通过对任务中人员信息和环境信息的采集，提供生理应力的计算依据，用于解决现有或预研电力装备巡作业中人员生理应力评估的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种电力巡检人员身体应力测定系统，包括可穿戴数据采集系统，可穿戴数据采集系统用于采集使用者在不同姿态下的关节角度、肢体加速度和躯干扭转角度，可穿戴数据采集系统连接有用于采集巡检任务时环境温湿度的环境信息采集器，并通过无线方式连接用于采集使用者心电数据的心电采集器。

具体的，可穿戴数据采集系统包括肩部固定器，肩部固定器的两端分别通过弹力带依次连接肘部定位环、腕部定位环和手套，肘部定位环上安装有肘部数据采集器，腕部定位环上安装有腕部数据采集器，肩部固定器上安装有肩部数据采集器；肩部固定器的下部通过弹力带与背部固定板的一端连接，背部固定板上安装有躯干信息采集器。

进一步的，肘部数据采集器和腕部数据采集器之间通过柔性电路板连接。

进一步的，肩部固定器与肘部定位环之间根肱三头肌长头部位的弹力带内设置有柔性电路板。

进一步的，肩部固定器上设置有调节器。

更进一步的，肩部固定器上对称设置有两块胸部垫板，两块胸部垫板之间通过弹力带连接，调节器分别设置在两块胸部垫板上。

进一步的，背部固定板的另一端连接腰部束带，腰部束带上设置有腰带扣。

进一步的，环境信息采集器包括标定器和环境温湿度采集器，标定器和环境温湿度采集器分别连接对应的手套。

具体的，心电采集器设置在心电束带上，心电束带上设置有心电带卡扣，心电采集器位于乳头连线下方2cm处。

第二方面，本发明实施例提供了一种电力巡检人员身体应力测定实验方法，包括以下步骤：

S1、在巡检任务开始或结束后分别进行时间戳数据对齐，利用可穿戴数据采集系统采集使用者在不同姿态下的关节角度、肢体加速度和躯干扭转角度，利用环境信息采集器采集巡检任务时的环境温度，利用心电采集器采集使用者的心电数据；

S2、实验获得不同电力巡检任务下，由于任务差异所产生的关节角度、肢体加速度、躯干扭转角度和环境差异，并与不同任务下采集的原始HRV数据进行匹配；之后，使用非病理性HRV伪影检测算法提取去伪影后的HRV数据，伪影检测时，编译RR时间序列中所有伪影的列表，对于经滤波后的RR时间序列，包含上阈值R

S3、以环境温度、环境湿度、肘关节角度、肩关节角度、肘关节加速度、手腕加速度、躯干偏转角度数据为特征，构建多层感知神经网络的生理应力预测模型，同去伪影后的HRV数据形成关系映射；β以去伪影后HRV数据中，高频波和低频波的比值作为生理应力评价结果；生理应力预测模型的输入神经元数量为7，隐含神经元数量为11；

S4、在电力系统的巡检任务中，使用可穿戴数据采集系统获取环境温度、环境湿度、肘关节角度、肩关节角度、肘关节加速度、手腕加速度、躯干偏转角度数据，通过在生理应力预测模型中输入环境温度、环境湿度、肘关节角度、肩关节角度、肘关节加速度、手腕加速度、躯干偏转角度数据，计算不同预研装备下电力作业人员的生理应力值，对比验证巡检前后或装备迭代前后工作人员完成任务中的生理应力情况，改进设备或规范人员作业动作，降低生理应力。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种电力巡检人员身体应力测定系统，包括的可穿戴数据采集系统能够适应不同的巡检任务环境，实时对电力巡检人员的身体数据和现场环境数据进行采集。肢体数据的采集内容包含了：关节角度、肢体加速度和躯干扭转角度，目的是为以上述数据为参考了评估作业人员在不同任务姿态下的生理应力情况，为任务的设置或装备的改进提供设计依据；环境信息采集器设置的目的是，以环境湿度、温度数据为参考，评估不同任务环境下人员的生理应力状态；心电采集器设置的目的是，以心电数据中的HRV作为生理应力的表征参数，计算生理应力值，比较不同任务前后、不同工作环境前后的生理应力。以本发明提出的可穿戴数据采集系统为支撑，形成兼顾人-机-环境三者的电力巡检人员身体应力实验评估方法，

