應(yīng)急場景下礦工生理指標評估的試驗研究

袁曉芳，周 垚，劉 成，孫林輝

(1.西安科技大學 管理學院，陜西 西安 710054； 2.西安科技大學 人因與管理工效學研究中心，陜西 西安 710054； 3.華能慶陽煤電有限公司 核桃峪煤礦，甘肅 慶陽 745300)

煤礦行業(yè)一直是我國安全生產(chǎn)中的重點關(guān)注對象。安全生產(chǎn)與很多因素有關(guān)，但人的因素與安全生產(chǎn)關(guān)系最為密切[1]。事實表明，97%以上的煤礦安全生產(chǎn)事故都是由于人的不安全行為所導(dǎo)致的[2]，而許多礦難的發(fā)生和進一步擴大也都與礦工應(yīng)急處置不當有關(guān)[3，4]。惡劣且復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境要求礦工在面臨各種突發(fā)事件發(fā)生時，需擁有較高的應(yīng)急反應(yīng)能力[5]，而通過科學的方法來評估個體應(yīng)對突發(fā)事件的能力，對預(yù)控突發(fā)事件與降低事故風險具有重要意義[6-8]，關(guān)于個體的應(yīng)急能力評估，國內(nèi)外學者對此研究很多，如Nancy M.Tofi等通過考核測驗的方法對醫(yī)院放射科醫(yī)生和技術(shù)人員的應(yīng)急反應(yīng)能力進行了評估，并提出教育學習可以增強人的應(yīng)急反應(yīng)能力[9]。Glyn Lawson 等為了預(yù)測人在突發(fā)應(yīng)急事件下的反應(yīng)能力，通過對突發(fā)性緊急事件的進行假設(shè)情景描述，找到了人體對于突發(fā)事件的預(yù)測能力與實際反應(yīng)能力之間的相關(guān)性，以此提出了一種新的預(yù)測方法[10]。張運金通過對急診人員的應(yīng)急反應(yīng)能力評估發(fā)現(xiàn)，利用情景模式培訓的方式可以提升其應(yīng)急能力[11]。有研究指出，突發(fā)事件情況下，個體的某些生理特征會明顯波動，而這些波動與其處置突發(fā)事件的能力密切關(guān)聯(lián)[12-15]。Ariane Keitel等通過設(shè)置應(yīng)急場景，來觀察被試的生理信號變化，并證實了在應(yīng)急狀態(tài)下人們會出現(xiàn)恐懼、焦慮等心理反應(yīng)[16]。王宇等對管制員在應(yīng)急場景下的反應(yīng)能力進行了研究，結(jié)果表明管制員的平均心率、SDNN、PNN50、張力EDA、相位EDA等5項生理指標在應(yīng)急場景下有明顯變化[17]。鄧麗紅利用生物反饋儀來測量生理性應(yīng)激狀態(tài)下的生理指標變化，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)急能力組人員應(yīng)激前后皮電、心率、β波以及反應(yīng)時間等指標變化率顯著低于低應(yīng)急能力組人員[18]。王建豪搭建了應(yīng)急場景下個體反應(yīng)測試系統(tǒng)，通過觀察應(yīng)急前后被試生理指標的變化特征，來對個體應(yīng)急處置能力進行評估[19]。可見，通過采集人在應(yīng)急場景下的生理信號，來評估個體應(yīng)急反應(yīng)能力是一種常見的評估方法。而文獻研究發(fā)現(xiàn)，對于煤礦這類突發(fā)事件多發(fā)的行業(yè)，較少有學者對礦工應(yīng)急能力評估開展研究。

本研究通過對煤礦典型突發(fā)事件場景的模擬，來探究礦工在應(yīng)急場景下的生理指標狀況、各生理指標相互關(guān)系等，以期將所得數(shù)據(jù)進行分析來建立礦工應(yīng)急反應(yīng)能力指數(shù)，從而評估礦工在突發(fā)事件情況下的應(yīng)急反應(yīng)情況，為煤礦的安全生產(chǎn)管理提供理論性的依據(jù)。

1 試驗方法及過程

1.1 試驗設(shè)計

試驗過程分為基準期、正常工作期、災(zāi)難刺激期、恢復(fù)期四個階段。關(guān)于生理指標的選擇，目前國內(nèi)外在工作安全與應(yīng)急研究方面的生理監(jiān)測指標主要有：皮電、肌電、心率、心率變異性、呼吸、血壓、體溫、血容量、腦電、出汗情況、耗氧量等[1]。例如張江石等研究得出，收縮壓、舒張壓、平均動脈壓、脈搏速度、心率、呼吸率、體溫等7項生理指標可以在一定程度上反映礦工應(yīng)急處置能力的狀況[20]。本研究通過對文獻梳理總結(jié)發(fā)現(xiàn)，個體處于恐懼，緊張等情緒時，生理脈搏信號會較平靜時期發(fā)生變化[21]，故本研究將選取肌電(EMG)、呼吸(RESP)、皮膚電導(dǎo)水平(SCL)、皮溫(Temp)、血容量(BVP)、脈搏振幅(PVA)、脈搏(Puls)、心率(HR)等8項生理指標進行數(shù)據(jù)采集，以期分析礦工在應(yīng)急場景下生理指標的變化情況。

