基于工效學(xué)的疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性的相關(guān)性研究?

劉召杰,王 凡,李 峰

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 ,山西 太原 030051)

隨著科技的發(fā)展,機(jī)器的制造精度不斷提高,使得人在生產(chǎn)系統(tǒng)中的地位越來越重要,越來越多的人機(jī)工效學(xué)的觀點(diǎn)被應(yīng)用到了制造業(yè),特別是精密制造領(lǐng)域.在生產(chǎn)過程中,疲勞是不可避免的阻礙生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的因素,從人機(jī)角度來說,疲勞是一種主觀的不適感覺,但在客觀上會(huì)在同等的條件下使操作者失去完成原來從事正常工作的能力[1].工作過程中疲勞的積累會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作協(xié)調(diào)性和動(dòng)作穩(wěn)定性的下降,動(dòng)作的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性是保證動(dòng)作技能順利完成的條件,操作者動(dòng)作技能的下降將會(huì)直接影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng).在醫(yī)學(xué)上,很多人體疲勞的研究已經(jīng)有了定論,可是那是在被試者靜止的狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)試,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,人體一直處于動(dòng)態(tài)的過程中,疲勞的產(chǎn)生也是動(dòng)態(tài)的,在絕大多數(shù)時(shí)候人們不能停止工作進(jìn)行疲勞的測(cè)試和動(dòng)作技能穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性的測(cè)試來確定疲勞對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的影響.本文利用人機(jī)工效學(xué)傳感器測(cè)定操作者在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的疲勞,利用動(dòng)作穩(wěn)定性測(cè)試儀測(cè)定在疲勞的不同時(shí)期操作者的動(dòng)作穩(wěn)定性,通過對(duì)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,探求疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性之間的相關(guān)關(guān)系,有利于人機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究,通過測(cè)試可以制定合理的工作制度.

1 試驗(yàn)研究的原理與方法

1.1 研究原理與方法

檢測(cè)疲勞的主要方法采用生理心理測(cè)試法.心率是工作疲勞評(píng)價(jià)中經(jīng)常使用的生理指標(biāo),根據(jù) Hart和 Hauser在 1987年對(duì)飛行員工作負(fù)荷測(cè)量的研究,心率與疲勞水平有 -0.8以上的負(fù)相關(guān)[2].Pearson相關(guān)系數(shù)是用來衡量?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)集合是否在一條線上面,以及用來衡量定距變量間的線性關(guān)系.

心率作為一個(gè)衡量生產(chǎn)過程中疲勞程度的生理指標(biāo),對(duì)心率和動(dòng)作技能在整個(gè)工作過程以及疲勞的不同時(shí)期進(jìn)行 Pearson相關(guān)系數(shù)的定量分析,探討疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性之間存在的相關(guān)關(guān)系,針對(duì)疲勞產(chǎn)生的不同階段,再對(duì)整個(gè)過程劃分不同的時(shí)段,分析在不同時(shí)段疲勞與動(dòng)作技能的相關(guān)關(guān)系.

1.2 試驗(yàn)儀器與過程

本文中的實(shí)驗(yàn)是利用人機(jī)工效學(xué)測(cè)試儀(瑞典的 Monark Ergomedic 828E和芬蘭的 polar心率表)實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)者心率遙控檢測(cè),不會(huì)對(duì)作業(yè)者增加負(fù)擔(dān)導(dǎo)致附加疲勞,測(cè)試過程不會(huì)造成心理負(fù)擔(dān)或病態(tài)的感覺.24名試驗(yàn)對(duì)象全部為健康男性,年齡在 21歲到 28歲之間,平均身高為170.2 cm,平均體重為 62.34 kg.所選取的試驗(yàn)對(duì)象基本符合正態(tài)分布,且基本能涵蓋中國(guó) 95%的人體.被試者被要求在相同工作負(fù)荷的條件下重復(fù)同樣的作業(yè),每隔固定時(shí)間記錄其心率值,測(cè)試其在此時(shí)刻的動(dòng)作穩(wěn)定性值,同時(shí)測(cè)試其反應(yīng).在特定工作負(fù)荷工作狀態(tài)下,心率就會(huì)達(dá)到對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定值,然后加大工作負(fù)荷使其心率提高.操作時(shí)間為 30 min,操作結(jié)束后在被試者恢復(fù)期每隔 1 min測(cè)試1次其動(dòng)作穩(wěn)定性值,直至心率恢復(fù)正常值.

2 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

2.1 疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性相關(guān)性分析

統(tǒng)計(jì)整個(gè)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù),對(duì)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)作基本的描述性統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析,分析結(jié)果如圖 1所示.

