作業(yè)疲勞的生理測量方法研究綜述

謝鎧杰,劉君,劉駿發(fā),熊先亮

(1.浙江理工大學(xué)理學(xué)院心理系，杭州 310018；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114009；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司安全監(jiān)察部，沈陽 110004)

1 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對健康和安全的關(guān)注度也與日俱生。早在十九世紀(jì)，作業(yè)疲勞作為影響健康和人類表現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素，就被生理學(xué)家，心理學(xué)家，工程師和社會(huì)改造者加以研究[1]。根據(jù)不同國家的作業(yè)疲勞人口學(xué)調(diào)查顯示，20%的工作者報(bào)告存在作業(yè)疲勞[2]。目前，在學(xué)術(shù)界，作業(yè)疲勞涉及的不同領(lǐng)域?qū)ψ鳂I(yè)疲勞的定義各不相同，且至今沒有一致的定義[1]。現(xiàn)有的比較完整的作業(yè)疲勞定義是：作業(yè)疲勞是由于勞累引起的次優(yōu)的心理生理狀況。作業(yè)疲勞的程度和維度依賴于努力的形式，努力的過程以及背景。作業(yè)疲勞狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知策略和資源使用的變化，用以維持原有的心理過程以及生理活動(dòng)水平[3]。且具有以下特征：(1)作業(yè)疲勞是付諸努力的結(jié)果；(2)作業(yè)疲勞和身體和精神的精疲力竭相關(guān)；(3)作業(yè)疲勞包含著不舒適、令人厭惡的感覺，是一種懲罰；(4)作業(yè)疲勞造成暫時(shí)性功能的減退。

2 作業(yè)疲勞的測量方法

作業(yè)疲勞作為一種復(fù)雜的生理現(xiàn)象，能引起人體多種指標(biāo)的變化，國際上也并沒有一種公認(rèn)有效的檢測作業(yè)疲勞的方法。但通常可以從主觀、行為和生理三方面進(jìn)行判斷[4]。主觀上通過報(bào)告感覺到疲憊，缺乏動(dòng)機(jī)和警覺性推測作業(yè)疲勞程度；行為上認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)(反應(yīng)時(shí)，錯(cuò)誤率)的改變代表作業(yè)疲勞的程度；生理上大腦活動(dòng)的改變也被證明是作業(yè)疲勞產(chǎn)生的表現(xiàn)。

2.1 作業(yè)疲勞自陳問卷

經(jīng)典的作業(yè)疲勞測量方式就是作業(yè)疲勞自陳問卷。問卷可以搜集作業(yè)疲勞出現(xiàn)的時(shí)間以及導(dǎo)致作業(yè)疲勞的因素相關(guān)的信息，是作業(yè)疲勞檢測的一種重要方式。現(xiàn)有文獻(xiàn)中包含著大量的作業(yè)疲勞自陳問卷，這些作業(yè)疲勞問卷針對于不同的情景，目標(biāo)和研究方案來設(shè)計(jì)，采用了不同的維度結(jié)構(gòu)，評估不同方面的作業(yè)疲勞[5]。作業(yè)疲勞問卷的調(diào)查內(nèi)容包括：(1)作業(yè)疲勞的主觀量化；(2)作業(yè)疲勞引起的主觀痛苦；(3)作業(yè)疲勞對日?；顒?dòng)的影響評估；(4)和作業(yè)疲勞相關(guān)的一些指標(biāo)評估；(5)關(guān)鍵的生物學(xué)參數(shù)評估。因?yàn)楦鞣N作業(yè)疲勞問卷涉及了作業(yè)疲勞的不同方面和不同特征，使用不同作業(yè)疲勞問卷就可能導(dǎo)致不同的結(jié)論[6]。研究者在選擇作業(yè)疲勞問卷時(shí)，首先需要根據(jù)自己的研究興趣，確定研究作業(yè)疲勞的定義，選擇合適的作業(yè)疲勞問卷。同時(shí)也需要聯(lián)合其他客觀的作業(yè)疲勞檢測方式(如生理測量和認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn))對研究結(jié)果進(jìn)行綜合的考評[7]。

