考慮認(rèn)知行為差異的乘員信息作業(yè)績效研究

傅斌賀， 劉維平， 聶俊峰， 劉西俠

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系， 北京 100072； 2.海軍大連艦艇學(xué)院 作戰(zhàn)軟件與仿真研究所， 遼寧 大連 116018)

0 引言

隨著裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)自動化水平的提高，乘員工作逐漸向以監(jiān)視、控制為主的信息作業(yè)轉(zhuǎn)變，由車輛性能和艙室環(huán)境引起的作業(yè)事故越來越少，而由乘員特性造成的作業(yè)失誤比例卻逐漸上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，裝甲裝備領(lǐng)域約70%的事故是由人的因素所致，其根源就在于乘員認(rèn)知能力的局限性，乘員認(rèn)知能力達(dá)不到作業(yè)績效要求，導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)失敗[1]。因此，考慮認(rèn)知行為差異的乘員信息作業(yè)績效研究，對提高裝甲車輛作業(yè)效率和作戰(zhàn)效能都具有重要意義。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究主要圍繞認(rèn)知行為模型在作業(yè)績效中的應(yīng)用進(jìn)行。薛紅軍等[2]運(yùn)用自適應(yīng)控制系統(tǒng)(ACT-R)認(rèn)知架構(gòu)對民機(jī)飛行員駕駛技能獲得、提取和運(yùn)用的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行建模，以此預(yù)測飛行員作業(yè)績效，并通過“飛行員告警信息處理”試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。陳為等[3]采用排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)(QN-ACTR)認(rèn)知模型框架構(gòu)建了手控交會對接任務(wù)的認(rèn)知行為模型，并對模型有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，為精細(xì)追蹤類監(jiān)控任務(wù)的作業(yè)績效研究提供了參考。張紹堯等[4]構(gòu)建了人控交會對接任務(wù)的認(rèn)知集成模型，實(shí)現(xiàn)了感知、決策和控制3個(gè)認(rèn)知過程，并采用3種績效數(shù)據(jù)對被試與模型進(jìn)行了比較分析。Byrne[5]基于ACT-R構(gòu)建了操作人員認(rèn)知行為模型，并在菜單操作績效預(yù)測評估中進(jìn)行了應(yīng)用研究。Nan等[6]采用認(rèn)知可靠性和失誤分析方法(CREAM)提出了基于Agent的認(rèn)知行為分層模型，從認(rèn)知失誤的角度對操作員績效進(jìn)行建模。Cao等[7]提出了QN-ACTR認(rèn)知行為建模方法，并考慮駕駛經(jīng)驗(yàn)對汽車駕駛員橫向控制績效進(jìn)行了對比分析。張國輝等[8]采用雙層Soar框架構(gòu)建了數(shù)字化士兵認(rèn)知行為模型，并基于作業(yè)績效與其他建模方法進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的有效性。Salvucci[9]在認(rèn)知建模以往研究的基礎(chǔ)上，定義了表征駕駛領(lǐng)域知識的產(chǎn)生式，模擬了駕駛行為績效。Wu[10]在探討人的績效建模的未來研究方向時(shí)，提出了將人的績效建模與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相結(jié)合的方法，即將人的認(rèn)知行為數(shù)據(jù)用于人的績效建模。

綜上所述，以往的研究雖然取得了一定成果，但主要集中在認(rèn)知行為自身建模的研究上，缺乏認(rèn)知能力與作業(yè)績效之間相關(guān)關(guān)系和內(nèi)部影響規(guī)律的研究，忽視了人的行為能力上的差異。因此，本文針對以往研究存在的問題，提出一種融合通道維度的認(rèn)知行為建模方法，并基于作業(yè)績效預(yù)測技術(shù)對不同認(rèn)知能力乘員的作業(yè)績效進(jìn)行對比分析，得出了相關(guān)規(guī)律。

1 融合通道維度的認(rèn)知行為建模

1.1 多資源理論

Wickens等[11]以資源容量的觀點(diǎn)描述認(rèn)知行為，認(rèn)為人具有一組性質(zhì)類似、功能有限且容量一定的認(rèn)知資源。隨著作業(yè)要求的增大，完成作業(yè)所需的資源量也相應(yīng)增加。當(dāng)任務(wù)難度增加或多個(gè)任務(wù)發(fā)生資源競爭而導(dǎo)致資源短缺時(shí)，系統(tǒng)績效將下降[11]。認(rèn)知資源與績效關(guān)系如圖1所示。

