人因工程實驗設計與探索
——高強度工作環境下的疲勞恢復實驗

潘 驍

(南通理工學院 經濟管理學院， 江蘇 南通 226000)

人因工程實驗設計與探索
——高強度工作環境下的疲勞恢復實驗

潘 驍

(南通理工學院 經濟管理學院， 江蘇 南通 226000)

針對國內人因工程實驗教學比較薄弱的現狀，提出了高強度工作環境下的疲勞恢復實驗設計與開發流程，并從實驗工具、實驗過程、實驗意義3個方面進行了闡述，為人因工程教學過程中高強度工作環境下的疲勞恢復實驗的開展提供了實踐的基礎。探討了我國普通高校人因工程實驗教學的現狀及存在的問題，并提出我國普通高校人因工程實驗教學改進的若干建議。

人因工程； 實驗教學； 疲勞恢復

人因工程起源于19世紀末20世紀初，20世紀40年代后得到較快發展，逐漸成為跨越不同學科和領域，應用多種學科的原理、方法和數據的一門新興邊緣學科[1]。人因工程主要是研究如何使機器、設備、工具、環境等符合人的生理、心理特性，從而使人操作簡便、準確、舒適、安全，最終達到提高產品質量和生產效率的目的[2]。人因工程也是工業工程專業的重要專業課程之一，在我國起步較晚，由于其實踐性較強，從原理上講，它在很大程度上是實驗科學。人因工程的實際應用有賴于實驗得出的有關信息和結果。四川省汶川地區發生了8.0級的強烈地震后，無數救援官兵到達現場，執行早期搜救、清理廢墟和重建家園任務[3]。青海省玉樹藏族自治州發生7.1級地震后，武警青海總隊在第一時間出動3 000多名官兵，連同駐守玉樹地區600多名武警官兵共同開展救援[4]。上述工作中，高強度工作占了非常重要的部分。然而，長時間的高強度工作會引發疲勞，疲勞會使得工作人員的體力、反應時、運動時、警覺性和作業水平都會下降。這不僅會導致高強度工作人員工作效率降低，無法準確完成工作，還會導致工作人員精力不足、注意力分散，甚至造成嚴重的事故。因此，準確估計工作人員的恢復時間有助于工作計劃的安排，對生產效率的提高和安全性的提高有積極的影響。本文結合近年來的實驗教學情況，從實驗流程、實驗工具、實驗過程3個方面進行了闡述，對高強度工作環境下的疲勞恢復實驗人因工程的實驗方案加以研究與探討。

1 實驗流程與設計

1.1 實驗流程

受試者在進行實驗前需要完成2個自我評價性質的問卷和基礎信息表。第1個是運動功能感知問卷(PFA)，這是一個讓受試者完成一個自我感受適中的運動，然后量化受試者的感知[5]。第2個是體能運動等級問卷(PA-R)，用來評估受試者現階段的運動等級[6]。問卷得到2個主觀變量：PFA得分和PA-R得分。基礎信息表中記錄的客觀變量有性別、相對身體質量指數[7]、正常心率。接下來是最大運動能力測試和高強度運動測試。當受試者利用主觀勞累程度評分表(PRE)自測精疲力竭且心率、呼吸商達到一定數值時，停止實驗，得到最高心率、阻尼和運動時間的數據。在受試者安靜狀態下、高強度運動后、經歷主觀恢復時間后和經歷客觀恢復時間后接受反應時和運動時測試，獲得相應的反應時和運動時測量值。實驗結束后，根據實驗數據完成高強度環境下疲勞恢復的相關研究。研究內容的流程如圖1所示。

圖1 研究內容流程圖

1.2 實驗設計

實驗具體流程如下：

(1) 受試者填寫基本資料、PFA和PA-R問卷，進行身高、體重等指標的測量。

(2) 準備實驗材料，檢查調試心率遙測儀、運動型肺功能測試儀、功率自行車和反應時運動時測試儀，并嚴格遵照標準執行實驗。將反應時運動時測試儀置放于實驗桌上，設置實驗次數后開始實驗。

(3) 佩戴遙測心率帶和氣流檢測口罩。首先記錄下受試者安靜狀態下的心率，然后讓受試者全面熟悉實驗任務，即在進行高強度運動至精疲力竭后在恢復過程中的不同時間點完成反應時、運動時測試任務。受試者熟悉實驗流程和任務后靜坐休息，直至心率恢復至平靜狀態。

