基于双频谱脑电信号的脑-机交互理论、方法及其在建筑施工风险识别中的应用

Construction companies can accrue losses due to labor fatalities and injuries. Since more than 70% of all accidents are related to human activities, detecting and mitigating human-related risks holds the key to improving the safety conditions within the construction industry. Previous research has revealed that the psychological and emotional conditions of workers can contribute to fatalities and injuries. Recent observations in the area of neural science and psychology suggest inattentional blindness is one major cause of unexpected human related accidents. Due to the limitation of human mental workload, laborers are vulnerable to unexpected hazards while focusing on complicated construction tasks. Therefore, the ability to detect the mental conditions of workers could reduce unexpected injuries. However, there are currently no available measurement approaches or devices capable of monitoring construction workers’ mental conditions. The research proposed in this paper aims to develop a measurement approach to evaluate hazards through neural time-frequency analysis. The research also describes the development of a prototype for a wearable Electroencephalography (EEG) safety helmet that enables the collection of the neural information required as input for the measurement approach.

人员伤亡往往会对项目及工程公司造成巨大的生命与财产损失。近70%的伤亡事故都与施工人员的活动密切相关，因此监测并预防这些与人为活动相关的风险是提高施工安全的关键。研究表明施工人员的生理及心理状况对人的行为及安全具有重大的影响。近年在神经学的研究也指出由过度脑力负荷引起的无意视盲是引发事故的重要因素。同时，由于施工工程的复杂性及风险性会对施工人员脑力负荷有较高要求，容易导致脑力负荷过度并造成意外伤亡。然而，现有的施工技术与设备不具备监测工人脑力负荷的能力。本课题旨在开发能够监测脑力负荷的可穿戴脑电信号检测设备，并通过时频分析建立模型对施工人员的风险进行评估。

人员安全是工程项目成功的基本前提而合理的安全管理是项目参与人员的生命安全及经济效益的重要保障。研究表明近70%的伤亡事故都与施工人员本身的活动密切相关，因此监测并预防这些与人为活动相关的风险是提高施工安全的关键。近年来脑科学的研究指出由过度脑力负荷引起的无意视盲的现象是引发事故的重要原因。因此本课题旨在通过可穿戴脑电信号检测设备对工程人员的脑力负荷进行量化检测及评估，进以改善工程人员的安全管理。本课题具体的研究内容包括提出针对人员风险识别能力的EEG检测理论框架、提出量化的脑电分析模型、以及利用检测指标开发检测设备。通过本课题的研究，项目组取得了重要的研究成果，包括（1）提出了以量化注意力及警惕性为基础的自动化、智能化数据监测、处理、分析框架；（2）以EEG作为检测对象，利用多频段的谱分析、双频谱分析、信号峰谷事件分析及独立元分析提出了针对注意力及警惕性的检测指标；（3）完成了基于EEG检测的工程安全帽的原型开发。在此过程中，通过实验室内实验及施工现场实验对其可靠性进行了初步验证，并积累了重要的研究数据。本课题的研究成果对于工程人员的安全管理具有重要的科学意义。首先，EEG为工程人员的安全监测提供了全新的检测途径及分析手段。其次 ，对EEG数据的研究及可穿戴传感器的应用为施工管理提供了更直接的量化评估手段。最后，为研究具体施工活动与脑电信号变化的理论模型及作用机理提供理论及硬件基础。