張 嬿，方衛(wèi)寧，鄂明成，王 潔，郭北苑

（1.北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

在軌道交通運輸?shù)娜藱C系統(tǒng)中，司機作為列車的駕駛者，其駕駛狀態(tài)與駕駛效能密切相關(guān)，直接關(guān)系乘客的出行安全、軌道交通的輸送能力和運輸效率。由于地鐵列車司機需要嚴(yán)格遵循運行圖進行輪乘，以滿足不斷增長的運營需要和連續(xù)性服務(wù)的要求。因此，需要尋求一種高效、科學(xué)、可行的輪班模式，最大限度地降低列車司機在駕駛作業(yè)中的疲勞等級，從而保證軌道交通的運輸安全。

1 輪班制度對于疲勞的影響

地鐵列車司機無論是工作性質(zhì)和環(huán)境，還是要求保持的注意集中、警覺水平，以及作業(yè)的單調(diào)性和重復(fù)性，都容易產(chǎn)生駕駛疲勞這種情況。駕駛疲勞是駕駛員在較長時間內(nèi)連續(xù)行車后產(chǎn)生的生理、心理機能，以及駕駛操作效能下降的現(xiàn)象[1]。為有效防止列車司機在輪班作業(yè)中產(chǎn)生駕駛疲勞，需要深入研究輪班制作業(yè)對疲勞的影響。輪班制作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，其對疲勞的主要影響因素有作業(yè)時域、作業(yè)持續(xù)時間、工作間歇、睡眠缺失程度和輪班模式等。

1.1 作業(yè)時域

作業(yè)時域的影響實質(zhì)上是生物節(jié)律的影響。生物節(jié)律是生物體按照自己特定的時間表運動的規(guī)律，具有內(nèi)源性。人體的生物節(jié)律是時間的函數(shù)，在一天中人體有其固有的最佳工作時間和睡眠時間，在不同的時刻生理機能所表現(xiàn)的活力水平存在較大差異，這是由人體的時間結(jié)構(gòu)決定的。

人體體溫在4:00前后最低，8:00后迅速上升，隨后緩慢上升，到 l2:00前后達(dá)到最高值，然后又轉(zhuǎn)為下降，入夜后下降速度加快。警覺性的變動趨勢和體溫變化方向一致且基本同步。合理的輪班制度應(yīng)遵循人體的生物節(jié)律，將作業(yè)時間安排在人體機能活力水平較高的時段。研究表明，作業(yè)者在夜班工作時的生理機能水平只有白班工作時的70%[2]。因此，早班和夜班的時間安排都破壞了人體的“睡眠—覺醒”節(jié)律，也導(dǎo)致司機體溫周期發(fā)生顛倒。早班司機需要清晨進行出車前的準(zhǔn)備工作，而此時體溫和警覺性都處于低水平階段，司機困睡度高、疲勞感強烈；夜班司機退勤后在白天睡眠，破壞了正常人夜間睡眠期與體溫低值期同步的關(guān)系，由于白天睡眠質(zhì)量較低，甚至在睡眠后仍未消退疲勞感，久而久之也會造成司機疲勞累積。

1.2 作業(yè)持續(xù)時間

一般在開始執(zhí)行駕駛作業(yè)的1h內(nèi)，司機尚未完全進入駕駛狀態(tài)，駕駛效能不高，發(fā)生事故的風(fēng)險較大，隨著時間的推移，司機將達(dá)到最佳駕駛狀態(tài)，警覺性較高，因而應(yīng)安排司機維持一定時長的駕駛作業(yè)，使其駕駛績效得到充分發(fā)揮。經(jīng)過最佳駕駛狀態(tài)后，司機疲勞感加劇，駕駛效能下降，發(fā)生事故的風(fēng)險也逐漸升高，加之司機室噪聲大、電磁輻射高，駕駛作業(yè)動作單調(diào)，因此駕駛作業(yè)周期不宜過長。

1.3 工作間歇

在作業(yè)期間合理地安排休息時間有助于司機緩解疲勞感，及時恢復(fù)作業(yè)能力。工作間歇的安排應(yīng)綜合考慮休息的時域、時長和頻率3個方面。另外，為維系身體機能正常的化合作用和保持適宜的血糖水平，應(yīng)提供足夠的進食時間。

