家具制造作业体力负荷对认知能力的影响

洪莲，于娜

(南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

中国未来的工业制造不断向信息化、智能化、绿色化和服务化迈进[1]。家具制造作为传统制造业，也在不断引进信息化加工生产设备，不断向信息制造化转型[2-3]，但在上料、开料、钻孔等生产加工过程中工人的劳动量仍旧很大[4-7]，呈现出手工搬运作业与机械界面操控、决策并存的双任务模式[8]。在这种体力和脑力并存的复合作业模式下，长时间搬运导致的作业疲劳会造成作业者反应力降低、思维迟钝[9-10]，由此导致认知功能的受损，甚至造成重大人因失误[11]。以往关于家具制造业的作业疲劳研究多围绕体力疲劳方面[12-15]，然而认知是人与信息系统交互作业的关键。因此，探究家具制造业工人体力作业疲劳对认知能力的影响，对于合理安排作业模式与进度、缓解工人的疲劳及减少安全事故都有着重要的意义。

作业强度的大小是引起体力疲劳的主要因素[16]。罗德宇[17]研究发现基材处理、研磨和涂料等不同岗位下，家具工人的体力负荷强度不同，工作心率也不同。刘培义[18]通过持续监测家具工人的作业心率，发现工人的心率范围为80～145次/min，整体心率维持在117次/min，达到127.5次/min的时间高达三分之一。在体力劳动时，心率与体力疲劳之间有着密切的联系，作业强度越高，心率越高；国内外学者已普遍尝试用心率来划分体力疲劳的程度[19]。根据以往的研究发现，家具制造作业中，工人的身体各部位均出现不同程度的体力疲劳，呈现出全身性的整体疲劳，其中腰部、腿部和脚踝等下肢部位的疲劳最为严重[8]。尤其在上下料岗位，工人由于弯腰、下蹲等姿势重心偏移，腿部包括臀部、膝部和脚踝在内的整个下肢的负荷能力显著下降[14]。国内外学者对于体力疲劳的研究分为局部肌肉疲劳与全身体力疲劳。其中全身体力疲劳可以采用功率自行车、长时间跑步等来诱发，而功率自行车要求的能量代谢少、运动幅度小，更适合用于研究运动对脑机制方面的影响。

以往多项研究表明，体力任务强度的不同对认知能力的影响不同。其中，中等强度的有氧运动对认知能力有促进作用[20]，甚至是在中强度运动下认知反应效果最优[21]。总体来说，个体的表现随着体力强度增大先提升后下降，整体趋势呈现一个倒U型[22]。然而国内外学者就体力任务对于脑认知能力的影响研究多集中在运动医学[23]和驾驶行为[24]等领域，涉及制造业的认知疲劳研究较少，对家具制造业认知疲劳的适用性差。

因此，本研究针对家具工人全身性疲劳的现状，采用心率作为划分疲劳等级的手段，并通过功率自行车骑行的方式诱发体力疲劳，以此来研究不同的体力负荷对认知能力产生不同的作用效果。为家具制造工人的作业强度设计提供依据。

1 实验方法

1.1 受试对象

家具制造业工人多为青壮年，随着年龄的增大，工人的肌肉力量不断降低[25]，不同程度上会产生由于重复性手工作业导致的肌肉疲劳积累甚至肌肉骨骼疾病[26]。为了排除肌肉劳损对本实验的影响，受试对象选用青年人。同时，由于采用家具制造工人参与实验的阻力较大，而大学生与青年劳动力年纪相仿，身体素质相似，因此本研究的受试对象采用在读大学生。

受试对象共16名，男女各8名，年龄20～25 a，均无心脏方面疾病与肌肉骨骼疾病，视力或矫正视力正常。所有受试者在实验前7 d内，未进行过激烈的运动。

1.2 实验材料、设备

本实验采用功率自行车、计算机、摄像机和ErgoLAB人机环境同步平台，实验布局如图1所示。

图1 实验布局Fig. 1 Experimental layout

1.3 实验设计与流程

目前关于体力对脑力影响的研究通常采用体力任务诱发后进行脑认知测试的方法来实现。如图2所示，实验分为准备、前测、体力疲劳诱发与认知能力测试4个阶段。

图2 实验流程Fig. 2 Experimental flow chart

1.3.1 准备与前测阶段

被试到达实验室后静坐到心率恢复正常水平。首先进行热身训练，在体力诱发前进行一定时间的功率自行车骑行以激活全身肌肉，为避免疲劳累积，热身训练时间不宜过长，负荷也不宜多大，根据个体运动经验，热身时间约3 min。热身训练后休息10 min，进行基线生理数据测量以及心算任务测试练习，指导被试熟悉实验流程，并且无任何疑问时，方可开始正式实验。

