工廠環境下的工作-休息排程與動態光策略研究初探

何思琪

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045; 2. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400030)

工廠環境下的工作-休息排程與動態光策略研究初探

何思琪1，2

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045; 2. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400030)

中國工人職業健康與安全生產問題受到國內外相關機構密切關注，是工人階層民生狀況的重要議題。本文旨在基于動態變化的工業生產背景，探索工人工作時間、疲勞周期、光生理心理效應之間的關系，從工人群體共性問題探討到個體差異，提出應對工人作息的動態光策略研究方向。通過實地調研分析結合文獻研究的方式，探索未來研究方向與方法的可能性:當下和未來的工作時間系統、動態光策略應對工人的節律差異，心理偏好，疲勞周期具有良好適應性，包含時間系統設置，光劑量設置，亮度與色溫配對設置，以達到工作節奏與生理節律匹配，適當提高警覺度、緩解工作疲勞的目的，從而改善工人健康狀況并提升生產效率。

工作-休息時間排程；生理節律；疲勞周期；動態光環境

引言

疲勞生產加劇工傷事件的發生[1]，長期疲勞積累亦對工人生理、心理產生不良影響，導致疾病。多年來，中國工人工作狀況已得改善，大部分規范經營的工廠嚴格控制工時。但工廠工作環境與一般辦公室環境仍存在巨大差異，主要體現在以下兩點：①行動自由程度低；②夜間工作普遍。工作排程研究應探索如何預防或緩解工廠工作造成工人生理、心理健康隱患的工作模式。

工作-休息時間排程是工業生產、工人健康、工業能耗三者的博弈(如圖1所示)，它包括工作時間設定與休息時間設置，工作環境因素亦關鍵。在工作排程的博弈中，如何平衡三者、達到整體最優，是研究的重點，因此，本文對視、腦疲勞、睡眠節律與工作照明的關系展開討論，探索健康照明策略。傳統工廠車間中，高效高強度人工光源廣泛應用于工廠工作照明，造成高能耗與工人健康隱患，而近年來，具有節能環保、體積小等優勢的LED技術借助產業資本與政府補貼的雙重推動作用下，逐步進入室內照明，但LED光品質具有與人體生物不一致、不和諧效應[2]。前期研究多聚焦于視功效，視舒適度，工作者偏好照明等方面，多用主觀評價的方法，而背后的復雜生理心理機制還未深挖掘。晝夜倒班的流水線工人接受長時間、大劑量的高強度人工光的照射是流水線生產的普遍現象，導致工人節律被擾亂、工作疲勞高頻發生且程度嚴重。

圖1 工作休息排程優化的博弈Fig.1 Gambling of work-rest schedule

1 初步研究

該廠總裝車間尺寸為 94 m×51 m×9 m，為無天窗、機械通風車間如圖2所示，目前，該電子工廠室內照明以局部工作臺照明為主(圖3)。在冬季進行的測量中，由于無天窗，車間中部區域色溫明顯低于室外，在3 000 K～5 000 K之間(圖4)。單層彩鋼板屋頂的工業廠房室內空氣溫度、室內相對濕度主要受當地氣候環境溫度影響；空氣流速受建筑圍護結構影響，且室內空氣流速遠小于室外的,夏季工人工作需電扇輔助通風。電機機械廠室內噪聲A聲級為70～75 dB(A),遠大于室外噪聲57 dB(A)，且全天室內聲環境差異較小。工業廠房的光環境主要受當地氣候與車間開窗形式影響；天窗對室內光環境的改善起到極其顯著的作用。電子機械工業車間的噪聲級在 70～110 dB(A)，頻譜主要集中于500～2 000 Hz范圍內。[3]

圖2 工人工作環境與工種調研(圖片由李訓智[2]提供)Fig.2 Investigation on workplace environment and type of work

圖3 總裝車間各時段照度實測數據Fig.3 Illuminance test data of assembly workshop

圖4 總裝車間各時段色溫實測數據Fig.4 CCT test data of assembly workshop

圖5 工作-休息-排程與輪班模式調研Fig.5 Investigation of work-rest schedule and shift work schedule

