礦工疲勞的ERP特征

張宏 路偉 田方圓 黨應(yīng)強(qiáng) 田水承 胥靜 楊鵬飛 陳磊

摘 要：煤礦井下設(shè)備操作不僅要求礦工保持警戒狀態(tài)，而且需要持續(xù)地將注意力集中在單調(diào)枯燥的操作任務(wù)和體力作業(yè)任務(wù)上。由于長時(shí)間的輪班和重復(fù)性任務(wù)，礦工極易出現(xiàn)精神和生理疲勞。為了研究礦工疲勞對(duì)其安全能力的影響，應(yīng)用事件相關(guān)電位（ERP）技術(shù)，研究Oddball任務(wù)下一線礦工下井前后腦電特征變化，從而獲取疲勞評(píng)價(jià)的客觀指標(biāo)。通過測(cè)試和采集自愿參加實(shí)驗(yàn)的14名夜班礦工下井前后的主觀疲勞水平、行為表現(xiàn)指標(biāo)和腦電信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)誘發(fā)ERP特征的波幅和潛伏期進(jìn)行分析，從而確定礦工疲勞的主要影響因素。從主觀疲勞評(píng)價(jià)和行為表現(xiàn)指標(biāo)的角度分析可得，夜班礦工下井前后精神狀態(tài)差異較大;進(jìn)一步分析礦工ERP特征的變化，發(fā)現(xiàn)上井后P300的潛伏期顯著增加，波幅明顯下降，說明井下一線高負(fù)荷連續(xù)作業(yè)任務(wù)導(dǎo)致礦工的精神疲勞增加。ERP方法可用來研究礦工的疲勞程度;P300可以作為評(píng)價(jià)一線礦工疲勞的有效指標(biāo)，從而為研究礦工疲勞的對(duì)抗措施提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精神疲勞;ERP;P300;礦工;安全管理

中圖分類號(hào)：X 913

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）05-0787-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0504開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The ERP characteristics of miners fatigue

ZHANG Hong1，LU Wei2，TIAN Fangyuan 2，DANG Yingqing1，

TIAN Shuicheng2，XU Jing2，YANG Pengfei2，CHEN Lei2

（1.Hongliulin Mine of Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.， Ltd.， Yulin 719000，China;

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The operation of underground equipment in coal mine requires not only the vigilance of the miners， but also the continuous attention on the monotonous operation task and the physical work task.Miners are prone to mental and physical fatigue due to long shifts and repetitive tasks.In order to study the impact of miners fatigue on their safety ability， event-related potential（ERP） technology was applied to examine the changes of EEG characteristics of front-line miners before and after going down the well under Oddball task， so as to obtain the objective index of fatigue evaluation.By testing and collecting the subjective fatigue levels，behavioral performance index and EEG signal data of 14 night shift miners before and after going into the well，the amplitude and latency of the induced ERP characteristics were analyzed，an attempt to investigate and determine the main influencing factors of miners fatigue.Research shows that： from the perspective of subjective fatigue evaluation index and behavior analysis，at the night shift miners? mental state before and after going down into the well.A further analysis of the changes of miners ERP characteristics shows that? the P300 latency increased significantly after coming up from the well， and amplitude decreases obviously，which indicates continuous? high load operation

underground can effectively induce miners mental fatigue.Event-related potential（ERP） method can be used to study the fatigue degree of miners，and P300 can be used as an effective index to evaluate the fatigue of front-line miners，providing a basis for studying the countermeasures of miners fatigue.

