高海拔鐵路工程不同工種施工人員的作業(yè)疲勞評估

莫俊文， 鐘建棟

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070;2. 陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710065)

鐵路是國家戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性和關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。2020年8月，國家頒布《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》[1]，提出對邊疆及中西部欠發(fā)達地區(qū)加快實施一批戰(zhàn)略性、標(biāo)志性重大鐵路項目，有力支撐西部大開發(fā)。然而，我國西部的鐵路建設(shè)線路大部分處在高海拔地區(qū)，工人常年在低壓缺氧、氣候多變、強紫外線輻射等惡劣的施工環(huán)境下從事體力勞動，當(dāng)體力消耗達到疲勞界限時會產(chǎn)生疲勞，從而引發(fā)施工現(xiàn)場安全事故和生產(chǎn)效率降低。同時，長期處于高海拔地區(qū)從事高強度作業(yè)，會對工人的身體機能造成不可逆的損傷，并誘發(fā)一系列高原職業(yè)病[2]。因此，對高海拔地區(qū)鐵路工程施工作業(yè)疲勞進行研究十分必要。

作業(yè)疲勞是在施工過程中，由于作業(yè)人員身體能量消耗而導(dǎo)致的一系列心理、生理狀態(tài)變化現(xiàn)象[3]。最早于20世紀(jì)80年代由美國學(xué)者在機動車駕駛領(lǐng)域開始研究[4]。根據(jù)調(diào)查顯示，建筑業(yè)33%的工作造成的肌肉骨骼損傷和疾病可歸因于疲勞和過度勞累[5]，而在日常工作中約有20%～40%的建筑工人處于超負荷狀態(tài)[6]。與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的作業(yè)疲勞因缺氧等環(huán)境條件會更加明顯和強烈，當(dāng)作業(yè)人員的生理負荷水平超出攝氧量的33%時，就會產(chǎn)生疲勞感而無法繼續(xù)工作[7]。建筑工人的疲勞狀況與身體認知功能障礙之間存在一定聯(lián)系[8]，當(dāng)工人出現(xiàn)作業(yè)疲勞時，往往會伴隨著生理指標(biāo)的變化以及行為能力的降低。徐明偉[9]以砌磚工人持續(xù)體力勞動為研究對象，在研究心率變化對人體生理疲勞的影響時，提出心率恢復(fù)時間與生理疲勞程度相關(guān)。Reenen H V[10]采取肌電圖測定工人的肌肉疲勞情況，發(fā)現(xiàn)進行耐力培訓(xùn)可以降低疲勞。郭伏[11]通過研究心電、表面肌電和疲勞感數(shù)據(jù)，揭示疲勞感與作業(yè)時間呈正向線性關(guān)系。現(xiàn)階段，對建筑業(yè)作業(yè)疲勞的研究逐漸增多，但大量研究主要集中于中低海拔地區(qū)，對高海拔地區(qū)的研究較少，研究方法主要以主觀評價和生理測量為主，缺乏對行為能力的綜合考慮，且缺少有效的作業(yè)疲勞評估模型。

為探討高海拔地區(qū)惡劣的施工環(huán)境對鐵路施工人員作業(yè)疲勞的影響程度，揭示不同工種之間的疲勞差異，依托拉林鐵路LLZQ-1標(biāo)段工程的現(xiàn)場實測，綜合考慮主觀、行為及生理指標(biāo)，建立作業(yè)疲勞多指標(biāo)測量的線性回歸數(shù)學(xué)模型，對鐵路工程施工中的重點工種：架子工、鋼筋工、木工、混凝土工進行研究，以期降低鐵路工程安全事故，提高工程作業(yè)效率。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取拉林鐵路LLZQ-1標(biāo)段的施工人員進行研究，該標(biāo)段位于西藏自治區(qū)山南市貢嘎縣境內(nèi)，全線平均海拔為3800 m，最高海拔可達5000 m，屬于藏南、雅魯藏布江中游河谷地帶，高寒缺氧，氣候變化多端，施工條件極端惡劣。選取被試工種為架子工、鋼筋工、木工和混凝土工，參考相關(guān)文獻中被試的選取個數(shù)，每個工種選取5人作為測試對象，被試基本信息情況見表1，要求被試人員身體健康，年齡為30～50歲的男性，熟練掌握工作任務(wù)，且睡眠、飲食、勞動均無顯著障礙，確定測試對象長期處于高原環(huán)境下工作，均已達到習(xí)服。實驗前要求所有實驗對象保證充足的睡眠，避免劇烈運動，以減小外界因素對測試結(jié)果的干擾。

