田水承,烏力吉,寇 猛,范永斌
(1 西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2 教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
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基于生理實(shí)驗(yàn)的礦工不安全行為與疲勞關(guān)系研究*
田水承1,2,烏力吉1,2,寇猛1,2,范永斌1,2
(1 西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2 教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
人的不安全行為是導(dǎo)致事故的主要原因,而疲勞又是引起不安全行為的重要因素。為了精準(zhǔn)預(yù)防和控制人的不安全行為,必須弄清疲勞與不安全行為的影響關(guān)系,因此嘗試構(gòu)建由行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Captiv行為生理指標(biāo)測(cè)試儀)、雙臂調(diào)節(jié)能力測(cè)定儀、Tobbi眼動(dòng)分析系統(tǒng)等3個(gè)部分組成的不安全行為與疲勞測(cè)量系統(tǒng),以探討疲勞對(duì)不安全行為的影響關(guān)系。選取15名實(shí)驗(yàn)對(duì)象并加以疲勞刺激開展實(shí)驗(yàn)研究,研究了在疲勞前后狀態(tài)下,被測(cè)試者生理指標(biāo)與疲勞的關(guān)系,以及疲勞前操作時(shí)與疲勞后操作時(shí)行為能力的差異。結(jié)果表明,疲勞對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的生理指標(biāo)影響明顯,疲勞狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)對(duì)象操作更容易出錯(cuò)。
礦工;不安全行為;疲勞;生理指標(biāo);實(shí)驗(yàn)研究
2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention,MinistryofEducation,Xi’an710054,China)
人的不安全行為所導(dǎo)致的煤礦事故占事故總量的97%以上[1]。礦工在特殊的環(huán)境中工作,由于勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)、注意力高度集中,加之井下特殊環(huán)境影響,受高溫、噪聲、振動(dòng)、有害氣體等諸多不良因素的綜合刺激,較普通人群更容易疲勞。疲勞會(huì)使腦細(xì)胞活力受到抑制,使人容易出錯(cuò),進(jìn)而引發(fā)不安全行為,增大事故發(fā)生概率。
國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者如Geller S[2]和J.E.Tharaldsen[3]、周剛[4]、栗繼祖[5]、李乃文[6]、傅貴[7]、曹慶仁[8]、陳靜[9]、羅云[10]、田水承[11-12]等對(duì)疲勞與行為的關(guān)系及影響已有一定的成果,他們認(rèn)為在絕大多數(shù)情況下,人的錯(cuò)誤和不安全行為是一對(duì)等同的概念。目前對(duì)不安全行為的測(cè)量主要集中在問(wèn)卷調(diào)查、結(jié)構(gòu)模型、心理測(cè)試等手段,對(duì)于疲勞礦工的生理及生化指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究比較缺乏,實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)落后。本研究從行為安全與人因工程角度出發(fā),運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的手段探究疲勞前后礦工安全行為能力及生理指標(biāo)的變化,提出相應(yīng)的防控措施建議,為煤炭與企業(yè)實(shí)施有效的疲勞管理、減少員工的不安全行為,進(jìn)而提高煤礦安全管理水平提供新的思路。
不安全行為與疲勞測(cè)量系統(tǒng)主要包括3部分:行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Captiv行為生理指標(biāo)測(cè)試儀)(圖1(a))、雙臂調(diào)節(jié)能力測(cè)定儀(圖1(b))、基礎(chǔ)信號(hào)分析系統(tǒng)(圖1(c))。
圖1 不安全行為與疲勞測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system of unsafe behavior and fatigue (a) Captiv行為生理指標(biāo)測(cè)試儀 (b) 雙臂調(diào)節(jié)能力測(cè)定儀 (c) 基礎(chǔ)信號(hào)分析系統(tǒng)
1)Captiv行為數(shù)據(jù)記錄與分析系統(tǒng)。用于測(cè)量試驗(yàn)對(duì)象在疲勞前后模擬場(chǎng)景下試驗(yàn)前后的相關(guān)生理指標(biāo)(心率、呼吸等),并通過(guò)配套的軟件同步將數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確地記錄在電腦上;
2)BD-Ⅱ-317型雙臂調(diào)節(jié)器。試驗(yàn)對(duì)象通過(guò)雙臂配合的協(xié)調(diào)動(dòng)作,努力快速而又精確的在軌跡上移動(dòng),完成一周所用時(shí)間及出錯(cuò)次數(shù)反映了被試的注意分配及雙臂協(xié)調(diào)的能力;
3)Tobbi T60XL.它可以提供高質(zhì)量的眼動(dòng)追蹤。屏幕可以提供文字、圖片、視頻等多種刺激材料。
2.1實(shí)驗(yàn)原理
