基于改進尖點突變級數(shù)法的高溫環(huán)境下人體生理狀態(tài)綜合評價

鄭國忠, 李康, 岳旭輝, 衛(wèi)常青

(華北電力大學能源動力與機械工程學院, 保定 071003)

熱應激是人體對高溫環(huán)境的一種非特異性生理反應。隨著工業(yè)化的深入、人口的增長以及環(huán)境污染的加劇,全球氣候顯著變暖,高溫環(huán)境的持續(xù)時間也在不斷增加[1-2]。在高溫環(huán)境下長時間工作,人體的熱應激水平顯著增加。為了維持體內(nèi)熱平衡,人體通過增加出汗量和擴張皮膚血管等方式加速散熱。然而,當體內(nèi)產(chǎn)生的熱量沒有及時排出,人體核心溫度升高。一旦環(huán)境的熱負荷超過人體熱調(diào)節(jié)機制的極限,人體熱平衡將會被破壞,從而引發(fā)各種熱相關(guān)疾病[3-4]。

為保證良好的城市環(huán)境,環(huán)衛(wèi)工人需要在炎熱的夏季室外環(huán)境中長期工作。值得注意的是,大多數(shù)環(huán)衛(wèi)工人的年齡在50歲以上,他們的風險防范意識相對較弱[5],容易受到高溫天氣的不良影響。因此,準確評估高溫環(huán)境下環(huán)衛(wèi)工人的熱應激水平非常重要。

人體熱應激的研究主要分為兩類:一種是基于環(huán)境參數(shù)研究,另一種是基于生理參數(shù)研究?；诃h(huán)境參數(shù)研究建立的評價指標主要包括熱應力指數(shù)、濕球溫度、干球溫度以及操作溫度[6-9]。這些評價指標通過確定環(huán)境參數(shù)的危險等級,粗略地評估人體熱應激水平。然而,當人體暴露在高溫環(huán)境中,人體的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)會主動提高自身熱耐受性,以維持相對的生理安全[10]。因此,單純依賴環(huán)境參數(shù)判斷人體熱應激水平是片面的,有必要將生理參數(shù)納入人體熱應激的研究中。

近年來,基于生理參數(shù)的熱應激研究逐漸增多。Moran等[11]利用心率和直腸溫度構(gòu)建生理應激指數(shù)(physiological strain index, PSI),該指數(shù)能夠有效評估不同高溫環(huán)境和勞動強度下的人體熱應激水平。然而,鄭國忠[12]指出PSI指標中生理參數(shù)的權(quán)重缺乏生理意義,并采用導數(shù)法將心率和直腸溫度的原始權(quán)重由0.50和0.50優(yōu)化為0.44和0.56。Malchaire等[13]基于人體熱平衡方程提出預測熱應激(predictive heat strain, PHS)模型,以預測每分鐘的直腸溫度和出汗率。為了提高PHS模型的預測精度,Du等[14]將PHS模型的初始直腸溫度從36.8℃調(diào)整到37℃,從而將模型的預測精度從24.7%提高到57.1%。孟曉靜等[15]利用收縮壓、舒張壓、脈搏、口腔溫度和平均皮膚溫度建立高溫作業(yè)下人體生理狀態(tài)的模糊評價模型。Xu等[16]提出基于人體蒸發(fā)阻力和代謝率的經(jīng)驗溫度調(diào)節(jié)模型以預測人體核心溫度和耐熱時間。Zhao等[17]選取口腔溫度、心率和出汗率作為生理參數(shù),建立熱應力分類指標以預測高溫天氣下的人體熱應激水平,該指標通過主成分法確定生理指標的權(quán)重,但各指標的權(quán)重在不同的生理狀態(tài)下是不變的。

上述研究主要不足如下:一是部分生理參數(shù)(如脫水率和代謝率)是過程量,在實際工作場所測量不方便;二是生理指標權(quán)重通常是固定不變的,且評估結(jié)果的精確性取決于生理指標的具體權(quán)重值;三是大部分的評價指標是基于普通人建立的,對于環(huán)衛(wèi)工人的熱應激研究較少。

鑒于此,現(xiàn)選擇高溫作業(yè)環(huán)境下容易測量的平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率作為生理指標。其次,采用信息熵法和變權(quán)理論確定生理指標的相對重要性,并通過尖點突變級數(shù)法建立生理狀態(tài)安全評價指標(physiological state safety evaluation index, PSEI)。最后,對PSEI的安全等級進行分類,并通過PSI驗證PSEI的有效性,以期為環(huán)衛(wèi)工人提供實時的生理狀態(tài)監(jiān)測。