表1 被試基本信息情況

1.2 研究方法

1.2.1 指標(biāo)選取

為合理選取施工人員作業(yè)疲勞評價指標(biāo)，按照簡單有效，且盡量避免干擾正常施工任務(wù)的選取原則。對國內(nèi)外相關(guān)研究進行分析，心率和能量代謝率是勞動強度及疲勞評價中最為常用的指標(biāo)，心率是反應(yīng)人的生理疲勞的可靠指標(biāo)，單位為bpm。能量代謝率指人體在單位時間內(nèi)的產(chǎn)熱量，單位為kcal/(m2·min)。且心率與能量代謝率之間存在如式(1)所示的關(guān)系[12]，其中，基礎(chǔ)代謝率參照表2。

表2 我國正常人的基礎(chǔ)代謝率平均值

能量代謝率=基礎(chǔ)代謝率+0.072×心率-5.608

(1)

考慮到高海拔地區(qū)的氧氣壓力低，施工人員長時間進行重體力作業(yè)會影響人的感知覺，使反應(yīng)時延長，而反應(yīng)時是能夠?qū)σ曈X功能和疲勞狀態(tài)等生理心理學(xué)因素進行有效評估的指標(biāo)[13]，因此選擇反應(yīng)時作為測試施工人員行為能力的指標(biāo)。施工人員在主觀感覺上對疲勞也有一定的反映，選擇主觀體力疲勞分數(shù)(The Scale for Ratings of Perceived Exertion，RPE)對施工人員的主觀疲勞進行測量。綜上，本文選擇反應(yīng)時、心率、能量代謝率和RPE量表作為測量高海拔地區(qū)鐵路工程施工人員作業(yè)疲勞的指標(biāo)。

1.2.2 實驗設(shè)備及方法

選擇PC-PVT 2.0[14](圖1)及POLAR H10智能心率傳感器(圖2)對高海拔地區(qū)鐵路工程施工人員的作業(yè)疲勞進行測試。PC-PVT 2.0作為測試施工人員疲勞反應(yīng)時長的工具，目前已被多數(shù)研究人員證實是用于客觀測量疲勞有效方法。當(dāng)顯示器以紅色四位毫秒計數(shù)的形式發(fā)出指令時，被試快速點擊鼠標(biāo)做出響應(yīng)，若被試提前點擊時，屏幕出現(xiàn)“FS”錯誤提示(“FS”指反應(yīng)時測試中，工人因疲勞感上升或高度緊張，在指令出現(xiàn)之前點擊鼠標(biāo)導(dǎo)致系統(tǒng)提示錯誤；Flase)。該工具測試的不確定因素為命令之間的可變時間段(間隔時間為2～10 s)，其中，每個被試的測試時間為5 min。POLAR H10是一款具備24 h連續(xù)心率測量功能的心率傳感器，該設(shè)備由被試準(zhǔn)確佩戴至胸口位置進行正常的施工作業(yè)，測試數(shù)據(jù)可通過POLAR FLOW軟件自動反饋至手機端。

圖1 PC-PVT反應(yīng)時測試

圖2 心率傳感器(POLAR H10)

測試開始前，要求被試人員掌握實驗要求并熟悉測試流程。被試至工作地點后使心率恢復(fù)到正常水平，測量靜息狀態(tài)下被試的反應(yīng)時及心率數(shù)據(jù)，隨后開始正常的施工任務(wù)，心率傳感器自動記錄被試每分鐘的心率變化數(shù)據(jù)，作業(yè)結(jié)束后及時測量被試的反應(yīng)時，并按照自身的疲勞感受準(zhǔn)確填寫RPE(Rating of Perceived Exertion)量表，如表3所示。實驗要求收集被試在作業(yè)前后的反應(yīng)時間和錯誤次數(shù)，靜息和工作時的心率數(shù)據(jù)，以及主觀體力疲勞分數(shù)。

