基于脑电检测的煤矿矿工井下疲劳作业监测研究

董建梁 李 鹏 马晨光

中煤科工集团西安研究院有限公司

煤矿井下作业是一项高负荷的工作。疲劳是导致煤矿事故发生的重要因素，采用脑电波技术建立疲劳分析模型，定量计算出疲劳指数可有效地检测出矿工的生理与心理疲劳状态，对预防因疲劳造成的操作事故具有非常重要的现实意义。

研究表明，矿工井下疲劳作业是煤矿事故发生的主要因素，矿工是煤炭生产过程中作业主体，也是控制主体和被保护主体，安全控制主要取决于人对危险的预防能力、识别能力和处理能力，这些都有成熟的规范化理论和方法。但是在现有的安全管理制度体系中缺少对矿工疲劳监测的手段，难以掌握煤矿作业人员的生理和心理状况是否适合相应的岗位操作，严重制约了安全生产管理水平的进步提升。脑电信号能更直接地反映大脑本身的活动，形成警觉度客观的判别模型。因此我们构想通过不同节律脑电波占比来分析矿工的疲劳程度。

1 脑电波

脑电波可分为两类：诱发电位响应和自发电活动。诱发脑电波是指对感觉器官进行有意识刺激所引脑电信号的变化，它的节律比较紊乱，无法对波形图的变化规律定量分析。自发脑电是指在没有特定外部刺激时大脑头皮电位可随时间的变化而发生变化。一般从频域上对脑电波进行分类。脑电按频率分成五个基本节律，即Y波（31-100Hz）、β 波（14 至30Hz）、α 波（8 至13Hz）、θ 波（4 至7Hz）、δ 波（1 至3Hz）。

Y 波：Y 波幅度只有1uV～10uV，表示人当前的高度紧张，当受到刺激高度紧张时，就会产生脑电脉冲，脑电脉冲之间会有间歇性缓冲。

β 波：其检测到电压幅度值在5uV-20uV。β 波频率比较高，处于该脑波频率的人精神相对紧张，对周围事物感知程度很高。

α 波：其检测到的电压幅度值在20uV～100uV。α波的频率在没有外加刺激时是比较恒定的。脑波处于该频率时人的大脑清醒而放松，注意力适度集中。

θ 波：其检测到的电压幅度值在50uV～150uV，脑电波幅度比较稳定，该频率的脑波表示人的精神处于比较放松状态，注意力下降，逐渐呈现出疲劳状态。

δ 波：其检测到的电压幅度值在20uV～200uV。当人在极度疲劳状态下，可持续出现这种波段，当人受外界刺激逐渐清醒时，δ 波也会出现。

2 建立脑电波疲劳监测模型

通过分析得到了表示生理与心理状态的不同节律的脑电波，但在实际脑电信号检测中，采集到的信号是不同节律脑电信号的叠加时域波形，因此无法从中获取更多有用的脑电信息来描述被测者的生理与心理疲劳状态，因此我们要将采集的时域信号转换为频域信号进行分析。图1 为不同频率脑波频谱图，并通过图形分析软件分析不同节律脑波能量占比。

图1 不同脑电波节律频谱图

通过上节分析可以得到不同节律脑波的能量占比，这样就可建立疲劳指数分析计算模型。疲劳指数用于描述被测试者专注度和放松度，由于人在集中注意力时，Y 波、β 波此时在脑电信号能量中占比较大。当人处于疲劳状态时，θ 波、δ 波在脑电信号能量占比较大。这样我们可得到计算专注度和放松度的公式。

专注度：

Pa 表示专注度，Y、β、α 分别表示Y 波、β 波、α 波在脑电信号能量中的百分比，m、n、t 分别表示Y 波、β 波、α 波的权重系数，通过层次分析法可获得。

放松度：

Pm 表示放松度，θ、δ、α 分别表示θ 波、δ 波、α 波在脑电信号能量中的百分比，x、y、z 分别表示θ 波、δ 波、α 波的权重系数。

然后通过1 到100 之间的具体数值综合定量评价被测者当前的生理状况和思维意识状态。

l）专注度与放松度的数值在1 至20 区间，表明被测者处于很低的指数水平，专注度很低说明被测者当前非常疲劳，注意力很难保持正常状态，放松度低说明被测者因受刺激导致当前精神状态过于紧张，甚至无法进行自我调控；

2）专注度与放松度的数值在20 至40 区间，表明被测者处于较低的指数水平，专注度较低说明被测者当前疲劳程度较为严重，注意力无法长时间集中，放松度较低说明被测者当前精神状态比较紧张；

3）专注度与放松度的数值在40 至60 区间，表明被测者的指数处于中等水平，专注度处于中等水平说明被测者当前疲劳程度比较轻，注意力可以集中，放松度处于中等水平说明被测者当前精神状态不再紧张，有放松趋势；

4）专注度与放松度的数值在60 至80 区间，表明被测者处于较高的指数水平，专注度较高说明被测者当前注意力比较集中，并且可保持一段时间，放松度处于较高水平说明被测者当前精神状态轻松，生理与心理状况稳定，此时人的工作逐渐进入理想状态；

5）专注度与放松度的数值在80 至100 区间，表明被测者处于很高的指数水平，专注度高说明被测者当前注意力非常集中，并且可保持很长段时间，放松度处于较高水平说明被测者当前精神状态非常轻松，人的生理与心理状况已经达到最佳。

图2 初期作业系统测试图

当矿工在井下作业时，因疲劳会在几秒钟内出现专注度下降，注意力放松的状况，可能导致不安全作业行为产生。所以通过专注度和放松度分析矿工疲劳程度需要一个基准线，这里基准线取值的选取不能过于极端，通过上述分析，当eSense 指数超过80 或低于20 时，说明eSense指数已经处于较为极端区域，所以需要应有一个适当的提前量，通常选定为10。医学研究表明，人的疲劳状况持续3s 以上就会影响行为的准确控制。因此在3s 以上的时间段中，矿工的专注度低于30 且放松度高于70 时，说明矿工出现了较为严重疲劳状况，会影响到当前的岗位工作。下图为疲劳模型的分析结果。

我们定量分析出被测者此时刻的专注度和放松度，当被测者连续3s 时间以上放松度达到70 且专注度小于30 时，就会通过声音刺激提示矿工需要集中注意力。同时，图中右上方按照频率由低到高用不同颜色柱状图定性表示不同节律脑波此时刻在大脑中的活跃程度，图中左侧也将不同节律脑波形成圆形图案，靠近圆心表明这一节律的脑波活跃程度较低，反之表明活跃程度高。

3 结语

我们从众多的指标参数中找出最能明显反映人体疲劳程度的指标：脑电波频率、专注度、放松度，将这些指标应用于煤矿矿工生理心理疲劳监测中。并建立疲劳指数分析模型定量得出矿工的专注度和放松度。通过实时监测矿工的身心疲劳程度，实时了解矿工在井下的工作能力状况，就可以发现潜在的危险隐患，避免事故的发生。通过研究为完善煤矿安全体系建设打下基础。