很多研究表明,人在疲勞狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)注意力不集中、動(dòng)作遲緩、動(dòng)作協(xié)調(diào)能力下降等。人體疲勞的生理表現(xiàn)為心率、呼吸等指標(biāo)發(fā)生改變[13]。文中從行為安全與人因工程角度出發(fā),運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的手段探究疲勞前后礦工安全行為能力及生理生化指標(biāo)的變化。
2.2實(shí)驗(yàn)假設(shè)
H1:礦工疲勞前后部分生理指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生顯著變化。
H2:礦工在疲勞狀態(tài)下,雙臂協(xié)調(diào)能力下降。
H3:礦工疲勞前后,注意力分配情況存在差異。
2.3確定疲勞刺激的有效性
讓15名礦工相繼進(jìn)行蛙跳及俯臥撐運(yùn)動(dòng)。蛙跳每組做5個(gè),每名礦工完成5組,每組動(dòng)作間隔休息1 min.俯臥撐每組做5個(gè),每名礦工完成10組,每組動(dòng)作間隔休息30 s.完成2種運(yùn)動(dòng)后填寫疲勞自評(píng)問(wèn)卷[14],將問(wèn)卷得分分成疲勞前后2組,利用SPSS19.0對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行單樣本非參數(shù)檢驗(yàn),結(jié)果見表1.
由檢驗(yàn)結(jié)果可知,單眼本運(yùn)行檢驗(yàn)的P值分別為0.632,0.072,均大于0.05,說(shuō)明疲勞問(wèn)卷的得分為隨機(jī)數(shù)列。Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)的P值分別為0.646,0.728,均大于0.05,說(shuō)明問(wèn)卷得分符合正態(tài)分布,可以進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)。對(duì)問(wèn)卷得分情況進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表2.
從分析結(jié)果中可以看到配對(duì)樣本檢驗(yàn)的P=0.000<0.05,說(shuō)明在進(jìn)行規(guī)定的運(yùn)動(dòng)后被試礦工的主觀疲勞感顯著增強(qiáng),即證明進(jìn)行疲勞刺激有效,可以導(dǎo)致被試者疲勞。
表1 疲勞問(wèn)卷單樣本非參數(shù)檢驗(yàn)
表2 主觀疲勞自評(píng)配對(duì)樣本T檢驗(yàn)
2.4實(shí)驗(yàn)操作
2.4.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇
選取15名試驗(yàn)對(duì)象,均為國(guó)內(nèi)某煤礦企業(yè)的員工,且具有2 a以上的煤礦工作經(jīng)驗(yàn)。并對(duì)15名試驗(yàn)對(duì)象按試驗(yàn)先后順序從“1”到“15”依次進(jìn)行編碼。
2.4.2眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)刺激材料及指標(biāo)選取
根據(jù)能夠真實(shí)反映煤礦井下生產(chǎn)實(shí)際的原則,選擇以下2個(gè)場(chǎng)景作為刺激材料,如圖2所示。選取總注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間及注視點(diǎn)個(gè)數(shù)作為指標(biāo)參數(shù)。
圖2 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)刺激材料Fig.2 Eye movement stimulus material
2.4.3疲勞前實(shí)驗(yàn)
首先對(duì)未進(jìn)行體育活動(dòng)的被試礦工進(jìn)行試驗(yàn)。在被試礦工不疲勞的狀態(tài)下,先對(duì)被試礦工進(jìn)行眼動(dòng)實(shí)驗(yàn),并記錄被試礦工的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。然后為礦工佩戴好生理信號(hào)采集儀器,并依次操作行為能力測(cè)試儀器(順序?yàn)橄炔僮髯⒁饬心芰y(cè)試儀,再雙臂調(diào)節(jié)器,最后雙手調(diào)節(jié)器)。在此同時(shí),生理信號(hào)采集儀器會(huì)同步記錄被試礦工的生理信號(hào)。
2.4.4疲勞后實(shí)驗(yàn)
在完成疲勞前實(shí)驗(yàn)后,被試礦工進(jìn)行5組蛙跳及10組俯臥撐運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)完成后,對(duì)被試進(jìn)行眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)。眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)完成后,佩戴好生理信號(hào)采集儀器,并再次按照順序進(jìn)行行為能力測(cè)試,同時(shí)生理信號(hào)測(cè)試儀記錄被試礦工的生理信號(hào)。
2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)束
直到15名試驗(yàn)對(duì)象全部完成試驗(yàn)操作步驟(1)至(4)的試驗(yàn)過(guò)程,整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束。其中,每個(gè)試驗(yàn)對(duì)象的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程大概持續(xù)50 min左右。
3.1數(shù)據(jù)采集
采集生理指標(biāo)數(shù)據(jù)及雙臂調(diào)節(jié)能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并整理,計(jì)量數(shù)據(jù)以“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,見表3.