圖1 認(rèn)知資源與績效關(guān)系圖Fig.1 Relationship of cognitive resource and performance

多資源理論(MRT)是解釋多任務(wù)之間資源分配的理論，其基本表述為：乘員的信息處理源通常分為視覺(V)、聽覺(A)、認(rèn)知(C)和動作(P)4個(gè)通道維度，任何作業(yè)都可由這4個(gè)通道維度下的28種行為要素構(gòu)成，如表1所示。

表1 MRT行為要素表

1.2 認(rèn)知行為建模過程

認(rèn)知行為任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)建模方法是一種對乘員認(rèn)知過程進(jìn)行時(shí)間序列建模并加以控制的計(jì)劃管理技術(shù)[12]，其基本表達(dá)形式為任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)圖，是一種由帶箭頭直線和節(jié)點(diǎn)組成的有向、有序網(wǎng)狀圖形。無論各行為要素之間的關(guān)系有多復(fù)雜，都可以將其逐級分解[1]。本文基于多資源理論對任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)建模方法進(jìn)行擴(kuò)展，建立融合通道維度的任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)模型。該方法將作業(yè)操作與信息通道有機(jī)結(jié)合，可以清楚地表達(dá)各行為要素之間的相互關(guān)系，直觀體現(xiàn)各通道的認(rèn)知資源情況。

裝甲車輛乘員按照任務(wù)職責(zé)可以分為駕駛員、車長和炮長，其信息作業(yè)是指依托裝甲車輛車載顯控終端和通訊電臺進(jìn)行的監(jiān)視和操控任務(wù)。執(zhí)行任務(wù)的過程如下：首先，裝甲車輛乘員通過感覺器官(視覺、聽覺)接收顯控終端和通訊電臺信息，并將信息進(jìn)行短期存儲；然后，綜合多種感知，調(diào)用短時(shí)記憶和工作記憶對信息進(jìn)行知覺加工，并做出決策；最后，乘員根據(jù)決策結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)動作，實(shí)現(xiàn)信息輸出。該過程反復(fù)執(zhí)行，即可完成信息作業(yè)?？紤]到乘員信息作業(yè)的單元性和連續(xù)性，參考MRT行為要素表編制乘員信息作業(yè)基本操作單元的行為要素表，如表2所示。其中：V、A、C、P分別表示各信息通道，V、A通道對應(yīng)乘員信息作業(yè)的感知模塊，C通道對應(yīng)決策模塊，P通道對應(yīng)執(zhí)行模塊；V1、V2、V3、 V4、A1、C1、C2、C3、C4、P1、P2分別表示各行為要素。

表2 信息作業(yè)行為要素明細(xì)表

構(gòu)建融合通道維度的乘員信息作業(yè)認(rèn)知行為任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Task-network model

1.3 乘員認(rèn)知能力水平劃分

乘員信息作業(yè)認(rèn)知過程表現(xiàn)為一系列階段，每一階段的功能在于信息傳遞：感覺將注意力轉(zhuǎn)移到處理對象上，知覺通過記憶系統(tǒng)對處理對象進(jìn)行識別、判斷和定位，執(zhí)行是對處理對象的最終反應(yīng)，其中注意力資源參與整個(gè)信息處理的全過程[13]。因此，乘員認(rèn)知行為形成因子主要包括記憶能力、反應(yīng)能力和注意能力3個(gè)方面，如圖3所示。

圖3 乘員認(rèn)知能力水平評價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation indicator system of crew’s cognitive ability

信息作業(yè)認(rèn)知能力水平劃分是作業(yè)績效研究的前提，其劃分結(jié)果直接決定了模型的有效性。認(rèn)知能力水平劃分由4個(gè)部分組成，分別為：

1)評價(jià)指標(biāo)集構(gòu)建。將評價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，構(gòu)建認(rèn)知能力水平評價(jià)指標(biāo)集：

