地铁列车司机轮班疲劳风险分析

张 嬿，方卫宁，鄂明成，王 洁，郭北苑

（1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

在轨道交通运输的人机系统中，司机作为列车的驾驶者，其驾驶状态与驾驶效能密切相关，直接关系乘客的出行安全、轨道交通的输送能力和运输效率。由于地铁列车司机需要严格遵循运行图进行轮乘，以满足不断增长的运营需要和连续性服务的要求。因此，需要寻求一种高效、科学、可行的轮班模式，最大限度地降低列车司机在驾驶作业中的疲劳等级，从而保证轨道交通的运输安全。

1 轮班制度对于疲劳的影响

地铁列车司机无论是工作性质和环境，还是要求保持的注意集中、警觉水平，以及作业的单调性和重复性，都容易产生驾驶疲劳这种情况。驾驶疲劳是驾驶员在较长时间内连续行车后产生的生理、心理机能，以及驾驶操作效能下降的现象[1]。为有效防止列车司机在轮班作业中产生驾驶疲劳，需要深入研究轮班制作业对疲劳的影响。轮班制作为一个复杂系统，其对疲劳的主要影响因素有作业时域、作业持续时间、工作间歇、睡眠缺失程度和轮班模式等。

1.1 作业时域

作业时域的影响实质上是生物节律的影响。生物节律是生物体按照自己特定的时间表运动的规律，具有内源性。人体的生物节律是时间的函数，在一天中人体有其固有的最佳工作时间和睡眠时间，在不同的时刻生理机能所表现的活力水平存在较大差异，这是由人体的时间结构决定的。

人体体温在4:00前后最低，8:00后迅速上升，随后缓慢上升，到 l2:00前后达到最高值，然后又转为下降，入夜后下降速度加快。警觉性的变动趋势和体温变化方向一致且基本同步。合理的轮班制度应遵循人体的生物节律，将作业时间安排在人体机能活力水平较高的时段。研究表明，作业者在夜班工作时的生理机能水平只有白班工作时的70%[2]。因此，早班和夜班的时间安排都破坏了人体的“睡眠—觉醒”节律，也导致司机体温周期发生颠倒。早班司机需要清晨进行出车前的准备工作，而此时体温和警觉性都处于低水平阶段，司机困睡度高、疲劳感强烈；夜班司机退勤后在白天睡眠，破坏了正常人夜间睡眠期与体温低值期同步的关系，由于白天睡眠质量较低，甚至在睡眠后仍未消退疲劳感，久而久之也会造成司机疲劳累积。

1.2 作业持续时间

一般在开始执行驾驶作业的1h内，司机尚未完全进入驾驶状态，驾驶效能不高，发生事故的风险较大，随着时间的推移，司机将达到最佳驾驶状态，警觉性较高，因而应安排司机维持一定时长的驾驶作业，使其驾驶绩效得到充分发挥。经过最佳驾驶状态后，司机疲劳感加剧，驾驶效能下降，发生事故的风险也逐渐升高，加之司机室噪声大、电磁辐射高，驾驶作业动作单调，因此驾驶作业周期不宜过长。

1.3 工作间歇

在作业期间合理地安排休息时间有助于司机缓解疲劳感，及时恢复作业能力。工作间歇的安排应综合考虑休息的时域、时长和频率3个方面。另外，为维系身体机能正常的化合作用和保持适宜的血糖水平，应提供足够的进食时间。

人体一般通过持续的睡眠以减轻至消除作业期间积累的疲劳，由于昼夜节律紊乱，加之白天光线、噪声、家务劳动，以及社会事务等因素都会干扰人的睡眠，夜班司机很难在白天获得足够的睡眠，入睡困难，睡眠不深，有效睡眠时间平均缩短2h[3]。因此，应给予轮班司机充足的睡眠时间。

1.4 睡眠缺失程度

睡眠缺失程度与工作模式密切相关，具有积累的倾向。睡眠欠缺导致疲劳的积聚，对司机的驾驶效能和警觉水平造成损伤。执行夜班和早班作业任务的司机，通常其有效睡眠时间都在8h以下，存在不同程度的睡眠缺失，数日累积，其疲劳程度将超出人体能承受的极限，对身心健康也会造成一定影响。长期连续作业产生的疲劳恢复时间取决于工作难度、强度，以及睡眠缺失程度。作业难度越大、强度越高、睡眠缺失的累积效应越大，需要的恢复时间越长。

1.5 轮班模式

顺时针轮换使人体节律相位延后，而逆时针轮换使人体节律相位超前。人体的生物节律一般以25h为周期循环，受到生物节律延迟的影响(24h)，人体适应时间顺差的能力要好于适应时间逆差的能力。顺时针轮换模式除了遵循人体的生物节律外，可在两个班次轮换之间提供更多的休息时间，对于缓解疲劳感更加有利。

