矿工疲劳的ERP特征

张宏 路伟 田方圆 党应强 田水承 胥静 杨鹏飞 陈磊

摘 要：煤矿井下设备操作不仅要求矿工保持警戒状态，而且需要持续地将注意力集中在单调枯燥的操作任务和体力作业任务上。由于长时间的轮班和重复性任务，矿工极易出现精神和生理疲劳。为了研究矿工疲劳对其安全能力的影响，应用事件相关电位（ERP）技术，研究Oddball任务下一线矿工下井前后脑电特征变化，从而获取疲劳评价的客观指标。通过测试和采集自愿参加实验的14名夜班矿工下井前后的主观疲劳水平、行为表现指标和脑电信号数据，对诱发ERP特征的波幅和潜伏期进行分析，从而确定矿工疲劳的主要影响因素。从主观疲劳评价和行为表现指标的角度分析可得，夜班矿工下井前后精神状态差异较大;进一步分析矿工ERP特征的变化，发现上井后P300的潜伏期显著增加，波幅明显下降，说明井下一线高负荷连续作业任务导致矿工的精神疲劳增加。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，从而为研究矿工疲劳的对抗措施提供依据。

关键词：精神疲劳;ERP;P300;矿工;安全管理

中图分类号：X 913

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2021）05-0787-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0504开放科学（资源服务）標识码（OSID）：

The ERP characteristics of miners fatigue

ZHANG Hong1，LU Wei2，TIAN Fangyuan 2，DANG Yingqing1，

TIAN Shuicheng2，XU Jing2，YANG Pengfei2，CHEN Lei2

（1.Hongliulin Mine of Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.， Ltd.， Yulin 719000，China;

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The operation of underground equipment in coal mine requires not only the vigilance of the miners， but also the continuous attention on the monotonous operation task and the physical work task.Miners are prone to mental and physical fatigue due to long shifts and repetitive tasks.In order to study the impact of miners fatigue on their safety ability， event-related potential（ERP） technology was applied to examine the changes of EEG characteristics of front-line miners before and after going down the well under Oddball task， so as to obtain the objective index of fatigue evaluation.By testing and collecting the subjective fatigue levels，behavioral performance index and EEG signal data of 14 night shift miners before and after going into the well，the amplitude and latency of the induced ERP characteristics were analyzed，an attempt to investigate and determine the main influencing factors of miners fatigue.Research shows that： from the perspective of subjective fatigue evaluation index and behavior analysis，at the night shift miners  mental state before and after going down into the well.A further analysis of the changes of miners ERP characteristics shows that  the P300 latency increased significantly after coming up from the well， and amplitude decreases obviously，which indicates continuous  high load operation

underground can effectively induce miners mental fatigue.Event-related potential（ERP） method can be used to study the fatigue degree of miners，and P300 can be used as an effective index to evaluate the fatigue of front-line miners，providing a basis for studying the countermeasures of miners fatigue.