2.2精神運(yùn)動(dòng)測試

精神運(yùn)動(dòng)測試通過測量知覺、認(rèn)知表現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)反應(yīng)來評估作業(yè)疲勞狀態(tài)[7]。測試方法包括模擬駕駛、打字測試和反應(yīng)時(shí)間的測試。在需要工人保持精神警覺的行業(yè)中(如機(jī)場調(diào)度、長途駕駛和輪班等)，精神運(yùn)動(dòng)驚覺測試(Psychomotor Vigilance Test，PVT)常常被用來測試工人的精神警覺程度以及作業(yè)疲勞程度[8]。PVT使用了反應(yīng)時(shí)間范式，通過讓被試按鍵響應(yīng)計(jì)算機(jī)上的視覺刺激來記錄平均反應(yīng)時(shí)和失誤次數(shù)。但也有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)PVT只與被試的身體作業(yè)疲勞相關(guān)而與總體作業(yè)疲勞、精神作業(yè)疲勞關(guān)系不大[9]。精神運(yùn)動(dòng)測試往往會(huì)對被試提出較高的要求，喚醒了被試的大腦水平，從而掩蓋了作業(yè)疲勞可能產(chǎn)生的信號[7]。

2.3 生理信號測量

近幾年來在操作員精神作業(yè)疲勞檢測領(lǐng)域和駕駛困倦檢測領(lǐng)域，用生理信號來監(jiān)視精神狀態(tài)越來越受到研究者的歡迎[10]。大量的研究利用生理參數(shù)(如：腦電圖、眼電圖、錄像監(jiān)視)來對作業(yè)疲勞程度進(jìn)行測量[11]。相對于問卷、精神運(yùn)動(dòng)測試等方式，生理信號是疲勞狀態(tài)快速和直接的反應(yīng)結(jié)果。

2.3.1 腦電

腦電(Electroencephalogram,EEG)是從人類或動(dòng)物的頭皮上記錄到的電位變化，主要反映大腦的電活動(dòng)特性。在眾多與精神疲勞相關(guān)的指標(biāo)中，腦電圖被認(rèn)為是最可靠的預(yù)測方式之一。腦電頻譜波形能顯示出警覺性的變化，低頻腦電波(θ和α波)增加和高頻腦電波(β波)的成分減少代表警覺性的降低；腦電也能顯示行為表現(xiàn)的改變，如θ活動(dòng)的增加與任務(wù)表現(xiàn)的下降有關(guān)[12]。而疲勞的產(chǎn)生往往伴隨著警覺性，行為表現(xiàn)的變化。精神作業(yè)疲勞的產(chǎn)生伴隨著額葉θ和頂葉α的增加以及高頻波段的減少[10]，而不同頻率腦波的計(jì)算指標(biāo)也能用于評估精神疲勞。Zhang等人發(fā)現(xiàn)前額葉和頂葉電極的β/α參數(shù)與所有腦區(qū)電極(α+θ)/β參數(shù)能用來測量精神疲勞[13]。θFz/αPz被作為一個(gè)指標(biāo)來研究內(nèi)部負(fù)荷(睡眠剝奪)和外部負(fù)荷(任務(wù)復(fù)雜性)下的精神疲勞[14]。這些結(jié)論都表明腦電是疲勞預(yù)測的極佳指標(biāo)。在應(yīng)用方面，Trejo等人(2015年)讓被試持續(xù)3小時(shí)解決數(shù)學(xué)問題來引發(fā)作業(yè)疲勞，從搜集到的腦電功率譜密度中利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法抽取有效的特征，建立了腦電預(yù)測作業(yè)疲勞模型，該模型的預(yù)測準(zhǔn)確率在91%以上并且作業(yè)疲勞的時(shí)間預(yù)測精度為13 s[15]。