1 實驗

1.1 實驗對象

研究選擇河北保定21位環(huán)衛(wèi)工人作為實驗對象。實驗時間為2021年7月和8月的晴天,共17個實驗日。實驗期間,受試者穿著短袖、寬松長褲、襪子和運動鞋。所有受試者需要簽署知情同意書。受試者的基本測量信息如表1所示。

表1 受試者的基本測量信息Table 1 Basic measurement information of the subjects

1.2 實驗設(shè)備

實驗測量的參數(shù)包括生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。生理參數(shù)包括皮膚溫度(胸部溫度、上臂溫度、大腿溫度和小腿溫度)、耳膜溫度、收縮壓和心率,環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境溫度和相對濕度。

平均皮膚溫度通過測量胸部溫度、上臂溫度、大腿溫度和小腿溫度計算。其中,胸部、上臂、大腿和小腿的具體測量點分別為頸部以下5 cm處、左肘關(guān)節(jié)以上5 cm處、右膝以上10 cm和右膝以下20 cm處。平均皮膚溫度的計算公式[18]為

MST=0.3Tchest+0.3Tarm+0.2Tthigh+0.2Tcalf

(1)

式(1)中:MST、Tchest、Tarm、Tthigh和Tcalf分別為平均皮膚溫度、胸部溫度、上臂溫度、大腿溫度和小腿溫度,℃。

測量耳膜溫度時,將受試者的右耳向右上拉,并將紅外溫度計的探針盡量插入右耳直至貼緊為止。測量血壓和心率時,將血壓計袖帶放置在受試者左臂肘關(guān)節(jié)上方2～3 cm處。

在測量受試者生理參數(shù)時,同時測量受試者附近的環(huán)境參數(shù)。研究需要測量的參數(shù)及其相對應的實驗儀器如表2所示。

表2 測量參數(shù)和實驗儀器Table 2 Measurement parameters and instruments

1.3 實驗過程

環(huán)衛(wèi)工人正常工作時間為05:30—17:30,其中11:00—13:00是休息時間。為避免影響受試者的正常工作和休息,實驗人員分別在每個實驗日的07:00、09:00、14:00和16:00進行4次環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的測量。具體的實驗流程如圖1所示。由于環(huán)衛(wèi)工人的工作地點是流動的,有些受試者的生理參數(shù)測量數(shù)據(jù)存在缺失,實驗共獲得1 297組實驗數(shù)據(jù)。環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的測量結(jié)果如圖2所示。

①為開始工作;②為測量生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù);③為停止工作圖1 實驗流程Fig.1 Experimental procedure

2 改進的尖點突變級數(shù)法

2.1 尖點突變理論

突變理論是描述系統(tǒng)由一系列的量變引起跳躍式質(zhì)變的數(shù)學理論[19],主要用于研究動態(tài)系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)展過程中出現(xiàn)突然變化的現(xiàn)象。在突變理論中,控制系統(tǒng)發(fā)生突變的因子稱為控制變量,當控制變量數(shù)為2時,形成最常見的尖點型突變模型[20],其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

m1為平滑區(qū)域的初始狀態(tài)點;n1為平滑區(qū)域的最終狀態(tài)點;m2為上穩(wěn)定區(qū)域的狀態(tài)點;n2為下穩(wěn)定區(qū)域的狀態(tài)點;m′1、n′1、m′2和n′2分別為m1、n1、m2和n2在控制平面的投影圖3 人體生理狀態(tài)的尖點突變模型Fig.3 Cusp catastrophe model of human physiological state

在尖點突變模型中,勢函數(shù)是描述系統(tǒng)的控制變量和狀態(tài)變量之間的相對關(guān)系和相對位置的函數(shù)。其公式為

f(x)=x4+ux2+vx

(2)

式(2)中:x為系統(tǒng)的狀態(tài)變量;u為系統(tǒng)的主要控制變量;v為系統(tǒng)的次要控制變量。

在圖3中,f(x)的所有臨界點集合成一個平衡曲面。令f′(x)=0可以得到該平衡曲面方程。其公式為

f′(x)=4x3+2ux+v=0

(3)

令f″(x)=0,可以得到該平衡曲面的折疊曲線。其公式為

f″(x)=12x2+2u=0

(4)

