生理检测综合评价工作负担研究

孟 可，王 凡，王 毅

（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

0 引 言

在现代知识密集型的工作作业系统中，人是非常重要的因素，是唯一能动、易变和不确定性较大的组成部分，如何发挥与充分利用人的最大能动性显得尤为重要。因而，有必要研究及定量评价人在系统中的各种特性[1-4]。换言之，为实现整体工作、提高工作能率及减少工作负担[5-6]、抑制作业疲劳[7-9]等，深入研究人的状态以及特性非常必要[10-12]。

就人在工作中的特性而言，其研究内容多种多样。而研究人的生理状态与疲劳来综合评价人的工作负担是极为重要的手段。同时，研究人在工作过程中如何减轻工作负担、充分发挥其工作效率，一直是研究的最终目的。音乐对调整人的心理与生理[13-14]，尤其缓解大脑的精神负担[15-16]起着重要作用。世界500强的企业有超过半数在工作时间内，用音乐调节与消除员工精神紧张及肌肉疲劳，减少疾病的发生，使他们工作时精力充沛。许多心理学家都相信，听觉的刺激，特别是音乐、歌曲，可以激发人们产生一种充满感情的心理反应。其心理反应与理智思维活动的协调结合，是人们在性格上获得心理平衡的基础。

本文从生物科学研究的角度出发模拟现代制造系统中精密作业环境，通过检测作业者的脑波与肌电位变化及疲劳状态，定量分析工作过程中作业者的工作负担。同时，通过特选音乐来缓解与减少作业者的工作负担。

1 检测系统与方法

1.1 检测系统构成

图1为检测系统的构成。该系统通过对作业者的手指灵活性以及记忆能力测试，对作业过程中的脑波与肌电位信息进行检测。同时，使用临界闪烁视觉频率仪测试客观视觉疲劳，并在相同的作业过程中通过音乐调节，重新检测生理信息，考察调节前后的效果。

图1 检测系统构成

1.2 检测对象

以现代生产制造系统中精密作业为对象，通过动作分析、记忆分析测试作业者由于精神高度集中而产生的紧张度与精神疲劳。测试作业人员随着高精度劳动量的积累而引起的脑电波与肌电位的变化和视觉疲劳所产生的工作负担。同时，通过音乐调节来检测与分析生理状况与疲劳变化过程。

实验以作业者的动作与记忆在规定时间内的准确性为基准，作业次数为20次。作业者为身体健康男性，其中包括有此作业经验者8人和初次作业者12人。

1.3 检测方法

从动作与记忆方面测定作业者的状态。采用手指灵活性测试仪完成动作测试，作业者按顺序将100个金属棒逐个插入实验板的100个圆孔中，从开始位至终止位，以此考察作业者的肌肉紧张程度。采用记忆能力测试仪完成记忆能力测试，显示器随机显示5组5位数，每组显示时间为1.2 s，作业者依次回答其数字组合，以此来考察作业者的脑部紧张程度。

采用脑波检测仪完成脑波测试，检测作业者在作业中脑神经频率的变化。检测平稳的精神状态时的α 波（8～13Hz）和紧张状态时的 β 波（15～23Hz）的比α/β的变化。肌电位测试采用肌电位检测仪，检测作业者在作业中由于肌肉的收缩而产生的电位变化。考察输出电压超过60μV时，为作业者的紧张状态；而在30μV以下时，为作业者的稳定状态。作业者的疲劳度采用视觉疲劳测试仪进行测试（闪光融合频率仪），其频率范围为8～50Hz。采用临界闪烁视觉频率的下降法考察作业者的客观视觉疲劳。以上生理测试综合考察作业者的集中力、紧张感、疲劳度。

通过音乐播放器，作业者在作业过程中特选国内外对脑波调节有影响的乐曲，考察音乐对作业者的调节效果。

2 仪器与设备

手指灵活性测试仪用于高精度位置移动，从而反映肌肉紧张状况。记忆能力测试仪通过微电脑组成的控制器，显示计分、计错、计位、计时，从而反映精神紧张状况。使用日本脑力开发研究所制造的Brain Builder仪器，对作业者的脑波和肌电位进行检测，从生理上反映紧张程度。临界闪烁视觉频率仪用于视觉频率下降的检测，反映客观视觉疲劳，通过以上检测综合反映其工作负担。

