人机工程学

人机工程学 人机工程学安全工程系

第三章人体作业特征

第三章　人体作业特征大纲 大纲作业特性劳动强度及其分级作业疲劳及其测定（高起专了解）作业疲劳与安全生产中国地质大学安全工程系

本章重难点介绍 　　本章重点在于了解掌握人体作业的基本特征，以便于更好的进行人机工程设计。　　因此，作业特性、劳动强度及其分级、作业疲劳与安全生产要求重点掌握的内容。　　作业疲劳及其测定作为高起专学生了解的内容不做要求。中国地质大学安全工程系

第一节　作业特性 本节大纲：一、能量代谢二、作业时氧消耗的动态三、能量代谢的测定中国地质大学安全工程系

1.1　能量代谢 　　在物质代谢过程的同时发生着能量释放、转移、贮存和利用的过程，称为能量代谢。　　能量代谢过程是根据物质不灭和能量守恒法则进行的。　　物质代谢产生的能量有各种不同的形式，它们之间可以互相转移。中国地质大学安全工程系

1.2　体力劳动能量 　　人的劳动，从生理学角度来说，是体力劳动和脑力劳动相结合进行的，不过不同的工作，体脑劳动有所侧重而已。由于骨骼肌约占体重的40%，故体力劳动的消耗较大。　　体力劳动时，骨骼肌活动的能量有三个途径供给： l）ATP——CP系列 2）需氧系列 3）乳酸系列中国地质大学安全工程系

1.2.1ATP－CP系列 肌肉所需的能量是由肌细胞里的三磷酸腺苷（ATP）迅速分解而直接提供的。但是肌肉中ATP的贮存量很少，由磷酸肌酸（CP）分解及时补充，故名ATP——CP系列。表示如下：中国地质大学安全工程系

1.2.2　需氧系列 前已述及，肌肉中CP甚少，只能供肌肉活动几秒至1分钟，因此需从糖类和脂肪的氧化分解来提供ATP，即需要氧的参与才能进行，所以叫需氧系列。这发生在中等强度以上的劳动过程。中国地质大学安全工程系

1.2.3　乳酸系列 　　在大强度劳动时，ATP的分解非常迅速，需氧系列受到供氧供氧能力的限制，不能满足肌肉活动的需要。　　这时，要依靠无氧糖酵产生乳酸来提供能量。　　虽然1克分子葡萄糖在乳酸系列中只产生2个分子ATP，但其速度比需氧系列快32倍，所以可迅速提供较多的ATP。这个系列活动不能持久。中国地质大学安全工程系

1.2.4　热价与呼吸熵 1）食物的热价　　每克营养物质氧化时释放的热量，称为该物质的热价。 2）氧的热价　　某种营养物质氧化时，每消耗1L氧所产生的热量叫该物质的氧的热价。 3）呼吸熵　　机体内产生的二氧化碳量与同一时间内氧耗量之比叫呼吸熵。中国地质大学安全工程系

1.3　能量代谢量 能量代谢分为：基础代谢量安静代谢量劳动代谢量中国地质大学安全工程系

1.3.1　基础代谢量(a) 　　维持生命所必须消耗的基础情况下的能量代谢量叫基础代谢量。　　所谓基础代谢率（BMR，basal metabolic rate）是指人在进餐12h后，在清晨清醒地静卧于18oC～25oC环境中，并保持神经松弛，体位安定，各种生理活动维持在较低水平下的代谢率。中国地质大学安全工程系

1.3.1　基础代谢计算(b) 　　这时，能量代谢率不受肌肉活动、精神紧张、消化及环境温度等的影响。　　基础代谢率是用每平方米体表面积、每小时的产热量来计算的，单位是kJ/（m2*h）(千焦/平方米•时)）。我国正常基础代谢率的水平列于下表。中国地质大学安全工程系

1.3.2安静代谢量 　　安静代谢量是人仅为保持身体平衡及安静姿势所消耗的能量。　　一般在工作前或后进行测定。　　安静代谢率一般取为基础代谢率的1.2倍。中国地质大学安全工程系

