基于工效學的高海拔制氧裝置制氧效果評價方法研究

王和平，劉學工，郭永昌，李婕，陳亭

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

高海拔地區氣壓低、空氣含氧量低、風速大、紫外線輻射高，惡劣的環境對人員的活動造成嚴重的影響。尤其是空氣中含氧量低，大大影響了人員動作的靈活性、穩定性和體能的持續性，大幅降低了人員工效學的可靠性，嚴重影響了裝備人員工作效率的發揮。國外在20世紀五、六十年代就開始了高海拔對人員影響的研究，例如Yarratra J等研究了高海狀態下人員心理和生理狀況的問題[1]；West Jb等研究了缺氧狀態下訓練的問題[2]。國內在20世紀六、七十年代也開始了高海拔環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]，第三軍醫大高玉琪等研究了高原用氧的效果和注意事項等[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等。

改善高海拔地區裝備作業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，對人員工效學的改善效果也不盡相同。文中根據參考資料，結合某型作業裝備，裝載了不同的制氧裝置，制定了基于工效學的的試驗和評價方案，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 基于工效學的制氧效果評價方法研究

1.1 基于人員生理工效學的制氧效果評價方案

血氧飽和度是反映機體供氧程度的重要指標，其變化常用來作為個體勞動能力和勞動強度的指標。當血氧飽和度下降到85%以下時，可導致腦集中能力減退和肌肉精細協調能力下降[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，因此血氧飽和度和心率是評價吸氧效果的重要工效學生理指標。文中對比研究了某裝備在高海拔地區行駛4 h作業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的改善效果。

1.2 基于人員基本能力的工效學制氧效果評價方案

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

表1 自覺疲勞癥狀問卷調查表統計Table 1 Questionnaire statistics of subjective fatigue symptoms

1.3 基于作業效率工效學的制氧效果評價方案

1.3.1 駕駛員作業效率考核方案

在某裝備進行4 h任務行駛時，對駕駛員設定任務剖面，考核其不吸氧和不同吸氧方式下的作業效率。駕駛員作業效率考核方案如下：

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。根據條件和實際情況，試驗中選取某段平直土路，在車輛行駛過程中設置“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

考核方法和評價標準如下：

1）車輛高速度接近（車頭距限制路或障礙物10 m外達到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，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 乘載員作業能力考核方案

結合實際情況在高海拔地區，乘載員作業效率考核辦法如下：

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，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，發現目標后向指揮中心報告或記錄目標特征。評價辦法為對目標靶識別的準確率和目標的特征。在實際操作過程中，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、顏色和數量等特征，如圖2所示。

圖2 目標示意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果

高原裝備車載制氧裝置主要測試的性能指標為制氧方式、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，一種為化學反應式制氧藥柱、另一種為車載分子篩式制氧裝置。

化學藥柱每個制氧裝置共4個化學供氧單體，每個單體持續供氧8～10 min左右，氧氣體積分數大于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，一旦反應無法中途停止，面罩式吸氧。分子篩制氧裝置通過管道把氧氣傳輸到每個乘載員位置，采取鼻導管式吸氧，在高原地區氧氣體積分數為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見表2。

2.2 制氧效果研究

由于某型車輛采取化學車載制氧裝置，每個制氧裝置有4個化學供氧單體，每個藥柱持續供氧8～10 min左右，不能長時間持續供氧，所以選擇間隔供氧方式。每次持續吸氧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，可長時間持續供氧，由于持續供氧流量小、濃度低，所以乘載員選擇4 h持續鼻導管式供氧。

2.2.1 不同吸氧方式人員生理變化的吸氧效果對比

化學車載制氧裝置采取間隔式供氧，分子篩制氧裝置選擇持續式吸氧，乘載員在車輛行駛執行任務期間隨身攜帶動態血氧飽和度監測儀。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。

對比兩組數據，化學式間隔供氧，氧氣體積分數高達到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。

分子篩式持續供氧方式，氧氣體積分數在48%左右，流量為1.6 L/min，從圖4可以看出，吸氧后作業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，分子篩持續式供氧在生理工效上優于化學式間隔供氧。

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式吸氧組人員的握力、背力、反應時間和主觀疲勞感受進行了測試和調研。研究結果見表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，吸氧后人員的握力和反應時間變化比較大，證明吸氧對握力和反應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。

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。在持續式吸氧中，從疲勞調查問卷看乘載員重度癥狀占10%，中度癥狀占30%，輕微癥狀戰60%，總體上偏向于輕度疲勞，癥狀總次數從29人次減少到了10人次。

