田间作业中农机驾驶员心率与疲劳的测试分析

陈阳坚，赵永超，孔德刚，刘　玲，杨　航，吴　灿

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



田间作业中农机驾驶员心率与疲劳的测试分析

陈阳坚，赵永超，孔德刚，刘玲，杨航，吴灿

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：为了解田间作业时驾驶员的疲劳状况，对播种、割晒、深松浅翻和起垄等田间作业过程中驾驶员的心率和疲劳状况进行了测试、调查与分析。结果表明：在纯作业和田间转向作业中，国产履带拖拉机组驾驶员的心率增加率显著高于其他机组，属于中级劳动强度；大功率机组与小功率机组纯作业与田间转向时的驾驶员心率增加率无显著差异；同时，得出了各机组驾驶员可能承受的最长作业时间为10.7～16.7h，为分析驾驶疲劳产生的原因、减轻驾驶疲劳及改善驾驶环境提供了依据。

关键词：田间作业；驾驶疲劳；心率增加率；劳动强度；最长作业时间

0引言

拖拉机是播种、中耕、收获、整地和起垄等田间作业中最基本的动力装备，作为现代化农业生产的动力源，为保障国家粮食生产安全发挥着重要的作用。近年来，随着国产和进口拖拉机数量的增多，拖拉机作业事故发生率也显著升高，而因驾驶疲劳造成的事故占10%～20%[1-2]。进口拖拉机及其装备与国产相比，机组功率大、综合技术性能指标高，尤其是工作可靠、故障率低[3]，在国内依然占有较大的市场。另一方面，进口拖拉机的驾驶环境、操控性好且作业安全舒适，具有较高的人机工程学特性[4-6]，由驾驶疲劳引发的事故较少，综合效益较高。为了解田间作业中驾驶员的驾驶疲劳状况、研究驾驶进口拖拉机与国产拖拉机作业时驾驶疲劳的差异，本文依据驾驶作业中驾驶员心率变化与体能消耗及驾驶疲劳之间的相互关系[7-9]，对大豆春播、小麦割晒、深松浅翻及起垄等作业中8个机组驾驶员的心率进行了跟踪测试，并以心率增加率为评价指标对其驾驶疲劳状况、劳动强度等级进行了分析和判别。同时，根据相对心率计算分析各机组驾驶员可能承受的最长作业时间，进一步对作业中存在的问题进行研究分析，提出改善驾驶员作业条件和减轻驾驶疲劳的具体建议和措施。

1测试与调查

1.1测试仪器与被测机组

1)测试仪器。芬兰polar(博能)公司生产的S625X型和S810i型心率测试仪(采样间隔范围1～60 s，精度1/100 s)；秒表(超速达、精度1/1 000 s、可记忆数据200个)；电子秤(精度±0.1 kg)；钢卷尺(5 m)等。

2)被测机组。被测机组均为我国农业生产中广泛使用且具有代表性的机型。为避免争议，机型的具体型号用字母替代。机组主要性能参数如表1所示。

表1　被测机组主要性能参数

续表1

表中机组A、C、E中拖拉机为同一机型，机组H中的拖拉机为机组G中拖拉机的改进型。

1.2测试地点与被测人员

1)测试地点及作业内容。测试地点为黑龙江省嫩江县境内黑龙江农垦总局九三分局鹤山农场及双鸭山市宝清县东进村等地；作业内容为大豆播种作业、小麦割晒作业、深松浅翻作业及起垄作业。

2)被测人员。被测人员为黑龙江省农垦总局九三分局鹤山农场和双鸭山市宝清县东进村等场县的拖拉机驾驶员，从事6年以上拖拉机驾驶工作。驾驶员详细情况如表2所示。

表2　驾驶员详细情况

1.3测试方法

1)按人体尺寸测量标准GB/T5703-1999规定的方法测量驾驶员身高及体质量。

2)按心率测试仪的设置要求给驾驶员佩带，设定心率表采样时间，并与秒表同步启动。

3)在作业前让驾驶员静坐10min，测量驾驶员安静心率。

4)用心率测试仪跟踪记录驾驶员工作中的心率，同时详细记录驾驶员的作业内容；作业结束时停止测试和记录，并及时把测试得到的心率数据传输到计算机中，供研究分析使用。

5)测试前，确认各驾驶员未饮酒或服用过可能引起心率加速的药物，未进行过剧烈运动。

2疲劳评价与测试结果

2.1作业疲劳的心率评价法

评价作业疲劳最基本的方法有氧摄取量分析法和血中乳酸浓度测量法等[10-12]，但这些方法对于变负荷作业和移动性作业很难操作。在一定条件下，心率与氧摄取量有密切相关的比例关系，所以可以用心率来推测作业者的氧摄取量，进一步计算和评价作业者的疲劳程度。另外，心率不仅能评价体力性作业疲劳程度，还能评价机械操纵时的精神紧张程度[13-16]。与其他方法比较，移动性作业和变负荷作业中的作业者心率容易测取，所以心率作为评价机动车驾驶员作业疲劳的指标较为适用。

