工程科学学报，第40卷，第6期：760-765,2018年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.6:760-765,June 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.015:http://journals.ustb.edu.cn 基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 徐明伟”，金龙哲四，张驎，于露”，刘建国”，田兴华” 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)国家安监总局培训中心，北京100010 ☒通信作者，E-mail:in@usth.cdu.cn 摘要人体在进入疲劳状态时生理参数会发生相应的变化.为了探讨砌砖工人在持续体力劳动作业时心率和心率变异 (HRV)对人体生理疲劳的影响，针对疲劳与心率的关系提出评价生理疲劳的数学模型.选取15名健康受试者（男性）在搭建 的86cm平台模拟砌砖工人作业.持续作业30n进行一次心率变异数据的收集.同时，使用心率传感器对心率进行实时监 测.本文采用方差分析、检验和非线性拟合的方法对疲劳对心率和心率变异的影响进行分析.结果表明，生理疲劳使心率波 动程度有显著变化（检验水准α=0.05水平，概率P0.05).非线性拟合结果(R=0.8892)显示，生理疲劳的发展趋势呈现出 “S型”的趋势.据此提出，生理疲劳分为3个阶段：疲劳调整期、疲劳稳定期和疲劳失稳期.在疲劳失稳期前（试验中约为90 min)受试者休总，可以减缓或延迟生理疲劳的发生. 关键词建筑工人：生理疲劳：心率变异：相对心率：疲劳监测 分类号TG142.71 Research on the fatigue of construction workers by heart rate monitoring XU Ming-wei,JIN Long-zhe,ZHANG Lin),YU Lu,LIU Jian-guo,TIAN Xing-hua) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Administration of Work Safety Training Center,Beijing 100010,China Corresponding author,E-mail:Izjin@ustb.edu.cn ABSTRACT The safety situation in the construction industry across the world has been complicated for a long time,and the high in- cidence of accidents poses great challenges to this situation.Research on occupational safety and health indicates that people are prone to misconduct or unsafe behavior when they are tired.A large number of accident analyses show that fatigue is one of the most important reasons for accidents.When the human body enters into a fatigue state,the physiological parameters change accordingly.The aim of this study was to investigate the effects of heart rate and heart rate variability (HRV)on physiological fatigue in a sustained bricklaying task.A mathematical model was proposed for evaluating physiological fatigue.Five male healthy participants were selected to imitate construction by engaging in bricklaying on an 86 cm platform.HRV data were collected every 30 min during the sustained task,and heart rate was measured every minute.Analysis of variance,one-sample t-test,and nonlinear curve fitting were adopted in this study. Physiological fatigue shows a significant change with heart rate fluctuation (significant level a=0.05,P0.05).The trend of the physiological fatigue curve follows a cubic function.The nonlinear curve fitting results (R2=0.8892)show that the development trend of physiological fatigue shows an "S"trend,which can be divided into the following three stages:fatigue adjustment period,fatigue stability period,and fatigue instability period.Proper rest in the fatigue failure period (In this experiment,it was about 90 min.can slow or delay physiological fatigue. KEY WORDS construction worker:physiological fatigue:heart rate variability:relative heart rate:fatigue monitoring 收稿日期：2017-11-27 基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2016YFC0801706)
