孟 可，王 凡，王 毅

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引 言

在現(xiàn)代知識(shí)密集型的工作作業(yè)系統(tǒng)中，人是非常重要的因素，是唯一能動(dòng)、易變和不確定性較大的組成部分，如何發(fā)揮與充分利用人的最大能動(dòng)性顯得尤為重要。因而，有必要研究及定量評(píng)價(jià)人在系統(tǒng)中的各種特性[1-4]。換言之，為實(shí)現(xiàn)整體工作、提高工作能率及減少工作負(fù)擔(dān)[5-6]、抑制作業(yè)疲勞[7-9]等，深入研究人的狀態(tài)以及特性非常必要[10-12]。

就人在工作中的特性而言，其研究?jī)?nèi)容多種多樣。而研究人的生理狀態(tài)與疲勞來(lái)綜合評(píng)價(jià)人的工作負(fù)擔(dān)是極為重要的手段。同時(shí)，研究人在工作過(guò)程中如何減輕工作負(fù)擔(dān)、充分發(fā)揮其工作效率，一直是研究的最終目的。音樂對(duì)調(diào)整人的心理與生理[13-14]，尤其緩解大腦的精神負(fù)擔(dān)[15-16]起著重要作用。世界500強(qiáng)的企業(yè)有超過(guò)半數(shù)在工作時(shí)間內(nèi)，用音樂調(diào)節(jié)與消除員工精神緊張及肌肉疲勞，減少疾病的發(fā)生，使他們工作時(shí)精力充沛。許多心理學(xué)家都相信，聽覺的刺激，特別是音樂、歌曲，可以激發(fā)人們產(chǎn)生一種充滿感情的心理反應(yīng)。其心理反應(yīng)與理智思維活動(dòng)的協(xié)調(diào)結(jié)合，是人們?cè)谛愿裆汐@得心理平衡的基礎(chǔ)。

本文從生物科學(xué)研究的角度出發(fā)模擬現(xiàn)代制造系統(tǒng)中精密作業(yè)環(huán)境，通過(guò)檢測(cè)作業(yè)者的腦波與肌電位變化及疲勞狀態(tài)，定量分析工作過(guò)程中作業(yè)者的工作負(fù)擔(dān)。同時(shí)，通過(guò)特選音樂來(lái)緩解與減少作業(yè)者的工作負(fù)擔(dān)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)與方法

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)作業(yè)者的手指靈活性以及記憶能力測(cè)試，對(duì)作業(yè)過(guò)程中的腦波與肌電位信息進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，使用臨界閃爍視覺頻率儀測(cè)試客觀視覺疲勞，并在相同的作業(yè)過(guò)程中通過(guò)音樂調(diào)節(jié)，重新檢測(cè)生理信息，考察調(diào)節(jié)前后的效果。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 檢測(cè)對(duì)象

以現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中精密作業(yè)為對(duì)象，通過(guò)動(dòng)作分析、記憶分析測(cè)試作業(yè)者由于精神高度集中而產(chǎn)生的緊張度與精神疲勞。測(cè)試作業(yè)人員隨著高精度勞動(dòng)量的積累而引起的腦電波與肌電位的變化和視覺疲勞所產(chǎn)生的工作負(fù)擔(dān)。同時(shí)，通過(guò)音樂調(diào)節(jié)來(lái)檢測(cè)與分析生理狀況與疲勞變化過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)以作業(yè)者的動(dòng)作與記憶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確性為基準(zhǔn)，作業(yè)次數(shù)為20次。作業(yè)者為身體健康男性，其中包括有此作業(yè)經(jīng)驗(yàn)者8人和初次作業(yè)者12人。

1.3 檢測(cè)方法

從動(dòng)作與記憶方面測(cè)定作業(yè)者的狀態(tài)。采用手指靈活性測(cè)試儀完成動(dòng)作測(cè)試，作業(yè)者按順序?qū)?00個(gè)金屬棒逐個(gè)插入實(shí)驗(yàn)板的100個(gè)圓孔中，從開始位至終止位，以此考察作業(yè)者的肌肉緊張程度。采用記憶能力測(cè)試儀完成記憶能力測(cè)試，顯示器隨機(jī)顯示5組5位數(shù)，每組顯示時(shí)間為1.2 s，作業(yè)者依次回答其數(shù)字組合，以此來(lái)考察作業(yè)者的腦部緊張程度。