將折疊曲線投影到控制平面上,得到分叉集方程。其公式為

8u3+27v2=0

(5)

分叉集的分解形式為

(6)

由于x、u和v取值范圍不統(tǒng)一,為了計算方便,需要將取值范圍限制在0～1。因此,需要對分叉集方程歸一化處理。最終得到尖點突變模型的歸一化公式為

(7)

折疊曲線將平衡面分為平滑區(qū)域、上穩(wěn)定區(qū)域、不可到達區(qū)域和下穩(wěn)定區(qū)域。平滑區(qū)域和上穩(wěn)定區(qū)域表示安全區(qū)域,不可到達區(qū)域代表系統(tǒng)狀態(tài)會發(fā)生突變的區(qū)域,下穩(wěn)定區(qū)域表示危險區(qū)域。在平滑區(qū)域和上穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),控制變量的連續(xù)變化會導致狀態(tài)變量的連續(xù)改變,系統(tǒng)不會發(fā)生突變。如果控制變量經(jīng)過不可到達區(qū)域,系統(tǒng)的狀態(tài)變量將會突然變化[21]。

2.2 人體生理狀態(tài)的突變機理分析

與生理狀態(tài)相關(guān)的人體調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要分為兩類:體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)。選擇平均皮膚溫度和耳膜溫度表示體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài),選用收縮壓和心率表示心血管系統(tǒng)的狀態(tài)。當環(huán)衛(wèi)工人長時間處于高溫環(huán)境下時,身體的產(chǎn)熱量增加。為了釋放體內(nèi)多余的熱量,心臟會加快跳動,血液循環(huán)將熱量迅速轉(zhuǎn)移到皮膚表面。此時,血管擴張,皮膚表面的血流量增加,皮膚表面溫度升高。當體內(nèi)多余的熱量不能及時排出,人體核心溫度上升[22]。采用耳膜溫度反映人體核心溫度。因此,采用平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率作為評價指標以評估在高溫環(huán)境下的人體熱應激水平。

持續(xù)的高溫會對人體產(chǎn)生累積和突變的生理應激作用。當累積效應超過身體熱調(diào)節(jié)的極限時,人體生理狀態(tài)會從安全狀態(tài)突變?yōu)槲ｋU狀態(tài)[23-24]。尖點突變模型可以直觀地描述這種變化。如圖3所示,以體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和人體生理狀態(tài)分別作為u、v和x為例,對高溫環(huán)境下人體生理狀態(tài)的變化進行分析。根據(jù)人體生理狀態(tài)的變化軌跡是否經(jīng)過分叉集,將高溫下人體生理狀態(tài)的變化軌跡分為兩類:軌跡m1→n1和軌跡m2→n2。

軌跡m1→n1:人體生理狀態(tài)的變化軌跡不經(jīng)過分叉集。在人體熱負荷較低的情況,體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)會主動進行調(diào)節(jié),以適應高溫環(huán)境,確保人體相對安全。此時,體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)u趨向于0,即接近正常參數(shù)。血流量和血管壓力變化不大,心血管系統(tǒng)狀態(tài)處在安全范圍內(nèi)。因此,在這種情況下,生理狀態(tài)參數(shù)不會發(fā)生突變,人體保持在相對穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。

軌跡m2→n2:人體生理狀態(tài)的變化軌跡經(jīng)過分叉集。當人體熱負荷較高時,體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)趨向于較差狀態(tài),即體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的生理參數(shù)(耳膜溫度和皮膚溫度)持續(xù)升高。此時,人體通過血管擴張和加速血液循環(huán)的方式增強散熱,收縮壓和心率參數(shù)變大且明顯偏離正常值。如果人體繼續(xù)長時間承受熱應激,身體的熱調(diào)節(jié)功能到達極限,人體生理狀態(tài)從較好狀態(tài)突變到較差狀態(tài)。相反,通過采取緊急避暑措施,生理狀態(tài)可以從危險狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)。