进一步的，可穿戴数据采集系统所包括的肩部固定器用于稳定可穿戴数据采集系统在身体的位置，减少系统与肩部的移动摩擦，保证数据采集的精准；肩部固定器的两端的弹力带依次连接肘部定位环、腕部定位环和手套，弹力带的设置能够减少可穿戴系统对肢体运动的干涉，弹力带较细与任务着装的接触面积较小，减少由着装引起的人机交互力因素；肘部定位环上安装有肘部数据采集器，腕部定位环上安装有腕部数据采集器，肩部固定器上安装有肩部数据采集器，三个肢体部位的采集器能够分别独立采集关节角度、肢体加速度信息，并以此为依据观测不同姿态下的生理应力状态，该方法能够为巡检任务的改进提供独立的关节姿态设计参考，同时能够评估装备对不同肢体的干涉程度；肩部固定器的下部通过弹力带与背部固定板的一端连接，该方式能够减少肩-背活动时的人机交互力，背部固定板上安装有躯干信息采集器，躯干信息采集器根据内置的拉压传感器采集躯干扭转角度，以此为依据分析巡检任务中：不同程度弯腰、斜侧、上身转动下的生理应力。

进一步的，肘部数据采集器和腕部数据采集器之间通过柔性电路板连接，根据柔性电路板拉伸后初始值的变化可以测定肘关节弯曲角度，柔性电路板体积小且轻量化，能够更好的与肢体贴合、不易形成运动干涉。

进一步的，肩部固定器与肘部定位环之间根肱三头肌长头部位的弹力带内设置的柔性电路板，电路板拉伸后初始值的变化可以测定肩关节的活动角度，柔性电路板体积小且轻量化，能够更好的与肢体贴合、不易形成运动干涉。

进一步的，为方便使用者穿戴以及适应不同胸围使用者穿戴，设计有调节器，用于调节大臂处弹力带的长度。

进一步的，肩部固定器上对称设置有两块胸部垫板，两块胸部垫板之间通过弹力带连接，胸部垫板的目的是为了将测定系统进行前胸部分的固定。调节器分别设置在两块胸部垫板上，通过按压调节器可以将弹力带放松或者收紧，便于上肢的穿戴以及适应不同人体尺寸。

进一步的，背部固定板的另一端连接腰部束带，腰部束带上设置有腰带扣，通过腰部束带将可穿戴系统的与躯干进行绑定，可通过腰带扣调节束缚强度，确保穿戴牢靠。

进一步的，环境信息采集器包括标定器和环境温湿度采集器，标定器和环境温湿度采集器分别连接对应的手套。环境温湿度采集器，用于采集任务环境的温度和湿度，通过按压标定器为各数据采集器的数据设置时间戳，确保数据分析和对比时的准确性。

进一步的，心电采集器设置在心电束带上，心电束带上设置有心电带卡扣，心电采集器通过设计实现穿戴的独立性，防止移动中与系统其他部位发生拉扯，确保数据的准确性。心电采集器位于乳头连线下方2cm处，该部位受胸部厚度的位置偏移最小，且位于胸壁厚度较薄位置，心电数据采集效果更为准确。

本发明一种电力巡检人员身体应力测定实验方法，S1、在巡检任务实验开始或结束后分别进行时间戳数据对齐，以确保数据比对起始点一致；巡检任务中，利用可穿戴数据采集系统采集使用者在不同姿态下的关节角度、肢体加速度和躯干扭转角度，利用环境信息采集器采集巡检任务时的环境温湿度，利用心电采集器采集使用者的心电数据，该步骤所获得的关节角度、肢体加速度、躯干扭转角度、和环境温湿度数据用于同心电数据进行映射，以分析何种姿态或环境的工况下会造成生理应力的产生和恶化；

S2、实验获得不同电力巡检任务下，由于任务差异所产生的关节角度、肢体加速度、躯干扭转角度和环境差异，并与不同任务下采集的原始HRV数据进行映射。心率变异性(HRV)信号中的伪影会严重扭曲提取的时域和频域参数，从而使从信号中获得的信息可能不可用，因此使用非病理性HRV伪影检测算法提取去伪影后的HRV数据，伪影检测时，编译RR时间序列中所有伪影的列表，对于经滤波后的RR时间序列，包含上阈值R

