家具制造作業體力負荷對認知能力的影響

洪蓮，于娜

(南京林業大學家居與工業設計學院，南京 210037)

中國未來的工業制造不斷向信息化、智能化、綠色化和服務化邁進[1]。家具制造作為傳統制造業，也在不斷引進信息化加工生產設備，不斷向信息制造化轉型[2-3]，但在上料、開料、鉆孔等生產加工過程中工人的勞動量仍舊很大[4-7]，呈現出手工搬運作業與機械界面操控、決策并存的雙任務模式[8]。在這種體力和腦力并存的復合作業模式下，長時間搬運導致的作業疲勞會造成作業者反應力降低、思維遲鈍[9-10]，由此導致認知功能的受損，甚至造成重大人因失誤[11]。以往關于家具制造業的作業疲勞研究多圍繞體力疲勞方面[12-15]，然而認知是人與信息系統交互作業的關鍵。因此，探究家具制造業工人體力作業疲勞對認知能力的影響，對于合理安排作業模式與進度、緩解工人的疲勞及減少安全事故都有著重要的意義。

作業強度的大小是引起體力疲勞的主要因素[16]。羅德宇[17]研究發現基材處理、研磨和涂料等不同崗位下，家具工人的體力負荷強度不同，工作心率也不同。劉培義[18]通過持續監測家具工人的作業心率，發現工人的心率范圍為80～145次/min，整體心率維持在117次/min，達到127.5次/min的時間高達三分之一。在體力勞動時，心率與體力疲勞之間有著密切的聯系，作業強度越高，心率越高；國內外學者已普遍嘗試用心率來劃分體力疲勞的程度[19]。根據以往的研究發現，家具制造作業中，工人的身體各部位均出現不同程度的體力疲勞，呈現出全身性的整體疲勞，其中腰部、腿部和腳踝等下肢部位的疲勞最為嚴重[8]。尤其在上下料崗位，工人由于彎腰、下蹲等姿勢重心偏移，腿部包括臀部、膝部和腳踝在內的整個下肢的負荷能力顯著下降[14]。國內外學者對于體力疲勞的研究分為局部肌肉疲勞與全身體力疲勞。其中全身體力疲勞可以采用功率自行車、長時間跑步等來誘發，而功率自行車要求的能量代謝少、運動幅度小，更適合用于研究運動對腦機制方面的影響。

以往多項研究表明，體力任務強度的不同對認知能力的影響不同。其中，中等強度的有氧運動對認知能力有促進作用[20]，甚至是在中強度運動下認知反應效果最優[21]。總體來說，個體的表現隨著體力強度增大先提升后下降，整體趨勢呈現一個倒U型[22]。然而國內外學者就體力任務對于腦認知能力的影響研究多集中在運動醫學[23]和駕駛行為[24]等領域，涉及制造業的認知疲勞研究較少，對家具制造業認知疲勞的適用性差。

因此，本研究針對家具工人全身性疲勞的現狀，采用心率作為劃分疲勞等級的手段，并通過功率自行車騎行的方式誘發體力疲勞，以此來研究不同的體力負荷對認知能力產生不同的作用效果。為家具制造工人的作業強度設計提供依據。

1 實驗方法

1.1 受試對象

家具制造業工人多為青壯年，隨著年齡的增大，工人的肌肉力量不斷降低[25]，不同程度上會產生由于重復性手工作業導致的肌肉疲勞積累甚至肌肉骨骼疾病[26]。為了排除肌肉勞損對本實驗的影響，受試對象選用青年人。同時，由于采用家具制造工人參與實驗的阻力較大，而大學生與青年勞動力年紀相仿，身體素質相似，因此本研究的受試對象采用在讀大學生。

受試對象共16名，男女各8名，年齡20～25 a，均無心臟方面疾病與肌肉骨骼疾病，視力或矯正視力正常。所有受試者在實驗前7 d內，未進行過激烈的運動。

1.2 實驗材料、設備

本實驗采用功率自行車、計算機、攝像機和ErgoLAB人機環境同步平臺，實驗布局如圖1所示。

圖1 實驗布局Fig. 1 Experimental layout

1.3 實驗設計與流程

目前關于體力對腦力影響的研究通常采用體力任務誘發后進行腦認知測試的方法來實現。如圖2所示，實驗分為準備、前測、體力疲勞誘發與認知能力測試4個階段。

圖2 實驗流程Fig. 2 Experimental flow chart

1.3.1 準備與前測階段

被試到達實驗室后靜坐到心率恢復正常水平。首先進行熱身訓練，在體力誘發前進行一定時間的功率自行車騎行以激活全身肌肉，為避免疲勞累積，熱身訓練時間不宜過長，負荷也不宜多大，根據個體運動經驗，熱身時間約3 min。熱身訓練后休息10 min，進行基線生理數據測量以及心算任務測試練習，指導被試熟悉實驗流程，并且無任何疑問時，方可開始正式實驗。