圖1 心率變化曲線Fig.1 Heart rate curve

圖1顯示了心率在整個(gè)測(cè)試過程中的總的變化趨勢(shì),最低心率與最高心率變化值為65.4次 /min,說明試驗(yàn)前后疲勞比較明顯.心率和勞動(dòng)強(qiáng)度是密切相關(guān)的,一般在作業(yè)開始前幾分鐘,由于處于準(zhǔn)備心理狀態(tài),人會(huì)有一定的緊張情緒,心率稍有上升.作業(yè)開始后心率上升很快,以適應(yīng)供氧的需求,然后隨著時(shí)間的增加是緩慢地上升,一般是在 5 min以后會(huì)達(dá)到與勞動(dòng)強(qiáng)度適應(yīng)的穩(wěn)定水平[2].作業(yè)停止以后,剛開始的3 min內(nèi)心率迅速下降,然后緩慢地降到原來的水平.恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短可以作為疲勞程度的標(biāo)志,從圖 1中可以看出,實(shí)驗(yàn)過程中,被試者經(jīng)歷了疲勞期和恢復(fù)期.

圖2顯示了動(dòng)作穩(wěn)定性的總的變化趨勢(shì),動(dòng)作穩(wěn)定性指標(biāo)變化值為 0.181/mm.從圖 2中可以看出,前 10 min動(dòng)作穩(wěn)定性雖然在下降,但是由于在此期間被試者剛剛開始操作,有一定的熟悉過程,而且心率的快速上升,對(duì)氧氣的需求也增大,所以其波動(dòng)比較大;在熟悉工作一段時(shí)間以后, 動(dòng)作穩(wěn)定性在顯著下降, 而且下降趨勢(shì)比較平穩(wěn);在 30 min以后停止操作,動(dòng)作穩(wěn)定性開始上升,但是到了后期有一定的波動(dòng).這是由于體力疲勞導(dǎo)致的肌肉缺氧,不能使動(dòng)作穩(wěn)定性保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài).心率作為判定疲勞的生理指標(biāo),是影響動(dòng)作穩(wěn)定性的一個(gè)因素,設(shè)為自變量X;動(dòng)作穩(wěn)定性指標(biāo)假設(shè)是一個(gè)因變量,設(shè)為 Y.Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

圖2 動(dòng)作穩(wěn)定性變化曲線Fig.2 Action stability curv e

計(jì)算得到相關(guān)系數(shù) r=-0.89.可以看出,疲勞對(duì)于操作者動(dòng)作穩(wěn)定性是一個(gè)重要的影響因素,而且二者之間的相關(guān)關(guān)系是高度負(fù)相關(guān).相關(guān)關(guān)系圖如圖 3所示.

圖3 心率與動(dòng)作穩(wěn)定性線性擬合圖Fig.3 Best-fit line of heart rate and action stability

圖3中,方點(diǎn)表示的是實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),圓點(diǎn)表示的是通過相關(guān)性分析和回歸分析預(yù)測(cè)心率與動(dòng)作穩(wěn)定性之間的線性相關(guān)曲線.

2.2 不同階段相關(guān)性分析

圖1和圖 2是對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程中心率和動(dòng)作穩(wěn)定性數(shù)據(jù)變化的統(tǒng)計(jì)分析.從圖中可以看出,在整個(gè)試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)剛開始時(shí)心率和動(dòng)作穩(wěn)定性由于一些其他因素的影響會(huì)有一些波動(dòng)情況的存在,為了更加深入地研究二者存在的相關(guān)性,可將上面的試驗(yàn)過程分為 3個(gè)階段：準(zhǔn)備工作期,正常工作期,疲勞恢復(fù)期.圖 4～圖 8是針對(duì)不同時(shí)期心率與動(dòng)作穩(wěn)定性的變化,對(duì)各個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析.

1)如圖 4和圖 5所示,在試驗(yàn)的前 10 min是心率急速上升的過程,心率的變化值為33.5次 /min,動(dòng)作穩(wěn)定性下降的也比較快,動(dòng)作穩(wěn)定性指標(biāo)差值為 0.13 mm-1,而且波動(dòng)比較大,在這個(gè)過程中受外界因素影響也比較大,如情緒緊張等.相關(guān)系數(shù)為 -0.82,在剛開始操作的階段,人體也需要一個(gè)適應(yīng)過程,還沒有進(jìn)入工作狀態(tài),所以在工作剛開始的階段不適合馬上進(jìn)行對(duì)動(dòng)作穩(wěn)定性要求比較高的操作.

圖4 準(zhǔn)備適應(yīng)期心率變化曲線Fig.4 Heart rate curv e in preparation

2)在經(jīng)歷開始的適應(yīng)階段以后,心率進(jìn)入比較平緩的上升過程,這個(gè)過程中疲勞的積累主要是勞動(dòng)量的增加,對(duì)于特定的工作其勞動(dòng)強(qiáng)度是一定的,心率與勞動(dòng)強(qiáng)度存在高度相關(guān)關(guān)系,所以在這種工作強(qiáng)度下長(zhǎng)時(shí)間工作心率會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值.此階段是生產(chǎn)系統(tǒng)中工人真正創(chuàng)造價(jià)值的階段,如圖 6和圖 7所示.心率上升比較平緩,心率變化不大,變化值為 19次 /min,說明疲勞主要來自工作量的積累,而非是勞動(dòng)強(qiáng)度,穩(wěn)定性指標(biāo)的下降也比較平穩(wěn),動(dòng)作穩(wěn)定性指標(biāo)差值為0.1 mm-1,沒有太大的波動(dòng).統(tǒng)計(jì)分析,心率與動(dòng)作穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù) r=-0.92,可以看出這階段二者之間的相關(guān)性是最高的,這也是本文建立二者相關(guān)性研究最重要的階段.

