防噪耳塞对矿工安全行为能力的影响实验研究

田水承，孙璐瑶

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054；2.西安科技大学 应急管理研究所，陕西 西安710054）

煤矿行业是典型的高噪音行业，挖掘机、带式输送机、采煤机等设备的运转都会产生巨大的噪音。噪声环境不仅威胁矿工的健康，而且影响他们自身的安全行为能力，安全行为能力不足将导致矿工产生不安全行为，从而导致煤矿事故的发生[1-2]。在噪声环境中工作时，矿工会选择佩戴防噪耳塞来削弱噪声的干扰。目前，国内外学者关于噪声对个体安全行为能力的影响已经做了大量研究。U Lundberg等[3-4]发现在噪声状态下被试的心率及主观用力均产生变化,说明个体对噪声抵抗较差。姚勇等[5]建立了矿工的安全能力评价指标体系，认为反应能力对人员的安全行为能力有重要作用。Kovalchik 等[6-7]认为噪声会妨碍沟通交流和降低危险感知能力，使人错误判断外界刺激或者对于外界刺激的反应延迟。目前大多学者重点研究噪声强度对矿工安全行为能力的影响，对于佩戴耳塞后矿工的安全行为能力是否受到有效保护的研究较少；为此将矿工在噪声环境下佩戴防噪耳塞与其安全行为能力联系在一起进行探讨，讨论防噪耳塞对矿工的实际防护效果。

1 实验方案

1.1 实验方法

噪声会影响矿工的生理状态和行为特征，生理反应和行为特征的变化能够反映防噪耳塞对矿工的防护效果，以保证矿工的作业安全。借鉴白煜坤[8]、田水承[9]、寇猛[10]等学者关于矿工安全行为能力的研究，在模拟井下噪声场景下，对同一实验对象分别在裸耳与佩戴耳塞时进行声反应能力测定实验。测得实验对象在实验过程中心率、皮肤电反应2 项生理指标的变化及声反应时1 项行为指标的变化，初步测评裸耳与佩戴耳塞时矿工的安全行为能力差异，然后运用SPSS22.0 软件对实验数据进行分析，从而评估矿工佩戴防噪耳塞后的实际效果。

1.2 实验设备

实验测量包括生理指标和行为特征指标测量2部分，故实验设备也相应有生理测量和行为测量设备。生理测量设备：Mind Ware Bio Lab 生理指标测试仪；行为测量设备：BD-V-509 多项反应时测定仪。

1）Mind Ware Bio Lab 生理指标测试仪。该仪器可以进行心率、皮电、脑电等多种生理信号的同步采集，并利用相应的基础信号分析（BSA）软件对数据进行整理和计算。

2）BD-V-509 型多项反应时测定仪。该仪器采用电子计算机技术，能够自动采集、存储测量数据并计算多次测量数据累计值、平均值和分散度等。

1.3 实验过程

实验共选取15 名人员，按照完成实验的顺序进行编号。实验对象均为神东煤炭集团有限责任公司的矿工。对15 名实验对象进行实验目的、过程和设备的详细讲解，让其熟练实验设备的操作，避免由于操作不熟练影响测量结果。按照设备说明，将电极片粘贴至其身体相应部位，将实验室光线调暗并打开扬声器制造噪音环境。测试实验对象在裸耳和佩戴耳塞时的声反应能力，在测定过程中同步记录实验对象的心电和皮电2 个生理指标的变化，实验对象测试完成后摘除身上的电极片，换下一名实验对象开始实验。

当15 名实验对象全部完成测定时，整个实验过程结束，每名实验对象的实验过程持续20 min。利用基础信号分析软件（BSA）和SPSS22.0 软件对实验数据进行处理分析。

2 实验结果

2.1 数据预处理

将实验对象进行声反应能力测定时的实验数据进行整理，并计算声反应时、心率和皮电的增长率大小。增长率的计算公式为：增长率=100%×（裸耳时的数值-佩戴耳塞时的数值）/裸耳时的数值，并将所得到的结果绘制为折线，声音反应能力测定中裸耳与佩戴耳塞的生理、行为变化曲线如图1。

图1 声反应能力测定中裸耳与佩戴耳塞的生理、行为变化曲线Fig.1 Physiological and behavioral curves of bare ears or wearing earplugs in the measurement of acoustic response capabilities

在噪声环境下佩戴耳塞时操作“多项反应时测定仪”与裸耳时相比，声反应时整体呈现不同程度的升高，心率和最大GSR 值整体呈现不同程度的下降；从图1（d）中可以看出除了3#、9#、12#、15#被试的声反应时增长率略低于最大GSR 值（皮肤电反应，简称皮电）增长率外，其余被试的声反应时增长率均高于最大GSR 值增长率；除了10#被试的最大GSR 值增长率略低于心率增长率外，其余被试者的最大GSR 值增长率均高于心率增长率，这表明了佩戴耳塞对被试的声反应能力影响更大，对被试者的心率影响较小。

2.2 实验数据的显著性

利用SPSS22.0 软件对实验对象在裸耳和佩戴耳塞时操作“多项反应时测定仪”时的声反应时、心率、皮电3 组数据进行配对样本T 检验，声反应能力测定中裸耳与佩戴耳塞的配对样本T 检验结果见表1。

表1 声反应能力测定中裸耳与佩戴耳塞的配对样本T 检验Table 1 Paired samples T test of bare ears and wearing earplugs in acoustic response measurement

