不同作业阶段矿工安全注意力的事件相关电位研究*

李乃文，张 丽，牛莉霞

(辽宁工程技术大学 工商管理学院，辽宁 葫芦岛 125105)

0 引言

近年来，随着安全技术的更新和设备的完善，煤矿事故得到了控制，但是人因事故的比率仍然达到97%以上，导致人因失误的一个重要因素就是矿工的安全注意力下降，在整个作业过程中，矿工安全注意力在不断发生变化，每一次衰减都是安全事故的隐患。因此，通过脑电实验设计测定矿工在作业前、作业中和作业后的安全注意力水平，探讨整个作业过程中矿工安全注意力的变化规律，将有助于深入认识矿工在不同作业阶段下的安全注意力水平，为安全管理提供思路。

目前，关于矿工安全注意力测量的文献较少。在量表设计方面，李乃文[1]根据安全环境物化程度、语音意识、安全意志、知觉选择性、知觉理解性、知觉恒常性、视觉记忆等因素，开发了安全注意力测量量表，并对矿工安全注意力水平进行了测量；牛莉霞[2]在访谈基础上确定了安全注意力的行为属性，并结合安全信息“获取-理解-应对”过程设计了安全注意力量表。从心理学研究角度出发，荆秀娟等[3]认为目前对于注意网络的量表测量缺乏信度，其原因在于除了测量工具的科学性外，还取决于所测量的注意是否有恰当的定义。在实验设计方面，RU Ting Xia[4]以驾驶员为研究对象，设计注意力测量系统对驾驶员的反应时间和正确率进行实证研究；王春雪[5]通过两组实验设计研究噪声对安全注意力的影响机制，指出注意力的衰减过程中其心理过程往往可以通过脑电、心电的生理参数反映出来，这些生理参数是需要引入实验仪器进行研究的；在前人的研究基础上，杨博[6]运用事件相关电位实验对脑力疲劳前后的注意加工能力进行了实证研究，得出有显著差异；邱佩钰[7]通过ERP实验设计研究视觉疲劳对驾驶员注意能力的影响，结果表明疲劳后驾驶员的非随意注意能力下降；王金娥[8]通过脑电实验设计，得出维持注意和选择性注意有不同的脑机制，诱发不同的ERP成分。

综上可知，脑电实验可以作为测量注意力的工具。因此，笔者在前人的研究成果基础上，以矿工安全注意力为研究对象，通过脑电实验设计，对作业前期、作业中期、作业后期阶段的矿工安全注意力水平进行测量，探讨作业前期、中期、后期阶段矿工安全注意力的变化规律，为管控矿工安全注意力提供依据和思路。

1 研究方法

1.1 研究对象

被试实验人员是阜新煤矿集团中挑选的安全隐患最高的一线员工(均为男性)10名，其中掘进工人5名，采煤工人5名。对处于不同作业阶段的10名被试分别进行测试，主要是按照2个工种作业流程的工序节点来划分，一组是在作业前期阶段的矿工，一组是作业中期阶段的矿工，一组是作业后期阶段的矿工。所有被试均是右利手，身体健康，双眼视力为1.0以上，没有精神上或者身体上的疾病史，年龄平均值为32.12岁，标准差为1.89，完成实验可以获得适当的报酬。

1.2 实验设计

1.3 实验程序

本实验采用oddball范式。实验开始前，被试首先阅读实验流程并签署知情同意书。在整个实验过程中，被试坐在隔音效果良好的实验室的椅子上，眼睛距离电脑屏幕约750 mm。刺激程序用E-prime2.0软件编写，所有的刺激材料背景为灰色，用电脑屏幕来呈现。实验单个trial开始时在屏幕中央呈现黑色的“+ ”号，持续时间1 000 ms，要求被试集中注视，随后是随机呈现“我”、“找”或者五角星的图片，刺激呈现时间是500 ms，最后是一个空白图片，呈现时间是2 000 ms，随后进入下一个trial。实验一共分为3组，每组200个trial，2个block，每个block中，“我”出现75次，“找”出现15次，五角星出现15次，被试的任务是当出现“找”(靶刺激)的时候，按下键盘上的空格键。在每一个刺激图片出现的时候，不管被试是不是做出反应，图片都在500 ms后自动消失。刺激序列见图1。

