大數(shù)據(jù)背景下礦用呼吸器的人因分析及安全改善研究

吳悅 徐田波 李鵬飛

摘 要：應(yīng)用人因工效學(xué)的相關(guān)方法對礦用呼吸器進(jìn)行了分析改善，并對改善優(yōu)化后的使用過程進(jìn)行了的程序分析，縮短了佩戴時(shí)間，提高了礦用呼吸器的安全性與可靠性。同時(shí)提出了建立井下人員健康監(jiān)測管理系統(tǒng)，在呼吸器上加裝傳感器，通過井下無線通訊模塊采集并傳輸人員生理及心理的變化數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測人員的健康狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的管理措施，實(shí)現(xiàn)人員管理的智能化，從而保障煤礦作業(yè)安全。文中的研究內(nèi)容能夠解決傳統(tǒng)礦用呼吸器存在的材料與結(jié)構(gòu)方面的安全隱患，對于提升井下作業(yè)的安全性，建設(shè)智慧礦山具有重要意義。

關(guān)鍵詞：人因工效學(xué)；礦用呼吸器；井下人員健康；實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)；煤礦安全

中圖分類號：R 857.14；TU 714

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2018）06-0705-05

0 引 言

十二五規(guī)劃以來，國家提出建設(shè)智慧礦山，以實(shí)現(xiàn)礦山的本質(zhì)安全、高產(chǎn)高效、綠色環(huán)保，同時(shí)更加強(qiáng)調(diào)關(guān)注職工健康安全[1]。目前我國智慧礦山的建設(shè)中缺少對于礦用產(chǎn)品的改善研究和井下人員的健康監(jiān)測管理系統(tǒng)。井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，存在多種不安全因素，可以劃分為3類危險(xiǎn)源：能量源、物的故障及個(gè)體行為失誤、不符合安全的組織因素[2]。探析影響煤礦安全的因素，不僅取決于礦山建設(shè)與硬件配備，同時(shí)也與煤礦企業(yè)文化建設(shè)息息相關(guān)。良好的企業(yè)文化與安全跟蹤教育不僅可以促進(jìn)煤礦作業(yè)規(guī)范準(zhǔn)則的建立，也能夠幫助煤礦工人樹立安全行為意識。健全的人員管理制度也能夠優(yōu)化人力資源調(diào)配，形成全員參與的安全管理模式[3]。根據(jù)事故致因理論，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，煤礦特大事故中70%以上都是責(zé)任事故，而在所有導(dǎo)致這些重大事故的直接原因中，人的不安全行為占比高達(dá)97.67%，煤礦瓦斯突出事故中由于呼吸器故障造成人員的窒息和二次傷害的情形占比高達(dá)91.2%.呼吸器作為一種井下作業(yè)人員的自救保護(hù)器具，能夠有效防止在井下發(fā)生火災(zāi)、瓦斯、煤塵爆炸后有害氣體中毒事故的發(fā)生。

針對第二類危險(xiǎn)源中礦用呼吸器故障，文中采用人因工效學(xué)的相關(guān)方法對呼吸器進(jìn)行了改善，增強(qiáng)其本質(zhì)可靠性。針對第三類危險(xiǎn)源不符合安全的組織因素，對井下作業(yè)人員因生理或心理因素的影響而產(chǎn)生的不安全行為進(jìn)行研究，據(jù)此融合大數(shù)據(jù)分析的相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)建立井下人員健康監(jiān)測管理系統(tǒng)，避免在不健康狀態(tài)下開展作業(yè)，同時(shí)對人員健康數(shù)據(jù)進(jìn)行長期的跟蹤采集，對人員的任務(wù)分工進(jìn)行合理調(diào)配，優(yōu)化配置人力資源。呼吸器是關(guān)系到井下作業(yè)人員生命安全的重要裝置，目前國內(nèi)的呼吸器研制水平距離國外先進(jìn)水平還有一定的差距，如何對現(xiàn)有的通用呼吸器進(jìn)行安全改善是一項(xiàng)富有意義的課題，對煤礦企業(yè)的安全高效發(fā)展具有長遠(yuǎn)意義。

