应急场景下矿工生理指标评估的试验研究.pdf

第5 2卷 第5期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 5 doi 10. 11799/ce202005035 应急场景下矿工生理指标评估的试验研究 袁晓芳u，周 垚 1刘 成 3,孙林辉u 1西安科技大学管理学院，陕 西 西 安710054; 2 .西安科技大学人因与管理工效学研究中心，陕 西 西 安710054; 3 .华能庆阳煤电有限公司核桃峪煤矿，甘 肃 庆 阳745300 摘要 为 研 究 矿 工 在 面 临 煤 矿 突 发 事 件 时 的 应 急 反 应 情 况 ， 通 过 开 展 “ 矿 工 在 灾 难 场 景 下 的 应 急 反 应 测 试”试 验 ， 来 采 集 矿 工 在 灾 难 场 景 下 的 生 理 指 标 实 时 数 据 ，从 而 分 析 其 生 理 指 标 特 征 与 应 急 反 应 之 间 的 关 系 与 规 律 。 结 果 发 现 矿 工 的 肌 电 、 呼 吸 率 、 皮 电 、 皮 温 、 脉 搏 振 幅 、 脉 搏 和 心 率 在 试 验 的 工 作 期 与 灾 难 期 前 后 数 据 变 化 显 著 ； 所 建 立 的 灾 难 场 景 下 矿 工 的 应 急 反 应 指 数 / , 可以 定 量 的 评 估 矿 工 在 灾 难 场 景 下 应 急 反 应 能 力 ； 矿 工 工 龄 、 学 历 与 是 否 经 历 过 煤 矿 安 全 事 故 都 会 对 应 急 反 应 能 力 产 生 影 响 。 关键词煤 矿 行 业 ； 矿 工 生 理 指 标 ； 突 发 事 件 ；应 急 反 应 指 数 中图分类号TD-05; X9 3 6 文献标识码A文章编号1671-0959202005-0167-05 Experimental study on uation of miners1 physiological inds in emergency scenarios YUAN Xiao-fang1 2, ZHOUYao12, UU Cheng3, SUN Un-hui1 2 1. School of Management, Xi ’ an University of Science and Technology， Xi * an 710054, China； 2. Research Center for Human Factors and Management Ergonomics, Xi * an University of Science and Technology, X i’ an 710054，China； 3. Huaneng Qingyang Coal Power Co. , Ltd. , Hetaoyu coal mine, Qingyang 745300, China Abstract To study the emergency response of miners in coal mine emergencies, we collect the real - time data of the physiological indicators of the miners in the emergency scenarios by conducting the ‘ ‘ Miner ’ s emergency response test in emergency scenarios” ， and analyze the relationship and regularity between the physiological indicators and the emergency response. The results show that the miners’ electromyogram， respiration rate, skin electrical power, skin temperature， pulse amplitude, pulse rate and heart rate are significantly changed during the working period of the experiment and before and after the disaster period. The emergency response index f of the miners in the established emergency