基于圖像的高處作業(yè)不安全行為識別算法研究

研究發(fā)現(xiàn)，作業(yè)人員不安全行為是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因之一，其中事故發(fā)生率最高的則是高處墜落，因此針對高處施工作業(yè)的典型不安全行為識別研究刻不容緩。1

高處作業(yè)不安全行為危險性分析根據(jù)國家標(biāo)GB/T?3608–2008《高處作業(yè)分級》中有明確規(guī)定：“凡是在墜落高度基準(zhǔn)面2m以上（包含2m）有可能發(fā)生墜落的高處進(jìn)行的作業(yè)統(tǒng)稱為高處作業(yè)”。引起高處墜落的原因復(fù)雜，結(jié)合前人事故案例探究發(fā)現(xiàn)，工人施工中常因不安全心理或過度疲勞“簡化”大量安全操作規(guī)范中明確規(guī)定的安全作業(yè)行為，產(chǎn)生不安全行為，從而誘發(fā)事故。事故傷害主要體現(xiàn)在以下不安全心理與可能的危險上。（1）僥幸心理與省能、省時或省事的心理。不按規(guī)定動作從高處爬下來或等待運(yùn)輸工具將其運(yùn)送下來，常常采用跳躍動作從高處跳下來。從高處往下跳躍過程可能會出現(xiàn)工人衣物與腳手架等物體延伸部分鉤掛纏繞現(xiàn)象從而打結(jié)纏繞人體呼吸等敏感部位（如：頸部、胸部等）造成呼吸困難甚至窒息危險；在落地瞬間，工人往往會因?yàn)轶w重自重帶來的沖擊力感到腳底或腳腕疼痛出現(xiàn)落地時沒有站穩(wěn)的情況，導(dǎo)致腳部扭傷或是崴腳的事故發(fā)生，一旦身體重心發(fā)生偏移，便會使身體其他部分（如腰部、頭部等）摔傷。（2）為達(dá)到省時的目的，單手爬梯。單手力量不足雙手力量的五分之一，同時協(xié)調(diào)靈活性極度降低，因此該動作可能會導(dǎo)致工人作業(yè)時墜落。（3）工人因不安全心理接近危險源，即處于不安全的位置，若沒有按照標(biāo)準(zhǔn)佩戴防護(hù)用品或站在過于靠近放置作業(yè)工具的位置，可能會發(fā)生自身從鄰邊區(qū)域跌落或碰掉作業(yè)工具，從而落物傷人的悲劇。2

不安全行為的特征分析為了及時發(fā)現(xiàn)上述三類不安全行為，本研究基于OpenPose框架采用Python語言開發(fā)三類不安全行為識別程序。由于每秒視頻可以截取25~29張圖片，我們在分析每個動作的過程中要根據(jù)普遍的動態(tài)形態(tài)特征分析截取靜態(tài)特點(diǎn)圖片作為算法識別的基礎(chǔ)，具體特征分析如下。（1）從高處往下跳躍。根據(jù)動態(tài)特征靜態(tài)特點(diǎn)，站姿跳躍或蹲姿跳躍截圖往往呈現(xiàn)出腿部彎曲程度的不同，但特點(diǎn)綜合概括為：膝蓋到臀部的垂直距離變短，具體距離可以根據(jù)人體平均數(shù)據(jù)計(jì)算得到。（2）單手爬梯。這里需要討論兩只手不同情況的特征。1）攀爬用手：其靜態(tài)特點(diǎn)表現(xiàn)為手帶動其同邊胳膊向上運(yùn)動，往往呈現(xiàn)出這只手的高度高于肩部所在高度；2）攀爬時未使用的手：由于受到外界物質(zhì)限制，這只手會處于相對靜止的狀態(tài)，呈現(xiàn)出舉端物體狀或提重物時的下垂?fàn)?。?）在無遮掩的高處邊緣逗留。行走的靜態(tài)特征呈現(xiàn)出正常行走情況下，人不可能同時出現(xiàn)雙腳落地的情況，因此單腳踏入指定范圍，為其靜態(tài)特點(diǎn)。3

