田間作業中農機駕駛員心率與疲勞的測試分析

陳陽堅，趙永超，孔德剛，劉　玲，楊　航，吳　燦

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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田間作業中農機駕駛員心率與疲勞的測試分析

陳陽堅，趙永超，孔德剛，劉玲，楊航，吳燦

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：為了解田間作業時駕駛員的疲勞狀況，對播種、割曬、深松淺翻和起壟等田間作業過程中駕駛員的心率和疲勞狀況進行了測試、調查與分析。結果表明：在純作業和田間轉向作業中，國產履帶拖拉機組駕駛員的心率增加率顯著高于其他機組，屬于中級勞動強度；大功率機組與小功率機組純作業與田間轉向時的駕駛員心率增加率無顯著差異；同時，得出了各機組駕駛員可能承受的最長作業時間為10.7～16.7h，為分析駕駛疲勞產生的原因、減輕駕駛疲勞及改善駕駛環境提供了依據。

關鍵詞：田間作業；駕駛疲勞；心率增加率；勞動強度；最長作業時間

0引言

拖拉機是播種、中耕、收獲、整地和起壟等田間作業中最基本的動力裝備，作為現代化農業生產的動力源，為保障國家糧食生產安全發揮著重要的作用。近年來，隨著國產和進口拖拉機數量的增多，拖拉機作業事故發生率也顯著升高，而因駕駛疲勞造成的事故占10%～20%[1-2]。進口拖拉機及其裝備與國產相比，機組功率大、綜合技術性能指標高，尤其是工作可靠、故障率低[3]，在國內依然占有較大的市場。另一方面，進口拖拉機的駕駛環境、操控性好且作業安全舒適，具有較高的人機工程學特性[4-6]，由駕駛疲勞引發的事故較少，綜合效益較高。為了解田間作業中駕駛員的駕駛疲勞狀況、研究駕駛進口拖拉機與國產拖拉機作業時駕駛疲勞的差異，本文依據駕駛作業中駕駛員心率變化與體能消耗及駕駛疲勞之間的相互關系[7-9]，對大豆春播、小麥割曬、深松淺翻及起壟等作業中8個機組駕駛員的心率進行了跟蹤測試，并以心率增加率為評價指標對其駕駛疲勞狀況、勞動強度等級進行了分析和判別。同時，根據相對心率計算分析各機組駕駛員可能承受的最長作業時間，進一步對作業中存在的問題進行研究分析，提出改善駕駛員作業條件和減輕駕駛疲勞的具體建議和措施。

1測試與調查

1.1測試儀器與被測機組

1)測試儀器。芬蘭polar(博能)公司生產的S625X型和S810i型心率測試儀(采樣間隔范圍1～60 s，精度1/100 s)；秒表(超速達、精度1/1 000 s、可記憶數據200個)；電子秤(精度±0.1 kg)；鋼卷尺(5 m)等。

2)被測機組。被測機組均為我國農業生產中廣泛使用且具有代表性的機型。為避免爭議，機型的具體型號用字母替代。機組主要性能參數如表1所示。

表1　被測機組主要性能參數

續表1

表中機組A、C、E中拖拉機為同一機型，機組H中的拖拉機為機組G中拖拉機的改進型。

1.2測試地點與被測人員

1)測試地點及作業內容。測試地點為黑龍江省嫩江縣境內黑龍江農墾總局九三分局鶴山農場及雙鴨山市寶清縣東進村等地；作業內容為大豆播種作業、小麥割曬作業、深松淺翻作業及起壟作業。

2)被測人員。被測人員為黑龍江省農墾總局九三分局鶴山農場和雙鴨山市寶清縣東進村等場縣的拖拉機駕駛員，從事6年以上拖拉機駕駛工作。駕駛員詳細情況如表2所示。

表2　駕駛員詳細情況

1.3測試方法

1)按人體尺寸測量標準GB/T5703-1999規定的方法測量駕駛員身高及體質量。

2)按心率測試儀的設置要求給駕駛員佩帶，設定心率表采樣時間，并與秒表同步啟動。

3)在作業前讓駕駛員靜坐10min，測量駕駛員安靜心率。

4)用心率測試儀跟蹤記錄駕駛員工作中的心率，同時詳細記錄駕駛員的作業內容；作業結束時停止測試和記錄，并及時把測試得到的心率數據傳輸到計算機中，供研究分析使用。

5)測試前，確認各駕駛員未飲酒或服用過可能引起心率加速的藥物，未進行過劇烈運動。

2疲勞評價與測試結果

2.1作業疲勞的心率評價法

評價作業疲勞最基本的方法有氧攝取量分析法和血中乳酸濃度測量法等[10-12]，但這些方法對于變負荷作業和移動性作業很難操作。在一定條件下，心率與氧攝取量有密切相關的比例關系，所以可以用心率來推測作業者的氧攝取量，進一步計算和評價作業者的疲勞程度。另外，心率不僅能評價體力性作業疲勞程度，還能評價機械操縱時的精神緊張程度[13-16]。與其他方法比較，移動性作業和變負荷作業中的作業者心率容易測取，所以心率作為評價機動車駕駛員作業疲勞的指標較為適用。

