这是神经工程管理第37篇推送
内容来源：张梦梦
本期编辑：张晓洁
校 对：郭晓彤
审 核：邢雪娇（本文第一作者）
仅用于学术交流，原文版权归原作者和原发
本文是针对论文《建筑工人体力疲劳对心理疲劳的诱导作用：基于神经生理学方法的探索性研究》（Effects of physical fatigue on the induction of mental fatigue of construction workers: A pilot study based on a neurophysiological approach）的一篇论文解析，这篇论文旨在利用脑电技术探索建筑施工现场中，工人体力疲劳对心理疲劳的诱导作用。该篇论文在2020年发表于《Automation in Construction》期刊。
发表时间：2020年
发表期刊：《Automation in Construction》
作者：Xuejiao Xing, Botao Zhong, Hanbin Luo, Timothy Rose, Jue Li, Maxwell Fordjour Antwi-Afari
在动态和复杂的工作环境中，相比于一般工作场所，建筑工地工人的疲劳状态(包括体力和心理疲劳)往往对工作绩效有更严重的影响。提高现场安全管理水平，迫切需要有效的工人疲劳管理措施。具体来说，有些建筑活动需要体力和认知上的共同努力。确定体力和心理疲劳与工作绩效之间的相关性，是提出可行的疲劳管理措施的关键前提。本研究采用探索性研究的方法，探讨体力疲劳对建筑工人心理疲劳的诱导作用。首先设计不同强度的人工搬运任务，以刺激某些预期的体力疲劳状态。然后安排需要认知的风险识别任务来诱发心理疲劳，在此过程中，使用可穿戴式脑电图(EEG)传感器进行疲劳检测和测量。通过基于脑电节律的综合数据分析方法，发现高体力疲劳可显著加速诱导心理疲劳。考虑到资源的分配，在高强度的人工搬运任务中，高度控制肢体和注意台阶需要更多的警惕和注意力资源。因此，在风险识别任务中，为了维持相同的认知表现水平，投入了额外的资源，导致了心理疲劳的增加。事实上，繁重的体力劳动可以被认为是影响心理疲劳状态发展的因素之一，从而损害大脑的认知功能和其他精神表现。探索性研究结果可为建筑工人的疲劳管理提供参考，促进建筑工地的全面安全管理。
关键词：建筑活动；体力疲劳；心理疲劳；相关性和影响；探索性研究
施工是一个动态的、复杂的过程，具有独特的工作条件。由于各种风险因素的存在，风险事件频繁发生，可能导致安全事故和财产损失。据中国住房和城乡建设部统计，2018年前三季度，中国建筑业共发生581起安全事故，673人死亡。为减少建筑工地的潜在风险，改善施工安全，建立综合管理制度的积极性得到了激励，关于建筑工人管理的条例得到了更大的重视。由于工作负荷过重，工人容易在疲劳状态下进行施工活动，疲劳导致的认知问题会引发工人的不安全行为。
由于建筑工地比一般工作场所更动态变化且更具风险，工人疲劳对工作绩效的影响可能会更严重。因此，有必要采取有效的疲劳监测和管理手段来测量、缓解和管理工人的疲劳，从而促进施工现场的全面安全管理。本研究关注不同体力疲劳水平下认知任务(不涉及高强度认知负荷)中心理疲劳的发展，即探究体力疲劳是否会对建筑工人心理疲劳产生诱导作用。这对分析体力疲劳和心理疲劳的相互作用规律以及疲劳的发展机制具有重要的参考价值。进而，针对疲劳管理提出有针对性的建议，促进施工现场的全面安全管理，这是这项研究的起点。
疲劳管理
疲劳是各种工作场所常见但值得注意的现象，是由高强度的体力劳动或脑力劳动引起的，与疲劳相关的研究已经在各种各样的领域中开展。建筑活动涉及一系列工作量大、风险敏感的任务，需要对建筑工人的体力和精神状况提出更严格的要求，以管理工作绩效(例如工人的安全和健康、建筑质量和生产力)。因而，研究人员越来越关注建筑工人的体力/精神状态。
以往的研究主要集中在疲劳/精神状态检测及其对工作绩效或安全结果的影响上，很少有研究集中在改善建筑工人的疲劳管理上。在实践中，建筑工人的疲劳管理仍然是施工现场安全管理中相对薄弱的环节，需要全面、有区别、清晰、可行的管理规章和措施。
体力疲劳和心理疲劳的相关性