1.3.2 體力疲勞誘發

家具制造工人呈現全身性的整體疲勞[7]，參考家具工人的工作疲勞心率范圍[15]，本研究將體力負荷強度設定為低強度、中強度和高強度3種等級，并設置了一組無體力疲勞的對照組。體力負荷的強度根據心率進行設定，以美國運動醫學會針對健康成年人有氧運動強度的分級標準為基礎，結合國內外相關研究結果，確立強度的分級標準：最大心率(MHR)的測試方法為220減去被試年齡，小強度有氧運動負荷設定為50%～59%MHR，中等強度為60%～69%MHR，大強度為70%～79%MHR。根據被試的平均年齡推算出被試最大心率范圍為195～200次/min。因此，設定低強度組要求達到的心率范圍為100～110次/min，中強度組心率范圍為120～130次/min，高強度組的心率范圍為140～150次/min。

在每組體力疲勞誘發實驗前先進行基線生理數據測量，根據不同的運動強度和被試的要求調整功率自行車阻力大小，通過心率設備來進行監控。當被試的心率到達目標區時開始正式實驗。正式實驗為10 min，要求被試在10 min時間內心率保持在目標心率范圍，騎行速度保持在15～16 km/h。

1.3.3 認知能力測試

當被試完成10 min的正式騎行實驗后，立即進入心算測試。測試內容為120道20以內的加減運算，依次呈現在屏幕上，呈現時間為3 s，切換時間為2 s。被試計算完后口頭報出答案。

1.4 數據分析

本實驗的研究指標選取心算任務正確率和心率變異性。心算任務正確率可以用來反映認知績效；心率變異性指標可用來評價被試的認知心理，其中總體標準差(SDNN)可反映被試的交感神經和副交感神經總張力的大小，差值均方平方根(RMSSD)可反映被試的副交感神經活動的敏感程度，低頻段功率與高頻段功率比值(LF/HF)可反映交感神經和副交感神經的活動平衡性。這3項指標與腦力負荷呈負相關。

本實驗的生理數據使用北京津發科技股份公司開發的ErgoLAB人-機-環境同步-軟件進行處理與分析，實驗結果采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，結果以均值±標準差的形式表示。對實驗結果進行單因素方差分析，P<0.05表示數據在α=0.05 置信度水平下具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同強度體力疲勞后認知績效變化

被試在不同強度體力疲勞誘發后完成心算任務的正確率見表1。低強度體力疲勞誘發后的正確率最低，中強度與高強度誘發后正確率依次提升，均高于對照組。由表2單因素方差分析可以看出，體力疲勞誘發強度對心算任務的正確率有顯著性影響(P=0.048)。

表1 不同強度體力疲勞誘發后的心算任務正確率統計結果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，不同強度體力疲勞誘發對被試的認知能力有不同程度的影響。中、高強度體力疲勞誘發后認知能力有所提升，低強度體力疲勞誘發后會對認知能力產生損害。

表2 不同強度體力疲勞誘發后認知任務正確率方差分析Table 2 The ANOVA of cognitive task correctness after different strengths of physical fatigue

2.2 不同強度體力疲勞后認知心率變異性的變化

2.2.1 不同強度的體力疲勞誘發后SDNN的變化

被試在不同強度的體力疲勞誘發后，進行心算任務時的平均SDNN值見表3。4組心算的平均SDNN隨著體力疲勞誘發強度的增加而減小，無負荷狀態下的平均SDNN最高，而高強度體力疲勞誘發下平均SDNN最低。根據表4單因素方差分析可知，體力疲勞誘發強度對心算任務的平均SDNN有顯著性影響(P=0.046)。

由此可以分析得出，不同強度的體力負荷對被試的認知心理有不同程度的影響。隨著體力強度等級的不斷提升，被試的平均SDNN值不斷下降，這說明交感神經和副交感神經總張力不斷下降，被試完成等量心算任務的疲勞感也不斷增加。

表3 不同強度體力疲勞誘發后進行認知測試時的心率變異性統計結果Table 3 Statistical results of heart rate variability during cognitive tests after induction of physical fatigue at different strengths

表4 不同強度體力疲勞誘發后進行認知測試時的心率變異性方差分析Table 4 The ANOVA of heart rate variability during cognitive tests after induction of physical fatigue at different strengths

2.2.2 不同強度的體力疲勞誘發后RMSSD的變化

被試在不同強度的體力疲勞誘發后，進行心算任務時的平均RMSSD值見表3。隨著體力強度的增大，被試在心算時的RMSSD先減小后增大，在中強度下最低，高強度下稍有提升。根據表4單因素方差分析得知，體力疲勞誘發強度對心算任務的RMSSD有顯著性影響(P=0.027)。