scenario can quantitatively assess the emergency response capability of the miners in the emergency scenario. Miners’ length of service, education and whether they have experienced coal mine safety accidents will have an impact on emergency response capabilities. Keywords coal mining industry； physiological inds； disaster scenarios； clustering analysis 煤矿行业一直是我国安全生产中的重点关注对 象。安全生产与很多因素有关，但人的因素与安全 生产关系最为密切[1]。事实表明，9 7 以上的煤矿 安全生产事故都是由于人的不安全行为所导致的[2]， 而许多矿难的发生和进一步扩大也都与矿工应急处 置不当有关[3’4]。恶劣且复杂的生产环境要求矿工在 收稿日期2019-12-13 基金项目国家自然科学基金（71403204, 71673220;陕西省科学技术厅青年项目（2020JQ760;中国人类工效学学会- 津发科技优秀青年学者联合研究基金（CES-Kingfar-2019-002;华能集团总部科技项目（HNMYKJ20-12 作者简介袁晓芳（1982_，女 ，河北承德人，博 士 ，副教授，研 究 方 向 安 全 管 理 、管 理 心 理 与 行 为 、人 因 工 程 、电 子商务，E-mail zy928985895 qq. com。 通讯作者周 垚 （ 1993） ，男 ，陕 西 西 安 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 工 业 工 程 、人 因 工 程 ，E- mail zy928985895 qq. com〇 引用格式袁晓芳，周 垚 ，刘 成 ，等.应急场景下矿工生理指标评估的试验研究[ J ] .煤炭工程， 2020 , 525 167-171. 167 研究探讨煤炭工程 2020年 第 5 期 面临各种突发事件发生时，需拥有较高的应急反应 能力[5]，而通过科学的方法来评估个体应对突发事 件的能力，对预控突发事件与降低事故风险具有重 要意义[6_8]，关于个体的应急能力评估，国内外学 者对此研究很多，如Nancy M. Tofi等通过考核测验 的方法对医院放射科医生和技术人员的应急反应能 力进行了评估，并提出教育学习可以增强人的应急 反应能力[9]。 Glyn Lawson等为了预测人在突发应急 事件下的反应能力，通过对突发性紧急事件的进行 假设情景描述，找到了人体对于突发事件的预测能 力与实际反应能力之间的相关性，以此提出了一种 新的预测方法[ 1 ]。张运金通过对急诊人员的应急反 应能力评估发现，利用情景模式培训的方式可以提 升其应急能力[11]。有研究指出，突发事件情况下, 个体的某些生理特征会明显波动，而这些波动与其 处置突发事件的能力密切关联[12_15]。 Ariane Keitel 等通过设置应急场景，来观察被试的生理信号变化， 并证实了在应急状态下人们会出现恐惧、焦虑等心 理反应[16]。王宇等对管制员在应急场景下的反应能 力 进 行 了 研 究 ，结 果 表 明 管 制 员 的 平 均 心 率 、 SDNN、PNN50、张 力EDA、相 位EDA等 5 项生理 指标在应急场景下有明显变化[17]。邓丽红利用生物 反馈仪来测量生理性应激状态下的生理指标变化， 发现高应急能力组人员应激前后皮电、心率、（3 波 以及反应时间等指标变化率显著低于低应急能力组 人员[18]。王建豪搭建了应急场景下个体反应测试系 统 ，通过观察应急前后被试生理指标的变化特征， 来对个体应急处置能力进行评估[w]。可见，通过采 集人在应急场景下的生理信号，来评估个体应急反 应能力是一种常见的评估方法。而文献研究发现， 对于煤矿这类突发事件多发的行业，较少有学者对 矿工应急能力评估开展研究。 本研究通过对煤矿典型突发事件场景的模拟， 来探究矿工在应急场景下的生理指标状况、各生理 指标相互关系等，以期将所得数据进行分析来建立 矿工应急反应能力指数，从而评估矿工在突发事件 情况下的应急反应情况，为煤矿的安全生产管理提 供理论性的依据。 1试 验 方 法 及 过 程 1. .1试验设计试验设计 试验过程分为基准期、正常工作期、灾难刺激 期 、恢复期四个阶段。