(4) 實驗第1階段，受試者在心率平穩安靜狀態下完成反應時、運動時測試，操作員記錄下第1次反應時運動時數據。實驗第2階段，受試者靜坐在實驗椅上休息直至心率恢復到平靜狀態的心率值。受試者開始在一定阻尼數的阻力下勻速(60圈/min)踩踏功率自行車，開始模擬高強度工作的高強度運動測試，在顯示器上顯示并記錄受試者的實時心率、耗氧量和呼吸商等數據。當受試者精疲力竭后下車，坐于實驗桌前，即刻開始第2次反應時、運動時測試，操作員記錄下第2次反應時、運動時數據。實驗第3階段，受試者在完成第2次反應時、運動時任務后，繼續靜坐于實驗桌前開始休息，當受試者主觀感覺不再疲勞后開始第3次反應時、運動時測試，操作員記錄下第3次反應時、運動時數據。實驗第4階段，第3次任務結束后受試者繼續靜坐休息，當受試者心率數值恢復到初始基準線狀態時，立刻進行最后一次反應時、運動時任務測試，操作員記錄下第4次反應時、運動時數據。

(5) 每位受試者完成整組實驗需要耗時40～90 min。測試完畢后，受試者按要求摘下遙測心率帶和氣流檢測口罩，一組實驗正式結束，操作員給受試者發放飲用水。

(6) 搜集實驗數據、分析高強度運動后恢復過程中重要的恢復時間點，構建所需的恢復時間預測模型，完成實驗報告。

2 實驗工具

2.1 反應時運動時測試儀

所用的設備是BD-II-513型號反應時運動時測試儀，此設備可以用來測定個體對目標刺激的反應時和運動時。在實驗過程中，通過測試受試者的手部臂部的運動，可以了解受試者在聲音或燈光刺激下的反應時和運動時，從而判別受試者的標準性、堅持性以及敏捷性。儀器采用計算機技術控制，結構簡單、維護方便、記時準確。反應時運動時測試儀由3個部分組成，分別是控制器、被試專用鍵盤箱和敲擊板。被試專用鍵盤箱是一個與水平成16度夾角的面板，面板上分布著一個反應鍵和8個不同方向的運動鍵，每個按鍵的下方都有一個燈源。

2.2 心率遙測儀

心率遙測儀是目前世界上比較先進的心率遙測系統，可以通過無線信號記錄受試者實驗中的心率變化情況，用于監測、記錄和分析在整個實驗過程中受試者的心率變化情況。采用的是MONARK的心率遙測儀，由一級發射裝置、二級發射裝置、接收裝置3個獨立部分組成。一級發射裝置由壓力傳感器、放大器、調制器、發射器組成，呈帶狀結構，二級發射裝置由接收器、解調器、放大器、調制器構成，接收裝置由接收器、解調器、放大器、A/D轉換、數顯器、打印機構成。佩戴心率帶時有幾點需要注意：

(1) 佩戴前將胸帶兩軟膠內側面滴幾滴水濕潤；

(2) 調節好胸帶的長度，使它能夠緊貼受試者胸部，導電片在胸骨突處；

(3) 將監測器扣到胸帶上，扣上去時注意背面標注的左右方向與自己的左右方向一致；

(4) 在干燥寒冷的氣候條件下，可能需要幾分鐘時間的熱鍛煉以改善其精確度。

2.3 運動型肺功能測試儀

運動心肺功能測試的基本原理是指個體在進行類似于慢跑、蹬車等運動時，通過相關測試儀，對個體進行運動氣體代謝監測或者是運動心電圖檢測，從而評估心肺的綜合運動能力。在實驗過程中，面罩和連接管用來連接受試者和運動心肺功能測試儀，從而對吸入和呼出氣體進行采樣。運動心肺功能測試儀對樣本進行分析。通過檢測氣量、攝氧量、二氧化碳排出量、呼吸熵和無氧閾等重要參數，可以獲得實驗所需的氣體代謝的相關數據。其中所需的耗氧量，可以通過測定流量和采樣氣體O2濃度變化率來獲得，具體的原理結構如圖2所示。在每次實驗前，需要對氧氣和二氧化碳濃度進行校正，并對面罩和心率帶進行全面的清潔和消毒。