1.3.3　劳动代谢 　　人在工作或运动时的能量代谢量叫劳动代谢量。　　作业时的能量消耗量是全身各器官系统活动能耗量的总和。　　最紧张的脑力劳动的能量代谢量不会超过安静代谢量的10%，而肌肉活动的能耗量却可高出基础代谢的10～25倍。　　它和体力劳动强度直接相关，对研究劳动管理（工资、定额、制度等）和劳动卫生学都是极为重要的。中国地质大学安全工程系

1.4　能量代谢率 　　为了消除个人之间的差别，采用劳动代谢量和基础代谢量之比来表示某种体力劳动的强度。这一指标称为能量代谢率（RMR，Relative Metabolic Rate）。 RMR＝劳动时总能耗量—安静时能耗量/基础代谢量　　在同样条件、同样劳动强度下，不同的人劳动代谢量虽然不同，但劳动代谢率是基本相同的。中国地质大学安全工程系

1.5　作业时氧消耗的动态 　　作业时人体所需要的氧量取决于劳动强度。　　劳动1min所需要的氧量叫氧需（oxygen demand）。　　满足氧需的限度主要取决于循环系统的功能限度，其次是呼吸系统。　　血液在1min内能供给的最大氧量叫氧上限。　　成年人的氧上限一般不超过3L，有锻炼的人可达4L以上。中国地质大学安全工程系

1.6　氧债 在作业开始的几分钟内，呼吸和循环系统还不能满足氧需，肌肉活动所需要的能量是在缺氧条件下产生的。所以，氧需和实际供氧量就出现了差额，此差值称为氧债。中国地质大学安全工程系

1.6.1　氧债的产生 　　几分钟后，呼吸和循环系统的活动逐渐加强和适应，氧的供应得到满足，即所谓供氧的稳定状态。　　这样的作业可维持很长的时间。　　若劳动强度过大，氧需超过氧上限，机体继续处于供氧不足状态下作业，肌肉内的贮能物质（主要为糖原）迅速消耗，作业就无法持久。中国地质大学安全工程系

1.6.2　氧债的产生与偿还 　　作业停止后的一段时间内，机体继续消耗高于安静代谢的氧以偿还氧债。 ATP、CP、血红蛋白、肌红蛋白等非乳酸氧债可在2～3 min内得到补偿；　　而乳酸氧债需10余分钟，甚至1小时以上才能完全补偿。中国地质大学安全工程系

1.6.3　氧债的产生与偿还示意图 中国地质大学安全工程系

1.7　能量代谢的测定方法 　　能量代谢和气体代谢之间存在特定的量的联系。测气体代谢量就可算出能量代谢量。　　测定方法可分为直接测热法和间接测热法。　　直接测热法笨重不便，已为间接测热法所代替。　　间接法是通过对氧耗量和 CO2产生量的测定，计算出产生的热量。　　间接测定法又分为开放式测定和闭合式测定两种方法。这里仅介绍开放式测定法。中国地质大学安全工程系

1.7.1　开放式测定法 　　仪器设备：储气袋、气量计和气体分析器。　　方法：受试者通过面罩吸入空气，呼气时将呼出的气体收集在贮气袋里，并用气体流量计测量呼出的气量。　　然后从气袋中采取呼出的气样，测定其中的氧和二氧化碳的浓度（体积百分比）。根据吸入气体和呼出气中氧和CO2含量之差及呼气总量，就可以计算出单位时间内的氧耗量和二氧化碳排出量。中国地质大学安全工程系

1.7.2　开放式测定法优缺点 　　优缺点：　　此法可测定任何状态下的能量代谢。　　但贮气袋（亦称道格拉斯袋）须背在人的身上，作业时很不方便。中国地质大学安全工程系

1.7.3　最新测定方法 　　我国新开发的肺通气量仪附有新型流量计，可以累计测定时气量，完全不用道格拉斯袋采取气样。　　德制造的EDS型心肺能量代谢仪和ER-40型电脑功率车是实验室测定的最新设备。中国地质大学安全工程系