依据每个班次持续的时间，轮班速度通常分为快速轮班(1～4天)、中速轮班(1～2周)和慢速轮班(3～4周)。欧洲普遍流行快速轮班，美国是中速轮班，而发展中国家则倾向于慢速轮班。慢速轮班会引起人体节律相位产生不同程度的偏移。快速轮班与慢速轮班相比，对生物节律的干扰明显减少[4]，可降低睡眠缺失的累积效应，使轮班司机尽可能保持原有的生物节律，对轮班作业呈现更好的适应性。中速轮班通常为按周轮换，司机通过4～5天的调整，其生物钟刚适应当前的轮班，又因班次更替不得不重新调整，人体节律经常处于不稳定的过渡状态，是最不可取的。

2 疲劳指数及疲劳风险等级的确定

2.1 疲劳指数模型

轮班制度中有诸多因素均会对疲劳产生影响，除以上因素外，还有加班时间、工作负荷等。疲劳指数作为衡量轮班疲劳风险的数学参数，考虑实际应用的可行性和简便性，提取5个对疲劳造成显著影响的因素作为其构成变量。

疲劳指数(FI)由作业开始时间(F1)、作业持续时间(F2)、连续两班间的休息(F3)、工作间歇(F4)、累积疲劳(F5)5个变量构成[5]。其中，F1、F2、F3、F4为评估短期的疲劳等级；F5为度量长期疲劳的累积效应。

疲劳指数体现了5个构成变量的综合效应，数学模型为：

式中：F1、F2、F3、F4、F5—疲劳指数变量，α、β、γ、λ—对应F1、F2、F4、F5的修正因子。

2.2 疲劳指数的确定

首先，根据各变量的评定标准，分别评估5个变量的分值；然后，依据变量各自的修正标准判断是否需要添加修正因子并确定相应取值；最后，根据5个变量的实际得分综合得到在特定轮班制度下作业者的疲劳指数。

F1衡量了时域对疲劳的影响[5]。其数值是针对轮班作业者执行常规工作，且压力小、工作负荷不高的情况拟定的，若工作难度高、强度大，且有完成任务的时间压力时，F1的取值需加修正因子α，通常取4。

F2评定了在不同时域开始作业，连续作业多少时间后作业者的疲劳程度[6]。若应用F2的评定标准，判定作业者处于高工作负荷状态，则F2要乘以修正因子β，一般为1.3。

疲劳等级与开始执行驾驶作业前休息周期的时间安排相关，F3是度量休息充足与否对作业者疲劳程度的影响[5]。其计算公式为：

F3= ［ RSP(10+SD−8)/(20+0.5)］⑶式中：RSP—休息周期分值；t —休息周期的持续时间；T—休息周期的结束时刻，取值范围为 [0，24]；SD —在休息之后工作的持续时间。

F4通过计量作业中需要保持持续注意力的时间来度量疲劳程度[5]。若在整个工作周期中，作业者只有部分时间需要保持注意力的持续集中，则F4的取值应乘以比例系数 γ，γ 为注意力持续时间/作业持续时间。

F5考察了轮班序列中不同班次的连续值乘导致的累积疲劳程度[5]。若连续的两次轮班之间至少间隔30h可供作业者休息，则第二次轮班的累积疲劳值需减去 λ，通常取2。

2.3 疲劳风险等级的评定

根据上述数学模型和各项参数的取值标准，计算得到疲劳指数，用以判别特定轮班制度是否存在风险隐患及相应的风险等级。量化的评定指标如表1所示。

表1 风险等级评定标准

3 司机轮班疲劳风险实例分析

3.1 实例情况与评估方法

北京地铁2号线经过市中心的繁华地段，线路呈环状并与多条线路换乘。2号线运输量大、行车密度高、司机作业强度大，现行轮班制度为：四班三运转27个位置，即分为A、B、C、D4个班组；白班、夜班、早班3个班次；每天有3个班组分别承担白班、夜班、早班的运行任务，一组轮空，每个班次中有27个轮换岗位。夜班司机退勤后在机务段休息，次日清早执行早班作业任务。根据现行轮班表，追踪其中一组司机从上1位白班(第1运行位)到上27位白班(第79运行位)的整个轮乘过程，历时105d，以此为周期进行轮班司机的疲劳风险分析。

首先，采用疲劳指数方法对司机按照现行轮班表值乘的疲劳状况进行评估；然后，对轮班司机进行生理症状测量，以闪光融合频率(CFF)为评价指标，评定司机轮乘后的疲劳症状程度；最后，将两种方法的评估结果进行对比，分析北京地铁2号线现行轮班表的安排是否存在风险隐患，并识别存在运营风险的运行位置。

3.2 疲劳指数评估

基于北京地铁2号线现行运行时刻表，参照疲劳指数的计算准则，得到轮班司机疲劳指数的评估结果，如图1所示。在79个运行位置中承担部分位置运营任务的司机疲劳程度较高。其中，第9、10、12、13、14、19、20、33、34、39、51、52、54、61、62、63、66、74、76共有19个运行位置的司机其疲劳指数介于20～25，存在潜在的疲劳风险；排在第64运行位的司机，其疲劳指数达到25，存在较高的疲劳风险，由此可以确定北京地铁2号线现行轮班表存在风险隐患，对行车安全构成威胁。