實地調研對車間工作環境與工人行為展開研究。實驗變量控制須排除骨骼肌疲勞的顯著影響，因此選擇具有持續視覺工作和注意力的代表性的工種，此調研擇了總裝和注塑為典型工種。接受調查的工人年齡基本分布在19～28歲之間，普遍采用的工時為8小時，白班從早上8：00—12:00，午休時間為12:00—13:30，下午從13:30—17:30，夜班輪班為順時針方向的三班倒班。調查發現，男女工人各自緩解疲勞的方式不同，疲勞程度變化與機體忍耐程度亦不相同。重慶大學張璐[4]根據調研情況展開替代實驗，發現在白班系統中，全人工光500 lx，5500 K恒定光環境下，疲勞積累發生在上、下午各一次，每日16:00—16:30是疲勞積累最大時段。輪班系統一般按順時針進行，早班開始時段與夜班結束時段的疲勞程度較高，如圖5。目前研究還停留在初始階段，工作疲勞背后復雜的機制與優化措施將在未來研究中得到進一步討論。

2 人體疲勞-恢復機制

2.1 疲勞的閾限

人體疲勞有多種定義方式，例如，按照程度等級分為一般輕度疲勞，中度疲勞，重度疲勞；根據機體產生機制，則分為骨骼肌疲勞，視疲勞，腦疲勞，心理疲勞等。在生物心理學研究中，疲勞需要一個閾限進行實驗操作，而反應時間、行動效率等方法能量化疲勞程度，反映其時序變化。如Pnar Güzel[5]等采用Wechsler Memory Scale-Revised (WMS-R)量表測定記憶量，Auditory Verbal Learning Test (AVLT)測定瞬時記憶與學習量，反映腦力工作、疲勞程度。現代疲勞研究借助眾多生物、醫學測試作為疲勞設定閾限(表1)，不同的操作定義的設定也可表明不同機制產生的疲勞及其程度變化，其中存在不同神經系統間系統交互作用。對同一個刺激下不同類型疲勞的變化展開研究，可研究發掘其交互作用與綜合作用。

表1 疲勞的度量方式

2.2 疲勞相關的排程研究

無論人類、其他生物還是其他物質，如材料，自身都存在 “疲勞周期”,體現了人體功效與時間維度的復雜關系。生物體疲勞機制更為復雜，因體內有多套疲勞系統交互作用。 睡眠情況、工作時間、工種特點、休息行為等均能對疲勞與恢復速度產生影響。

2.2.1 輪班系統優化

工廠環境工人疲勞研究最早聚焦于夜班輪班對工人的影響上。早期研究中，針對工人夜班滿意度和接受度進行調查的問卷表明[6]，夜班影響到工人的精神狀態，生活習慣和社交生活。雖然如此，夜班的獎勵機制亦能激發工人的興奮情緒，使之在12小時一換班的排班系統中基本不產生消極行為[7]。Czeisler CA等在研究中討論了睡眠區間與生理相位的關系，至此，研究者們意識到夜班對人體最大的影響在于睡眠障礙：當剝奪睡眠持續到56小時，外周血淋巴細胞增殖反應將發生變化[8]。直到David Berson[9]發現人體的光生物通路，將光與人體生物鐘聯系在一起，發掘了光劑量對睡眠相位、困倦程度與警覺度的影響，為解決夜班引起的睡眠障礙問題指引新的方向。

前期研究大量實驗對輪班系統展開，發現夜班疲勞適應程度與工種特點有關。要求持續注意力的工種，夜班中認知反應力會降低；無持續注意力，高認知負荷的夜班工作其生產效率不變。夜晚的視覺搜索能力與手工技術水平極低，但語言推理與計算能力相對有良好適應性，而反應效率和心算能力均能提高。在疲勞緩解的光策略研究中，是否能針對工種的特點給以適當刺激以提高警覺度，亦是值得討論的議題。

夜班出錯率相比早班較高，通過工時控制能有效緩解：體動測試顯示，夜班之后，工人睡眠時間減少，而Cruz C, Boquet[10]等學者提出縮短工作時間到每周60小時，能明顯降低夜班出錯率。