第二节　劳动强度及其分级 本节大纲一、劳动强度二、劳动强度的分级中国地质大学安全工程系

2.1　作业分类 劳动强度可以理解为，作业中人在单位时间内作功和机体代谢能力之比。　　作业分类： 1．静力作业 2. 动力作业中国地质大学安全工程系

2.1.1　静力作业 　　对于脑力劳动、计算机操作人员、仪器监控者等所从事的作业都可归纳为静力作业，或叫静态作业（Static work）。　　这种作业主要是依靠肌肉的等长收缩来维持一定的体位，即身体和四肢关节保持不动时所进行的作业。　　体力劳动中也包含静力作业，如坐位或立位观察仪表、支持重物、把握工具、压紧加工物件等。中国地质大学安全工程系

2.1.2　静力作业特征 　　当肌肉的等张力收缩的肌张力在最大随意收缩的15%～20%以下时，不管此时参与的肌肉有多少，只要收缩的张力是相对稳定的，这种静力作业就可以维持较长的时间。　　坐位的腰部肌肉和立位的腰、腿部肌肉的收缩，即属于上述作业状态。　　这时，虽然心血管反应加强，但不能维持收缩肌肉中被压迫血管的稳定血流，而使局部肌肉缺氧、乳酸堆积并引起疼痛。静力作业的特征是能耗水平不高，但却容易疲劳。中国地质大学安全工程系

2.1.3　动力作业 　　动力作业是靠肌肉的等张收缩来完成作业动作的，即经常说的体力劳动。　　（本章主要讨论体力劳动及其分级）中国地质大学安全工程系

2.2　劳动强度的分级 　　劳动强度的大小可以用耗氧量、能消耗量、能量代谢率及劳动强度指数等加以衡量。　　为了区分强度的大小，划分成等级是必要的。中国地质大学安全工程系

2.2.1　国际劳工局分级标准分级 　　中等强度作业，氧需不超过氧上限。中等强度又分为6级：很轻、轻、中等、重、很重和极重6级。　　大强度作业，指氧需超过氧上限，即在氧债大量积累的情况下作业，如爬坡负重、手工挥镐或锻打。这种作业只能持续10余分钟，不会更长。　　极大强度作业，指完全在无氧条件下的作业，氧债可能等于氧需。只在短跑、游泳比赛时才出现这类情况，持续时间不超过2分钟。中国地质大学安全工程系

2.2.2　我国分级标准 　　我国已经颁布《体力劳动强度分级标准》（GB3896－83）。中国医学科学研究院劳动卫生研究所，调查测定了262个工种的劳动工时、能量代谢和疲劳感等指标，经过综合分析研究后提出这一标准。中国地质大学安全工程系

2.3　工作日内的平均能量代谢率计算 　　工作日内的平均能量代谢率用下式计算：同类活动时间是指，一个工作日内各种活动和休息的时间按作业类别加以归类后，以分计算。应当指出，这里是包括休息时间的。中国地质大学安全工程系

第三节　作业疲劳及其测定（高起专了解） 本节主要内容一、作业疲劳二、作业疲劳的调查与测定中国地质大学安全工程系

3.1　作业疲劳 　　作业疲劳　　当作业能力出现明显下降时叫疲劳。作业疲劳是劳动生理的一种正常表现，它起着预防机体过劳的警告作用。从正常作业状态到主观上出现疲劳感直到完全筋疲力尽有一个时间过程。疲劳程度的轻重决定于劳动强度的大小和持续劳动时间的长短。　　心理因素对疲劳感的出现也起作用。对工作厌倦、缺乏认识和兴趣而不安心工作，极易出现疲劳感；相反，对工作具有高度兴趣和责任感或有所追求，则疲劳感常出现在生理疲劳发生很长时间以后。中国地质大学安全工程系

3.1.1　作业疲劳类型 　　一种划分方法是分为急性、亚急性和慢性疲劳。　　慢性疲劳常伴有心理因素，长期劳累以致心力交瘁，实际上已超出疲劳的概念范畴。　　还可以分为局部肌肉疲劳和全身性（中枢性）疲劳。中国地质大学安全工程系

3.1.2　作业详细分类（1） 1）个别器官疲劳，如计算机操作人员的肩肘痛、眼疲劳；打字、刻字、刻蜡纸工人的手指和腕疲劳等。2）全身性疲劳，全身动作进行较繁重的劳动，表现为关节酸痛、困乏思睡、作业能力下降、错误增多、操作迟钝等。3）智力疲劳，长时间从事紧张脑力劳动引起的头昏脑胀、全身乏力、肌肉松弛、嗜睡或失眠等，常与心理因素相关。中国地质大学安全工程系