S3、以环境温度、环境湿度、肘关节角度、肩关节角度、肘关节加速度、手腕加速度、躯干偏转角度数据为特征，构建多层感知神经网络的生理应力预测模型，同去伪影后的HRV数据形成关系映射。以去伪影后HRV数据中，高频波(HF)和低频波(LF)的比值作为生理应力评价结果，该表征方法直接反映了交感神经和副交感神经的活跃程度，因此能够有效表征生理应力情况。利用获取的数据对模型进行训练，生理应力预测模型的7个输入神经元能够反映人员作业和环境特征，11个隐含神经元的设置能够确保计算准确率且防止过拟合；

S4、在电力系统的巡检任务中，使用可穿戴数据采集系统获取数据，以环境温度、环境湿度、肘关节角度、肩关节角度、肘关节加速度、手腕加速度、躯干偏转角度为输入神经元，在生理应力预测模型中输入上述数据，计算电力作业人员的生理应力值，对比验证巡检前后或装备迭代前后工作人员完成任务中的生理应力情况，改进设备或规范人员作业动作，降低生理应力

综上所述，本发明中的可穿戴数据采集系统兼顾了人-机-环境三种因素，包含了电力巡检任务中的主要特征，其具备的可穿戴特征能够减少运动干涉，适应不同的工况和环境，达到对数据的有效测量。在此基础上所建立的生理应力预测模型表征指标科学，通过特征值的改变既能反应生理应力的变化情况，更加精准的反应任务或装备迭代前后的生理应力程度，更加灵活的指导电力巡检任务的设计和装备的预研，保障电力工作人员的人身安全。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明可穿戴数据采集系统结构示意图；

图2为本发明可穿戴数据采集系统各组件结构示意图；

图3为本发明心电采集器结构示意图；

图4为实验中RR时间序列的伪影过滤过程；

图5为多层感知神经网络生理应力预测方法示意图；

图6为HRV伪影检测算法检测和去除伪影的HRV数据示意图；

图7为去除伪影前后的HF和LF的分布示意图。

其中：1.肘部定位环；2.肘部数据采集器；3.腕部数据采集器；4.腕部定位环；5.标定器；6.手套；7.环境温湿度采集器；8.肩部数据采集器；9.肩部固定器；10.调节器；11.腰带扣；12.腰部束带；13.柔性电路板；14.躯干信息采集器；15.弹力带；16.胸部垫板；17.背部固定板；18.心电采集器；19.心电带卡扣；20.心电束带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种电力巡检人员身体应力测定系统及其实验方法，通过可穿戴数据采集系统，心电采集器和环境信息采集器，实验人员可以根据具体需要在不同的实验场地和环境中模拟巡检任务，使实验时的巡检状态更加逼近实际作业，且可穿戴性的数据获取方式对实验人员的影响更小，能够准确的测试出被试人员的生理应力，从而为实际的巡检任务提供指导，并对大型电力装备的预研提供设计依据，使任务在人员的生理承受范围之内，保障作业人员生命财产安全。

请参阅图1和图2，本发明一种电力巡检人员身体应力测定实验系统，包括可穿戴数据采集系统，心电采集器18和环境信息采集器；可穿戴数据采集系统设置在使用者的身上，用于采集使用者在不同姿态下的关节角度信息、肢体加速度信息和躯干扭转角度信息，环境信息采集器与可穿戴数据采集系统连接，用于采集巡检任务时的环境温度、湿度，心电采集器18固定于前胸，用于采集使用者的心电数据，并通过无线方式与可穿戴数据采集系统连接。

可穿戴数据采集系统包括肘部定位环1、腕部定位环4和肩部固定器9。

其中，肘部定位环1和腕部定位环4通过弹力带15进行连接，满足不同臂围的人员穿戴，肘部定位环1上安装有肘部数据采集器2，腕部定位环4上安装有腕部数据采集器3，肘部数据采集器2和腕部数据采集器3之间通过柔性电路板13连接，用于采集人员在不同姿态下的关节角度信息、加速度信息。

