陈仲瀚 杨铁滨 覃子健 林金山 李星乐

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

林业调查、规划、设计、监测与消防等工作都需要在森林等自然环境中长时间徒步行走以完成任务。除消防战士经过身体素质选拔外，其余的林业工作人员则不需要经过身体素质检测和体能培训。不论上述哪种情况，都需要评估工作者的徒步工作能力从而确定合理的工作任务。因此，根据个人身体素质、林业工作要求和环境特点等因素估算林业工作者徒步工作能力，对科学地制定林业工作计划和工作组织具有重要的意义。

体力作业能力随作业时间的增长下降得非常迅速[1]。美国国家职业安全和健康研究所(NIOSH)声明，工作者不应以最大有氧能力的33%水平持续工作8 h以上。如果作业的能量需要超出个人有氧能力极限的30%～40%，则在8 h工作期间或结束时有全身疲劳的感觉。在工作轮班内,作业的耗氧量为有氧能力极限(VO2max)的30%时的体力负荷为最佳。从长期考虑，工作班次内的耗氧量超过最大氧耗的50%时会影响工作者的健康[2]。

1 估算体力工作能力的方法

在工作生理学和工效学研究中，耗氧量和心率经常用来计量体力作业的工作负荷，此外还有血压、每分通气量以及主观测量。

耗氧量与能耗之间的线性关系为每消耗一升氧约释放4.8 kcal左右的能量。通过测量单位时间内呼出空气量和呼出空气中的氧比例与吸入空气中的氧比例间的差值能够准确确定耗氧量(VO2)[2]。VO2是目前体力工作负荷评估的金标准[1],但在实际工作中测量VO2有困难。在直接测量VO2的过程中，被试者需要佩戴面罩、口具、通气管和空气阀等设备，这些设备将对被试者的工作造成呼吸障碍等影响，因此建立耗氧量和体力工作负荷之间关系的实验只能在跑步机等专用设备上完成，很难进行实地测量。

血压测定需要被试者停止工作进行测量，所以往往用于静态姿势作业工作负荷的测量，每分通气量经常与耗氧量一同测量，并作为情绪应激的指标。工作负荷的主观评定采用体力消耗的主观评价(Borg RPE)量表，主观量表测量虽然简单方便，但容易受工作满意度、动机等情绪性因素的影响，所以科研人员经常将主观评定和生理测量方法结合起来测量体力工作负荷[2]。

在以往的研究中，心率受情绪、饮食、工作姿势、个体差异和热负荷等因素的影响，所以在评价能耗指标时心率不如耗氧量可靠[3]。但随着可穿戴传感器的发展，心率的测量和监测变得非常容易，且不会影响工作者的工作。研究表明，在特定的工作条件下(比如林业作业)，心率和耗氧量成线性相关。这样通过测量工作心率就能够对林业工作者工作中的VO2做出相当准确的估计[4]。由于心率和耗氧量间的关系存在个体差异，传统的估测方法是在进行工作负荷的估计之前对每一个工作者的心率-耗氧量关系进行标定，再用工作中的实际心率数据通过标定模型估计能耗率。但在实际的林业工作中，研究者期望应用可穿戴式传感器建立一种更直接的、不需要标定的心率-工作能力估测方法，从而更安全而经济地计划、安排各种林业作业工作量。

2 心率-耗氧量关系

使用心率，同时又不需要标定特定工作者个人心率-耗氧量关系的工作能力估测方法主要有两种。一种是ISO 8996—2004提供的估算方法[5]，另一种是Ueno提供的模型[4]。

2.1 ISO 8996—2004的公式法

这种方法不用标定个人的工作代谢率(WM-HR)关系，但需要测定心率的热成分。根据ISO 8996—2004提供的方法，工作代谢率WMISOForm为：

(1)

其中：MwcISO=(41.7-0.22×Age)×Weight0.666

(2)

Age为年龄，Weight为体重(kg)

最大心率：HRmax=205-0.62×Age

(3)

静息代谢率：Mrest=55(Watts·m-2)

HRrest为被试者的静息心率；HRWM为被试者工作中的1分钟平均心率，HRcorr为修正心率。使用这种方法计算工作代谢率时，需要使用修正心率(HRcorr)代替实测的工作心率(HRWM)，即从工作心率中扣除心率的热成分，否则将造成对工作代谢率的过高估计[6]。心率中的热成分为从工作状态转入静息状态4分钟后的心率与静息心率的差值。成年人心率热成分的平均值为21b mp。