采用腦波檢測(cè)儀完成腦波測(cè)試，檢測(cè)作業(yè)者在作業(yè)中腦神經(jīng)頻率的變化。檢測(cè)平穩(wěn)的精神狀態(tài)時(shí)的α 波（8～13Hz）和緊張狀態(tài)時(shí)的 β 波（15～23Hz）的比α/β的變化。肌電位測(cè)試采用肌電位檢測(cè)儀，檢測(cè)作業(yè)者在作業(yè)中由于肌肉的收縮而產(chǎn)生的電位變化?？疾燧敵鲭妷撼^(guò)60μV時(shí)，為作業(yè)者的緊張狀態(tài)；而在30μV以下時(shí)，為作業(yè)者的穩(wěn)定狀態(tài)。作業(yè)者的疲勞度采用視覺疲勞測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試（閃光融合頻率儀），其頻率范圍為8～50Hz。采用臨界閃爍視覺頻率的下降法考察作業(yè)者的客觀視覺疲勞。以上生理測(cè)試綜合考察作業(yè)者的集中力、緊張感、疲勞度。

通過(guò)音樂播放器，作業(yè)者在作業(yè)過(guò)程中特選國(guó)內(nèi)外對(duì)腦波調(diào)節(jié)有影響的樂曲，考察音樂對(duì)作業(yè)者的調(diào)節(jié)效果。

2 儀器與設(shè)備

手指靈活性測(cè)試儀用于高精度位置移動(dòng)，從而反映肌肉緊張狀況。記憶能力測(cè)試儀通過(guò)微電腦組成的控制器，顯示計(jì)分、計(jì)錯(cuò)、計(jì)位、計(jì)時(shí)，從而反映精神緊張狀況。使用日本腦力開發(fā)研究所制造的Brain Builder儀器，對(duì)作業(yè)者的腦波和肌電位進(jìn)行檢測(cè)，從生理上反映緊張程度。臨界閃爍視覺頻率儀用于視覺頻率下降的檢測(cè)，反映客觀視覺疲勞，通過(guò)以上檢測(cè)綜合反映其工作負(fù)擔(dān)。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 生理檢測(cè)與疲勞

由于臨界閃爍視覺頻率為作業(yè)間檢測(cè)，為在線考察動(dòng)作與記憶作業(yè)過(guò)程中腦波與肌電位的變化與客觀疲勞的相關(guān)性，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推定臨界閃爍視覺頻率。其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成如圖2所示，輸入層選擇了腦波α/β波比的變化與樣本偏差、肌電位變化與樣本偏差、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)次數(shù)。

學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)使用誤差逆?zhèn)鞑シ?，用下式?jì)算平均推定誤差：

式中：Y——平均推定誤差；

x1——測(cè)定值；

x2——為推定值。

得出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差分二乘平均誤差為0.0025。從推定結(jié)果的精度看，所檢測(cè)的生理信息與疲勞度存在緊密關(guān)系。說(shuō)明在此特定工況下，檢測(cè)的腦波與肌電位的變化與視覺主觀疲勞極為相關(guān)。換言之，從腦波與肌電位的變化中即可準(zhǔn)確定量作業(yè)者的工作負(fù)擔(dān)。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

3.2 音樂調(diào)節(jié)效果

為進(jìn)一步考察音樂調(diào)節(jié)的效果，對(duì)腦波α/β波比、肌電位、疲勞的變化采用了樣本方差處理。

式中：S2——樣本方差；

xi——檢測(cè)值；

圖3為通過(guò)式（2）計(jì)算出的所有作業(yè)者（前8位為熟練者，后12位為非熟練者），在音樂調(diào)節(jié)前后腦波α/β波比、肌電位、臨界閃爍視覺頻率變化的樣本方差。

