陳仲瀚 楊鐵濱 覃子健 林金山 李星樂

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

林業(yè)調(diào)查、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與消防等工作都需要在森林等自然環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間徒步行走以完成任務(wù)。除消防戰(zhàn)士經(jīng)過身體素質(zhì)選拔外，其余的林業(yè)工作人員則不需要經(jīng)過身體素質(zhì)檢測(cè)和體能培訓(xùn)。不論上述哪種情況，都需要評(píng)估工作者的徒步工作能力從而確定合理的工作任務(wù)。因此，根據(jù)個(gè)人身體素質(zhì)、林業(yè)工作要求和環(huán)境特點(diǎn)等因素估算林業(yè)工作者徒步工作能力，對(duì)科學(xué)地制定林業(yè)工作計(jì)劃和工作組織具有重要的意義。

體力作業(yè)能力隨作業(yè)時(shí)間的增長(zhǎng)下降得非常迅速[1]。美國國家職業(yè)安全和健康研究所(NIOSH)聲明，工作者不應(yīng)以最大有氧能力的33%水平持續(xù)工作8 h以上。如果作業(yè)的能量需要超出個(gè)人有氧能力極限的30%～40%，則在8 h工作期間或結(jié)束時(shí)有全身疲勞的感覺。在工作輪班內(nèi),作業(yè)的耗氧量為有氧能力極限(VO2max)的30%時(shí)的體力負(fù)荷為最佳。從長(zhǎng)期考慮，工作班次內(nèi)的耗氧量超過最大氧耗的50%時(shí)會(huì)影響工作者的健康[2]。

1 估算體力工作能力的方法

在工作生理學(xué)和工效學(xué)研究中，耗氧量和心率經(jīng)常用來計(jì)量體力作業(yè)的工作負(fù)荷，此外還有血壓、每分通氣量以及主觀測(cè)量。

耗氧量與能耗之間的線性關(guān)系為每消耗一升氧約釋放4.8 kcal左右的能量。通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)呼出空氣量和呼出空氣中的氧比例與吸入空氣中的氧比例間的差值能夠準(zhǔn)確確定耗氧量(VO2)[2]。VO2是目前體力工作負(fù)荷評(píng)估的金標(biāo)準(zhǔn)[1],但在實(shí)際工作中測(cè)量VO2有困難。在直接測(cè)量VO2的過程中，被試者需要佩戴面罩、口具、通氣管和空氣閥等設(shè)備，這些設(shè)備將對(duì)被試者的工作造成呼吸障礙等影響，因此建立耗氧量和體力工作負(fù)荷之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)只能在跑步機(jī)等專用設(shè)備上完成，很難進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。

血壓測(cè)定需要被試者停止工作進(jìn)行測(cè)量，所以往往用于靜態(tài)姿勢(shì)作業(yè)工作負(fù)荷的測(cè)量，每分通氣量經(jīng)常與耗氧量一同測(cè)量，并作為情緒應(yīng)激的指標(biāo)。工作負(fù)荷的主觀評(píng)定采用體力消耗的主觀評(píng)價(jià)(Borg RPE)量表，主觀量表測(cè)量雖然簡(jiǎn)單方便，但容易受工作滿意度、動(dòng)機(jī)等情緒性因素的影響，所以科研人員經(jīng)常將主觀評(píng)定和生理測(cè)量方法結(jié)合起來測(cè)量體力工作負(fù)荷[2]。