裸耳与佩戴耳塞的配对样本T 检验中，声反应时、心率和皮电的P 值均为0，P＜0.05，说明实验对象在佩戴耳塞与裸耳时测定的的声反应时、心率和皮电的差异性非常显著，表明了佩戴耳塞会对矿工的安全行为能力造成明显的影响。

2.3 生理指标与行为指标的线性回归

利用线性回归分析[11]来探究行为特征指标与生理指标之间是否存在线性关系。选取声反应能力测定时实验对象的心率、最大GSR 值的增长率作为自变量，把声反应时的增长率作为因变量，使用SPSS22.0 软件进行线性回归分析。模型1，R=0.836,R2=0.699，调整后R2=0.649，标准偏斜度错误为3.527，Durbin-Watson 检验为1.742。变异数分析情况见表2、回归分析系数a 情况见表3。

表2 变异数分析Table 2 Analysis of variance

调整后R2为0.649，拟合优度R2＞0.6，说明该模型的拟合度较好；Durbin-Watson 值为拟合后残差，其值越接近2，说明相关性越强，模型的DW 值1.742，表现出较强烈的正相关性。线性回归模型的P 值为0.001，P＜0.05,说明随着生理指标增长率的引入，其显著性概率值远小于0.05，所以能够显著地拒绝原假设，该回归模型有效；F 值为13.923，说明生理指标的增长率和声反应时的增长率之间存在线性关系。线性回归模型的回归系数，常数、心率增长率、最大GSR 值增长率的系数分别-3.441、-1.163、-0.427，且心率增长率和最大GSR 值增长率的系数的显著性均小于0.05，说明生理数据的增长率会对声反应时的增长率产生显著性结果，具有统计学意义；自变量的VIF 值为1.168，VIF＜5，说明自变量之间不存在共线性，说明该模型合理；由于常数项的P值为0.129，P＞0.05，故常数项不具备显著性，不符合回归模型，故在标准系数一列中剔除了常数项。所以标准化的回归方程为：声反应时增长率=-0.449×心率增长率-0.555×最大GSR 值增长率。

表3 回归分析系数aTable 3 Regression analysis coefficient a

标准化残差的直方图和标准P-P 图如图2。大部分自变量的残差都符合正太分布，且散点基本分布在对角线附近，故标准化残差基本服从正太分布。分析结果进一步证明了生理指标的增长率与声反应时的增长率之间存在线性关系。生理指标的增加率越高，则声反应时的增加率越高，佩戴耳塞会严重影响个体对声音的反应时间。

图2 回归标准化残差分析Fig.2 Analysis of regression normalized residuals

3 个体安全行为能力测评

3.1 安全行为能力指数模型的构建

采用个体行为能力指数来评价矿工佩戴耳塞后的安全行为能力[12]，用f 表示。选取心率和皮电（最大GSR 值）2 个生理指标来计算15 名实验对象佩戴耳塞时的安全行为能力指数fi，计算公式为：

式中：j 为生理指标数量（j=1，2）；n 为实验对象总人数，n=15；i 为试验编号，（i=1，2，…，15）；hij为实验对象裸耳时的各个生理指标数值；qij为实验对象佩戴耳塞时的各个生理指标数值。

将15 名实验对象的f 值绘制为折线图，f 值以0值为平均值水平,当f 为正值时,说明个体佩戴耳塞时的生理指标整体波动大于平均水平, 代表佩戴耳塞后的个体行为能力越差；当f 为负值时,代表佩戴耳塞后的个体行为能力好，且f 值越小，个体行为能力越好。

噪声环境中实验对象佩戴耳塞时的安全行为能力指数f 的折线图如图3，除了4#、8#、12#、13#实验对象的f 值为正值外，其余11 名实验对象的f 值均小于0，说明他们的安全行为能力较好，然而其f 值均在［0，－20］之间，说明佩戴耳塞并没有显著的提升个体的安全行为能力。

图3 实验对象的行为能力f 值Fig.3 Fvalue of behavior ability of experimental subjects

3.2 模型与行为特征指标的相关性

将被试的f 值与行为特征指标（声反应时的增长率）进行Spearman 相关分析，相关系数为-0.656，P 值为0.008，说明f 值与被试声反应时的增加率有着较强的负相关性，即f 值越大，个体行为能力越差，声反应时的增长率越小，被试对于声音的敏感性越差。安全行为能力指数f 能够作为参考来筛选矿工，f 值越大，佩戴耳塞后的个体对于声音的反应时间越长，对于声音的敏感性越低，发生人为失误的可能性增加。

4 结 语

通过在噪声环境下对实验对象进行声反应能力的测定，得到实验对象佩戴耳塞与裸耳时的心率、皮电（最大GSR 值）与反应时间均有显著差异性，心率、皮电的增加率与声反应时的增加率存在线性关系，说明佩戴防噪耳塞会对人员的生理和行为有一定的影响。通过计算实验对象在噪声场景中佩戴防噪耳塞的安全行为能力（f 值），并将被试的f 值与行为特征指标进行相关分析，得出防噪耳塞会对矿工的生理有一定的防护效果，会提高人员的安全行为能力，但是会降低人员对声音的反应能力。煤矿企业可以根据f 值测评来择优录取安全行为能力水平较高的矿工，从而降低恶劣环境因素对员工行为能力的影响。另外佩戴耳塞能够提高人员的安全行为能力的根本原因是降低了传入耳内的噪声分贝，但长期佩戴效果还需进一步探究。