基于工效學(xué)的高海拔制氧裝置制氧效果評價方法研究

王和平，劉學(xué)工，郭永昌，李婕，陳亭

（1.北京特種車輛研究所，北京 100072；2.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

高海拔地區(qū)氣壓低、空氣含氧量低、風(fēng)速大、紫外線輻射高，惡劣的環(huán)境對人員的活動造成嚴(yán)重的影響。尤其是空氣中含氧量低，大大影響了人員動作的靈活性、穩(wěn)定性和體能的持續(xù)性，大幅降低了人員工效學(xué)的可靠性，嚴(yán)重影響了裝備人員工作效率的發(fā)揮。國外在20世紀(jì)五、六十年代就開始了高海拔對人員影響的研究，例如Yarratra J等研究了高海狀態(tài)下人員心理和生理狀況的問題[1]；West Jb等研究了缺氧狀態(tài)下訓(xùn)練的問題[2]。國內(nèi)在20世紀(jì)六、七十年代也開始了高海拔環(huán)境對人員影響方面的研究，例如王占剛等研究了高原低氧對青少年最大氧供給和氧利用的影響[3]，第三軍醫(yī)大高玉琪等研究了高原用氧的效果和注意事項(xiàng)等[4]。通過這些研究得知目前評價吸氧效果的主要方法有血氧飽和度、HR評價方法和心功能指數(shù)等。

改善高海拔地區(qū)裝備作業(yè)人員由缺氧引起的綜合能力下降問題，最主要的措施是裝載制氧裝置，不同的制氧裝置工作原理和供氧方式不同，對人員工效學(xué)的改善效果也不盡相同。文中根據(jù)參考資料，結(jié)合某型作業(yè)裝備，裝載了不同的制氧裝置，制定了基于工效學(xué)的的試驗(yàn)和評價方案，研究了不同制氧裝置和不同的供氧方式對人員工效的影響。

1 基于工效學(xué)的制氧效果評價方法研究

1.1 基于人員生理工效學(xué)的制氧效果評價方案

血氧飽和度是反映機(jī)體供氧程度的重要指標(biāo)，其變化常用來作為個體勞動能力和勞動強(qiáng)度的指標(biāo)。當(dāng)血氧飽和度下降到85%以下時，可導(dǎo)致腦集中能力減退和肌肉精細(xì)協(xié)調(diào)能力下降[1]。心率變化量則是反映心臟缺氧和抗疲勞能力的重要指標(biāo)，因此血氧飽和度和心率是評價吸氧效果的重要工效學(xué)生理指標(biāo)。文中對比研究了某裝備在高海拔地區(qū)行駛4 h作業(yè)過程中人員在不吸氧和不同吸氧方式下的血氧飽和度和心率的變化情況，及制氧裝置對人員生理工效學(xué)的改善效果。

1.2 基于人員基本能力的工效學(xué)制氧效果評價方案

背力和握力反應(yīng)了乘載員的肌體爆發(fā)力，反應(yīng)時間反應(yīng)了人員的反應(yīng)速度和能力，疲勞調(diào)查問卷反應(yīng)了人員的心理和主觀感受。這些指標(biāo)是反應(yīng)人員基本能力的工效學(xué)考核指標(biāo)。在某裝備高海拔地區(qū)4 h行駛作業(yè)過程中人員在不吸氧和不同吸氧方式下，利用電子背力計(jì)、握力計(jì)、反應(yīng)時測試儀以及設(shè)計(jì)的疲勞調(diào)查問卷，對操作人員在不吸氧和不同吸氧方式下的背力、握力、反應(yīng)時間和心理感受進(jìn)行了測試研究，評價不同制氧方式對人員基本能力改善效果。主觀疲勞調(diào)查問卷見表1。

表1 自覺疲勞癥狀問卷調(diào)查表統(tǒng)計(jì)Table 1 Questionnaire statistics of subjective fatigue symptoms

1.3 基于作業(yè)效率工效學(xué)的制氧效果評價方案

1.3.1 駕駛員作業(yè)效率考核方案

在某裝備進(jìn)行4 h任務(wù)行駛時，對駕駛員設(shè)定任務(wù)剖面，考核其不吸氧和不同吸氧方式下的作業(yè)效率。駕駛員作業(yè)效率考核方案如下：

一般情況下駕駛員考核的主要路面有直線限制路、彎道限制路、“S”形限制路和雙直角限制路等。根據(jù)條件和實(shí)際情況，試驗(yàn)中選取某段平直土路，在車輛行駛過程中設(shè)置“S”形限制路，車輛每一圈都要通過路障，記錄每一圈駕駛員通過路障的時間和出錯率。如圖1所示。

圖1 “S”形障礙路示意Fig.1 "S"shaped obstacle path diagram

考核方法和評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）車輛高速度接近（車頭距限制路或障礙物10 m外達(dá)到30 km/h以上的速度）、迅速離開（車尾距限制路或障礙物4 m以內(nèi)至少增高1級排擋）；

