疲勞對礦工不安全行為影響的ERP實驗研究*

李紅霞，薛建文，楊妍

(西安科技大學管理學院，陜西西安710054)

疲勞對礦工不安全行為影響的ERP實驗研究*

李紅霞，薛建文，楊妍

(西安科技大學管理學院，陜西西安710054)

∶煤礦企業(yè)的生產(chǎn)事故中有80%是由人的不安全行為引起的。預防和控制煤礦中人的不安全行為是減少人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失、保障安全生產(chǎn)順利進行的關鍵環(huán)節(jié)。文中運用腦電測量實驗，基于疲勞對礦工不安全行為的影響，結合神經(jīng)管理學和安全管理學理論與方法，對疲勞狀態(tài)下礦工的不安全行為進行實驗研究，構建了由刺激發(fā)生系統(tǒng)(STIM)、信號采集與處理系統(tǒng)、被試反應系統(tǒng)、數(shù)字放大器等組成的事件相關電位(ERP)測量系統(tǒng)，并選取了15名實驗對象作為被測試者開展實驗研究，對被試者疲勞前后注意力的腦電信號指標進行測量。當被試者疲勞時，注意能力有所下降，ERP實驗中的朝向反應實驗可以反映出這種變化。實驗分別對被試者在疲勞前后腦電信號P3a成分進行測量，結果表明疲勞前后P3a成分的波幅、潛伏期都有不同程度的變化，疲勞對被測試者腦電信號的波幅、潛伏期影響明顯，疲勞時被試者注意力下降，更容易出現(xiàn)不安全行為。

∶疲勞;礦工不安全行為;事件相關電位

0 引言

安全生產(chǎn)是煤礦行業(yè)永恒的主題，礦工工作與其他職業(yè)相比更有其行業(yè)特殊性，長期單調(diào)繁重的勞動、惡劣環(huán)境極易導致精神壓力大和身心憔悴。長時間的疲勞狀態(tài)會使人以一種消極的、麻木不仁的態(tài)度應對工作，在執(zhí)行各項安全操作規(guī)程時缺乏應有的安全敏感性，從而導致安全意識下降，這些都將成為礦難事故的隱患。

目前，國內(nèi)外一些學者如Reason［1］，Jonson［2］，Hollnagel［3］，巴甫洛夫［4］、李紅霞，田水承［5］、傅貴［6］、曹慶仁［7］、劉斌、羅云［8］等從不同方面研究了礦工不安全行為的發(fā)生機理，國外學者基于人因失誤的基本原理，構造出不同的致因模型，解釋不安全行為發(fā)生的深層原因。楊盼［9］、Dennis Wylie［10］、周玲［11］、尹小琳［12］、趙小松［13］、邢娟娟［14-15］從不同方面研究了疲勞的定義、分類以及疲勞的影響因素。牛清寧［16］等通過實驗測量等方式，研究了疲勞的具體測量問題，通過實驗測量的生理參數(shù)來對疲勞進行量化研究。

而國內(nèi)學者的研究主要集中在不安全行為在煤礦事故中的作用方面。礦工不安全行為發(fā)生過程中其心理情況往往會通過生理參數(shù)反映出來，如腦電、心電、皮電、眼動等，這些生理、心理參數(shù)均可以通過實驗儀器進行測量。因此，在研究礦工不安全行為發(fā)生的深層機理時有必要引入實驗測量儀器，根據(jù)得出的實驗數(shù)據(jù)進行相應的實驗研究?；诖?，文中構建腦電信號測量系統(tǒng)，測量被試者疲勞前后腦電信號的變化，在對數(shù)據(jù)分析的基礎上得出疲勞對礦工不安全行為的影響，從而為煤礦企業(yè)預防和控制礦工的不安全行為提供新的建議。

1 疲勞狀態(tài)下礦工腦電信號測量實驗系統(tǒng)的構建

疲勞狀態(tài)下礦工腦電信號測量系統(tǒng)主要包括∶①刺激發(fā)生系統(tǒng)(STIM)，作用是將刺激文件呈現(xiàn)給被試者;②信號采集與處理系統(tǒng)，將采集來的腦電信號轉(zhuǎn)化、過濾、分析、計算得到ERP成分;③被試反應系統(tǒng)，用于記錄被試者的反應時間;④數(shù)字放大器，導電帽和導電膏一起連接到頭皮，導出腦電信號傳到數(shù)字放大器，用于放大信號后輸入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