腕部定位环4通过弹力带15与手套6连接，用于满足不同臂长的人员。左手手套6上安装有环境温湿度采集器7，用于采集巡检任务的环境温湿度；右手手套6上安装有标定器5，用于在不同动作间进行数据标定，使获得数据通过相同时间戳进行对齐。

肩部数据采集器8安装在肩部固定器9上，用于获得上肢角度。肩部固定器9与肘部定位环1之间通过弹力带15连接，其中一根肱三头肌长头部位的弹力带15内包含有柔性电路板13。

为方便使用者穿戴以及适应不同胸围使用者穿戴，肩部固定器9上设计有调节器10，用于调节大臂处弹力带的长度。

肩部固定器9上设置有两块胸部垫板16，两块胸部垫板16通过弹力带15进行连接，调节器10安装在两个胸部垫板16上。

肩部固定器9下部通过弹力带15与背部固定板17连接，背部固定板17的中间位置装有躯干信息采集器14，躯干信息采集器14通过拉压传感器获得躯干扭转角度。

背部固定板17的下方安装有腰部束带12，使用者通过腰带扣11完成穿戴和固定。

请参阅图3，由于心电采集需要保持稳定，为防止可穿戴数据采集系统中的其他的拉扯和运动干涉，心电采集器18作为独立采集设备采集并记录数据，并设置有心电束带20和心电带卡扣19用于穿戴，心电采集器18设置于乳头连线下方2cm处。

本发明一种电力巡检人员身体应力测定系统，包括以下步骤：

实验开始前，使用者静坐穿戴心电采集器18。

首先，将心电采集器18通过心电束带20和心电带卡扣19固定于前胸，将心电采集器18的位置调整至乳头连线下方2cm处。穿好后，调试蓝牙连接和数据接收状态。

其次，穿戴数据采集系统，将背部固定板17下方安装的腰部束带12打开，按压调节器10将弹力带15拉长至可穿戴位置，穿戴后，根据使用者胸围于调节大臂处弹力带15的长度，完成穿戴。

穿好后，调试蓝牙连接，检查躯干信息采集器14、肩部数据采集器8、肘部数据采集器2、腕部数据采集器3以及环境温湿度采集器7的数据接收状态。

实验开始后，使用者按下右手手套6上的标定器5，进行整体数据的时间戳标定；之后进行电力设备巡检任务，每个巡检任务开始或结束后都需要按下右手手套6上的标定器5，进行时间戳数据对齐。

请参阅图4，对于心电数据，实验使用一种非病理性HRV伪影检测算法，提取去伪影后的HRV数据。消除伪影对时域和频域HRV分析的影响分两个阶段进行。

在第一阶段，伪影检测，编译RR时间序列中所有伪影的列表。

对于伪影检测，使用简单阈值(ST)算法得到经滤波的RR时间序列S(i)为：

其中，X(i)是RR时间序列(所有RR间隔的序列)；R

在第二阶段，伪影校正中，伪影的影响通过以下三种操作之一进行校正：插入、删除和插值样本。

对于伪影校正，差值是在伪影校正阶段采取的主要校正措施，使用中值插值进行HRV实验数据伪影校正得到新插值

其中，W

请参阅图5，在整体或分项任务区间内，完成巡检任务实验，根据所设计的实验任务获得心电数据、环境温度、关节角度、躯干偏转角度、肢体加速度，通过多层感知神经网络形成任务环境对生理应力的预测模型。

通过图6显示了HRV数据异常部分的严重扭曲伪影，以及使用本专利提出的伪影去除方法后的数据状态；通常伪影会引起大脉冲，这些脉冲可能会淹没在信号中的其他非错误峰值中，本方法去除了RR时间序列中所捕捉的两个脉冲。图7显示了通过去除伪影前后的HF和LF的变化，可以显著观察到低频波部分在去除伪影后分布更加均匀。

综上所述，本发明一种电力巡检人员身体应力测定系统及其实验方法，通过可穿戴数据采集系统，心电采集器和环境信息采集器，实验人员可以根据具体需要在不同的实验场地和环境中模拟巡检任务，使实验时的巡检状态更加逼近实际作业，且可穿戴性的数据获取方式对实验人员的影响更小，能够准确的测试出被试人员的生理应力，从而为实际的巡检任务提供指导，并对大型电力装备的预研提供设计依据，使任务在人员的生理承受范围之内，保障作业人员生命财产安全。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。