人因工程实验设计与探索——高强度工作环境下的疲劳恢复实验

潘 骁

(南通理工学院 经济管理学院， 江苏 南通 226000)

人因工程实验设计与探索
——高强度工作环境下的疲劳恢复实验

潘 骁

(南通理工学院 经济管理学院， 江苏 南通 226000)

针对国内人因工程实验教学比较薄弱的现状，提出了高强度工作环境下的疲劳恢复实验设计与开发流程，并从实验工具、实验过程、实验意义3个方面进行了阐述，为人因工程教学过程中高强度工作环境下的疲劳恢复实验的开展提供了实践的基础。探讨了我国普通高校人因工程实验教学的现状及存在的问题，并提出我国普通高校人因工程实验教学改进的若干建议。

人因工程； 实验教学； 疲劳恢复

人因工程起源于19世纪末20世纪初，20世纪40年代后得到较快发展，逐渐成为跨越不同学科和领域，应用多种学科的原理、方法和数据的一门新兴边缘学科[1]。人因工程主要是研究如何使机器、设备、工具、环境等符合人的生理、心理特性，从而使人操作简便、准确、舒适、安全，最终达到提高产品质量和生产效率的目的[2]。人因工程也是工业工程专业的重要专业课程之一，在我国起步较晚，由于其实践性较强，从原理上讲，它在很大程度上是实验科学。人因工程的实际应用有赖于实验得出的有关信息和结果。四川省汶川地区发生了8.0级的强烈地震后，无数救援官兵到达现场，执行早期搜救、清理废墟和重建家园任务[3]。青海省玉树藏族自治州发生7.1级地震后，武警青海总队在第一时间出动3 000多名官兵，连同驻守玉树地区600多名武警官兵共同开展救援[4]。上述工作中，高强度工作占了非常重要的部分。然而，长时间的高强度工作会引发疲劳，疲劳会使得工作人员的体力、反应时、运动时、警觉性和作业水平都会下降。这不仅会导致高强度工作人员工作效率降低，无法准确完成工作，还会导致工作人员精力不足、注意力分散，甚至造成严重的事故。因此，准确估计工作人员的恢复时间有助于工作计划的安排，对生产效率的提高和安全性的提高有积极的影响。本文结合近年来的实验教学情况，从实验流程、实验工具、实验过程3个方面进行了阐述，对高强度工作环境下的疲劳恢复实验人因工程的实验方案加以研究与探讨。

1 实验流程与设计

1.1 实验流程

受试者在进行实验前需要完成2个自我评价性质的问卷和基础信息表。第1个是运动功能感知问卷(PFA)，这是一个让受试者完成一个自我感受适中的运动，然后量化受试者的感知[5]。第2个是体能运动等级问卷(PA-R)，用来评估受试者现阶段的运动等级[6]。问卷得到2个主观变量：PFA得分和PA-R得分。基础信息表中记录的客观变量有性别、相对身体质量指数[7]、正常心率。接下来是最大运动能力测试和高强度运动测试。当受试者利用主观劳累程度评分表(PRE)自测精疲力竭且心率、呼吸商达到一定数值时，停止实验，得到最高心率、阻尼和运动时间的数据。在受试者安静状态下、高强度运动后、经历主观恢复时间后和经历客观恢复时间后接受反应时和运动时测试，获得相应的反应时和运动时测量值。实验结束后，根据实验数据完成高强度环境下疲劳恢复的相关研究。研究内容的流程如图1所示。

图1 研究内容流程图

1.2 实验设计

实验具体流程如下：

(1) 受试者填写基本资料、PFA和PA-R问卷，进行身高、体重等指标的测量。

(2) 准备实验材料，检查调试心率遥测仪、运动型肺功能测试仪、功率自行车和反应时运动时测试仪，并严格遵照标准执行实验。将反应时运动时测试仪置放于实验桌上，设置实验次数后开始实验。

(3) 佩戴遥测心率带和气流检测口罩。首先记录下受试者安静状态下的心率，然后让受试者全面熟悉实验任务，即在进行高强度运动至精疲力竭后在恢复过程中的不同时间点完成反应时、运动时测试任务。受试者熟悉实验流程和任务后静坐休息，直至心率恢复至平静状态。