Key words：mental fatigue;ERP;P300;miners;safety management

0 引 言

在煤炭企业的安全生产事故中，80%是由于人的不安全行为造成的，预防和控制煤矿生产中人的不安全行为尤其重要[1]。矿工長期在井下作业，工作强度大、时间长、环境条件相对较差，再加上睡眠休息时间不足等，使得矿工精神压力偏大，导致注意力分散、反应迟钝、工作效率降低等，从而产生一些不安全行为[2]。因此，探究矿工作业过程中的疲劳状况，提出缓解矿工疲劳的措施是减少安全事故发生的有效途径[3]。在广义上，疲劳分为生理疲劳和精神疲劳，但这两种疲劳之间的关系十分密切[4]。对于井下一线矿工而言，体力劳动易导致生理疲劳，而长期紧张和单调的作业又易导致精神疲劳[5]。与生理疲劳相比，精神疲劳更难以识别[6]。目前，在心理学、认知神经科学及人机工效学等领域，利用事件相关电位（ERP）技术来准确客观反映被试对信息的认知加工过程得到了广泛的应用。因此，应用ERP技术来检测矿工疲劳是合理可行的。宋国萍等的研究表明，ERP技术可以用来研究疲劳对认知加工能力的影响[7]。沈丽丽等对比清醒状态和疲劳状态下的N200和P300成分，发现疲劳状态下幅值明显下降，而潜伏期略有增加，这说明疲劳状态下认知反应速度下降[8]。FOWLER的研究表明，脑力负荷过大会导致P300潜伏期延长，且P300的幅值和潜伏期都是评价脑力疲劳的有效指标[9]。SMULDERS等通过对正常睡眠与睡眠不足的对比发现，睡眠不足对刺激加工时间和准确率有影响，且P300的潜伏期明显增加[10]。LEE等研究发现，疲劳后反应注意水平的P300和N200潜伏期显著延长[11]。BOKSEM等研究发现，N200与认知加工能力有关，当出现精神疲劳时，认知控制能力受损，振幅降低[12]。BIFERNO研究发现P300的幅值与疲劳有关[13]。LARUE等发现疲劳产生后，ERP成分中的P300的幅值随着时间的变化呈线性下降趋势[14]。ZHAO等通过模拟疲劳驾驶实验研究发现，电极Fz和Cz上的P300的幅值明显下降，且潜伏期变长[15]。以往的研究多集中于实验室中诱发的疲劳，对真实场景作业人员疲劳背后的心理生理机制研究较少[16]，而一线矿工较普通人群更容易产生疲劳现象[17]。因此，本文以作业前后的真实矿工为研究对象，从多角度、多指标对井下一线矿工的连续作业引发的疲劳展开研究。利用主观评价和行为绩效评定方法，运用ERP提取技术，对引发矿工疲劳的特征指标进行分析，为后期研究矿工疲劳的对抗措施提供依据，从而提高煤矿工人的工作绩效和安全性。

1 研究方法

1.1 实验假设长时间持续井下作业产生的疲劳使矿工的注意力能力受损，脑部自动信息加工能力下降。与下井前相比，矿工上井后P300的波幅明显降低。

1.2 被试选择选择一线健康男性矿工14人，年龄24～38（28.2±1.5）岁。所有被试视力和听力水平正常，均为右利手，没有家族病史，且没有滥用药物。被试应在下井前保证充分休息，实验前讲解实验流程和目的，消除被试思想顾虑和恐惧心理，缓解精神紧张，实验过程中被试需要保持高度集中，完成指导语提示的内容。被试自愿参加实验，并填写实验同意书。

1.3 任务设计

1.3.1 疲劳诱发一线矿工的工作制度为“三八制”，矿工作业时间加上井下辅助时间，井下总时间会达到12 h以上。这种轮班制度使得工人要克服井下复杂环境、自身身体调节能力和疲劳困倦的压力，以往的研究表明，零点班是最不符合人的正常生理作息的，更容易产生疲劳。因此，本研究选择零点班的矿工作为被试。

1.3.2 Oddball实验流程被试需要在正式实验前尽量保持良好的睡眠，让身心得到充分的休息。然后填写基本信息表，包括年龄、学历、工种、下井前的当日睡眠时间及主观自评量表。实验过程中提醒被试要放松，少动，在自然放松的情况下尽量少眨眼。实验开始后，首先进行五分钟闭眼休息的静息态，在静息状态下，被试需要放松并注视黑色电脑屏幕。之后屏幕会随机（800～1 200 ms）出现数字8（标准刺激50 ms）或者数字2（靶刺激50 ms），当出现数字2时按下鼠标左键，一共进行400次Oddball任务，其中标准刺激320次，靶刺激80次，实验总长约20 min左右。实验范式通过Eprime 3.0进行编写，具体实验流程如图1所示。