圖1　積分計算示意圖

該函數的積分值I可近似計算為

(1)

當人體靜坐處于安靜狀態時，心率通常在相對穩定的值上下跳動，僅消耗維持坐姿的最基本的能量。當人進行生產勞動時，心率值在安靜心率的基礎上增加，波動幅度也相對加大，維持活動量大的作業需要消耗更多的能量，才能實現人體的代謝平衡。

作業引起的人體能量消耗(攝氧量或心率)等于該作業狀態人體能量消耗(攝氧量或心率)與安靜狀態人體能量消耗(攝氧量或心率)的差值。因此，作業心率與安靜心率的差值在時間上的積分相當于該時間內用于作業上的人體能量消耗。該積分值越高，人體消耗的能量就越多，人就會越容易疲勞。根據式(1)可分別計算出作業狀態時的心率積分值IZ和安靜狀態時的心率積分值I0。由作業引起增加的部分能量ΔI為

ΔI=IZ-I0

(2)

將式(2)中的IZ和I0分別除以各自狀態下的累計時間∑t，則可分別得到作業狀態時的心率平均值RZ(次/min)(以下簡稱作業心率)和安靜狀態時的心率平均值R0(次/min)(以下簡稱安靜心率)。作業心率RZ與安靜心率R0之差稱為心率增加量ΔR(次/min)，相當于單位時間內人體用于作業所付出能量的多少，其計量單位與心率的相同，即每分鐘心臟跳動增加的次數。但每個人的安靜心率R0和個體機能不同，在心率增加量ΔR相同的情況下，個體之間會顯現出不同的差異。在相互比較時，為減小這種差異，用心率增加量ΔR除以安靜心率R0，得到心率增加率r，單位為%。ΔR和r分別表示為

ΔR=RZ-R0

(3)

r=ΔR/R0

(4)

本文以心率增加率為評價指標分析田間作業中駕駛員的疲勞，并參考蔡啟明提出的劃分方法[17]，來判別駕駛不同機組進行不同田間作業時駕駛員的勞動強度等級。

另外，相對心率也被選擇作為勞動強度的一個判定指標。文獻[18]指出：相對心率與相對攝氧量基本一致，即

(5)

其中，VO2work為工作時的攝氧量，mL/(kg·min)；VO2rest為安靜時的攝氧量，mL/(kg·min)；VO2max為最大攝氧量，mL/(kg·min)；RVO2為相對攝氧量，mL/(kg·min)；RHR為相對心率，%；Rmax為最大心率值，次/min；Rmax=220-年齡。

根據作業者的相對心率，可以計算其可承受的最長作業時間tmax。從理論上講，當作業時間超過可能承受的最長作業時間時，作業者就會產生疲勞，注意力渙散，引起作業質量和作業效率下降，甚至導致事故發生。所以，用最長作業時間來合理地指導作業者進行作業，把作業者的作業時間限制在可承受的最長作業時間的范圍內，可有效地減輕作業者的疲勞積累。可承受的最長作業時間計算公式[19]為

tmax=26.12e-4.81RHR(h)

(6)

2.2心率測試結果

在田間作業過程中，由于一些不確定因素的影響，駕駛員有時會停車接打電話或下車查看作業情況及排除故障等。為區別駕駛作業，將駕駛作業外的其他作業統稱為輔助作業。輔助作業中，作業項目較多，各機型對比起來會有很多不同之處，但駕駛作業是所有機型的共有作業，本文只對田間作業過程中的駕駛作業進行研究和討論。

圖2是機組A播種作業過程中實測駕駛員心率歷時變化曲線的一部分(因篇幅所限，其他機組的變化曲線從略)。根據現場作業情況的記錄，把作業劃分為駕駛作業(包括純作業和田間轉向作業)及輔助作業，并在圖中加以標注。由圖2可知：駕駛作業和輔助作業兩種作業條件下駕駛員的心率明顯不同。其中，駕駛作業時，心率變化較為平穩；輔助作業時，心率變化較大，增長幅度明顯大于駕駛作業時心率。

①純作業時心率；②轉向作業時心率；③輔助作業時心率

對于測試數據，按照以下步驟和方法進行數據處理：把每個機組作業中測試的心率數據對照作業情況記錄表按不同作業內容進行分類整理，分別計算出駕駛員安靜心率R0、純作業和田間轉向作業時的心率RZ；按照式(3)和式(4)計算駕駛員不同作業時的心率增加量ΔR和心率增加率r。計算結果整理如表3所示。