(4) 实验第1阶段，受试者在心率平稳安静状态下完成反应时、运动时测试，操作员记录下第1次反应时运动时数据。实验第2阶段，受试者静坐在实验椅上休息直至心率恢复到平静状态的心率值。受试者开始在一定阻尼数的阻力下匀速(60圈/min)踩踏功率自行车，开始模拟高强度工作的高强度运动测试，在显示器上显示并记录受试者的实时心率、耗氧量和呼吸商等数据。当受试者精疲力竭后下车，坐于实验桌前，即刻开始第2次反应时、运动时测试，操作员记录下第2次反应时、运动时数据。实验第3阶段，受试者在完成第2次反应时、运动时任务后，继续静坐于实验桌前开始休息，当受试者主观感觉不再疲劳后开始第3次反应时、运动时测试，操作员记录下第3次反应时、运动时数据。实验第4阶段，第3次任务结束后受试者继续静坐休息，当受试者心率数值恢复到初始基准线状态时，立刻进行最后一次反应时、运动时任务测试，操作员记录下第4次反应时、运动时数据。

(5) 每位受试者完成整组实验需要耗时40～90 min。测试完毕后，受试者按要求摘下遥测心率带和气流检测口罩，一组实验正式结束，操作员给受试者发放饮用水。

(6) 搜集实验数据、分析高强度运动后恢复过程中重要的恢复时间点，构建所需的恢复时间预测模型，完成实验报告。

2 实验工具

2.1 反应时运动时测试仪

所用的设备是BD-II-513型号反应时运动时测试仪，此设备可以用来测定个体对目标刺激的反应时和运动时。在实验过程中，通过测试受试者的手部臂部的运动，可以了解受试者在声音或灯光刺激下的反应时和运动时，从而判别受试者的标准性、坚持性以及敏捷性。仪器采用计算机技术控制，结构简单、维护方便、记时准确。反应时运动时测试仪由3个部分组成，分别是控制器、被试专用键盘箱和敲击板。被试专用键盘箱是一个与水平成16度夹角的面板，面板上分布着一个反应键和8个不同方向的运动键，每个按键的下方都有一个灯源。

2.2 心率遥测仪

心率遥测仪是目前世界上比较先进的心率遥测系统，可以通过无线信号记录受试者实验中的心率变化情况，用于监测、记录和分析在整个实验过程中受试者的心率变化情况。采用的是MONARK的心率遥测仪，由一级发射装置、二级发射装置、接收装置3个独立部分组成。一级发射装置由压力传感器、放大器、调制器、发射器组成，呈带状结构，二级发射装置由接收器、解调器、放大器、调制器构成，接收装置由接收器、解调器、放大器、A/D转换、数显器、打印机构成。佩戴心率带时有几点需要注意：

(1) 佩戴前将胸带两软胶内侧面滴几滴水湿润；

(2) 调节好胸带的长度，使它能够紧贴受试者胸部，导电片在胸骨突处；

(3) 将监测器扣到胸带上，扣上去时注意背面标注的左右方向与自己的左右方向一致；

(4) 在干燥寒冷的气候条件下，可能需要几分钟时间的热锻炼以改善其精确度。

2.3 运动型肺功能测试仪

运动心肺功能测试的基本原理是指个体在进行类似于慢跑、蹬车等运动时，通过相关测试仪，对个体进行运动气体代谢监测或者是运动心电图检测，从而评估心肺的综合运动能力。在实验过程中，面罩和连接管用来连接受试者和运动心肺功能测试仪，从而对吸入和呼出气体进行采样。运动心肺功能测试仪对样本进行分析。通过检测气量、摄氧量、二氧化碳排出量、呼吸熵和无氧阈等重要参数，可以获得实验所需的气体代谢的相关数据。其中所需的耗氧量，可以通过测定流量和采样气体O2浓度变化率来获得，具体的原理结构如图2所示。在每次实验前，需要对氧气和二氧化碳浓度进行校正，并对面罩和心率带进行全面的清洁和消毒。

图2 运动型肺功能测试仪原理图

2.4 功率自行车

实验所用的功率自行车型号为Monark 828E，其制造商Monark，制造高级功率自行车超过30年历史，具世界领先的水平。Monark功率自行车易于校准，其著名的大型飞轮保证蹬踏平稳顺滑。产品具有手动调节阻力的功能，调节阻尼范围为0～7 Kp，面板上可以显示每分钟转速、心率、骑行时间、骑行速度、骑行距离和功率等指标，另外，座椅的高度和把手位置均可进行调节，以适应不同受试者的身高。其内部配置的Astrand、YMCA、和WHO等最大摄氧量测试程序软件，为实验记录与测量提供了便利。