采集眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并整理記錄,計(jì)量數(shù)據(jù)以“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,見表4.
表3 生理指標(biāo)與雙臂協(xié)調(diào)能力測(cè)量數(shù)據(jù)記錄
表4 眼動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
3.2數(shù)據(jù)分析
3.2.1疲勞前后生理指標(biāo)變化顯著性分析
將每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象疲勞前后的心率、呼吸及肌電在實(shí)驗(yàn)中的變化如圖3所示。
同時(shí)運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)所有15名試驗(yàn)對(duì)象在試驗(yàn)疲勞前后的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了配對(duì)樣本T檢驗(yàn),見表5.
表5 疲勞前后生理指標(biāo)配對(duì)樣本T檢驗(yàn)
圖3 疲勞前后生理變化曲線圖Fig.3 Change curve of physiological index (a)心率變化曲線 (b)呼吸變化曲線 (c)肌電變化曲線
由圖3(a)和表5中樣本1可知,實(shí)驗(yàn)對(duì)象疲勞后與疲勞前相比,心率整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),配對(duì)樣本T檢驗(yàn)中P=0.00<0.01,說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)象的心率在疲勞前后差異性非常顯著;由圖2(b)和表5中樣本2可知,實(shí)驗(yàn)對(duì)象疲勞后與疲勞前相比,呼吸值整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),配對(duì)樣本T檢驗(yàn)中P=0.00<0.01,說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)象呼吸值試驗(yàn)前后差異性非常顯著;由圖3(c)和表5中樣本3可知,實(shí)驗(yàn)對(duì)象疲勞后與疲勞前相比,肌電整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),配對(duì)樣本T檢驗(yàn)中P=0.00<0.01,說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)象的肌電在疲勞前后差異性非常顯著。
3.2.2疲勞前后雙臂調(diào)節(jié)出錯(cuò)次數(shù)及所用時(shí)間變化顯著性分析
對(duì)每名試驗(yàn)對(duì)象在疲勞前操作時(shí)與疲勞后操作時(shí)出錯(cuò)次數(shù)及所用時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4所示。
運(yùn)用SPSS19.0軟件對(duì)所有15名試驗(yàn)對(duì)象在試驗(yàn)疲勞前后的雙臂調(diào)節(jié)錯(cuò)誤次數(shù)和所用時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行了配對(duì)樣本T檢驗(yàn),見表6.