在以往的研究中，心率受情緒、飲食、工作姿勢(shì)、個(gè)體差異和熱負(fù)荷等因素的影響，所以在評(píng)價(jià)能耗指標(biāo)時(shí)心率不如耗氧量可靠[3]。但隨著可穿戴傳感器的發(fā)展，心率的測(cè)量和監(jiān)測(cè)變得非常容易，且不會(huì)影響工作者的工作。研究表明，在特定的工作條件下(比如林業(yè)作業(yè))，心率和耗氧量成線性相關(guān)。這樣通過測(cè)量工作心率就能夠?qū)α謽I(yè)工作者工作中的VO2做出相當(dāng)準(zhǔn)確的估計(jì)[4]。由于心率和耗氧量間的關(guān)系存在個(gè)體差異，傳統(tǒng)的估測(cè)方法是在進(jìn)行工作負(fù)荷的估計(jì)之前對(duì)每一個(gè)工作者的心率-耗氧量關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，再用工作中的實(shí)際心率數(shù)據(jù)通過標(biāo)定模型估計(jì)能耗率。但在實(shí)際的林業(yè)工作中，研究者期望應(yīng)用可穿戴式傳感器建立一種更直接的、不需要標(biāo)定的心率-工作能力估測(cè)方法，從而更安全而經(jīng)濟(jì)地計(jì)劃、安排各種林業(yè)作業(yè)工作量。

2 心率-耗氧量關(guān)系

使用心率，同時(shí)又不需要標(biāo)定特定工作者個(gè)人心率-耗氧量關(guān)系的工作能力估測(cè)方法主要有兩種。一種是ISO 8996—2004提供的估算方法[5]，另一種是Ueno提供的模型[4]。

2.1 ISO 8996—2004的公式法

這種方法不用標(biāo)定個(gè)人的工作代謝率(WM-HR)關(guān)系，但需要測(cè)定心率的熱成分。根據(jù)ISO 8996—2004提供的方法，工作代謝率WMISOForm為：

(1)

其中：MwcISO=(41.7-0.22×Age)×Weight0.666

(2)

Age為年齡，Weight為體重(kg)

最大心率：HRmax=205-0.62×Age

(3)

靜息代謝率：Mrest=55(Watts·m-2)

HRrest為被試者的靜息心率；HRWM為被試者工作中的1分鐘平均心率，HRcorr為修正心率。使用這種方法計(jì)算工作代謝率時(shí)，需要使用修正心率(HRcorr)代替實(shí)測(cè)的工作心率(HRWM)，即從工作心率中扣除心率的熱成分，否則將造成對(duì)工作代謝率的過高估計(jì)[6]。心率中的熱成分為從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入靜息狀態(tài)4分鐘后的心率與靜息心率的差值。成年人心率熱成分的平均值為21b mp。

2.2 Ueno模型

如果既不能標(biāo)定個(gè)人的WM-HR關(guān)系，也不能測(cè)定心率的熱成分時(shí)，可以使用Ueno提供的模型。Ueno的模型分2種情況。

(1)對(duì)年輕人(年齡小于22.9 a)，工作代謝率WMUENO為：

WMUENO=-0.32×Temperature+2.43×Weight-1.49×Body fat%+403×HRres-44.9

(4)

(2)對(duì)年長(zhǎng)者(年齡大于61.7 a)，工作代謝率WMUENO為：

WMUENO=1.76×Temperature+0.54×Weight-0.99×Body fat%+330×HRres-10.2

(5)

(6)

心率儲(chǔ)備率：HRres(%)=100×(HRWM-HRrest)/(HRmax-HRrest)

(7)

最大心率：HRMAX=220-Age

(8)

年齡在22.9～61.7 a的工作者，采用公式(4)和公式(5)的插值進(jìn)行計(jì)算。

2.3 單位轉(zhuǎn)換

以上2種方法計(jì)算得到的工作代謝率的單位均為Watts·M-2，當(dāng)與有氧能力比較時(shí)還需轉(zhuǎn)換為ml·kg-1·min-1。其轉(zhuǎn)換公式為：

WM(ml·kg-1·min-1)=

(9)

其中體表面積：

Ab(m2)=0.007 184×Weight0.425×Height0.725

(10)

2.4 有氧能力極限(VO2max)的估算

有氧能力極限與年齡、性別、體質(zhì)和生活習(xí)慣等因素有關(guān)。對(duì)于40 a以上、不吸煙、身體正常的男性工作者，其有氧能力極限可以用最大心率與靜息心率的比值乘以一個(gè)系數(shù)估算。例如對(duì)于50 a不吸煙、身體健康的男性工作者，這個(gè)系數(shù)為12。對(duì)于18～40 a身體健康的男性工作者，確定這個(gè)系數(shù)可以參考Pat等的研究[7-8]。從工作者身體健康和勞動(dòng)安全的角度考慮，工作強(qiáng)度水平在有氧能力極限的30%為最佳，應(yīng)控制在30%～40%，50%以上會(huì)對(duì)健康不利。

