人的作业能力与疲劳分析

安全人机工程学SafetyErgonomics1第三章人的作业能力与疲劳分析教学内容3.1人体作业时的能量交换3.2作业时人体的调节与适应3.3作业能力的动态分析3.4作业疲劳及测定3.5降低疲劳的措施安全人机工程学SafetyErgonomics2基本要求1正确理解人体作业时能量交换的特性，熟练掌握能量代谢的测定方法，掌握作业时人体系统的调节特性；2正确理解疲劳的概念，掌握疲劳的分类及测定、降低疲劳的措施本章重难点重点：能量代谢的测定方法；作业时人体系统的调节特性；疲劳的分类及测定、降低疲劳的措施。难点：能量代谢的相关计算及对疲劳概念的理解第三章人的作业能力与疲劳分析安全人机工程学SafetyErgonomics33.1人体作业时的能量交换1、人体能量的产生机理人体的一切活动都是通过人体的运动系统完成的。第三章人的作业能力与疲劳分析人体的运动系统骨骼关节肌肉杠杆枢纽动力源安全人机工程学SafetyErgonomics4第三章人的作业能力与疲劳分析ATP(三磷酸腺苷)是肌肉收缩的唯一直接能量来源。然而，在肌细胞中的ATP贮量有限，因此，能量释放过程中必须及时补充肌细胞中的ATP。补充ATP的过程叫产能。有三个途径。①ATP-CP系列在要求能量释放速度很快的情况下ATP-CP系统能迅速产能，但由于CP（磷酸肌酸）在人体内的贮量有限，其产能过程只能维持肌肉几秒钟大强度活动。ATPCrADPCP肌酸）(其中ADP是二磷酸腺苷（也称核苷酸）安全人机工程学SafetyErgonomics5第三章人的作业能力与疲劳分析②需氧系列在中等劳动强度下，需通过糖和脂肪的氧化磷酸化合才能得到ATP。在合成的开始阶段则是以糖的氧化磷酸化为主，随着活动时间的持续延长，脂肪的氧化磷酸化逐渐转为主要过程，即：ATP氧化磷酸化氧葡萄糖或脂肪安全人机工程学SafetyErgonomics6第三章人的作业能力与疲劳分析③乳酸系列在大强度劳动时，能量需求速度较快，ATP的分解速度也必须加快，需氧系列受供氧能力的限制，不能满足肌肉的需要。这时，要依靠无氧糖酵解产生乳酸的方式提供能量。由于糖酵解的速度是氧化磷酸化的32倍，所以是高速供能途径。乳酸糖原葡萄糖糖酵解ATP)(注意：乳酸系列需耗用大量葡萄糖才能合成ATP，在体内糖原含量有限的条件下，此产能方式不经济。另外，乳酸还是一种导致疲劳的物质，所以乳酸系列提供能量的过程不可能持续较长的时间。安全人机工程学SafetyErgonomics7第三章人的作业能力与疲劳分析安全人机工程学SafetyErgonomics8第三章人的作业能力与疲劳分析2、作业时人体的好氧动态作业时人体所需要的氧量大小取决于劳动强度和作业时间。几个概念氧需：人体在作业过程中，每分钟所需要的氧量。最大摄氧量：血液每分钟能供应的最大氧量，正常成年人不超过3L/min；常锻炼者可达4L/min；老年人只有1-2L/min。氧债：需氧量与实际供氧量的差值。（危害）安全人机工程学SafetyErgonomics9第三章人的作业能力与疲劳分析最大摄氧量的计算Bruce于1972年给出了年龄与最大摄氧量间的经验关系式：AVO398.0592.56)(max2max)(2OV为最大摄氧量，cm³/(kg·min)；A为人的年龄，岁数。安全人机工程学SafetyErgonomics10第三章人的作业能力与疲劳分析3、能量代谢与能量代谢率人体能量产生和消耗称为能量代谢。能量代谢基础代谢安静代谢活动代谢生理学将人清醒、静卧、空腹以及室温在20℃左右定为基础条件。人体在基础条件下的能量代谢称为基础代谢。单位时间内的基础代谢量称基础代谢率，用B表示。安静代谢是作业开始之前，为了保持身体各部位的平衡以及某种姿势条件下的能力代谢，包括基础代谢。安静代谢率用R表示，R=1.2B人在从事特定劳动过程中所进行的代谢，也称劳动代谢。