防噪耳塞對礦工安全行為能力的影響實驗研究

田水承，孫璐瑤

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.西安科技大學 應急管理研究所，陜西 西安710054）

煤礦行業是典型的高噪音行業，挖掘機、帶式輸送機、采煤機等設備的運轉都會產生巨大的噪音。噪聲環境不僅威脅礦工的健康，而且影響他們自身的安全行為能力，安全行為能力不足將導致礦工產生不安全行為，從而導致煤礦事故的發生[1-2]。在噪聲環境中工作時，礦工會選擇佩戴防噪耳塞來削弱噪聲的干擾。目前，國內外學者關于噪聲對個體安全行為能力的影響已經做了大量研究。U Lundberg等[3-4]發現在噪聲狀態下被試的心率及主觀用力均產生變化,說明個體對噪聲抵抗較差。姚勇等[5]建立了礦工的安全能力評價指標體系，認為反應能力對人員的安全行為能力有重要作用。Kovalchik 等[6-7]認為噪聲會妨礙溝通交流和降低危險感知能力，使人錯誤判斷外界刺激或者對于外界刺激的反應延遲。目前大多學者重點研究噪聲強度對礦工安全行為能力的影響，對于佩戴耳塞后礦工的安全行為能力是否受到有效保護的研究較少；為此將礦工在噪聲環境下佩戴防噪耳塞與其安全行為能力聯系在一起進行探討，討論防噪耳塞對礦工的實際防護效果。

1 實驗方案

1.1 實驗方法

噪聲會影響礦工的生理狀態和行為特征，生理反應和行為特征的變化能夠反映防噪耳塞對礦工的防護效果，以保證礦工的作業安全。借鑒白煜坤[8]、田水承[9]、寇猛[10]等學者關于礦工安全行為能力的研究，在模擬井下噪聲場景下，對同一實驗對象分別在裸耳與佩戴耳塞時進行聲反應能力測定實驗。測得實驗對象在實驗過程中心率、皮膚電反應2 項生理指標的變化及聲反應時1 項行為指標的變化，初步測評裸耳與佩戴耳塞時礦工的安全行為能力差異，然后運用SPSS22.0 軟件對實驗數據進行分析，從而評估礦工佩戴防噪耳塞后的實際效果。

1.2 實驗設備

實驗測量包括生理指標和行為特征指標測量2部分，故實驗設備也相應有生理測量和行為測量設備。生理測量設備：Mind Ware Bio Lab 生理指標測試儀；行為測量設備：BD-V-509 多項反應時測定儀。

1）Mind Ware Bio Lab 生理指標測試儀。該儀器可以進行心率、皮電、腦電等多種生理信號的同步采集，并利用相應的基礎信號分析（BSA）軟件對數據進行整理和計算。

2）BD-V-509 型多項反應時測定儀。該儀器采用電子計算機技術，能夠自動采集、存儲測量數據并計算多次測量數據累計值、平均值和分散度等。

1.3 實驗過程

實驗共選取15 名人員，按照完成實驗的順序進行編號。實驗對象均為神東煤炭集團有限責任公司的礦工。對15 名實驗對象進行實驗目的、過程和設備的詳細講解，讓其熟練實驗設備的操作，避免由于操作不熟練影響測量結果。按照設備說明，將電極片粘貼至其身體相應部位，將實驗室光線調暗并打開揚聲器制造噪音環境。測試實驗對象在裸耳和佩戴耳塞時的聲反應能力，在測定過程中同步記錄實驗對象的心電和皮電2 個生理指標的變化，實驗對象測試完成后摘除身上的電極片，換下一名實驗對象開始實驗。

當15 名實驗對象全部完成測定時，整個實驗過程結束，每名實驗對象的實驗過程持續20 min。利用基礎信號分析軟件（BSA）和SPSS22.0 軟件對實驗數據進行處理分析。

2 實驗結果

2.1 數據預處理

將實驗對象進行聲反應能力測定時的實驗數據進行整理，并計算聲反應時、心率和皮電的增長率大小。增長率的計算公式為：增長率=100%×（裸耳時的數值-佩戴耳塞時的數值）/裸耳時的數值，并將所得到的結果繪制為折線，聲音反應能力測定中裸耳與佩戴耳塞的生理、行為變化曲線如圖1。

圖1 聲反應能力測定中裸耳與佩戴耳塞的生理、行為變化曲線Fig.1 Physiological and behavioral curves of bare ears or wearing earplugs in the measurement of acoustic response capabilities

在噪聲環境下佩戴耳塞時操作“多項反應時測定儀”與裸耳時相比，聲反應時整體呈現不同程度的升高，心率和最大GSR 值整體呈現不同程度的下降；從圖1（d）中可以看出除了3#、9#、12#、15#被試的聲反應時增長率略低于最大GSR 值（皮膚電反應，簡稱皮電）增長率外，其余被試的聲反應時增長率均高于最大GSR 值增長率；除了10#被試的最大GSR 值增長率略低于心率增長率外，其余被試者的最大GSR 值增長率均高于心率增長率，這表明了佩戴耳塞對被試的聲反應能力影響更大，對被試者的心率影響較小。

2.2 實驗數據的顯著性

利用SPSS22.0 軟件對實驗對象在裸耳和佩戴耳塞時操作“多項反應時測定儀”時的聲反應時、心率、皮電3 組數據進行配對樣本T 檢驗，聲反應能力測定中裸耳與佩戴耳塞的配對樣本T 檢驗結果見表1。

表1 聲反應能力測定中裸耳與佩戴耳塞的配對樣本T 檢驗Table 1 Paired samples T test of bare ears and wearing earplugs in acoustic response measurement