2.3 尖點突變級數(shù)法

尖點突變級數(shù)法是尖點突變理論在評價領(lǐng)域的重要應用之一[25]。該方法通過分叉集方程將不同質(zhì)態(tài)的控制變量轉(zhuǎn)化為同一質(zhì)態(tài)的狀態(tài)變量,以對目標系統(tǒng)進行綜合評價。相比于傳統(tǒng)的評價方法,尖點突變級數(shù)法只需要考慮評價指標的相對重要性,無需確定指標的具體權(quán)重值,從而降低指標權(quán)重值對評價結(jié)果的影響。近年來,尖點突變級數(shù)法在多個領(lǐng)域的評價中得到廣泛應用。王雪冬等[26]利用尖點突變級數(shù)法對吉林省的10條泥石流易損度進行評價。Chen等[27]利用尖點突變級數(shù)法評價不同氣象干旱條件下玉米不同生育期干旱程度。此外,Wang等[28]提出一種基于尖點突變模型的鐵路系統(tǒng)安全評價方法,該方法解決鐵路系統(tǒng)安全靜態(tài)分析方法的輸出不連續(xù)的問題。將尖點突變級數(shù)法引入高溫環(huán)境人體生理狀態(tài)安全評價中。

尖點突變級數(shù)法具體的計算步驟如下。

步驟1根據(jù)評價指標的重要程度和隸屬關(guān)系,建立如圖4所示的尖點突變評價模型。定義評價對象安全狀態(tài)水平為x,其中一級指標為xi= {x1,x2},二級指標為xij= {x11,x12,x21,x22}。一級指標xi的重要程度隨i增大而降低,二級指標xij的重要程度隨著j增大而降低。

圖4 尖點突變評價模型Fig.4 Cusp catastrophe evaluation model

步驟2原始數(shù)據(jù)標準化處理。

(8)

步驟3計算各個二級指標的尖點突變級數(shù)值zij。

(9)

步驟4根據(jù)尖點突變級數(shù)法的“互補”和“非互補”準則,計算一級指標xi的尖點突變級數(shù)值zi,i=1, 2。

若指標xi1和xi2之間構(gòu)成“非互補”準則,則

(10)

若指標xi1和xi2之間構(gòu)成“互補”準則,則

(11)

步驟5到上一層時,將一級指標xi視為底層指標,重復步驟3和步驟4,得到目標對象的突變級數(shù)值z。

2.4 尖點突變級數(shù)法的改進

尖點突變級數(shù)法無需計算各指標的具體權(quán)重,但仍需考慮同層次指標的相對重要程度。在常規(guī)尖點突變級數(shù)法評價模型中,通常采用專家打分的方式對評價指標進行排序。然而這種方式容易受主觀因素的影響,導致排序結(jié)果不客觀。針對突變級數(shù)法的這一不足,引入客觀賦權(quán)的信息熵法和變權(quán)理論對其進行改進。信息熵和變權(quán)理論的結(jié)合不僅充分利用數(shù)據(jù)本身的信息,還考慮數(shù)據(jù)的變化情況,使得權(quán)重分配更符合實際情況。

2.4.1 信息熵

信息熵能度量系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性[29]。信息熵方法利用評價等級的標準值作為評價參考系,通過評價對象在評價等級中的排名以計算指標的權(quán)重。信息熵法計算步驟如下。

步驟1構(gòu)造決策矩陣Am×n。當評價對象包括m-1項評價標準和n項評價指標,評價對象的基準矩陣G(m-1)×n為

(12)

評價矩陣U1×n為

U1×n=(am1,am2,…,amn)

(13)

式(13)中:amj為評價對象第j個指標的測量值。

最后,結(jié)合矩陣G(m-1)×n和矩陣U1×n構(gòu)造決策矩陣Am×n為

(14)

步驟2通過式(8)將決策矩陣標準化,標準化的決策矩陣B=(bij)m×n。

(15)

步驟3計算第j項指標在第i個評價等級標準值的比重P=(pij)m×n。

(16)

步驟4計算第j項指標的信息熵值ej和權(quán)重值wj。

(17)

(18)

式中:當pij=0時,pijlnpij=0。

2.4.2 變權(quán)理論

當評價指標突然偏離正常值時,信息熵法計算的指標權(quán)重變化相對較小,該評價指標異常的影響容易被忽略,導致評價結(jié)果偏離實際情況。因此,該指標的權(quán)重需要適當?shù)卣{(diào)整。研究利用變權(quán)理論調(diào)節(jié)各指標之間的均衡性。變權(quán)理論是空間理論的重要建模原理之一[30],其公式為

(19)

式(19)中:w′j為第j項評價指標的變權(quán)值;a為平衡系數(shù),其取值范圍為0～1。在高溫環(huán)境下人體生理狀態(tài)評價體系中,單一生理指標的異常容易導致整個生理狀態(tài)變差。因此,各個生理指標之間的均衡性要求較高,平衡系數(shù)a取0.2[31]。