图1 单个trial刺激序列Fig.1 the stimulation sequence of single trial

为了帮助被试快速熟悉实验程序，在正式实验之前，被试需要完成练习模块。正式实验包括3 个水平，即作业前期阶段的矿工、作业中期阶段的矿工、作业后期阶段的矿工，为了保证实验的有效性，每个水平下的刺激序列呈现顺序都是随机的。

1.4 数据记录与分析

实验仪器为NeuroScan64导脑电仪，使用直流(DC)放大器，用单极导联记录EOG。采用脑电仪配备的ERP记录与分析系统，电极按照国际10～20标准进行放置，根据实验需要，选择所需的电极固定在64导的电极帽上。在进行脑电记录的时候，将双侧乳突作为参考电极点，分别对水平和垂直眼电进行记录，水平眼电安置在双眼外侧约16 mm处，垂直眼电安置在左眼上下眼眶约15 mm处。通过脑电仪自带的信号采集软件Actiview进行脑电信号记录，每个电极处的头皮阻抗保证5 000欧姆以下，脑电信号经过放大处理后被连续记录，采样频率为1 000 Hz/导，滤波带宽为0.05～40Hz。

脑电信号数据分析采用BESA6.0软件，首先是对脑电信号数据进行预处理，剔除明显的漂移数据，用数字滤波器对CNT 文件进行数字滤波，分析时程(Epoch)选-200～600 ms，即在图片刺激(“我”、“找”和五角星)呈现前的200 ms到呈现后的600 ms，然后对基线进行矫正，按照波幅、梯度和低信号的标准对眨眼、眼动和心电的伪迹进行剔除，由于大部分伪迹满足梯度和低信号的标准，笔者仅仅通过波幅来剔除，将阈值设为80微伏，剔除超过阈值的脑电信号，然后进行叠加平均，最后需要对作业前期、作业中期、作业后期阶段的矿工在实验中的平均反应时和正确率以及刺激诱发的脑电位成分P300进行分析。

2 结果分析

2.1 行为数据分析

对于实验数据进行整理，得表1。利用SPSS 21.0数据处理软件对作业前、作业中、作业后的矿工在实验中的平均反应时间(单位：ms)和正确率进行单因素方差分析，结果如表2 所示。

表1 不同工作阶段下的平均反应时和正确率

表2 单因素方差分析

由表2可以看出，反应时的显著性P为0.039<0.05，即认为处于不同作业阶段下的被试的平均反应时有显著差异，作业中、后期阶段，被试的反应时间相对变慢；正确率的显著性P为0.223>0.05，即认为处于不同作业阶段下的被试的正确率无显著差异。

2.2 脑电数据分析

参考相关文献[12-13]，结合事件相关电位在脑位置的分布，选取9个电极分布点(头皮前部：Fz，F3，F4；头皮中部：Cz，C3，C4；头皮后部：Pz，P3，P4，分别对ERP诱发成分的波幅(以μV计算)和潜伏期(ms)进行方差分析，根据不同作业阶段的被试在各个电极点诱发ERP成分的峰波幅和峰潜伏期的平均数据，采用visio软件对其变化曲线进行模拟，如图2和图3所示。

图2 不同作业阶段各个电极点的波幅变化曲线Fig.2 The amplitude curve of all the electrode points under different operation phases

图3 不同作业阶段各个电极点的潜伏期变化曲线Fig.3 The latency period curve of all the electrode points under different operation phases

利用SPSS 21.0 处理软件对各个电极点在作业前期、中期、后期阶段测得诱发成分的峰波幅和峰潜伏期进行双因素方差分析，作业阶段(3水平：作业前、作业中、作业后)，靶刺激电极9水平：Fz，F3，F4，Cz，C3，C4，Pz，P3，P4。