Key words：mental fatigue;ERP;P300;miners;safety management

0 引 言

在煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)事故中，80%是由于人的不安全行為造成的，預(yù)防和控制煤礦生產(chǎn)中人的不安全行為尤其重要[1]。礦工長期在井下作業(yè)，工作強(qiáng)度大、時(shí)間長、環(huán)境條件相對(duì)較差，再加上睡眠休息時(shí)間不足等，使得礦工精神壓力偏大，導(dǎo)致注意力分散、反應(yīng)遲鈍、工作效率降低等，從而產(chǎn)生一些不安全行為[2]。因此，探究礦工作業(yè)過程中的疲勞狀況，提出緩解礦工疲勞的措施是減少安全事故發(fā)生的有效途徑[3]。在廣義上，疲勞分為生理疲勞和精神疲勞，但這兩種疲勞之間的關(guān)系十分密切[4]。對(duì)于井下一線礦工而言，體力勞動(dòng)易導(dǎo)致生理疲勞，而長期緊張和單調(diào)的作業(yè)又易導(dǎo)致精神疲勞[5]。與生理疲勞相比，精神疲勞更難以識(shí)別[6]。目前，在心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)及人機(jī)工效學(xué)等領(lǐng)域，利用事件相關(guān)電位（ERP）技術(shù)來準(zhǔn)確客觀反映被試對(duì)信息的認(rèn)知加工過程得到了廣泛的應(yīng)用。因此，應(yīng)用ERP技術(shù)來檢測(cè)礦工疲勞是合理可行的。宋國萍等的研究表明，ERP技術(shù)可以用來研究疲勞對(duì)認(rèn)知加工能力的影響[7]。沈麗麗等對(duì)比清醒狀態(tài)和疲勞狀態(tài)下的N200和P300成分，發(fā)現(xiàn)疲勞狀態(tài)下幅值明顯下降，而潛伏期略有增加，這說明疲勞狀態(tài)下認(rèn)知反應(yīng)速度下降[8]。FOWLER的研究表明，腦力負(fù)荷過大會(huì)導(dǎo)致P300潛伏期延長，且P300的幅值和潛伏期都是評(píng)價(jià)腦力疲勞的有效指標(biāo)[9]。SMULDERS等通過對(duì)正常睡眠與睡眠不足的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，睡眠不足對(duì)刺激加工時(shí)間和準(zhǔn)確率有影響，且P300的潛伏期明顯增加[10]。LEE等研究發(fā)現(xiàn)，疲勞后反應(yīng)注意水平的P300和N200潛伏期顯著延長[11]。BOKSEM等研究發(fā)現(xiàn)，N200與認(rèn)知加工能力有關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)精神疲勞時(shí)，認(rèn)知控制能力受損，振幅降低[12]。BIFERNO研究發(fā)現(xiàn)P300的幅值與疲勞有關(guān)[13]。LARUE等發(fā)現(xiàn)疲勞產(chǎn)生后，ERP成分中的P300的幅值隨著時(shí)間的變化呈線性下降趨勢(shì)[14]。ZHAO等通過模擬疲勞駕駛實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電極Fz和Cz上的P300的幅值明顯下降，且潛伏期變長[15]。以往的研究多集中于實(shí)驗(yàn)室中誘發(fā)的疲勞，對(duì)真實(shí)場景作業(yè)人員疲勞背后的心理生理機(jī)制研究較少[16]，而一線礦工較普通人群更容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象[17]。因此，本文以作業(yè)前后的真實(shí)礦工為研究對(duì)象，從多角度、多指標(biāo)對(duì)井下一線礦工的連續(xù)作業(yè)引發(fā)的疲勞展開研究。利用主觀評(píng)價(jià)和行為績效評(píng)定方法，運(yùn)用ERP提取技術(shù)，對(duì)引發(fā)礦工疲勞的特征指標(biāo)進(jìn)行分析，為后期研究礦工疲勞的對(duì)抗措施提供依據(jù)，從而提高煤礦工人的工作績效和安全性。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)假設(shè)長時(shí)間持續(xù)井下作業(yè)產(chǎn)生的疲勞使礦工的注意力能力受損，腦部自動(dòng)信息加工能力下降。與下井前相比，礦工上井后P300的波幅明顯降低。

1.2 被試選擇選擇一線健康男性礦工14人，年齡24～38（28.2±1.5）歲。所有被試視力和聽力水平正常，均為右利手，沒有家族病史，且沒有濫用藥物。被試應(yīng)在下井前保證充分休息，實(shí)驗(yàn)前講解實(shí)驗(yàn)流程和目的，消除被試思想顧慮和恐懼心理，緩解精神緊張，實(shí)驗(yàn)過程中被試需要保持高度集中，完成指導(dǎo)語提示的內(nèi)容。被試自愿參加實(shí)驗(yàn)，并填寫實(shí)驗(yàn)同意書。