图1　积分计算示意图

该函数的积分值I可近似计算为

(1)

当人体静坐处于安静状态时，心率通常在相对稳定的值上下跳动，仅消耗维持坐姿的最基本的能量。当人进行生产劳动时，心率值在安静心率的基础上增加，波动幅度也相对加大，维持活动量大的作业需要消耗更多的能量，才能实现人体的代谢平衡。

作业引起的人体能量消耗(摄氧量或心率)等于该作业状态人体能量消耗(摄氧量或心率)与安静状态人体能量消耗(摄氧量或心率)的差值。因此，作业心率与安静心率的差值在时间上的积分相当于该时间内用于作业上的人体能量消耗。该积分值越高，人体消耗的能量就越多，人就会越容易疲劳。根据式(1)可分别计算出作业状态时的心率积分值IZ和安静状态时的心率积分值I0。由作业引起增加的部分能量ΔI为

ΔI=IZ-I0

(2)

将式(2)中的IZ和I0分别除以各自状态下的累计时间∑t，则可分别得到作业状态时的心率平均值RZ(次/min)(以下简称作业心率)和安静状态时的心率平均值R0(次/min)(以下简称安静心率)。作业心率RZ与安静心率R0之差称为心率增加量ΔR(次/min)，相当于单位时间内人体用于作业所付出能量的多少，其计量单位与心率的相同，即每分钟心脏跳动增加的次数。但每个人的安静心率R0和个体机能不同，在心率增加量ΔR相同的情况下，个体之间会显现出不同的差异。在相互比较时，为减小这种差异，用心率增加量ΔR除以安静心率R0，得到心率增加率r，单位为%。ΔR和r分别表示为

ΔR=RZ-R0

(3)

r=ΔR/R0

(4)

本文以心率增加率为评价指标分析田间作业中驾驶员的疲劳，并参考蔡启明提出的划分方法[17]，来判别驾驶不同机组进行不同田间作业时驾驶员的劳动强度等级。

另外，相对心率也被选择作为劳动强度的一个判定指标。文献[18]指出：相对心率与相对摄氧量基本一致，即

(5)

其中，VO2work为工作时的摄氧量，mL/(kg·min)；VO2rest为安静时的摄氧量，mL/(kg·min)；VO2max为最大摄氧量，mL/(kg·min)；RVO2为相对摄氧量，mL/(kg·min)；RHR为相对心率，%；Rmax为最大心率值，次/min；Rmax=220-年龄。

根据作业者的相对心率，可以计算其可承受的最长作业时间tmax。从理论上讲，当作业时间超过可能承受的最长作业时间时，作业者就会产生疲劳，注意力涣散，引起作业质量和作业效率下降，甚至导致事故发生。所以，用最长作业时间来合理地指导作业者进行作业，把作业者的作业时间限制在可承受的最长作业时间的范围内，可有效地减轻作业者的疲劳积累。可承受的最长作业时间计算公式[19]为

tmax=26.12e-4.81RHR(h)

(6)

2.2心率测试结果

在田间作业过程中，由于一些不确定因素的影响，驾驶员有时会停车接打电话或下车查看作业情况及排除故障等。为区别驾驶作业，将驾驶作业外的其他作业统称为辅助作业。辅助作业中，作业项目较多，各机型对比起来会有很多不同之处，但驾驶作业是所有机型的共有作业，本文只对田间作业过程中的驾驶作业进行研究和讨论。

图2是机组A播种作业过程中实测驾驶员心率历时变化曲线的一部分(因篇幅所限，其他机组的变化曲线从略)。根据现场作业情况的记录，把作业划分为驾驶作业(包括纯作业和田间转向作业)及辅助作业，并在图中加以标注。由图2可知：驾驶作业和辅助作业两种作业条件下驾驶员的心率明显不同。其中，驾驶作业时，心率变化较为平稳；辅助作业时，心率变化较大，增长幅度明显大于驾驶作业时心率。

①纯作业时心率；②转向作业时心率；③辅助作业时心率

对于测试数据，按照以下步骤和方法进行数据处理：把每个机组作业中测试的心率数据对照作业情况记录表按不同作业内容进行分类整理，分别计算出驾驶员安静心率R0、纯作业和田间转向作业时的心率RZ；按照式(3)和式(4)计算驾驶员不同作业时的心率增加量ΔR和心率增加率r。计算结果整理如表3所示。