1 礦用呼吸器的使用現(xiàn)狀分析

1.1 礦用呼吸器的結(jié)構(gòu)與材料現(xiàn)階段我國煤礦主要采用化學(xué)呼吸器，由生氧罐、氣囊、導(dǎo)氣管、口具、背腰帶等部件組成。它是利用化學(xué)生氧物質(zhì)產(chǎn)生氧氣，供佩戴者從災(zāi)區(qū)撤退脫險(xiǎn)[4]?？诰卟糠种饕擅嬲趾捅菉A構(gòu)成，而鼻夾包括橡膠墊與扭簧。呼吸器面罩所用橡膠種類大多數(shù)為天然橡膠，由天然橡膠制造的面罩在長期的使用和儲存過程中，會出現(xiàn)橡膠噴霜、變形、龜裂、粘合等問題從而導(dǎo)致面罩氣密性降低，影響呼吸器正常使用；鼻夾內(nèi)的扭簧容易生銹；鼻夾橡膠墊與鼻翼接觸程錐形，人體面膜皮脂腺發(fā)達(dá)，鼻夾容易脫落；以上這些材料與結(jié)構(gòu)缺陷都會成為安全隱患。

1.2 礦用呼吸器的使用程序分析在使用礦用呼吸器時(shí)，需要先從腰部取下，戴在頸部，然后取出面罩和夾具，用鼻夾夾住鼻子，使用過程有大量冗余動作，增加了井下作業(yè)人員穿戴呼吸器的時(shí)間，導(dǎo)致中毒缺氧的概率升高。現(xiàn)行使用方式的程序分析如圖1所示。

通過分析結(jié)果可知，現(xiàn)行礦用呼吸器使用程序一共包含20道工序，且存在較多的不必要工序。同時(shí)通過達(dá)寶易軟件進(jìn)行動作分析，發(fā)現(xiàn)操作者在穿戴呼吸器時(shí)無效動素占比12%.如何改善操作工序并降低無效動素比，是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。

2 井下人員的行為分析

2.1 不安全行為的誘發(fā)因素井下人員的所有行為操作均有標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程指導(dǎo)書和安全警示，下井前也會進(jìn)行各項(xiàng)安全培訓(xùn)，但是仍然存在不安全的操作行為，導(dǎo)致不安全行為產(chǎn)生的誘發(fā)因素主要分為生理因素和心理因素。生理因素主要包括功能系統(tǒng)、機(jī)能器官、生理節(jié)奏生物體活動規(guī)律，疲勞特性等。呼吸頻率，血壓，心跳，這些因素都有可能會造成人為失誤[5]。心理因素的劃分種類復(fù)雜且繁多，難以進(jìn)行預(yù)測和控制。如：①急迫時(shí)的行動，在急迫的時(shí)候，容易不冷靜、不合理、不系統(tǒng)地考慮問題，直觀地去判斷事物，不容易改變想法，緊急、不安、焦躁和憤怒等情緒狀態(tài)都會有上述的表現(xiàn)；②忘卻意圖，行動開始時(shí)，有某種意圖在支配，當(dāng)其意圖比較弱的時(shí)候，行動中的其他意圖會起主要支配作用，原來的意圖被忘卻了，引起作業(yè)順序發(fā)混亂；③其他心理因素，人們在生活和生產(chǎn)作業(yè)中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些心理狀態(tài)活省略行為和近道反應(yīng)，如焦躁反應(yīng)和單調(diào)作業(yè)，都會引起心理上的不適。以上這些心理因素都會影響井下作業(yè)人員的正確判斷從而產(chǎn)生錯(cuò)誤行為。

2.2 安全意識的培養(yǎng)體系安全培訓(xùn)通常起到對作業(yè)人員進(jìn)行作業(yè)規(guī)范強(qiáng)調(diào)與不安全行為警示的作用，作業(yè)行為常常與獎懲制度掛鉤，但難以起到有效的激勵作用。只有形成了安全意識，才會逐漸消除不安全行為。缺乏安全意識會產(chǎn)生主觀臆測[6]。所謂主觀臆測，是指個(gè)人無根據(jù)地做出隨意性判斷并且將這種臆測作為指令，也是發(fā)生人為失誤的重要原因。尤其在以下情況時(shí)更易于發(fā)生。①急于求成，想盡快完成工作，在愿望強(qiáng)烈或心情焦躁的時(shí)候容易發(fā)生這種臆測；②缺乏知識，個(gè)人所獲得和掌握的信息和知識不準(zhǔn)確或不完全的時(shí)候，自我想當(dāng)然的或隨意性的行動；③片面經(jīng)驗(yàn)，由于過去的某次或某些行為取得了成功，把過去的經(jīng)驗(yàn)作為先入為主的成見，以為過去成功了，現(xiàn)在還會成功地重復(fù)過去的行為；④僥幸心理，這是指按照自己的愿望需要而做出的投機(jī)性判斷。

