鄭國(guó)忠, 李康, 岳旭輝, 衛(wèi)常青

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院, 保定 071003)

熱應(yīng)激是人體對(duì)高溫環(huán)境的一種非特異性生理反應(yīng)。隨著工業(yè)化的深入、人口的增長(zhǎng)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(shí)間也在不斷增加[1-2]。在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作,人體的熱應(yīng)激水平顯著增加。為了維持體內(nèi)熱平衡,人體通過(guò)增加出汗量和擴(kuò)張皮膚血管等方式加速散熱。然而,當(dāng)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量沒(méi)有及時(shí)排出,人體核心溫度升高。一旦環(huán)境的熱負(fù)荷超過(guò)人體熱調(diào)節(jié)機(jī)制的極限,人體熱平衡將會(huì)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(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)相對(duì)較弱[5],容易受到高溫天氣的不良影響。因此,準(zhǔn)確評(píng)估高溫環(huán)境下環(huán)衛(wèi)工人的熱應(yīng)激水平非常重要。

人體熱應(yīng)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(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括熱應(yīng)力指數(shù)、濕球溫度、干球溫度以及操作溫度[6-9]。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)確定環(huán)境參數(shù)的危險(xiǎn)等級(jí),粗略地評(píng)估人體熱應(yīng)激水平。然而,當(dāng)人體暴露在高溫環(huán)境中,人體的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)提高自身熱耐受性,以維持相對(duì)的生理安全[10]。因此,單純依賴環(huán)境參數(shù)判斷人體熱應(yīng)激水平是片面的,有必要將生理參數(shù)納入人體熱應(yīng)激的研究中。

近年來(lái),基于生理參數(shù)的熱應(yīng)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(yīng)激指數(shù)(physiological strain index, PSI),該指數(shù)能夠有效評(píng)估不同高溫環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度下的人體熱應(yīng)激水平。然而,鄭國(guó)忠[12]指出PSI指標(biāo)中生理參數(shù)的權(quán)重缺乏生理意義,并采用導(dǎo)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(yù)測(cè)熱應(yīng)激(predictive heat strain, PHS)模型,以預(yù)測(cè)每分鐘的直腸溫度和出汗率。為了提高PHS模型的預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(píng)價(jià)模型。Xu等[16]提出基于人體蒸發(fā)阻力和代謝率的經(jīng)驗(yàn)溫度調(diào)節(jié)模型以預(yù)測(cè)人體核心溫度和耐熱時(shí)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(yīng)力分類指標(biāo)以預(yù)測(cè)高溫天氣下的人體熱應(yīng)激水平,該指標(biāo)通過(guò)主成分法確定生理指標(biāo)的權(quán)重,但各指標(biāo)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(guò)程量,在實(shí)際工作場(chǎng)所測(cè)量不方便;二是生理指標(biāo)權(quán)重通常是固定不變的,且評(píng)估結(jié)果的精確性取決于生理指標(biāo)的具體權(quán)重值;三是大部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)是基于普通人建立的,對(duì)于環(huán)衛(wèi)工人的熱應(yīng)激研究較少。

鑒于此,現(xiàn)選擇高溫作業(yè)環(huán)境下容易測(cè)量的平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率作為生理指標(biāo)。其次,采用信息熵法和變權(quán)理論確定生理指標(biāo)的相對(duì)重要性,并通過(guò)尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法建立生理狀態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)(physiological state safety evaluation index, PSEI)。最后,對(duì)PSEI的安全等級(jí)進(jìn)行分類,并通過(guò)PSI驗(yàn)證PSEI的有效性,以期為環(huán)衛(wèi)工人提供實(shí)時(shí)的生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

研究選擇河北保定21位環(huán)衛(wèi)工人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2021年7月和8月的晴天,共17個(gè)實(shí)驗(yàn)日。實(shí)驗(yàn)期間,受試者穿著短袖、寬松長(zhǎng)褲、襪子和運(yùn)動(dòng)鞋。所有受試者需要簽署知情同意書(shū)。受試者的基本測(cè)量信息如表1所示。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)濕度。