1.2 試驗對象與環(huán)境

試驗地點選擇空間范圍較小的房間，設(shè)置隔光窗簾，并且配置立體環(huán)繞音響以來模擬真實的井下工作環(huán)境。試驗對象選取聽力、視力正常、身體健康、右利手的20～60歲男性在崗煤礦職工志愿者30名，作為實驗被試人員。被試在實驗前24h內(nèi)均未服用任何對生理檢測有影響的藥物，亦無飲酒等情況，且擁有充足的睡眠。為減少試驗干擾，試驗時間為礦工日常工作時間。

1.3 試驗材料及設(shè)備

有研究指出，個體在觀看不同種類的視頻材料時會產(chǎn)生不同大小的生理信號[22]，本試驗將以煤礦中常見的工作視頻和災(zāi)難視頻，作為正常工作期和災(zāi)難刺激期的試驗素材刺激，其中正常工作視頻包括日常簽到、下井及正常工作等環(huán)節(jié)，災(zāi)難刺激期視頻包含透水、瓦斯爆炸、塌方等煤礦災(zāi)難事故。試驗設(shè)備采用Biofeedback 2000 X-pert型生物反饋儀，生理數(shù)據(jù)將通過四個模塊的傳感器來采集并以藍牙的方式傳送至電腦，通過此款生物儀自帶的分析軟件來對數(shù)據(jù)進行分析處理，并采用科學的方法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計比較研究。

1.4 試驗過程

試驗前要求被試提前20min進入實驗室，兩名主試對被試進行生理采集設(shè)備的穿戴，采用訪談形式了解被試的基本信息，包括年齡、工齡、工種及是否經(jīng)歷過煤礦安全事故。對被試人員進行相關(guān)試驗的描述并使其保持靜息狀態(tài)(5min以上)。所有信號調(diào)試完畢后開始正式試驗，試驗總時長為20min(正常工作視頻與災(zāi)難視頻各10min)，一位被試數(shù)據(jù)采集完成后進行下一位，直至所有被試數(shù)據(jù)采集完畢。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

試驗對30名被試進行數(shù)據(jù)采集，通過對比正常工作期與災(zāi)難刺激期的8類生理指標數(shù)據(jù)變化情況，其變化趨勢基本一致，即災(zāi)難期數(shù)據(jù)要高于工作期。利用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)樣本t檢驗，將數(shù)據(jù)進行無量綱處理，利用應(yīng)急處置能力指數(shù)f來對每個樣本數(shù)據(jù)進行評估，并采用聚類分析的方法結(jié)合問卷調(diào)查所采集的信息，進行數(shù)據(jù)樣本分類。

2.1 生理指標數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集儀實時記錄正常工作期與災(zāi)難刺激期被試的生理數(shù)據(jù)，為方便統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本試驗將30名被試進行編號，并將前后兩個時期的數(shù)據(jù)平均增長率進行統(tǒng)計，同時對兩組數(shù)據(jù)進行t檢驗。8類生理指標數(shù)據(jù)變化情況見表1。

表1 8類生理指標數(shù)據(jù)變化情況

由表1中數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在正常工作期與災(zāi)難刺激期前后，30名被試的脈搏振幅(PVA)、脈搏(Puls)、心率(HR)生理指標均有所上升，增長幅度大；肌電(EMG)、呼吸(RESP)、皮膚電導(dǎo)水平(SCL)、皮溫(Temp)生理指標均有所上升，增長幅度較大：血容量(BVP)指標前后變化不大。為了驗證數(shù)據(jù)的可靠性，本文對8類生理指標刺激前后數(shù)據(jù)進行樣本t檢驗。結(jié)果見表2。

表2 8類生理指標數(shù)據(jù)樣本t檢驗

由表2可知，通過對30名被試在正常工作期與災(zāi)難刺激期過程的8類指標數(shù)據(jù)進行t檢驗，結(jié)果表明，肌電(EMG)、呼吸(RESP)、皮膚電導(dǎo)水平(SCL)、皮溫(Temp)、脈搏振幅(PVA)、脈搏(Puls)、心率(HR)等7類指標P<0.05，說明這兩種數(shù)據(jù)存在顯著差異性，但血容量(BVP)在刺激前后數(shù)據(jù)并無明顯差異性。所有被試在刺激前后，這7類生理指標上升明顯，肌電、呼吸、皮電、皮溫、脈波振幅、脈搏、心率生理指標增長率達到69.1%、47.23%、49.2%、29.31%、34.2%、42.4%、48.7%。這與之前學者所做實驗結(jié)果類似，可用心率、肌電、皮電、呼吸等來反映個體應(yīng)激和緊張程度的結(jié)果[23，24]，故選取這7類指標來反映與評估礦工應(yīng)急行為能力