2 實驗過程

選取被試者15名，均為煤礦安全管理專業(yè)男性研究生，具有一定的煤礦實習經(jīng)驗，年齡22～28歲，均為右利手，視力(裸眼或矯正)正常，聽力正常，身體健康。對被試者進行1～15編號。

2.1 實驗前被試者疲勞狀態(tài)的主觀評定

實驗前，通過疲勞度主觀問卷對被試者的疲勞狀態(tài)進行評定，利用SPSS17.0對問卷得分進行配對樣本T檢驗，結果顯示二次實驗時被試者的主觀疲勞感顯著增強，此結果為腦電實驗客觀評定提供了重要的研究基礎。

2.2 實驗數(shù)據(jù)采集

1)實驗前讓被試者閱讀實驗須知，做好必要的準備(如上衛(wèi)生間)，在實驗正式開始前選擇舒適的坐姿，全身放松地坐在椅子上;

2)為被試者佩戴耳機，雙側耳機給予聲音刺激，要求被試者在保證正確判斷的的前提下，盡快做出按鍵反應;

3)信號采集系統(tǒng)同步采集被試者的腦電信號。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 行為數(shù)據(jù)分析

將實驗數(shù)據(jù)進行整理，見表1.

利用SPSS17.0對前后測得的反應時間進行配對樣本T檢驗。其中正態(tài)性檢驗結果見表2.

從分析結果中可以看出疲勞前后反應時間均值分別為324.156 7和820.930 0，可初步判定被試者的反應時間變慢。

該配對樣本檢驗的Sig=0.000＜0.05，樣本具有顯著性差異，且該檢驗的t=-9.664，負值說明疲勞后反應時間增長，即被試者對于聲音刺激的反應時間顯著變長。

表1 被試者疲勞前后的平均響應時間Tab.1 Average response time of subjects before and after fatigue ms

3.2 腦電數(shù)據(jù)分析

將7個不同電極分布點分為3組(前∶F3，F(xiàn)4;中∶CZ，C3，C4;后∶P3，P4)，對聲音刺激所誘發(fā)出ERP成分的波幅和潛伏期進行分析。各點前后測得的波幅、潛伏期數(shù)據(jù)整理見表3.

利用SPSS17.0數(shù)據(jù)處理軟件對前后測潛伏期、波幅進行配對樣本T檢驗，如圖1，2所示。

波幅數(shù)據(jù)中配對樣本T檢驗結果t=4.130，p =0.006＜0.05，t為正值，說明疲勞后波幅減小，且差異性顯著;潛伏期數(shù)據(jù)中配對樣本T檢驗結果t =-4.619，p=0.004＜0.05，t為負值說明疲勞后潛伏期增大，且差異性顯著。

圖1 疲勞前后各導聯(lián)點潛伏期變化曲線Fig.1 Curve about changes in latency stages of various lead points before and after fatigue

圖2 疲勞前后各導聯(lián)點波幅變化曲線Fig.2 Curve about changes in amplitudes of various lead points before and after fatigue

表2 配對樣本T檢驗結果Tab.2 Paired sam ples test

表3 各導聯(lián)點疲勞前后測得的實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of various lead points before and after fatigue

3.3 腦電數(shù)據(jù)分析

圖3為實驗中測得的被試者腦電地形圖。

圖3 P3a成分的腦電地形圖Fig.3 Brain electrical activitymapping of P3a before subjects feel fatigued

通過觀察腦部區(qū)域顏色的變化可知，被試者P3a成分，以額區(qū)最為明顯。疲勞前，P3a約在230 ms時開始出現(xiàn)，最大波幅在270 ms左右(圖3 (a))。疲勞后約580 ms開始出現(xiàn)，最大波幅在680 ms左右(圖3(b))。