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期: 760--765，2018 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 6: 760--765，June 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 06． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 徐明伟1) ，金龙哲1) ，张 驎2) ，于 露1) ，刘建国1) ，田兴华1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 国家安监总局培训中心，北京 100010 通信作者，E-mail: lzjin@ ustb． edu． cn 摘 要 人体在进入疲劳状态时生理参数会发生相应的变化． 为了探讨砌砖工人在持续体力劳动作业时心率和心率变异 ( HＲV) 对人体生理疲劳的影响，针对疲劳与心率的关系提出评价生理疲劳的数学模型． 选取 15 名健康受试者( 男性) 在搭建 的 86 cm 平台模拟砌砖工人作业． 持续作业 30 min 进行一次心率变异数据的收集． 同时，使用心率传感器对心率进行实时监 测． 本文采用方差分析、t 检验和非线性拟合的方法对疲劳对心率和心率变异的影响进行分析． 结果表明，生理疲劳使心率波 动程度有显著变化( 检验水准 α = 0. 05 水平，概率 P ＜ 0. 05) ，随着生理疲劳程度的加重，人体心率需要更长的时间才能恢复至 正常值． 受试者 HＲV 并无显著性差异( α = 0. 05，P ＞ 0. 05) ． 非线性拟合结果( Ｒ2 = 0. 8892) 显示，生理疲劳的发展趋势呈现出 “S 型”的趋势． 据此提出，生理疲劳分为 3 个阶段: 疲劳调整期、疲劳稳定期和疲劳失稳期． 在疲劳失稳期前( 试验中约为 90 min) 受试者休息，可以减缓或延迟生理疲劳的发生． 关键词 建筑工人; 生理疲劳; 心率变异; 相对心率; 疲劳监测 分类号 TG142. 71 收稿日期: 2017--11--27 基金项目: 国家重点研发计划课题资助项目( 2016YFC0801706) Ｒesearch on the fatigue of construction workers by heart rate monitoring XU Ming-wei1) ，JIN Long-zhe1) ，ZHANG Lin2) ，YU Lu1) ，LIU Jian-guo1) ，TIAN Xing-hua1) 1) School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Administration of Work Safety Training Center，Beijing 100010，China Corresponding author，E-mail: lzjin@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The safety situation in the construction industry across the world has been complicated for a long time，and the high incidence of accidents poses great challenges to this situation． Ｒesearch on occupational safety and health indicates that people are prone to misconduct or unsafe behavior when they are tired． A large number of accident analyses show that fatigue is one of the most important reasons for accidents． When the human body enters into a fatigue state，the physiological parameters change accordingly． The aim of this study was to investigate the effects of heart rate and heart rate variability ( HＲV) on physiological fatigue in a sustained bricklaying task． A mathematical model was proposed for evaluating physiological fatigue． Five male healthy participants were selected to imitate construction by engaging in bricklaying on an 86 cm platform． HＲV data were collected every 30 min during the sustained task，and heart rate was measured every minute． Analysis of variance，one-sample t-test，and nonlinear curve fitting were adopted in this study． Physiological fatigue shows a significant change with heart rate fluctuation ( significant level α = 0. 05，P ＜ 0. 05) ． With an increase in physiological fatigue，the heart rate needs a longer time to decrease to the normal level． No significant difference is observed in HＲV between the subjects ( α = 0. 05，P ＞ 0. 05) ． The trend of the physiological fatigue curve follows a cubic function． The nonlinear curve fitting results ( Ｒ2 = 0. 8892) show that the development trend of physiological fatigue shows an“S”trend，which can be divided into the following three stages: fatigue adjustment period，fatigue stability period，and fatigue instability period． Proper rest in the fatigue failure period ( In this experiment，it was about 90 min． ) can slow or delay physiological fatigue． KEY WOＲDS construction worker; physiological fatigue; heart rate variability; relative heart rate; fatigue monitoring