表3 主觀體力疲勞分數(shù)量表

1.2.3 評價方法

采用SPSS軟件對測試結(jié)果統(tǒng)計分析，通過構(gòu)建反應(yīng)時疲勞評價模型及心率指標(biāo)與疲勞等級的對應(yīng)關(guān)系對作業(yè)疲勞進行評估。

2 結(jié)果分析

2.1 指標(biāo)測量結(jié)果分析

2.1.1 反應(yīng)時指標(biāo)

匯總4個工種疲勞前、后的反應(yīng)時數(shù)據(jù)，借助PC-PVT 2.0進行線性擬合，剔除反應(yīng)時測量數(shù)據(jù)中的ML(RT>1000 ms,RT為Reaction Time)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計FS次數(shù)。對作業(yè)前的反應(yīng)時數(shù)據(jù)進行T檢驗，結(jié)果顯示架子工、鋼筋工、木工和混凝土工的P值均大于0.05，表明雖然作業(yè)前被試人員的反應(yīng)時存在不同，但各工種間的差異并不顯著。

將作業(yè)前后的反應(yīng)時和ML，F(xiàn)S次數(shù)組成配對樣本，對其進行統(tǒng)計學(xué)分析。經(jīng)檢驗，作業(yè)前后各工種的反應(yīng)時和FS次數(shù)符合正態(tài)分布，采取配對樣本T檢驗，ML次數(shù)不符合正態(tài)分布，采用秩和檢驗，分析結(jié)果如表4，5所示。20名被試作業(yè)后的反應(yīng)時與作業(yè)前相比都具有極顯著性差異(P<0.01)，且作業(yè)前后的FS次數(shù)差異也具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，對ML次數(shù)進行威爾科克森符號秩檢驗，結(jié)果顯示，作業(yè)前后的ML次數(shù)不具有顯著差異(P>0.05)，該結(jié)果在一定程度上反映了雖然被試在工作后感到十分疲勞，但仍對反應(yīng)時測試有一定的專注性。

表4 作業(yè)前后反應(yīng)時、FS指標(biāo)配對樣本T檢驗

表5 作業(yè)前后ML指標(biāo)配對樣本秩和檢驗

在傳統(tǒng)反應(yīng)時測量的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，引入作業(yè)疲勞的警覺性指數(shù)(Index of Psychomotor Vigilance Task，Ipvt)，同時考慮測試的準(zhǔn)確率和平均反應(yīng)時，對高海拔地區(qū)鐵路施工人員的作業(yè)疲勞進行評估。將Ipvt值作為評估疲勞度的量綱，依據(jù)測試的準(zhǔn)確率和平均反應(yīng)時建立反應(yīng)時指標(biāo)的疲勞評價模型，反映為被試的準(zhǔn)確率越高，平均耗時越小，Ipvt的值就越大，警覺性高，對應(yīng)的疲勞程度就越低。Ipvt按照式(2)計算：

(2)

式中：Ipvt為警覺性指數(shù)(無量綱)；NS為受試PVT準(zhǔn)確操作數(shù)；NP為參比PVT準(zhǔn)確操作數(shù)；TS為受試PVT準(zhǔn)確操作平均耗時(ms)；TP為參比PVT準(zhǔn)確操作平均耗時(ms)；N為參比測試總數(shù)。

以被試的作業(yè)后反應(yīng)時作為受試數(shù)據(jù)，作業(yè)前反應(yīng)時為參比數(shù)據(jù)構(gòu)建疲勞評估模型，建立疲勞等級表，見表6，按照TB /T 2607—2006《鐵道行業(yè)體力勞動強度分級》的劃分層次將疲勞等級分為五級。其中疲勞等級的劃分原則參照文獻[15]。對20名被試的作業(yè)疲勞度進行評價，可得架子工、鋼筋工、木工、混凝土工的Ipvt值分別為0.882，0.822，0.702，0.803。綜上，在反應(yīng)時指標(biāo)分析中，架子工、鋼筋工、木工、混凝土工的疲勞度分別為中度、重度、很重度、重度。

表6 疲勞等級劃分

2.1.2 心率指標(biāo)

