基于腦電數(shù)據(jù)的不同輪班制度下煤礦一線從業(yè)人員疲勞評(píng)估

李紅霞，陳 磊，田方圓，李國(guó)為，魯 宇

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710054；3.河南城建學(xué)院 管理學(xué)院，河南 平頂山 467000；4.陜煤集團(tuán) 神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；5.江西科技學(xué)院 財(cái)經(jīng)學(xué)院，江西 南昌 330098）

煤炭作為主要能源在我國(guó)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用[1]，但我國(guó)煤炭開采作業(yè)條件差，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，事故頻發(fā)，安全生產(chǎn)受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[2]。煤礦一線從業(yè)人員的工作狀態(tài)、工作效率和安全生產(chǎn)密切相關(guān)，而疲勞是導(dǎo)致煤礦一線從業(yè)人員不安全行為產(chǎn)生的重要原因之一[3]。對(duì)于煤礦一線從業(yè)人員來(lái)說，工作時(shí)間以及工作結(jié)束后的休息規(guī)律與煤礦的輪班制度直接關(guān)聯(lián)。長(zhǎng)時(shí)間輪班作業(yè)使作業(yè)人員耐受力下降，生活規(guī)律紊亂，易產(chǎn)生心理壓力和負(fù)擔(dān)[4]。過度疲勞導(dǎo)致作業(yè)人員身體運(yùn)行機(jī)能下降，但又必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成工作。這種長(zhǎng)期的疲勞積累不僅對(duì)員工身體造成不可逆的疾病損害，還可能會(huì)導(dǎo)致人為因素性質(zhì)的事故[5]。合理的輪班制度能夠有效緩解煤礦一線從業(yè)人員疲勞的產(chǎn)生，降低疲勞恢復(fù)的壓力，使員工處于安全狀態(tài)，有利于煤礦的安全生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們多采用問卷調(diào)查的方式、開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)煤礦從業(yè)人員疲勞狀況進(jìn)行評(píng)估、監(jiān)測(cè)，但是研究缺乏定量客觀地評(píng)估，局限于主觀判斷和定性分析。大腦皮質(zhì)中神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的腦電波，波形隨生理狀況而改變，能夠很好地反映認(rèn)知過程中腦神經(jīng)的電生理改變情況[6]。選擇合適特征參數(shù)作為評(píng)價(jià)疲勞的指標(biāo)，從而能夠定量客觀地評(píng)估煤礦從業(yè)人員的疲勞水平。因此，從疲勞產(chǎn)生的規(guī)律，使用腦電設(shè)備采集紅柳林煤礦一線從業(yè)人員相關(guān)腦電信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算疲勞指數(shù)來(lái)研究不同輪班制度對(duì)煤礦一線從業(yè)人員疲勞的影響。

1 文獻(xiàn)綜述

目前，對(duì)疲勞的研究是安全領(lǐng)域的重要課題，在煤炭行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)被專家學(xué)者們高度重視。疲勞能夠降低人的認(rèn)知能力和警覺性，導(dǎo)致員工操作失誤等差錯(cuò)。當(dāng)員工處于疲勞狀態(tài)時(shí)，大腦無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)身體做出指令，其行為能力的安全性會(huì)降低，主要表現(xiàn)為肢體不協(xié)調(diào)、動(dòng)作不準(zhǔn)確等，從而引發(fā)不安全事故[7]。