峰波幅的主效应分析结果显示：作业阶段主效应显著，F=8.35，P<0.05，其中，M作业前=10.4，M作业中=9.3，M作业后=10.1，M作业中0.05，电极位置与作业阶段的交互作用没有达到显著性水平。

峰潜伏期的主效应分析结果显示：作业阶段主效应显著，F=5.89，P<0.05，其中，M作业前=358.4，M作业中=364.2，M作业后=361.3，M作业中>M作业后>M作业前；电极位置主效应显著，F=17.82，P<0.05，LSD比较法得出MC3=335.9，MFz=354.2，MP4=365.5，MP3=368.1，MP3=MC30.05，电极位置与作业阶段的交互作用没有达到显著性水平。

2.3 脑电地形图分析

基于上述理论，笔者采用BESA软件对脑电数据进行预处理，包括滤波、基线和伪迹矫正、叠加平均，从而得到被试在不同作业阶段的P300的脑电地形图(如图4～6所示)。

图4 作业前期阶段被试P300的脑电地形Fig.4 Subjects P300 brain electrical activity mapping in the operation early stage

图5 作业中期阶段被试P300的脑电地形Fig.5 Subjects P300 brain electrical activity mapping in the operation mid-term stage

图6 作业后期阶段被试P300的脑电地形Fig.6 Subjects P300 brain electrical activity mapping in the operation late stage

由上述组图可以看出，被试的P300成分在枕区比较明显。在作业前期阶段，被试的P300成分约在320 ms开始出现，最大波幅约在360 ms；在作业中期阶段，被试的P300成分约在525 ms开始出现，最大波幅约在530 ms；在作业后期阶段，被试的P300成分约在445 ms开始出现，最大波幅约在450 ms。

大脑枕区主管人的认知和注意力，经上述脑电地形图分析，可以看出被试在作业前期阶段枕区执行能力比较强劲，在作业中期阶段枕区执行能力大幅度下降，在作业后期阶段有些许回升，但是仍然低于作业前期阶段。也就是说，被试在作业前期阶段注意力水平比较高，在中期阶段大幅度衰减，在后期阶段有小幅度的回升。

3 结论

1)通过E-prime刺激呈现软件的测量，得到了矿工在不同作业阶段注意力的行为数据，结果显示不同作业阶段的矿工的平均反应时有显著差异，在一定程度上，反映了注意力水平有显著差异。

2)采用脑电实验，对矿工在不同作业阶段的诱发ERP成分的波幅和潜伏期进行分析，结果表明在作业前期阶段，P300的波幅最大、潜伏期最短；在作业中期阶段，P300的波幅最小，潜伏期最长；在作业后期阶段，P300的波幅和潜伏期介于前期阶段和中期阶段之间，且数值接近中期阶段。

3)通过行为数据和脑电数据结果的综合分析，得出在作业前期阶段，矿工安全注意力水平平稳上升；在作业中期阶段，安全注意力水平开始大幅度衰减；在作业后期阶段，安全注意力水平有些许回升，但是仍然低于前期阶段。此结论可以为矿工安全注意力的干预提供依据，尤其是在中期阶段，矿工安全注意力水平大幅度衰减，煤矿安全管理者应该加强中期阶段的监管，充分调动矿工的工作热情，保证工作效率和人身安全。

4)本实验只是针对3个阶段矿工安全注意力水平的变化趋势进行了刻画，存在局限性。后期可以多选择一些参考点，探讨每个作业阶段内部矿工安全注意力水平的变化，进一步对变化规律进行优化。

[1] 李乃文,金洪礼.基于情境认知的安全注意力研究[J].中国安全科学学报,2013,23(9):58.

LI Naiwen，JIN Hongli. The safety attention research based on situated cognition[J].Chinese Safety Science Journal,2013,23(9):58.

[2] 牛莉霞,刘谋兴,李乃文,等.工作倦怠、安全注意力与习惯性违章行为的关系[J].中国安全科学学报,2016,26(6):19-24.