3 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算實(shí)例

為檢驗(yàn)上述方法的可行性和有效性，對(duì)2名身體健康的男性受試者進(jìn)行徒步負(fù)重實(shí)驗(yàn)，用ISO 8996—2004和Ueno模型進(jìn)行試算。

3.1 ISO 8996—2004模型實(shí)例

實(shí)驗(yàn)者1年齡50 a，體質(zhì)量67.5 kg，身高171 cm，靜息心率68 bmp。實(shí)驗(yàn)條件和計(jì)算方法為：步行速度5 km/h，負(fù)重20 kg，溫濕度適宜的環(huán)境，步行15min；心率測(cè)量設(shè)備為Honor 6手環(huán)，采用ISO 8996—2004的公式法進(jìn)行計(jì)算。實(shí)測(cè)其工作心率為120 bmp，心率的熱成分(ΔHRT)為22 bmp，計(jì)算步驟與結(jié)果見表1。

表1 ISO 8996—2004模型計(jì)算步驟與結(jié)果

3.2 Ueno模型實(shí)例

實(shí)驗(yàn)者2年齡21 a，在校大學(xué)生，體質(zhì)量55 kg，身高173 cm，靜息心率80 bmp。實(shí)驗(yàn)條件和計(jì)算方法為：步行速度5 km/h，負(fù)重20 kg，環(huán)境溫度18 ℃，濕度適宜的環(huán)境，步行15 min；心率測(cè)量設(shè)備為Honor 6手環(huán)，采用Ueno模型進(jìn)行計(jì)算。實(shí)測(cè)其工作心率120 bmp，計(jì)算步驟與結(jié)果見表2。

表2 Ueno模型計(jì)算步驟與結(jié)果

4 分析與討論

實(shí)驗(yàn)者1～50 a的中年男性，經(jīng)常從事步行活動(dòng)，對(duì)負(fù)重步行的耐受能力較強(qiáng)，其計(jì)算得到的有氧能力百分比為46.14%，根據(jù)有氧能力百分比與工作時(shí)間的關(guān)系函數(shù)[1，3]，其可持續(xù)的工作時(shí)間約為3 h。實(shí)驗(yàn)者2為青年學(xué)生，不經(jīng)常從事負(fù)重徒步活動(dòng)，靜息心率較高，其計(jì)算得到的有氧能力百分比為55.15%，此條件下可持續(xù)的工作時(shí)間約為2 h。計(jì)算結(jié)果表明，被試者不應(yīng)在此條件下長(zhǎng)期工作。若要提高工作持續(xù)時(shí)間應(yīng)減輕負(fù)重或降低步行速度。2名被試者實(shí)驗(yàn)后的10分體力消耗主觀評(píng)價(jià)量表評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)都為5，即不太困難,但呼吸變得沉重。主客觀的分析結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了上述估算模型的有效性，為林業(yè)徒步工作者工作能力估算提供了具有實(shí)踐意義的參考方法。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明2種模型都適合林業(yè)工作者徒步工作能力的估算，在能夠測(cè)定心率的熱成分的條件下，應(yīng)用ISO 8996—2004提供的方法較為準(zhǔn)確。在不能測(cè)定心率的熱成分時(shí)，可以使用Ueno提供的模型。這2種方法不用標(biāo)定工作者個(gè)人的工作代謝率與心率的關(guān)系，方法簡(jiǎn)便易行。

為增加徒步能力估算的可靠性，后續(xù)的研究應(yīng)增加受試者樣本量，擴(kuò)大受試者身體特征范圍，建立不同條件下的林業(yè)實(shí)際工作環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，為提高林業(yè)工作者的徒步工作能力，應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)負(fù)重方式和負(fù)重裝備的研究，以提高工作人員的工作能力，降低職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)。