3分析与讨论

3.1心率增加率分析

图3表示了不同田间作业时不同机组驾驶员的心率增加率的差异情况。由图3可知：纯作业时各机组驾驶员心率增加率的大小顺序为B>D>G>H>C>A>F>E；心率增加率最大的机组B的驾驶员为23.4%，最小的是机组E的驾驶员为8.8%。在田间转向作业时，各机组驾驶员心率增加率的大小顺序为B>F>D>C>H>G>E>A；心率增加率最大的机组B为33.0%，最小的是机组A为11.5%。

表3　驾驶员不同作业时心率的测试与计算结果

R0为安静心率；RZ为作业心率；ΔR为心率增加量；r为心率增加率。

图3　田间作业时驾驶员心率增加率

由t检验可知，同机型进口大型轮式拖拉机机组A、C、E在不同作业项目(大豆播种、小麦割晒、深松浅翻)及其不同作业内容(纯作业和田间转向)时驾驶员的心率增加率均无显著差异；各大型轮式机组A、C、D、E、F不同作业项目纯作业与田间转向时的驾驶员心率增加率无显著差异；同机型国产小型轮式拖拉机机组G、H在起垄作业中不同作业内容时的心率增加率也均无显著差异。这表明，对于同类机型，由不同作业项目、作业内容以及驾驶员个体引起的心率增加率变化较小，也表明心率增加率这一评价指标受个体差异影响较小。

机组B(国产履带式拖拉机)驾驶员在纯作业和田间转向作业时的心率增加率明显大于机组A、C、E(同机型进口轮式拖拉机)，其平均值存在显著差异(P<0.05)，表明机组B驾驶员驾驶时付出的能量(或疲劳程度)要大于机组A、C、E。比较机组B和机组A、C、E的驾驶方式及驾驶环境可知：机组B的转向机构为操纵杆，手和脚的动作幅度和所受作用力都较大；座椅减振性能差，驾驶室无空调，经常依靠打开门窗调整室温，驾驶员常受到较高履带噪声的作用。机组A、C、E的转向机构为方向盘，操控力和动作幅度都较小；座椅振动小，驾驶室封闭有空调配置，驾驶环境舒适。因此，可以认为操纵机构和驾驶室环境的差异是引起心率增加率增大的主要原因。

机组D、F驾驶员在纯作业时的心率增加率与机组A、C、E无明显差异，而在田间转向作业时机组D、F显著大于机组A、C、E(P<0.05)。比较分析其各机组的驾驶环境和机身大小可知：这5个机组同为轮式大型机，都是封闭驾驶室，都具有空调系统和减振座椅，驾驶环境良好；但机组D、F的机身尺寸(长×宽)明显大于机组A、C、E的机身尺寸(见表1)。一般来说，机身幅宽和长度较大的机组转向灵活度较差，转向时驾驶员注意力需要高度集中、精神相对紧张，心率随之增大。因此，可以说机组D、F的机身尺寸(长×宽)较大引起驾驶员精神负担加重，是导致驾驶员在田间转向时心率增大的主要原因。

驾驶小功率机组G、H与驾驶大功率机组A、C、D、E、F驾驶员的心率增加率并无显著差异。这是因为机组G、H虽然是轮式小功率拖拉机，作业幅度小，但无封闭驾驶室和有效的减振装置，驾驶员受较大的座椅振动和较高的噪声作用，引起心率增加率增大。另外，机组G、H与其他各机组不同，出现驾驶员纯作业时的心率增加率大于田间转向作业时的现象(见图3)。其原因是：小功率机组G、H的机身幅宽和长度较小(见表1)，转向时便于瞭望，并且速度慢，驾驶员精神放松负担较轻，其心率自然下降；而纯作业时的速度相对较快，驾驶员受振动、噪声、风尘、日晒等多种不利因素作用，使体力和精神负担都加重，导致心率加快。

3.2驾驶员劳动强度分析与判定

对于劳动强度，有很多研究者根据作业者心率变化提出不同的判别方法。我国学者蔡启明提出了根据运动时的心率和安静时心率的比值大小(等于心率增加率+100%)划分劳动强度等级的方法[17]。本文在分析驾驶员田间作业心率增加率的基础上，进一步参考蔡启明提出的划分方法，使用心率增加率判别驾驶员田间作业的劳动强度等级。