疲劳作为一个概念已被广泛接受，在现有文献中通常被描述为体力疲劳或心理疲劳。心理疲劳一直被认为是影响工作绩效的关键因素，它与工作效率低下、出错风险增加、甚至慢性和危及生命的问题密切相关。现有的疲劳相关研究大多集中在某些领域的体力疲劳或心理疲劳，以体力疲劳和心理疲劳为自变量，提出并应用不同的疲劳监测指标。
一般来说，有许多类型的建筑活动不仅要求工人发挥身体机能，利用体力来执行任务，同时还需要认知功能，来规划和完成任务。因此，在建筑工人疲劳管理中应考虑体力和心理疲劳之间的联系和相互作用。近年来，在各个领域中，关于体力和心理疲劳之间关系的研究越来越多，大部分研究集中在心理疲劳对体力表现的影响上。目前只有有限的研究集中在建筑行业中体力和心理疲劳之间的关系上。此外，考虑到建筑活动的具体工作特征，很少有人尝试检查建筑工人的体力疲劳和心理疲劳之间的相关性和影响机制。因此，目前尚不清楚体力疲劳对心理疲劳的诱导作用，制约了建筑工地全面差异化疲劳管理措施的发展。
体力疲劳和心理疲劳的识别
疲劳的测量和量化是疲劳评估中改善疲劳管理的关键问题之一，问卷调查和访谈调查是疲劳相关研究中最常用的方法，采用主观评价为主的评估量表。此外，生理测量也已逐渐应用于体力疲劳的测量。
心理疲劳可以在主观、行为和生理上表现出来，一个人可以在一定程度上改变心理疲劳，例如主观疲劳水平的显著增加（如，疲倦的感觉、机敏性和动力的降低），表现为生理反应的急剧变化以及认知能力的下降。许多基于这些表现的心理疲劳识别和测量方法已在先前的研究中得到应用，特别是脑电图(EEG)已经被用来定量地检测和测量脑电活动，克服了传统调查评估的主观偏见。脑电图客观地反映了神经机制其对心理疲劳的研究结果可为实际的疲劳管理提供有力的理论基础。
实验设计
为了检验不同程度体力疲劳影响下心理疲劳的发展，本研究采用了四个相互独立的实验(即实验1-4)。每个实验包括三个主要阶段：体力疲劳诱发(分为不同强度的体力任务)，心理疲劳诱发和脑电图收集。为了减少其他因素的干扰，一个实验对象在同一天进行四次实验。每两次实验之间有足够的休息，以从产生的疲劳中恢复。实验过程和实验任务的详细信息如下：
体力疲劳诱发：通过人工搬运重物(15公斤)，在起落材料时采用蹲姿，来模拟实际施工工作。为了复制建筑工地动态和危险的环境(例如，不平整的地面和堆放)，要求被试搬重物上下楼梯，保持警惕和密切关注，小心翼翼地注意台阶。
心理疲劳诱发：采用了一种风险识别任务。这一心理疲劳诱发是根据一系列实际施工现场的图片设计的，图片集中目标图片(包含有潜在风险的特定施工场景)占20%。实验中，不同的图片依次以4s的间隔出现在电脑屏幕上，在这种很费脑力的情况下，被试需要从图片集中逐一聚焦、识别和判断目标图片。
脑电图收集：在每个实验中，风险识别任务完成后，使用脑电图传感器记录被试1min的精神状态。本研究使用了一种可穿戴式脑电图设备(EMOTIV EPOC+ 14通道移动脑电图)，该设备具有14个电极通道，分别对应于头皮的不同位置(图2)。原始脑电图数据可以通过无线接收器以128Hz的采样频率实时传输。采集脑电图数据时，要求被试静坐，限制体力活动，闭眼冥想，这样可以在不受外界信号干扰而产生过大噪声的情况下测量和采集脑电图信号。
探索性研究和数据收集
实验对象：在香港理工大学招募9名年龄在25 – 40岁的健康人士。
实验要求：首先，身体健康，没有精神疾病，即没有可能影响大脑功能的神经疾病史和药物摄入。其次，具备基本的工程专业知识和现场施工经验，如土木工程建设、工程管理或其他相关专业，有在建筑工地实习/工作经验)。
实验场所：香港理工大学室内实验室。
考虑到学习效果，所有被试在主实验前都要参加一个预培训会。首先，向被试介绍整个实验过程。然后，说明哪些是风险识别任务中的目标图片以及如何指出所涉及的潜在风险因素。在预训练会议期间，除了主实验中使用的图片集外，还会向每个被试展示另外四组实际施工现场的图片集。
实验过程：实验1中，首先在风险识别任务前采集1min的脑电图信号(即数据1)，作为实验基线(反映无体力或心理疲劳的状态)。然后，被试被要求使用电脑屏幕进行15分钟的风险识别任务(图3)。在这项任务中，被试被提醒要专注于不断变化的图片，一旦目标图片出现，被试指出并记录相关的潜在危险因素(如:没有防护服、边缘防护不合格、脚手架工程不合格)，然后再记录1 min的脑电图(即数据2)。