邢娟娟[8]調(diào)查了2000—2005 年內(nèi)各類工傷事故發(fā)生情況，分析結(jié)果表明在疲勞狀態(tài)下事故發(fā)生的危險(xiǎn)性明顯增加；Liu 等[9]通過分析2000—2016 年間的362 起重大煤礦事故得出，人為因素是導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生的主要原因，疲勞占據(jù)很大比重。煤礦事故的發(fā)生，與一線從業(yè)人員連續(xù)工作導(dǎo)致身體出現(xiàn)疲勞狀態(tài)而不能得到有效恢復(fù)有很大關(guān)系[10]，而輪班排班制度是影響煤礦一線從業(yè)人員疲勞的主要因素之一。Hanoa 等[11]通過對(duì)煤礦工人不同輪班制度下的問卷和跟蹤調(diào)查得出，合理的輪班制度才更有利于煤礦工人的健康；王新平等[12]采用主觀疲勞評(píng)價(jià)法調(diào)查與分析了陜西某煤業(yè)公司采煤工人的疲勞產(chǎn)生原因，提出了設(shè)置崗位定時(shí)輪換制度的管理優(yōu)化策略來(lái)減少煤礦工人的疲勞；李誠(chéng)信等[13]將安全領(lǐng)域疲勞監(jiān)測(cè)的技術(shù)思路和管理方法應(yīng)用于煤礦井下，并開發(fā)了用于監(jiān)測(cè)煤礦工人安全排班管理系統(tǒng)，有利于管理人員制定合理的排班，改善煤礦工人的疲勞狀況；張宏等[14]應(yīng)用事件相關(guān)電位研究了一線礦工下井前后腦電特征變化來(lái)研究礦工的疲勞狀況，從而得出ERP 方法可用來(lái)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)。因此，通過對(duì)疲勞的研究，能夠制定相關(guān)措施使煤礦一線從業(yè)人員避免因疲勞而產(chǎn)生不安全狀態(tài)，減少事故發(fā)生。

2 基于腦電測(cè)量的指標(biāo)選擇

在不同的生理或思維狀態(tài)下，人的腦電信號(hào)表現(xiàn)出不同的頻率分量，腦電疲勞指標(biāo)反映的是大腦的喚醒水平，表示大腦對(duì)外界信息的處理水平[15]。當(dāng)大腦皮層長(zhǎng)時(shí)間處于興奮狀態(tài)時(shí)，大腦皮質(zhì)產(chǎn)生的保護(hù)性反應(yīng)會(huì)抑制興奮狀態(tài)，進(jìn)而降低了大腦的喚醒水平，使人體產(chǎn)生疲勞。當(dāng)人處于興奮、警覺性較高的狀態(tài)時(shí)，疲勞指標(biāo)值就會(huì)很低。當(dāng)人處于反應(yīng)遲鈍、注意力不集中的狀態(tài)時(shí)，疲勞指標(biāo)值就會(huì)很高。測(cè)量疲勞主要選擇α、β、θ、δ 4 種波，α、β 波的出現(xiàn)代表機(jī)體處于高度警覺，比較興奮的狀態(tài)，反之就代表機(jī)體處于疲勞狀態(tài)；θ 波的出現(xiàn)代表機(jī)體處于低覺醒狀態(tài)，警覺性下降，處理信息量減少，操作遲緩；δ 波只有在機(jī)體處于睡眠狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)[16]。研究表明，成年人從正常狀態(tài)向疲勞狀態(tài)改變的過程中，腦電信號(hào)的慢波逐漸增加，快波逐漸減少[17]。因此，將慢波和快波的能量比作為判斷疲勞狀態(tài)的指標(biāo)。研究中煤礦一線從業(yè)人員工作結(jié)束時(shí)，疲勞程度還未達(dá)到瞌睡狀態(tài)或睡眠狀態(tài)，因此δ 波不明顯，計(jì)算疲勞指標(biāo)時(shí)不予考慮。在計(jì)算疲勞指標(biāo)時(shí)用平均功率譜代替腦電能量值，用W 表示評(píng)價(jià)煤礦一線從業(yè)人員疲勞的指標(biāo)。