平均皮膚溫度通過(guò)測(cè)量胸部溫度、上臂溫度、大腿溫度和小腿溫度計(jì)算。其中,胸部、上臂、大腿和小腿的具體測(cè)量點(diǎn)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(jì)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(cè)量耳膜溫度時(shí),將受試者的右耳向右上拉,并將紅外溫度計(jì)的探針盡量插入右耳直至貼緊為止。測(cè)量血壓和心率時(shí),將血壓計(jì)袖帶放置在受試者左臂肘關(guān)節(jié)上方2～3 cm處。

在測(cè)量受試者生理參數(shù)時(shí),同時(shí)測(cè)量受試者附近的環(huán)境參數(shù)。研究需要測(cè)量的參數(shù)及其相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

表2 測(cè)量參數(shù)和實(shí)驗(yàn)儀器Table 2 Measurement parameters and instruments

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

環(huán)衛(wèi)工人正常工作時(shí)間為05:30—17:30,其中11:00—13:00是休息時(shí)間。為避免影響受試者的正常工作和休息,實(shí)驗(yàn)人員分別在每個(gè)實(shí)驗(yàn)日的07:00、09:00、14:00和16:00進(jìn)行4次環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的測(cè)量。具體的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。由于環(huán)衛(wèi)工人的工作地點(diǎn)是流動(dòng)的,有些受試者的生理參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)存在缺失,實(shí)驗(yàn)共獲得1 297組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

①為開(kāi)始工作;②為測(cè)量生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù);③為停止工作圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental procedure

2 改進(jìn)的尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法

2.1 尖點(diǎn)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(xué)理論[19],主要用于研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)展過(guò)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(dāng)控制變量數(shù)為2時(shí),形成最常見(jiàn)的尖點(diǎn)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(diǎn);n1為平滑區(qū)域的最終狀態(tài)點(diǎn);m2為上穩(wěn)定區(qū)域的狀態(tài)點(diǎn);n2為下穩(wěn)定區(qū)域的狀態(tài)點(diǎn);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(diǎn)突變模型Fig.3 Cusp catastrophe model of human physiological state

在尖點(diǎn)突變模型中,勢(shì)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(duì)關(guān)系和相對(duì)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(diǎn)集合成一個(gè)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(jì)算方便,需要將取值范圍限制在0～1。因此,需要對(duì)分叉集方程歸一化處理。最終得到尖點(diǎn)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(dá)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(dá)區(qū)域代表系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生突變的區(qū)域,下穩(wěn)定區(qū)域表示危險(xiǎn)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(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)變量的連續(xù)改變,系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生突變。如果控制變量經(jīng)過(guò)不可到達(dá)區(qū)域,系統(tǒng)的狀態(tài)變量將會(huì)突然變化[21]。

2.2 人體生理狀態(tài)的突變機(jī)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(dāng)環(huán)衛(wèi)工人長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下時(shí),身體的產(chǎn)熱量增加。為了釋放體內(nèi)多余的熱量,心臟會(huì)加快跳動(dòng),血液循環(huán)將熱量迅速轉(zhuǎn)移到皮膚表面。此時(shí),血管擴(kuò)張,皮膚表面的血流量增加,皮膚表面溫度升高。當(dāng)體內(nèi)多余的熱量不能及時(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)以評(píng)估在高溫環(huán)境下的人體熱應(yīng)激水平。

持續(xù)的高溫會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生累積和突變的生理應(yīng)激作用。當(dāng)累積效應(yīng)超過(guò)身體熱調(diào)節(jié)的極限時(shí),人體生理狀態(tài)會(huì)從安全狀態(tài)突變?yōu)槲ｋU(xiǎn)狀態(tài)[23-24]。尖點(diǎn)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(duì)高溫環(huán)境下人體生理狀態(tài)的變化進(jìn)行分析。根據(jù)人體生理狀態(tài)的變化軌跡是否經(jīng)過(guò)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(guò)分叉集。在人體熱負(fù)荷較低的情況,體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)高溫環(huán)境,確保人體相對(duì)安全。此時(shí),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(huì)發(fā)生突變,人體保持在相對(duì)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(guò)分叉集。當(dāng)人體熱負(fù)荷較高時(shí),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(shí),人體通過(guò)血管擴(kuò)張和加速血液循環(huán)的方式增強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間承受熱應(yīng)激,身體的熱調(diào)節(jié)功能到達(dá)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(guò)采取緊急避暑措施,生理狀態(tài)可以從危險(xiǎn)狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)。

