基于脑电数据的不同轮班制度下煤矿一线从业人员疲劳评估

李红霞，陈 磊，田方圆，李国为，鲁 宇

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 管理学院，陕西 西安 710054；3.河南城建学院 管理学院，河南 平顶山 467000；4.陕煤集团 神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719300；5.江西科技学院 财经学院，江西 南昌 330098）

煤炭作为主要能源在我国现代化经济建设中发挥着重要的作用[1]，但我国煤炭开采作业条件差，作业时间长，劳动强度大，事故频发，安全生产受到社会各界的广泛关注[2]。煤矿一线从业人员的工作状态、工作效率和安全生产密切相关，而疲劳是导致煤矿一线从业人员不安全行为产生的重要原因之一[3]。对于煤矿一线从业人员来说，工作时间以及工作结束后的休息规律与煤矿的轮班制度直接关联。长时间轮班作业使作业人员耐受力下降，生活规律紊乱，易产生心理压力和负担[4]。过度疲劳导致作业人员身体运行机能下降，但又必须在规定时间内完成工作。这种长期的疲劳积累不仅对员工身体造成不可逆的疾病损害，还可能会导致人为因素性质的事故[5]。合理的轮班制度能够有效缓解煤矿一线从业人员疲劳的产生，降低疲劳恢复的压力，使员工处于安全状态，有利于煤矿的安全生产。研究发现，学者们多采用问卷调查的方式、开发相关系统对煤矿从业人员疲劳状况进行评估、监测，但是研究缺乏定量客观地评估，局限于主观判断和定性分析。大脑皮质中神经元活动产生的脑电波，波形随生理状况而改变，能够很好地反映认知过程中脑神经的电生理改变情况[6]。选择合适特征参数作为评价疲劳的指标，从而能够定量客观地评估煤矿从业人员的疲劳水平。因此，从疲劳产生的规律，使用脑电设备采集红柳林煤矿一线从业人员相关脑电信号，进而计算疲劳指数来研究不同轮班制度对煤矿一线从业人员疲劳的影响。

1 文献综述

目前，对疲劳的研究是安全领域的重要课题，在煤炭行业领域内被专家学者们高度重视。疲劳能够降低人的认知能力和警觉性，导致员工操作失误等差错。当员工处于疲劳状态时，大脑无法准确对身体做出指令，其行为能力的安全性会降低，主要表现为肢体不协调、动作不准确等，从而引发不安全事故[7]。

邢娟娟[8]调查了2000—2005 年内各类工伤事故发生情况，分析结果表明在疲劳状态下事故发生的危险性明显增加；Liu 等[9]通过分析2000—2016 年间的362 起重大煤矿事故得出，人为因素是导致煤矿事故发生的主要原因，疲劳占据很大比重。煤矿事故的发生，与一线从业人员连续工作导致身体出现疲劳状态而不能得到有效恢复有很大关系[10]，而轮班排班制度是影响煤矿一线从业人员疲劳的主要因素之一。Hanoa 等[11]通过对煤矿工人不同轮班制度下的问卷和跟踪调查得出，合理的轮班制度才更有利于煤矿工人的健康；王新平等[12]采用主观疲劳评价法调查与分析了陕西某煤业公司采煤工人的疲劳产生原因，提出了设置岗位定时轮换制度的管理优化策略来减少煤矿工人的疲劳；李诚信等[13]将安全领域疲劳监测的技术思路和管理方法应用于煤矿井下，并开发了用于监测煤矿工人安全排班管理系统，有利于管理人员制定合理的排班，改善煤矿工人的疲劳状况；张宏等[14]应用事件相关电位研究了一线矿工下井前后脑电特征变化来研究矿工的疲劳状况，从而得出ERP 方法可用来研究矿工的疲劳程度，P300 可以作为评价一线矿工疲劳的有效指标。因此，通过对疲劳的研究，能够制定相关措施使煤矿一线从业人员避免因疲劳而产生不安全状态，减少事故发生。

2 基于脑电测量的指标选择

在不同的生理或思维状态下，人的脑电信号表现出不同的频率分量，脑电疲劳指标反映的是大脑的唤醒水平，表示大脑对外界信息的处理水平[15]。当大脑皮层长时间处于兴奋状态时，大脑皮质产生的保护性反应会抑制兴奋状态，进而降低了大脑的唤醒水平，使人体产生疲劳。当人处于兴奋、警觉性较高的状态时，疲劳指标值就会很低。当人处于反应迟钝、注意力不集中的状态时，疲劳指标值就会很高。测量疲劳主要选择α、β、θ、δ 4 种波，α、β 波的出现代表机体处于高度警觉，比较兴奋的状态，反之就代表机体处于疲劳状态；θ 波的出现代表机体处于低觉醒状态，警觉性下降，处理信息量减少，操作迟缓；δ 波只有在机体处于睡眠状态时才会出现[16]。研究表明，成年人从正常状态向疲劳状态改变的过程中，脑电信号的慢波逐渐增加，快波逐渐减少[17]。因此，将慢波和快波的能量比作为判断疲劳状态的指标。研究中煤矿一线从业人员工作结束时，疲劳程度还未达到瞌睡状态或睡眠状态，因此δ 波不明显，计算疲劳指标时不予考虑。在计算疲劳指标时用平均功率谱代替脑电能量值，用W 表示评价煤矿一线从业人员疲劳的指标。