3.3 疲劳生理症状测试

为了解各运行位置司机的疲劳情况，选择闪光融合频率测试，测定地铁司机轮乘后的疲劳生理症状。CFF作为一个比较可靠的疲劳测量的客观指标，原理是一个频率较低的闪光刺激使人产生光的闪烁感，随着闪光频率不断增加，闪烁感逐渐消失，最终演变成稳定的光。人眼在正常情况下大约可以分辨出30～55Hz之间的闪烁灯光，随着疲劳程度的加深，人眼对光刺激的敏感程度下降，CFF值降低[7]。因此，选用这种通过分辨灯光闪烁感变化的方法来度量司机的疲劳程度。

CFF测试的对照组选取按现行轮班表行车的79个运行位置的司机，共计158人次；实验组选取通过疲劳指数方法，判别存在轮班疲劳风险的20个运行位置的司机，共计40人次。实验器材选用闪光融合频率计。为了减少操作误差对实验的影响，每位司机分别在出勤前和退勤后各测试3次，取CFF的平均值。

通过 t 检验来论证两组配对样本的CFF均值是否具有显著性差异，进而比较两组司机完成驾驶作业后的疲劳程度差异，统计分析结果如表2所示。CFF数值普遍低于30，说明北京地铁2号线现行的轮班作业安排导致司机群体存在一定程度的疲劳感。将3个班次司机的CFF均值进行横向比较发现，夜班和早班司机的疲劳感均比白班司机强烈，早班司机的疲劳症状最甚。

通过将两组配对样本进行白班出勤、白班退勤、夜班出勤、夜班退勤、早班出勤、早班退勤6个时段的CFF均值进行 t 检验得知，实验组司机的闪光融合频率值均显著低于对照组司机(P＜0.05)。CFF值的降低表明疲劳症状加剧，CFF值越低，疲劳程度越高。由此推定实验组司机的疲劳程度显著高于对照组司机，说明实验组司机执行其相应运行位置的运营任务势必会导致驾驶疲劳。

表2 两组配对样本CFF值统计表

3.4 实验结果对比分析

将疲劳指数评估结果与CFF测试结果进行对比，两者较为符合，均表明在北京地铁2号线现行轮班作业中执行部分运行位置运营任务的司机在值乘后疲劳程度显著增加，说明现行轮班表安排不尽合理，高行车密度造成司机驾驶疲劳的产生，既危害司机的身心健康，同时也存在一定的安全行车风险。

通过分析，为有效防止轮班司机过度疲劳，降低轮班制度的副作用，提高行车安全保障，需要对地铁现行轮班表作适当调整，主要遵循以下原则。

（1）作业的持续时间要限定在合理的范围内，白班以8h工作制为宜，缩短夜班和早班的作业时长。

（2）推行快速轮班制，以3～4d为周期调整轮班计划。

（3）从一种班次轮换到另一种班次之间的间隔时间不宜过短，至少相隔12h。

（4）遵循人体的生物节律，将连续值乘的夜班次数限制在2～3次，且连续的夜班值乘之间至少间隔16h。

（5）合理安排休息时间，司机在白天每连续驾驶2h后至少休息15min；在夜间每连续驾驶1h后至少休息15min。

（6）经过两周固定班次的连续作业后，至少给司机提供48h 的恢复时间，对于夜班司机和早班司机要延长其恢复时间。

4 结束语

通过阐述地铁司机轮班系统诸多因素对于疲劳的影响，以及疲劳指数的确定准则，应用疲劳指数的方法对列车司机轮班疲劳风险进行分析，并采用闪光融合频率测试的方式对疲劳指数方法的评估结果进行了验证，两种方法的评定结果呈现较好的一致性。

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[1]段振伟，景国勋，杨书昭. 基于安全人机工程学的驾驶疲劳因素及其产生机理分析[J]. 河南理工大学报(自然科学版)2008，7(1)：21-27.

[2]项英华. 人类工效学[M]. 北京：北京理工大学出版社，2008.

[3]N·L·Haworth，T·J·Triggs，E·M·Grey. Driver fatigue：concepts，measurement and crash countermeasures[R].Canberra：Federal Office of Road Safety，1988.

[4]Office of Rail Regulation. Managing fatigue in safety critical work[R]. London：Office of Rail Regulation，2006.

[5]AS Rogers，MB Spencer，BM Stone. Validation and development of a method for assessing the risks arising from mental fatigue[R]. Sheffield：Defence Evaluation and Research Agency，1999.

[6]A McGuffog，MB Spencer，BM Stone，et al. Guidelines for the management and reduction of fatigue in train drivers[R].London：Rail Safety and Standards Board，2005.

[7]廖建桥. 人因工程[M]. 北京：高等教育出版社，2006.