徐明伟等：基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 ·761· 长期以来世界范围内的建筑行业安全形势错综 交感神经和迷走神经在心脏的张力和平衡0.心 复杂，事故高发率使得建筑行业的安全形势面临巨 率变异性是体现压力水平的可靠指标四.心率变 大的挑战0.根据国际劳工组织(LO)的统计，全 异性在疲劳驾驶方面研究相对比较普遍.李延军发 世界在经济发达的国家每年发生工伤事故的伤亡率 现HRV与精神疲劳有很大关系，但HRV能否用 几乎只是中东欧、中国和印度的一半.2016年中国 来评价肌肉疲劳，尚不清楚.重复的搬举动作会导 建筑行业事故占13.46%，远超煤炭行业的7.35%， 致肌肉紧张，使肌肉处于疲劳状态，进而引起肌肉骨 建筑行业的潜在危险程度居于其他行业之首四 骼疾病圆.生理疲劳的长期积累会导致建筑工人 Bauer等发现瓦工、木工、泥水工等建筑工种所发生 不安全因素增加并且诱导职业危害的发生网.本 的工效学伤害中，有40%的时间都在从事背部弯曲 研究旨在揭示建筑工人在生理疲劳状态下心率变化 这个动作习.职业安全与健康研究表明，人们疲劳 和心率变异性的关系，为建筑工人的工作时间提供 时容易发生操纵失误或不安全行为).大量的事故 合理的建议 分析结果表明，生理疲劳是事故发生的重要原因 1试验设计 之一 对劳动强度评价的研究始于20世纪30年代， 1.1受试者 至今己已有大量的评价方法0.一些研究对疲劳强度 建筑工人背部弯曲运动是在操作过程中造成腰 等级进行了划分日，但较少预测疲劳发生的时间 椎生理疲劳的主要作用的.因此，本试验模拟了砌 能量代谢率6-)是评价体力劳动强度的理想指标， 砖工人的操作姿势，主要反映弯腰的动作.根据人 但测量过程过于繁琐.然而，随着科学技术的进步， 体测量学原理和参与者的身高和关节的比例，最终 些便携式智能穿戴式传感器对心率、血压等生理 建立了一个86cm高度的测试台.受试者模拟砌砖 参数进行方便的监测.心率监测在疾病诊断中有着 动作，辅助者帮助受试者放下砖块，以保证砌砖高度 广泛的应用.医学领域研究证明，心率与心脏方面 的一致性.围绕试验平台沿着逆时针方向重复动 疾病有着密切关系图.然而，在人机工程学领域中 作，持续2h的体力工作.为了避免受试者前一天作 对心率的研究较少.蔡启明在研究中发现体力劳动 业产生的疲劳对后一天造成影响，让其作业后充分 中心率与身体疲劳之间有着密切的关系可.当人们 休息，每隔一天进行一次试验，共计重复4次同样的 从事体力劳动时，他们的心率明显上升.当人们进 试验.选取15名身体健康，符合试验要求的大学本 入疲劳状态时，心率会随之改变.心率变异(HRV) 科生，受试者签署书面知情同意书，其主要身体指数 反映了自主神经系统(ANS)的活性，定量地估计了 参数见表1. 表1受试者主要身体指数 Table 1 Major body parameters of the subjects 编号 年龄 体重kg 身高/cm 骨骼肌肉量kg 编号 年龄 体重kg 身高/cm 骨骼肌肉量/kg 1 21 74.8 167 30.6 9 20 77.3 173 33.1 62.9 176 29.6 10 21 73.5 180 28.3 3 19 54.0 173 26.7 11 22 59.2 171 26.9 21 63.4 179 32.0 12 23 75.2 174 27.7 24 58.4 165 32.1 13 24 59.2 178 29.3 6 20 76.4 177 30.2 14 24 68.0 166 26.8 7 19 70.0 169 27.3 15 23 65.7 172 27.3 24 68.3 181 26.9 平均值21.7（±1.8）67.1（±7.2）173.4（±5.0）29.0（±2.1） 1.2试验过程 电并增大与皮肤的摩擦系数，保证受试者在作业时 本试验所用的测量仪器是捆绑式心率监测仪 心率传感器稳定工作，同时调整心率传感器，使其恰 (图1)（型号：RS800CX:制造商：Polar),心率变异测 好处于胸部正前方位置，如图1所示.其工作原理 量仪（型号：DHD-6000,制造商：东华原）.首先用 是通过两片导电橡胶，侦测心脏跳动时所产生的微 自来水对绑带的电极区域进行湿润处理，使电极导 量电差，然后通过无线信号传输到运动终端上，从而
徐明伟等: 基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 长期以来世界范围内的建筑行业安全形势错综 复杂，事故高发率使得建筑行业的安全形势面临巨 大的挑战［1］． 根据国际劳工组织( ILO) 的统计，全 世界在经济发达的国家每年发生工伤事故的伤亡率 几乎只是中东欧、中国和印度的一半． 2016 年中国 建筑行业事故占 13. 46% ，远超煤炭行业的 7. 35% ， 建筑行业的潜在危险程度居于其他行业之首［1］． Bauer 等发现瓦工、木工、泥水工等建筑工种所发生 的工效学伤害中，有 40% 的时间都在从事背部弯曲 这个动作［2--3］． 职业安全与健康研究表明，人们疲劳 时容易发生操纵失误或不安全行为［3］． 大量的事故 分析结果表明，生理疲劳是事故发生的重要原因 之一． 对劳动强度评价的研究始于 20 世纪 30 年代， 至今已有大量的评价方法［4］． 一些研究对疲劳强度 等级进行了划分［5］，但较少预测疲劳发生的时间． 能量代谢率［6--7］是评价体力劳动强度的理想指标， 但测量过程过于繁琐． 然而，随着科学技术的进步， 一些便携式智能穿戴式传感器对心率、血压等生理 参数进行方便的监测． 心率监测在疾病诊断中有着 广泛的应用． 医学领域研究证明，心率与心脏方面 疾病有着密切关系［8］． 然而，在人机工程学领域中 对心率的研究较少． 蔡启明在研究中发现体力劳动 中心率与身体疲劳之间有着密切的关系［9］． 当人们 从事体力劳动时，他们的心率明显上升． 当人们进 入疲劳状态时，心率会随之改变． 心率变异( HＲV) 反映了自主神经系统( ANS) 的活性，定量地估计了 交感神经和迷走神经在心脏的张力和平衡［10］． 心 率变异性是体现压力水平的可靠指标［11］． 心率变 异性在疲劳驾驶方面研究相对比较普遍． 李延军发 现 HＲV 与精神疲劳有很大关系［12］，但 HＲV 能否用 来评价肌肉疲劳，尚不清楚． 重复的搬举动作会导 致肌肉紧张，使肌肉处于疲劳状态，进而引起肌肉骨 骼疾病［13］． 生理疲劳的长期积累会导致建筑工人 不安全因素增加并且诱导职业危害的发生［14］． 本 研究旨在揭示建筑工人在生理疲劳状态下心率变化 和心率变异性的关系，为建筑工人的工作时间提供 合理的建议． 1 试验设计 1. 1 受试者 建筑工人背部弯曲运动是在操作过程中造成腰 椎生理疲劳的主要作用［15］． 因此，本试验模拟了砌 砖工人的操作姿势，主要反映弯腰的动作． 根据人 体测量学原理和参与者的身高和关节的比例，最终 建立了一个 86 cm 高度的测试台． 受试者模拟砌砖 动作，辅助者帮助受试者放下砖块，以保证砌砖高度 的一致性． 围绕试验平台沿着逆时针方向重复动 作，持续 2 h 的体力工作． 为了避免受试者前一天作 业产生的疲劳对后一天造成影响，让其作业后充分 休息，每隔一天进行一次试验，共计重复 4 次同样的 试验． 选取 15 名身体健康，符合试验要求的大学本 科生，受试者签署书面知情同意书，其主要身体指数 参数见表 1． 表 1 受试者主要身体指数 Table 1 Major body parameters of the subjects 编号 年龄 体重/ kg 身高/cm 骨骼肌肉量/ kg 编号 年龄 体重/ kg 身高/cm 骨骼肌肉量/ kg 1 21 74. 8 167 30. 6 9 20 77. 3 173 33. 1 2 20 62. 9 176 29. 6 10 21 73. 5 180 28. 3 3 19 54. 0 173 26. 7 11 22 59. 2 171 26. 9 4 21 63. 4 179 32. 0 12 23 75. 2 174 27. 7 5 24 58. 4 165 32. 1 13 24 59. 2 178 29. 3 6 20 76. 4 177 30. 2 14 24 68. 0 166 26. 8 7 19 70. 0 169 27. 3 15 23 65. 7 172 27. 3 8 24 68. 3 181 26. 9 平均值 21. 7( ± 1. 8) 67. 1( ± 7. 2) 173. 4( ± 5. 0) 29. 0( ± 2. 1) 1. 2 试验过程 本试验所用的测量仪器是捆绑式心率监测仪 ( 图1) ( 型号: ＲS800CX; 制造商: Polar) ，心率变异测 量仪( 型号: DHD--6000，制造商: 东华原) ． 首先用 自来水对绑带的电极区域进行湿润处理，使电极导 电并增大与皮肤的摩擦系数，保证受试者在作业时 心率传感器稳定工作，同时调整心率传感器，使其恰 好处于胸部正前方位置，如图 1 所示． 其工作原理 是通过两片导电橡胶，侦测心脏跳动时所产生的微 量电差，然后通过无线信号传输到运动终端上，从而 · 167 ·