圖3（a）為音樂調(diào)節(jié)前后腦波α/β波比樣本方差，可以看出音樂調(diào)節(jié)前的變化率高于音樂調(diào)節(jié)后，也就是說(shuō)，在音樂調(diào)節(jié)下，作業(yè)者趨于較平穩(wěn)的工作狀態(tài)，表明其作業(yè)過(guò)程中工作負(fù)擔(dān)降低，精神緊張程度得到有效緩解。而在音樂調(diào)節(jié)前后，熟練者與非熟練者的腦波變動(dòng)差異不大，反映出幾乎同樣的精神緊張程度，說(shuō)明在精細(xì)工作中，人的腦波變化非常敏感。

圖3（b）為音樂調(diào)節(jié)前后作業(yè)者肌電位樣本方差?？梢钥闯鏊凶鳂I(yè)者的變動(dòng)量較音樂調(diào)節(jié)前有所降低；同時(shí)，熟練者的變動(dòng)量明顯低于非熟練者。說(shuō)明在音樂調(diào)節(jié)下，作業(yè)者趨于相對(duì)平穩(wěn)的工作狀態(tài)，工作負(fù)擔(dān)有所降低，肌肉緊張程度得到較有效的緩解。作業(yè)者3在音樂調(diào)節(jié)前后幾乎沒有變化，可能由于熟悉其工作條件和環(huán)境而始終保持平穩(wěn)狀態(tài)工作，或是對(duì)音樂的調(diào)節(jié)反映不大，其結(jié)果有待于進(jìn)一步考查。

圖3（c）為音樂調(diào)節(jié)前后作業(yè)者疲勞樣本方差，可以看出，所有作業(yè)者的變動(dòng)量較音樂調(diào)節(jié)前有所降低，尤其是熟練者的變動(dòng)量明顯低于非熟練者。說(shuō)明在音樂調(diào)節(jié)下，所有作業(yè)者趨于相對(duì)平穩(wěn)的工作狀態(tài)，其作業(yè)過(guò)程中工作負(fù)擔(dān)有所降低，視覺疲勞得到了有效緩解。作業(yè)者4在音樂調(diào)節(jié)前后幾乎沒有變化，與圖3（b）作業(yè)者3相同，其結(jié)果有待于進(jìn)一步考察。

圖3 音樂調(diào)整前后作業(yè)者腦波α/β波比、肌電位、疲勞樣本方差

所有變動(dòng)量較音樂調(diào)節(jié)前有所降低。尤其是非熟練者降低程度較大。說(shuō)明在音樂調(diào)節(jié)的作業(yè)條件下，變動(dòng)量降低，作業(yè)者趨于平穩(wěn)的工作狀態(tài)，工作負(fù)擔(dān)降低。進(jìn)一步驗(yàn)證在音樂的調(diào)節(jié)下，作業(yè)者的精神緊張與肌肉疲勞得到了有效緩解。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用手指靈活性測(cè)試儀及記憶能力測(cè)試儀以動(dòng)作分析、記憶分析模擬現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中精密作業(yè)，并通過(guò)腦波和肌電位以及臨界閃爍視覺頻率的檢測(cè)考察作業(yè)者的精神與肌肉緊張和疲勞程度。同時(shí)采用音樂調(diào)節(jié)緩解工作負(fù)擔(dān)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

1）所檢測(cè)的生理信息與疲勞存在著緊密定量關(guān)系。其作業(yè)者的工作負(fù)擔(dān)隨作業(yè)次數(shù)增加而增加，并且非熟練者高于熟練者。

2）音樂調(diào)節(jié)雖不能完全消除精神與肌肉緊張和疲勞，但對(duì)緩解與減輕工作負(fù)擔(dān)起到重要作用。

3）驗(yàn)證了生物科學(xué)的研究方法對(duì)評(píng)價(jià)生理檢測(cè)系統(tǒng)特殊工作條件下的工作負(fù)擔(dān)的可行性與可靠性。

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