此外,一級指標的權(quán)重等于所對應的二級指標權(quán)重之和。在尖點突變評價模型中,生理指標的重要性排序根據(jù)其權(quán)重值確定。生理指標權(quán)重越大,其屬性越重要,在模型中的排序越靠前。

3 建立生理狀態(tài)安全評價指標

3.1 確定生理指標安全等級

將高溫環(huán)境下的人體生理狀態(tài)分為5個等級:非常安全、相對安全、中等、相對危險和非常危險。根據(jù)文獻[32-33]和在高溫環(huán)境勞動時的人體生理參數(shù)變化范圍,在各評價等級上生理指標對應的標準值如表3所示。

表3 生理指標安全等級標準值Table 3 The standard values of the safety levels for the physiological indexes

3.2 建立新的生理狀態(tài)安全評價指標

以第一組實驗數(shù)據(jù)的計算過程為例,說明指標PSEI的建立過程。

通過平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率的標準值和測量值建立決策矩陣A。

根據(jù)式(8),構(gòu)建標準化數(shù)據(jù)矩陣B。

根據(jù)式(16)～式(19),計算4個生理指標的權(quán)重。體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的權(quán)重等于所對應的生理指標權(quán)重之和。各級指標的權(quán)重值如表4所示。

表4 所有指標的權(quán)重Table 4 The weights of all indexes

由表4可得出,二級指標的重要性從大到小排序依次為:平均皮膚溫度> 耳膜溫度> 心率> 收縮壓;一級指標的重要性從大到小排序依次為:體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)> 心血管系統(tǒng)。

根據(jù)二級指標與一級指標之間的隸屬關(guān)系和重要程度,構(gòu)建的人體生理狀態(tài)評價體系,如圖5所示。

圖5 人體生理狀態(tài)評價體系Fig.5 Human physiological state evaluation system

當身體熱負荷增加時,核心溫度和皮膚溫度都會升高。因此,耳膜溫度和平均皮膚溫度之間存在明顯的相關(guān)性。收縮壓反映血液對血管內(nèi)壁的壓力,而心率反映每分鐘的心跳次數(shù)。它們是獨立的生理指標,彼此之間沒有很強的相關(guān)性[34]。因此,平均皮膚溫度和耳膜溫度之間采用互補準則,心率和收縮壓之間采用非互補準則。

根據(jù)式(9)～式(11),一級指標的尖點突變級數(shù)值為

最后,計算人體生理狀態(tài)尖點突變級數(shù)值為了反映人體實時生理狀態(tài)的安全水平,z表示為PSEI值。PSEI值的范圍為0～1,1表示絕對安全,0表示絕對危險。

3.3 PSEI的評價結(jié)果

根據(jù)上述計算步驟,得到剩余實驗數(shù)據(jù)組中所有指標的權(quán)重和生理狀態(tài)的尖點突變級數(shù)值。圖6展示所有指標的權(quán)重值。結(jié)果表明,各生理指標的權(quán)重隨環(huán)境條件和生理狀態(tài)的變化而變化。具體而言,平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率的權(quán)重范圍分別為0.09～0.64、0.08～0.41、0.07～0.74和0.06～0.33。體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的權(quán)重范圍分別為0.17～0.80和0.20～0.83。在不同的生理狀態(tài)下,具有最大權(quán)重的生理指標是不同的。在所有組數(shù)據(jù)中,平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率權(quán)重最大的組比例分別為80.0%、6.9%、11.2%和1.9%。體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的權(quán)重最大的組比例分別為89.2%和10.8%。這意味著平均皮膚溫度比耳膜溫度、收縮壓和心率更容易受到高溫環(huán)境的影響。隨著溫度的升高,體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的權(quán)重逐漸增加,心血管系統(tǒng)的權(quán)重逐漸減少。這表明體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)比心血管系統(tǒng)更容易受到高溫環(huán)境的影響。

圖6 各個指標權(quán)重范圍Fig.6 The weight range of the indexes

實驗中所有的受試者的PSEI值如圖7所示。結(jié)果表明,PSEI值集中在0.85～0.95。

圖7 實驗中的PSEI值Fig.7 PSEI values in the experiment

3.4 確定PSEI安全等級

人體的生理狀態(tài)可以通過生理參數(shù)反映。當生理參數(shù)偏離正常值時,人體生理狀態(tài)安全水平變差,PSEI值降低?；谏碇笜税踩燃墎韯澐諴SEI安全等級。因此,PSEI也被分為5個安全等級[35]。以表3中處于相對安全的生理指標標準值為例,計算處于相對安全的PSEI的標準值,具體計算過程如下。