·762· 工程科学学报，第40卷，第6期 获得即时的心率信息.因为佩戴的位置与心脏最为 25 接近，同时心率带与皮肤表面进行了接触，所以胸挂 式心率带采集的数据具有相当的稳定性与可靠 20 性6-7 15 作业第三阶段 10-作业前 作业第二阶段 作业第一阶段 40 6080100120140 时间min 心率监测传感器 图34个阶段的疲劳状态随时间变化 Fig.3 Level of fatigue changes with time 受试者疲劳感随时间而增加：在任务的早期阶 图1正确心率仪佩戴姿势 段，疲劳感增长是缓慢的，随后进入一个相对平稳的 Fig.1 Correct method of wearing an HR belt 时期，而在作业后期疲劳明显加速增长，说明工作人 心率变异检测仪与光电容积描记(PPG)传感器 员很快进入疲劳状态 连接.心率变异性(HRV)分析交感与副交感神经调 生物节律又称为生物钟现象，是一种普遍存在 控心脏的相互作用，自动测量自主神经系统的活性， 于一切生物体内的自然规律四.日本熊本大学的 反映其交感和副交感神经的平衡能力.迷走神 佐佐木隆教授研究发现，心率在下午的4：00左右达 经被评估为一个决定性的工作压力影响因子，比较 到最高值.由于个体体质的差异性，每个人的心率 HRV和工作压力模式.高不平衡代表着高付出与 变化很大0.因此，直接使用个人的心率并无多大 低回报的联合.高度失衡同工作中的高心率工作时 意义.为了消除个体差异性，本文采用相对心率，即 和休闲时高的收缩血压，低的迷走神经有关系.积 工人工作时的心率与平静时心率的比值. 极的心情、负面的心情、需求、满意、需求一满意率同 H.=H/H (1) 整个工作日的HRV有关).HRV监测仪使用方法 式中，H,为相对心率，H为工人作业时的心率，H。为 如图2所示，每10min测一次血压.每1min记录一 工人在相同时刻平静时的心率 次心率，每30min进行一次HRV测量和问卷调查. 受试者在测量血压和心率变异时停止作业，疲 劳得到缓解，心率下降.因此，在数据处理中，剔除 HRV监测 这些时刻的心率值.从心率散点图可以看出，相对 心率随着作业时间的增加而逐渐增加.非线性拟合 PPG传感器 结果如图4所示 2.0 1.9 18 图2受试者心率变异监测 Fig.2 A worker wearing an HRV detector in an experimental scene 1.5 2 试验结果与分析 14 疲劳缓慢增加 ·疲劳快速增加 2.1试验结果 13 结合Brog疲芳评定量表和VOWAS疲劳评估 20 406080100120140160 时间min 方法，采用主观问卷评分法进行疲劳评定.选择手 图4拟合结果 指、手腕、前臂、上臂、肩部、腰部、大腿、膝盖、脚踝和 Fig.4 Fitting results 小腿进行评估，因为身体这10个部分最能反映 相对心率与时间的关系 建筑工人的疲劳状况.身体每部分得分1~9分，以 反映疲劳的程度，让受试者进行评分.15名受试者 f(t)=8.3198×10-t-1.32483×10-42+ 的疲劳评分取平均值，如图3所示. 0.018t+1.1358 (2)
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 获得即时的心率信息． 因为佩戴的位置与心脏最为 接近，同时心率带与皮肤表面进行了接触，所以胸挂 式心率带采集的数据具有相当的稳定性与可靠 性［16--17］． 图 1 正确心率仪佩戴姿势 Fig． 1 Correct method of wearing an HＲ belt 心率变异检测仪与光电容积描记( PPG) 传感器 连接． 心率变异性( HＲV) 分析交感与副交感神经调 控心脏的相互作用，自动测量自主神经系统的活性， 反映其交感和副交感神经的平衡能力［18］． 迷走神 经被评估为一个决定性的工作压力影响因子，比较 HＲV 和工作压力模式． 高不平衡代表着高付出与 低回报的联合． 高度失衡同工作中的高心率工作时 和休闲时高的收缩血压，低的迷走神经有关系． 积 极的心情、负面的心情、需求、满意、需求--满意率同 整个工作日的 HＲV 有关［17］． HＲV 监测仪使用方法 如图 2 所示，每 10 min 测一次血压． 每 1 min 记录一 次心率，每 30 min 进行一次 HＲV 测量和问卷调查． 图 2 受试者心率变异监测 Fig． 2 A worker wearing an HＲV detector in an experimental scene 2 试验结果与分析 2. 1 试验结果 结合 Brog 疲劳评定量表和 VOWAS 疲劳评估 方法，采用主观问卷评分法进行疲劳评定． 选择手 指、手腕、前臂、上臂、肩部、腰部、大腿、膝盖、脚踝和 小腿进行评估［14］，因为身体这 10 个部分最能反映 建筑工人的疲劳状况． 身体每部分得分 1 ～ 9 分，以 反映疲劳的程度，让受试者进行评分． 15 名受试者 的疲劳评分取平均值，如图 3 所示． 图 3 4 个阶段的疲劳状态随时间变化 Fig． 3 Level of fatigue changes with time 受试者疲劳感随时间而增加: 在任务的早期阶 段，疲劳感增长是缓慢的，随后进入一个相对平稳的 时期，而在作业后期疲劳明显加速增长，说明工作人 员很快进入疲劳状态． 生物节律又称为生物钟现象，是一种普遍存在 于一切生物体内的自然规律［19］． 日本熊本大学的 佐佐木隆教授研究发现，心率在下午的 4: 00 左右达 到最高值． 由于个体体质的差异性，每个人的心率 变化很大［20］． 因此，直接使用个人的心率并无多大 意义． 为了消除个体差异性，本文采用相对心率，即 工人工作时的心率与平静时心率的比值． Hr = Hw /Hc ( 1) 式中，Hr为相对心率，Hw为工人作业时的心率，Hc为 工人在相同时刻平静时的心率． 受试者在测量血压和心率变异时停止作业，疲 劳得到缓解，心率下降． 因此，在数据处理中，剔除 这些时刻的心率值． 从心率散点图可以看出，相对 心率随着作业时间的增加而逐渐增加． 非线性拟合 结果如图 4 所示． 图 4 拟合结果 Fig． 4 Fitting results 相对心率与时间的关系 f( t) ^ = 8. 3198 × 10 － 7 t 3 － 1. 32483 × 10 － 4 t 2 + 0. 018t + 1. 1358 ( 2) · 267 ·
