生理檢測綜合評價工作負擔研究

孟 可，王 凡，王 毅

（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

0 引 言

在現代知識密集型的工作作業系統中，人是非常重要的因素，是唯一能動、易變和不確定性較大的組成部分，如何發揮與充分利用人的最大能動性顯得尤為重要。因而，有必要研究及定量評價人在系統中的各種特性[1-4]。換言之，為實現整體工作、提高工作能率及減少工作負擔[5-6]、抑制作業疲勞[7-9]等，深入研究人的狀態以及特性非常必要[10-12]。

就人在工作中的特性而言，其研究內容多種多樣。而研究人的生理狀態與疲勞來綜合評價人的工作負擔是極為重要的手段。同時，研究人在工作過程中如何減輕工作負擔、充分發揮其工作效率，一直是研究的最終目的。音樂對調整人的心理與生理[13-14]，尤其緩解大腦的精神負擔[15-16]起著重要作用。世界500強的企業有超過半數在工作時間內，用音樂調節與消除員工精神緊張及肌肉疲勞，減少疾病的發生，使他們工作時精力充沛。許多心理學家都相信，聽覺的刺激，特別是音樂、歌曲，可以激發人們產生一種充滿感情的心理反應。其心理反應與理智思維活動的協調結合，是人們在性格上獲得心理平衡的基礎。

本文從生物科學研究的角度出發模擬現代制造系統中精密作業環境，通過檢測作業者的腦波與肌電位變化及疲勞狀態，定量分析工作過程中作業者的工作負擔。同時，通過特選音樂來緩解與減少作業者的工作負擔。

1 檢測系統與方法

1.1 檢測系統構成

圖1為檢測系統的構成。該系統通過對作業者的手指靈活性以及記憶能力測試，對作業過程中的腦波與肌電位信息進行檢測。同時，使用臨界閃爍視覺頻率儀測試客觀視覺疲勞，并在相同的作業過程中通過音樂調節，重新檢測生理信息，考察調節前后的效果。

圖1 檢測系統構成

1.2 檢測對象

以現代生產制造系統中精密作業為對象，通過動作分析、記憶分析測試作業者由于精神高度集中而產生的緊張度與精神疲勞。測試作業人員隨著高精度勞動量的積累而引起的腦電波與肌電位的變化和視覺疲勞所產生的工作負擔。同時，通過音樂調節來檢測與分析生理狀況與疲勞變化過程。

實驗以作業者的動作與記憶在規定時間內的準確性為基準，作業次數為20次。作業者為身體健康男性，其中包括有此作業經驗者8人和初次作業者12人。

1.3 檢測方法

從動作與記憶方面測定作業者的狀態。采用手指靈活性測試儀完成動作測試，作業者按順序將100個金屬棒逐個插入實驗板的100個圓孔中，從開始位至終止位，以此考察作業者的肌肉緊張程度。采用記憶能力測試儀完成記憶能力測試，顯示器隨機顯示5組5位數，每組顯示時間為1.2 s，作業者依次回答其數字組合，以此來考察作業者的腦部緊張程度。

采用腦波檢測儀完成腦波測試，檢測作業者在作業中腦神經頻率的變化。檢測平穩的精神狀態時的α 波（8～13Hz）和緊張狀態時的 β 波（15～23Hz）的比α/β的變化。肌電位測試采用肌電位檢測儀，檢測作業者在作業中由于肌肉的收縮而產生的電位變化。考察輸出電壓超過60μV時，為作業者的緊張狀態；而在30μV以下時，為作業者的穩定狀態。作業者的疲勞度采用視覺疲勞測試儀進行測試（閃光融合頻率儀），其頻率范圍為8～50Hz。采用臨界閃爍視覺頻率的下降法考察作業者的客觀視覺疲勞。以上生理測試綜合考察作業者的集中力、緊張感、疲勞度。

通過音樂播放器，作業者在作業過程中特選國內外對腦波調節有影響的樂曲，考察音樂對作業者的調節效果。

2 儀器與設備

手指靈活性測試儀用于高精度位置移動，從而反映肌肉緊張狀況。記憶能力測試儀通過微電腦組成的控制器，顯示計分、計錯、計位、計時，從而反映精神緊張狀況。使用日本腦力開發研究所制造的Brain Builder儀器，對作業者的腦波和肌電位進行檢測，從生理上反映緊張程度。臨界閃爍視覺頻率儀用于視覺頻率下降的檢測，反映客觀視覺疲勞，通過以上檢測綜合反映其工作負擔。