在实验2/3/4中，被试首先被要求进行人工搬运任务，不同强度刺激的人工搬运任务被用来实现不同的疲劳水平。四项实验的体力任务强度(即人工搬运任务的持续时间)应考虑个体差异，在体力疲劳诱发阶段，采用Borg的主观疲劳量表(RPE)来测量感知疲劳水平，根据RPE中对疲劳的描述，将“RPE 12-14”“RPE 15-16”和“RPE 17-20”分别定义为低疲劳、中疲劳和高疲劳，相应地，它们也可以被主观描述为有点累、累、非常累。在体力疲劳诱发阶段，被试被安排以较快但稳定的步行速度完成人工搬运任务，每隔2分钟，他们就需要对自己的体力疲劳程度进行口头反馈，记录每个被试的简要信息和在规定时间内报告的疲劳水平，见表1。考虑到个体差异，将被试三种疲劳水平的时间阈值设置为相应实验中人工搬运任务的定义时间。
在体力疲劳诱发阶段，要求所有被试穿戴个人防护装备和鞋子，并注意楼梯的高度差，防止意外伤害。然后，将风险识别任务所用的不同图片排列好，以避免影响学习效果。在每次实验结束时，测量1min的脑电图数据(即数据3-5)。实验结束后，9名被试共从风险识别任务中获取了36条安全性能记录和45个脑电数据段。
数据处理与分析
数据处理：在脑电数据采集期间，要求被试缓慢而均匀地呼吸，闭上眼睛，这样就不会产生过多的内在和外在的伪迹。考虑到脑电图信号的灵敏度和后期数据统计的准确性，采用滤波和独立成分分析(ICA)对数据进行预处理，进一步去除频率噪声。本研究通过hamming窗sinc FIR滤波器去除低频噪声(0.5 Hz及以下)和高频噪声(40 Hz及以上)，滤除目标频谱以外的频率噪声(如通常的线噪声或白噪声)。然后，使用独立成分分析(ICA)来保留有效成分，并去除内在伪迹的噪声成分(如眼球运动和面部肌肉活动)(图4)。考虑到不同频带功率(即脑电信号的显著成分)的生理意义，研究人员探索了复杂的人类社会心理条件与脑电信号之间的关系。前期研究表明，心理疲劳的早期阶段与θ (4-8 Hz)、α (8-13 Hz)、β (13-30 Hz)频带密切相关。采用六层小波包分解和再建方法滤除相关频带。
心理疲劳指征与分析：本研究采用了一种基于脑电节律的综合数据分析方法。首先，观测兴趣频带功率(即theta、alpha和beta)的脑皮层分布和变化。然后，使用总平均功率谱密度(PSD)显示被试在不同数据段中的总体趋势。考虑到心理疲劳在大脑特定区域的调节，分析了不同数据段的theta、alpha和beta的归一化强度，重点分析了整个大脑、额叶、颞叶皮层。基于不同频带功率的生理意义，本研究采用(theta+alpha)/beta定量检测心理疲劳水平，放大单个脑电节律的差异。
以被试5为例，将四次实验中theta、alpha和beta功率的总体平均分布及其变化呈现在下面的拓扑结构中（图5）。根据这些脑皮层分布数据，在整个实验过程中，整个大脑都有直观的激活和相关能量的变化。
9名被试在5个数据段的总平均功率谱密度(PSD)如图6所示。如图红色网格线区域所示，与数据基线(即数据1)相比，在高体力疲劳水平下(即数据5)进行风险识别任务后，alpha（8-13Hz）功率显著增加。而其他反映不同体力疲劳水平下精神状态的数据段，在相关频域上没有明显的突变。
考虑到整个大脑和额叶、颞叶皮层，五个数据段的theta、alpha、beta归一化强度如图7所示。
采用配对t检验分析，检验不同体力疲劳水平对心理疲劳的诱导作用(表2)。即将2 – 5数据段的心理疲劳状态(以脑电图指数和兴趣频带表示)分别与1数据段的基线状态进行比较。观察到：（1）在数据段5中，心理疲劳（（θ+α）/β）显著增加，这是在高度体力疲劳下诱发的精神状态；（2）在数据段5中，整个大脑的α功率显著增加；（3）额叶和颞叶皮层数据也显示数据段5的心理疲劳明显增加。
体力疲劳对心理疲劳的诱导作用
本研究根据每个实验的测试精度，记录并描述每个被试在风险识别任务中的表现(表3)。本研究采用组内比较的方法进行数据分析，报告四次实验中每个被试疲劳状态的趋势。根据表3进行统计分析，实验1的测试精度与其他实验无显著差异，主要是被试在有限的测试时间(15分钟)和任务过程中被观察和提醒保持专注。
测试精度=（识别出的有潜在风险的照片数/有潜在风险的照片数）*100% 其中，测试精度被定义为目标图片的查准率。