3.4 實驗結果

正常狀態(tài)下P3a所實現(xiàn)的對新異刺激的反應是很靈敏的，而被試者疲勞后我們可以觀察到潛伏期延后，這說明對突然出現(xiàn)的新異刺激的反應速度下降。通過文中腦電地形圖的分布可以看出，疲勞前大腦的額區(qū)活躍，而疲勞后其活躍性降低，這說明疲勞后被試者的額區(qū)執(zhí)行功能下降。大腦額區(qū)主管人的精神和思維，疲勞后其活躍性降低，腦力可能會對危險信號的覺察判斷能力下降，從而導致了工作時不能及時應對突發(fā)事件。

4 結論

1)構建了由刺激發(fā)生系統(tǒng)(STIM)、信號采集與處理系統(tǒng)、被試反應系統(tǒng)、數(shù)字放大器等組成的時間相關電位(ERP)測量系統(tǒng)，并在實驗室條件下，應用該系統(tǒng)對15名被測試者的腦電信號進行數(shù)據(jù)采集和分析;

2)運用SPSS17.0軟件對基于疲勞的礦工腦電信號測量系統(tǒng)測量得出的15名被測試者的數(shù)據(jù)進行分析和配對樣本T檢驗，得出∶P3a成分波幅、潛伏期疲勞前后的實驗中差異性非常顯著，表明在實驗操作中疲勞對注意力有明顯影響;

3)基于實驗測量得出的數(shù)據(jù)建立了基于疲勞的礦工不安全行為模式，并在此基礎上提出預防和減少礦工不安全行為的建議，從而減少由于疲勞引起的不安全行為的發(fā)生。

References

［1］Reason J.Human error［M］.UK，Cambridge∶Cambridge University Press，1990.

［2］Jones JW，Wuebker L J.Safety locus of control and employees’accidents［J］.Journal of Business and Psychology，1993，4(7)∶449-457.

［3］Hollnagel E.Reliability analysis and operator modeling reliability engineering and system safety［J］.Journal of Safety Research，1996，16(7)∶327-337.

［4］Joachim Breuer，Eva-Marie H ffer，Walter Hummitzsoh. Rate of occupational accidents in the mining industry since 1950(a)successful approach to prevention policy［J］.Journal of Safety Research，2002，33(1)∶129-141.

［5］李紅霞，田水承，馮長根.根據(jù)現(xiàn)代企業(yè)理論探討煤炭企業(yè)安全管理問題［J］.中國安全科學學報，1999，9(5)∶32-36.

LIHong-xia，TIAN Shui-cheng，F(xiàn)ENG Chang-gen.Probe into the safetymanagement of coal enterprises according tomodern firm theory［J］.China Safety Science Journal，1999，9(5)∶32-36.

［6］傅貴，李宣東，李軍.事故的共性原因及其行為科學預防策略［J］.安全與環(huán)境學報，2005，5(1)∶80 -83.

FU Gui，LIXuan-dong，LI Jun.Common factors leading to accidents and behavior type research based on prevention［J］.Journal of Safety and Environment，2005，5 (1)∶80-83.

［7］曹慶仁.管理者與員工在不安全行為控制認識上的差異研究［J］.中國安全科學學報，2007，17(1)∶22-28.

CAO Qing-ren.Study on the cognitive diversities betweenmanagers and workers in controlling unsafe behavior［J］.China Safety Science Journal，2007，17(1)∶22 -28.

［8］劉斌，羅云.煤礦安全生產(chǎn)風險管理探討［J］.煤炭工程，2008(10)∶87-89.

LIU Bin，LUO Yun.Discussion on risk management of mine safety production［J］.Coal Engineering，2008 (10)∶87-89.

［9］楊盼.基于駕駛行為的駕駛狀態(tài)分析系統(tǒng)［D］.北京∶北方工業(yè)大學，2010.

YANG Pan.Driving state recognizing based on driving behavior signals［D］.Beijing∶North China University of Technology，2010.

［10］Wylie D.Commercial motor vehicle driver fatigue and alertness study［J］.Technical Summary，1996(12)∶221-233.