式中：Pα、Pβ、Pθ分別為α、β、θ 波的能量值。

3 2 種輪班制度下的主客觀疲勞分析

選擇紅柳林煤礦一線同工種作業(yè)人員50 名，分為2 組，每組25 名，年齡在25～35 周歲左右，工齡大約15 年。通過主觀問卷調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法研究在“三八制”和“四六制”2 種輪班制度下的疲勞狀況。保證問卷填寫和測(cè)試時(shí)間是在從業(yè)人員換裝后的入井前和升井后未洗澡的狀態(tài)下填寫。主觀問卷調(diào)查采用由日本產(chǎn)業(yè)衛(wèi)生學(xué)會(huì)提出的疲勞自覺癥狀調(diào)查表，通過生理狀態(tài)、精神和主觀感覺3 方面評(píng)判被試的疲勞狀態(tài)，且都經(jīng)過了信效度檢驗(yàn)[18]。問卷調(diào)查前先由主試對(duì)需要注意的事項(xiàng)和內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的說明，待被試?yán)斫夂笤龠M(jìn)行問卷發(fā)放。主試不得對(duì)被試進(jìn)行語(yǔ)言或動(dòng)作上的干擾，以保證問卷結(jié)果的可靠性，調(diào)查結(jié)果見表1?？陀^測(cè)試[19]采用簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)測(cè)定儀、抽取卡片閱讀記憶并默寫進(jìn)行測(cè)試分析。反應(yīng)時(shí)間測(cè)定主要是指被試對(duì)呈現(xiàn)的聲光等刺激做出反應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)人體疲勞時(shí)，人體狀態(tài)差，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)人體處于比較精神的狀態(tài)時(shí)，生理、心理反應(yīng)迅速，反應(yīng)時(shí)間較短。抽取卡片閱讀記憶默寫主要測(cè)試被試短期記憶的正確率。當(dāng)人在疲勞狀態(tài)下大腦神經(jīng)系統(tǒng)處于緊張狀態(tài)，記憶力會(huì)下降，反之大腦比較清醒，記憶力較好。測(cè)試程序與問卷填寫類似，保證其測(cè)試結(jié)果的可靠性，前、班后選擇反應(yīng)時(shí)比較結(jié)果見表2，班前、班后短期記憶比較結(jié)果見表3。

表1 班前、班后疲勞問卷調(diào)查結(jié)果Table 1 Results of pre-shift and post-shift fatigue questionnaire

表2 班前、班后選擇反應(yīng)時(shí)比較結(jié)果Table 2 Comparison results of pre-shift and post-shift response time

表3 班前、班后短期記憶比較結(jié)果Table 3 Comparison of pre-shift and post-shift short-term memory

不同輪班制度下各種疲勞測(cè)試的結(jié)果可以得出，“三八制”輪班制度下一線從業(yè)人員的疲勞情況比“四六制”嚴(yán)重?！叭酥啤陛啺嘀贫认乱痪€從業(yè)人員的選擇反應(yīng)時(shí)班后要比班前延遲，與前人研究一致[20]?！八牧啤敝贫认乱痪€從業(yè)人員的選擇反應(yīng)時(shí)班后較班前也有所延長(zhǎng)，但是無(wú)顯著性差異。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，人的身體和精力都會(huì)受到影響，再加上不能得到及時(shí)恢復(fù)，易產(chǎn)生疲勞，錯(cuò)誤率增加。在短期記憶測(cè)試上，“四六制”比“三八制”出現(xiàn)錯(cuò)誤少，說明“三八制”輪班制度下從業(yè)人員工作負(fù)荷較大，疲勞感增加會(huì)導(dǎo)致對(duì)外界事物敏感度降低，從而影響記憶。由表1“三八制”和“四六制”2 種輪班制度下從業(yè)人員班前班后表現(xiàn)情況調(diào)查結(jié)果可知，“三八制”井下一線從業(yè)人員班前和班后的生理、心理的差異性都很顯著，而“四六制”的一線從業(yè)人員只有在精力方面班前班后差異性比較顯著，說明“四六制”工作時(shí)間的強(qiáng)度下對(duì)員工疲勞的影響較小。

4 基于腦電測(cè)量的不同輪班制度下疲勞指標(biāo)分析

選擇紅柳林煤礦一線同工種作業(yè)人員50 名，分為2 組，每組25 名，身體健康，視力正常，年齡在25～35 周歲左右，工齡大約15 a，采集在“三八制”和“四六制”2 種輪班制度下的人員腦電數(shù)據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)獲取與方法分析

使用64 導(dǎo)Neuroscan 腦電儀對(duì)煤礦一線從業(yè)人員夜班工作的班前和班后進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)的采集。采取國(guó)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1 000 Hz，頭皮電阻控制在5 kΩ 以下。

