基于腦電數據的不同輪班制度下煤礦一線從業人員疲勞評估

李紅霞，陳 磊，田方圓，李國為，魯 宇

（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 管理學院，陜西 西安 710054；3.河南城建學院 管理學院，河南 平頂山 467000；4.陜煤集團 神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719300；5.江西科技學院 財經學院，江西 南昌 330098）

煤炭作為主要能源在我國現代化經濟建設中發揮著重要的作用[1]，但我國煤炭開采作業條件差，作業時間長，勞動強度大，事故頻發，安全生產受到社會各界的廣泛關注[2]。煤礦一線從業人員的工作狀態、工作效率和安全生產密切相關，而疲勞是導致煤礦一線從業人員不安全行為產生的重要原因之一[3]。對于煤礦一線從業人員來說，工作時間以及工作結束后的休息規律與煤礦的輪班制度直接關聯。長時間輪班作業使作業人員耐受力下降，生活規律紊亂，易產生心理壓力和負擔[4]。過度疲勞導致作業人員身體運行機能下降，但又必須在規定時間內完成工作。這種長期的疲勞積累不僅對員工身體造成不可逆的疾病損害，還可能會導致人為因素性質的事故[5]。合理的輪班制度能夠有效緩解煤礦一線從業人員疲勞的產生，降低疲勞恢復的壓力，使員工處于安全狀態，有利于煤礦的安全生產。研究發現，學者們多采用問卷調查的方式、開發相關系統對煤礦從業人員疲勞狀況進行評估、監測，但是研究缺乏定量客觀地評估，局限于主觀判斷和定性分析。大腦皮質中神經元活動產生的腦電波，波形隨生理狀況而改變，能夠很好地反映認知過程中腦神經的電生理改變情況[6]。選擇合適特征參數作為評價疲勞的指標，從而能夠定量客觀地評估煤礦從業人員的疲勞水平。因此，從疲勞產生的規律，使用腦電設備采集紅柳林煤礦一線從業人員相關腦電信號，進而計算疲勞指數來研究不同輪班制度對煤礦一線從業人員疲勞的影響。

1 文獻綜述

目前，對疲勞的研究是安全領域的重要課題，在煤炭行業領域內被專家學者們高度重視。疲勞能夠降低人的認知能力和警覺性，導致員工操作失誤等差錯。當員工處于疲勞狀態時，大腦無法準確對身體做出指令，其行為能力的安全性會降低，主要表現為肢體不協調、動作不準確等，從而引發不安全事故[7]。

邢娟娟[8]調查了2000—2005 年內各類工傷事故發生情況，分析結果表明在疲勞狀態下事故發生的危險性明顯增加；Liu 等[9]通過分析2000—2016 年間的362 起重大煤礦事故得出，人為因素是導致煤礦事故發生的主要原因，疲勞占據很大比重。煤礦事故的發生，與一線從業人員連續工作導致身體出現疲勞狀態而不能得到有效恢復有很大關系[10]，而輪班排班制度是影響煤礦一線從業人員疲勞的主要因素之一。Hanoa 等[11]通過對煤礦工人不同輪班制度下的問卷和跟蹤調查得出，合理的輪班制度才更有利于煤礦工人的健康；王新平等[12]采用主觀疲勞評價法調查與分析了陜西某煤業公司采煤工人的疲勞產生原因，提出了設置崗位定時輪換制度的管理優化策略來減少煤礦工人的疲勞；李誠信等[13]將安全領域疲勞監測的技術思路和管理方法應用于煤礦井下，并開發了用于監測煤礦工人安全排班管理系統，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]應用事件相關電位研究了一線礦工下井前后腦電特征變化來研究礦工的疲勞狀況，從而得出ERP 方法可用來研究礦工的疲勞程度，P300 可以作為評價一線礦工疲勞的有效指標。因此，通過對疲勞的研究，能夠制定相關措施使煤礦一線從業人員避免因疲勞而產生不安全狀態，減少事故發生。

