基于信息熵的安全標(biāo)識信息有效性評價模型

張奕瑩，蔣自杰，李 帆

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

安全標(biāo)識作為安全管理的重要措施，具有調(diào)動注意力和規(guī)范自身操作行為的作用，能直接給人們傳遞當(dāng)前環(huán)境中的危險信息，警示人們自覺地防范周圍存在的不安全因素，促使人們對威脅安全與健康的物體和環(huán)境盡快做出正確的反應(yīng)，從而減少或避免事故的發(fā)生。近年來，隨著社會各界逐漸認(rèn)識到安全標(biāo)識的重要性以及安全標(biāo)識應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，安全標(biāo)識的相關(guān)研究成為許多學(xué)者關(guān)注的焦點。如JIANG[1]指出有效可靠的安全標(biāo)識可以消除觀察者理解的不確定性，如果安全標(biāo)識的信息認(rèn)知模糊,就不能消除視認(rèn)者對周圍環(huán)境的不確定性，就不能有效地傳遞信息。目前研究多集中于安全標(biāo)識識別性的影響因素、安全標(biāo)識有效性的界定及評價，對于安全標(biāo)識信息認(rèn)知和評價方面的研究較少。

安全信息是近年來新提出的一種安全理論，是以安全科學(xué)和信息學(xué)為理論基礎(chǔ)，以保護(hù)人的身心安全健康為目的，反映安全領(lǐng)域中一切活動或事物產(chǎn)生、發(fā)展和變化所依賴的一種資源[2]。目前關(guān)于安全信息的研究多集中在安全信息的概念原理及安全信息認(rèn)知方面。如杜學(xué)勝等[3]探討了安全信息有效溝通對于增強(qiáng)安全文化的重要作用，分析了信息溝通的基本過程和基本形式。趙潮峰等[4]以安全信息的概念統(tǒng)一了人、物、環(huán)境、能量、管理等事故致因因素，提出了安全信息缺失的概念，構(gòu)建了安全信息缺失事故致因模型。吳超[5]以安全信息認(rèn)知過程為基礎(chǔ)，構(gòu)建了多事件多級信息傳播的安全信息認(rèn)知通用理論模型，揭示了復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)安全信息傳播的機(jī)理和故障模型。DRUPSTEEN等[6]研究了安全信息指引對于進(jìn)廠參觀人員應(yīng)急反應(yīng)的有效性。

從標(biāo)識信息量化的視角出發(fā)，大多研究集中在交通標(biāo)志方面，如LYU等[7]研究表明交通標(biāo)志信息量和駕駛員反應(yīng)時間隨著信息等級的增加而增加，表明駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷可以由交通標(biāo)志信息量控制。KAPLAN等[8]提出了安全感知、道路標(biāo)志信息和信息量與道路使用者可觀察和不可觀察特征之間的關(guān)系，認(rèn)為安全感知不僅與標(biāo)志的理解有關(guān)，還與信息量有關(guān)。胡立偉[9]提出了交通設(shè)施傳遞信息量、互信息量、信息熵等概念，從8類信息角度構(gòu)建了公路交通設(shè)施基本信息量計算模型，并對所構(gòu)建的模型進(jìn)行了實證分析。

在標(biāo)識信息有效性方面，陳沅江等[10]分析了交通標(biāo)志版面設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等環(huán)節(jié)中影響標(biāo)志有效性的因素，運用層次分析法建立交通標(biāo)志有效性評價指標(biāo)體系，并利用多級模糊評價方法分析了標(biāo)志的有效性。田水承等[11]從認(rèn)知煤礦安全標(biāo)志的6個階段出發(fā)，通過調(diào)查問卷等方法構(gòu)建了煤礦安全標(biāo)志有效性影響因素指標(biāo)體系。邵海鵬等[12]選取信息需求滿足度、信息關(guān)聯(lián)度、信息適量度、信息理解難易度等作為道路標(biāo)志信息有效性的量化指標(biāo)，建立了交叉口指路標(biāo)志信息有效性量化模型。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，充分考慮標(biāo)識信息的傳遞過程，將信息熵理論運用到安全標(biāo)識領(lǐng)域，對標(biāo)識認(rèn)知影響因素進(jìn)行量化，建立安全標(biāo)識信息有效性整體評價模型，最后對安全標(biāo)識信息傳遞效果進(jìn)行綜合性分析，擬為安全標(biāo)識的服務(wù)效果評價提供方法和借鑒。