徐明伟等：基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 ·763· 式中：t为工作时间，min;决定系数R2=0.8892. 促使与肌肉收缩相关的代谢物（如P、H)更快地 通过比较疲劳评分曲线（如图5），可以看出相 聚集，加速疲劳的发生和力的下降四 对心率曲线的变化趋势与主观问卷得分趋势基本保 2.0 持一致.因此，相对心率可以用来评估建筑工人的 1.9 生理疲劳状况. 1.8 每1.7 1.80 毫16 1.65 1.5 15 艺 1.4 接劳调整期一+疲劳稳定期←一疲劳失稳期 1.50 10 要 1.3 20 40 6080100120140160 1.35 时间min 图6生理疲劳发展过程 20 406080.10012014016d20 Fig.6 Physiological fatigue development process 时间min 图5相对心率曲线与疲劳评分曲线对比 根据疲劳代谢产物积累论)，代谢物质在任务 Fig.5 Comparison of fatigue curve and relative heart rate curve 持续期间不断产生和积累，使人体产生类似的中毒 2.2机体生理疲劳机理 作用，导致生理疲劳.从图6曲线上可以看出，生理 生理疲劳的发病机制是中枢内分泌系统失调的 疲劳可分为3个阶段：疲劳调整期、疲劳稳定期和疲 综合作用结果，其涉及神经一内分泌一免疫网络的 劳失稳期.在疲劳调整期间，相对心率随代谢物质 功能协调，并且其形成是从初始感受器经过脊髓、中 (如P、H+)的积累而增加.但增长速度缓慢，这是 枢神经、特定功能脑区、呼吸以及循环系统，最终到 由于机体自我调节能力的结果.随着工作时间持 达终端线粒体的一个周而复始的循环链式反应，每 续，代谢物质的积累速率和消耗速率达到动态平衡. 一个环节都可以影响到生理疲劳的发生和严重程 在此期间，相对心率相对稳定，身体进入稳定的疲劳 度四.生理疲劳在一定程度上可以在心率、血压、 期.随着新陈代谢物质的不断积累，这种生产和消 心血输出量、氧气消耗量等方面反应出来 耗的动态平衡被打破.相对心率迅速增加，机体迅 引起生理疲劳的原因如下， 速进入疲劳期.因此，建议劳动者在疲劳稳定期休 (1)作业强度大小是引起疲劳的主要因素，作 息，可以减缓疲劳 业强度大易引起疲劳，作业强度与作业内容和劳动 2.3疲劳对HRV影响 方式与关 采用单因素方差分析和单样本t检验，分析了 (2)作业速度.作业速度快，即使劳动强度不大 工作时间对受试者心理疲劳的影响，检验水准α设 的作业也很难持久.作业强度与速度配合不好容易 定0.O5.以HRV测试仪系统生成的疲劳指数作为 引起生理疲劳. 评分标准（如图7） (3)作业持续时间的长短.在一定作业强度下， 120 劳动时间与劳动量大小成正比.作业强度大时，能 110- 持续作业时间就短. 100- 本次试验在充分调研砌砖工人任务的基础上， 尔90 控制受试者砌砖速度约为每分钟30块砖，以便控制 80 工作人员作业速度，而作业选取的砖块为市面上常 70- 见的红机砖，每块质量约为4kg 60 在持续性运动过程中，血供和代谢底物的存储 45 90 135 作业时间/min 量也可能影响肌肉的表现.在运动中，增加血流量 图7平均精神疲劳指数（方差）随时间变化 以提供肌肉运动所需底物，排泄代谢物和散热.然 Fig.7 Change of mean (+SD)mental fatigue index with tim 而，肌肉收缩通常压缩血管从而减少对肌肉的血供， 等长收缩更加剧了缺血.一旦持续收缩，血供减少 单因素方差分析显示受试者的心理状态无明显 将降低氧供，并促发无氧代谢发生.血流的降低将 变化.受试者的精神疲劳指数没有明显差异（概率
徐明伟等: 基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 式中: t 为工作时间，min; 决定系数 Ｒ2 = 0. 8892． 通过比较疲劳评分曲线( 如图 5) ，可以看出相 对心率曲线的变化趋势与主观问卷得分趋势基本保 持一致． 因此，相对心率可以用来评估建筑工人的 生理疲劳状况． 图 5 相对心率曲线与疲劳评分曲线对比 Fig． 5 Comparison of fatigue curve and relative heart rate curve 2. 2 机体生理疲劳机理 生理疲劳的发病机制是中枢内分泌系统失调的 综合作用结果，其涉及神经—内分泌—免疫网络的 功能协调，并且其形成是从初始感受器经过脊髓、中 枢神经、特定功能脑区、呼吸以及循环系统，最终到 达终端线粒体的一个周而复始的循环链式反应，每 一个环节都可以影响到生理疲劳的发生和严重程 度［21］． 生理疲劳在一定程度上可以在心率、血压、 心血输出量、氧气消耗量等方面反应出来． 引起生理疲劳的原因如下， ( 1) 作业强度大小是引起疲劳的主要因素，作 业强度大易引起疲劳，作业强度与作业内容和劳动 方式与关． ( 2) 作业速度． 作业速度快，即使劳动强度不大 的作业也很难持久． 作业强度与速度配合不好容易 引起生理疲劳． ( 3) 作业持续时间的长短． 在一定作业强度下， 劳动时间与劳动量大小成正比． 作业强度大时，能 持续作业时间就短． 本次试验在充分调研砌砖工人任务的基础上， 控制受试者砌砖速度约为每分钟 30 块砖，以便控制 工作人员作业速度，而作业选取的砖块为市面上常 见的红机砖，每块质量约为 4 kg． 在持续性运动过程中，血供和代谢底物的存储 量也可能影响肌肉的表现． 在运动中，增加血流量 以提供肌肉运动所需底物，排泄代谢物和散热． 然 而，肌肉收缩通常压缩血管从而减少对肌肉的血供， 等长收缩更加剧了缺血． 一旦持续收缩，血供减少 将降低氧供，并促发无氧代谢发生． 血流的降低将 促使与肌肉收缩相关的代谢物( 如 Pi、H + ) 更快地 聚集，加速疲劳的发生和力的下降［21］． 图 6 生理疲劳发展过程 Fig． 6 Physiological fatigue development process 根据疲劳代谢产物积累论［21］，代谢物质在任务 持续期间不断产生和积累，使人体产生类似的中毒 作用，导致生理疲劳． 从图 6 曲线上可以看出，生理 疲劳可分为 3 个阶段: 疲劳调整期、疲劳稳定期和疲 劳失稳期． 在疲劳调整期间，相对心率随代谢物质 ( 如 Pi、H + ) 的积累而增加． 但增长速度缓慢，这是 由于机体自我调节能力的结果． 随着工作时间持 续，代谢物质的积累速率和消耗速率达到动态平衡． 在此期间，相对心率相对稳定，身体进入稳定的疲劳 期． 随着新陈代谢物质的不断积累，这种生产和消 耗的动态平衡被打破． 相对心率迅速增加，机体迅 速进入疲劳期． 因此，建议劳动者在疲劳稳定期休 息，可以减缓疲劳． 2. 3 疲劳对 HＲV 影响 采用单因素方差分析和单样本 t 检验，分析了 工作时间对受试者心理疲劳的影响，检验水准 α 设 定 0. 05． 以 HＲV 测试仪系统生成的疲劳指数作为 评分标准( 如图 7) ． 图 7 平均精神疲劳指数( 方差) 随时间变化 Fig． 7 Change of mean ( ± SD) mental fatigue index with time 单因素方差分析显示受试者的心理状态无明显 变化． 受试者的精神疲劳指数没有明显差异( 概率 · 367 ·