由圖4與表6中樣本1可知,實(shí)驗(yàn)對(duì)象疲勞后雙臂調(diào)節(jié)錯(cuò)誤次數(shù)整體高于疲勞前的錯(cuò)誤次數(shù),配對(duì)樣本T檢驗(yàn)中P<0.01,說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)象的雙臂調(diào)節(jié)錯(cuò)誤次數(shù)在疲勞前后差異性非常顯著,礦工在受疲勞因素影響后雙臂調(diào)節(jié)能力變差;由圖4與表6中樣本2所示,實(shí)驗(yàn)對(duì)象的雙臂調(diào)節(jié)所用時(shí)間沒(méi)有明顯差異,此指標(biāo)實(shí)際意義不大。
3.2.3疲勞前后眼動(dòng)數(shù)據(jù)變化分析
運(yùn)用Tobbi Studio輸出場(chǎng)景的注視熱點(diǎn)圖,如圖5所示。
表6 疲勞前后雙臂調(diào)節(jié)能力配對(duì)樣本T檢驗(yàn)
圖4 疲勞前后雙臂調(diào)節(jié)錯(cuò)誤次數(shù)及所用時(shí)間變化曲線Fig.4 Change curve of errors of arms control ability
圖5 疲勞前后注視熱點(diǎn)圖Fig.5 Fixation duration heat images before and after fatigue (a)疲勞前第一場(chǎng)景注視熱點(diǎn)圖 (b)疲勞后第一場(chǎng)景注視熱點(diǎn)圖 (c)疲勞前第二場(chǎng)景注視熱點(diǎn)圖 (d)疲勞后第二場(chǎng)景注視熱點(diǎn)圖
從表4中的數(shù)據(jù)可以看出,疲勞前第一個(gè)場(chǎng)景被試注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間總和的平均值為6.21 s,注視點(diǎn)個(gè)數(shù)平均值為4.60個(gè),疲勞后被試注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間總和的平均值為4.17 s,注視點(diǎn)個(gè)數(shù)平均值為2.40個(gè);疲勞前第二個(gè)場(chǎng)景被試的注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間總和的平均值為7.04 s,注視點(diǎn)個(gè)數(shù)平均值為5.80個(gè);疲勞后第二個(gè)場(chǎng)景被試的注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間總和的平均值為4.46 s,注視點(diǎn)個(gè)數(shù)平均值為2.33個(gè)。被試礦工在2個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中疲勞后的注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間總和都低于疲勞前。
圖5中的色塊表示被試眼睛看到的位置,顏色越深表示關(guān)注時(shí)間越長(zhǎng)。由此可以看出,疲勞前的被試礦工能夠更多的關(guān)注場(chǎng)景中的不安全行為,并且注意力較為集中;疲勞后的礦工對(duì)不安全行為的關(guān)注程度有所下降,關(guān)注點(diǎn)相對(duì)疲勞前更為渙散。
3.3生理指標(biāo)與雙臂協(xié)調(diào)能力的回歸分析
多元逐步回歸分析的優(yōu)點(diǎn)在于保證進(jìn)入方程的各自變量都有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。有的自變量對(duì)因變量的影響很強(qiáng),有的可能很弱,有的甚至沒(méi)有作用。通過(guò)對(duì)自變量的篩選,可使回歸方程中只包含對(duì)因變量有影響的自變量,從而確保回歸方程是所謂的“最優(yōu)”方程。
將雙臂協(xié)調(diào)能力測(cè)試指標(biāo)中的錯(cuò)誤次數(shù)作為指標(biāo)為因變量Y,以各生理學(xué)指標(biāo)為自變量X,其中X1為心率,X2為呼吸,X3為肌電。運(yùn)用SPSS19.0對(duì)雙臂協(xié)調(diào)能力操作錯(cuò)誤次數(shù)和因變量的各項(xiàng)生理學(xué)指標(biāo)進(jìn)行多元逐步回歸分析,由于文中選取的自變量有3個(gè),對(duì)3個(gè)回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)(其中模型1包含常量和X1,模型2包含常量X1和X2,模型3包含常量X1,X2和X3)檢驗(yàn)結(jié)果見表7.
表7 Anova檢驗(yàn)結(jié)果
a.預(yù)測(cè)變量:(常量),x1;b.預(yù)測(cè)變量:(常量),x1,x2;c.預(yù)測(cè)變量:(常量),x1,x2,x3;d.因變量:y
從表7的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出,模型2的顯著性結(jié)果P=0.042<0.05,說(shuō)明其因變量對(duì)于自變量的解釋較好,在此模型中肌電變量被剔除?;貧w方程系數(shù)見表8.