式中：Pα、Pβ、Pθ分别为α、β、θ 波的能量值。

3 2 种轮班制度下的主客观疲劳分析

选择红柳林煤矿一线同工种作业人员50 名，分为2 组，每组25 名，年龄在25～35 周岁左右，工龄大约15 年。通过主观问卷调查和现场测试相结合的方法研究在“三八制”和“四六制”2 种轮班制度下的疲劳状况。保证问卷填写和测试时间是在从业人员换装后的入井前和升井后未洗澡的状态下填写。主观问卷调查采用由日本产业卫生学会提出的疲劳自觉症状调查表，通过生理状态、精神和主观感觉3 方面评判被试的疲劳状态，且都经过了信效度检验[18]。问卷调查前先由主试对需要注意的事项和内容进行详细的说明，待被试理解后再进行问卷发放。主试不得对被试进行语言或动作上的干扰，以保证问卷结果的可靠性，调查结果见表1。客观测试[19]采用简单反应时测定仪、抽取卡片阅读记忆并默写进行测试分析。反应时间测定主要是指被试对呈现的声光等刺激做出反应的时间。当人体疲劳时，人体状态差，反应时间较长。当人体处于比较精神的状态时，生理、心理反应迅速，反应时间较短。抽取卡片阅读记忆默写主要测试被试短期记忆的正确率。当人在疲劳状态下大脑神经系统处于紧张状态，记忆力会下降，反之大脑比较清醒，记忆力较好。测试程序与问卷填写类似，保证其测试结果的可靠性，前、班后选择反应时比较结果见表2，班前、班后短期记忆比较结果见表3。

表1 班前、班后疲劳问卷调查结果Table 1 Results of pre-shift and post-shift fatigue questionnaire

表2 班前、班后选择反应时比较结果Table 2 Comparison results of pre-shift and post-shift response time

表3 班前、班后短期记忆比较结果Table 3 Comparison of pre-shift and post-shift short-term memory

不同轮班制度下各种疲劳测试的结果可以得出，“三八制”轮班制度下一线从业人员的疲劳情况比“四六制”严重。“三八制”轮班制度下一线从业人员的选择反应时班后要比班前延迟，与前人研究一致[20]。“四六制”制度下一线从业人员的选择反应时班后较班前也有所延长，但是无显著性差异。随着工作时间的延长，人的身体和精力都会受到影响，再加上不能得到及时恢复，易产生疲劳，错误率增加。在短期记忆测试上，“四六制”比“三八制”出现错误少，说明“三八制”轮班制度下从业人员工作负荷较大，疲劳感增加会导致对外界事物敏感度降低，从而影响记忆。由表1“三八制”和“四六制”2 种轮班制度下从业人员班前班后表现情况调查结果可知，“三八制”井下一线从业人员班前和班后的生理、心理的差异性都很显著，而“四六制”的一线从业人员只有在精力方面班前班后差异性比较显著，说明“四六制”工作时间的强度下对员工疲劳的影响较小。

4 基于脑电测量的不同轮班制度下疲劳指标分析

选择红柳林煤矿一线同工种作业人员50 名，分为2 组，每组25 名，身体健康，视力正常，年龄在25～35 周岁左右，工龄大约15 a，采集在“三八制”和“四六制”2 种轮班制度下的人员脑电数据。

4.1 数据获取与方法分析

使用64 导Neuroscan 脑电仪对煤矿一线从业人员夜班工作的班前和班后进行脑电数据的采集。采取国际通用的10～20 电极导联定位标准，选取乳突电极M1和M2为参考电极。脑电采集频率1 000 Hz，头皮电阻控制在5 kΩ 以下。

实验总体思路是在从业人员上班前对被试进行脑电信号的采集，此后从业人员结束工作的第一时间立即对其进行再一次的脑电信号采集，选择被试与主观量表测试保持一致。主试者在实验前要提醒被试尽量放松，保持不动的姿势，少眨眼，以免影响实验结果。对参与测试的从业人员进行编号，记录测试时间。借助Matlab 软件中的eeglab 插件来提取脑电的特征值，计算α、β 和θ 3 种波形的平均功率谱，再由式（1）计算出相应的疲劳指标值，进而分析不同轮班制度下煤矿一线从业人员疲劳状态。

4.2 结果分析

对比分析测得的2 种轮班制度下班前各25 组脑电数据和班后测得的各25 组脑电数据，通过计算得出疲劳指标W 的描述性统计结果，班前、班后的疲劳指标W 描述统计结果见表4。2 种轮班制度班前、班后疲劳指标W 的变化情况如图1。

图1 2 种轮班制度班前、班后疲劳指标W 的变化情况Fig.1 Changes of fatigue index W of pre-shift and post-shift two shift systems