·764· 工程科学学报，第40卷，第6期 P>0.05),相反，精神状态有好转的趋势.砌砖的任 3结论 务主要涉及到的是生理（肌肉）的疲劳.体力劳动不 仅没有导致精神方面的疲劳，反而促进受试者的精 (1)模拟瓦工在作业并对由疲劳引起心率变化 神状态.根据单样本t检验，生理疲劳对精神疲劳 进行了研究，可以用相对心率评价生理疲劳 方面的影响并不显著(P>0.05).因此，综合分析 (2)受试者的心率回落至正常水平的速度随着 表明，这种砌砖任务对心理疲劳影响不大.由于受 任务时间的持续而降低，间歇时的平均相对心率随 试者是在校大学生，与真实的砌砖工人还有一定的 时间增加而增加 区别.猜想受试者平时学习任务重，偶尔进行体力 (3)用相对心率得到疲劳“S型”曲线.由此可 活动，是对平时精神压力的释放，即便是体力活动造 得，生理疲劳可分为3个阶段：疲劳调整期、疲劳稳 成了生理疲劳依然没有导致精神疲劳. 定期和疲劳失稳期.为了避免或延缓疲劳失稳期的 2.4疲劳对心率恢复水平影响 出现，建议工人在疲劳稳定期内获得适当的休息 受试者在测试心率变异性和其他指标过程是处 可提高劳动效率和减少工作有关的肌肉骨骼疾病 在短暂休息的一个过程，此间歇期受试者心率下降 (VMSDs)的发生. 因此，提取该时期的相对心率，采用t检验，对该阶 段的相对心率变化情况进行分析，其结果如图8所 参考文献 示.（检验水准a设定为0.05） 1]Fang D P,JiangZ M,Zhang MZ,et al.An experimental method to study the effect of fatigue on construction workers'safety per- 1.5 formance.Saf Sci,2015,73:80 Bauer C M,Rast F M,Ernst M J,et al.The effect of muscle fa- tigue and low back pain on lumbar movement variability and com- plexity.J Electromyogr Kinesiol,2017,33:94 B] Monjo F,Forestier N.The postural control can be optimized by the first movement initiation condition encountered when submitted to muscle fatigue.Human Move Sci,2017,54:1 6 饰代 [4] De Vries J,Michielsen HJ,Van Heck GL.Assessment of fatigue among working people:a comparison of six questionnaires.Occup 1.0 8.0 04080120160 Environ Med,2003,60:i10 时间mia [5] Holmstrom E B,Lindell J,Moritz U.Low back and neck/shoul- 45 90 135 时间/min der pain in construction workers:occupational workload and psy- chosocial risk factors.Part 2:Relationship to neck and shoulder 图8间歇期相对心率随工作时长的变化(*表示与前任务期相 比此阶段相对心率变化值有显著性变化，P<0.05) pain.Spine,1992,17(6):672 [6] Fig.8 Changes of relative heart rate at interval with working time(* Godwin A,Eger T,Salmoni A,et al.Postural implications of ob- Indicates significant change compared to that before the task period,P taining linefsight for seated operators of underground mining <0.05) load-haul-dump vehicles.Ergonomics,2007,50(2):192 ] Lucini D,Marchetti I,Spataro A,et al.Heart rate variability to 从图中可以明显看出，在整个任务期间，平均相 monitor performance in elite athletes:criticalities and avoidable pitfalls.Int J Cardiol,2017,240:307 对心率在间歇期逐渐增加，这是由于随着生理疲劳 8] Nath N D,Akhavian R,Behzadan A H.Ergonomic analysis of 程度的增加，疲劳引起的物质积累需要通过快速的 construction worker's body postures using wearable mobile sensors. 心脏跳动，促进血液流动速度，加速疲劳物质的运输 4 ppl Ergon,2017,62:107 吸收，这是身体本能的调节机制.随着任务的继续， 9] Harcombe H,Herbison G P,MeBride D,et al.Musculoskeletal 经1检验得知，在疲劳时期心率的波动与任务前相 disorders among nurses compared with two other occupational groups..0 ccup Med,2014,64(8）:601 比有了显著的增加(P<0.05).表明，随着生理疲 [10]Li Y J,Yan H,Yang X L,et al.Study of mental fatigue based 劳程度的增加，心率需要更长的时间才能恢复到正 on heart rate variability.Chin J Biomed Eng,2010,29(1):1 常水平 (李延军，严洪，杨向林，等.基于心率变异性的精神疲劳的 本研究为利用心率评价生理性疲劳提供了理论 研究.中国生物医学工程学报，2010,29(1)：1) 01 支持.由于人体的复杂性，影响心率变化的因素很 Tak S W,Buchholz B,Punnett L,et al.Physical ergonomic hazards in highway tunnel construction:overview from the con- 多，本研究仍有一定的局限性.在以后的研究中，试 struction occupational health program.Appl Ergon,2011,42 验可以扩展，本研究可作为今后深入试验的基础. (5):665