2.2 災(zāi)難場景下礦工應(yīng)急反應(yīng)評估

2.2.1 基于f指數(shù)的礦工災(zāi)難場景下應(yīng)急反應(yīng)的評估

選取試驗刺激前后數(shù)據(jù)發(fā)生顯著變化的7類生理指標來進行評估。建立災(zāi)難場景下礦工應(yīng)急反應(yīng)指數(shù)，用f表示，且f無量綱，計算公式如下：

式中，hij為每位被試試驗后的各生理指標數(shù)值；qij為每位被試試驗前的各生理指標數(shù)值；n為被試總?cè)藬?shù)。本研究n=30，對被試進行編號，所得f值如圖1所示。

圖1 30名被試應(yīng)急反應(yīng)f值

本文利用f值的波動狀況，反映被試在刺激前后的不同心理素質(zhì)，以期評估被試應(yīng)急能力大小。如圖1所示，f值以0值為平均值水平，當f為負值，即f<0時，說明被試在試驗前后顯著生理指標整體波動要小于平均水平，在突發(fā)事件下行為能力較好，同時當f負值越小時，其代表個體應(yīng)急行為能力越好；當f為正值，即f>0時，說明被試在試驗前后顯著生理指標整體波動要大于平均水平，在突發(fā)事件下應(yīng)急行為能力較差，同時當f正值越大時，代表其個體應(yīng)急行為能力越差。

將突發(fā)事件礦工應(yīng)急反應(yīng)指數(shù)f值分為以下3個區(qū)間：f≤-50、-50

通過與被試基本信息對比發(fā)現(xiàn)，在16名應(yīng)急反應(yīng)能力較好的被試中，62.5%曾經(jīng)歷過煤礦事故，87.5%的文化程度在初中及以上且平均工齡為12a。以13號被試為例，其工齡達19a，初中學歷，并且在工作中經(jīng)歷過煤礦冒頂事故，應(yīng)急反應(yīng)f指數(shù)為-128.22，要明顯優(yōu)于大部分的被試。同理，對比其他區(qū)間的被試信息，均可得出類似結(jié)果即：應(yīng)急反應(yīng)指數(shù)較高的被試普遍具有文化水平較高、經(jīng)歷過安全事故、工齡較長等特征。

2.2.2 災(zāi)難場景下應(yīng)急反應(yīng)的聚類分析

聚類是數(shù)據(jù)挖掘中用來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分布和隱含模式的一項重要技術(shù)[25]。因此，為了驗證f指數(shù)的準確性，將30名被試的7類生理指標進行聚類分析，利用Q型聚類[26]使相似樣本聚集一起?？傮w聚類分析樹狀圖如圖2所示。

圖2 總體聚類分析樹狀圖

在總體聚類分析樹狀圖中，可以得出，被試共被分為四類，將每類被試與其對應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)f值的絕對值進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，同類被試的f指數(shù)絕對值相近。這與前人研究結(jié)果相似，f值大小可以用來測評災(zāi)難場景下礦工的應(yīng)急反應(yīng)能力[20]。因此，利用聚類分析的方法驗證了應(yīng)急反映f指數(shù)準確性的同時，也證明了運用肌電(EMG)、呼吸(RESP)、皮膚電導(dǎo)水平(SCL)、皮溫(Temp)、脈搏振幅(PVA)、脈搏(Puls)、心率(HR)這7項生理指標來反映礦工災(zāi)難場景下應(yīng)急反應(yīng)的可行性。

3 結(jié) 論

1)通過構(gòu)建煤礦災(zāi)難場景下礦工應(yīng)急反應(yīng)的測評系統(tǒng)，對30名礦工的8種生理指標在正常工作期與災(zāi)難刺激期進行測量，并進行t檢驗，結(jié)果表明，礦工的7種生理指標即：肌電(EMG)、呼吸(RESP)、皮膚電導(dǎo)水平(SCL)、皮溫(Temp)、脈搏振幅(PVA)、脈搏(Puls)、心率(HR)數(shù)據(jù)變化差異較大。

2)提出煤礦災(zāi)難場景下礦工應(yīng)急反應(yīng)指數(shù)f，并通過聚類分析的方法來對指數(shù)進行驗證。根據(jù)研究結(jié)果，可將災(zāi)難場景下礦工應(yīng)急反應(yīng)指數(shù)f值分為以下3個區(qū)間：f≤-50、-50

3)通過對礦工進行問卷調(diào)查與訪談，將所得工齡、學歷與是否經(jīng)歷煤礦事故等基本信息與試驗所得生理指標數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果顯示學歷較高、經(jīng)歷過煤礦事故且工齡較長等被試對應(yīng)的f指數(shù)值較低，說明其應(yīng)急反應(yīng)能力強。這也為煤礦行業(yè)在人才選拔與培訓方面提供了理論性依據(jù)。