关于生理指标的选择，目前 168 国内外在工作安全与应急研究方面的生理监测指标 主要有皮电、肌 电 、心率、心率变异性、呼吸、 血压、体温、血容量、脑 电 、出汗情况、耗氧量 等[1]。例如张江石等研究得出，收缩压、舒张压、 平均动脉压、脉搏速度、心率、呼吸率、体 温 等 7 项生理指标可以在一定程度上反映矿工应急处置能 力的状况[M]。本研究通过对文献梳理总结发现，个 体处于恐惧，紧张等情绪时，生理脉搏信号会较平 静时期发生变化[21]，故本研究将选取肌电（EMG、 呼吸（RESP、皮肤电导水平（SCL、皮温（Temp、 血容量（BVP、脉搏振幅（PVA、脉搏（Puls、心 率（HR等 8 项生理指标进行数据采集，以期分析矿 工在应急场景下生理指标的变化情况。 1. .2试验对象与环境试验对象与环境 试验地点选择空间范围较小的房间，设置隔光 窗帘，并且配置立体环绕音响以来模拟真实的井下 工作环境。试验对象选取听力、视力正常、身体健 康、右利手的20〜 60岁男性在岗煤矿职工志愿者30 名，作为实验被试人员。被试在实验前24h内均未 服用任何对生理检测有影响的药物，亦无饮酒等情 况，且拥有充足的睡眠。为减少试验干扰，试验时 间为矿工日常工作时间。 1 . 3 试验材料及设备1 . 3 试验材料及设备 有研究指出，个体在观看不同种类的视频材料 时会产生不同大小的生理信号[22]，本试验将以煤矿 中常见的工作视频和灾难视频，作为正常工作期和 灾难刺激期的试验素材刺激，其中正常工作视频包 括日常签到、下井及正常工作等环节，灾难刺激期 视频包含透水、瓦斯爆炸、塌方等煤矿灾难事故。 试验设备采用Biofeedback 2000 X-pert型生物反馈 仪 ，生理数据将通过四个模块的传感器来采集并以 蓝牙的方式传送至电脑，通过此款生物仪自带的分 析软件来对数据进行分析处理，并采用科学的方法 对数据进行统计比较研究。 1 . 4 试验过程1 . 4 试验过程 试验前要求被试提前20min进人实验室，两名 主试对被试进行生理采集设备的穿戴，采用访谈形 式了解被试的基本信息，包括年龄、工龄、工种及 是否经历过煤矿安全事故。对被试人员进行相关试 验的描述并使其保持静息状态（ 5min以上） 。所有 信 号 调 试 完毕后开始正式试验，试验总时长为 20min正常工作视频与灾难视频各lOmin，一位 被试数据采集完成后进行下一位，直至所有被试数 2020年 第 5 期煤炭工程 研究探讨 据采集完毕。 2数据结果与分析 试验对30名被试进行数据采集，通过对比正常 工作期与灾难刺激期的8 类生理指标数据变化情况， 其变化趋势基本一致，即灾难期数据要高于工作期。 利用SPSS 20.0进行数据样本t检验，将数据进行无 量纲处理，利用应急处置能力指数/ 来对每个样本 表1 数据进行评估，并采用聚类分析的方法结合问卷调 查所采集的信息，进行数据样本分类。 2 . 1 生理指标数据分析 数据采集仪实时记录正常工作期与灾难刺激期 被试的生理数据，为方便统计数据，本试验将30名 被试进行编号，并将前后两个时期的数据平均增长 率进行统计，同时对两组数据进行f检验。8 类生理 指标数据变化情况见表1。 8类生理指标数据变化情况 序号肌电增长值呼吸增长值皮电增长值皮温增长值血容量增长值脉搏振幅增长值脉搏增长值心率增长值 10. 970.890.211.770. 155.6911.2915.34 21.250.990. 561.290.334.6215.36 10. 69 31.361.240.471.880. 255.3612. 5715.22 42. 111.390.361.390. 197.6111.5717.63 50. 951.570.641.5703. 2612. 6718.24 60. 660. 650.281.380. 123. 5815. 1114.62 70. 491.640. 491.790. 144. 2614.2610.33 81.681.380.541.680. 184. 2814. 389.84 91.761. 110. 532.690. 173. 1413. 268.64 100.881.280. 482.470. 252.9810. 2519.31 110. 691.480. 341.5606.579.6416.34 120. 330. 750. 671.640.246. 18 13.2615. 29 131.991.680. 191.380. 115.298.96 14.38 141.441.390.571.5905. 