2）用不低于30 km/h的速度高速通過，在限制路內(nèi)，無等級駕駛員增高1級排擋，等級駕駛員增高2級排擋；

3）評價方法主要記錄每次通過“S“形限制路的時間和出錯率，主要錯誤如通過過程中停車、碰壓桿、熄火、未高速通過和繞過限制路等。

1.3.2 乘載員作業(yè)能力考核方案

結(jié)合實(shí)際情況在高海拔地區(qū)，乘載員作業(yè)效率考核辦法如下：

在該裝備行駛過程中，在行駛路線旁不同距離上布置不同的目標(biāo)，乘載員在行駛過程中通過目測和儀器測試等不斷地搜索目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后向指揮中心報(bào)告或記錄目標(biāo)特征。評價辦法為對目標(biāo)靶識別的準(zhǔn)確率和目標(biāo)的特征。在實(shí)際操作過程中，在路面不同距離，不定時豎立不同顏色和形狀的小旗，觀察人員分工記錄小旗的形狀、顏色和數(shù)量等特征，如圖2所示。

圖2 目標(biāo)示意Fig.2 Schematic diagram of the target

2 不同制氧裝置供氧效果評價研究

2.1 制氧裝置性能研究結(jié)果

高原裝備車載制氧裝置主要測試的性能指標(biāo)為制氧方式、每個載員氧氣流量、氧氣壓力、供氧方式、吸氧方式、氧氣濃度等。參與測試研究的制氧裝置主要分為2種，一種為化學(xué)反應(yīng)式制氧藥柱、另一種為車載分子篩式制氧裝置。

化學(xué)藥柱每個制氧裝置共4個化學(xué)供氧單體，每個單體持續(xù)供氧8～10 min左右，氧氣體積分?jǐn)?shù)大于99%，流量在3 L/min每人左右，每個供氧單體由控制器控制開始反應(yīng)，一旦反應(yīng)無法中途停止，面罩式吸氧。分子篩制氧裝置通過管道把氧氣傳輸?shù)矫總€乘載員位置，采取鼻導(dǎo)管式吸氧，在高原地區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)為48%、壓力為40 kPa、流量為1.6 L/min每人左右。兩種不同制氧裝置性能參數(shù)見表2。

2.2 制氧效果研究

由于某型車輛采取化學(xué)車載制氧裝置，每個制氧裝置有4個化學(xué)供氧單體，每個藥柱持續(xù)供氧8～10 min左右，不能長時間持續(xù)供氧，所以選擇間隔供氧方式。每次持續(xù)吸氧8～10 min，中間間隔20 min，再開始下一輪8～10 min吸氧，直到4個化學(xué)供氧單體全部用完，乘載員選擇間隔性面罩式吸氧。

同種類型車輛裝載車載制氧裝置為分子篩式制氧機(jī)，可長時間持續(xù)供氧，由于持續(xù)供氧流量小、濃度低，所以乘載員選擇4 h持續(xù)鼻導(dǎo)管式供氧。

2.2.1 不同吸氧方式人員生理變化的吸氧效果對比

化學(xué)車載制氧裝置采取間隔式供氧，分子篩制氧裝置選擇持續(xù)式吸氧，乘載員在車輛行駛執(zhí)行任務(wù)期間隨身攜帶動態(tài)血氧飽和度監(jiān)測儀。乘載員間隔式吸氧血氧飽和度和心率變化如圖3所示，持續(xù)式供氧心率和血氧飽和度變化過程如圖4所示。

對比兩組數(shù)據(jù)，化學(xué)式間隔供氧，氧氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)到99%左右，吸氧期間血氧濃度由85%左右快速上升到99%左右。心率由85次/min左右下降到60次/min左右。供氧持續(xù)時間短，一旦供氧停止，血氧飽和度快速下降到85%，心率上升到85次/min左右，對人員生理工效的改善效果是短時性的。

分子篩式持續(xù)供氧方式，氧氣體積分?jǐn)?shù)在48%左右，流量為1.6 L/min，從圖4可以看出，吸氧后作業(yè)期間人員的血氧飽和度由85%左右上升到93%左右，心率有較大下降，且能持續(xù)供氧，改善人員的生理效果，提高人員的工作效率。從以上分析可知，分子篩持續(xù)式供氧在生理工效上優(yōu)于化學(xué)式間隔供氧。

2.2.2 不同吸氧方式人員基本體能變化對比效果

在4 h持續(xù)行駛后，對同一組人員在相同條件下，不吸氧組、間隔式吸氧組和持續(xù)式吸氧組人員的握力、背力、反應(yīng)時間和主觀疲勞感受進(jìn)行了測試和調(diào)研。研究結(jié)果見表3—5和如圖5所示。

從表3和表4中可以看出，對比吸氧和不吸氧組試驗(yàn)，吸氧后人員的握力和反應(yīng)時間變化比較大，證明吸氧對握力和反應(yīng)能力的改善效果比較明顯。背力和視覺疲勞等變化微小，可能與人員在操作過程中身體部位的使用程度有關(guān)。