2 基于腦電測量的指標選擇

在不同的生理或思維狀態下，人的腦電信號表現出不同的頻率分量，腦電疲勞指標反映的是大腦的喚醒水平，表示大腦對外界信息的處理水平[15]。當大腦皮層長時間處于興奮狀態時，大腦皮質產生的保護性反應會抑制興奮狀態，進而降低了大腦的喚醒水平，使人體產生疲勞。當人處于興奮、警覺性較高的狀態時，疲勞指標值就會很低。當人處于反應遲鈍、注意力不集中的狀態時，疲勞指標值就會很高。測量疲勞主要選擇α、β、θ、δ 4 種波，α、β 波的出現代表機體處于高度警覺，比較興奮的狀態，反之就代表機體處于疲勞狀態；θ 波的出現代表機體處于低覺醒狀態，警覺性下降，處理信息量減少，操作遲緩；δ 波只有在機體處于睡眠狀態時才會出現[16]。研究表明，成年人從正常狀態向疲勞狀態改變的過程中，腦電信號的慢波逐漸增加，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的指標。研究中煤礦一線從業人員工作結束時，疲勞程度還未達到瞌睡狀態或睡眠狀態，因此δ 波不明顯，計算疲勞指標時不予考慮。在計算疲勞指標時用平均功率譜代替腦電能量值，用W 表示評價煤礦一線從業人員疲勞的指標。

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。通過主觀問卷調查和現場測試相結合的方法研究在“三八制”和“四六制”2 種輪班制度下的疲勞狀況。保證問卷填寫和測試時間是在從業人員換裝后的入井前和升井后未洗澡的狀態下填寫。主觀問卷調查采用由日本產業衛生學會提出的疲勞自覺癥狀調查表，通過生理狀態、精神和主觀感覺3 方面評判被試的疲勞狀態，且都經過了信效度檢驗[18]。問卷調查前先由主試對需要注意的事項和內容進行詳細的說明，待被試理解后再進行問卷發放。主試不得對被試進行語言或動作上的干擾，以保證問卷結果的可靠性，調查結果見表1。客觀測試[19]采用簡單反應時測定儀、抽取卡片閱讀記憶并默寫進行測試分析。反應時間測定主要是指被試對呈現的聲光等刺激做出反應的時間。當人體疲勞時，人體狀態差，反應時間較長。當人體處于比較精神的狀態時，生理、心理反應迅速，反應時間較短。抽取卡片閱讀記憶默寫主要測試被試短期記憶的正確率。當人在疲勞狀態下大腦神經系統處于緊張狀態，記憶力會下降，反之大腦比較清醒，記憶力較好。測試程序與問卷填寫類似，保證其測試結果的可靠性，前、班后選擇反應時比較結果見表2，班前、班后短期記憶比較結果見表3。

表1 班前、班后疲勞問卷調查結果Table 1 Results of pre-shift and post-shift fatigue questionnaire

表2 班前、班后選擇反應時比較結果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試的結果可以得出，“三八制”輪班制度下一線從業人員的疲勞情況比“四六制”嚴重。“三八制”輪班制度下一線從業人員的選擇反應時班后要比班前延遲，與前人研究一致[20]。“四六制”制度下一線從業人員的選擇反應時班后較班前也有所延長，但是無顯著性差異。隨著工作時間的延長，人的身體和精力都會受到影響，再加上不能得到及時恢復，易產生疲勞，錯誤率增加。在短期記憶測試上，“四六制”比“三八制”出現錯誤少，說明“三八制”輪班制度下從業人員工作負荷較大，疲勞感增加會導致對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 種輪班制度下從業人員班前班后表現情況調查結果可知，“三八制”井下一線從業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”工作時間的強度下對員工疲勞的影響較小。

4 基于腦電測量的不同輪班制度下疲勞指標分析

選擇紅柳林煤礦一線同工種作業人員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據。

4.1 數據獲取與方法分析

使用64 導Neuroscan 腦電儀對煤礦一線從業人員夜班工作的班前和班后進行腦電數據的采集。采取國際通用的10～20 電極導聯定位標準，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。

實驗總體思路是在從業人員上班前對被試進行腦電信號的采集，此后從業人員結束工作的第一時間立即對其進行再一次的腦電信號采集，選擇被試與主觀量表測試保持一致。主試者在實驗前要提醒被試盡量放松，保持不動的姿勢，少眨眼，以免影響實驗結果。對參與測試的從業人員進行編號，記錄測試時間。借助Matlab 軟件中的eeglab 插件來提取腦電的特征值，計算α、β 和θ 3 種波形的平均功率譜，再由式（1）計算出相應的疲勞指標值，進而分析不同輪班制度下煤礦一線從業人員疲勞狀態。