为了判定拖拉机驾驶员田间作业的劳动强度，将驾驶员田间作业时的心率增加率及劳动强度等级划分方法列于表4中。

表4　驾驶员劳动强度判定表

由表4可知：驾驶机组B纯作业和田间转向作业及驾驶机组F田间转向作业属于中级劳动强度；其他机组驾驶员进行纯作业和田间转向作业属于轻级劳动强度。机组D田间转向的心率增加率十分接近中级劳动强度。由现场调查记录可知：该机割台前置、转向轮在后，转向机构灵活，因此转向时角速度较大，在这种情况下，驾驶员常处于紧张状态而使心率升高。其他机组在不同作业时根据心率增加率判断为轻级劳动强度，但并不意味着驾驶员的作业疲劳程度低。作业者的疲劳不仅与劳动强度大小有关，还与劳动时间长短有密切关系[20]，即使是轻、中级劳动强度的作业，也不宜超过国家规定的驾驶作业时间。

3.3田间作业可能的最长驾驶时间

根据公式(6)计算出各机组驾驶员田间作业时可能承受的最长作业时间，如表5所示。由表5可知：最长作业时间在10.7～16.7h之间；机组E、F的最长作业时间(大于16 h)较长，可认为是深松浅翻作业的作业速度相对较慢，精神紧张度低于其他作业；机组G、H的最长作业时间(小于11 h)较短，主要是因为这两个机组均无驾驶室，驾驶员身处风吹日晒、噪音、振动、排气管尾气的烟熏等相对恶劣的驾驶环境。实际调查中发现：为了追求更大的经济利益，驾驶员每天的驾驶作业时间均在12h以上，有的甚至达到16～17h，远超过国家规定的每天8h作业时间。特别是在春播和秋收作业期间，这种情况更为严重。由于驾驶员得不到充足的时间恢复精神状态和体力，长时间的驾驶疲劳不断积累，不但作业安全和质量得不到保证，而且驾驶员的身体健康也受到侵害。

表5　各机组中驾驶员可能承受的最长作业时间

4结论与建议

1)国产履带式拖拉机组驾驶员的心率增加率在纯作业时(23.4%)和田间转向时(33.0%)均为最高，显著高于其他被测试机组，属于中级劳动强度。其操控方式和作业环境的差异是国产履带式拖拉机播种机组中驾驶员心率增加率偏高、劳动强度较大的主要原因。

2)进口自走轮式割晒机组、国产轮式拖拉机深翻机组的驾驶员进行田间转向作业时的心率增加率显著高于其他轮式拖拉机组，属于中级劳动强度。这两个机组的机身尺寸(长×宽)较大，转向时驾驶员相对紧张精神负担加重，是导致驾驶员在田间转向时心率加快、劳动强度增大的主要原因。

3)小功率机组与大功率机组的驾驶员的心率增加率并无显著差异，主要是因为小功率机组均无驾驶室和有效的减振装置，驾驶员在田间驾驶作业时受振动、噪声、排气、风尘和日晒等因素综合作用，使体力和精神负担都加大，导致心率升高。

4)各机组驾驶员可能承受的最长作业时间为10.7～16.7 h，小功率机组最短(不足11 h)。实际的春播和秋收作业日工作时间多数超过各自机组的可能的最长作业时间，为避免疲劳驾驶或疲劳过度积累而引发作业事故，建议实行倒班制作业。

建议国产拖拉机在提高技术性能的同时，重视提高其人机工程学特性，减振降噪、提高操控性能、改善驾驶环境，以减轻驾驶疲劳和降低事故发生率，提高国产拖拉机的国际竞争力。

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Test and Analysis on Heart Rate and Fatigue of Agricultural Drivers in Field Work

Chen Yangjian, Zhao Yongchao, Kong Degang, Liu Ling, Yang Hang, Wu Can

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to find out the fatigue condition of the drivers in field work, the heart rate and fatigue condition of the drivers in sowing, harvesting, deep scarification and till with shallow depth and ridging work were surveyed, tested and analyzed.The results indicated that the heart rate increase of the driver from domestic crawler tractor in pure field work and shift work significantly is higher than other units, and classified intermediate labor intensity.The heart rate increase of the drivers between big-power units and low-power units have no significant differences in pure field work and shift work. The maximum acceptable work times of drivers were calculated. The results can provide basis for analyzing the causes of driving fatigue and improving driver's work condition and reducing driving fatigue.

Key words：field work; driving fatigue; heart rate increase; labor intensity; maximum acceptable work time

文章编号：1003-188X(2016)02-0222-06

中图分类号：S219.032.9

文献标识码：A

作者简介：陈阳坚(1988-)，男，湖南株洲人，硕士研究生，(E-mail)chenyjneau@126.com。通讯作者：孔德刚(1956-)，男，吉林白山人，教授，博士生导师，(E-mail)kong-degang@hotmail.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-1)

收稿日期：2015-01-27