揭示被试在某些体力和脑力任务下心理疲劳的变化倾向,收集被试在五个特定时间(即数据段1-5)的脑电图数据,并计算数据段2-5的心理疲劳状态及与基线数据段1精神状态的差异。比较数据段2和1脑电图数据时，我们发现有时间限制且需要认知的任务本身并不能有效地诱发心理疲劳；比较数据段3或4和1的脑电图数据时，我们发现低、中体力疲劳水平对心理疲劳的诱导仍无显著影响；但是，在比较高疲劳水平（即数据段5）和数据段1的脑电图数据时，体力疲劳对心理疲劳的诱发作用变得明显了。(θ + α)/β指数可以反映整个大脑、额叶、颞叶皮层的显著发育。如图8所示，尽管存在个体差异，但我们观察到高体力疲劳下的认知需要任务明显导致了心理疲劳的上升趋势。
在本研究的人工操作任务中，需要高度的注意资源以控制肘部、膝盖及行走。在后期风险识别任务中，被试被提示在任务过程中保持专注，四个实验的测试精度无显著差异。但是，为了保持同样的表现水平(特别是在高体力疲劳的情况下)，投入了额外的资源，这可能是明显诱发心理疲劳的原因。
基于探索性研究结果的疲劳管理建议
探索性研究结果表明，由高强度体力活动引起的高强度体力疲劳可能会加速心理疲劳的发展。通过探索体力疲劳对心理疲劳的诱导作用，探索性研究结果为建筑工人的疲劳管理提供参考，进一步促进建筑工地安全管理。
1. 与心理疲劳相比，体力疲劳的状态是相对主导的，是可以量化的，可以从任务强度和工作量的角度进行管理。
2. 考虑到某些建筑活动对工人精神状态的要求，对于需要体力劳动的任务，应设定适度的工作强度范围。
3. 应根据个人差异，提出有针对性的疲劳管理措施。
4. 当被试在预实验中被允许练习风险识别任务时，后期的测试成绩明显好于初始阶段，当在相对放松的状态时，测试精度更高，这一预实验结果主要归因于被试对认知任务的熟悉程度。在实践中，充分可行的岗前培训对于建筑工人熟悉一定的工作任务，减少不必要的脑力负荷是很有价值的。此外，从疲劳管理的角度来看，进行现场安全培训也有实际的好处。
局限性和后续工作
第一，在实践中，施工现场的工作环境是动态的、复杂的。本研究设计和采用的室内实验仅模拟了一个工作场景，远未捕捉到所有外部环境干扰因素。将来，全面的现场实验将有助于验证多种环境干扰因素。
第二，通过组内比较，本研究只关注不同体力任务强度影响下心理疲劳状态的发展趋势。未对不同心理疲劳水平之间的阈值进行检验。
第三，基于自我报告的方法识别并记录体力疲劳程度。未来在体力疲劳和心理疲劳相互作用的研究中，可以探索一种综合的方法(如利用生理或生物力学指标测量方法)，以更客观、实时地识别和测量体力疲劳。
第四，作为一项探索性研究，参与该研究的被试数量不足以捕捉实践中可能遇到的广泛的潜在个人差异。建议在未来的工作中增加更多的研究对象(特别是针对特定的工作者群体)，以提高研究成果的有效性。从而制定出有针对性、个性化的疲劳管理措施，为施工安全管理提供实际效益。
本初步研究探讨了建筑工人体力疲劳对心理疲劳的诱导作用。在不同的体力任务强度下，通过一项认知需要任务诱发了不同的心理疲劳状态，并利用可穿戴式脑电图感器进行测量。通过组内比较，分析体力疲劳影响下心理疲劳强度的变化趋势。研究结果表明，认知任务本身可能不包含高强度的认知负荷，但是高强度的体力疲劳会诱发心理疲劳。因此，高强度体力任务诱发的疲劳可以被认为是损害认知功能和其他精神表现的因素之一。在探索性研究的基础上，未来还将进行更多的现场实验，研究结果为改善建筑工人的疲劳管理提供了基础参考。从而提出有针对性的建议和疲劳对策，促进施工现场的全面安全管理。
Xing X, Zhong B, Luo H, Rose T, Li J, Antwi-Afari, MF. Effects of physical fatigue on the induction of mental fatigue of construction workers: A pilot study based on a neurophysiological approach [J]. Automation in Construction, 2020, 120: 103381.
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