表2 車載制氧裝置制氧性能Table 2 Oxygen generation performance of oxygen generating device

在不吸氧組中，被試人員出現(xiàn)的疲勞感覺癥狀中，重度疲勞癥狀占27%，中度疲勞占41%，輕度占32%，總體上非吸氧組在試驗(yàn)后乘載員感覺偏向于中度疲勞。間隔吸氧組中被試人員出現(xiàn)的疲勞感覺癥狀中重度癥狀為14%，中度癥狀占29%，輕度癥狀占57%，總體疲勞程度偏向于輕度疲勞，癥狀總次數(shù)由29人次減少到了14人次，說明吸氧從一定程度上緩解了疲勞。在持續(xù)式吸氧中，從疲勞調(diào)查問卷看乘載員重度癥狀占10%，中度癥狀占30%，輕微癥狀戰(zhàn)60%，總體上偏向于輕度疲勞，癥狀總次數(shù)從29人次減少到了10人次。

圖3 化學(xué)間隔式供氧吸氧和不吸氧血氧濃度和心率變化Fig.3 Changes of blood oxygen and heart rate at chemical interval oxygen supply and no oxygen inhalation

圖4 分子篩持續(xù)式供氧不吸氧及吸氧血氧濃度和心率變化Fig.4 on molecular sieve continuous oxygen the heart rate and blood oxygen change map

表3 不吸氧和間隔式吸氧部分被試人員基本體能變化Table 3 Changes in basic physical performance of part of the subjects without oxygen inhalation and with interval oxygen inhalation%

表4 不吸氧和持續(xù)式吸氧部分被試人員基本體能變化Table 4 Changes in basic physical performance of part of the subjects without oxygen inhalation and with continuous oxygen inhalation%

從圖5可以看出，裝備人員在4 h持續(xù)行駛作業(yè)中，間隔式吸氧和持續(xù)式吸氧相比對人員體能和心理方面的改善效果，間隔式吸氧在反應(yīng)時間、握力和疲勞程度上改善效果分別為4.5%，4.6%和51%左右，持續(xù)式吸氧在反應(yīng)時間、握力和疲勞程度上改善效果分別為了4.5%，6.8%和65%左右，證明持續(xù)式吸氧效果要優(yōu)于間隔式吸氧。

2.2.3 不同吸氧方式乘載員作業(yè)工效效果研究

按照設(shè)計(jì)的考核方案，對同一批人員進(jìn)行2組作業(yè)效率工效考核試驗(yàn)。駕駛員通過在4 h高速持續(xù)行駛中，每一圈路都通過“S”形限制路考核其通過障礙路的時間和出錯率；其余乘載員不停的進(jìn)行偵查探測任務(wù)，匯報(bào)所發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的特征，考核其任務(wù)完成的效率。試驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。

不吸氧犯規(guī)5次，間隔式吸氧3次，持續(xù)式吸氧碰桿1次。

從表6、表7中可以看出，在高海拔地區(qū)進(jìn)行長時間持續(xù)工作時，間隔式吸氧提高工作效率為6%，減少失誤率為4%；持續(xù)式吸氧提高工作效率為20%，減少失誤率為17%，證明持續(xù)式吸氧對工作效率的改善效果大于間隔式吸氧。

表5 疲勞癥狀次數(shù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics for times of fatigue symptom

圖5 持續(xù)式和間隔式吸氧改善效果對比Fig.5 Comparison of improvement by continuous and interval oxygen inhalation

表6 部分不同吸氧方式駕駛員”S”形路線通過時間Table 6 Time needed to pass the"S"shaped route by drivers with different ways of oxygen inhalation s

表7 部分不同吸氧方式偵察結(jié)果Table 7 Reconnaissance results with different ways of oxygen inhalation

3 結(jié)論

1）通過基于工效學(xué)的一系列試驗(yàn)方案研究證明，在高海拔地區(qū)吸氧可以提高裝備人員的血氧飽和度12%左右、體力5%左右，工作效率13%左右，降低高原疲勞癥狀57%左右，從總體上提高裝備人員的作業(yè)能力。

2）車載化學(xué)藥柱供氧裝置與車載分子篩供氧裝置相比，車載化學(xué)藥柱供氧裝置體積小安裝方便，制氧率高達(dá)99%，流量在3.47 L/min，大于平原人均純氧1.74 L/min，但供氧時間短、長時間持續(xù)供氧費(fèi)用高。分子篩車載制氧裝置體積相對較大，能夠長時間持續(xù)供氧，高原制氧率為48%、流量為每人1.6 L/min，換算成純氧為0.8 L/min，小于平原人均供氧量1.74 L/min。從長時間作業(yè)過程來看，長時間持續(xù)低濃度吸氧比間隔式高濃度吸氧對人員的生理、體能和工作效率的改善效果更好。

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