不僅在時間段上需要對工作時間進行控制，研究發現人體生物鐘也存在個體間差異，對于某些工人，早班(早晨4:00—5:00開始)可能造成整日困倦的狀態[11]。Juslen所研究的三班倒輪班系統中，早班開始時和晚班結束前工人困倦程度最高，下午班時工人最為清醒。工人在第二次和第四次休息時比第一次和第三次休息時困倦。而午飯前，是困倦爆發時段，該研究考慮到工人睡眠類型的評估，發現與早起型工人相比，晚睡型工人對順時針輪班的適應性更強，強光刺激對其警覺性提高、困倦度抑制產生效應更明顯[12]。

圖6 睡眠類型與工作時間(根據Gamble K.[13]2015研究成果繪制)Fig.6 Effect of chrono-type and work duration on circadian rhythm (According to Gamble K.[13]2015)

生物鐘差異的本質是不同的睡眠類型，一般的睡眠類型在兩種極端類型之間變化：晨鳥型(睡眠時間：12:00am—6:00am)和夜貓型(睡眠時間：3:00am—10:00am)[13],工作時段應與睡眠時段盡量減少重疊，否則將造成工作效率低下和工人的健康隱患(圖6)。Ce′line Vetter[14]等將適應睡眠類型的工作排班(CTA)應用于實際生產線，根據慕尼黑睡眠類型問卷(MSFEsc)[15]測試結果對工人進行分類，研究結果顯示：適應睡眠類型的工作排班(CTA)能顯著增加夜班工人在工作日的睡眠時間、提升睡眠質量并減緩夜班引起的晝夜節律失調。

2.2.2 工作-休息系統優化

現階段工作-休息排程研究通過生物指標檢測進行疲勞檢驗。為得出工人最大可接受工作時間[16]，可利用本身最大攝氧量作為評估依據，判定工作者的生理作業能力[17]，或利用工作效率、正確率、身體各部分的RPE評分依據Borg量表評分[18]。根據工人的疲勞程度不同為其安排不同的休息時間[19]的相關實驗研究已觸及到個體差異, 趙小松[20]等以Wu和Wang提出根據工人個體的最大可接受工作時間設定休息區間，建立了單人工作-休息排程的數學模型。

總體來看，基于人體生理因素的排程優化研究主要呈現為兩階段：

1)疲勞參數檢驗：將工作效率衰退-時間模型假設為線性函數和指數函數，提出工作疲勞具有前端負載特性，因此短期休息應設置在工作時間軸的前端[21]，能有效提升工人生產效率。

2)工作休息最優組合：短暫休息能促進生理、情緒上的疲勞恢復，工作期間的休息按照時間長短被劃分為放假，正式休息(三餐)，非正式休息(如廁，飲水等)，微型休息(工作臺上暫時停止工作)[22]，以此為基礎比較工作休息時間設置下工人工作效率。根據工人個體疲勞狀態調節工作系統，設置休息時段后，工人疲勞恢復不必達到100%，就能有效平衡工作效率與疲勞舒緩[23]。

在我國情景下，《中國工人工間休息，輪班起始時間，睡眠影響的工傷發病調查》[24]指出，工間休息能延遲工傷發生，同時緩解疲勞。中國工業的安全生產與工人健康權益的意識正在覺醒。

前期研究中，工廠視疲勞研究主要對精細加工作業、視覺作業密集等問題展開討論，由于研究視覺界面不同，視覺作業類型不同，眾多研究結果不盡相同。工業環境的視覺需求主要集中在工人視功效，以提高工作效率，但視疲勞周期研究尚不足。Haider的研究表明，工作4小時休息16分鐘能使視覺恢復到工作前水平，視覺疲勞得到舒緩。Misawa，Floro和Parimal分別對VDT視覺作業展開研究，發現數據輸入作業效率在45～60分鐘后達到最低，至少應每工作60分鐘休息10分鐘。然而，上世紀八十到九十年代的研究所基于的圖像顯示技術背景早已不適用于當下，近年來成像技術更新換代的速度超過視疲勞研究跟進速度，工作人群的視覺作業強度愈大，探索普適的視疲勞研究方法，以此探尋適應不同視覺界面下的視疲勞緩解方法是未來研究一大挑戰。