2.3 不符合安全的組織因素對于井下災(zāi)害的發(fā)生，大多數(shù)煤礦企業(yè)的安全管理組織往往通過開展安全警示教育的活動來強(qiáng)調(diào)安全作業(yè)的重要性，無論是事前預(yù)防還是事后救援，都缺少對作業(yè)現(xiàn)場情況的實(shí)時(shí)掌控，難以達(dá)到早發(fā)現(xiàn)早杜絕的目標(biāo)。組織因素的不合理，導(dǎo)致缺乏對井下作業(yè)人員的動態(tài)監(jiān)測，以及對礦工健康狀態(tài)的追蹤[7]。

3 改善措施

3.1 礦用呼吸器的使用改善將原來呼吸器面罩的材料改為其他性能更好的材料，以解決橡膠噴霜、變形、龜裂的問題，用面罩代替鼻夾，借鑒醫(yī)用呼吸器面罩結(jié)構(gòu)，制作成一種可折疊的輕便式呼吸面罩，可以同時(shí)罩住口鼻，并用一根軟管連接呼吸器罐體，這樣既可以增強(qiáng)呼吸器安全性，同時(shí)還可以增強(qiáng)人體舒適性和人機(jī)協(xié)調(diào)性[8]。以下是幾種常見面罩材料的性能比較。

從表1中的數(shù)據(jù)分析可知，硅膠完全滿足目前國內(nèi)對于防護(hù)面罩的技術(shù)要求，同時(shí)硅膠的抗拉強(qiáng)度為20 MPa，與天然橡膠墊的21 MPa相當(dāng)，高于聚氨酯和聚異戊二烯橡膠，能夠抵抗外界壓力不容易導(dǎo)致變形，抗撕裂強(qiáng)度最高，彈性較強(qiáng)，與人臉契合度較好且舒適性佳。目前市場上硅膠的價(jià)格為11.5元/kg，是上述材料中價(jià)格最低的，綜合考慮硅膠作為礦用呼吸器的面罩和通氣管材料是最優(yōu)選擇。圖2為礦用呼吸器改善前后的示意圖，圖2（a）為改善前傳統(tǒng)礦用呼吸器的鼻夾與通氣管口具，圖2（b）是改善后的借鑒醫(yī)用呼吸器的呼吸面罩。

同時(shí)根據(jù)人體測量法計(jì)算腰部到面部的距離，來改善通氣管長度，采用人體測量GB1000-1988量表，見表2和表3，其中高度均以腳底為參考。

計(jì)算通氣管長度，選取百分比為99，適合99%的作業(yè)人員使用，K=2.326，以西北地區(qū)為例：

X99=+SDK=1808 mm.百分比為99男性股下高為887 mm，修正系數(shù)為200 mm，所以滿足西北地區(qū)的管子長度設(shè)置為472～721 mm.原來通氣管長度約為20 cm，改善后需要增加2至3倍，這樣能夠滿足99%的作業(yè)人員身高要求，在使用過程中無需將呼吸器從腰部取下，直接拉出呼吸管即可佩戴面罩，改善后的礦用呼吸器使用程序圖如圖3所示。

通過對礦用呼吸器材料和結(jié)構(gòu)的改善，減少了7項(xiàng)冗余的操作工序，預(yù)計(jì)使用時(shí)間減少了11.94 s，大大節(jié)省了配戴時(shí)間。改善在不增加成本的前提下，降低了在使用中的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率，完善和提高了呼吸器整體的效能，同時(shí)增加其可靠性，安全性和舒適性。

3.2 井下人員健康監(jiān)測管理系統(tǒng)的建立建立井下作業(yè)人員的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器采集礦工在工作時(shí)的生化指標(biāo)（血壓、脈搏、體溫、呼吸頻率）的相關(guān)信號，通過處理識別這些指標(biāo)信號，對人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免工人在不健康狀態(tài)下作業(yè)，做到及時(shí)提醒，合理調(diào)配，長期預(yù)防等一系列安全管理措施。保證礦工心理生理上能夠處于理想狀態(tài)，降低事故發(fā)生，提高工作效率，保證工作質(zhì)量。