X={x1，x2，…，xi，…，x6}，

(1)

式中：X為指標(biāo)集；xi(i=1，2，3，4，5，6)為各評價(jià)指標(biāo)，x1、x2、x3、x4、x5、x6分別為短時(shí)記憶能力、工作記憶能力、選擇反應(yīng)能力、辨別反應(yīng)能力、注意集中能力和注意分配能力。

2)數(shù)據(jù)采集及處理。針對各評價(jià)指標(biāo)分別設(shè)計(jì)認(rèn)知能力測試實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下歸一化處理：

(2)

式中：xij為第i個(gè)指標(biāo)第j次測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，j=1，…，q為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)目，一般取q≥10；yi為歸一化處理后的指標(biāo)數(shù)據(jù)值，yi∈[0,1].

3)指標(biāo)權(quán)重集構(gòu)建。指標(biāo)權(quán)重集一般采用層次分析法通過重要程度兩兩比較來構(gòu)建。假設(shè)指標(biāo)集X對應(yīng)的權(quán)重集為

ω={s1，s2，…，si，…，s6}，

(3)

4)評價(jià)結(jié)果綜合。各乘員認(rèn)知能力的得分為

(4)

5)對各乘員認(rèn)知能力評價(jià)結(jié)果進(jìn)行聚類分析[14]，劃分認(rèn)知能力水平。

2 考慮認(rèn)知行為差異的作業(yè)績效預(yù)測模型

2.1 模型假設(shè)

結(jié)合乘員信息作業(yè)認(rèn)知行為特點(diǎn)，建立以下基本假設(shè)：

假設(shè)1乘員對信息終端按鍵的操縱為觸點(diǎn)操作，且手指點(diǎn)與按鍵之間的距離一定。

假設(shè)2乘員對目標(biāo)信息的編碼與搜索并行。

假設(shè)3乘員目標(biāo)搜索規(guī)律服從Hick-Hyman定律[15]，反應(yīng)執(zhí)行的觸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律服從Fitts定律[16]。

假設(shè)4乘員認(rèn)知行為差異主要體現(xiàn)在目標(biāo)搜索定位績效和反應(yīng)執(zhí)行績效上。

2.2 作業(yè)績效預(yù)測模型構(gòu)建

依據(jù)乘員信息作業(yè)認(rèn)知行為模型，確定裝甲車輛乘員信息作業(yè)的基本操作單元認(rèn)知行為順序，如圖4所示。

圖4 乘員信息作業(yè)認(rèn)知行為順序示意圖Fig.4 Cognitive behavior sequence of information operation

由圖4可以看出，乘員信息作業(yè)行為由注意轉(zhuǎn)移、知覺加工、目標(biāo)搜索定位和按鍵反應(yīng)執(zhí)行4個(gè)基本過程組成。因此，構(gòu)建考慮認(rèn)知行為差異的績效預(yù)測模型為

T=aTV1(TA1)+bTC2+cTV3+dTP4，

(5)

式中：T為乘員信息作業(yè)時(shí)間；TV1為目標(biāo)視覺呈現(xiàn)方式時(shí)乘員的注意轉(zhuǎn)移時(shí)間；TA1為目標(biāo)聽覺呈現(xiàn)方式時(shí)乘員的注意轉(zhuǎn)移時(shí)間；TC2為知覺加工時(shí)間；TV3為目標(biāo)搜索定位時(shí)間；TP4為按鍵反應(yīng)執(zhí)行時(shí)間；a、b、c、d為作業(yè)復(fù)雜程度參數(shù)。

2.3 模型參數(shù)辨識

按照參數(shù)類型，選擇如下3種方法進(jìn)行辨識：

1)TV1、TA1、TC2為通用類參數(shù)，與作業(yè)類型和復(fù)雜程度無關(guān)，參考一般數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識。

2)TV3、TP4為實(shí)驗(yàn)類參數(shù)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)定律進(jìn)行辨識：

TV3通過Hick-Hyman定律進(jìn)行辨識，即

TV3=e+flb(n+1)，

(6)

式中：e、f為常數(shù)；n為選擇按鍵的數(shù)目；lb(x)表示log2x，即以2為底的對數(shù)。

TP4通過Fitts定律進(jìn)行辨識，即

TP4=g+hlb(D/W+1)，

(7)