裸耳與佩戴耳塞的配對樣本T 檢驗中，聲反應時、心率和皮電的P 值均為0，P＜0.05，說明實驗對象在佩戴耳塞與裸耳時測定的的聲反應時、心率和皮電的差異性非常顯著，表明了佩戴耳塞會對礦工的安全行為能力造成明顯的影響。

2.3 生理指標與行為指標的線性回歸

利用線性回歸分析[11]來探究行為特征指標與生理指標之間是否存在線性關系。選取聲反應能力測定時實驗對象的心率、最大GSR 值的增長率作為自變量，把聲反應時的增長率作為因變量，使用SPSS22.0 軟件進行線性回歸分析。模型1，R=0.836,R2=0.699，調整后R2=0.649，標準偏斜度錯誤為3.527，Durbin-Watson 檢驗為1.742。變異數分析情況見表2、回歸分析系數a 情況見表3。

表2 變異數分析Table 2 Analysis of variance

調整后R2為0.649，擬合優度R2＞0.6，說明該模型的擬合度較好；Durbin-Watson 值為擬合后殘差，其值越接近2，說明相關性越強，模型的DW 值1.742，表現出較強烈的正相關性。線性回歸模型的P 值為0.001，P＜0.05,說明隨著生理指標增長率的引入，其顯著性概率值遠小于0.05，所以能夠顯著地拒絕原假設，該回歸模型有效；F 值為13.923，說明生理指標的增長率和聲反應時的增長率之間存在線性關系。線性回歸模型的回歸系數，常數、心率增長率、最大GSR 值增長率的系數分別-3.441、-1.163、-0.427，且心率增長率和最大GSR 值增長率的系數的顯著性均小于0.05，說明生理數據的增長率會對聲反應時的增長率產生顯著性結果，具有統計學意義；自變量的VIF 值為1.168，VIF＜5，說明自變量之間不存在共線性，說明該模型合理；由于常數項的P值為0.129，P＞0.05，故常數項不具備顯著性，不符合回歸模型，故在標準系數一列中剔除了常數項。所以標準化的回歸方程為：聲反應時增長率=-0.449×心率增長率-0.555×最大GSR 值增長率。

表3 回歸分析系數aTable 3 Regression analysis coefficient a

標準化殘差的直方圖和標準P-P 圖如圖2。大部分自變量的殘差都符合正太分布，且散點基本分布在對角線附近，故標準化殘差基本服從正太分布。分析結果進一步證明了生理指標的增長率與聲反應時的增長率之間存在線性關系。生理指標的增加率越高，則聲反應時的增加率越高，佩戴耳塞會嚴重影響個體對聲音的反應時間。

圖2 回歸標準化殘差分析Fig.2 Analysis of regression normalized residuals

3 個體安全行為能力測評

3.1 安全行為能力指數模型的構建

采用個體行為能力指數來評價礦工佩戴耳塞后的安全行為能力[12]，用f 表示。選取心率和皮電（最大GSR 值）2 個生理指標來計算15 名實驗對象佩戴耳塞時的安全行為能力指數fi，計算公式為：

式中：j 為生理指標數量（j=1，2）；n 為實驗對象總人數，n=15；i 為試驗編號，（i=1，2，…，15）；hij為實驗對象裸耳時的各個生理指標數值；qij為實驗對象佩戴耳塞時的各個生理指標數值。

將15 名實驗對象的f 值繪制為折線圖，f 值以0值為平均值水平,當f 為正值時,說明個體佩戴耳塞時的生理指標整體波動大于平均水平, 代表佩戴耳塞后的個體行為能力越差；當f 為負值時,代表佩戴耳塞后的個體行為能力好，且f 值越小，個體行為能力越好。

噪聲環境中實驗對象佩戴耳塞時的安全行為能力指數f 的折線圖如圖3，除了4#、8#、12#、13#實驗對象的f 值為正值外，其余11 名實驗對象的f 值均小于0，說明他們的安全行為能力較好，然而其f 值均在［0，－20］之間，說明佩戴耳塞并沒有顯著的提升個體的安全行為能力。

圖3 實驗對象的行為能力f 值Fig.3 Fvalue of behavior ability of experimental subjects

3.2 模型與行為特征指標的相關性

將被試的f 值與行為特征指標（聲反應時的增長率）進行Spearman 相關分析，相關系數為-0.656，P 值為0.008，說明f 值與被試聲反應時的增加率有著較強的負相關性，即f 值越大，個體行為能力越差，聲反應時的增長率越小，被試對于聲音的敏感性越差。安全行為能力指數f 能夠作為參考來篩選礦工，f 值越大，佩戴耳塞后的個體對于聲音的反應時間越長，對于聲音的敏感性越低，發生人為失誤的可能性增加。

4 結 語

通過在噪聲環境下對實驗對象進行聲反應能力的測定，得到實驗對象佩戴耳塞與裸耳時的心率、皮電（最大GSR 值）與反應時間均有顯著差異性，心率、皮電的增加率與聲反應時的增加率存在線性關系，說明佩戴防噪耳塞會對人員的生理和行為有一定的影響。通過計算實驗對象在噪聲場景中佩戴防噪耳塞的安全行為能力（f 值），并將被試的f 值與行為特征指標進行相關分析，得出防噪耳塞會對礦工的生理有一定的防護效果，會提高人員的安全行為能力，但是會降低人員對聲音的反應能力。煤礦企業可以根據f 值測評來擇優錄取安全行為能力水平較高的礦工，從而降低惡劣環境因素對員工行為能力的影響。另外佩戴耳塞能夠提高人員的安全行為能力的根本原因是降低了傳入耳內的噪聲分貝，但長期佩戴效果還需進一步探究。