NIU Lixia,LIU Mouxing,LI Naiwen,et al.The relation among job burnout,safety attention and habitual violation behaviors[J].Chinese safety science journal,2016,26(6):19-24.

[3] 荆秀娟,王一峰.注意网络间的关系及其心理与生理机制[J].心理科学进展,2015,23(9): 1531-1539.

JING Xiujuan,WANG Yifeng.The relation between safety and network and the mechanism of psychology and physiology[J].Psychology Science Progress,2015,23(9):1531-1539.

[4] Ru Ting Xia,Jian Fan,Bai Shao Zhan,Shunichi Doi. Development of Visual Attention Measurement System of Simulated Traffic Environment[J]. Applied Mechanics and Materials,2011,1245(55):401-406.

[5] 王春雪，吕淑然.噪声对安全注意力影响实验研究[J].中国安全生产科学技术,2016,12(3): 161-164.

WANG Chunxue, LUE Shuran.The influencing experiments research of noise on safety attention[J].Chinese Safety Production Science Technology,2016,12(3):161-164.

[6] 杨博.长时间持续警戒任务下脑力疲劳对前注意和注意加工能力影响的ERP研究[D].西安:第四军医大学,2013.

[7] 邱佩钰,王东,钱峰,等.视觉疲劳对驾驶人注意能力影响的事件相关电位研究[J]. 交通医学,2011,(6):570-573.

QIU Peiyu,WANG Dong,QIAN Feng,et al.The ERP research of influence visual fatigue has on drivers attention ability[J].Traffic Medicine, 2011,(6):570-573.

[8] 王金娥,任国防.维持注意与选择注意具有不同的脑机制:来自事件相关电位的证据[J].中国组织工程研究,2016,22(33):4993-4997.

WANG Jine,REN Guofang.Maintenance attention and choice attention have different brain mechanism:the evidence from event-related potential[J].Chinese Organization Engineering Research,2016,22(33):4993-4997.

[9] 张雅捷,潘燕军,谢静涛.试论事件相关电位P300的研究进展[J].阴山学刊,2016,30(1):44-46.

ZHANG Yajie,PAN Yanjun,XIE Jingtao.Discussion on the research progress of event-related potential P300[J].Yinshan Academic Journal,2016,30(1):44-46.

[10] 史欣.事件相关电位-P300[J].现代电生理学杂志,2014,21(4):219-221.

SHI Xin.Event-related potential-P300[J].Journal of Modern Electrophysiology,2014,21(4): 219-221.

[12] Bledowski C，Prvulovic D，Hoechstetter K，et al．Localizing P300 generators in visual target and distractor processing: A combined event-related potential and functional magnetic resonance imaging study[J]. The Journal of Neuroscience,2004,24(42): 9353-9360．

[13] Boksem M A S，Meijman T F，Lorist M M． Effects of mental fatigue on attention: An ERP study[J].Cognitive Brain Research,2005,25(1): 107-116．

[14] 王积福,黄志剑,于淋.情绪词语对摔跤运动员心理表象影响的事件相关电位研究[J].中国运动医学杂志,2015,34(4):389-403.

WANG Jifu, HUANG Zhijian,YU Lin. The ERP research of the influence of emotion words and expressions on wrestlers[J].Chinese Journal of Sports Medicine,2015,34(4):389-403.

[15] 李红霞,薛建文,杨研.疲劳对矿工不安全行为影响的ERP实验研究[J].西安科技大学学报,2015,35(3):377-379.

LI Hongxia,XUE Jianwen,YANG Yan.The ERP experiment research of the influence of fatigue has on miners unsafe behaviors[J].Xi'an Science and Technology University Journal,2015,35(3):377-379.

[16] Xianxian Kong, Xiaoqiang Chen, Bo Tan, Dandan Zhao, Zhenlan Jin, Ling Li. Sad facial cues inhibit temporal attention: evidence from an event-related potential study[J]. Neuro Report,2013,24(9):476-481.