被试在下井前后需要对自己的精神状态进行主观评分，即4个项目（思维敏捷度、注意力集中度、困倦劳累度以及综合疲劳评估）[18]。其中，每个项目包含10个等级，对应1～10分。实验过程中，分别记录脑电数据、操作绩效数据（反应时、正确率以及遗漏率）。

1.4 脑电信号采集及处理使用Neuroscan 64导脑电设备采集脑电信号，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。脑电采集频率为1 000 Hz，AC采集，头皮电阻控制在5 kΩ以下。采用Matlab软件对采集的脑电数据进行离线处理，主要步骤包括：电极定位、滤波、降低采样率、重参考、分段、独立成分分析（independent component analysis，ICA）去伪迹、基线校正、叠加平均及峰值和潜伏期提取等。本文对靶刺激引发的P300特征值进行提取。对含标记的靶刺激进行分段（Marker前200 ms到呈现后800 ms）;对所有分段进行基线矫正（Marker前200 ms）;将所有分段叠加平均即可得到P300波形，根据成分时程分析（250～550ms）提取ERP波形，得到特征值的潜伏期和幅值。

1.5 统计方法利用统计软件SPSS 20.0对数据展开分析。采用配对样本t检验的方法，对矿工下井前和上井后的主观评价和行为绩效数据分析，比较是否具有统计学差异，检验矿工连续工作前后是否产生疲劳。在产生疲劳的前提下，利用配对样本t检验的分析方法，对ERP特征值的潜伏期和波幅进行分析，以验证潜在的疲劳评价指标P300的有效性。以上显著性水平取α= 0.05。

2 实验结果分析

2.1 主观分析分析被试下井前和上井后主观疲劳感是否具有统计学差异。对下井前和上井后主观的数据进行配对样本t检验，描述性统计结果（平均值和标准差）及t检验结果见表1。从表1中可以看出，被试下井前和上井后的思维敏捷度显著下降（P<0.05）、注意集中程度明显减弱（P<0.05）、困倦劳累度明显增加（P<0.05）、综合疲劳评估感显著差异上升（P<0.05）。因此，上井后被试的主观疲劳感明显高于下井前，从主观评价的角度验证了一线矿工连续工作后产生了疲劳。

2.2 行为数据分析对被试在下井前和上井后的反应时间、正确率和遗漏率进行配对样本t检验，结果如表2所示。从表2中可以看出，被试下井前和上井后的反应时明显增加（P<0.05），正确率显著下降（P<0.05），遗漏率增加（P<0.05）。因此，从行为学角度验证了井下一线矿工连续工作后产生了疲劳。

2.3 ERP分析采用ERP技术提取关于P300特征分析。矿工下井前和上井后Oddball范式P300的总平均波形比较如图2所示。结果可见，除枕部外，全脑范围内Oddball范式P300的平均波形在疲劳后均出现明显的下降。已有研究表明，P300在导联Fz、Cz、Pz这3点表现比较明显，P300的标准电极分布特点是它的波幅由额叶至中央区再到顶叶的顺序依次增加，它的最大波幅位于Pz点[19]，因此本研究选择这3个导联的脑电信号进行研究。3个导联处诱发的脑电总平均叠加波形如图3所示，可见靶刺激诱发出了较为明显的P300波形，并且上井后被试的波幅明显低于下井前。进一步对Fz、Cz、Pz这3个位点的P300进行波幅（μV）及峰值潜伏期（ms）的测量，采用配对样本t检验统计分析，结果见表3。

结果表明，上井后Fz、Cz、Pz的幅值显著降低（均有P<0.05），对于潜伏期，Cz和Pz点显著（均有P<0.05），Fz点不显著（有P>0.05）。将不同脑区分布作为组内因素，共分为3个水平（前：Fz;中：Cz;后：Pz）;下井前与上井后作为组内因素为2个水平，对靶刺激所诱发出P300成分的波幅和潜伏期进行重复测量方差分析。统计分析得出被试P300波幅出现疲劳主效应，即上井后P300的波幅较下井前降低。同时疲劳前后潜伏期的分析并未呈现统计差异，也未见任何交互作用。综上所述，P300的幅值在上井后显著降低，因此可作为评价一线矿工疲劳的有效指标。

