疲劳对矿工不安全行为影响的ERP实验研究*

李红霞，薛建文，杨妍

(西安科技大学管理学院，陕西西安710054)

疲劳对矿工不安全行为影响的ERP实验研究*

李红霞，薛建文，杨妍

(西安科技大学管理学院，陕西西安710054)

∶煤矿企业的生产事故中有80%是由人的不安全行为引起的。预防和控制煤矿中人的不安全行为是减少人员伤亡和经济财产损失、保障安全生产顺利进行的关键环节。文中运用脑电测量实验，基于疲劳对矿工不安全行为的影响，结合神经管理学和安全管理学理论与方法，对疲劳状态下矿工的不安全行为进行实验研究，构建了由刺激发生系统(STIM)、信号采集与处理系统、被试反应系统、数字放大器等组成的事件相关电位(ERP)测量系统，并选取了15名实验对象作为被测试者开展实验研究，对被试者疲劳前后注意力的脑电信号指标进行测量。当被试者疲劳时，注意能力有所下降，ERP实验中的朝向反应实验可以反映出这种变化。实验分别对被试者在疲劳前后脑电信号P3a成分进行测量，结果表明疲劳前后P3a成分的波幅、潜伏期都有不同程度的变化，疲劳对被测试者脑电信号的波幅、潜伏期影响明显，疲劳时被试者注意力下降，更容易出现不安全行为。

∶疲劳;矿工不安全行为;事件相关电位

0 引言

安全生产是煤矿行业永恒的主题，矿工工作与其他职业相比更有其行业特殊性，长期单调繁重的劳动、恶劣环境极易导致精神压力大和身心憔悴。长时间的疲劳状态会使人以一种消极的、麻木不仁的态度应对工作，在执行各项安全操作规程时缺乏应有的安全敏感性，从而导致安全意识下降，这些都将成为矿难事故的隐患。

目前，国内外一些学者如Reason［1］，Jonson［2］，Hollnagel［3］，巴甫洛夫［4］、李红霞，田水承［5］、傅贵［6］、曹庆仁［7］、刘斌、罗云［8］等从不同方面研究了矿工不安全行为的发生机理，国外学者基于人因失误的基本原理，构造出不同的致因模型，解释不安全行为发生的深层原因。杨盼［9］、Dennis Wylie［10］、周玲［11］、尹小琳［12］、赵小松［13］、邢娟娟［14-15］从不同方面研究了疲劳的定义、分类以及疲劳的影响因素。牛清宁［16］等通过实验测量等方式，研究了疲劳的具体测量问题，通过实验测量的生理参数来对疲劳进行量化研究。

而国内学者的研究主要集中在不安全行为在煤矿事故中的作用方面。矿工不安全行为发生过程中其心理情况往往会通过生理参数反映出来，如脑电、心电、皮电、眼动等，这些生理、心理参数均可以通过实验仪器进行测量。因此，在研究矿工不安全行为发生的深层机理时有必要引入实验测量仪器，根据得出的实验数据进行相应的实验研究。基于此，文中构建脑电信号测量系统，测量被试者疲劳前后脑电信号的变化，在对数据分析的基础上得出疲劳对矿工不安全行为的影响，从而为煤矿企业预防和控制矿工的不安全行为提供新的建议。

1 疲劳状态下矿工脑电信号测量实验系统的构建

疲劳状态下矿工脑电信号测量系统主要包括∶①刺激发生系统(STIM)，作用是将刺激文件呈现给被试者;②信号采集与处理系统，将采集来的脑电信号转化、过滤、分析、计算得到ERP成分;③被试反应系统，用于记录被试者的反应时间;④数字放大器，导电帽和导电膏一起连接到头皮，导出脑电信号传到数字放大器，用于放大信号后输入数据采集与处理系统。

2 实验过程

选取被试者15名，均为煤矿安全管理专业男性研究生，具有一定的煤矿实习经验，年龄22～28岁，均为右利手，视力(裸眼或矫正)正常，听力正常，身体健康。对被试者进行1～15编号。

2.1 实验前被试者疲劳状态的主观评定

实验前，通过疲劳度主观问卷对被试者的疲劳状态进行评定，利用SPSS17.0对问卷得分进行配对样本T检验，结果显示二次实验时被试者的主观疲劳感显著增强，此结果为脑电实验客观评定提供了重要的研究基础。

2.2 实验数据采集

1)实验前让被试者阅读实验须知，做好必要的准备(如上卫生间)，在实验正式开始前选择舒适的坐姿，全身放松地坐在椅子上;

2)为被试者佩戴耳机，双侧耳机给予声音刺激，要求被试者在保证正确判断的的前提下，尽快做出按键反应;

3)信号采集系统同步采集被试者的脑电信号。

3 实验数据分析

3.1 行为数据分析

将实验数据进行整理，见表1.

利用SPSS17.0对前后测得的反应时间进行配对样本T检验。其中正态性检验结果见表2.

