大数据背景下矿用呼吸器的人因分析及安全改善研究

吴悦 徐田波 李鹏飞

摘 要：应用人因工效学的相关方法对矿用呼吸器进行了分析改善，并对改善优化后的使用过程进行了的程序分析，缩短了佩戴时间，提高了矿用呼吸器的安全性与可靠性。同时提出了建立井下人员健康监测管理系统，在呼吸器上加装传感器，通过井下无线通讯模块采集并传输人员生理及心理的变化数据，实时监测人员的健康状态，并根据数据分析结果采取相应的管理措施，实现人员管理的智能化，从而保障煤矿作业安全。文中的研究内容能够解决传统矿用呼吸器存在的材料与结构方面的安全隐患，对于提升井下作业的安全性，建设智慧矿山具有重要意义。

关键词：人因工效学；矿用呼吸器；井下人员健康；实时监测系统；煤矿安全

中图分类号：R 857.14；TU 714

文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2018）06-0705-05

0 引 言

十二五规划以来，国家提出建设智慧矿山，以实现矿山的本质安全、高产高效、绿色环保，同时更加强调关注职工健康安全[1]。目前我国智慧矿山的建设中缺少对于矿用产品的改善研究和井下人员的健康监测管理系统。井下作业环境复杂多变，存在多种不安全因素，可以划分为3类危险源：能量源、物的故障及个体行为失误、不符合安全的组织因素[2]。探析影响煤矿安全的因素，不仅取决于矿山建设与硬件配备，同时也与煤矿企业文化建设息息相关。良好的企业文化与安全跟踪教育不仅可以促进煤矿作业规范准则的建立，也能够帮助煤矿工人树立安全行为意识。健全的人员管理制度也能够优化人力资源调配，形成全员参与的安全管理模式[3]。根据事故致因理论，经调查统计，煤矿特大事故中70%以上都是责任事故，而在所有导致这些重大事故的直接原因中，人的不安全行为占比高达97.67%，煤矿瓦斯突出事故中由于呼吸器故障造成人员的窒息和二次伤害的情形占比高达91.2%.呼吸器作为一种井下作业人员的自救保护器具，能够有效防止在井下发生火灾、瓦斯、煤尘爆炸后有害气体中毒事故的发生。

针对第二类危险源中矿用呼吸器故障，文中采用人因工效学的相关方法对呼吸器进行了改善，增强其本质可靠性。针对第三类危险源不符合安全的组织因素，对井下作业人员因生理或心理因素的影响而产生的不安全行为进行研究，据此融合大数据分析的相关技术设计建立井下人员健康监测管理系统，避免在不健康状态下开展作业，同时对人员健康数据进行长期的跟踪采集，对人员的任务分工进行合理调配，优化配置人力资源。呼吸器是关系到井下作业人员生命安全的重要装置，目前国内的呼吸器研制水平距离国外先进水平还有一定的差距，如何对现有的通用呼吸器进行安全改善是一项富有意义的课题，对煤矿企业的安全高效发展具有长远意义。

1 矿用呼吸器的使用现状分析

1.1 矿用呼吸器的结构与材料现阶段我国煤矿主要采用化学呼吸器，由生氧罐、气囊、导气管、口具、背腰带等部件组成。它是利用化学生氧物质产生氧气，供佩戴者从灾区撤退脱险[4]。口具部分主要由面罩和鼻夹构成，而鼻夹包括橡胶垫与扭簧。呼吸器面罩所用橡胶种类大多数为天然橡胶，由天然橡胶制造的面罩在长期的使用和储存过程中，会出现橡胶喷霜、变形、龟裂、粘合等问题从而导致面罩气密性降低，影响呼吸器正常使用；鼻夹内的扭簧容易生锈；鼻夹橡胶垫与鼻翼接触程锥形，人体面膜皮脂腺发达，鼻夹容易脱落；以上这些材料與结构缺陷都会成为安全隐患。

1.2 矿用呼吸器的使用程序分析在使用矿用呼吸器时，需要先从腰部取下，戴在颈部，然后取出面罩和夹具，用鼻夹夹住鼻子，使用过程有大量冗余动作，增加了井下作业人员穿戴呼吸器的时间，导致中毒缺氧的概率升高。现行使用方式的程序分析如图1所示。

通过分析结果可知，现行矿用呼吸器使用程序一共包含20道工序，且存在较多的不必要工序。同时通过达宝易软件进行动作分析，发现操作者在穿戴呼吸器时无效动素占比12%.如何改善操作工序并降低无效动素比，是本文研究的出发点。