通過實驗測試獲取高海拔地區(qū)不同工種施工人員作業(yè)心率變化數(shù)據(jù)，如圖3所示，被試心率在作業(yè)疲勞測試初期快速增加，而后保持在一個范圍內(nèi)波動，可以看出，人體心率隨作業(yè)強度和作業(yè)時間的變化呈動態(tài)變化。各工種在作業(yè)前的靜息心率基本相同，初始心率無明顯差異。

圖3 不同工種施工人員作業(yè)心率變化

根據(jù)相關(guān)研究，施工人員需要在工作4～5 min后才能達到與作業(yè)強度相適應(yīng)的水平，進入作業(yè)階段的穩(wěn)定期[16]，因此，本文選擇被試5 min后的心率，取平均值作為工作狀態(tài)下的心率數(shù)據(jù)，如表7所示。高海拔地區(qū)鐵路工程不同工種施工人員在作業(yè)過程中心率差異較直觀。木工的平均心率可達到130.19 bpm，其中有2人的平均心率超過130 bpm，4人的心率峰值達到150 bpm以上，鋼筋工、木工、混凝土工的心率變異系數(shù)無明顯差別，架子工的心率變異系數(shù)為4.25%，猜測與架子工的工作性質(zhì)相關(guān)。心率與作業(yè)疲勞等級的對應(yīng)關(guān)系見表8[7]。木工的作業(yè)疲勞度為很重度；架子工的平均心率為109.66 bpm，疲勞度為中度；鋼筋工、混凝土工的平均心率分別為124.40,123.26 bpm，疲勞度為重度。對20名被試的心率數(shù)據(jù)進行差異性檢驗分析，結(jié)果與反應(yīng)時指標(biāo)分析相一致。

表7 高海拔鐵路工程不同工種的施工人員心率

表8 基于心率指標(biāo)的作業(yè)疲勞度評價 bpm

2.2 構(gòu)建作業(yè)疲勞評估模型

通過統(tǒng)計并計算20名被試人員的測試結(jié)果，得出反應(yīng)時、心率、能量代謝率以及RPE值，如表9所示(表中，工種1，2，3，4分別代表架子工、鋼筋工、木工和混凝土工)。以反應(yīng)時、心率和能量代謝率作為評價模型的輸入，分別設(shè)為x1，x2，x3，RPE值作為評價模型的輸出，設(shè)為y。利用SPSS對高海拔鐵路工程施工人員的指標(biāo)數(shù)據(jù)回歸分析，得出作業(yè)疲勞評估模型，見式(3)。擬合檢驗顯示R2=0.785，調(diào)整后R2=0.745，模型整體擬合效果較好，對各變量進行T檢驗，x1，x2，x3的顯著性概率分別為0.041,0.018,0.00，滿足p<0.05。表明反應(yīng)時、心率和能量代謝率無直接相關(guān)性，可以作為解釋變量存在于模型中。

表9 施工人員作業(yè)疲勞測試結(jié)果表

y=0.038x1+0.107x2+0.057x3-10.853

(3)

選擇拉林鐵路施工人員不同作業(yè)工種各3人作為模型驗證的對照組，采用相同的實驗方法測量其反應(yīng)時、心率和能量代謝率指標(biāo)，根據(jù)疲勞評估模型，計算出各工種的作業(yè)疲勞等級，與實驗組所測得的RPE值匯總，進行描述性統(tǒng)計，如表10所示。對兩組數(shù)據(jù)采取成對樣本檢驗，結(jié)果顯示，實驗組與對照組的作業(yè)疲勞評估等級之間的相關(guān)性系數(shù)為0.992，表明兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性極強，驗證了模型的有效性。