雖然θ，α、β以及θ/α等指標(biāo)可以用來評估作業(yè)疲勞狀態(tài)，但是腦電總體上還是與大腦的喚醒水平相關(guān)，對作業(yè)疲勞與認(rèn)知加工深度無法做出解釋[16]。事件相關(guān)電位(Event-related Potentials ,Erp)是人在進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)時(shí)受到刺激時(shí)所有發(fā)出來的一種電位活動(dòng)，最后經(jīng)疊加平均而得到的一種平均誘發(fā)電位。因?yàn)榫哂休^高的時(shí)間分辨率，常被作為反映認(rèn)知加工過程的評價(jià)指標(biāo)。而作業(yè)疲勞會(huì)導(dǎo)致心理和認(rèn)知功能的下降，所以事件相關(guān)電位就是研究作業(yè)疲勞影響的一個(gè)優(yōu)良工具[17]。Bokserm等人(2005年)的研究表明精神作業(yè)疲勞導(dǎo)致目標(biāo)導(dǎo)向(自上而下)注意力減少而更受刺激驅(qū)動(dòng)(自下而上)的影響。Erp的結(jié)果表現(xiàn)在N1振幅下降，相關(guān)和不相關(guān)刺激之間N2b振幅的差異(相關(guān)刺激會(huì)引起較大的N2b振幅)隨著時(shí)間的推移而減少[18]。Uetake等人(2000年)發(fā)現(xiàn)精神作業(yè)疲勞和P300振幅降低以及P300潛伏期的的增加有關(guān)，這也代表作業(yè)疲勞和認(rèn)知信息加工過程延緩以及認(rèn)知信息加工活動(dòng)減弱有關(guān)[19]。Murata等人(2005年)進(jìn)一步對P300進(jìn)行細(xì)分為P300a和P300b，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)成分在作業(yè)疲勞狀態(tài)下的振幅都顯著更低，τ的標(biāo)準(zhǔn)差代表著加和平均的P300成分與個(gè)體的EEG差異。兩者波形的不一致也隨著精神作業(yè)疲勞的累計(jì)而變大[16]。

2.3.2 眼電與眼動(dòng)

由于眼睛和大腦之間有豐富的感覺和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，眼部運(yùn)動(dòng)可以提供有價(jià)值的睡眠預(yù)警信號[7]。在駕駛模擬任務(wù)中，從清醒到作業(yè)疲勞狀態(tài)快速眼動(dòng)和典型的眨眼被無眼動(dòng)以及小而快速地眨眼所取代，這也表明眼電圖(Electrooculography,EOG)可以被作為一種作業(yè)疲勞的檢測指標(biāo)[20]。很多文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)從眼電圖中抽取的特征信息與疲勞、困倦、警覺性有著密切的關(guān)系。Hu and Zheng等人通過垂直和水平眼電通道獲得眨眼持續(xù)時(shí)間、眨眼速度和幅度來判斷駕駛員是否疲勞[21]；Ma等人使用了慢速眼動(dòng)來探測在單調(diào)任務(wù)中被試的警覺水平[22]。相對于腦電眼電之類需要物理接觸的作業(yè)疲勞檢測方式，眼動(dòng)具有非侵入式的優(yōu)勢，能在線無接觸的搜集圖像信息而及時(shí)的探測作業(yè)疲勞。眼球快速眼動(dòng)、瞳孔直徑、眉眼掃視以及眨眼睛等都與作業(yè)疲勞的產(chǎn)生相關(guān)，而眼瞼閉合百分比(PERCLOS)被認(rèn)為是精神作業(yè)疲勞的最有效的檢測方式[23]。PERCLOS是指在單位時(shí)間內(nèi)眼睛閉合程度超過某一閾限(70%或80%間)的百分比，自美國聯(lián)邦公路管理局首先提出把PERCLOS作為預(yù)測機(jī)動(dòng)車駕駛員駕駛作業(yè)疲勞的可行方法后，大量關(guān)于PERCLOS的作業(yè)疲勞預(yù)測準(zhǔn)確性以及PERCLOS在應(yīng)用領(lǐng)域的研究得以進(jìn)展。Horng等人(2004年)構(gòu)建了一種基于視覺的駕駛員作業(yè)疲勞實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過每秒20幀的眼睛追蹤數(shù)據(jù)計(jì)算PERCLOS，從而判斷駕駛員的作業(yè)疲勞程度，準(zhǔn)確率達(dá)到88.9%[24]。鄭培等人(2002年)應(yīng)用二位高斯模型、灰度直方圖、灰度模式匹配等圖像分析和識別手段定位追蹤了眼睛睜開閉合的變化過程，統(tǒng)計(jì)出眼睛閉合時(shí)間，并構(gòu)建了基于PERCLOS的機(jī)動(dòng)車駕駛員駕駛作業(yè)疲勞的實(shí)驗(yàn)測評系統(tǒng)[25]。