2.5 实验环境

实验地点为人因工程实验室。为了保证实验的有效性，实验在进行时实施了比较严格的环境控制，温度控制在23 ℃，湿度控制在70%。此外，Brazaitis等人的研究发现，在实验过程中，衣服的面料和舒适程度和对受试者运动后的恢复有较大影响[8]，因此，实验要求受试者进行实验过程中，按要求统一穿着宽松舒适的棉质衣裤，以此保持大致相同的体感温度。

3 实验过程

3.1 最大运动能力测试

在进行最大运动能力测试前，必须询问受试者的身体健康状况并安排一些必要的检查，确保其在健康状况良好的前提下进行实验。

实验前，受试者进行适度的热身运动后需要在实验助理的帮助下佩戴肺功能分析仪的面罩和遥测心率带，开始功率自行车的增量循环实验。最初的功率自行车负荷(阻尼)因为性别的不同而区别设置。受试者需要按照实验要求保持60 r/min的蹬踏频率，男性的初始工作速率为120 W，并保持每分钟10 W的增加量。相对应的，女性的初始工作速率为78 W，并保持6 W/min的增加量。为了避免在循环过程中的姿势变化，设定了最大运动能力测试中的功率自行车的标准位置。在一般情况下，一位受试者可以完成6～12 min的循环测试。实验系统每隔15 s便会收集一次摄氧量、通气量、心率等数据。

最大耗氧量也是实验中一个重要的概念，我们沿用Heil等人在1995年提出的经典标准作为判断依据。当受试者的生理指标达到以下3个标准中的2个时，认为他/她此时的耗氧量达到了自身的最大耗氧量：

(1) 随着运动强度的增加，耗氧量不再增加；

(2) 呼吸商大于1.10；

(3) 所达到的最高心率是与根据年龄求得的相关最高心率的正负15 次/min范围内。

当受试者的耗氧量达到最大时，对应的就是受试者的最大运动能力水平，将此时的负荷记作受试者可以达到的最大负荷值。此时对应的功率即为受试者的最大工作能力。

3.2 高强度工作测试

在日常生活中，运动强度多种多样，并不是所有的运动都属于高强度运动。最大运动能力测试中得到的各个受试者最大工作能力的70%，被用做下面实验中的高强度运动的设定值，当受试者保持转速60 min匀速踏功率自行车时，便开始了高强度工作模拟。

在实验开始前，受试者完成肺功能分析仪面罩和遥测心率带的佩戴后坐上功率自行车，并调整好姿势，在功率自行车上静坐20 min，达到自身的稳态静息水平，在此期间实验系统每隔15 s获取一次心率和耗氧量的数据，但只有最后5 min的数据是被用来作为实验中心率和耗氧量的基准线。紧接着，受试者开始以60 r/min的转速匀速蹬自行车，直到精疲力竭。此时的时间被记录下来作为受试者的运动时间，然后受试者静坐于椅子上。当受试者自我感觉疲劳恢复了，告知记录者，记录下的时间为主观恢复时间。受试者继续休息，记录者观测系统记录的心率数值，当心率数值恢复到初始基准线状态时，记录下客观恢复时间，当得到3个时间后，实验终止。

3.3 反应时运动时测试

实验中使用的仪器是经由学校统一购置的BD-II-513型号反应时运动时测试仪，所做的反应时、运动时测试在进行过程中严格遵循测试标准。将测试仪置放于1.10 m高的水平实验桌面上，调整仪器，选用被试专用键盘箱，主试面板“实验选择”键上方的“I”指示灯亮。选择刺激方式：声、光灯全亮，则表示在实验过程中声、光刺激同时呈现。仪器初始设定的实验次数为10次。实验助理按“开始”键，则实验开始。受试者用食指按下面板下方中央的“反应”键，进入实验预备状态，否则会声光闪烁报警，提示受试者按下“反应”键。按下“开始”键后，受试者开始预备等待。接着依据刺激的方式，当反应键的指示灯亮、刺激声响或者二者同时呈现时，受试者立即抬起食指，同时观察8个“运动”键，判别指示灯的方向并迅速移动食指，按下亮灯。灯灭则代表完成一次实验。