實(shí)驗(yàn)總體思路是在從業(yè)人員上班前對(duì)被試進(jìn)行腦電信號(hào)的采集，此后從業(yè)人員結(jié)束工作的第一時(shí)間立即對(duì)其進(jìn)行再一次的腦電信號(hào)采集，選擇被試與主觀量表測(cè)試保持一致。主試者在實(shí)驗(yàn)前要提醒被試盡量放松，保持不動(dòng)的姿勢(shì)，少眨眼，以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)參與測(cè)試的從業(yè)人員進(jìn)行編號(hào)，記錄測(cè)試時(shí)間。借助Matlab 軟件中的eeglab 插件來(lái)提取腦電的特征值，計(jì)算α、β 和θ 3 種波形的平均功率譜，再由式（1）計(jì)算出相應(yīng)的疲勞指標(biāo)值，進(jìn)而分析不同輪班制度下煤礦一線從業(yè)人員疲勞狀態(tài)。

4.2 結(jié)果分析

對(duì)比分析測(cè)得的2 種輪班制度下班前各25 組腦電數(shù)據(jù)和班后測(cè)得的各25 組腦電數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得出疲勞指標(biāo)W 的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，班前、班后的疲勞指標(biāo)W 描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。2 種輪班制度班前、班后疲勞指標(biāo)W 的變化情況如圖1。

圖1 2 種輪班制度班前、班后疲勞指標(biāo)W 的變化情況Fig.1 Changes of fatigue index W of pre-shift and post-shift two shift systems

表4 班前、班后的疲勞指標(biāo)W 描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Description and statistical results of pre-shift and post-shift fatigue index W

“四六制”輪班制度下煤礦一線從業(yè)人員的疲勞指標(biāo)水平總體上比“三八制”較小?！叭酥啤惫ぷ飨旅旱V一線從業(yè)人員班前班后的疲勞指標(biāo)差異顯著，班后的疲勞指標(biāo)明顯高于班前。班后相較于班前，隨著工作時(shí)間的積累，大腦額區(qū)的覺醒水平和注意力下降，疲勞水平增加，進(jìn)而導(dǎo)致從業(yè)人員生理、心理功能明顯下降或紊亂，降低了對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)能力和反應(yīng)能力。在班前工作開始時(shí)，“三八制”輪班制度下煤礦一線從業(yè)人員的疲勞指標(biāo)水平高于“四六制”。根據(jù)人體的作息規(guī)律，夜晚工作時(shí)人體的機(jī)能比白天較差，易出現(xiàn)不安全行為，發(fā)生事故。研究表明，大多數(shù)事故是在疲勞或者打瞌睡的狀態(tài)下發(fā)生的。結(jié)合劉青林[18]的研究和人體生物節(jié)律的規(guī)律，“三八制”工作的從業(yè)人員疲勞恢復(fù)需要的時(shí)間更長(zhǎng)，再考慮到“三八制”和“四六制”煤礦一線從業(yè)人員工作的時(shí)間，“四六制”相對(duì)于“三八制”從業(yè)人員可以休息更多的時(shí)間，能夠更充足的緩解工作的疲憊感，有利于疲勞恢復(fù)。且6 h 工作時(shí)間較8 h工作時(shí)間相比從業(yè)人員的疲勞感要輕很多。

安全行為是人對(duì)刺激的一種安全性反應(yīng)，是經(jīng)過一定動(dòng)作實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程，也即人的行為模式，基于疲勞的煤礦從業(yè)人員行為模式如圖2。個(gè)體在受到刺激而做出反應(yīng)需要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的信息處理過程，而這個(gè)過程是由人的生理屬性決定的。在生產(chǎn)活動(dòng)中，人的最佳意識(shí)處于正常階段，此時(shí)煤礦從業(yè)人員可以開展正常的工作，不易產(chǎn)生不安全行為。但是在實(shí)際的工作中，煤礦從業(yè)人員的工作環(huán)境和性質(zhì)導(dǎo)致其容易產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而使其大腦皮層的覺醒程度降低，意識(shí)水平下降，對(duì)外界信息的處理分析能力下降。疲勞后的煤礦從業(yè)人員不能及時(shí)對(duì)井下的突發(fā)事件做出反應(yīng)，增大了不安全行為發(fā)生的概率。通過人的行為模式來(lái)揭示煤礦從業(yè)人員疲勞對(duì)行為規(guī)律的影響。因此，在合理的輪班制度下，一線從業(yè)人員的身體才能保持在良好的狀態(tài)，避免因疲勞而導(dǎo)致不安全行為發(fā)生，產(chǎn)生事故。