3分析與討論

3.1心率增加率分析

圖3表示了不同田間作業時不同機組駕駛員的心率增加率的差異情況。由圖3可知：純作業時各機組駕駛員心率增加率的大小順序為B>D>G>H>C>A>F>E；心率增加率最大的機組B的駕駛員為23.4%，最小的是機組E的駕駛員為8.8%。在田間轉向作業時，各機組駕駛員心率增加率的大小順序為B>F>D>C>H>G>E>A；心率增加率最大的機組B為33.0%，最小的是機組A為11.5%。

表3　駕駛員不同作業時心率的測試與計算結果

R0為安靜心率；RZ為作業心率；ΔR為心率增加量；r為心率增加率。

圖3　田間作業時駕駛員心率增加率

由t檢驗可知，同機型進口大型輪式拖拉機機組A、C、E在不同作業項目(大豆播種、小麥割曬、深松淺翻)及其不同作業內容(純作業和田間轉向)時駕駛員的心率增加率均無顯著差異；各大型輪式機組A、C、D、E、F不同作業項目純作業與田間轉向時的駕駛員心率增加率無顯著差異；同機型國產小型輪式拖拉機機組G、H在起壟作業中不同作業內容時的心率增加率也均無顯著差異。這表明，對于同類機型，由不同作業項目、作業內容以及駕駛員個體引起的心率增加率變化較小，也表明心率增加率這一評價指標受個體差異影響較小。

機組B(國產履帶式拖拉機)駕駛員在純作業和田間轉向作業時的心率增加率明顯大于機組A、C、E(同機型進口輪式拖拉機)，其平均值存在顯著差異(P<0.05)，表明機組B駕駛員駕駛時付出的能量(或疲勞程度)要大于機組A、C、E。比較機組B和機組A、C、E的駕駛方式及駕駛環境可知：機組B的轉向機構為操縱桿，手和腳的動作幅度和所受作用力都較大；座椅減振性能差，駕駛室無空調，經常依靠打開門窗調整室溫，駕駛員常受到較高履帶噪聲的作用。機組A、C、E的轉向機構為方向盤，操控力和動作幅度都較小；座椅振動小，駕駛室封閉有空調配置，駕駛環境舒適。因此，可以認為操縱機構和駕駛室環境的差異是引起心率增加率增大的主要原因。

機組D、F駕駛員在純作業時的心率增加率與機組A、C、E無明顯差異，而在田間轉向作業時機組D、F顯著大于機組A、C、E(P<0.05)。比較分析其各機組的駕駛環境和機身大小可知：這5個機組同為輪式大型機，都是封閉駕駛室，都具有空調系統和減振座椅，駕駛環境良好；但機組D、F的機身尺寸(長×寬)明顯大于機組A、C、E的機身尺寸(見表1)。一般來說，機身幅寬和長度較大的機組轉向靈活度較差，轉向時駕駛員注意力需要高度集中、精神相對緊張，心率隨之增大。因此，可以說機組D、F的機身尺寸(長×寬)較大引起駕駛員精神負擔加重，是導致駕駛員在田間轉向時心率增大的主要原因。

駕駛小功率機組G、H與駕駛大功率機組A、C、D、E、F駕駛員的心率增加率并無顯著差異。這是因為機組G、H雖然是輪式小功率拖拉機，作業幅度小，但無封閉駕駛室和有效的減振裝置，駕駛員受較大的座椅振動和較高的噪聲作用，引起心率增加率增大。另外，機組G、H與其他各機組不同，出現駕駛員純作業時的心率增加率大于田間轉向作業時的現象(見圖3)。其原因是：小功率機組G、H的機身幅寬和長度較小(見表1)，轉向時便于瞭望，并且速度慢，駕駛員精神放松負擔較輕，其心率自然下降；而純作業時的速度相對較快，駕駛員受振動、噪聲、風塵、日曬等多種不利因素作用，使體力和精神負擔都加重，導致心率加快。

3.2駕駛員勞動強度分析與判定

對于勞動強度，有很多研究者根據作業者心率變化提出不同的判別方法。我國學者蔡啟明提出了根據運動時的心率和安靜時心率的比值大小(等于心率增加率+100%)劃分勞動強度等級的方法[17]。本文在分析駕駛員田間作業心率增加率的基礎上，進一步參考蔡啟明提出的劃分方法，使用心率增加率判別駕駛員田間作業的勞動強度等級。