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 P ＞ 0. 05) ，相反，精神状态有好转的趋势． 砌砖的任 务主要涉及到的是生理( 肌肉) 的疲劳． 体力劳动不 仅没有导致精神方面的疲劳，反而促进受试者的精 神状态． 根据单样本 t 检验，生理疲劳对精神疲劳 方面的影响并不显著( P ＞ 0. 05) ． 因此，综合分析 表明，这种砌砖任务对心理疲劳影响不大． 由于受 试者是在校大学生，与真实的砌砖工人还有一定的 区别． 猜想受试者平时学习任务重，偶尔进行体力 活动，是对平时精神压力的释放，即便是体力活动造 成了生理疲劳依然没有导致精神疲劳． 2. 4 疲劳对心率恢复水平影响 受试者在测试心率变异性和其他指标过程是处 在短暂休息的一个过程，此间歇期受试者心率下降． 因此，提取该时期的相对心率，采用 t 检验，对该阶 段的相对心率变化情况进行分析，其结果如图 8 所 示． ( 检验水准 α 设定为 0. 05) ． 图 8 间歇期相对心率随工作时长的变化( * 表示与前任务期相 比此阶段相对心率变化值有显著性变化，P ＜ 0. 05) Fig． 8 Changes of relative heart rate at interval with working time( * Indicates significant change compared to that before the task period，P ＜ 0. 05) 从图中可以明显看出，在整个任务期间，平均相 对心率在间歇期逐渐增加，这是由于随着生理疲劳 程度的增加，疲劳引起的物质积累需要通过快速的 心脏跳动，促进血液流动速度，加速疲劳物质的运输 吸收，这是身体本能的调节机制． 随着任务的继续， 经 t 检验得知，在疲劳时期心率的波动与任务前相 比有了显著的增加( P ＜ 0. 05) ． 表明，随着生理疲 劳程度的增加，心率需要更长的时间才能恢复到正 常水平． 本研究为利用心率评价生理性疲劳提供了理论 支持． 由于人体的复杂性，影响心率变化的因素很 多，本研究仍有一定的局限性． 在以后的研究中，试 验可以扩展，本研究可作为今后深入试验的基础． 3 结论 ( 1) 模拟瓦工在作业并对由疲劳引起心率变化 进行了研究，可以用相对心率评价生理疲劳． ( 2) 受试者的心率回落至正常水平的速度随着 任务时间的持续而降低，间歇时的平均相对心率随 时间增加而增加． ( 3) 用相对心率得到疲劳“S 型”曲线． 由此可 得，生理疲劳可分为 3 个阶段: 疲劳调整期、疲劳稳 定期和疲劳失稳期． 为了避免或延缓疲劳失稳期的 出现，建议工人在疲劳稳定期内获得适当的休息． 可提高劳动效率和减少工作有关的肌肉骨骼疾病 ( WMSDs) 的发生． 参 考 文 献 ［1］ Fang D P，Jiang Z M，Zhang M Z，et al． An experimental method to study the effect of fatigue on construction workers’safety performance． Saf Sci，2015，73: 80 ［2］ Bauer C M，Ｒast F M，Ernst M J，et al． The effect of muscle fatigue and low back pain on lumbar movement variability and complexity． J Electromyogr Kinesiol，2017，33: 94 ［3］ Monjo F，Forestier N． The postural control can be optimized by the first movement initiation condition encountered when submitted to muscle fatigue． Human Move Sci，2017，54: 1 ［4］ De Vries J，Michielsen H J，Van Heck G L． Assessment of fatigue among working people: a comparison of six questionnaires． Occup Environ Med，2003，60: i10 ［5］ Holmstrm E B，Lindell J，Moritz U． Low back and neck / shoulder pain in construction workers: occupational workload and psychosocial risk factors． Part 2: Ｒelationship to neck and shoulder pain． Spine，1992，17( 6) : 672 ［6］ Godwin A，Eger T，Salmoni A，et al． Postural implications of obtaining line-of-sight for seated operators of underground mining load-haul-dump vehicles． Ergonomics，2007，50( 2) : 192 ［7］ Lucini D，Marchetti I，Spataro A，et al． Heart rate variability to monitor performance in elite athletes: criticalities and avoidable pitfalls． Int J Cardiol，2017，240: 307 ［8］ Nath N D，Akhavian Ｒ，Behzadan A H． Ergonomic analysis of construction worker's body postures using wearable mobile sensors． Appl Ergon，2017，62: 107 ［9］ Harcombe H，Herbison G P，McBride D，et al． Musculoskeletal disorders among nurses compared with two other occupational groups． Occup Med，2014，64( 8) : 601 ［10］ Li Y J，Yan H，Yang X L，et al． Study of mental fatigue based on heart rate variability． Chin J Biomed Eng，2010，29( 1) : 1 ( 李延军，严洪，杨向林，等． 基于心率变异性的精神疲劳的 研究． 中国生物医学工程学报，2010，29( 1) : 1) ［11］ Tak S W，Buchholz B，Punnett L，et al． Physical ergonomic hazards in highway tunnel construction: overview from the construction occupational health program． Appl Ergon，2011，42 ( 5) : 665 · 467 ·