实际能量代谢率用M（其中包含基础代谢和安静代谢）表示，活动代谢率Mr=M-R安全人机工程学SafetyErgonomics11基础代谢率B随着性别、年龄等不同而不同。一般说来，男子的B比女子的高，幼年人的比成年人的高。式中：Q——单位时间的产热量，kcal/h；Q=C，其中，C是氧的热价，kcal/L，一般可根据呼吸商查表获取。（教材表4-7）;是单位时间的耗氧量，L/h。S——人体表面积，m2；H是身高，cm;W是体重，kg。活动代谢率M也可以通过此公式计算，只是此时的耗氧量是活动时的耗氧量。基础代谢率B的计算QBS0.00610.01280.1529SHW2OV2OV安全人机工程学SafetyErgonomics12第三章人的作业能力与疲劳分析相对能量的代谢率（相对代谢率）由于人的体质、年龄和体力等差异，从事同等强度的体力劳动所消耗的能量则因人而异，因此无法用能量代谢量进行比较。为了消去个人之间的差别，引进相对能量代谢率，用RMR(RelativeMetabolicRate)表示。MRRMRB活动代谢率基础代谢率安全人机工程学SafetyErgonomics13关于相对代谢率的几点说明关于RMR的几点说明：（1）RMR是表示是否易于疲劳的指标，但并不表示实际的疲劳程度。（2）环境因素，尤其是高温对RMR的影响较大。设作业场所的平均温度是T，辐射热因素为G，8小时工作后的平均RMR为E，则环境因素指数In：In=T·G·E（若环境中无辐射因素（G=1），则In=T·E）当In〈2000时，环境适宜；当In：2000～4000时，环境尚可；当In〉4000时，就必须改善环境，否则易于疲劳。（3）影响能量代谢的因素有：运动、劳动、精神劳动、食物、特殊动力效应及环境温度等。安全人机工程学SafetyErgonomics14第三章人的作业能力与疲劳分析4、能量代谢的测定(直接法，间接法）间接法的基本原理：先测得糖、脂肪等能源物资在体内氧化时的耗氧量和二氧化碳的排出量，求得呼吸商，由此便可算出作业时所消耗的能量。通常把1g供能物质氧化时所放出的热量定义为该物质的热价。物质氧化时，每消耗1L氧所产生的热量称为物质的氧热价。呼吸商（RQ）：通常把机体在同一时间内产生的二氧化碳量与消耗的氧量之比称为呼吸商。22COOVRQV安全人机工程学SafetyErgonomics15第三章人的作业能力与疲劳分析非蛋白呼吸商（NRQ）:由于蛋白质中的氮以尿素排泄，所以受试者吸进的氧气量和产生的二氧化碳应减去验尿测定出的尿氮分解所需要的氧气量和产生的二氧化碳量。此时的二氧化碳产生量与氧气的消耗量之比称为非蛋白呼吸商。实际应用中，常采用省略尿氮测定的简便方法，直接根据受试者在同一时间内吸入的氧气量和产生的二氧化碳量，以混合食物每消耗1L氧产生17.94kJ的热量近似计算能量消耗。安全人机工程学SafetyErgonomics16例题某受试者在安静状态下，呼出气体的体积分数未：O2=15.47%，CO2=3.96%，呼出气量为8L/min；标准状态下空气的组成未：O2=20.93%，CO2=0.03%，N2=79.04%，求受试者的能量消耗。分析：欲求能量消耗Q，由公式则应该确定氧的热价和耗氧量，氧的热价可由呼吸商查表求得2OQCV安全人机工程学SafetyErgonomics17例题解：耗氧量：CO2消耗量：呼吸商：查表4.7，RQ=0.72时，氧的热价C=19.683kJ/L，则219.6830.43688.598kJOQCV2(0.20930.1547)80.4368OVL2(0.03960.0003)80.3144COVL220.31440.720.4368COOVRQV安全人机工程学SafetyErgonomics18第三章人的作业能力与疲劳分析3.2作业时人体的调节与适应1、神经系统的调节与适应动力定型（习惯定型）：作业者长期在同一环境中从事同一项作业活动，借助复合条件反射便会形成一种程序化、自动化的熟练操作意识。