圖6 正常工作期心率變化曲線Fig.6 Heart rate curv e in operation

圖7 正常工作期動(dòng)作穩(wěn)定性變化曲線Fig.7 Action stability curve in operation

圖8 在工作期間心率與動(dòng)作穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系圖Fig.8 Correlation of heart rate and action stability in operation

在機(jī)械行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中的勞動(dòng)大部分為立姿作業(yè),身體移動(dòng)速度相當(dāng)于步行,上肢用力作業(yè),需要持續(xù)數(shù)小時(shí)的工作,如車工、銑工等.根據(jù)國(guó)際勞工局提出的勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),這屬于中等勞動(dòng)強(qiáng)度,心率一般為 125次 /min左右.比如一個(gè)車工,為了保證工件的精度達(dá)到要求,操作者在操作過程中他的動(dòng)作穩(wěn)定性指標(biāo)必須保持在 0.25 mm-1以上.從圖 8中可以看出,當(dāng)操作者工作時(shí),心率達(dá)到 130次 /min左右的時(shí)候就需要休息一段時(shí)間,以避免不符合精度要求產(chǎn)品的產(chǎn)出.

3)工作結(jié)束后心率快速下降,從心率的恢復(fù)期可以看出疲勞程度的大小.這個(gè)階段雖然不會(huì)直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量,但是超負(fù)荷的工作可能對(duì)操作者的身心造成損害.如心率在 100～125次 /min之間時(shí),可以持續(xù)工作 6 h以上,疲勞的積累比較少;在 125～ 150次 /min之間時(shí),工作幾個(gè)小時(shí),休息后疲勞可以消除;在 150～175次 /min工作時(shí),必須每 20 min休息一次,全身感到疲勞.

3 結(jié) 論

本文主要是通過模擬生產(chǎn)的試驗(yàn)手段探求操作者的疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性之間的關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性之間存在高度相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為 r=-0.89.試驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中.

1)由于在在高精制造領(lǐng)域動(dòng)作穩(wěn)定性的下降將會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格,而又不能停止工作去測(cè)試操作者實(shí)時(shí)的動(dòng)作穩(wěn)定性,這樣會(huì)影響工作的進(jìn)度.利用傳感器測(cè)試心率衡量操作者的疲勞狀態(tài),從而可以預(yù)測(cè)操作者動(dòng)作的穩(wěn)定性.

2)需要說明的是,雖然通過試驗(yàn)可以看出疲勞和動(dòng)作穩(wěn)定性之間存在著顯著的相關(guān)性,但是并不能因?yàn)樗麄冎g的高度相關(guān)就可以說疲勞是影響動(dòng)作穩(wěn)定性的因素,二者之間并不存在因果關(guān)系,不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為疲勞是造成動(dòng)作穩(wěn)定性下降的主要原因.相關(guān)性是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的一個(gè)概念,是指某個(gè)因素的變化會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)因素的變化,但是這個(gè)因素的變化是不是另外一個(gè)因素變化的原因,是不能被確定的.相關(guān)性分析只能說明二者在統(tǒng)計(jì)意義上變化趨勢(shì)有相關(guān)度,可以通過易測(cè)量數(shù)據(jù)的指標(biāo)預(yù)測(cè)另一個(gè).在工人的操作過程中,動(dòng)作穩(wěn)定性指標(biāo)需要停止工作來測(cè)試,所以可以通過易于測(cè)試的疲勞指標(biāo)來推測(cè)動(dòng)作穩(wěn)定性的變化,而沒有充足的理由認(rèn)為疲勞是導(dǎo)致動(dòng)作穩(wěn)定性下降的主要原因.這里只是量的變化,沒有方向性,也說明不了方向.本文只是探討了疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性的相關(guān)性,通過分析疲勞指標(biāo)的數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)動(dòng)作穩(wěn)定性的趨勢(shì),疲勞與動(dòng)作穩(wěn)定性之間的因果關(guān)系還需要進(jìn)一步研究.

3)將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中,通過疲勞的測(cè)試預(yù)測(cè)操作者的工作狀態(tài),制定合理的工作制度,安排適度的勞動(dòng)定額和分配福利報(bào)酬.從企業(yè)的角度講,可以提高產(chǎn)品質(zhì)量;從人機(jī)工程學(xué)的角度來說,可以提高人的工作效率,防止人體在超負(fù)荷狀態(tài)下工作,做到更好的人—機(jī)—環(huán)境和諧.

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