式中：g、h為常數(shù)；D為按鍵到手部位置的距離；W為按鍵的有效寬度。

3)a、b、c、d為設(shè)置類參數(shù)，依據(jù)乘員特殊作業(yè)條件和實(shí)際操作設(shè)置進(jìn)行辨識。

2.4 模型驗(yàn)證

基于乘員信息作業(yè)模擬終端進(jìn)行績效測試實(shí)驗(yàn)，以作業(yè)時(shí)間為驗(yàn)證指標(biāo)，利用誤差分析法對信息作業(yè)績效預(yù)測模型的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行客觀定量驗(yàn)證。

3 乘員信息作業(yè)績效預(yù)測與分析

3.1 初始參數(shù)設(shè)置

目標(biāo)錄入作業(yè)是指乘員發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后識別、判斷目標(biāo)的屬性信息，基于車載顯控終端錄入上報(bào)的過程，要求乘員錄入信息快速、準(zhǔn)確，是裝甲車輛乘員最常用的信息作業(yè)之一，貫穿作戰(zhàn)任務(wù)始終，具有典型性、敏感性等特點(diǎn)。本文以目標(biāo)錄入作業(yè)為研究對象，以某型主戰(zhàn)坦克車載信息模擬終端為平臺，對不同認(rèn)知能力乘員作業(yè)績效進(jìn)行研究，系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)置如表3所示。

目標(biāo)信息的內(nèi)容選定為：目標(biāo)類型(輸送車)、目標(biāo)數(shù)量(2輛)、目標(biāo)方位(南方)、目標(biāo)速度(36 km/h)。

表3 初始參數(shù)設(shè)置情況

3.2 作業(yè)績效預(yù)測模型

乘員認(rèn)知能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本由55名具有專業(yè)等級乘員的認(rèn)知能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成，指標(biāo)權(quán)重集為ω={0.25, 0.25, 0.15, 0.15, 0.10, 0.10}，采用K-均值法進(jìn)行聚類分析，并用Silhouette法對聚類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，從中可以看出聚類結(jié)果合理(Silhouette最大值>0.6)，差異性顯著。因此，可將該數(shù)據(jù)樣本的乘員認(rèn)知能力劃分為3個(gè)等級，分別對應(yīng)優(yōu)秀組(1級)、一般組(2級)和低下組(3級)3個(gè)水平，每組各分布乘員14名、26名、15名。

圖5 乘員認(rèn)知能力聚類分析結(jié)果Fig.5 Cluster analysis of crew’s cognitive ability

3.2.1 作業(yè)績效預(yù)測模型構(gòu)建

由假設(shè)4可知，不同認(rèn)知能力乘員的通用類參數(shù)[17]和設(shè)置類參數(shù)辨識結(jié)果為：TV1=85 ms，TA1=85 ms，TC2=106 ms；a=7，b=10，c=8，d=13. 實(shí)驗(yàn)類參數(shù)辨識結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)類參數(shù)辨識結(jié)果

3.2.2 作業(yè)績效預(yù)測模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證作業(yè)績效預(yù)測模型的合理性和準(zhǔn)確性，從不同認(rèn)知能力組中各隨機(jī)選取10名被試在模擬終端上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，每組共進(jìn)行5×10=50次實(shí)驗(yàn)。

通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不同認(rèn)知能力組中目標(biāo)錄入實(shí)驗(yàn)正確的次數(shù)分別為44次、41次、39次，各組操作的失誤率分別為12%、18%、22%，逐一提取每名被試的作業(yè)績效數(shù)據(jù)，得到各數(shù)據(jù)分布情況如圖6所示。

圖6 乘員作業(yè)績效數(shù)據(jù)分布情況Fig.6 Distribution of crew’s operation performance data

進(jìn)而得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比情況，如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由圖6和表5可以看出，各認(rèn)知能力組實(shí)驗(yàn)均值與預(yù)測值很接近，Vσ較小(0.014、0.013、0.010)，預(yù)測誤差為(-0.001,0.009)。表明乘員信息作業(yè)績效預(yù)測模型是有效的，且準(zhǔn)確性較好。