圖3 化學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持續行駛作業中，間隔式吸氧和持續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，持續式吸氧在反應時間、握力和疲勞程度上改善效果分別為了4.5%，6.8%和65%左右，證明持續式吸氧效果要優于間隔式吸氧。

2.2.3 不同吸氧方式乘載員作業工效效果研究

按照設計的考核方案，對同一批人員進行2組作業效率工效考核試驗。駕駛員通過在4 h高速持續行駛中，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行偵查探測任務，匯報所發現目標的特征，考核其任務完成的效率。試驗結果見表6、表7。

不吸氧犯規5次，間隔式吸氧3次，持續式吸氧碰桿1次。

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

表5 疲勞癥狀次數調查統計Table 5 Statistics for times of fatigue symptom

圖5 持續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果Table 7 Reconnaissance results with different ways of oxygen inhalation

3 結論

1）通過基于工效學的一系列試驗方案研究證明，在高海拔地區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能力。

2）車載化學藥柱供氧裝置與車載分子篩供氧裝置相比，車載化學藥柱供氧裝置體積小安裝方便，制氧率高達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、長時間持續供氧費用高。分子篩車載制氧裝置體積相對較大，能夠長時間持續供氧，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。從長時間作業過程來看，長時間持續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。

[1] YARRATRA J.Exercise Physiology of High Altitude[M]．Tokyo：NAP Limited，2000.

[2] WEST J B.Commuting to High Altitude：Value of Oxygen Enrichment of Room Air[J].High Alt Med Biol，2002，3（2）：223—235.

[3]王占剛.高原低氧對青少年最大氧供給和氧利用的影響[J].高原醫學雜志，2006，16（2）：12—14.WANG Zhan-gang.Influence of Plateau Hypoxia Using the Maximum Oxygen Supply and Oxygen to the Youth[J].Journal of High Altitude Medicine，2006，16（2）：12—14.

[4]高文祥，高玉琪.高原用氧指征及高原用氧注意事項[J].西南國防醫藥，2005，15（2）：228—230.GAO Wen-xiang，GAO Yu-qi.Highland Oxygen Indication and Plateau Oxygen Note[J].Southwest Defence Medical，2005，15（2）：228—230.

[5] 張西洲.高原氧研究進展[J].高山醫學雜志，2010，20（1）：58—61.ZHANG Xi-zhou.The Progress of High Altitude Oxygen[J].Journal of High Altitude Medicine，2010，20（1）：58—61.

[6] 趙世宜，霍東芳，任杰.高溫高濕環境對車輛裝備的影響及防護對策[J].裝備環境工程，2012，16（1）：265—268.ZHAO Shi-yi，HUO Dong-fang，REN Jie.The Environmental Impact of Vehicle Equipment and Protective Countermeasures of High Temperature and High Humidity[J].Equipment Environmental Engineering，2012，16（1）：265—268.

[7] 吳勛，任寧莉.固體發動機典型環境載荷分析[J].裝備環境工程，2010，7（6）：103—105.WU Xun，REN Ning-li.Analysis of Solid Engine of Typical Environmental Load[J].Equipment Environmental Engineering，2010，7（6）：103—105.

[8]SODIUM R M.Hormones at High Altitude：Basal and Post—exercise Levels[J].J C Lin End Ocrinol Metab，1998，83：570—574.

[9] MARES M，BERTOLO C.Hemorheological Study in Patients with Coronary Artery Disease[J].Cardiology，1991，78（2）：111—116.

[10]WEST J B，BOYER S J，GRABER D J，et al.Ecercise at Extreme Altitude on Mount Everest[J].J Appl Physiol，1983，55（3）：688—698.

[11]CHEN Q H，GE R L，WANG X Z.Exercise Performance of Tibetan and Han Adolescents Ataltitude of 3147 m and 4300 m[J].J App Physiol，

[12]GAO Y，LUO D，NIU W，et al.Standards and Methods of Evaluating High Altitude Acclimatization[J].Third Mil Med Univ，2001，23（12）：1453—1454.

[13]LIU Hong-tao，LI Wen-xuan，MA Qiang，et al.Health Specification for Soldiers Physical Fitness Training[J].Chin J PLA Pre Med，1997，15（5）：316—319.

[14]XIE L，CHEN M.Experimental Study of Rescuing Respiratory Arrest with Overdosage Anesthetic in Animals[J].J Guangxi Med Univ，2002，19（2）：191—192.

[15]HAN Xue-ping，JIA Yu-lan，YAN R，et al.Cardio-vascular Responses to G-suits with 3 Levels of Positivepressure BreathingUsingDifferentChestCounterPressures[J].Space Medicine&Medical Engineering，2002，15（1）：36—39.