3.1.2　作业详细分类（2） 4）技术性疲劳，常见于体力脑力并用的劳动，如驾驶汽车、收发电报、半自动化生产线工作等，表现为头昏脑胀、嗜睡、失眠或腰腿疼痛。 5）心理性疲劳，多是由于单调的作业内容引起。中国地质大学安全工程系

3.2　疲劳的规律（1） 　　青年作业人员作业中产生的疲劳较老年人小得多，而且易于恢复。　　疲劳可以恢复。年轻人比老年人恢复得快。　　疲劳有一定的积累效应，未完全恢复的疲劳可在一定程度上继续存在到次日。中国地质大学安全工程系

3.2　疲劳的规律（2） 　　人对疲劳也有一定的适应能力　　在生理周期中（如生物节律低潮期、月经期）发生疲劳的自我感受较重，相反在高潮期较轻。　　环境因素直接影响疲劳的产生、加重和减轻。　　很重要一个致疲劳因素就是工作的单调，尤其在现代形形色色的作业线不断开发之后，依附于流水作业的人员，周而复始地做着单一的、毫无创造的、重复的工作。中国地质大学安全工程系

3.3　作业疲劳的调查与测定 疲劳问卷调查　　日本产业卫生学会疲劳研究会提供了自觉症状调查表。中国地质大学安全工程系

3.4　疲劳测定方法 闪光融合值测定能量代谢率测定心率（脉博数）测定触觉两点阈值测定判别力测定中国地质大学安全工程系

3.4.1　闪光融合值测定 　　受试者观看一个频率可调的闪烁光源，记录工作前、后受试者可分辨出闪烁的频率数。　　具体做法是先从低频闪烁做起，这时视觉可见仪器内光点不断闪光。当增大频率，视觉刚刚出现闪光消失时的频率值叫闪光融合阈；光点从融合阈值以上降低闪光频率，当视觉刚刚开始感到光点闪烁的频率值叫闪光阈。它和融合阈的平均值叫临界闪光融合值。人体疲劳后闪光融合值降低，说明视觉神经出现钝化。这一方法对在视觉显示终端（VDT）前面的工作人员的疲劳测定最为适用。一般测定日间或周间变化率，也可分时间段测定。中国地质大学安全工程系

3.4.2　能量代谢率测定 　　这一方法实际上是测定劳动强度。　　如果有完善的仪器设备可同时测得心跳次数、肺通气量等多项指标，对于判定疲劳更为有利。 RMR＝作业中增加氧气消耗量/基础代谢时氧气消耗量中国地质大学安全工程系

3.4.2.1　能量代谢率测定方法 　　不同的劳动负荷具有不同的劳动代谢率和心率，不同的劳动代谢率和心率对应的连续劳动时间各不相同。　　某人群对应不同的劳动时间具有一定的生理负荷极限。　　鞍钢劳研所张殿业医生根据对采矿作业人员进行的实验室和现场实测，提出一个生理负荷极限回归方程式。中国地质大学安全工程系

3.4.2.2　生理负荷极限回归方程式 Y1＝42.88－11.39lgX Y2＝201.0－32.75lgX 式中： X——负荷时间（min）； Y1——能量消耗允许值； Y2——心率负荷允许值。　　利用上述公式可迅速求得所要求的参数。中国地质大学安全工程系

3.4.3　心率（脉博数）测定(a) 心率和劳动强度是密切相关的。在作业开始前1 min，由于心理作用，心率常稍有增加。作业开始后，头30～40 S内迅速增加，以适应供氧的要求，以后缓慢上升。作业停止后，心率可在几秒至十几秒内迅速减少，然后缓慢地降到原来水平。但是，心率的恢复要滞后于氧耗的恢复，疲劳越重，氧债越多，心率恢复得越慢。其恢复时间的长短可作为疲劳程度的标志和人体素质（心血管方面）鉴定的依据。中国地质大学安全工程系

3.4.3　不同状态下心率与氧耗之间的关系图(b) 中国地质大学安全工程系

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