3 工廠環境光暴露

工人工作排程優化應平衡生產效率與安全、健康生產兩者關系，工廠作業照明通過光策略增加視覺舒適度，緩解疲勞，以達到提高工人生產效率的目的。工廠光環境改變從而影響工人行為與工作效率的10種機制有：視功效，視舒適度，視覺環境, 人際關系，生物鐘，刺激效應，工作滿意度，困難排解能力，暈輪效應，作用過程。此模型(見圖7)基本概括了工廠環境人工照明與工人績效、工廠總體收益的關系。[25]

圖7 照明措施對工廠收益影響模型(根據HT. Juslen[24]2005研究成果繪制)Fig.7 Model of lighting effects on industrial productivity (According to HT. Juslen[24]2005)

3.1 生理節律調節

早在1995年，Dawson[26]等研究者開始意識到強光對急速分泌和生物鐘控制有顯著作用，褪黑素分泌機制對460nm的光波段最敏感[27]，每種單色光刺激與褪黑素抑制程度呈非線性劑量反應關系[28]，為生理節律光療的光劑量研究打下基礎。藍光輻射大于20J·cm-2后將導致眼底變化，因此曝光劑量控制至關重要[2]。Sasseville A指出，可用短波光與藍光鏡能為人體創造“生理黑暗”，從而重設人體生物鐘[29]。除要求持續注意力的工種外，強光能切實改善夜班中年工人的工作記憶和精力集中程度[30]。長期非時限的日間曝光藍白光，經過視黑素研究優化，能建立穩定的生理節律相位，提高認知能力與情緒水平[31]。

充分認識到光環境與人體關系后，工作環境的生物鐘照明模型應運而生，其在辦公室[32]和醫療環境[33]中有所發展。基于光生物效應的人體生物鐘重設配合上文提到的基于睡眠類型的工作排班(CTA)，兩種方法相互配合，未來研究將探索是否能將工人的生理節律紊亂調節至最小化。雖然國外相關研究已有一定程度開展，但國內外國情差異明顯，不同地域文化、社會制度下，工人年齡、生理、心理等情況亦不同，針對我國工人的相關研究應及時展開。

3.2 工作疲勞的心理生理調節

視覺刺激效應與心理變化問題由于涉及到變量外心理因素的干擾，因而具有一定復雜性。 如Hawthorne[34]效應是心理學領域的重要發現，Hawthorne實驗的原本目是為探究照度等級與工作效率的關系，卻意外發現實驗評估本身對被試者產生關注感，因而對工作者工作效率產生顯著影響。而工廠工人行為自由度不高，相比一般工作者習慣于受監督與控制，因此效應對實地工廠實驗的影響相對較小。

工人的偏好照度水平隨著日、周、月，甚至年周期變化，實驗初始照度值越高，調光偏好照度越高[35]，因此調光作業并不確定最佳照度的合適方法[36]。在探討照度升高與效率提升的調光實驗中發現，工作照度從500lx提高到2 500lx,生理參數中僅警覺度發生變化[37]。HT. Juslen與嚴永紅等學者的實驗均證明，由于生理反應相對滯后，主觀評價與生理測試結果不一致。因此，工廠環境下高效高強度的工作面照明的可行性還需考量。相關照度偏好研究已深入到行為心理層面，工人偏好，心理適應性，動態調光系統的關系，以及照度與色溫的最優配對仍值得探討。

前期限于照度等級的探索將延伸到光色、光劑量層面研究，在工廠工作臺藍白光照明實驗中，發現，藍白光能緩解視疲勞，提升視功效[38]，但此研究其未考慮長時暴露于藍光對人視覺機能產生的光化學損傷。在7 000 K的色溫下，腦波活性達到最大，但極易積累疲勞；在3 000 K色溫下，腦波活力最低，LU S.指出5 000 K為工作照明的最佳色溫[39]，而嚴永紅的實驗證明4 000 K的識別率相對較高，最佳色溫配對比為4 000 K配2 700 K[40]。并且長期、高負荷的工作者行為與累時效應將在視疲勞-恢復機制中得到討論[41]。總之，高強度，高照度照明易引起腦疲勞，而相對低照度低色溫光策略是未來工作照明的研究方向。工作面的局部照明策略同樣值得探討，其能有效控制照明能耗，并有效應對工人個體差異化的需求。