3.3 結(jié)果對比分析

由表5可以看出，各認(rèn)知能力組(優(yōu)秀組、一般組、低下組)乘員的信息作業(yè)時(shí)間呈遞增趨勢(8 309.23 ms、9 212.65 ms、10 624.43 ms)，操作錯(cuò)誤率也呈遞增趨勢(12%、18%、22%)，各認(rèn)知能力組乘員的作業(yè)績效由優(yōu)到劣排序?yàn)椋簝?yōu)秀組>一般組>低下組，從側(cè)面反映出認(rèn)知能力越高的乘員，其信息作業(yè)績效往往也越好。

為進(jìn)一步揭示認(rèn)知能力與信息作業(yè)績效之間的內(nèi)在關(guān)系，對各認(rèn)知能力組作業(yè)績效進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，對認(rèn)知能力等級與信息作業(yè)績效進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果如表6所示。

表6 乘員作業(yè)績效數(shù)據(jù)分析結(jié)果

注：*表示差異顯著，P<0.05.

由表6可以看出，各認(rèn)知能力組作業(yè)績效兩兩之間均存在顯著性差異(P<0.05)，表明各認(rèn)知能力組乘員作業(yè)績效均值和標(biāo)準(zhǔn)差的排序不僅表現(xiàn)在數(shù)值的大小上，還存在著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，績效預(yù)測模型能夠有效甄別不同認(rèn)知能力水平乘員的作業(yè)績效差異。同時(shí)可以看出，乘員認(rèn)知能力水平等級(1級、2級、3級)與信息作業(yè)績效之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，r=0.980.

究其原因，由MRT可知，乘員信息作業(yè)過程是一個(gè)涉及注意、識別、記憶以及情緒動機(jī)等多方面要素的復(fù)雜心理過程，其作業(yè)績效高度依賴于認(rèn)知資源的合理分配。因?yàn)檎J(rèn)知資源具有明顯的有限性和共用性，認(rèn)知資源需要選擇性的分配給各個(gè)信息通道，所以認(rèn)知能力越高的乘員認(rèn)知資源分配合理，信息處理更快，信息記憶更準(zhǔn)，信息作業(yè)績效也就越好，反之認(rèn)知能力較低的乘員認(rèn)知資源分配不合理，信息處理更慢，錯(cuò)誤率更高，作業(yè)績效也就較差。

由于優(yōu)秀的認(rèn)知能力對提高乘員信息作業(yè)績效具有顯著作用，建議在裝甲車輛乘員選拔中應(yīng)該大范圍開展認(rèn)知能力測評，全面掌握乘員的認(rèn)知能力狀態(tài)，選拔出在認(rèn)知能力上具有優(yōu)勢的乘員，并對其進(jìn)行針對性訓(xùn)練和任務(wù)分工，不僅可以提高乘員作業(yè)績效，而且可以節(jié)省訓(xùn)練資源、縮短培訓(xùn)時(shí)間，對提高作業(yè)能力具有重要意義。

4 結(jié)論

本文貢獻(xiàn)及主要結(jié)論如下：

1)基于任務(wù)- 網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，構(gòu)建了融合通道維度的乘員信息作業(yè)認(rèn)知行為模型，能夠清楚表達(dá)乘員信息作業(yè)的行為要素相互關(guān)系和認(rèn)知資源分配情況，為乘員信息作業(yè)績效預(yù)測模型的構(gòu)建提供理論依據(jù)。

2)構(gòu)建了乘員信息作業(yè)績效預(yù)測模型，并進(jìn)行了定量驗(yàn)證，模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。模型充分考慮了乘員的認(rèn)知行為差異，能夠有效甄別不同認(rèn)知能力水平乘員的作業(yè)績效差異，提高了模型的有效性和適用性。

3)乘員認(rèn)知能力與信息作業(yè)績效呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，認(rèn)知行為差異對信息作業(yè)績效具有顯著影響。建議裝甲車輛乘員選拔應(yīng)結(jié)合認(rèn)知能力測評，并進(jìn)行針對性訓(xùn)練和任務(wù)分工，可以提高乘員作業(yè)績效，節(jié)約訓(xùn)練資源。