1.3.2 体力疲劳诱发

家具制造工人呈现全身性的整体疲劳[7]，参考家具工人的工作疲劳心率范围[15]，本研究将体力负荷强度设定为低强度、中强度和高强度3种等级，并设置了一组无体力疲劳的对照组。体力负荷的强度根据心率进行设定，以美国运动医学会针对健康成年人有氧运动强度的分级标准为基础，结合国内外相关研究结果，确立强度的分级标准：最大心率(MHR)的测试方法为220减去被试年龄，小强度有氧运动负荷设定为50%～59%MHR，中等强度为60%～69%MHR，大强度为70%～79%MHR。根据被试的平均年龄推算出被试最大心率范围为195～200次/min。因此，设定低强度组要求达到的心率范围为100～110次/min，中强度组心率范围为120～130次/min，高强度组的心率范围为140～150次/min。

在每组体力疲劳诱发实验前先进行基线生理数据测量，根据不同的运动强度和被试的要求调整功率自行车阻力大小，通过心率设备来进行监控。当被试的心率到达目标区时开始正式实验。正式实验为10 min，要求被试在10 min时间内心率保持在目标心率范围，骑行速度保持在15～16 km/h。

1.3.3 认知能力测试

当被试完成10 min的正式骑行实验后，立即进入心算测试。测试内容为120道20以内的加减运算，依次呈现在屏幕上，呈现时间为3 s，切换时间为2 s。被试计算完后口头报出答案。

1.4 数据分析

本实验的研究指标选取心算任务正确率和心率变异性。心算任务正确率可以用来反映认知绩效；心率变异性指标可用来评价被试的认知心理，其中总体标准差(SDNN)可反映被试的交感神经和副交感神经总张力的大小，差值均方平方根(RMSSD)可反映被试的副交感神经活动的敏感程度，低频段功率与高频段功率比值(LF/HF)可反映交感神经和副交感神经的活动平衡性。这3项指标与脑力负荷呈负相关。

本实验的生理数据使用北京津发科技股份公司开发的ErgoLAB人-机-环境同步-软件进行处理与分析，实验结果采用SPSS 22.0软件进行统计分析，结果以均值±标准差的形式表示。对实验结果进行单因素方差分析，P<0.05表示数据在α=0.05 置信度水平下具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同强度体力疲劳后认知绩效变化

被试在不同强度体力疲劳诱发后完成心算任务的正确率见表1。低强度体力疲劳诱发后的正确率最低，中强度与高强度诱发后正确率依次提升，均高于对照组。由表2单因素方差分析可以看出，体力疲劳诱发强度对心算任务的正确率有显著性影响(P=0.048)。

表1 不同强度体力疲劳诱发后的心算任务正确率统计结果Table 1 Statistical results of correctness of mental arithmetic tasks induced by physical fatigue with different intensities

由此可以分析得出，不同强度体力疲劳诱发对被试的认知能力有不同程度的影响。中、高强度体力疲劳诱发后认知能力有所提升，低强度体力疲劳诱发后会对认知能力产生损害。

表2 不同强度体力疲劳诱发后认知任务正确率方差分析Table 2 The ANOVA of cognitive task correctness after different strengths of physical fatigue

2.2 不同强度体力疲劳后认知心率变异性的变化

2.2.1 不同强度的体力疲劳诱发后SDNN的变化

被试在不同强度的体力疲劳诱发后，进行心算任务时的平均SDNN值见表3。4组心算的平均SDNN随着体力疲劳诱发强度的增加而减小，无负荷状态下的平均SDNN最高，而高强度体力疲劳诱发下平均SDNN最低。根据表4单因素方差分析可知，体力疲劳诱发强度对心算任务的平均SDNN有显著性影响(P=0.046)。

由此可以分析得出，不同强度的体力负荷对被试的认知心理有不同程度的影响。随着体力强度等级的不断提升，被试的平均SDNN值不断下降，这说明交感神经和副交感神经总张力不断下降，被试完成等量心算任务的疲劳感也不断增加。

表3 不同强度体力疲劳诱发后进行认知测试时的心率变异性统计结果Table 3 Statistical results of heart rate variability during cognitive tests after induction of physical fatigue at different strengths

表4 不同强度体力疲劳诱发后进行认知测试时的心率变异性方差分析Table 4 The ANOVA of heart rate variability during cognitive tests after induction of physical fatigue at different strengths

2.2.2 不同强度的体力疲劳诱发后RMSSD的变化

被试在不同强度的体力疲劳诱发后，进行心算任务时的平均RMSSD值见表3。随着体力强度的增大，被试在心算时的RMSSD先减小后增大，在中强度下最低，高强度下稍有提升。根据表4单因素方差分析得知，体力疲劳诱发强度对心算任务的RMSSD有显著性影响(P=0.027)。