3.2.1 傳感器采集數(shù)據(jù)在礦用呼吸器上加裝傳感器，利用傳感器監(jiān)測并采集井下作業(yè)人員的生理及心理特征數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳輸至井下無線通訊基站，基站再通過光纖局域網(wǎng)傳輸至中央智能監(jiān)控中心，以實(shí)時(shí)監(jiān)測井下作業(yè)人員的生理及心理狀況。目前較為成熟的采集生化指標(biāo)的傳感器有透射式光電脈搏傳感器和體溫傳感器等。透射式光電脈搏傳感器系統(tǒng)采用紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管作為脈搏傳感器。將紅外發(fā)射管來照射人體的某一部位，用紅外接收管附在該部位的另一側(cè)，來檢測透射光，通過信號轉(zhuǎn)換得到心率相對應(yīng)的方波信號。RE200B型體溫傳感器可在無人體接觸的情況下，檢測人體產(chǎn)生的10 μm波段的紅外線，并通過測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出[9]。同時(shí)RE200B型體溫傳感器通過其內(nèi)部雙PZT板靈敏元感光電極反向串聯(lián)，這種互補(bǔ)的方法不僅能抑制環(huán)境溫度的干擾，而且提高了其自身的穩(wěn)定性和靈敏度，所以這種傳感器在礦井環(huán)境中使用也能準(zhǔn)確測出人體溫度[10]。

3.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程中央智能監(jiān)控中心結(jié)合預(yù)先設(shè)定的閾值，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并判斷人體此時(shí)的健康狀態(tài)，實(shí)時(shí)記錄心理及生理狀況[11-14]。如果中央監(jiān)控室發(fā)現(xiàn)井下作業(yè)人員出現(xiàn)異常（健康狀況或情緒），立即進(jìn)行警示提醒，信號通過基站傳輸至安裝在呼吸器的傳感器上，傳感器驅(qū)動LED光源變化對正在作業(yè)的礦工進(jìn)行提醒。如果礦工出現(xiàn)緊急狀況且無法完成自我調(diào)整，現(xiàn)場安全人員立即到場確認(rèn)，必要時(shí)應(yīng)停止員工工作，更換其他人員。井下人員健康監(jiān)測管理系統(tǒng)運(yùn)行過程如圖4所示。

4 結(jié) 語

從人因工效學(xué)的角度出發(fā)，對礦用呼吸器的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了分析改善研究，以提高呼吸器的可靠性，安全性，舒適性；并對井下作業(yè)人員佩戴呼吸器的操作程序展開了分析，利用ECRS原則對現(xiàn)有動作和程序進(jìn)行改善，減少冗余程序，降低因佩戴耗時(shí)而造成缺氧窒息的風(fēng)險(xiǎn)；最后采用傳感技術(shù)采集礦工健康數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對礦工健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)人員管理的數(shù)據(jù)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化。通過監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下主要功能及采取相應(yīng)的管理措施。1）狀態(tài)檢測。工作前通過傳感器進(jìn)行檢測，對于心理生理狀態(tài)不好（生病、醉酒、心情不佳或異常興奮）的員工可視情況終止上崗以避免由于健康狀況和情緒波動帶來安全隱患。2）狀態(tài)預(yù)警。通過傳感器監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)判斷礦工的健康狀態(tài)，出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)做到及時(shí)警示。當(dāng)?shù)V工狀態(tài)無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)時(shí)，通知相關(guān)安全管理人員進(jìn)行現(xiàn)場鑒別，必要時(shí)應(yīng)更換作業(yè)人員。3）動態(tài)排班。目前我國大部分煤礦實(shí)行24小時(shí)三班制排班方式，通過大數(shù)據(jù)的分析，可以判斷不同工人在不同時(shí)間的心理生理健康變化狀況，以此作為排班依據(jù)，以保證每個(gè)工人在上班期間處于情緒最佳，體能良好的狀態(tài)；同時(shí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行小范圍工種調(diào)整，生理心理數(shù)據(jù)波動小的作業(yè)人員適合做相對精密的工作，更需要耐心的工作，反之波動大的作業(yè)人員應(yīng)盡量減少此類工作。這樣能夠充分調(diào)配人力資源，最大限度地提高工作效率，保證工作質(zhì)量，降低事故發(fā)生。4）安全培訓(xùn)，健康保證。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果針對心理長期存在波動的作業(yè)人員進(jìn)行心理治療和疏導(dǎo)，以預(yù)防心理疾病對于身體健康產(chǎn)生的危害，做到早提醒早治療。定期開展心理教育和安全教育的培訓(xùn)工作，以提高員工的安全意識和處理突發(fā)事件的能力。通過人因改善與監(jiān)測系統(tǒng)的建立，能夠保證工人在工作中處于生理和心理上的最佳狀態(tài)，從而保障安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低事故發(fā)生的概率，對于提高煤礦企業(yè)的安全性，建設(shè)智慧礦山具有重要的意義。