人體一般通過持續(xù)的睡眠以減輕至消除作業(yè)期間積累的疲勞，由于晝夜節(jié)律紊亂，加之白天光線、噪聲、家務(wù)勞動，以及社會事務(wù)等因素都會干擾人的睡眠，夜班司機很難在白天獲得足夠的睡眠，入睡困難，睡眠不深，有效睡眠時間平均縮短2h[3]。因此，應(yīng)給予輪班司機充足的睡眠時間。

1.4 睡眠缺失程度

睡眠缺失程度與工作模式密切相關(guān)，具有積累的傾向。睡眠欠缺導(dǎo)致疲勞的積聚，對司機的駕駛效能和警覺水平造成損傷。執(zhí)行夜班和早班作業(yè)任務(wù)的司機，通常其有效睡眠時間都在8h以下，存在不同程度的睡眠缺失，數(shù)日累積，其疲勞程度將超出人體能承受的極限，對身心健康也會造成一定影響。長期連續(xù)作業(yè)產(chǎn)生的疲勞恢復(fù)時間取決于工作難度、強度，以及睡眠缺失程度。作業(yè)難度越大、強度越高、睡眠缺失的累積效應(yīng)越大，需要的恢復(fù)時間越長。

1.5 輪班模式

順時針輪換使人體節(jié)律相位延后，而逆時針輪換使人體節(jié)律相位超前。人體的生物節(jié)律一般以25h為周期循環(huán)，受到生物節(jié)律延遲的影響(24h)，人體適應(yīng)時間順差的能力要好于適應(yīng)時間逆差的能力。順時針輪換模式除了遵循人體的生物節(jié)律外，可在兩個班次輪換之間提供更多的休息時間，對于緩解疲勞感更加有利。

依據(jù)每個班次持續(xù)的時間，輪班速度通常分為快速輪班(1～4天)、中速輪班(1～2周)和慢速輪班(3～4周)。歐洲普遍流行快速輪班，美國是中速輪班，而發(fā)展中國家則傾向于慢速輪班。慢速輪班會引起人體節(jié)律相位產(chǎn)生不同程度的偏移。快速輪班與慢速輪班相比，對生物節(jié)律的干擾明顯減少[4]，可降低睡眠缺失的累積效應(yīng)，使輪班司機盡可能保持原有的生物節(jié)律，對輪班作業(yè)呈現(xiàn)更好的適應(yīng)性。中速輪班通常為按周輪換，司機通過4～5天的調(diào)整，其生物鐘剛適應(yīng)當(dāng)前的輪班，又因班次更替不得不重新調(diào)整，人體節(jié)律經(jīng)常處于不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)，是最不可取的。

2 疲勞指數(shù)及疲勞風(fēng)險等級的確定

2.1 疲勞指數(shù)模型

輪班制度中有諸多因素均會對疲勞產(chǎn)生影響，除以上因素外，還有加班時間、工作負(fù)荷等。疲勞指數(shù)作為衡量輪班疲勞風(fēng)險的數(shù)學(xué)參數(shù)，考慮實際應(yīng)用的可行性和簡便性，提取5個對疲勞造成顯著影響的因素作為其構(gòu)成變量。

疲勞指數(shù)(FI)由作業(yè)開始時間(F1)、作業(yè)持續(xù)時間(F2)、連續(xù)兩班間的休息(F3)、工作間歇(F4)、累積疲勞(F5)5個變量構(gòu)成[5]。其中，F(xiàn)1、F2、F3、F4為評估短期的疲勞等級；F5為度量長期疲勞的累積效應(yīng)。

疲勞指數(shù)體現(xiàn)了5個構(gòu)成變量的綜合效應(yīng)，數(shù)學(xué)模型為：

式中：F1、F2、F3、F4、F5—疲勞指數(shù)變量，α、β、γ、λ—對應(yīng)F1、F2、F4、F5的修正因子。

2.2 疲勞指數(shù)的確定

首先，根據(jù)各變量的評定標(biāo)準(zhǔn)，分別評估5個變量的分值；然后，依據(jù)變量各自的修正標(biāo)準(zhǔn)判斷是否需要添加修正因子并確定相應(yīng)取值；最后，根據(jù)5個變量的實際得分綜合得到在特定輪班制度下作業(yè)者的疲勞指數(shù)。