圖2 基于疲勞的煤礦從業(yè)人員行為模式Fig.2 Behavior pattern of employees in coal mine based on fatigue

5 合理輪班方式

當(dāng)前，煤礦管理人員在制定輪班制度時(shí)面臨著許多挑戰(zhàn)，既要滿足煤礦的產(chǎn)量需求，又要保證排班制度的靈活性來(lái)提高員工的工作績(jī)效。從人體工效學(xué)視角出發(fā)，在設(shè)計(jì)輪班制度時(shí)，為了使系統(tǒng)安全性和效率達(dá)到最大化，同時(shí)也要從國(guó)家、社會(huì)和企業(yè)角度考慮，平衡勞動(dòng)力和生產(chǎn)資料，達(dá)到降低成本和增加效益，提出以下分析。

1）工作時(shí)間。《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中提到，煤炭企業(yè)應(yīng)提高機(jī)械化生產(chǎn)水平，改善作業(yè)環(huán)境，減輕煤礦一線從業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。改革煤礦工作制度，將煤礦一線作業(yè)人員下井時(shí)間縮短到8 h 以內(nèi)，并盡快實(shí)行四班6 h 工作制度。結(jié)合研究結(jié)果，“四六制”輪班制度要優(yōu)于“三八制”，煤礦一線從業(yè)人員下井時(shí)間縮短能夠得到更好地休息，既提高了注意力和出勤率，又能夠減少不安全行為產(chǎn)生，進(jìn)而有效降低事故率。

2）人員配置和員工滿意度?！八牧啤陛啺嘀贫认路譃? 個(gè)小組，更有利于按照煤礦一線從業(yè)人員的體力強(qiáng)弱和工種優(yōu)化人員配置，單班作業(yè)時(shí)間的減少，可供支配的自由時(shí)間增多，員工能夠得到充分的休息，恢復(fù)身體機(jī)能，既能夠提高作業(yè)效率，均衡人力資源，又能夠增強(qiáng)一線從業(yè)人員與家庭的交流，提高員工滿意度。

3）國(guó)家政策和社會(huì)輿論。2020 年國(guó)家提出持續(xù)推進(jìn)煤炭行業(yè)化解過剩產(chǎn)能，去杠桿，降成本等?！八牧啤陛啺嘀贫认噍^于“三八制”更有利于整合煤炭企業(yè)的人力資源，同時(shí)可以降低人工成本。煤礦不安全事故的發(fā)生容易引起社會(huì)輿論關(guān)注，大部分人不愿從事煤礦一線采掘工作，而煤炭企業(yè)實(shí)行“四六制”輪班制度是從人文關(guān)懷的視角為員工考慮，有利于提升煤礦一線從業(yè)人員的社會(huì)地位，改善煤炭企業(yè)的社會(huì)形象。

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)腦電數(shù)據(jù)，“三八制”輪班制度較“四六制”使煤礦一線從業(yè)人員產(chǎn)生更大的疲勞，容易出現(xiàn)疲勞作業(yè)，不利于煤礦安全生產(chǎn)。從生物節(jié)律方面考慮，“四六制”輪班制度可以提高煤礦一線從業(yè)人員的作業(yè)效率，降低煤礦采掘的不安全系數(shù)，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦仍采用“三八制”輪班制度，通過研究表明，煤炭企業(yè)可以在遵守國(guó)家法律規(guī)定的煤礦一線從業(yè)人員井下作業(yè)時(shí)間，保證生產(chǎn)力和生產(chǎn)資料均衡的前提下，建立合理的輪班制度，逐漸推行“四六制”輪班制度，使煤礦一線從業(yè)人員的權(quán)益最大化，有效提高人力資源利用率。