好处：不仅能提高作业能力，还会使机体各器官从作业一开始就能去适应作业需要，使操作协调、轻松、反应迅速，能量消耗经济。注意：建立习惯定型应循序渐进，注意节律性和重复性。安全人机工程学SafetyErgonomics19第三章人的作业能力与疲劳分析体力劳动会影响感觉器官的功能，适当的轻度作业能使眼睛的暗适应敏感；而大强度作业会使眼睛的暗适应敏感下降；重作业和大强度作业能引起视觉及皮肤感觉的时滞延长，作业后数分钟才能恢复。安全人机工程学SafetyErgonomics20第三章人的作业能力与疲劳分析2、心血管系统的调节与适应①心率心率是单位时间内心脏博动的次数。正常人安静时的心率为75次/min，最大心率随年龄增长而减小，表达式为：最大心率=220-年龄值不同劳动强度下心率的变化如图4-1所示安全人机工程学SafetyErgonomics21第三章人的作业能力与疲劳分析安全人机工程学SafetyErgonomics22第三章人的作业能力与疲劳分析心率通常可作为衡量劳动强度的一项重要指标，若以该指标为标准，对于健康男性，作业心率为110-115次/min，停止作业后15min内恢复到安静心率时则认为该体力劳动负荷处于最佳范围，可连续工作8h。如果停止作业后0.5-1min测得心率不超过110次/min，且2.5-3min时测得心率不超过90次/min，劳动也可持续8h。安全人机工程学SafetyErgonomics23第三章人的作业能力与疲劳分析②心脏血液输出量每博输出量：心脏每博动一次，由左心室射入主动脉的血量。心脏血液输出量：每分钟由左心室射出的血量。为每博输出量与心率的乘积。正常成年男子安静时的每博输出量为50-70mL，心脏血液输出量为3.75-5.25L/min，最高可达25L/min。作业开始后，心率和每博输出量均增加，每博输出量增加较快。通常，中等劳动强度作业时，心脏血液输出量可比安静时增加50%；特大强度时，达5-7倍。心脏的结构见图2.前进安全人机工程学SafetyErgonomics24第三章人的作业能力与疲劳分析图2心脏结构返回安全人机工程学SafetyErgonomics25第三章人的作业能力与疲劳分析③血压血压是血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，通常多指血液在体循环中的动脉血压，单位mmHg。一般：收缩压为100-120mmHg，舒张压为60-80mmHg。动态作业时收缩压与舒张压的变化如图4-2静态作业时，收缩压、舒张压、平均动脉压都升高，心率和心输出量相对增加较少。前进安全人机工程学SafetyErgonomics26第三章人的作业能力与疲劳分析返回安全人机工程学SafetyErgonomics27第三章人的作业能力与疲劳分析3、其他系统的调节与适应作业时呼吸系统的频率随作业强度的增加而增加，重强度时达30-40次/min，极大强度时达60次/min，肺通气量由安静时的6-8L/min增加到40-120L/min。正常条件下，每昼夜排尿量为1-1.8L，体力作业后，尿液减少50%-70%，其余由汗液排出。汗腺具有调节体温和排泄代谢产物的双重功能。安全人机工程学SafetyErgonomics28第三章人的作业能力与疲劳分析4、脑力劳动与持续警觉作业生理变化的特点①脑力劳动安全人机工程学SafetyErgonomics29第三章人的作业能力与疲劳分析②持续警觉作业安全人机工程学SafetyErgonomics30第三章人的作业能力与疲劳分析影响持续警觉作业效能下降的主要因素有：不良的作业环境（如噪声大、温度高、干扰信号多）；信号强度弱；信号频率不适宜；作业者的主观状态（如过分激动得情绪、失眠、疲劳）。安全人机工程学SafetyErgonomics31第三章人的作业能力与疲劳分析3.3作业能力的动态分析能力一个人完成一定活动所表现出来的稳定的心理，生理特征。能力一般能力特殊能力观察力、记忆力、注意力、思维力、