F1衡量了時域?qū)ζ诘挠绊慬5]。其數(shù)值是針對輪班作業(yè)者執(zhí)行常規(guī)工作，且壓力小、工作負(fù)荷不高的情況擬定的，若工作難度高、強度大，且有完成任務(wù)的時間壓力時，F(xiàn)1的取值需加修正因子α，通常取4。

F2評定了在不同時域開始作業(yè)，連續(xù)作業(yè)多少時間后作業(yè)者的疲勞程度[6]。若應(yīng)用F2的評定標(biāo)準(zhǔn)，判定作業(yè)者處于高工作負(fù)荷狀態(tài)，則F2要乘以修正因子β，一般為1.3。

疲勞等級與開始執(zhí)行駕駛作業(yè)前休息周期的時間安排相關(guān)，F(xiàn)3是度量休息充足與否對作業(yè)者疲勞程度的影響[5]。其計算公式為：

F3= ［ RSP(10+SD?8)/(20+0.5)］⑶式中：RSP—休息周期分值；t —休息周期的持續(xù)時間；T—休息周期的結(jié)束時刻，取值范圍為 [0，24]；SD —在休息之后工作的持續(xù)時間。

F4通過計量作業(yè)中需要保持持續(xù)注意力的時間來度量疲勞程度[5]。若在整個工作周期中，作業(yè)者只有部分時間需要保持注意力的持續(xù)集中，則F4的取值應(yīng)乘以比例系數(shù) γ，γ 為注意力持續(xù)時間/作業(yè)持續(xù)時間。

F5考察了輪班序列中不同班次的連續(xù)值乘導(dǎo)致的累積疲勞程度[5]。若連續(xù)的兩次輪班之間至少間隔30h可供作業(yè)者休息，則第二次輪班的累積疲勞值需減去 λ，通常取2。

2.3 疲勞風(fēng)險等級的評定

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型和各項參數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)，計算得到疲勞指數(shù)，用以判別特定輪班制度是否存在風(fēng)險隱患及相應(yīng)的風(fēng)險等級。量化的評定指標(biāo)如表1所示。

表1 風(fēng)險等級評定標(biāo)準(zhǔn)

3 司機輪班疲勞風(fēng)險實例分析

3.1 實例情況與評估方法

北京地鐵2號線經(jīng)過市中心的繁華地段，線路呈環(huán)狀并與多條線路換乘。2號線運輸量大、行車密度高、司機作業(yè)強度大，現(xiàn)行輪班制度為：四班三運轉(zhuǎn)27個位置，即分為A、B、C、D4個班組；白班、夜班、早班3個班次；每天有3個班組分別承擔(dān)白班、夜班、早班的運行任務(wù)，一組輪空，每個班次中有27個輪換崗位。夜班司機退勤后在機務(wù)段休息，次日清早執(zhí)行早班作業(yè)任務(wù)。根據(jù)現(xiàn)行輪班表，追蹤其中一組司機從上1位白班(第1運行位)到上27位白班(第79運行位)的整個輪乘過程，歷時105d，以此為周期進行輪班司機的疲勞風(fēng)險分析。

首先，采用疲勞指數(shù)方法對司機按照現(xiàn)行輪班表值乘的疲勞狀況進行評估；然后，對輪班司機進行生理癥狀測量，以閃光融合頻率(CFF)為評價指標(biāo)，評定司機輪乘后的疲勞癥狀程度；最后，將兩種方法的評估結(jié)果進行對比，分析北京地鐵2號線現(xiàn)行輪班表的安排是否存在風(fēng)險隱患，并識別存在運營風(fēng)險的運行位置。

3.2 疲勞指數(shù)評估

基于北京地鐵2號線現(xiàn)行運行時刻表，參照疲勞指數(shù)的計算準(zhǔn)則，得到輪班司機疲勞指數(shù)的評估結(jié)果，如圖1所示。在79個運行位置中承擔(dān)部分位置運營任務(wù)的司機疲勞程度較高。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個運行位置的司機其疲勞指數(shù)介于20～25，存在潛在的疲勞風(fēng)險；排在第64運行位的司機，其疲勞指數(shù)達(dá)到25，存在較高的疲勞風(fēng)險，由此可以確定北京地鐵2號線現(xiàn)行輪班表存在風(fēng)險隱患，對行車安全構(gòu)成威脅。