首先,選取表3中處于相對安全的生理指標標準值:平均皮膚溫度(33.8, 34.8)、耳膜溫度(36.2, 36.9)、收縮壓(120, 130)和心率(95, 120)。

建立決策矩陣A,左邊界決策矩陣AL和右邊界決策矩陣AR分別如下。

其次,通過式(15)～式(19)計算所有指標的權(quán)重。在二級指標中,左邊界的平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率的權(quán)重分別為0.229、0.272、0.198和0.302。右邊界的平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率的權(quán)重分別為0.217、0.281、0.182和0.320。在一級指標中,左邊界的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的權(quán)重為0.501和0.499。右邊界的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的權(quán)重為0.498和0.502。

最后,根據(jù)各指標的相對重要性,建立人體生理狀態(tài)安全評價體系。根據(jù)式(8)～式(10),計算各級指標的尖點突變級數(shù)值,其中,z1L和z2L分別表示體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)左邊界的突變級數(shù)值;z1R和z2R分別表示體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)右邊界的突變級數(shù)值;zL和zR分別表示PSEI處于相對安全的左邊界標準值和右邊界標準值。

左邊界:

右邊界:

因此,PSEI處于相對安全的標準值為(0.886, 0.948)。

根據(jù)上述研究步驟,計算其他安全等級的PSEI的標準值,結(jié)果如表5所示。參考文獻[32]和尖點突變模型,對各安全等級下人體熱調(diào)節(jié)特性進行分析。研究結(jié)果顯示,PSEI的危險范圍為[0, 0.798],而PSEI的安全范圍為(0.798, 1]。當PSEI小于0.798時,工人會感到全身溫度緊張,存在熱損傷的風險。因此,工人應立即暫停工作,并采取一些防護措施以應對高溫環(huán)境的影響。綜上所述,通過監(jiān)測PSEI值,可以及時發(fā)現(xiàn)人體生理狀態(tài)的不適,提供預警信息,以保護工人在高溫環(huán)境中的安全。

表5 PSEI的分類Table 5 The classification of the PSEI

根據(jù)PSEI的分類,實驗中所有PSEI值在每個安全級別中的比例如圖8所示。結(jié)合圖2中的4個測量時間的環(huán)境溫度排序14:00> 16:00> 09:00> 07:00,可以得出隨著環(huán)境溫度的升高,PSEI值在安全范圍內(nèi)的比例逐漸降低,在危險范圍內(nèi)的比例逐漸增加。因此,在4個測量時間點,熱應激水平的排序為14:00> 16:00> 09:00> 07:00。由于環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度相對較低,只有少數(shù)比例的測量數(shù)據(jù)處于相對危險,沒有人處于非常危險。

圖8 PSEI值的分布Fig.8 Distribution of the PSEI values

4 討論

4.1 PSEI的驗證

PSI能夠直接反映人體熱應激水平[11],可通過式(20)計算。核心溫度可用直腸溫度和耳膜溫度來表示。為方便在實際工作現(xiàn)場測量,選擇耳膜溫度代替核心溫度[36]。修正后的PSI(modified predictive heat strain, mPSI)可以通過式(21)計算。

(20)

(21)

式中:HRt和HR0分別為t時刻和初始時刻的心率,bpm;CTt和CT0分別為t時刻和初始時刻的核心溫度,℃;TTt和TT0分別為t時刻和初始時刻的耳膜溫度,℃;選取初始時刻的心率和耳膜溫度分別為60 bpm和35.4 ℃。

為驗證PSEI的合理性,對PSEI和mPSI進行相關(guān)性分析?；贐IN方法[37],PSEI和mPSI的相關(guān)性分析結(jié)果如圖9所示。隨著mPSI的增加,PSEI呈現(xiàn)下降趨勢。這表明,當測量值與正常值之間的距離增加時,熱應激水平也隨之增加。這證明PSEI能夠有效性地評估人體熱應激水平。

PSEI和mPSI之間的區(qū)別主要如下。

(1)mPSI只考慮耳膜溫度和心率。在此基礎(chǔ)上,PSEI添加收縮壓和平均皮膚溫度。PSEI綜合考慮4個生理指標,能夠更全面地反映人體的生理狀態(tài)。