圖2 運動型肺功能測試儀原理圖

2.4 功率自行車

實驗所用的功率自行車型號為Monark 828E，其制造商Monark，制造高級功率自行車超過30年歷史，具世界領先的水平。Monark功率自行車易于校準，其著名的大型飛輪保證蹬踏平穩順滑。產品具有手動調節阻力的功能，調節阻尼范圍為0～7 Kp，面板上可以顯示每分鐘轉速、心率、騎行時間、騎行速度、騎行距離和功率等指標，另外，座椅的高度和把手位置均可進行調節，以適應不同受試者的身高。其內部配置的Astrand、YMCA、和WHO等最大攝氧量測試程序軟件，為實驗記錄與測量提供了便利。

2.5 實驗環境

實驗地點為人因工程實驗室。為了保證實驗的有效性，實驗在進行時實施了比較嚴格的環境控制，溫度控制在23 ℃，濕度控制在70%。此外，Brazaitis等人的研究發現，在實驗過程中，衣服的面料和舒適程度和對受試者運動后的恢復有較大影響[8]，因此，實驗要求受試者進行實驗過程中，按要求統一穿著寬松舒適的棉質衣褲，以此保持大致相同的體感溫度。

3 實驗過程

3.1 最大運動能力測試

在進行最大運動能力測試前，必須詢問受試者的身體健康狀況并安排一些必要的檢查，確保其在健康狀況良好的前提下進行實驗。

實驗前，受試者進行適度的熱身運動后需要在實驗助理的幫助下佩戴肺功能分析儀的面罩和遙測心率帶，開始功率自行車的增量循環實驗。最初的功率自行車負荷(阻尼)因為性別的不同而區別設置。受試者需要按照實驗要求保持60 r/min的蹬踏頻率，男性的初始工作速率為120 W，并保持每分鐘10 W的增加量。相對應的，女性的初始工作速率為78 W，并保持6 W/min的增加量。為了避免在循環過程中的姿勢變化，設定了最大運動能力測試中的功率自行車的標準位置。在一般情況下，一位受試者可以完成6～12 min的循環測試。實驗系統每隔15 s便會收集一次攝氧量、通氣量、心率等數據。

最大耗氧量也是實驗中一個重要的概念，我們沿用Heil等人在1995年提出的經典標準作為判斷依據。當受試者的生理指標達到以下3個標準中的2個時，認為他/她此時的耗氧量達到了自身的最大耗氧量：

(1) 隨著運動強度的增加，耗氧量不再增加；

(2) 呼吸商大于1.10；

(3) 所達到的最高心率是與根據年齡求得的相關最高心率的正負15 次/min范圍內。

當受試者的耗氧量達到最大時，對應的就是受試者的最大運動能力水平，將此時的負荷記作受試者可以達到的最大負荷值。此時對應的功率即為受試者的最大工作能力。

3.2 高強度工作測試

在日常生活中，運動強度多種多樣，并不是所有的運動都屬于高強度運動。最大運動能力測試中得到的各個受試者最大工作能力的70%，被用做下面實驗中的高強度運動的設定值，當受試者保持轉速60 min勻速踏功率自行車時，便開始了高強度工作模擬。

在實驗開始前，受試者完成肺功能分析儀面罩和遙測心率帶的佩戴后坐上功率自行車，并調整好姿勢，在功率自行車上靜坐20 min，達到自身的穩態靜息水平，在此期間實驗系統每隔15 s獲取一次心率和耗氧量的數據，但只有最后5 min的數據是被用來作為實驗中心率和耗氧量的基準線。緊接著，受試者開始以60 r/min的轉速勻速蹬自行車，直到精疲力竭。此時的時間被記錄下來作為受試者的運動時間，然后受試者靜坐于椅子上。當受試者自我感覺疲勞恢復了，告知記錄者，記錄下的時間為主觀恢復時間。受試者繼續休息，記錄者觀測系統記錄的心率數值，當心率數值恢復到初始基準線狀態時，記錄下客觀恢復時間，當得到3個時間后，實驗終止。