1.3 任務(wù)設(shè)計(jì)

1.3.1 疲勞誘發(fā)一線礦工的工作制度為“三八制”，礦工作業(yè)時(shí)間加上井下輔助時(shí)間，井下總時(shí)間會(huì)達(dá)到12 h以上。這種輪班制度使得工人要克服井下復(fù)雜環(huán)境、自身身體調(diào)節(jié)能力和疲勞困倦的壓力，以往的研究表明，零點(diǎn)班是最不符合人的正常生理作息的，更容易產(chǎn)生疲勞。因此，本研究選擇零點(diǎn)班的礦工作為被試。

1.3.2 Oddball實(shí)驗(yàn)流程被試需要在正式實(shí)驗(yàn)前盡量保持良好的睡眠，讓身心得到充分的休息。然后填寫基本信息表，包括年齡、學(xué)歷、工種、下井前的當(dāng)日睡眠時(shí)間及主觀自評(píng)量表。實(shí)驗(yàn)過程中提醒被試要放松，少動(dòng)，在自然放松的情況下盡量少眨眼。實(shí)驗(yàn)開始后，首先進(jìn)行五分鐘閉眼休息的靜息態(tài)，在靜息狀態(tài)下，被試需要放松并注視黑色電腦屏幕。之后屏幕會(huì)隨機(jī)（800～1 200 ms）出現(xiàn)數(shù)字8（標(biāo)準(zhǔn)刺激50 ms）或者數(shù)字2（靶刺激50 ms），當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字2時(shí)按下鼠標(biāo)左鍵，一共進(jìn)行400次Oddball任務(wù)，其中標(biāo)準(zhǔn)刺激320次，靶刺激80次，實(shí)驗(yàn)總長約20 min左右。實(shí)驗(yàn)范式通過Eprime 3.0進(jìn)行編寫，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

被試在下井前后需要對(duì)自己的精神狀態(tài)進(jìn)行主觀評(píng)分，即4個(gè)項(xiàng)目（思維敏捷度、注意力集中度、困倦勞累度以及綜合疲勞評(píng)估）[18]。其中，每個(gè)項(xiàng)目包含10個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)1～10分。實(shí)驗(yàn)過程中，分別記錄腦電數(shù)據(jù)、操作績效數(shù)據(jù)（反應(yīng)時(shí)、正確率以及遺漏率）。

1.4 腦電信號(hào)采集及處理使用Neuroscan 64導(dǎo)腦電設(shè)備采集腦電信號(hào)，采取國際通用的10～20電極導(dǎo)聯(lián)定位標(biāo)準(zhǔn)，選取乳突電極M1和M2為參考電極。腦電采集頻率為1 000 Hz，AC采集，頭皮電阻控制在5 kΩ以下。采用Matlab軟件對(duì)采集的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，主要步驟包括：電極定位、濾波、降低采樣率、重參考、分段、獨(dú)立成分分析（independent component analysis，ICA）去偽跡、基線校正、疊加平均及峰值和潛伏期提取等。本文對(duì)靶刺激引發(fā)的P300特征值進(jìn)行提取。對(duì)含標(biāo)記的靶刺激進(jìn)行分段（Marker前200 ms到呈現(xiàn)后800 ms）;對(duì)所有分段進(jìn)行基線矯正（Marker前200 ms）;將所有分段疊加平均即可得到P300波形，根據(jù)成分時(shí)程分析（250～550ms）提取ERP波形，得到特征值的潛伏期和幅值。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)展開分析。采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)的方法，對(duì)礦工下井前和上井后的主觀評(píng)價(jià)和行為績效數(shù)據(jù)分析，比較是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，檢驗(yàn)礦工連續(xù)工作前后是否產(chǎn)生疲勞。在產(chǎn)生疲勞的前提下，利用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)的分析方法，對(duì)ERP特征值的潛伏期和波幅進(jìn)行分析，以驗(yàn)證潛在的疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)P300的有效性。以上顯著性水平取α= 0.05。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 主觀分析分析被試下井前和上井后主觀疲勞感是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。對(duì)下井前和上井后主觀的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果（平均值和標(biāo)準(zhǔn)差）及t檢驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1中可以看出，被試下井前和上井后的思維敏捷度顯著下降（P<0.05）、注意集中程度明顯減弱（P<0.05）、困倦勞累度明顯增加（P<0.05）、綜合疲勞評(píng)估感顯著差異上升（P<0.05）。因此，上井后被試的主觀疲勞感明顯高于下井前，從主觀評(píng)價(jià)的角度驗(yàn)證了一線礦工連續(xù)工作后產(chǎn)生了疲勞。