1413.5818. 36 151.882.270.611.690. 224.2912.6819.21 161.661.380.351.680.373.6711.6914. 67 171.571. 110.291.2206.598.6415.82 181.460. 260. 181.320.474.299.6912. 52 191.380. 270.551.540.245.3110. 59 13.68 201.64 1.52 1.640. 471.290. 365.6912. 6715.22 212.480. 63 0.64 2. 110. 114.639.6412. 37 221.281.372. 18 2. 38 0.272. 8813.629. 86 231.552. 680.9101.989.678.67 241.493.790. 552.490. 145.318.999.61 251.241.580.682. 670. 346.5511.2618.54 260. 981.691.242.5907. 8910.5816.25 270. 871.591.371.560.235.6410.468. 63 280.692.571.251.380. 144. 599. 5711.27 290.972.641.361.390. 325.6610.4618.54 300.691.981.441.680. 254. 2911.2811.63 增长均值1.25 1.560. 631.780. 194.9111.5914.03 由表1 中数据结果可知，在正常工作期与灾难 刺激期前后，3 0 名被试的脉搏振幅（P V A、脉搏 P u ls、心率（HR生理指标均有所上升，增长幅度 大；肌 电 （EMG 、呼 吸 （R E S P、皮肤电导水平 SCL、皮温Temp生理指标均有所上升，增长幅 度较大血容量（BVP指标前后变化不大。为了验 证数据的可靠性，本文对8 类生理指标刺激前后数 据进行样本 检验。结果见表2。 表2 8类生理指标数据样本检验 成对差分 S ig . 双侧） 生理指标 均值标准差 均值的差分的9 5 置信区间 t d f 标准误下限上限 肌电（ E M G -2. 201630. 879510.00623-2.21385-2. 18942-353.271290.001 呼吸（ R E SP-1.066881.240660. 00879-1.08411-1.04965-121.357290. 003 皮电（ SCL0. 296330.882120. 006250.284080. 3085947. 408290.012 皮温（ Temp-1.226420.237630.00168-1.22971-1.22311-728. 349290.000 0. 942血容量（ B V P 0.00177 3.447210.02443-0.046110. 049650.07329 脉搏振幅（ P V A 6.271473. 690010. 026156. 220226.32272239.852290.000 脉搏（ Puls-1.906651.836190.01301-1.93215-1.88115-146. 539290.0004 心 率 （HR-1.906651.836190.01301-1.93215-1.88114-146.539290. 0002 169 研究探讨煤炭工程2020年 第 5 期 图1 30名被试应急反应/ 值 本文利用/ 值的波动状况，反映被试在刺激前 后的不同心理素质，以期评估被试应急能力大小。 如图1所示， / 值以0 值为平均值水平，当/ 为负值, 即/〇时，说明被试在试验前后显 由表2 可知，通过对30名被试在正常工作期与 灾难刺激期过程的8 类指标数据进行t检验，结果 表明，肌电（E M G、呼吸（R E S P、皮肤电导水平 S C L、皮 温 （T e m p、脉 搏 振 幅 （P V A、脉搏 P u ls、心率（H R等 7 类指标P0. 0 5 , 说明这两 种数据存在显著差异性，但血容量（B V P在刺激前 后数据并无明显差异性。所有被试在刺激前后，这 7 类生理指标上升明显，肌电、呼吸、皮电、皮温、 脉波振幅、脉搏、心率生理指标增长率达到69. 1 、 47.23、 49.2、 29.31、 34.2、 42.4、 48.7。这与之前学者所做实验结果类似，可用心 率 、肌电、皮电、呼吸等来反映个体应激和紧张程 度的结果[ 2 〃4]，故选取这7 类指标来反映与评估矿 工应急行为能力 2 . 