由此可以分析得出，不同強度體力疲勞誘發對被試的認知心理有不同程度的影響。隨著體力強度等級的不斷提升，被試的RMSSD數值總體呈下降趨勢，這說明副交感神經活動的敏感程度不斷降低，被試完成等量心算任務的疲勞感也在不斷增加，中、高強度下疲勞感差距不大。

2.2.3 不同強度的體力疲勞誘發后LF/HF的變化

被試在不同強度的體力疲勞誘發后，進行心算任務時的LF/HF值見表3。在低、中、高3種強度下，被試的LF/HF值先減小后增大，且均高于無負荷狀態下的數值。根據表4單因素方差分析可知，體力疲勞誘發強度對心算任務的LF/HF無顯著性影響。

3 結論與討論

本研究結果揭示在認知績效方面，低、中、高3種強度體力疲勞誘發后的正確率依次提升。相比于未經過體力疲勞誘發而直接進行認知任務，中、高強度體力疲勞誘發后，被試的認知能力提升；低強度體力疲勞誘發后，被試的認知能力有所損害。而高強度條件下被試的認知能力依舊提升，與以往研究中倒U型變化存在區別，可能原因在于不同的研究對于高強度的設定等級以及認知測試難度等級有所差異。本研究的高強度心率范圍140～150次/min，且為保護被試常將心率維持在140次/min以上，因此可能造成高強度等級與中強度等級差距較小，高強度仍未到達倒U型的拐點。且本研究中設定的心算任務較簡單，被試付出的努力程度可能不夠高，從而導致認知能力水平差距不明顯。在認知心理方面，隨著體力誘發強度的增加，被試的交感神經張力和副交感神經總張力大小及副交感神經活動的敏感程度不斷減小；高強度時被試的交感神經和副交感神經的活動均衡性升高，且被試需付出更大的精力來維持同樣的作業績效，反映在LF/HF值上升，體現了心率調節中交感神經占主導[27]。即體力負荷越大，工人的生理上和心理上的負荷越重。

總體來說，低強度的體力負荷會抑制認知能力，中高強度的體力負荷會提升認知能力，即在低強度體力負荷下可能會造成人因失誤，中高強度的體力負荷能夠促進工人表現；而過高的體力負荷加劇工人的心理疲勞感，而心理疲勞加重會造成注意力渙散、記憶力減退、思維遲鈍甚至導致人因失誤[28]。因此，在工人實際作業過程中應當排除過高強度的體力作業對工人心理的不良影響。故而在家具企業的實際生產中，要綜合考慮家具工人的認知績效與認知心理疲勞感，將體力勞動強度范圍控制在中高強度的適宜等級。

根據研究結論，提出以下建議：1)控制作業負荷。在上料崗位控制板件質量，對單次的搬運質量進行調整，對于過重的板件，可以采用多人協同搬運或是借助設備搬運。同時為工人提供工作椅，緩解長時間站立造成的腰部以及下肢疲勞積累。在封邊等操作繁瑣負荷較小的崗位，應當多批次進行封邊操作，少量多次封邊與操控程序，使體力操作與界面操作穿插進行，避免長時間的低負荷、單一作業內容帶來的枯燥、疲倦等消極心理。2)配合適當的排班與崗位輪換制度，采取少量多次的休息模式。同時為工人提供舒緩愉快的音樂播放設備，讓工人在休息時可以聽音樂來調節情緒，緩解心理疲勞。3)為工人配備測量心率的智能手環等疲勞監測設備，設置適宜心率范圍，實時監測工人的心率并提醒工人休息。

在家具制造業，不同崗位的工人所進行的作業類型不盡相同，如鉆孔崗位工人采取蹲姿進行鉆孔作業，手臂肩頸長時間振動、腿部腰部保持蹲勢會導致疲勞積累；上料崗位重復搬舉板件也會造成全身的體力疲勞。除了作業強度與模式之外，作業時間也是會對認知疲勞產生重要影響的關鍵因素[29]。因此，在今后的研究中，可以針對不同崗位的特殊工作模式，細化研究合理的作業時間，以此改善家具制造工人認知疲勞。工人通過操控機械的界面來完成工作，涉及工人的記憶力、決策力與目標搜尋能力等認知能力[8]，因此可以將具體涉及的認知能力作為研究指標展開實驗。從多因素的角度聯合分析，為工人的作業設計提供更加準確的依據，從而緩解工人的作業疲勞。此研究對于家具制造業以及電子信息加工業、服裝制造業等領域具有一定適用性，旨在提高工人的工作效率并預防制造過程中的人因失誤。