2.2 Ueno模型

如果既不能标定个人的WM-HR关系，也不能测定心率的热成分时，可以使用Ueno提供的模型。Ueno的模型分2种情况。

(1)对年轻人(年龄小于22.9 a)，工作代谢率WMUENO为：

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

(4)

(2)对年长者(年龄大于61.7 a)，工作代谢率WMUENO为：

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

(5)

(6)

心率储备率：HRres(%)=100×(HRWM-HRrest)/(HRmax-HRrest)

(7)

最大心率：HRMAX=220-Age

(8)

年龄在22.9～61.7 a的工作者，采用公式(4)和公式(5)的插值进行计算。

2.3 单位转换

以上2种方法计算得到的工作代谢率的单位均为Watts·M-2，当与有氧能力比较时还需转换为ml·kg-1·min-1。其转换公式为：

WM(ml·kg-1·min-1)=

(9)

其中体表面积：

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

(10)

2.4 有氧能力极限(VO2max)的估算

有氧能力极限与年龄、性别、体质和生活习惯等因素有关。对于40 a以上、不吸烟、身体正常的男性工作者，其有氧能力极限可以用最大心率与静息心率的比值乘以一个系数估算。例如对于50 a不吸烟、身体健康的男性工作者，这个系数为12。对于18～40 a身体健康的男性工作者，确定这个系数可以参考Pat等的研究[7-8]。从工作者身体健康和劳动安全的角度考虑，工作强度水平在有氧能力极限的30%为最佳，应控制在30%～40%，50%以上会对健康不利。

3 实验与计算实例

为检验上述方法的可行性和有效性，对2名身体健康的男性受试者进行徒步负重实验，用ISO 8996—2004和Ueno模型进行试算。

3.1 ISO 8996—2004模型实例

实验者1年龄50 a，体质量67.5 kg，身高171 cm，静息心率68 bmp。实验条件和计算方法为：步行速度5 km/h，负重20 kg，温湿度适宜的环境，步行15min；心率测量设备为Honor 6手环，采用ISO 8996—2004的公式法进行计算。实测其工作心率为120 bmp，心率的热成分(ΔHRT)为22 bmp，计算步骤与结果见表1。

表1 ISO 8996—2004模型计算步骤与结果

3.2 Ueno模型实例

实验者2年龄21 a，在校大学生，体质量55 kg，身高173 cm，静息心率80 bmp。实验条件和计算方法为：步行速度5 km/h，负重20 kg，环境温度18 ℃，湿度适宜的环境，步行15 min；心率测量设备为Honor 6手环，采用Ueno模型进行计算。实测其工作心率120 bmp，计算步骤与结果见表2。

表2 Ueno模型计算步骤与结果

4 分析与讨论

实验者1～50 a的中年男性，经常从事步行活动，对负重步行的耐受能力较强，其计算得到的有氧能力百分比为46.14%，根据有氧能力百分比与工作时间的关系函数[1，3]，其可持续的工作时间约为3 h。实验者2为青年学生，不经常从事负重徒步活动，静息心率较高，其计算得到的有氧能力百分比为55.15%，此条件下可持续的工作时间约为2 h。计算结果表明，被试者不应在此条件下长期工作。若要提高工作持续时间应减轻负重或降低步行速度。2名被试者实验后的10分体力消耗主观评价量表评价分数都为5，即不太困难,但呼吸变得沉重。主客观的分析结果一致，进一步证明了上述估算模型的有效性，为林业徒步工作者工作能力估算提供了具有实践意义的参考方法。

5 结论

实验结果表明2种模型都适合林业工作者徒步工作能力的估算，在能够测定心率的热成分的条件下，应用ISO 8996—2004提供的方法较为准确。在不能测定心率的热成分时，可以使用Ueno提供的模型。这2种方法不用标定工作者个人的工作代谢率与心率的关系，方法简便易行。

为增加徒步能力估算的可靠性，后续的研究应增加受试者样本量，扩大受试者身体特征范围，建立不同条件下的林业实际工作环境实验数据。此外，为提高林业工作者的徒步工作能力，应进行改进负重方式和负重装备的研究，以提高工作人员的工作能力，降低职业健康风险。