3 檢測結果與分析

3.1 生理檢測與疲勞

由于臨界閃爍視覺頻率為作業間檢測，為在線考察動作與記憶作業過程中腦波與肌電位的變化與客觀疲勞的相關性，采用神經網絡推定臨界閃爍視覺頻率。其神經網絡的構成如圖2所示，輸入層選擇了腦波α/β波比的變化與樣本偏差、肌電位變化與樣本偏差、作業時間、作業次數。

學習數據使用誤差逆傳播法，用下式計算平均推定誤差：

式中：Y——平均推定誤差；

x1——測定值；

x2——為推定值。

得出神經網絡差分二乘平均誤差為0.0025。從推定結果的精度看，所檢測的生理信息與疲勞度存在緊密關系。說明在此特定工況下，檢測的腦波與肌電位的變化與視覺主觀疲勞極為相關。換言之，從腦波與肌電位的變化中即可準確定量作業者的工作負擔。

圖2 神經網絡的構成

3.2 音樂調節效果

為進一步考察音樂調節的效果，對腦波α/β波比、肌電位、疲勞的變化采用了樣本方差處理。

式中：S2——樣本方差；

xi——檢測值；

圖3為通過式（2）計算出的所有作業者（前8位為熟練者，后12位為非熟練者），在音樂調節前后腦波α/β波比、肌電位、臨界閃爍視覺頻率變化的樣本方差。

圖3（a）為音樂調節前后腦波α/β波比樣本方差，可以看出音樂調節前的變化率高于音樂調節后，也就是說，在音樂調節下，作業者趨于較平穩的工作狀態，表明其作業過程中工作負擔降低，精神緊張程度得到有效緩解。而在音樂調節前后，熟練者與非熟練者的腦波變動差異不大，反映出幾乎同樣的精神緊張程度，說明在精細工作中，人的腦波變化非常敏感。

圖3（b）為音樂調節前后作業者肌電位樣本方差。可以看出所有作業者的變動量較音樂調節前有所降低；同時，熟練者的變動量明顯低于非熟練者。說明在音樂調節下，作業者趨于相對平穩的工作狀態，工作負擔有所降低，肌肉緊張程度得到較有效的緩解。作業者3在音樂調節前后幾乎沒有變化，可能由于熟悉其工作條件和環境而始終保持平穩狀態工作，或是對音樂的調節反映不大，其結果有待于進一步考查。

圖3（c）為音樂調節前后作業者疲勞樣本方差，可以看出，所有作業者的變動量較音樂調節前有所降低，尤其是熟練者的變動量明顯低于非熟練者。說明在音樂調節下，所有作業者趨于相對平穩的工作狀態，其作業過程中工作負擔有所降低，視覺疲勞得到了有效緩解。作業者4在音樂調節前后幾乎沒有變化，與圖3（b）作業者3相同，其結果有待于進一步考察。

圖3 音樂調整前后作業者腦波α/β波比、肌電位、疲勞樣本方差

所有變動量較音樂調節前有所降低。尤其是非熟練者降低程度較大。說明在音樂調節的作業條件下，變動量降低，作業者趨于平穩的工作狀態，工作負擔降低。進一步驗證在音樂的調節下，作業者的精神緊張與肌肉疲勞得到了有效緩解。

4 結束語

本文使用手指靈活性測試儀及記憶能力測試儀以動作分析、記憶分析模擬現代生產制造系統中精密作業，并通過腦波和肌電位以及臨界閃爍視覺頻率的檢測考察作業者的精神與肌肉緊張和疲勞程度。同時采用音樂調節緩解工作負擔。通過對檢測結果的分析得出以下結論：

1）所檢測的生理信息與疲勞存在著緊密定量關系。其作業者的工作負擔隨作業次數增加而增加，并且非熟練者高于熟練者。

2）音樂調節雖不能完全消除精神與肌肉緊張和疲勞，但對緩解與減輕工作負擔起到重要作用。

3）驗證了生物科學的研究方法對評價生理檢測系統特殊工作條件下的工作負擔的可行性與可靠性。

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