3 检测结果与分析

3.1 生理检测与疲劳

由于临界闪烁视觉频率为作业间检测，为在线考察动作与记忆作业过程中脑波与肌电位的变化与客观疲劳的相关性，采用神经网络推定临界闪烁视觉频率。其神经网络的构成如图2所示，输入层选择了脑波α/β波比的变化与样本偏差、肌电位变化与样本偏差、作业时间、作业次数。

学习数据使用误差逆传播法，用下式计算平均推定误差：

式中：Y——平均推定误差；

x1——测定值；

x2——为推定值。

得出神经网络差分二乘平均误差为0.0025。从推定结果的精度看，所检测的生理信息与疲劳度存在紧密关系。说明在此特定工况下，检测的脑波与肌电位的变化与视觉主观疲劳极为相关。换言之，从脑波与肌电位的变化中即可准确定量作业者的工作负担。

图2 神经网络的构成

3.2 音乐调节效果

为进一步考察音乐调节的效果，对脑波α/β波比、肌电位、疲劳的变化采用了样本方差处理。

式中：S2——样本方差；

xi——检测值；

图3为通过式（2）计算出的所有作业者（前8位为熟练者，后12位为非熟练者），在音乐调节前后脑波α/β波比、肌电位、临界闪烁视觉频率变化的样本方差。

图3（a）为音乐调节前后脑波α/β波比样本方差，可以看出音乐调节前的变化率高于音乐调节后，也就是说，在音乐调节下，作业者趋于较平稳的工作状态，表明其作业过程中工作负担降低，精神紧张程度得到有效缓解。而在音乐调节前后，熟练者与非熟练者的脑波变动差异不大，反映出几乎同样的精神紧张程度，说明在精细工作中，人的脑波变化非常敏感。

图3（b）为音乐调节前后作业者肌电位样本方差。可以看出所有作业者的变动量较音乐调节前有所降低；同时，熟练者的变动量明显低于非熟练者。说明在音乐调节下，作业者趋于相对平稳的工作状态，工作负担有所降低，肌肉紧张程度得到较有效的缓解。作业者3在音乐调节前后几乎没有变化，可能由于熟悉其工作条件和环境而始终保持平稳状态工作，或是对音乐的调节反映不大，其结果有待于进一步考查。

图3（c）为音乐调节前后作业者疲劳样本方差，可以看出，所有作业者的变动量较音乐调节前有所降低，尤其是熟练者的变动量明显低于非熟练者。说明在音乐调节下，所有作业者趋于相对平稳的工作状态，其作业过程中工作负担有所降低，视觉疲劳得到了有效缓解。作业者4在音乐调节前后几乎没有变化，与图3（b）作业者3相同，其结果有待于进一步考察。

图3 音乐调整前后作业者脑波α/β波比、肌电位、疲劳样本方差

所有变动量较音乐调节前有所降低。尤其是非熟练者降低程度较大。说明在音乐调节的作业条件下，变动量降低，作业者趋于平稳的工作状态，工作负担降低。进一步验证在音乐的调节下，作业者的精神紧张与肌肉疲劳得到了有效缓解。

4 结束语

本文使用手指灵活性测试仪及记忆能力测试仪以动作分析、记忆分析模拟现代生产制造系统中精密作业，并通过脑波和肌电位以及临界闪烁视觉频率的检测考察作业者的精神与肌肉紧张和疲劳程度。同时采用音乐调节缓解工作负担。通过对检测结果的分析得出以下结论：

1）所检测的生理信息与疲劳存在着紧密定量关系。其作业者的工作负担随作业次数增加而增加，并且非熟练者高于熟练者。

2）音乐调节虽不能完全消除精神与肌肉紧张和疲劳，但对缓解与减轻工作负担起到重要作用。

3）验证了生物科学的研究方法对评价生理检测系统特殊工作条件下的工作负担的可行性与可靠性。

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