在实验过程中，“反应时”指的是从反应声或光刺激开始至抬起食指的时间，而“运动时”指的是抬起食指至按“运动”键的时间。在实验过程中，如果受试者在按下“运动”键时发生了错误，则蜂鸣器报警，受试者应该迅速纠正自己的错误，去寻找正确的按键，此时仪器的错误次数自动加一。完成一定次数的测试后，实验自动结束，可按“显示”键分别显示实验结果，包括刺激方式、实验次数、错误次数、反应时及运动时的累加值、平均值。为保证测试的正确性，受试者在正式进行实验前，需进行连续多次测试来测试其熟练度，待其简单反应时、运动时和动作反应时趋于稳定，并出现3～4次较好数值时，正式开始实验。在实验过程中，受试者只能用一个手的食指进行实验操作，不得一指按“反应”键，另一指按“运动”键，且不宜在强光下实验。

4 实验意义

对于高强度工作环境下疲劳恢复过程中认知表现的变化，一直以来都是国内外学者研究的热门课题。近几年来，国内外的众多研究者对于运动强度和认知表现之间的关系这一问题，展开了较为详细的研究，取得了较为丰硕的成果[9-10]。根据相关文献，大部分研究者都集中研究了中等强度的运动对认知表现的影响，也有部分研究者研究了高等强度的运动对认知表现的影响，但他们的研究基本上都是观测受试者在运动前后的认知表现的变化，很少有针对恢复过程中受试者认知表现的变化，尤其是高强度运动后的恢复过程中个体认知表现的变化。然而，从时间的维度上观测受试者在高强度运动后的恢复过程中认知功能的变化，对生产生活有着十分重要的意义。认知表现变化趋势的研究，为以体力劳动和脑力劳动相结合为理论基础的工作模式提供了依据。本文以反应时、运动时为行为指标，通过实验数据，从时间维度上研究高强度运动后的恢复过程中认知表现的变化，探寻恢复过程中各个恢复时间的重要意义并构建各个恢复时间的预测模型，以此为基础为高强度工作人员设计安排合理的工作时间表。

对于高强度工作环境下疲劳恢复时间的分析与预测同样也是国内外学者研究的热门课题。在高强度工作中，工作量越大工作人员疲劳等级就越高，相应的就需要越长的恢复时间。疲劳与主观因素、客观因素密切相关，那么相对应的，客观恢复时间与主观恢复时间也应该由主观因素和客观因素共同作用影响。根据相关文献，关于恢复时间的预测模型的研究正在一步步发展[11-12]。但是，这些研究大多数都以西方高强度工作者作为实验对象，对于东方人群，尤其针对中国高强度工作从业人员的恢复时间预测模型还尚有不足。

4.1 研究的理论意义

(1) 对相关问题已有研究成果的补充和完善，丰富了相关的理论知识。

(2) 在客观指标基础上结合主观指标，提出了更加简单的预测模型，需要的相关输入数据基本都是不需要进行实验测量的，简化了预测方法。

(3) 通过实验得出，主观恢复时间后认知表现比正常状态下的认知表现更好，说明经历一定的体力劳动后对脑力劳动有促进作用。在恢复过程中，相较于时间最长的完全恢复时间，主观恢复时间后脑力劳动工作效率达比安静状态下更好的水平，因此主观恢复时间具有重要意义。

(4) 提出了主观恢复时间和客观恢复时间的预测模型，主观恢复时间与客观恢复时间对体力脑力轮班工作安排有重要意义，在此基础上做出最优工作安排可以保持较高水平的工作效率，并保证工作安全。

4.2 研究的实践意义

(1) 提高从事高强度工作的工作人员的工作效率。

(2) 有效降低工作风险，保障从事高强度工作的工作人员的人身安全。工作产生疲劳，导致工作人员警惕性和反应力下降，引发作业风险。对于疲劳后恢复时间的预测，有利于安排合理的休息时间。

(3) 有利于合理安排体力劳动和脑力劳动的轮班时间，制定合理的工作计划。

5 实验教学改进的建设

第一，加强对实验课程的重视程度。有的普通高校没有完整而又独立的实验教学计划，实验教学课时较少并且往往依附于理论教学。实验教学一直处于教学辅助地位，不能充分发挥实验教学直观和形象的优势。在课堂学习中，教师应该充分调动学生的主观能动性，引导学生主动发现问题，通过共同设计实验明确问题，并通过实施实验解决问题，而非依葫芦画瓢，被动地完成实验报告。