(2)在不同的生理狀態(tài)下,mPSI的耳膜溫度和心率的權(quán)重是恒定的,不會隨著生理指標異常值的出現(xiàn)而增加,導致異常值的影響被忽視。

相比之下,PSEI中生理指標的權(quán)重隨著生理狀態(tài)的變化而變化,能夠更好地識別每個生理指標的異常情況。尖點突變級數(shù)法通過改變評價模型中生理指標之間的相對位置,以突出異常值的影響。

4.2 結(jié)果比較

采用信息熵法和變權(quán)理論實時計算生理指標的權(quán)重。在所有的數(shù)據(jù)組中,平均皮膚溫度具有最大權(quán)重的組比例最大(約80.0%),心率具有最大權(quán)重的組比例最小(約1.9%)。因此,平均皮膚溫度受高溫天氣的影響最大,而心率受高溫天氣影響最小。這意味著平均皮膚溫度更能反映高溫環(huán)境下人體生理狀態(tài)安全水平。前人相關(guān)研究與本研究結(jié)果相似。Lai等[38]研究發(fā)現(xiàn)平均皮膚溫度能夠很好地反映受試者在室外空間的熱舒適度。張大衛(wèi)[39]的研究結(jié)果表明,在輕度和中度勞動強度下,平均皮膚溫度最容易受到高溫環(huán)境的影響,其次是收縮壓。Fang等[40]研究大學生戶外訓練的熱舒適性,發(fā)現(xiàn)心率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系很小。Tian等[41]研究在不同活動水平和高溫下人體生理反應和主觀感知的變化。結(jié)果表明,在相同的運動水平下,高溫環(huán)境對平均皮膚溫度、收縮壓和耳膜溫度的影響較大。上述研究表明,高溫環(huán)境對平均皮膚溫度有顯著影響。然而,一些關(guān)于心率權(quán)重的研究與本文研究的結(jié)果不一致。例如:基于人體生理信息監(jiān)測系統(tǒng)和環(huán)境室,Sun等[42]研究人體在高強度活動水平和高溫環(huán)境中的生理反應。人體生理參數(shù)對高溫環(huán)境的敏感性依次為:代謝率> 心率> 平均皮膚溫度> 口腔溫度> 儲熱率。其主要原因是心率更容易受到勞動強度的影響。該研究中的受試者進行高強度運動,而本研究中的環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度相對較低,心率變化較小。因此,心率的權(quán)重較低。

5 結(jié)論

選擇平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率建立一個綜合評價體系以量化高溫作業(yè)環(huán)境下環(huán)衛(wèi)工人的生理狀態(tài)。首先,利用尖點突變模型直觀地展示高溫負荷下人體生理狀態(tài)的變化。其次,利用信息熵法和變權(quán)理論確定生理指標的權(quán)重以實時反映高溫環(huán)境對于各個生理指標的影響程度;最后,利用尖點突變級數(shù)法建立一個新的綜合指標PSEI以評估環(huán)衛(wèi)工人實時的生理狀態(tài)。主要結(jié)論如下。

(1)生理指標的權(quán)重隨著環(huán)境溫度和人體生理狀態(tài)的變化而變化。平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率的權(quán)重范圍分別為0.09～0.64、0.08～0.41、0.07～0.74和0.06～0.33。平均皮膚溫度比耳膜溫度、收縮壓和心率更容易受到高溫環(huán)境的影響。

(2)PSEI的安全等級分為:非常安全(0.948, 1]、相對安全(0.886, 0.948]、中等(0.798, 0.886]、相對危險(0.649, 0.798]和非常危險[0, 0.649]。PSEI的危險范圍為(0,0.798],安全范圍為(0.798,1]。

(3)PSEI和mPSI之間存在良好的相關(guān)性。PSEI能夠作為反映人體熱應激水平的有效指標。

(4)PSEI能夠?qū)崟r量化人體生理狀態(tài)的安全水平。根據(jù)PSEI值,適時采取適當?shù)姆雷o措施可確保環(huán)衛(wèi)工人在高溫作業(yè)環(huán)境中的生理安全。

使用的生理指標標準值是基于以往文獻確定的,適用于普通人群。后續(xù)的研究可以通過現(xiàn)場調(diào)查修正生理指標的標準值,以提升PSEI的精準性。