高處作業(yè)三類不安全行為識別算法開發(fā)三類不安全行為動作判別趨勢具體如下。（1）從高處往下跳。根據(jù)施工現(xiàn)場性別、年齡等綜合因素的影響，我將選用成年人平均身高下膝關(guān)節(jié)到骼前上棘（即大腿與臀部的明顯分界線處）的垂直距離差作為是否有“向下跳”這一動作的趨勢，因此根據(jù)2019年全民身體健康數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得，我國男子平均身高為167.1cm，女子平均身高為155.8cm；中間腿型處于85~89.9cm。對于站姿跳躍，選取大多數(shù)成年人腿型，選取中間腿型87.5cm作為腿長（大腿小腿長度比例為3∶2），站姿跳躍下蹲緩沖大腿小腿角度不小于90°，通過計(jì)算得膝關(guān)節(jié)到骼前上棘的垂直距離差為：37.1cm，當(dāng)出現(xiàn)“站姿跳躍”行為時，該距離小于37.1cm即可作為判斷依據(jù)。即分別將左、右部膝蓋和同側(cè)髖關(guān)節(jié)作為關(guān)鍵點(diǎn)識別，當(dāng)“右側(cè)膝蓋至右側(cè)髖關(guān)節(jié)垂直距離小于37.1?cm”與“左側(cè)膝蓋至左側(cè)髖關(guān)節(jié)垂直距離小于37.1?cm”至少有一個滿足時，OpenPose可將該行為暫定為站姿跳躍。對于蹲姿跳躍，關(guān)鍵點(diǎn)判別距離約等于人體大腿厚度，為15cm，當(dāng)“右側(cè)膝蓋至右側(cè)髖關(guān)節(jié)垂直距離小于15cm”與“左側(cè)膝蓋至左側(cè)髖關(guān)節(jié)垂直距離小于15cm”至少有一個滿足時，OpenPose可將該行為暫定為蹲姿跳躍，判斷表現(xiàn)如圖1所示。圖1??蹲姿跳躍（2）單手爬梯。根據(jù)動態(tài)視頻中提取的靜態(tài)圖像特征，當(dāng)算法識別到一只手向上伸并保證另一只手檢測不到該趨勢即可，即分別將脖頸、右手手腕與左手手腕作為關(guān)鍵點(diǎn)識別，當(dāng)出現(xiàn)“右手手腕超過脖頸且左手手腕不超過”或者“左手手腕超過脖頸且右手手腕不超過”情況，則可暫識別為單手爬梯，判斷表現(xiàn)如圖2所示。圖2??單手爬梯（3）在無遮掩的高處邊緣逗留。為了滿足同時識別到該站立行走的連續(xù)過程，通常將不發(fā)射放射性物質(zhì)或噴濺物的機(jī)器設(shè)備外1~3?m作為邊緣，為了精確計(jì)算，該算法將成年人的一步長作為邊界范圍。成人正常步幅在65cm左右，一般人的步幅是身高的0.45~0.5倍，并且保證平均身高下男性女性最小危險距離，將邊界危險區(qū)域設(shè)定為83.55cm，引用簡單的線性規(guī)劃，得到正常人在距離劃定邊界一定范圍內(nèi)單腳進(jìn)入邊界危險區(qū)域的距離，即將左腳腳踝與右腳腳踝作為識別關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)“至少一單側(cè)腳踝進(jìn)入劃定的邊界范圍內(nèi)”情況出現(xiàn)，可暫識別為邊緣逗留。在視頻行走識別過程中：視頻識別需要拍攝角度與拍攝方向一致（即需要將拍攝設(shè)備固定，使視頻中變量只有人體）。在視頻中人物一開始所站區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域（非邊緣危險區(qū)域），黃色標(biāo)尺長度按要求，洞口至磚頭之間距離為83.55cm——危險邊緣區(qū)域，人一旦出現(xiàn)一只腳邁入就會識別。識別結(jié)果截圖表示為人在安全不動時區(qū)域未識別出危險，因此不顯示“dangerous”字樣；在行走過程中識別到兩腿兩腳以及進(jìn)入危險邊緣區(qū)域識別左上角出現(xiàn)“dangerous”字樣，如圖3所示。

（a）

（b）圖3??視頻識別人員不安全行為（a）未到危險區(qū)域；（b）進(jìn)入危險區(qū)綜上所述，根據(jù)三類典型動作呈現(xiàn)出的特征，結(jié)合人體工學(xué)尺寸設(shè)計(jì)相關(guān)算法。4

識別結(jié)果通過以上關(guān)鍵點(diǎn)以及所設(shè)計(jì)的識別具體動作的算法，針對所研究的三個可能導(dǎo)致工人高墜事故的中，若識別結(jié)果中顯示人體骨架，即為識別出該危險動作；若識別結(jié)果中該圖片人體上未標(biāo)識人體骨架或骨架連接錯亂，即為未識別出該危險動作或識別錯誤?！霸诟咛庍吘壭凶叨毫簟毙枰梭w與邊界范圍距離的動態(tài)變化，因此有別于以上圖片檢測，針對視頻邊緣行走識別結(jié)果正確顯示為：視頻一直在進(jìn)行人體骨架識別，當(dāng)作業(yè)人員處于安全區(qū)域時，視頻左上角未出現(xiàn)任何危險提示字樣；當(dāng)作業(yè)人員走進(jìn)危險邊緣區(qū)域時，視頻左上角出現(xiàn)“dangerous”字樣作為提示。共計(jì)導(dǎo)入相關(guān)不安全姿態(tài)圖片48張和兩段現(xiàn)場錄制視頻，成功識別40張和兩段段視頻，識別失敗或者無法識別8張，由于網(wǎng)絡(luò)中涉及所分析行為的圖片較少，僅針對以上輸入數(shù)據(jù)分析，圖片識別率約為83.3%，且能夠有效識別視頻中的不安全行為。面對識別失敗或無法識別的樣本，如圖4、圖5所示，分析原因有以下幾點(diǎn)。圖4??分辨率低的識別失敗圖圖5??多人背景的識別失敗圖片（1）圖片分辨率過低，出現(xiàn)雪花紋路無法進(jìn)行識別。（2）本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于單人識別情況，多人出現(xiàn)背景較復(fù)雜的場景下人體識別會出現(xiàn)錯亂。（3）網(wǎng)絡(luò)圖片大多數(shù)為動畫人物，動畫人物與真實(shí)人體組織框架有較大差別，無法識別出。（4）對于真實(shí)人物圖像，因拍攝視角遮擋住重要關(guān)節(jié)識別點(diǎn)而造成錯亂等。5

結(jié)論（1）本研究區(qū)別于廣大綜合算法研究，首次選取建筑施工中三類典型不高處作業(yè)時可能發(fā)生的安全行為為研究對象，并從動態(tài)和靜態(tài)兩個角度對出現(xiàn)此類動作前的趨勢進(jìn)行特征分析。（2）作者構(gòu)建的OpenPose不安全