3 讨 论

本研究采用主观量表和客观生理指标相结合的方法，对矿工疲劳状况进行研究。一线矿工在经过夜班8 h連续工作后，主观评价和行为学分析结果表明，矿工出现了疲劳状态，具体表现为上井后矿工反应时间、错误率和遗漏率都显著增加。所有被试的主观疲劳问卷得分均显著增加，这与煤矿工作环境和工作性质有直接的关系。例如，矿工经常抱怨在上井后感到浑身虚弱乏力、注意力难以集中、兴趣丧失、困倦感明显上升等。本研究认为在完成夜间班连续作业任务上井后的被试已经处于疲劳状态。从前后测量靶刺激实验结果的ERP特征分析来看，P300波幅具有明显的疲劳效应，特别是顶区的波幅与下井前对比明显降低。这与以往研究P300的波幅受注意资源分配、记忆能力等多种因素的影响一致[20]。长时间从事单调重复的井下作业后P300波幅明显增大，而潜伏期差异不明显。

通过进一步的数据统计检验后发现，P300波幅的这种差异是显著的，潜伏期虽然有延长的趋势，但差异不显著。这有可能是因为从理论上来说P300潜伏期比波幅更稳定，并且P300的潜伏期与被试对刺激的决策时间和任务复杂度有关，本研究Oddball任务决策简单，并没有对被试处理信息的速度造成太大影响。P300的最大波幅位于Pz点，与下井前对比，上井后P300在顶区的波幅变化比前额叶和中央区变化更明显，说明上井后矿工大脑接受和处理信息的速度差异不大，但是投入到任务中的脑资源分配少，这也与矿工在主观评价上井后思想难以集中、思考反应变慢相符合。上述结果说明，P300波幅是井下一线煤矿工人长时间作业评估疲劳的一个较为有效的客观生理指标。由于P300波幅反映了主体的认知水平，因此也说明了疲劳直接导致矿工的认知水平降低。矿工出现疲劳是一种非常普遍的现象，这种疲劳常常让人难以集中注意力，导致对当前工作的反感性增加，工作效率降低和警觉性下降，增加了事故风险。导致疲劳的主要原因是矿工高强度的工作和不充足的睡眠，这2种因素相互作用损害矿工的健康。同时，这种损害会随着工作时间的延长而不断累积，直至达到矿工的物理极限。所以，深入研究疲劳对矿工的生理和心理功能的影响，提出有效疲劳程度量化指标，检测和管理矿工的疲劳是十分必要的。这不仅有助于减少意外事故发生，还为煤矿的疲劳监测和防护措施的建立提供合理客观的指标和理论支撑。根据本研究的结果，取消夜班是减少矿工疲劳最有效的方法。矿山可以选择在夜间进行设备维护，以减少夜班的工作时间，如果有足够的工人，煤矿尽量采取五组四班的工作时间安排。此外，建议管理者应该保障夜班矿工有足够的休息时间，确保他们精力充沛。

4 结 论

1）应用事件相关电位（ERP）技术，通过现场实验测量的方法可用来研究矿工的疲劳程度。

2）夜班矿工上井后疲劳程度显著增加，具体体现在操作反应时明显延长，操作正确率下降。

3）P300成分的波幅可作为评价矿工疲劳的有效指标。在今后的研究中，我们还需要进一步探讨，是否通过休息、饮食等对抗措施来让矿工迅速恢复到下井前的水平。到目前为止，对于疲劳的探索还没有一个公认可信赖的测量指标，本研究结果可以为疲劳检测提供一定的理论和客观依据。

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