2 井下人员的行为分析

2.1 不安全行为的诱发因素井下人员的所有行为操作均有标准作业流程指导书和安全警示，下井前也会进行各项安全培训，但是仍然存在不安全的操作行为，导致不安全行为产生的诱发因素主要分为生理因素和心理因素。生理因素主要包括功能系统、机能器官、生理节奏生物体活动规律，疲劳特性等。呼吸频率，血压，心跳，这些因素都有可能会造成人为失误[5]。心理因素的划分种类复杂且繁多，难以进行预测和控制。如：①急迫时的行动，在急迫的时候，容易不冷静、不合理、不系统地考虑问题，直观地去判断事物，不容易改变想法，紧急、不安、焦躁和愤怒等情绪状态都会有上述的表现；②忘却意图，行动开始时，有某种意图在支配，当其意图比较弱的时候，行动中的其他意图会起主要支配作用，原来的意图被忘却了，引起作业顺序发混乱；③其他心理因素，人们在生活和生产作业中，经常会出现一些心理状态活省略行为和近道反应，如焦躁反应和单调作业，都会引起心理上的不适。以上这些心理因素都会影响井下作业人员的正确判断从而产生错误行为。

2.2 安全意识的培养体系安全培训通常起到对作业人员进行作业规范强调与不安全行为警示的作用，作业行为常常与奖惩制度挂钩，但难以起到有效的激励作用。只有形成了安全意识，才会逐渐消除不安全行为。缺乏安全意识会产生主观臆测[6]。所谓主观臆测，是指个人无根据地做出随意性判断并且将这种臆测作为指令，也是发生人为失误的重要原因。尤其在以下情况时更易于发生。①急于求成，想尽快完成工作，在愿望强烈或心情焦躁的时候容易发生这种臆测；②缺乏知识，个人所获得和掌握的信息和知识不准确或不完全的时候，自我想当然的或随意性的行动；③片面经验，由于过去的某次或某些行为取得了成功，把过去的经验作为先入为主的成见，以为过去成功了，现在还会成功地重复过去的行为；④侥幸心理，这是指按照自己的愿望需要而做出的投机性判断。

2.3 不符合安全的组织因素对于井下灾害的发生，大多数煤矿企业的安全管理组织往往通过开展安全警示教育的活动来强调安全作业的重要性，无论是事前预防还是事后救援，都缺少对作业现场情况的实时掌控，难以达到早发现早杜绝的目标。组织因素的不合理，导致缺乏对井下作业人员的动态监测，以及对矿工健康状态的追踪[7]。

3 改善措施

3.1 矿用呼吸器的使用改善将原来呼吸器面罩的材料改为其他性能更好的材料，以解决橡胶喷霜、变形、龟裂的问题，用面罩代替鼻夹，借鉴医用呼吸器面罩结构，制作成一种可折叠的轻便式呼吸面罩，可以同时罩住口鼻，并用一根软管连接呼吸器罐体，这样既可以增强呼吸器安全性，同时还可以增强人体舒适性和人机协调性[8]。以下是几种常见面罩材料的性能比较。

从表1中的数据分析可知，硅胶完全满足目前国内对于防护面罩的技术要求，同时硅胶的抗拉强度为20 MPa，与天然橡胶垫的21 MPa相当，高于聚氨酯和聚异戊二烯橡胶，能够抵抗外界压力不容易导致变形，抗撕裂强度最高，弹性较强，与人脸契合度较好且舒适性佳。目前市场上硅胶的价格为11.5元/kg，是上述材料中价格最低的，综合考虑硅胶作为矿用呼吸器的面罩和通气管材料是最优选择。图2为矿用呼吸器改善前后的示意图，图2（a）为改善前传统矿用呼吸器的鼻夹与通气管口具，图2（b）是改善后的借鉴医用呼吸器的呼吸面罩。

同时根据人体测量法计算腰部到面部的距离，来改善通气管长度，采用人体测量GB1000-1988量表，见表2和表3，其中高度均以脚底为参考。

计算通气管长度，选取百分比为99，适合99%的作业人员使用，K=2.326，以西北地区为例：

X99=+SDK=1808 mm.百分比为99男性股下高为887 mm，修正系数为200 mm，所以满足西北地区的管子长度设置为472～721 mm.原来通气管长度约为20 cm，改善后需要增加2至3倍，这样能够满足99%的作业人员身高要求，在使用过程中无需将呼吸器从腰部取下，直接拉出呼吸管即可佩戴面罩，改善后的矿用呼吸器使用程序图如图3所示。