4.2 結果分析

對比分析測得的2 種輪班制度下班前各25 組腦電數據和班后測得的各25 組腦電數據，通過計算得出疲勞指標W 的描述性統計結果，班前、班后的疲勞指標W 描述統計結果見表4。2 種輪班制度班前、班后疲勞指標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W 描述統計結果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人員的疲勞指標水平總體上比“三八制”較小。“三八制”工作下煤礦一線從業人員班前班后的疲勞指標差異顯著，班后的疲勞指標明顯高于班前。班后相較于班前，隨著工作時間的積累，大腦額區的覺醒水平和注意力下降，疲勞水平增加，進而導致從業人員生理、心理功能明顯下降或紊亂，降低了對突發事件的響應能力和反應能力。在班前工作開始時，“三八制”輪班制度下煤礦一線從業人員的疲勞指標水平高于“四六制”。根據人體的作息規律，夜晚工作時人體的機能比白天較差，易出現不安全行為，發生事故。研究表明，大多數事故是在疲勞或者打瞌睡的狀態下發生的。結合劉青林[18]的研究和人體生物節律的規律，“三八制”工作的從業人員疲勞恢復需要的時間更長，再考慮到“三八制”和“四六制”煤礦一線從業人員工作的時間，“四六制”相對于“三八制”從業人員可以休息更多的時間，能夠更充足的緩解工作的疲憊感，有利于疲勞恢復。且6 h 工作時間較8 h工作時間相比從業人員的疲勞感要輕很多。

安全行為是人對刺激的一種安全性反應，是經過一定動作實現目標的過程，也即人的行為模式，基于疲勞的煤礦從業人員行為模式如圖2。個體在受到刺激而做出反應需要經歷一個復雜的信息處理過程，而這個過程是由人的生理屬性決定的。在生產活動中，人的最佳意識處于正常階段，此時煤礦從業人員可以開展正常的工作，不易產生不安全行為。但是在實際的工作中，煤礦從業人員的工作環境和性質導致其容易產生疲勞，進而使其大腦皮層的覺醒程度降低，意識水平下降，對外界信息的處理分析能力下降。疲勞后的煤礦從業人員不能及時對井下的突發事件做出反應，增大了不安全行為發生的概率。通過人的行為模式來揭示煤礦從業人員疲勞對行為規律的影響。因此，在合理的輪班制度下，一線從業人員的身體才能保持在良好的狀態，避免因疲勞而導致不安全行為發生，產生事故。

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

5 合理輪班方式

當前，煤礦管理人員在制定輪班制度時面臨著許多挑戰，既要滿足煤礦的產量需求，又要保證排班制度的靈活性來提高員工的工作績效。從人體工效學視角出發，在設計輪班制度時，為了使系統安全性和效率達到最大化，同時也要從國家、社會和企業角度考慮，平衡勞動力和生產資料，達到降低成本和增加效益，提出以下分析。

1）工作時間。《國務院關于促進煤炭工業健康發展的若干意見》中提到，煤炭企業應提高機械化生產水平，改善作業環境，減輕煤礦一線從業人員勞動強度。改革煤礦工作制度，將煤礦一線作業人員下井時間縮短到8 h 以內，并盡快實行四班6 h 工作制度。結合研究結果，“四六制”輪班制度要優于“三八制”，煤礦一線從業人員下井時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生，進而有效降低事故率。

2）人員配置和員工滿意度。“四六制”輪班制度下分為4 個小組，更有利于按照煤礦一線從業人員的體力強弱和工種優化人員配置，單班作業時間的減少，可供支配的自由時間增多，員工能夠得到充分的休息，恢復身體機能，既能夠提高作業效率，均衡人力資源，又能夠增強一線從業人員與家庭的交流，提高員工滿意度。

3）國家政策和社會輿論。2020 年國家提出持續推進煤炭行業化解過剩產能，去杠桿，降成本等。“四六制”輪班制度相較于“三八制”更有利于整合煤炭企業的人力資源，同時可以降低人工成本。煤礦不安全事故的發生容易引起社會輿論關注，大部分人不愿從事煤礦一線采掘工作，而煤炭企業實行“四六制”輪班制度是從人文關懷的視角為員工考慮，有利于提升煤礦一線從業人員的社會地位，改善煤炭企業的社會形象。

6 結 語

根據腦電數據，“三八制”輪班制度較“四六制”使煤礦一線從業人員產生更大的疲勞，容易出現疲勞作業，不利于煤礦安全生產。從生物節律方面考慮，“四六制”輪班制度可以提高煤礦一線從業人員的作業效率，降低煤礦采掘的不安全系數，為煤礦安全生產提供保障。目前國內大多數煤礦仍采用“三八制”輪班制度，通過研究表明，煤炭企業可以在遵守國家法律規定的煤礦一線從業人員井下作業時間，保證生產力和生產資料均衡的前提下，建立合理的輪班制度，逐漸推行“四六制”輪班制度，使煤礦一線從業人員的權益最大化，有效提高人力資源利用率。