表4 班前、班后的疲劳指标W 描述统计结果Table 4 Description and statistical results of pre-shift and post-shift fatigue index W

“四六制”轮班制度下煤矿一线从业人员的疲劳指标水平总体上比“三八制”较小。“三八制”工作下煤矿一线从业人员班前班后的疲劳指标差异显著，班后的疲劳指标明显高于班前。班后相较于班前，随着工作时间的积累，大脑额区的觉醒水平和注意力下降，疲劳水平增加，进而导致从业人员生理、心理功能明显下降或紊乱，降低了对突发事件的响应能力和反应能力。在班前工作开始时，“三八制”轮班制度下煤矿一线从业人员的疲劳指标水平高于“四六制”。根据人体的作息规律，夜晚工作时人体的机能比白天较差，易出现不安全行为，发生事故。研究表明，大多数事故是在疲劳或者打瞌睡的状态下发生的。结合刘青林[18]的研究和人体生物节律的规律，“三八制”工作的从业人员疲劳恢复需要的时间更长，再考虑到“三八制”和“四六制”煤矿一线从业人员工作的时间，“四六制”相对于“三八制”从业人员可以休息更多的时间，能够更充足的缓解工作的疲惫感，有利于疲劳恢复。且6 h 工作时间较8 h工作时间相比从业人员的疲劳感要轻很多。

安全行为是人对刺激的一种安全性反应，是经过一定动作实现目标的过程，也即人的行为模式，基于疲劳的煤矿从业人员行为模式如图2。个体在受到刺激而做出反应需要经历一个复杂的信息处理过程，而这个过程是由人的生理属性决定的。在生产活动中，人的最佳意识处于正常阶段，此时煤矿从业人员可以开展正常的工作，不易产生不安全行为。但是在实际的工作中，煤矿从业人员的工作环境和性质导致其容易产生疲劳，进而使其大脑皮层的觉醒程度降低，意识水平下降，对外界信息的处理分析能力下降。疲劳后的煤矿从业人员不能及时对井下的突发事件做出反应，增大了不安全行为发生的概率。通过人的行为模式来揭示煤矿从业人员疲劳对行为规律的影响。因此，在合理的轮班制度下，一线从业人员的身体才能保持在良好的状态，避免因疲劳而导致不安全行为发生，产生事故。

图2 基于疲劳的煤矿从业人员行为模式Fig.2 Behavior pattern of employees in coal mine based on fatigue

5 合理轮班方式

当前，煤矿管理人员在制定轮班制度时面临着许多挑战，既要满足煤矿的产量需求，又要保证排班制度的灵活性来提高员工的工作绩效。从人体工效学视角出发，在设计轮班制度时，为了使系统安全性和效率达到最大化，同时也要从国家、社会和企业角度考虑，平衡劳动力和生产资料，达到降低成本和增加效益，提出以下分析。

1）工作时间。《国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中提到，煤炭企业应提高机械化生产水平，改善作业环境，减轻煤矿一线从业人员劳动强度。改革煤矿工作制度，将煤矿一线作业人员下井时间缩短到8 h 以内，并尽快实行四班6 h 工作制度。结合研究结果，“四六制”轮班制度要优于“三八制”，煤矿一线从业人员下井时间缩短能够得到更好地休息，既提高了注意力和出勤率，又能够减少不安全行为产生，进而有效降低事故率。

2）人员配置和员工满意度。“四六制”轮班制度下分为4 个小组，更有利于按照煤矿一线从业人员的体力强弱和工种优化人员配置，单班作业时间的减少，可供支配的自由时间增多，员工能够得到充分的休息，恢复身体机能，既能够提高作业效率，均衡人力资源，又能够增强一线从业人员与家庭的交流，提高员工满意度。

3）国家政策和社会舆论。2020 年国家提出持续推进煤炭行业化解过剩产能，去杠杆，降成本等。“四六制”轮班制度相较于“三八制”更有利于整合煤炭企业的人力资源，同时可以降低人工成本。煤矿不安全事故的发生容易引起社会舆论关注，大部分人不愿从事煤矿一线采掘工作，而煤炭企业实行“四六制”轮班制度是从人文关怀的视角为员工考虑，有利于提升煤矿一线从业人员的社会地位，改善煤炭企业的社会形象。

6 结 语

根据脑电数据，“三八制”轮班制度较“四六制”使煤矿一线从业人员产生更大的疲劳，容易出现疲劳作业，不利于煤矿安全生产。从生物节律方面考虑，“四六制”轮班制度可以提高煤矿一线从业人员的作业效率，降低煤矿采掘的不安全系数，为煤矿安全生产提供保障。目前国内大多数煤矿仍采用“三八制”轮班制度，通过研究表明，煤炭企业可以在遵守国家法律规定的煤矿一线从业人员井下作业时间，保证生产力和生产资料均衡的前提下，建立合理的轮班制度，逐渐推行“四六制”轮班制度，使煤矿一线从业人员的权益最大化，有效提高人力资源利用率。