表10 實驗組與對照組疲勞等級評估值

3 討 論

研究結(jié)果表明，該段工程的整體作業(yè)疲勞處于中度—很重度。其中，木工、鋼筋工、混凝土工、架子工的疲勞程度分別為：很重度、重度、重度、中度。鋼筋工、木工和混凝土工的平均心率大于110 bpm，存在多個被試心率峰值超過或接近衛(wèi)生限制，需要引起重視。通過與現(xiàn)場工人交流，各工種的疲勞程度與實際相符，架子工的重體力勞動較少，但工作安全性較低，架子工存在“FS”次數(shù)偏多以及個別被試心率峰值達到150 bpm的現(xiàn)象，這與其工作性質(zhì)多為高空作業(yè)相關(guān)，工人在作業(yè)前后容易產(chǎn)生緊張、恐懼等心理，導(dǎo)致被試超前點擊和心率增加?；炷凉?、鋼筋工和木工的工作要求工人頻繁蹲起、負重行走，重體力勞動更多。其中，木工的整體作業(yè)機械化程度相比較低，木工缺少如混凝土的攪拌和泵送，鋼筋的制作及加工等大型機械，木工不僅需要完成搬模、支模和拆模等任務(wù)，還須根據(jù)構(gòu)件設(shè)計并加工高精度的木結(jié)構(gòu)，從人因工程學(xué)的角度來看，木工需要完成更多的跪姿、蹲姿、彎腰和搬運等疲勞程度更重的工作，這類作業(yè)嚴(yán)重消耗工人的體力，加劇了工人作業(yè)疲勞。對作業(yè)疲勞評估模型分析，各指標(biāo)變量的系數(shù)均為正，說明各指標(biāo)正向影響作業(yè)疲勞程度，即心率、反應(yīng)時和能量代謝率越大，疲勞程度越嚴(yán)重，該模型建立了客觀指標(biāo)測量與主觀感受評價的聯(lián)系，綜合考慮了主觀疲勞、行為能力和生理指標(biāo)對疲勞評價結(jié)果的影響。

根據(jù)以上分析可知，迫切需要緩解高海拔地區(qū)鐵路工程施工人員的作業(yè)疲勞，現(xiàn)階段可考慮從優(yōu)化工人的作業(yè)排班，調(diào)整作業(yè)時間及人員等方面開展，未來可通過提高施工機械化改善作業(yè)疲勞，以確保施工安全。本文基于生理測量的方法對高海拔地區(qū)鐵路工程施工人員作業(yè)疲勞進行研究，綜合評價了不同工種間的作業(yè)疲勞程度，為建筑業(yè)工人的疲勞測量提供了思路，同時提出了生理指標(biāo)與工人主觀體力疲勞分數(shù)之間的擬合函數(shù)，利用該模型評估鐵路施工作業(yè)疲勞，可為鐵路施工安全管理提供參考。

4 結(jié) 論

本文依托拉林鐵路LLZQ-1標(biāo)段，以反應(yīng)時、心率、能量代謝率和RPE值作為測試指標(biāo)，對高海拔地區(qū)鐵路工程不同工種的施工人員作業(yè)疲勞進行研究，結(jié)論如下：

(1)高海拔鐵路工程作業(yè)疲勞對施工人員的行為能力和生理指標(biāo)的變化具有極顯著影響(p<0.01)，反應(yīng)時和心率指標(biāo)在作業(yè)前后的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，該結(jié)果在一定程度上驗證了反應(yīng)時和心率指標(biāo)可以作為測量高海拔地區(qū)鐵路工程施工人員作業(yè)疲勞的有效性。

(2)引入警覺性指數(shù)對作業(yè)疲勞反應(yīng)時指標(biāo)評估，綜合考慮了反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率，架子工、鋼筋工、木工、混凝土工的Ipvt值分別為0.882，0.822，0.702，0.803，反應(yīng)時指標(biāo)與心率指標(biāo)評價結(jié)果相一致。高海拔鐵路工程施工人員的作業(yè)疲勞存在工種間的差別，架子工、鋼筋工、木工、混凝土工的疲勞程度分別為：中度、重度、很重度、重度。木工、鋼筋工和混凝土工的個別被試的心率存在超過衛(wèi)生限值的情況，應(yīng)采取疲勞緩解措施。

(3)構(gòu)建以反應(yīng)時、心率、能量代謝率為自變量，RPE值為因變量的作業(yè)疲勞評估模型，并對該模型的有效性進行驗證。該模型建立了作業(yè)疲勞的客觀指標(biāo)測量與主觀感受評價的聯(lián)系，利用該模型評價疲勞程度，具有一定的參考意義。

(4)本文也存在一定的不足之處，文章選取的被試人數(shù)為20人，代表性不強，后續(xù)需進一步擴大樣本研究。