［11］周玲，胡明一.桂林市汽車駕駛員心理健康狀況調(diào)查及分析［J］.商業(yè)文化∶學術版，2010(5)∶249-251.

ZHOU Ling，HU Ming-yi.Survey and analysis ofmental health conditions of car drivers in Guilin［J］.Business Culture∶Academic Edition，2010(5)∶249-251.

［12］尹小琳.中學教師心理疲勞及其影響因素研究［D］.重慶∶西南大學，2007.

YIN Xiao-lin.Research on the status Quo ofmental fatigue among high school teachers and its effecting factors［D］.Chongqing∶Southwestern University，2007.

［13］趙小松，常陳英.考慮工人疲勞的工作排程研究［J］.工業(yè)工程與管理，2012，17(1)∶112-116.

ZHAO Xiao-song，CHANG Chen-ying.Work-rest scheduling to consider workers’fatigue［J］.Industrial Engineering and Management，2012，17(1)∶112-116.

［14］邢娟娟，劉衛(wèi)東，王秀蘭.煤礦井下工人體力勞動負荷及疲勞調(diào)查研究［J］.勞動保護科學技術，1998，18 (4)∶55-58.

XING Juan-juan，LIU Wei-dong，WANG Xiu-lan.Coal mine workermanual load and fatigue research［J］.Journal of Safety Science and Technology，1998，18(4)∶55 -58.

［15］邢娟娟，劉衛(wèi)東，孫學京，等.中國煤礦工人體能負荷、疲勞與工傷事故［J］.中國安全科學學報，1996，6 (5)∶34-37.

XING Juan-juan，LIU Wei-dong，SUN Xue-jing，et al. Fatigue and accidents of underground coal miners in China［J］.China Safety Science Journal，1996，6(5)∶34 -37.

［16］牛清寧，周志強，金立生，等.基于眼動特征的疲勞駕駛檢測方法［J］.哈爾濱工程大學學報，2015，36(3)∶1-5.

NIU Qing-ning，ZHOU Zhi-qiang，JIN Li-sheng，et al. Detection of driver fatigue based on eye movements［J］.Journal of Harbin Engineering University，2015，36 (3)∶1-5.

ERP experiment research on impact of fatigue on unsafe behaviors ofm iners

LIHong-xia，XUE Jian-wen，YANG Yan

(College of Management，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

∶80%of industrial accidents in coalmine enterprises are triggered by unsafe behaviors ofminers.Preventing and controlling unsafe behaviors ofminers is a crucial link to reduce casualties and economic losses and ensure safety in industrial production.In this study，an electroencephalo-graph(EEG) measurement experimentwas made to figure out the impact of fatigue on unsafe behaviors of miners. Neuromanagementwas combined with safety management theories and methods to make an empirical study of unsafe behaviors ofminers in fatigue.An event-related potentials(ERP)measurement system，composed of a stimulation-generating system(STIM)，a signal acquisition and processing system，a subject-reacting system，a digital amplifier and other components，was built，and 15 miners were chosen as experiment subjects tomeasure the attention of theminers as an EEG indicator before and afterminers felt fatigued.When subjects were fatigued，their attention was gradually distracted from work，which wasreflected by the orienting response experiment in the ERP experiment.In the experiment，P3a components of subjects before and after they felt fatigued were tested.And test results showed that subjects had experienced varying degrees of changes in amplitudes and latency stages in their P3a components before and after they felt fatigued.That is to say，fatigue has a significant impacton amplitudes and latency stages of EEG of subjects.When miners feel fatigues，they would be inattentive and more prone to unsafe behaviors.

∶fatigue;miners’unsafe behavior;event-related potentials

∶TD 79

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0317

∶1672-9315(2015)03-0376-05

∶2015-02-10責任編輯∶高佳

∶國家自然科學基金項目(71271169，71273208);教育部博士點基金項目(20126121110004，20116121110002);西安科技大學哲學社會科學繁榮發(fā)展計劃項目(2012SZ01);陜西省教育廳(高校)哲學社會科學重點研究基地建設項目(12JZ017，2014RW013;14JZ026)

∶李紅霞(1965-)，女，河北遵化人，教授，博士生導師，E-mail∶406144519@qq.com