2.3.3 心電

心電圖(Electrocardiograph，ECG)也是疲勞的可靠測量方式。心電信號能被量化為時(shí)域和頻率區(qū)間。隨著認(rèn)知負(fù)荷的增加，時(shí)域中的平均心搏間隙(Mean IBI)、心搏間隙標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation of IBIs，SDNN)和相鄰心搏間隙的均方根差(Root mean Squared Difference of Adjacent IBIs，RMSSD)會(huì)降低，頻率區(qū)間中的低頻功率(Power in low Frequency，LF)和低頻功率和高頻功率的比值(LF/HF)增加[26]。甚至簡單的記錄心率變化都可以被用作疲勞檢測的指標(biāo)。Patel等人(2011年)使用心率變異性作為人體生理測量指標(biāo)來檢測駕駛員的早期作業(yè)疲勞，通過評價(jià)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對作業(yè)疲勞探測的準(zhǔn)確度有90%[11]。但是生理和行為的因素(如身體健康情況、抽煙、感到壓力)會(huì)對心率變化造成巨大影響，并且每天的心率變化比較大，這對心率預(yù)測作業(yè)疲勞造成極大的挑戰(zhàn)[8]。

2.3.4 生理方法的比較與結(jié)合

相較于其他生理測量方式，腦電直接反映了大腦的本身的狀態(tài)，且對疲勞的判定最為準(zhǔn)確，是生理測量疲勞中的黃金準(zhǔn)則。但是腦電設(shè)備操作復(fù)雜，造價(jià)昂貴。眼電設(shè)備復(fù)雜并且有可能阻礙操作者的視野。心電具有攜帶方便，操作簡單的特點(diǎn)，但是容易受到個(gè)體心率的影響且靈敏度較低。

當(dāng)前很多文獻(xiàn)都只關(guān)注用單一的測量方式對疲勞進(jìn)行檢測，但最有前景的檢測疲勞方式必須基于多生理信號的融合計(jì)算。越多的生理特征會(huì)涵蓋更多的疲勞信息，獲得更準(zhǔn)確的疲勞預(yù)測[27]。疲勞是一種復(fù)雜且個(gè)體化的生理現(xiàn)象，單一的疲勞探測方式很容易受到干擾(外界環(huán)境和個(gè)體狀態(tài)的變化)而降低預(yù)測效果。而信息融合能充分利用多個(gè)傳感器的信息，結(jié)合多個(gè)疲勞相關(guān)指標(biāo)做一個(gè)綜合的分析判斷。Khushaba等人搜集了被試在模擬駕駛期間三種不同的生理指標(biāo)(腦電、眼電和心電)并使用特征提取的方式對當(dāng)前駕駛員困倦水平進(jìn)行分類。相較于心電圖和眼電圖，單獨(dú)抽取腦電圖的信息就已經(jīng)能對疲勞水平進(jìn)行很好的預(yù)測(90%以上)，而心電圖中的心率信號對疲勞預(yù)測效率優(yōu)于眼電圖。增加眼電圖和心電圖的通道信號能夠進(jìn)一步的增加準(zhǔn)確性。三者信號通道的結(jié)合預(yù)測效果最優(yōu)[28]。Ahn等人同時(shí)搜集了腦電、心電、眼電和功能性近紅外光譜(Functional Near-infrared Spectroscopy，fNIRS)數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)生理相關(guān)性和分類方法區(qū)分高低疲勞狀態(tài)的駕駛員。功能性近紅外光譜是一種新興的非侵入式腦功能成像技術(shù)，可用于監(jiān)測模擬環(huán)境中的認(rèn)知工作負(fù)荷或疲勞。研究發(fā)現(xiàn)眼電信號在不同駕駛狀態(tài)時(shí)并沒有顯著差異，而腦電、心電和功能性近紅外光譜數(shù)據(jù)能產(chǎn)生明顯的特征用以區(qū)分駕駛狀態(tài)。且這三種數(shù)據(jù)特征的組合會(huì)獲得更高的準(zhǔn)確性[27]。