1 安全標(biāo)識信息傳遞與認(rèn)知

安全標(biāo)識的目的是通過視覺將當(dāng)前系統(tǒng)或作業(yè)環(huán)境中的危險信息或有害因素有效地傳達(dá)給進(jìn)入系統(tǒng)、環(huán)境中的人員，使其能夠?qū)Ξ?dāng)前系統(tǒng)、環(huán)境中的風(fēng)險因素準(zhǔn)確感知并合理判斷，采取正確的安全行為。因此，安全標(biāo)識的作用過程實質(zhì)上是一種信息的溝通與傳遞過程。WOGALTER等[13]深入分析了安全信息傳遞規(guī)律，將信息溝通理論的通用模型應(yīng)用于安全信息的傳遞與溝通中，建立了安全信息傳遞模型，如圖1所示。

圖1 安全信息傳遞模型

對于安全標(biāo)識而言，信息發(fā)送者是承載安全信息的源頭；信息媒介是安全信息的傳遞形式,主要設(shè)計因素包括形狀、圖像、顏色、字符等；信息內(nèi)容是標(biāo)識中所傳遞的不安全因素和行為干預(yù)信息；信息接收者是當(dāng)前安全標(biāo)識環(huán)境中的目標(biāo)人群。其中，信息接收者的認(rèn)知是一個多階段的過程，包括發(fā)現(xiàn)、識別、認(rèn)讀、理解和反應(yīng)，任一階段都會影響安全標(biāo)識的有效性。LAUGHERY[14]認(rèn)為影響安全標(biāo)識信息傳遞有效性的主要因素為標(biāo)識的設(shè)計特征、目標(biāo)受眾的特征及工作氛圍的遵從成本。袁京鵬[15]綜合安全標(biāo)志的理論模型和研究成果，認(rèn)為影響安全標(biāo)志有效性的因素包括安全標(biāo)識本身特征、個體特征、情景因素和安全氛圍4個方面。筆者綜合已有研究成果，建立了安全標(biāo)識信息認(rèn)知影響框架，如圖2所示。

圖2 安全標(biāo)識信息認(rèn)知影響框架

2 安全標(biāo)識影響因素量化

2.1 信息熵理論

1948年，SHANNON[16]將玻爾茲曼關(guān)于熵的概念引入信息論中，將熵作為一個隨機(jī)事件的不確定性的度量,解決了信息的量化問題。在信息論中，信息是對事物運動狀態(tài)或者存在方式的不確定性描述。事件出現(xiàn)的概率越小，不確定性越多，信息熵越大，反之則越小。一個系統(tǒng)越有序，信息熵就越小。信息熵的表達(dá)式為[17]：

(1)

式中：H(X)為某一事件中的信息量；n為各因素類型的總數(shù)；P(Xi)為第i個因素的發(fā)生概率。事件未發(fā)生時，理論上每種情況出現(xiàn)的概率相等，即Pi=1/n，i=1,2,…,n,此時信息熵達(dá)到最大值，即最大熵值Hmax為：

Hmax=lbn

(2)

由于信息熵可以衡量系統(tǒng)狀態(tài)的有序程度，因此將信息熵應(yīng)用于安全標(biāo)識領(lǐng)域來量化安全標(biāo)識信息的有效性。