从分析结果中可以看出疲劳前后反应时间均值分别为324.156 7和820.930 0，可初步判定被试者的反应时间变慢。

该配对样本检验的Sig=0.000＜0.05，样本具有显著性差异，且该检验的t=-9.664，负值说明疲劳后反应时间增长，即被试者对于声音刺激的反应时间显著变长。

表1 被试者疲劳前后的平均响应时间Tab.1 Average response time of subjects before and after fatigue ms

3.2 脑电数据分析

将7个不同电极分布点分为3组(前∶F3，F4;中∶CZ，C3，C4;后∶P3，P4)，对声音刺激所诱发出ERP成分的波幅和潜伏期进行分析。各点前后测得的波幅、潜伏期数据整理见表3.

利用SPSS17.0数据处理软件对前后测潜伏期、波幅进行配对样本T检验，如图1，2所示。

波幅数据中配对样本T检验结果t=4.130，p =0.006＜0.05，t为正值，说明疲劳后波幅减小，且差异性显著;潜伏期数据中配对样本T检验结果t =-4.619，p=0.004＜0.05，t为负值说明疲劳后潜伏期增大，且差异性显著。

图1 疲劳前后各导联点潜伏期变化曲线Fig.1 Curve about changes in latency stages of various lead points before and after fatigue

图2 疲劳前后各导联点波幅变化曲线Fig.2 Curve about changes in amplitudes of various lead points before and after fatigue

表2 配对样本T检验结果Tab.2 Paired sam ples test

表3 各导联点疲劳前后测得的实验数据Tab.3 Experimental data of various lead points before and after fatigue

3.3 脑电数据分析

图3为实验中测得的被试者脑电地形图。

图3 P3a成分的脑电地形图Fig.3 Brain electrical activitymapping of P3a before subjects feel fatigued

通过观察脑部区域颜色的变化可知，被试者P3a成分，以额区最为明显。疲劳前，P3a约在230 ms时开始出现，最大波幅在270 ms左右(图3 (a))。疲劳后约580 ms开始出现，最大波幅在680 ms左右(图3(b))。

3.4 实验结果

正常状态下P3a所实现的对新异刺激的反应是很灵敏的，而被试者疲劳后我们可以观察到潜伏期延后，这说明对突然出现的新异刺激的反应速度下降。通过文中脑电地形图的分布可以看出，疲劳前大脑的额区活跃，而疲劳后其活跃性降低，这说明疲劳后被试者的额区执行功能下降。大脑额区主管人的精神和思维，疲劳后其活跃性降低，脑力可能会对危险信号的觉察判断能力下降，从而导致了工作时不能及时应对突发事件。

4 结论

1)构建了由刺激发生系统(STIM)、信号采集与处理系统、被试反应系统、数字放大器等组成的时间相关电位(ERP)测量系统，并在实验室条件下，应用该系统对15名被测试者的脑电信号进行数据采集和分析;

2)运用SPSS17.0软件对基于疲劳的矿工脑电信号测量系统测量得出的15名被测试者的数据进行分析和配对样本T检验，得出∶P3a成分波幅、潜伏期疲劳前后的实验中差异性非常显著，表明在实验操作中疲劳对注意力有明显影响;

3)基于实验测量得出的数据建立了基于疲劳的矿工不安全行为模式，并在此基础上提出预防和减少矿工不安全行为的建议，从而减少由于疲劳引起的不安全行为的发生。

References

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ERP experiment research on impact of fatigue on unsafe behaviors ofm iners

LIHong-xia，XUE Jian-wen，YANG Yan

(College of Management，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

∶80%of industrial accidents in coalmine enterprises are triggered by unsafe behaviors ofminers.Preventing and controlling unsafe behaviors ofminers is a crucial link to reduce casualties and economic losses and ensure safety in industrial production.In this study，an electroencephalo-graph(EEG) measurement experimentwas made to figure out the impact of fatigue on unsafe behaviors of miners. Neuromanagementwas combined with safety management theories and methods to make an empirical study of unsafe behaviors ofminers in fatigue.An event-related potentials(ERP)measurement system，composed of a stimulation-generating system(STIM)，a signal acquisition and processing system，a subject-reacting system，a digital amplifier and other components，was built，and 15 miners were chosen as experiment subjects tomeasure the attention of theminers as an EEG indicator before and afterminers felt fatigued.When subjects were fatigued，their attention was gradually distracted from work，which wasreflected by the orienting response experiment in the ERP experiment.In the experiment，P3a components of subjects before and after they felt fatigued were tested.And test results showed that subjects had experienced varying degrees of changes in amplitudes and latency stages in their P3a components before and after they felt fatigued.That is to say，fatigue has a significant impacton amplitudes and latency stages of EEG of subjects.When miners feel fatigues，they would be inattentive and more prone to unsafe behaviors.

∶fatigue;miners’unsafe behavior;event-related potentials

∶TD 79

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0317

∶1672-9315(2015)03-0376-05

∶2015-02-10责任编辑∶高佳

∶国家自然科学基金项目(71271169，71273208);教育部博士点基金项目(20126121110004，20116121110002);西安科技大学哲学社会科学繁荣发展计划项目(2012SZ01);陕西省教育厅(高校)哲学社会科学重点研究基地建设项目(12JZ017，2014RW013;14JZ026)

∶李红霞(1965-)，女，河北遵化人，教授，博士生导师，E-mail∶406144519@qq.com