3 總結(jié)與展望

經(jīng)常性的長時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致作業(yè)疲勞，而作業(yè)疲勞反過來也會(huì)導(dǎo)致更低的生產(chǎn)績效并提高潛在事故發(fā)生的概率。作業(yè)疲勞也被認(rèn)為是導(dǎo)致許多重大事故發(fā)生的最主要原因。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測員工的作業(yè)疲勞狀態(tài)并能做出對作業(yè)疲勞的預(yù)測就極為重要[29]。在測量工具方面，作業(yè)疲勞問卷和精神運(yùn)動(dòng)測試在作業(yè)疲勞測量時(shí)需要打斷測試者當(dāng)前的工作狀態(tài)，腦電、心電、眼電這類生理指標(biāo)雖然與作業(yè)疲勞的相關(guān)度較高，但測量時(shí)需要佩戴測量儀器，這就限制了測量場景。PERCLOS需要從圖像中識別眼部狀態(tài)，識別的準(zhǔn)確性和效率也是需要考慮的一個(gè)問題。

3.1 可穿戴設(shè)備的發(fā)展

隨著對健康問題的關(guān)注，可穿戴智能設(shè)備也逐步普及?？纱┐骷夹g(shù)的發(fā)展以及配套的通訊能力、計(jì)算水平的進(jìn)步，讓實(shí)施評估、預(yù)測作業(yè)疲勞狀態(tài)變得可行?，F(xiàn)有的可穿戴傳感器幾乎能測量傳統(tǒng)人因?qū)W評價(jià)中的所有相關(guān)指標(biāo)，且具有經(jīng)濟(jì)、無線、侵入性低等特點(diǎn)。雖然在實(shí)驗(yàn)室研究疲勞探測會(huì)測量多個(gè)腦電位，但在應(yīng)用中少量幾個(gè)通道就以能對疲勞狀態(tài)做出預(yù)測。如Li等人(2015年)設(shè)計(jì)了一款搜集腦電信號的可穿戴耳機(jī)對被試的作業(yè)疲勞狀態(tài)進(jìn)行探測，準(zhǔn)確率達(dá)96.4%[30]；Lee等人(2015年)從汽車方向盤上搜集心電信號，結(jié)合手指上的脈沖信號對駕駛作業(yè)疲勞進(jìn)行預(yù)測，具有97.28%的正確率[31]；眼鏡型設(shè)備作為一種最容易被用戶接受的可穿戴設(shè)備，也可通過外部攝像頭或者近紅外光來獲取測試者眼部運(yùn)動(dòng)進(jìn)而評估作業(yè)疲勞狀態(tài)[32]。

3.2 機(jī)器算法預(yù)測作業(yè)疲勞

在數(shù)據(jù)預(yù)測方面，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，能從大量樣本集訓(xùn)練和學(xué)習(xí)后自動(dòng)找出運(yùn)算需要的參數(shù)和模式，且相比于傳統(tǒng)算法有著更好的準(zhǔn)確性[33]?，F(xiàn)已有大量研究利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從腦電、心電中抽取關(guān)鍵參數(shù)對作業(yè)疲勞進(jìn)行預(yù)測[15,34]，使用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括支持向量機(jī)(Support Vector Machine)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network)、小波分析(Wavelet Analysis)等。機(jī)器學(xué)習(xí)創(chuàng)建了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬人腦解釋數(shù)據(jù)的機(jī)制，能有效地提取數(shù)據(jù)特征。不同來源的數(shù)據(jù)也可以結(jié)合起來共同對疲勞進(jìn)行預(yù)測。今后需要比較不同測量方式的預(yù)測精確度以及穩(wěn)健性以及相同方式下不同機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測效果；分類探究在不同的工作環(huán)境下，如何選擇適合的測量方式；在能達(dá)到一定準(zhǔn)確性的條件下，如何使用經(jīng)濟(jì)成本更低的數(shù)據(jù)特征和算法。