2.2 行為數(shù)據(jù)分析對(duì)被試在下井前和上井后的反應(yīng)時(shí)間、正確率和遺漏率進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，被試下井前和上井后的反應(yīng)時(shí)明顯增加（P<0.05），正確率顯著下降（P<0.05），遺漏率增加（P<0.05）。因此，從行為學(xué)角度驗(yàn)證了井下一線礦工連續(xù)工作后產(chǎn)生了疲勞。

2.3 ERP分析采用ERP技術(shù)提取關(guān)于P300特征分析。礦工下井前和上井后Oddball范式P300的總平均波形比較如圖2所示。結(jié)果可見，除枕部外，全腦范圍內(nèi)Oddball范式P300的平均波形在疲勞后均出現(xiàn)明顯的下降。已有研究表明，P300在導(dǎo)聯(lián)Fz、Cz、Pz這3點(diǎn)表現(xiàn)比較明顯，P300的標(biāo)準(zhǔn)電極分布特點(diǎn)是它的波幅由額葉至中央?yún)^(qū)再到頂葉的順序依次增加，它的最大波幅位于Pz點(diǎn)[19]，因此本研究選擇這3個(gè)導(dǎo)聯(lián)的腦電信號(hào)進(jìn)行研究。3個(gè)導(dǎo)聯(lián)處誘發(fā)的腦電總平均疊加波形如圖3所示，可見靶刺激誘發(fā)出了較為明顯的P300波形，并且上井后被試的波幅明顯低于下井前。進(jìn)一步對(duì)Fz、Cz、Pz這3個(gè)位點(diǎn)的P300進(jìn)行波幅（μV）及峰值潛伏期（ms）的測(cè)量，采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3。

結(jié)果表明，上井后Fz、Cz、Pz的幅值顯著降低（均有P<0.05），對(duì)于潛伏期，Cz和Pz點(diǎn)顯著（均有P<0.05），F(xiàn)z點(diǎn)不顯著（有P>0.05）。將不同腦區(qū)分布作為組內(nèi)因素，共分為3個(gè)水平（前：Fz;中：Cz;后：Pz）;下井前與上井后作為組內(nèi)因素為2個(gè)水平，對(duì)靶刺激所誘發(fā)出P300成分的波幅和潛伏期進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。統(tǒng)計(jì)分析得出被試P300波幅出現(xiàn)疲勞主效應(yīng)，即上井后P300的波幅較下井前降低。同時(shí)疲勞前后潛伏期的分析并未呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)差異，也未見任何交互作用。綜上所述，P300的幅值在上井后顯著降低，因此可作為評(píng)價(jià)一線礦工疲勞的有效指標(biāo)。