徐明伟等：基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 ·765· [12]Dai W T,Zhao X R,Zou Z F,et al.Analysis of working pos- sors and their placements for analyzing construction worker's tures and exertions in construction industry by OWAS method. trunk posture in laboratory conditions.Appl Ergon,2017,65: 0 ccup Health,2014,30(1):36 424 (戴文涛，赵晓蓉，邹志方，等.某地男性建筑工人作业姿势 [18]Thayer JF,Yamamoto SS,Brosschot J F.The relationship of 与用力度的V0WAS分析.职业与健康，2014,30(1)：36) autonomic imbalance,heart rate variability and cardiovascular [13]Nadadur G,Raschke U,Parkinson M B.A quantile-based an- disease risk factors.Int J Cardiol,2010,141 (2):122 thropometry synthesis technique for global user populations.IntJ [19]Cai Q M.Study on methods of evaluating physical fatigue accord- Ind Ergon,2016,53:167 ing to dynamic heart rate.Chin Ergon,1999,5(1):27 [14]Giles D,Draper N.Neil W.Validity of the polar V800 heart rate (蔡启明.以动态心率为指标的体力疲劳的评价方法研究 monitor to measure RR intervals at rest.Eur J Appl Physiol, 人类工效学，1999,5(1)：27) 2016,116(3):563 [20]Duan T H,Li X G,Li N L,et al.Experimental design of physi- [15]Liao B.Gao H.Chen N.Methods for classifying intensity of cal strength evaluation based on relatively integrated heart rate physical labor based on relative heart rate.I Saf Sci Technol, Res Explor Lab,2014,33(8):29 2013,9(4):166 (段天宏，李贤功，李乃梁，等.基于相对综合心率的体力劳 (廖斌，高慧，陈泞.基于相对心率的体力劳动强度评价方 动强度评价试验设计.试验室研究与探索，2014,33(8)： 法.中国安全生产科学技术，2013,9(4)：166) 29) [16]Kleiger RE,Stein PK,Bigger JT.Heart rate variability:meas- 21]Cai B,Dai K R.Evaluation on central and peripheral origin of urement and clinical utility.Ann Noninvasive Electrocardiol, muscle fatigue.J Med Biomech,2015,30(2):192 2005,10(1):88 (蔡斌，戴尅戎.评估肌肉疲劳的中枢和外周起源.医用生 [17]Lee W,Seto E,Lin K Y,et al.An evaluation of wearable sen- 物力学，2015,30(2)：192)
徐明伟等: 基于心率监测的建筑工人生理疲劳分析 ［12］ Dai W T，Zhao X Ｒ，Zou Z F，et al． Analysis of working postures and exertions in construction industry by OWAS method． Occup Health，2014，30( 1) : 36 ( 戴文涛，赵晓蓉，邹志方，等． 某地男性建筑工人作业姿势 与用力度的 VOWAS 分析． 职业与健康，2014，30( 1) : 36) ［13］ Nadadur G，Ｒaschke U，Parkinson M B． A quantile-based anthropometry synthesis technique for global user populations． Int J Ind Ergon，2016，53: 167 ［14］ Giles D，Draper N，Neil W． Validity of the polar V800 heart rate monitor to measure ＲＲ intervals at rest． Eur J Appl Physiol， 2016，116( 3) : 563 ［15］ Liao B，Gao H，Chen N． Methods for classifying intensity of physical labor based on relative heart rate． J Saf Sci Technol， 2013，9( 4) : 166 ( 廖斌，高慧，陈泞． 基于相对心率的体力劳动强度评价方 法． 中国安全生产科学技术，2013，9( 4) : 166) ［16］ Kleiger Ｒ E，Stein P K，Bigger J T． Heart rate variability: measurement and clinical utility． Ann Noninvasive Electrocardiol， 2005，10( 1) : 88 ［17］ Lee W，Seto E，Lin K Y，et al． An evaluation of wearable sensors and their placements for analyzing construction worker's trunk posture in laboratory conditions． Appl Ergon，2017，65: 424 ［18］ Thayer J F，Yamamoto S S，Brosschot J F． The relationship of autonomic imbalance，heart rate variability and cardiovascular disease risk factors． Int J Cardiol，2010，141( 2) : 122 ［19］ Cai Q M． Study on methods of evaluating physical fatigue according to dynamic heart rate． Chin Ergon，1999，5( 1) : 27 ( 蔡启明． 以动态心率为指标的体力疲劳的评价方法研究． 人类工效学，1999，5( 1) : 27) ［20］ Duan T H，Li X G，Li N L，et al． Experimental design of physical strength evaluation based on relatively integrated heart rate． Ｒes Explor Lab，2014，33( 8) : 29 ( 段天宏，李贤功，李乃梁，等． 基于相对综合心率的体力劳 动强度评价试验设计． 试验室研究与探索，2014，33 ( 8) : 29) ［21］ Cai B，Dai K Ｒ． Evaluation on central and peripheral origin of muscle fatigue． J Med Biomech，2015，30( 2) : 192 ( 蔡斌，戴尅戎． 评估肌肉疲劳的中枢和外周起源． 医用生 物力学，2015，30( 2) : 192) · 567 ·