2.3 尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法

尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法是尖點(diǎn)突變理論在評(píng)價(jià)領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一[25]。該方法通過(guò)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(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。相比于傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法,尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法只需要考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性,無(wú)需確定指標(biāo)的具體權(quán)重值,從而降低指標(biāo)權(quán)重值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。近年來(lái),尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法在多個(gè)領(lǐng)域的評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用。王雪冬等[26]利用尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法對(duì)吉林省的10條泥石流易損度進(jìn)行評(píng)價(jià)。Chen等[27]利用尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法評(píng)價(jià)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(diǎn)突變模型的鐵路系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)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(wèn)題。將尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法引入高溫環(huán)境人體生理狀態(tài)安全評(píng)價(jià)中。

尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法具體的計(jì)算步驟如下。

步驟1根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度和隸屬關(guān)系,建立如圖4所示的尖點(diǎn)突變?cè)u(píng)價(jià)模型。定義評(píng)價(jià)對(duì)象安全狀態(tài)水平為x,其中一級(jí)指標(biāo)為xi= {x1,x2},二級(jí)指標(biāo)為xij= {x11,x12,x21,x22}。一級(jí)指標(biāo)xi的重要程度隨i增大而降低,二級(jí)指標(biāo)xij的重要程度隨著j增大而降低。

圖4 尖點(diǎn)突變?cè)u(píng)價(jià)模型Fig.4 Cusp catastrophe evaluation model

步驟2原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(8)

步驟3計(jì)算各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)值z(mì)ij。

(9)

步驟4根據(jù)尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法的“互補(bǔ)”和“非互補(bǔ)”準(zhǔn)則,計(jì)算一級(jí)指標(biāo)xi的尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)值z(mì)i,i=1, 2。

若指標(biāo)xi1和xi2之間構(gòu)成“非互補(bǔ)”準(zhǔn)則,則

(10)

若指標(biāo)xi1和xi2之間構(gòu)成“互補(bǔ)”準(zhǔn)則,則

(11)

步驟5到上一層時(shí),將一級(jí)指標(biāo)xi視為底層指標(biāo),重復(fù)步驟3和步驟4,得到目標(biāo)對(duì)象的突變級(jí)數(shù)值z(mì)。

2.4 尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法的改進(jìn)

尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法無(wú)需計(jì)算各指標(biāo)的具體權(quán)重,但仍需考慮同層次指標(biāo)的相對(duì)重要程度。在常規(guī)尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法評(píng)價(jià)模型中,通常采用專家打分的方式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行排序。然而這種方式容易受主觀因素的影響,導(dǎo)致排序結(jié)果不客觀。針對(duì)突變級(jí)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。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(shí)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(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)價(jià)參考系,通過(guò)評(píng)價(jià)對(duì)象在評(píng)價(jià)等級(jí)中的排名以計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重。信息熵法計(jì)算步驟如下。

步驟1構(gòu)造決策矩陣Am×n。當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象包括m-1項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和n項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)價(jià)對(duì)象的基準(zhǔn)矩陣G(m-1)×n為

(12)

評(píng)價(jià)矩陣U1×n為

U1×n=(am1,am2,…,amn)

(13)

式(13)中:amj為評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)的測(cè)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(guò)式(8)將決策矩陣標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)化的決策矩陣B=(bij)m×n。

(15)

步驟3計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)在第i個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的比重P=(pij)m×n。

(16)

步驟4計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值ej和權(quán)重值wj。

(17)

(18)

式中:當(dāng)pij=0時(shí),pijlnpij=0。

2.4.2 變權(quán)理論

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)突然偏離正常值時(shí),信息熵法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重變化相對(duì)較小,該評(píng)價(jià)指標(biāo)異常的影響容易被忽略,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏離實(shí)際情況。因此,該指標(biāo)的權(quán)重需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。研究利用變權(quán)理論調(diào)節(jié)各指標(biāo)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(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)體系中,單一生理指標(biāo)的異常容易導(dǎo)致整個(gè)生理狀態(tài)變差。因此,各個(gè)生理指標(biāo)之間的均衡性要求較高,平衡系數(shù)a取0.2[31]。