3.3 疲勞生理癥狀測試

為了解各運行位置司機的疲勞情況，選擇閃光融合頻率測試，測定地鐵司機輪乘后的疲勞生理癥狀。CFF作為一個比較可靠的疲勞測量的客觀指標(biāo)，原理是一個頻率較低的閃光刺激使人產(chǎn)生光的閃爍感，隨著閃光頻率不斷增加，閃爍感逐漸消失，最終演變成穩(wěn)定的光。人眼在正常情況下大約可以分辨出30～55Hz之間的閃爍燈光，隨著疲勞程度的加深，人眼對光刺激的敏感程度下降，CFF值降低[7]。因此，選用這種通過分辨燈光閃爍感變化的方法來度量司機的疲勞程度。

CFF測試的對照組選取按現(xiàn)行輪班表行車的79個運行位置的司機，共計158人次；實驗組選取通過疲勞指數(shù)方法，判別存在輪班疲勞風(fēng)險的20個運行位置的司機，共計40人次。實驗器材選用閃光融合頻率計。為了減少操作誤差對實驗的影響，每位司機分別在出勤前和退勤后各測試3次，取CFF的平均值。

通過 t 檢驗來論證兩組配對樣本的CFF均值是否具有顯著性差異，進而比較兩組司機完成駕駛作業(yè)后的疲勞程度差異，統(tǒng)計分析結(jié)果如表2所示。CFF數(shù)值普遍低于30，說明北京地鐵2號線現(xiàn)行的輪班作業(yè)安排導(dǎo)致司機群體存在一定程度的疲勞感。將3個班次司機的CFF均值進行橫向比較發(fā)現(xiàn)，夜班和早班司機的疲勞感均比白班司機強烈，早班司機的疲勞癥狀最甚。

通過將兩組配對樣本進行白班出勤、白班退勤、夜班出勤、夜班退勤、早班出勤、早班退勤6個時段的CFF均值進行 t 檢驗得知，實驗組司機的閃光融合頻率值均顯著低于對照組司機(P＜0.05)。CFF值的降低表明疲勞癥狀加劇，CFF值越低，疲勞程度越高。由此推定實驗組司機的疲勞程度顯著高于對照組司機，說明實驗組司機執(zhí)行其相應(yīng)運行位置的運營任務(wù)勢必會導(dǎo)致駕駛疲勞。

表2 兩組配對樣本CFF值統(tǒng)計表

3.4 實驗結(jié)果對比分析

將疲勞指數(shù)評估結(jié)果與CFF測試結(jié)果進行對比，兩者較為符合，均表明在北京地鐵2號線現(xiàn)行輪班作業(yè)中執(zhí)行部分運行位置運營任務(wù)的司機在值乘后疲勞程度顯著增加，說明現(xiàn)行輪班表安排不盡合理，高行車密度造成司機駕駛疲勞的產(chǎn)生，既危害司機的身心健康，同時也存在一定的安全行車風(fēng)險。

通過分析，為有效防止輪班司機過度疲勞，降低輪班制度的副作用，提高行車安全保障，需要對地鐵現(xiàn)行輪班表作適當(dāng)調(diào)整，主要遵循以下原則。

（1）作業(yè)的持續(xù)時間要限定在合理的范圍內(nèi)，白班以8h工作制為宜，縮短夜班和早班的作業(yè)時長。

（2）推行快速輪班制，以3～4d為周期調(diào)整輪班計劃。

（3）從一種班次輪換到另一種班次之間的間隔時間不宜過短，至少相隔12h。

（4）遵循人體的生物節(jié)律，將連續(xù)值乘的夜班次數(shù)限制在2～3次，且連續(xù)的夜班值乘之間至少間隔16h。

（5）合理安排休息時間，司機在白天每連續(xù)駕駛2h后至少休息15min；在夜間每連續(xù)駕駛1h后至少休息15min。

（6）經(jīng)過兩周固定班次的連續(xù)作業(yè)后，至少給司機提供48h 的恢復(fù)時間，對于夜班司機和早班司機要延長其恢復(fù)時間。

4 結(jié)束語

通過闡述地鐵司機輪班系統(tǒng)諸多因素對于疲勞的影響，以及疲勞指數(shù)的確定準(zhǔn)則，應(yīng)用疲勞指數(shù)的方法對列車司機輪班疲勞風(fēng)險進行分析，并采用閃光融合頻率測試的方式對疲勞指數(shù)方法的評估結(jié)果進行了驗證，兩種方法的評定結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性。

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