第二，完善实验设备的配置，综合利用实验设备。我国普通高校中设有工业工程专业的学校，基本都建了自己的人因工程实验室，设备数量不少，但是人因实验室的筹建大都缺乏系统的、长远的、针对本校实际情况的专门规划。配备的设备多数仅仅只能用做简单且孤立的验证型小实验，如环境照度测评、噪音测评、粉尘测评、简单反应时测试、人体尺寸测量等。应该更加重视相关知识的应用性认识，引导学生利用现有设备搭建平台进行综合性人因工程实验，或者利用现有设备搭建平台辅助进行科研，以充分利用相关设备。

第三，培养实验教师的能力。我国有些普通高校不少存在对实验教师队伍不重视，把实验教师定位为附属于授课教师的地位，直接导致实验教师从引进、培养到发展各阶段都存在着诸多问题。多数实验教师仅能围绕其实验内容进行简单的讲解和说明，缺乏结合相关前沿理论启发、引导学生的能力，实验课的效果通常仅仅是换种方式复述理论课的内容。学校应健全人因实验教师队伍，正确认识实验教学的重要性和必要性，建立一支稳定的、理论知识渊博、专业技术技能精湛、团队意识与合作精神突出的实验队伍。

第四，改善实验课的设计与组织。从目前情况来看，虽然国外有关人因工程实验教学的研究较多，但国内的相关研究较少。我国许多高校在确定人因工程实验项目时，多以已有经验为主，缺少针对企业应用需求和本校实际情况的专门研究。课堂中的人因工程实验往往以演示型、验证型为主，缺少系列化的综合型、创新型、设计型、开放式的实验，不利于学生的动手能力和创造力的培养。因此，在课堂教学中，应该科学地设置实验项目，提高人因工程实验的先进性和开放性，使得实验教学与理论教学得以紧密结合、相辅相成，从而满足实际生产中企业不断发展的应用需求。

6 结语

从人因工程课程效果分析来看，不管是教材、授课教师还是听课学生都普遍存在实践机会缺乏和理论脱离实际的问题。通过实验类的教学增加实践机会不失为一种很重要的途径。

References)

[1] 周奕，吴小平.高校实验教学创新的目标定位与对策分析[J].实验技术与管理, 2008, 25(3):24-27.

[2] 兰爽.人因工程实验方案的研究与探讨[J].实验室科学，2009，12(2)：60-63．

[3] 陈文军,浦金辉,徐志鹏,等.早期心理干预对灾难救援人员的疗效分析[C].全军医学心理学专业委员会学术交流会,2009.

[4] 沈燕,张鹭鹭,刘源,等.玉树地震应急医学救援人员结构分析[J].中国医药导报, 2012,9(28):132-134.

[5] George J D, Stone W J, Burkett L N. Non-exercise VO2maxestimation for physical active college student[J]. Medicine and Science in Sports and Exercise, 1997, 29:415-423.

[6] Jackson A S, Blair S N, Mahar M T,et al. Prediction of functional aerobic capacity without exercise testing[J].Medicine and Science in Sports and Exercise,1990,22:863-870.[7] Ye T F, Pan X. A convenient prediction model of complete recovery time after exhaustion in high-intensity work[J]. Ergonomics (SCI),2015,58(8):1-30.

[8] Brazaitis M, Kamandulisa S, Skurvydasa A, et al. The effect of two kinds of T-shirts on physiological and psychological thermal responses during exercise and recovery[J].Applied Ergonomics,2010,42:46-51.

[9] Brisswalter，Collardeau, Arcelin. Effects of Acute Physical Exercise Characteristics on Cognitive Performance[J].Sports Medicine,2002,32 (9):555-566.

[10] Lyons M, Al-Nakeeb Y,Nevill A. Performance of soccer passing skills under moderate and high-intensity localized muscle fatigue[J].Journal of Strength and Conditioning Research,2006,20(1):197-202.

[11] Tiwaria P S, Giteb L P. Evaluation of work-rest schedules during operation of a rotary power tiller[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2006, 36 (3):203-210.

[12] Wu H C, Hsu W H,Chen T. Complete recovery time after exhaustion in high-intensity work[J].Ergonomics,2005,48(6):668-679.

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

国家自然科学基金项目(71271106)；专业学位硕士研究生科研实践计划项目(SJZZ_0143)；南通理工学院科研项目(2015008)

潘骁(1989—)，女，江苏苏州，硕士，助教，研究方向为人因工程、供应链管理.

E-mail：314046120@qq.com

X914

A

1002-4956(2017)06-0195-06