3.3 反應時運動時測試

實驗中使用的儀器是經由學校統一購置的BD-II-513型號反應時運動時測試儀，所做的反應時、運動時測試在進行過程中嚴格遵循測試標準。將測試儀置放于1.10 m高的水平實驗桌面上，調整儀器，選用被試專用鍵盤箱，主試面板“實驗選擇”鍵上方的“I”指示燈亮。選擇刺激方式：聲、光燈全亮，則表示在實驗過程中聲、光刺激同時呈現。儀器初始設定的實驗次數為10次。實驗助理按“開始”鍵，則實驗開始。受試者用食指按下面板下方中央的“反應”鍵，進入實驗預備狀態，否則會聲光閃爍報警，提示受試者按下“反應”鍵。按下“開始”鍵后，受試者開始預備等待。接著依據刺激的方式，當反應鍵的指示燈亮、刺激聲響或者二者同時呈現時，受試者立即抬起食指，同時觀察8個“運動”鍵，判別指示燈的方向并迅速移動食指，按下亮燈。燈滅則代表完成一次實驗。

在實驗過程中，“反應時”指的是從反應聲或光刺激開始至抬起食指的時間，而“運動時”指的是抬起食指至按“運動”鍵的時間。在實驗過程中，如果受試者在按下“運動”鍵時發生了錯誤，則蜂鳴器報警，受試者應該迅速糾正自己的錯誤，去尋找正確的按鍵，此時儀器的錯誤次數自動加一。完成一定次數的測試后，實驗自動結束，可按“顯示”鍵分別顯示實驗結果，包括刺激方式、實驗次數、錯誤次數、反應時及運動時的累加值、平均值。為保證測試的正確性，受試者在正式進行實驗前，需進行連續多次測試來測試其熟練度，待其簡單反應時、運動時和動作反應時趨于穩定，并出現3～4次較好數值時，正式開始實驗。在實驗過程中，受試者只能用一個手的食指進行實驗操作，不得一指按“反應”鍵，另一指按“運動”鍵，且不宜在強光下實驗。

4 實驗意義

對于高強度工作環境下疲勞恢復過程中認知表現的變化，一直以來都是國內外學者研究的熱門課題。近幾年來，國內外的眾多研究者對于運動強度和認知表現之間的關系這一問題，展開了較為詳細的研究，取得了較為豐碩的成果[9-10]。根據相關文獻，大部分研究者都集中研究了中等強度的運動對認知表現的影響，也有部分研究者研究了高等強度的運動對認知表現的影響，但他們的研究基本上都是觀測受試者在運動前后的認知表現的變化，很少有針對恢復過程中受試者認知表現的變化，尤其是高強度運動后的恢復過程中個體認知表現的變化。然而，從時間的維度上觀測受試者在高強度運動后的恢復過程中認知功能的變化，對生產生活有著十分重要的意義。認知表現變化趨勢的研究，為以體力勞動和腦力勞動相結合為理論基礎的工作模式提供了依據。本文以反應時、運動時為行為指標，通過實驗數據，從時間維度上研究高強度運動后的恢復過程中認知表現的變化，探尋恢復過程中各個恢復時間的重要意義并構建各個恢復時間的預測模型，以此為基礎為高強度工作人員設計安排合理的工作時間表。

對于高強度工作環境下疲勞恢復時間的分析與預測同樣也是國內外學者研究的熱門課題。在高強度工作中，工作量越大工作人員疲勞等級就越高，相應的就需要越長的恢復時間。疲勞與主觀因素、客觀因素密切相關，那么相對應的，客觀恢復時間與主觀恢復時間也應該由主觀因素和客觀因素共同作用影響。根據相關文獻，關于恢復時間的預測模型的研究正在一步步發展[11-12]。但是，這些研究大多數都以西方高強度工作者作為實驗對象，對于東方人群，尤其針對中國高強度工作從業人員的恢復時間預測模型還尚有不足。

4.1 研究的理論意義

(1) 對相關問題已有研究成果的補充和完善，豐富了相關的理論知識。

(2) 在客觀指標基礎上結合主觀指標，提出了更加簡單的預測模型，需要的相關輸入數據基本都是不需要進行實驗測量的，簡化了預測方法。

(3) 通過實驗得出，主觀恢復時間后認知表現比正常狀態下的認知表現更好，說明經歷一定的體力勞動后對腦力勞動有促進作用。在恢復過程中，相較于時間最長的完全恢復時間，主觀恢復時間后腦力勞動工作效率達比安靜狀態下更好的水平，因此主觀恢復時間具有重要意義。

(4) 提出了主觀恢復時間和客觀恢復時間的預測模型，主觀恢復時間與客觀恢復時間對體力腦力輪班工作安排有重要意義，在此基礎上做出最優工作安排可以保持較高水平的工作效率，并保證工作安全。