為了判定拖拉機駕駛員田間作業的勞動強度，將駕駛員田間作業時的心率增加率及勞動強度等級劃分方法列于表4中。

表4　駕駛員勞動強度判定表

由表4可知：駕駛機組B純作業和田間轉向作業及駕駛機組F田間轉向作業屬于中級勞動強度；其他機組駕駛員進行純作業和田間轉向作業屬于輕級勞動強度。機組D田間轉向的心率增加率十分接近中級勞動強度。由現場調查記錄可知：該機割臺前置、轉向輪在后，轉向機構靈活，因此轉向時角速度較大，在這種情況下，駕駛員常處于緊張狀態而使心率升高。其他機組在不同作業時根據心率增加率判斷為輕級勞動強度，但并不意味著駕駛員的作業疲勞程度低。作業者的疲勞不僅與勞動強度大小有關，還與勞動時間長短有密切關系[20]，即使是輕、中級勞動強度的作業，也不宜超過國家規定的駕駛作業時間。

3.3田間作業可能的最長駕駛時間

根據公式(6)計算出各機組駕駛員田間作業時可能承受的最長作業時間，如表5所示。由表5可知：最長作業時間在10.7～16.7h之間；機組E、F的最長作業時間(大于16 h)較長，可認為是深松淺翻作業的作業速度相對較慢，精神緊張度低于其他作業；機組G、H的最長作業時間(小于11 h)較短，主要是因為這兩個機組均無駕駛室，駕駛員身處風吹日曬、噪音、振動、排氣管尾氣的煙熏等相對惡劣的駕駛環境。實際調查中發現：為了追求更大的經濟利益，駕駛員每天的駕駛作業時間均在12h以上，有的甚至達到16～17h，遠超過國家規定的每天8h作業時間。特別是在春播和秋收作業期間，這種情況更為嚴重。由于駕駛員得不到充足的時間恢復精神狀態和體力，長時間的駕駛疲勞不斷積累，不但作業安全和質量得不到保證，而且駕駛員的身體健康也受到侵害。

表5　各機組中駕駛員可能承受的最長作業時間

4結論與建議

1)國產履帶式拖拉機組駕駛員的心率增加率在純作業時(23.4%)和田間轉向時(33.0%)均為最高，顯著高于其他被測試機組，屬于中級勞動強度。其操控方式和作業環境的差異是國產履帶式拖拉機播種機組中駕駛員心率增加率偏高、勞動強度較大的主要原因。

2)進口自走輪式割曬機組、國產輪式拖拉機深翻機組的駕駛員進行田間轉向作業時的心率增加率顯著高于其他輪式拖拉機組，屬于中級勞動強度。這兩個機組的機身尺寸(長×寬)較大，轉向時駕駛員相對緊張精神負擔加重，是導致駕駛員在田間轉向時心率加快、勞動強度增大的主要原因。

3)小功率機組與大功率機組的駕駛員的心率增加率并無顯著差異，主要是因為小功率機組均無駕駛室和有效的減振裝置，駕駛員在田間駕駛作業時受振動、噪聲、排氣、風塵和日曬等因素綜合作用，使體力和精神負擔都加大，導致心率升高。

4)各機組駕駛員可能承受的最長作業時間為10.7～16.7 h，小功率機組最短(不足11 h)。實際的春播和秋收作業日工作時間多數超過各自機組的可能的最長作業時間，為避免疲勞駕駛或疲勞過度積累而引發作業事故，建議實行倒班制作業。

建議國產拖拉機在提高技術性能的同時，重視提高其人機工程學特性，減振降噪、提高操控性能、改善駕駛環境，以減輕駕駛疲勞和降低事故發生率，提高國產拖拉機的國際競爭力。

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Test and Analysis on Heart Rate and Fatigue of Agricultural Drivers in Field Work

Chen Yangjian, Zhao Yongchao, Kong Degang, Liu Ling, Yang Hang, Wu Can

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to find out the fatigue condition of the drivers in field work, the heart rate and fatigue condition of the drivers in sowing, harvesting, deep scarification and till with shallow depth and ridging work were surveyed, tested and analyzed.The results indicated that the heart rate increase of the driver from domestic crawler tractor in pure field work and shift work significantly is higher than other units, and classified intermediate labor intensity.The heart rate increase of the drivers between big-power units and low-power units have no significant differences in pure field work and shift work. The maximum acceptable work times of drivers were calculated. The results can provide basis for analyzing the causes of driving fatigue and improving driver's work condition and reducing driving fatigue.

Key words：field work; driving fatigue; heart rate increase; labor intensity; maximum acceptable work time

文章編號：1003-188X(2016)02-0222-06

中圖分類號：S219.032.9

文獻標識碼：A

作者簡介：陳陽堅(1988-)，男，湖南株洲人，碩士研究生，(E-mail)chenyjneau@126.com。通訊作者：孔德剛(1956-)，男，吉林白山人，教授，博士生導師，(E-mail)kong-degang@hotmail.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-1)

收稿日期：2015-01-27