表8 回歸方程系數(shù)
回歸方程為
Y=11.279-0.141X1+0.283X2,
(1)
其中心率的P=0.027<0.05,呼吸的P=0.046<0.05,說(shuō)明2個(gè)生理指標(biāo)解釋雙臂協(xié)調(diào)錯(cuò)誤次數(shù)的顯著性良好。心率對(duì)雙臂協(xié)調(diào)能力影響更大,呼吸對(duì)雙臂協(xié)調(diào)能力影響相對(duì)小。肌電指標(biāo)受個(gè)體影響較大,故在本次實(shí)驗(yàn)中解釋自變量沒(méi)有達(dá)到顯著性水平。
3.4結(jié)果討論
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)疲勞前后的個(gè)體生理指標(biāo)(心率、呼吸、肌電)差異性非常顯著,驗(yàn)證了假設(shè)H1;礦工在疲勞狀態(tài)下雙臂協(xié)調(diào)能力下降,尤其在出錯(cuò)次數(shù)方面非常顯著,驗(yàn)證了假設(shè)H2;礦工疲勞前后注意力分配情況存在明顯差異,驗(yàn)證了假設(shè)H3.
回歸分析結(jié)果顯示,本研究條件中心率和呼吸2項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)礦工的雙臂協(xié)調(diào)能力能夠較好的解釋,礦工疲勞與不安全行為的關(guān)系可用能夠表征疲勞的生理指標(biāo)與行為錯(cuò)誤間的數(shù)學(xué)方程模型表示。利用文中的回歸方程,可以通過(guò)測(cè)量生理指標(biāo)來(lái)估算行為能力。
全球醫(yī)療領(lǐng)域健康管理模式的發(fā)展趨勢(shì)是為每個(gè)人建立健康檔案,這樣的健康管理模式應(yīng)該被煤礦企業(yè)引入。通過(guò)對(duì)員工的體檢即可獲得本研究中選取的生理學(xué)指標(biāo),結(jié)合本研究的結(jié)果,煤礦企業(yè)就可以對(duì)員工的相關(guān)行為能力進(jìn)行估算,估算結(jié)果可作為員工出現(xiàn)不安全行為的重要參考。
在此基礎(chǔ)上,煤礦企業(yè)還可以引入健康檔案管理及不安全行為評(píng)估軟件,讓這種新的管理模式建立在信息化系統(tǒng)之上,使之高效而便捷。通過(guò)定期體檢、測(cè)試等方法建立每名員工的健康檔案,每名煤礦員工都擁有自己的生理學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合本研究的結(jié)果,參考員工的生理節(jié)律周期,可以判斷煤礦員工的安全行為能力。這樣管理層可以針對(duì)不同員工合理安排其工作負(fù)荷、調(diào)整工作作息,為減少員工不安全行為的發(fā)生提供幫助。這種新型的管理模式可以在了解員工健康狀況的同時(shí)為管理層管控不安全行為提供參考,不僅是對(duì)員工的關(guān)懷,也是對(duì)不安全行為管控的推進(jìn)。
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Relationship between miners’unsafe behavior and fatigue based on physiological experiment
TIAN Shui-cheng1,2,WU Li-ji1,2,KOU Meng1,2,F(xiàn)AN Yong-bin1,2
(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;
People’s unsafe behavior is the main cause of the acciden,and fatigue is one of the important factors causing unsafe behavior.In order to prevent and control unsafe behavior accurately,this paper tries to build the measurement system of unsafe behavior and fatigue including 3 parts,behavioral data acquisition system(Captiv behavioral and physiological index tester),arms control ability testor,and eye movement analysis system to discuss the influence of fatigue on unsafe behavior.15 subjects are selected to study on fatigue stimulus.It studied the relationship between physiological indexes and fatigue,and operational behavior ability.These differences are compared before and after fatigue treatment.The results show that subjects’ physiological indexes are influenced notably and operational error rate increases with fatigue.
miners;unsafe behavior;fatigue;physiological index;experimental research
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0305
1672-9315(2016)03-0324-07
2016-02-21責(zé)任編輯:高佳
國(guó)家自然科學(xué)基金(71273028,71271169);博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20116121110002,20126121110004)
田水承(1964-),男,山東淄博人,教授,博導(dǎo),E-mail:tiansc@xust.edu.cn
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