4.2 研究的實踐意義

(1) 提高從事高強度工作的工作人員的工作效率。

(2) 有效降低工作風險，保障從事高強度工作的工作人員的人身安全。工作產生疲勞，導致工作人員警惕性和反應力下降，引發作業風險。對于疲勞后恢復時間的預測，有利于安排合理的休息時間。

(3) 有利于合理安排體力勞動和腦力勞動的輪班時間，制定合理的工作計劃。

5 實驗教學改進的建設

第一，加強對實驗課程的重視程度。有的普通高校沒有完整而又獨立的實驗教學計劃，實驗教學課時較少并且往往依附于理論教學。實驗教學一直處于教學輔助地位，不能充分發揮實驗教學直觀和形象的優勢。在課堂學習中，教師應該充分調動學生的主觀能動性，引導學生主動發現問題，通過共同設計實驗明確問題，并通過實施實驗解決問題，而非依葫蘆畫瓢，被動地完成實驗報告。

第二，完善實驗設備的配置，綜合利用實驗設備。我國普通高校中設有工業工程專業的學校，基本都建了自己的人因工程實驗室，設備數量不少，但是人因實驗室的籌建大都缺乏系統的、長遠的、針對本校實際情況的專門規劃。配備的設備多數僅僅只能用做簡單且孤立的驗證型小實驗，如環境照度測評、噪音測評、粉塵測評、簡單反應時測試、人體尺寸測量等。應該更加重視相關知識的應用性認識，引導學生利用現有設備搭建平臺進行綜合性人因工程實驗，或者利用現有設備搭建平臺輔助進行科研，以充分利用相關設備。

第三，培養實驗教師的能力。我國有些普通高校不少存在對實驗教師隊伍不重視，把實驗教師定位為附屬于授課教師的地位，直接導致實驗教師從引進、培養到發展各階段都存在著諸多問題。多數實驗教師僅能圍繞其實驗內容進行簡單的講解和說明，缺乏結合相關前沿理論啟發、引導學生的能力，實驗課的效果通常僅僅是換種方式復述理論課的內容。學校應健全人因實驗教師隊伍，正確認識實驗教學的重要性和必要性，建立一支穩定的、理論知識淵博、專業技術技能精湛、團隊意識與合作精神突出的實驗隊伍。

第四，改善實驗課的設計與組織。從目前情況來看，雖然國外有關人因工程實驗教學的研究較多，但國內的相關研究較少。我國許多高校在確定人因工程實驗項目時，多以已有經驗為主，缺少針對企業應用需求和本校實際情況的專門研究。課堂中的人因工程實驗往往以演示型、驗證型為主，缺少系列化的綜合型、創新型、設計型、開放式的實驗，不利于學生的動手能力和創造力的培養。因此，在課堂教學中，應該科學地設置實驗項目，提高人因工程實驗的先進性和開放性，使得實驗教學與理論教學得以緊密結合、相輔相成，從而滿足實際生產中企業不斷發展的應用需求。

6 結語

從人因工程課程效果分析來看，不管是教材、授課教師還是聽課學生都普遍存在實踐機會缺乏和理論脫離實際的問題。通過實驗類的教學增加實踐機會不失為一種很重要的途徑。

References)

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Experimental design of ergonomics and its exploration: Recovery experiment under high-intensity working environment

Pan Xiao

(School of Economics & Management, Nantong Institute of Technology，Nantong 226000, China)

According to the relatively weak situation of ergonomic experimental teaching, this paper proposes the experimental design and development process for fatigue recovery under high-intensity working environment, which are expounded from three aspects including experiment tools, experimental process and experimental significance. It provides the practical foundation of fatigue recovery under high-intensity working environment during the ergonomic teaching process. In addition, this study explores the present situation and existing problems for ergonomics laboratories of ordinary universities in our country and proposes several improvement suggestions.

ergonomics; experimental teaching; fatigue recovery

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.049

2017-01-11 修改日期：2017-03-03

國家自然科學基金項目(71271106)；專業學位碩士研究生科研實踐計劃項目(SJZZ_0143)；南通理工學院科研項目(2015008)

潘驍(1989—)，女，江蘇蘇州，碩士，助教，研究方向為人因工程、供應鏈管理.

E-mail：314046120@qq.com

X914

A

1002-4956(2017)06-0195-06