由此可以分析得出，不同强度体力疲劳诱发对被试的认知心理有不同程度的影响。随着体力强度等级的不断提升，被试的RMSSD数值总体呈下降趋势，这说明副交感神经活动的敏感程度不断降低，被试完成等量心算任务的疲劳感也在不断增加，中、高强度下疲劳感差距不大。

2.2.3 不同强度的体力疲劳诱发后LF/HF的变化

被试在不同强度的体力疲劳诱发后，进行心算任务时的LF/HF值见表3。在低、中、高3种强度下，被试的LF/HF值先减小后增大，且均高于无负荷状态下的数值。根据表4单因素方差分析可知，体力疲劳诱发强度对心算任务的LF/HF无显著性影响。

3 结论与讨论

本研究结果揭示在认知绩效方面，低、中、高3种强度体力疲劳诱发后的正确率依次提升。相比于未经过体力疲劳诱发而直接进行认知任务，中、高强度体力疲劳诱发后，被试的认知能力提升；低强度体力疲劳诱发后，被试的认知能力有所损害。而高强度条件下被试的认知能力依旧提升，与以往研究中倒U型变化存在区别，可能原因在于不同的研究对于高强度的设定等级以及认知测试难度等级有所差异。本研究的高强度心率范围140～150次/min，且为保护被试常将心率维持在140次/min以上，因此可能造成高强度等级与中强度等级差距较小，高强度仍未到达倒U型的拐点。且本研究中设定的心算任务较简单，被试付出的努力程度可能不够高，从而导致认知能力水平差距不明显。在认知心理方面，随着体力诱发强度的增加，被试的交感神经张力和副交感神经总张力大小及副交感神经活动的敏感程度不断减小；高强度时被试的交感神经和副交感神经的活动均衡性升高，且被试需付出更大的精力来维持同样的作业绩效，反映在LF/HF值上升，体现了心率调节中交感神经占主导[27]。即体力负荷越大，工人的生理上和心理上的负荷越重。

总体来说，低强度的体力负荷会抑制认知能力，中高强度的体力负荷会提升认知能力，即在低强度体力负荷下可能会造成人因失误，中高强度的体力负荷能够促进工人表现；而过高的体力负荷加剧工人的心理疲劳感，而心理疲劳加重会造成注意力涣散、记忆力减退、思维迟钝甚至导致人因失误[28]。因此，在工人实际作业过程中应当排除过高强度的体力作业对工人心理的不良影响。故而在家具企业的实际生产中，要综合考虑家具工人的认知绩效与认知心理疲劳感，将体力劳动强度范围控制在中高强度的适宜等级。

根据研究结论，提出以下建议：1)控制作业负荷。在上料岗位控制板件质量，对单次的搬运质量进行调整，对于过重的板件，可以采用多人协同搬运或是借助设备搬运。同时为工人提供工作椅，缓解长时间站立造成的腰部以及下肢疲劳积累。在封边等操作繁琐负荷较小的岗位，应当多批次进行封边操作，少量多次封边与操控程序，使体力操作与界面操作穿插进行，避免长时间的低负荷、单一作业内容带来的枯燥、疲倦等消极心理。2)配合适当的排班与岗位轮换制度，采取少量多次的休息模式。同时为工人提供舒缓愉快的音乐播放设备，让工人在休息时可以听音乐来调节情绪，缓解心理疲劳。3)为工人配备测量心率的智能手环等疲劳监测设备，设置适宜心率范围，实时监测工人的心率并提醒工人休息。

在家具制造业，不同岗位的工人所进行的作业类型不尽相同，如钻孔岗位工人采取蹲姿进行钻孔作业，手臂肩颈长时间振动、腿部腰部保持蹲势会导致疲劳积累；上料岗位重复搬举板件也会造成全身的体力疲劳。除了作业强度与模式之外，作业时间也是会对认知疲劳产生重要影响的关键因素[29]。因此，在今后的研究中，可以针对不同岗位的特殊工作模式，细化研究合理的作业时间，以此改善家具制造工人认知疲劳。工人通过操控机械的界面来完成工作，涉及工人的记忆力、决策力与目标搜寻能力等认知能力[8]，因此可以将具体涉及的认知能力作为研究指标展开实验。从多因素的角度联合分析，为工人的作业设计提供更加准确的依据，从而缓解工人的作业疲劳。此研究对于家具制造业以及电子信息加工业、服装制造业等领域具有一定适用性，旨在提高工人的工作效率并预防制造过程中的人因失误。