通过对矿用呼吸器材料和结构的改善，减少了7项冗余的操作工序，预计使用时间减少了11.94 s，大大节省了配戴时间。改善在不增加成本的前提下，降低了在使用中的风险发生率，完善和提高了呼吸器整体的效能，同时增加其可靠性，安全性和舒适性。

3.2 井下人员健康监测管理系统的建立建立井下作业人员的实时健康监测系统，利用传感器采集矿工在工作时的生化指标（血压、脉搏、体温、呼吸频率）的相关信号，通过处理识别这些指标信号，对人员进行实时监测，避免工人在不健康状态下作业，做到及时提醒，合理调配，长期预防等一系列安全管理措施。保证矿工心理生理上能够处于理想状态，降低事故发生，提高工作效率，保证工作质量。

3.2.1 传感器采集数据在矿用呼吸器上加装传感器，利用传感器监测并采集井下作业人员的生理及心理特征数据，并对采集到的数据进行预处理，处理后的数据通过无线通讯模块传输至井下无线通讯基站，基站再通过光纤局域网传输至中央智能监控中心，以实时监测井下作业人员的生理及心理状况。目前较为成熟的采集生化指标的传感器有透射式光电脉搏传感器和体温传感器等。透射式光电脉搏传感器系统采用红外发射二极管和红外接收二极管作为脉搏传感器。将红外发射管来照射人体的某一部位，用红外接收管附在该部位的另一侧，来检测透射光，通过信号转换得到心率相对应的方波信号。RE200B型体温传感器可在无人体接触的情况下，检测人体产生的10 μm波段的红外线，并通过测量转换电路转换成电量输出[9]。同时RE200B型体温传感器通过其内部双PZT板灵敏元感光电极反向串联，这种互补的方法不仅能抑制环境温度的干扰，而且提高了其自身的稳定性和灵敏度，所以这种传感器在矿井环境中使用也能准确测出人体温度[10]。

3.2.2 监测系统运行过程中央智能监控中心结合预先设定的阈值，进行数据分析并判断人体此时的健康状态，实时记录心理及生理状况[11-14]。如果中央监控室发现井下作业人员出现异常（健康状况或情绪），立即进行警示提醒，信号通过基站传输至安装在呼吸器的传感器上，传感器驱动LED光源变化对正在作业的矿工进行提醒。如果矿工出现紧急状况且无法完成自我调整，现场安全人员立即到场确认，必要时应停止员工工作，更换其他人员。井下人员健康监测管理系统运行过程如图4所示。

4 结 语

从人因工效学的角度出发，对矿用呼吸器的结构和材料进行了分析改善研究，以提高呼吸器的可靠性，安全性，舒适性；并对井下作业人员佩戴呼吸器的操作程序展开了分析，利用ECRS原则对现有动作和程序进行改善，减少冗余程序，降低因佩戴耗时而造成缺氧窒息的风险；最后采用传感技术采集矿工健康数据，建立监测系统，利用互联网进行数据传输，进行大数据分析，对矿工健康状态进行实时监测，实现人员管理的数据化，网络化，智能化。通过监测系统，可以实现以下主要功能及采取相应的管理措施。1）状态检测。工作前通过传感器进行检测，对于心理生理状态不好（生病、醉酒、心情不佳或异常兴奋）的员工可视情况终止上岗以避免由于健康状况和情绪波动带来安全隐患。2）状态预警。通过传感器监测和数据分析实时判断矿工的健康状态，出现异常状态时做到及时警示。当矿工状态无法在短时间内恢复时，通知相关安全管理人员进行现场鉴别，必要时应更换作业人员。3）动态排班。目前我国大部分煤矿实行24小时三班制排班方式，通过大数据的分析，可以判断不同工人在不同时间的心理生理健康变化状况，以此作为排班依据，以保证每个工人在上班期间处于情绪最佳，体能良好的状态；同时可以根据数据分析结果进行小范围工种调整，生理心理数据波动小的作业人员适合做相对精密的工作，更需要耐心的工作，反之波动大的作业人员应尽量减少此类工作。这样能够充分调配人力资源，最大限度地提高工作效率，保证工作质量，降低事故发生。4）安全培训，健康保证。根據数据分析的结果针对心理长期存在波动的作业人员进行心理治疗和疏导，以预防心理疾病对于身体健康产生的危害，做到早提醒早治疗。定期开展心理教育和安全教育的培训工作，以提高员工的安全意识和处理突发事件的能力。通过人因改善与监测系统的建立，能够保证工人在工作中处于生理和心理上的最佳状态，从而保障安全生产，提高生产效率，降低事故发生的概率，对于提高煤矿企业的安全性，建设智慧矿山具有重要的意义。