此外,一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重等于所對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重之和。在尖點(diǎn)突變?cè)u(píng)價(jià)模型中,生理指標(biāo)的重要性排序根據(jù)其權(quán)重值確定。生理指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 確定生理指標(biāo)安全等級(jí)

將高溫環(huán)境下的人體生理狀態(tài)分為5個(gè)等級(jí):非常安全、相對(duì)安全、中等、相對(duì)危險(xiǎn)和非常危險(xiǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[32-33]和在高溫環(huán)境勞動(dòng)時(shí)的人體生理參數(shù)變化范圍,在各評(píng)價(jià)等級(jí)上生理指標(biāo)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

表3 生理指標(biāo)安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)指標(biāo)

以第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程為例,說(shuō)明指標(biāo)PSEI的建立過(guò)程。

通過(guò)平均皮膚溫度、耳膜溫度、收縮壓和心率的標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值建立決策矩陣A。

根據(jù)式(8),構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣B。

根據(jù)式(16)～式(19),計(jì)算4個(gè)生理指標(biāo)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(duì)應(yīng)的生理指標(biāo)權(quán)重之和。各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值如表4所示。

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

由表4可得出,二級(jí)指標(biāo)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(jí)指標(biāo)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(jí)指標(biāo)與一級(jí)指標(biāo)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(píng)價(jià)體系,如圖5所示。

圖5 人體生理狀態(tài)評(píng)價(jià)體系Fig.5 Human physiological state evaluation system

當(dāng)身體熱負(fù)荷增加時(shí),核心溫度和皮膚溫度都會(huì)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(duì)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(dú)立的生理指標(biāo),彼此之間沒(méi)有很強(qiáng)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(bǔ)準(zhǔn)則,心率和收縮壓之間采用非互補(bǔ)準(zhǔn)則。

根據(jù)式(9)～式(11),一級(jí)指標(biāo)的尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)值為

最后,計(jì)算人體生理狀態(tài)尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)值為了反映人體實(shí)時(shí)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(duì)安全,0表示絕對(duì)危險(xiǎn)。

3.3 PSEI的評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算步驟,得到剩余實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組中所有指標(biāo)的權(quán)重和生理狀態(tài)的尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)值。圖6展示所有指標(biāo)的權(quán)重值。結(jié)果表明,各生理指標(biāo)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(biāo)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(gè)指標(biāo)權(quán)重范圍Fig.6 The weight range of the indexes

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的PSEI值Fig.7 PSEI values in the experiment

3.4 確定PSEI安全等級(jí)

人體的生理狀態(tài)可以通過(guò)生理參數(shù)反映。當(dāng)生理參數(shù)偏離正常值時(shí),人體生理狀態(tài)安全水平變差,PSEI值降低。基于生理指標(biāo)安全等級(jí)來(lái)劃分PSEI安全等級(jí)。因此,PSEI也被分為5個(gè)安全等級(jí)[35]。以表3中處于相對(duì)安全的生理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為例,計(jì)算處于相對(duì)安全的PSEI的標(biāo)準(zhǔn)值,具體計(jì)算過(guò)程如下。

首先,選取表3中處于相對(duì)安全的生理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)式(15)～式(19)計(jì)算所有指標(biāo)的權(quán)重。在二級(jí)指標(biāo)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(jí)指標(biāo)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(biāo)的相對(duì)重要性,建立人體生理狀態(tài)安全評(píng)價(jià)體系。根據(jù)式(8)～式(10),計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的尖點(diǎn)突變級(jí)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(jí)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(jí)數(shù)值;zL和zR分別表示PSEI處于相對(duì)安全的左邊界標(biāo)準(zhǔn)值和右邊界標(biāo)準(zhǔn)值。

左邊界:

右邊界:

因此,PSEI處于相對(duì)安全的標(biāo)準(zhǔn)值為(0.886, 0.948)。

根據(jù)上述研究步驟,計(jì)算其他安全等級(jí)的PSEI的標(biāo)準(zhǔn)值,結(jié)果如表5所示。參考文獻(xiàn)[32]和尖點(diǎn)突變模型,對(duì)各安全等級(jí)下人體熱調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示,PSEI的危險(xiǎn)范圍為[0, 0.798],而PSEI的安全范圍為(0.798, 1]。當(dāng)PSEI小于0.798時(shí),工人會(huì)感到全身溫度緊張,存在熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此,工人應(yīng)立即暫停工作,并采取一些防護(hù)措施以應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境的影響。綜上所述,通過(guò)監(jiān)測(cè)PSEI值,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體生理狀態(tài)的不適,提供預(yù)警信息,以保護(hù)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(shí)驗(yàn)中所有PSEI值在每個(gè)安全級(jí)別中的比例如圖8所示。結(jié)合圖2中的4個(gè)測(cè)量時(shí)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(xiǎn)范圍內(nèi)的比例逐漸增加。因此,在4個(gè)測(cè)量時(shí)間點(diǎn),熱應(yīng)激水平的排序?yàn)?4:00> 16:00> 09:00> 07:00。由于環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低,只有少數(shù)比例的測(cè)量數(shù)據(jù)處于相對(duì)危險(xiǎn),沒(méi)有人處于非常危險(xiǎn)。

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

4 討論

4.1 PSEI的驗(yàn)證

PSI能夠直接反映人體熱應(yīng)激水平[11],可通過(guò)式(20)計(jì)算。核心溫度可用直腸溫度和耳膜溫度來(lái)表示。為方便在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(guò)式(21)計(jì)算。

(20)

(21)

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

為驗(yàn)證PSEI的合理性,對(duì)PSEI和mPSI進(jìn)行相關(guān)性分析。基于BIN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(shì)。這表明,當(dāng)測(cè)量值與正常值之間的距離增加時(shí),熱應(yīng)激水平也隨之增加。這證明PSEI能夠有效性地評(píng)估人體熱應(yīng)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(gè)生理指標(biāo),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(huì)隨著生理指標(biāo)異常值的出現(xiàn)而增加,導(dǎo)致異常值的影響被忽視。

相比之下,PSEI中生理指標(biāo)的權(quán)重隨著生理狀態(tài)的變化而變化,能夠更好地識(shí)別每個(gè)生理指標(biāo)的異常情況。尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法通過(guò)改變?cè)u(píng)價(jià)模型中生理指標(biāo)之間的相對(duì)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(shí)時(shí)計(jì)算生理指標(biāo)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(dòng)強(qiáng)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(xué)生戶外訓(xùn)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(dòng)水平和高溫下人體生理反應(yīng)和主觀感知的變化。結(jié)果表明,在相同的運(yùn)動(dòng)水平下,高溫環(huán)境對(duì)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(duì)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(cè)系統(tǒng)和環(huán)境室,Sun等[42]研究人體在高強(qiáng)度活動(dòng)水平和高溫環(huán)境中的生理反應(yīng)。人體生理參數(shù)對(duì)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(chǔ)熱率。其主要原因是心率更容易受到勞動(dòng)強(qiáng)度的影響。該研究中的受試者進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng),而本研究中的環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)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(gè)綜合評(píng)價(jià)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(diǎn)突變模型直觀地展示高溫負(fù)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(biāo)的權(quán)重以實(shí)時(shí)反映高溫環(huán)境對(duì)于各個(gè)生理指標(biāo)的影響程度;最后,利用尖點(diǎn)突變級(jí)數(shù)法建立一個(gè)新的綜合指標(biāo)PSEI以評(píng)估環(huán)衛(wèi)工人實(shí)時(shí)的生理狀態(tài)。主要結(jié)論如下。

(1)生理指標(biāo)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(jí)分為:非常安全(0.948, 1]、相對(duì)安全(0.886, 0.948]、中等(0.798, 0.886]、相對(duì)危險(xiǎn)(0.649, 0.798]和非常危險(xiǎn)[0, 0.649]。PSEI的危險(xiǎn)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(yīng)激水平的有效指標(biāo)。

(4)PSEI能夠?qū)崟r(shí)量化人體生理狀態(tài)的安全水平。根據(jù)PSEI值,適時(shí)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)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(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值是基于以往文獻(xiàn)確定的,適用于普通人群。后續(xù)的研究可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查修正生理指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,以提升PSEI的精準(zhǔn)性。