基于腦電檢測的煤礦礦工井下疲勞作業監測研究

董建梁 李 鵬 馬晨光

中煤科工集團西安研究院有限公司

煤礦井下作業是一項高負荷的工作。疲勞是導致煤礦事故發生的重要因素，采用腦電波技術建立疲勞分析模型，定量計算出疲勞指數可有效地檢測出礦工的生理與心理疲勞狀態，對預防因疲勞造成的操作事故具有非常重要的現實意義。

研究表明，礦工井下疲勞作業是煤礦事故發生的主要因素，礦工是煤炭生產過程中作業主體，也是控制主體和被保護主體，安全控制主要取決于人對危險的預防能力、識別能力和處理能力，這些都有成熟的規范化理論和方法。但是在現有的安全管理制度體系中缺少對礦工疲勞監測的手段，難以掌握煤礦作業人員的生理和心理狀況是否適合相應的崗位操作，嚴重制約了安全生產管理水平的進步提升。腦電信號能更直接地反映大腦本身的活動，形成警覺度客觀的判別模型。因此我們構想通過不同節律腦電波占比來分析礦工的疲勞程度。

1 腦電波

腦電波可分為兩類：誘發電位響應和自發電活動。誘發腦電波是指對感覺器官進行有意識刺激所引腦電信號的變化，它的節律比較紊亂，無法對波形圖的變化規律定量分析。自發腦電是指在沒有特定外部刺激時大腦頭皮電位可隨時間的變化而發生變化。一般從頻域上對腦電波進行分類。腦電按頻率分成五個基本節律，即Y波（31-100Hz）、β 波（14 至30Hz）、α 波（8 至13Hz）、θ 波（4 至7Hz）、δ 波（1 至3Hz）。

Y 波：Y 波幅度只有1uV～10uV，表示人當前的高度緊張，當受到刺激高度緊張時，就會產生腦電脈沖，腦電脈沖之間會有間歇性緩沖。

β 波：其檢測到電壓幅度值在5uV-20uV。β 波頻率比較高，處于該腦波頻率的人精神相對緊張，對周圍事物感知程度很高。

α 波：其檢測到的電壓幅度值在20uV～100uV。α波的頻率在沒有外加刺激時是比較恒定的。腦波處于該頻率時人的大腦清醒而放松，注意力適度集中。

θ 波：其檢測到的電壓幅度值在50uV～150uV，腦電波幅度比較穩定，該頻率的腦波表示人的精神處于比較放松狀態，注意力下降，逐漸呈現出疲勞狀態。

δ 波：其檢測到的電壓幅度值在20uV～200uV。當人在極度疲勞狀態下，可持續出現這種波段，當人受外界刺激逐漸清醒時，δ 波也會出現。

2 建立腦電波疲勞監測模型

通過分析得到了表示生理與心理狀態的不同節律的腦電波，但在實際腦電信號檢測中，采集到的信號是不同節律腦電信號的疊加時域波形，因此無法從中獲取更多有用的腦電信息來描述被測者的生理與心理疲勞狀態，因此我們要將采集的時域信號轉換為頻域信號進行分析。圖1 為不同頻率腦波頻譜圖，并通過圖形分析軟件分析不同節律腦波能量占比。

圖1 不同腦電波節律頻譜圖

通過上節分析可以得到不同節律腦波的能量占比，這樣就可建立疲勞指數分析計算模型。疲勞指數用于描述被測試者專注度和放松度，由于人在集中注意力時，Y 波、β 波此時在腦電信號能量中占比較大。當人處于疲勞狀態時，θ 波、δ 波在腦電信號能量占比較大。這樣我們可得到計算專注度和放松度的公式。

專注度：

Pa 表示專注度，Y、β、α 分別表示Y 波、β 波、α 波在腦電信號能量中的百分比，m、n、t 分別表示Y 波、β 波、α 波的權重系數，通過層次分析法可獲得。

放松度：

Pm 表示放松度，θ、δ、α 分別表示θ 波、δ 波、α 波在腦電信號能量中的百分比，x、y、z 分別表示θ 波、δ 波、α 波的權重系數。

然后通過1 到100 之間的具體數值綜合定量評價被測者當前的生理狀況和思維意識狀態。

l）專注度與放松度的數值在1 至20 區間，表明被測者處于很低的指數水平，專注度很低說明被測者當前非常疲勞，注意力很難保持正常狀態，放松度低說明被測者因受刺激導致當前精神狀態過于緊張，甚至無法進行自我調控；

2）專注度與放松度的數值在20 至40 區間，表明被測者處于較低的指數水平，專注度較低說明被測者當前疲勞程度較為嚴重，注意力無法長時間集中，放松度較低說明被測者當前精神狀態比較緊張；

3）專注度與放松度的數值在40 至60 區間，表明被測者的指數處于中等水平，專注度處于中等水平說明被測者當前疲勞程度比較輕，注意力可以集中，放松度處于中等水平說明被測者當前精神狀態不再緊張，有放松趨勢；

4）專注度與放松度的數值在60 至80 區間，表明被測者處于較高的指數水平，專注度較高說明被測者當前注意力比較集中，并且可保持一段時間，放松度處于較高水平說明被測者當前精神狀態輕松，生理與心理狀況穩定，此時人的工作逐漸進入理想狀態；

5）專注度與放松度的數值在80 至100 區間，表明被測者處于很高的指數水平，專注度高說明被測者當前注意力非常集中，并且可保持很長段時間，放松度處于較高水平說明被測者當前精神狀態非常輕松，人的生理與心理狀況已經達到最佳。

圖2 初期作業系統測試圖

當礦工在井下作業時，因疲勞會在幾秒鐘內出現專注度下降，注意力放松的狀況，可能導致不安全作業行為產生。所以通過專注度和放松度分析礦工疲勞程度需要一個基準線，這里基準線取值的選取不能過于極端，通過上述分析，當eSense 指數超過80 或低于20 時，說明eSense指數已經處于較為極端區域，所以需要應有一個適當的提前量，通常選定為10。醫學研究表明，人的疲勞狀況持續3s 以上就會影響行為的準確控制。因此在3s 以上的時間段中，礦工的專注度低于30 且放松度高于70 時，說明礦工出現了較為嚴重疲勞狀況，會影響到當前的崗位工作。下圖為疲勞模型的分析結果。

我們定量分析出被測者此時刻的專注度和放松度，當被測者連續3s 時間以上放松度達到70 且專注度小于30 時，就會通過聲音刺激提示礦工需要集中注意力。同時，圖中右上方按照頻率由低到高用不同顏色柱狀圖定性表示不同節律腦波此時刻在大腦中的活躍程度，圖中左側也將不同節律腦波形成圓形圖案，靠近圓心表明這一節律的腦波活躍程度較低，反之表明活躍程度高。

3 結語

我們從眾多的指標參數中找出最能明顯反映人體疲勞程度的指標：腦電波頻率、專注度、放松度，將這些指標應用于煤礦礦工生理心理疲勞監測中。并建立疲勞指數分析模型定量得出礦工的專注度和放松度。通過實時監測礦工的身心疲勞程度，實時了解礦工在井下的工作能力狀況，就可以發現潛在的危險隱患，避免事故的發生。通過研究為完善煤礦安全體系建設打下基礎。