2 灾 难 场 景 下 矿 工 应 急 反 应 评 估 2 . 2 . 1 基于/ 指数的矿工灾难场景下应急反应的 评估 选取试验刺激前后数据发生显著变化的7 类生 理指标来进行评估。建立灾难场景下矿工应急反应 指数，用/ 表示，且/ 无量纲，计算公式如下 100 X . 丄i 100 1 yi L n ii 1 式中，\为每位被试试验后的各生理指标数值; 为每位被试试验前的各生理指标数值；n为被试 总人数。本研究 3 0 , 对被试进行编号，所得/ 值 如 图 1所示。 150「 著生理指标整体波动要大于平均水平，在突发事件 下应急行为能力较差，同时当/ 正值越大时，代表 其个体应急行为能力越差。 将突发事件矿工应急反应指数/ 值分为以下3 个区间 /备-50、-50/50,它们分别对应 灾难场景下应急反应较好、应急反应一般、应急 反应较差的人员。被试编号为2、3、5 、6 、7、8、 9 、12、13、15、17、19、20、21、27、28 的应急反 应指数落在了/矣- 5 0 的区间，说 明 这 16名被试应 急反应能力较好。 通过与被试基本信息对比发现，在 16名应急反 应能力较好的被试中，62.5曾经历过煤矿事故， 87. 5 的文化程度在初中及以上且平均工龄为12a。 以 13号被试为例，其工龄达19a, 初中学历，并且 在工作中经历过煤矿冒顶事故，应急反应/ 指数为- 128.22,要明显优于大部分的被试。同理，对比其 他区间的被试信息，均可得出类似结果即应急反 应指数较高的被试普遍具有文化水平较高、经历过 安全事故、工龄较长等特征。 2 . 2 . 2 灾难场景下应急反应的聚类分析 聚类是数据挖掘中用来发现数据分布和隐含模 式的一项重要技术[25]。因此，为了验证/ 指数的准 确性，将 30名被试的7 类生理指标进行聚类分析， 利用Q型聚类[26]使相似样本聚集一起。总体聚类 分析树状图如图2 所示。 重新调整距离聚类合并 10 1520 30 1 29 15 28 17 27 25 26 10 25 12 24 5 23 26 22 28 21 29 20 14 19 11 25 12 7 11 8 10 3 9 20 8 6丨 7 24 6 30 5 21 4 271 3 41 2 19 1 18 图2总体聚类分析树状图 在总体聚类分析树状图中，可以得出，被试共 被分为四类，将每类被试与其对应的应急反应/ 值 的绝对值进行对比，可以发现，同类被试的/ 指数 绝对值相近。这与前人研究结果相似， / 值大小可以 5 0 o o o o 5 0 5 0 - 1 1 2 藝 确街 170 2020年 第 5 期煤炭工程研究探讨 用来测评灾难场景下矿工的应急反应能力[20]。因 此 ，利用聚类分析的方法验证了应急反映/ 指数准 确 性的同时，也 证 明 了 运 用 肌 电 （EMG、呼吸 RESP、皮肤电导水平（SCL、皮温（Temp、脉 搏振幅（PVA、脉搏（Puls、心率（HR这 7 项生理 指标来反映矿工灾难场景下应急反应的可行性。 3结 论 1 通过构建煤矿灾难场景下矿工应急反应的测 评系统，对 30名矿工的8 种生理指标在正常工作期 与灾难刺激期进行测量，并进行 检验，结果表明， 矿 工 的 7 种 生 理 指 标 即 肌 电 （EMG、呼吸 RESP、皮肤电导水平（SCL、皮温（Temp、脉 搏振幅（PVA、脉搏（Puls、心率（HR数据变化差 异较大。 2 提出煤矿灾难场景下矿工应急反应指数/， 并通过聚类分析的方法来对指数进行验证。根据研 究结果，可将灾难场景下矿工应急反应指数/ 值分 为以下3 个区间 /矣-50、-50/50,分别 对应灾难场景下应急反应较好、应急反应一般、 应急反应较差的人员。在煤矿行业中，可以根据不 同矿工的/ 值，筛选出突发事件下不同应急反应能 力的员工，从而根据企业的需要在不同的工作岗位 上合理配置不同的员工，或对员工进行有针对性的 培训等。 3 通过对矿工进行问卷调查与访谈，将所得工 龄 、学历与是否经历煤矿事故等基本信息与试验所 得生理指标数据进行比对，结果显示学历较高、经 历过煤矿事故且工龄较长等被试对应的/ 指数值较 低 ，说明其应急反应能力强。这也为煤矿行业在人 才选拔与培训方面提供了理论性依据。 参考文献 [1 ] 陈 娜 .煤矿应急场 景 下 行 为 能 力 的 试 验 研 究[ D ] . 北 京 中国矿业大学（ 北 京 ） ，2010. 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