4 未來挑戰

當今世界工業站在第四次革命的轉折點，未來工業生產將是怎樣的？工廠是否將走向去人工化？Wolfgang博士認為，工廠將不會走向去人工化，相反，工人工作模式與社會階層將發生轉變。工業智慧生產時代即將來到，從現有的局部自動化、通訊自動化，到未來人類遠程控制整個生產過程、供應系統，達到工業生產自組織管理。至此，工人群體將面臨以下變化：

1)工作模式改變工人心理：工人在生產系統中不再作為生產者發揮作用，而是以更主動的角色作用于生產鏈，即管理者、設計者和消費者。機械勞動能力將被決策、排難能力取代，腦力勞動的比重將大幅上升。由于工作方式、角色不同，該群體的社會階層也將發生變化，從前的“藍領”群體，將轉變為介于藍、白領之間的“灰領”[42]群體，個人的人際關系，心理壓力發生機制將發生一定程度的變化。

2)工作界面革新加劇視、腦疲勞：傳統制造業的工作面實物操作將轉變為模擬數據、圖像，平面化地展示在屏幕上，甚至將來，隨著成像技術飛速發展及其在其他領域的應用，更加仿真化的視覺界面，如VR、AR，未來將在工業生產中掀起視覺工作界面的革命，視、腦疲勞研究將面臨不斷變化的需求。

3)工作時間自由化與夜晚工作普遍化：傳統工廠主要在生產線進行晝夜工作，而隨著24小時經濟的推進，工作時間越來越自由，社交時間比重加大，越來越多的工作者將選擇在夜晚開展工作，并且時間安排更自由。抑制節律紊亂的夜班照明與工作-休息時間排程研究體現其重要性。

5 結束語

人工照明研究在智能控制系統上已獲得相當突破，技術上的進展將應用于促進人類群體身心健康的目標。動態照明與智慧控制能實現照明系統的感應刺激、定時、動態同步等，技術應用的依據來源于睡眠類型評估、疲勞周期、心理偏好，以此回應工作者包含個體差異的視覺光感知、非視覺光感知，以及心理感受(圖8)。所以包含著時間設置、光劑量設置、亮度與色溫最優配對的光策略背后是復雜的人體生理心理機制和技術經濟綜合效益，其最終的目的是讓提升工人工作效率與促進工人身心健康并行。照明研究者應綜合考慮、求證，選擇能讓工作者生理節律與工作時間同步，心理壓力、視疲勞、腦疲勞得到適當緩解的最優解。

圖8 回應人工人生理心理需求的動態光策略Fig.8 Dynamic lighting strategy responding to workers’ physiological and psychological demand.

解決工人階層工作健康問題亦是社會安定的良藥。即將面臨的工業變革引起工人工作模式、社會關系變化、視覺工作界面革新的作用不容小視，研究者須抓住技術變化趨勢，在變化來臨前預測未來工人面臨的健康隱患，以此對“征”下藥。

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Preliminary Study of Work-rest Schedule Optimization and Lighting Strategy in Industry

HE Siqi1,2

(1.Faculty of Architecture and Urban Planning，Chongqing University，Chongqing 400045，China;2.KeyLabofMinistryofEducationforNewTechnologyofMountainousTowns，Chongqing400030，China)

Workers’ health condition and industrial safe production have become issues of livelihood state of this social class. Based on a dynamic industrial development, this paper discusses the relationships between workers’ working time, fatigue period，physiological and psychological effects of light, some aspects extending from group commonality to individual difference, in this way, dynamic lighting strategy that’s responding to workers’ time schedule is coming up. Combing field study and literature research, possible issues and method in future study have been probed: work-rest schedule, lighting strategy in present and future should have appropriate adaption to workers’ circadian rhythm, preference, fatigue period; the whole system includes time placement, light irradiance dose setting, illuminance and CCT optimum match, and eventually achieve the goal of promoting alertness and fatigue recovery, working pace synchronizing with circadian rhythm. This can improve workers occupational health condition as well as promote industrial productivity.

work-rest schedule; circadian rhythm; fatigue period; dynamic lighting

國家自然科學基金(51378518)，亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放研究基 (2009KB15)，重慶高校創新團隊建設計劃資助項目(CXTDX201601005) 通訊作者：嚴永紅，E-mail：65120701@126.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.011