3 討 論

本研究采用主觀量表和客觀生理指標(biāo)相結(jié)合的方法，對(duì)礦工疲勞狀況進(jìn)行研究。一線礦工在經(jīng)過夜班8 h連續(xù)工作后，主觀評(píng)價(jià)和行為學(xué)分析結(jié)果表明，礦工出現(xiàn)了疲勞狀態(tài)，具體表現(xiàn)為上井后礦工反應(yīng)時(shí)間、錯(cuò)誤率和遺漏率都顯著增加。所有被試的主觀疲勞問卷得分均顯著增加，這與煤礦工作環(huán)境和工作性質(zhì)有直接的關(guān)系。例如，礦工經(jīng)常抱怨在上井后感到渾身虛弱乏力、注意力難以集中、興趣喪失、困倦感明顯上升等。本研究認(rèn)為在完成夜間班連續(xù)作業(yè)任務(wù)上井后的被試已經(jīng)處于疲勞狀態(tài)。從前后測(cè)量靶刺激實(shí)驗(yàn)結(jié)果的ERP特征分析來看，P300波幅具有明顯的疲勞效應(yīng)，特別是頂區(qū)的波幅與下井前對(duì)比明顯降低。這與以往研究P300的波幅受注意資源分配、記憶能力等多種因素的影響一致[20]。長時(shí)間從事單調(diào)重復(fù)的井下作業(yè)后P300波幅明顯增大，而潛伏期差異不明顯。

通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，P300波幅的這種差異是顯著的，潛伏期雖然有延長的趨勢(shì)，但差異不顯著。這有可能是因?yàn)閺睦碚撋蟻碚fP300潛伏期比波幅更穩(wěn)定，并且P300的潛伏期與被試對(duì)刺激的決策時(shí)間和任務(wù)復(fù)雜度有關(guān)，本研究Oddball任務(wù)決策簡單，并沒有對(duì)被試處理信息的速度造成太大影響。P300的最大波幅位于Pz點(diǎn)，與下井前對(duì)比，上井后P300在頂區(qū)的波幅變化比前額葉和中央?yún)^(qū)變化更明顯，說明上井后礦工大腦接受和處理信息的速度差異不大，但是投入到任務(wù)中的腦資源分配少，這也與礦工在主觀評(píng)價(jià)上井后思想難以集中、思考反應(yīng)變慢相符合。上述結(jié)果說明，P300波幅是井下一線煤礦工人長時(shí)間作業(yè)評(píng)估疲勞的一個(gè)較為有效的客觀生理指標(biāo)。由于P300波幅反映了主體的認(rèn)知水平，因此也說明了疲勞直接導(dǎo)致礦工的認(rèn)知水平降低。礦工出現(xiàn)疲勞是一種非常普遍的現(xiàn)象，這種疲勞常常讓人難以集中注意力，導(dǎo)致對(duì)當(dāng)前工作的反感性增加，工作效率降低和警覺性下降，增加了事故風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)致疲勞的主要原因是礦工高強(qiáng)度的工作和不充足的睡眠，這2種因素相互作用損害礦工的健康。同時(shí)，這種損害會(huì)隨著工作時(shí)間的延長而不斷累積，直至達(dá)到礦工的物理極限。所以，深入研究疲勞對(duì)礦工的生理和心理功能的影響，提出有效疲勞程度量化指標(biāo)，檢測(cè)和管理礦工的疲勞是十分必要的。這不僅有助于減少意外事故發(fā)生，還為煤礦的疲勞監(jiān)測(cè)和防護(hù)措施的建立提供合理客觀的指標(biāo)和理論支撐。根據(jù)本研究的結(jié)果，取消夜班是減少礦工疲勞最有效的方法。礦山可以選擇在夜間進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，以減少夜班的工作時(shí)間，如果有足夠的工人，煤礦盡量采取五組四班的工作時(shí)間安排。此外，建議管理者應(yīng)該保障夜班礦工有足夠的休息時(shí)間，確保他們精力充沛。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用事件相關(guān)電位（ERP）技術(shù)，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法可用來研究礦工的疲勞程度。

2）夜班礦工上井后疲勞程度顯著增加，具體體現(xiàn)在操作反應(yīng)時(shí)明顯延長，操作正確率下降。

3）P300成分的波幅可作為評(píng)價(jià)礦工疲勞的有效指標(biāo)。在今后的研究中，我們還需要進(jìn)一步探討，是否通過休息、飲食等對(duì)抗措施來讓礦工迅速恢復(fù)到下井前的水平。到目前為止，對(duì)于疲勞的探索還沒有一個(gè)公認(rèn)可信賴的測(cè)量指標(biāo)，本研究結(jié)果可以為疲勞檢測(cè)提供一定的理論和客觀依據(jù)。

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