2.2 影響因素量化

2.2.1 標(biāo)識版面設(shè)計

安全標(biāo)識的認(rèn)知過程中，標(biāo)識版面設(shè)計是基礎(chǔ)的影響因素。從安全標(biāo)識的設(shè)計原則來看，每個單詞、圖形或符號都是安全標(biāo)識的組成部分。根據(jù)《安全標(biāo)志及其使用導(dǎo)則》(GB 2894-2008)中的安全標(biāo)識設(shè)計特征，將標(biāo)識的設(shè)計因素分為5類。根據(jù)前文的認(rèn)知模型，定義安全標(biāo)識設(shè)計特征的信息熵為標(biāo)識設(shè)計熵。標(biāo)識設(shè)計熵的計算可以分為基于字符的數(shù)量和基于字符的含義兩種。筆者對安全標(biāo)識設(shè)計中各個字符子集出現(xiàn)概率的統(tǒng)計是基于字符的數(shù)量，具體如表1所示。標(biāo)識設(shè)計熵是各元素信息熵之和，如式(3)所示。

表1 安全標(biāo)識各元素概率(參考值)

(3)

2.2.2 個體認(rèn)知特征

目標(biāo)受眾特征也是影響安全標(biāo)識傳遞信息是否被獲取的重要因素之一。在標(biāo)識識別的過程中，目標(biāo)受眾的個體特征主要包括風(fēng)險感知能力和工作環(huán)境熟悉度。其中，風(fēng)險感知能力是人們對物體或環(huán)境中所存在危險的認(rèn)知能力，是是否會尋找和閱讀安全標(biāo)識的重要決定因素。相關(guān)研究表明，人們感知到的危險程度越高，就越有可能尋找和獲取安全標(biāo)識。因此，安全標(biāo)識識別過程中的個體認(rèn)知熵H2(X)為：

H2(X)=H21(X)+H22(X)

(4)

式中：H21(X)為風(fēng)險感知量化熵；H22(X)為環(huán)境熟悉量化熵。

風(fēng)險感知能力是個人的先天認(rèn)知能力，其發(fā)生概率取決于個人自身情況。根據(jù)不同的感知風(fēng)險程度，將風(fēng)險感知能力分為輕度感知能力、中度感知能力和高度感知能力，轉(zhuǎn)化為發(fā)生的概率，則分別為低概率感知、中概率感知和高概率感知。根據(jù)式(1)，可得風(fēng)險感知熵為：

H21(X=qi)=-P(qi)lbP(qi)

(5)

其中，P(qi)為個人的風(fēng)險感知概率，取值如表2所示。

表2 個人的風(fēng)險感知概率取值分布

工作環(huán)境熟悉度是指對相同或相似環(huán)境的體驗經(jīng)歷。在企業(yè)生產(chǎn)中，人員對工作環(huán)境的熟悉程度可以用其工作年限來衡量。通常來說，工作年限較長的員工對整個工作環(huán)境和工作設(shè)備的熟悉程度要高于新進(jìn)員工。故筆者采用工作年限來定義工作環(huán)境熟悉度。工作環(huán)境熟悉度可轉(zhuǎn)化為發(fā)生事件的概率，熟悉程度越高即事件發(fā)生的概率越大。根據(jù)式(1)，可以得到環(huán)境熟悉熵為：

H22(X=ki)=-P(ki)lbP(ki)

(6)

其中，P(ki)為工作環(huán)境熟悉度的概率，取值如表3所示。

表3 工作環(huán)境熟悉度的概率分布

2.2.3 外界環(huán)境水平

從視覺認(rèn)知角度來說，安全標(biāo)識場所照明應(yīng)該有足夠適宜的照度和照度分布均勻度，使得人員清晰地看到安全標(biāo)識，這是保證視覺信息傳達(dá)準(zhǔn)確性的前提。令人滿意的外部視覺環(huán)境可提供人們本能或有意識想接受的視覺信息，而不被其他不相關(guān)的信息干擾，較差的視覺環(huán)境會降低視覺認(rèn)知能力，讓人覺得不舒適，甚至做出錯誤判斷[18]。此外，安全標(biāo)識的設(shè)置位置應(yīng)該在物理上和時間上靠近危險，同時應(yīng)考慮到目標(biāo)受眾在進(jìn)行可能參與的活動或任務(wù)時能夠最大限度地觀察到安全標(biāo)識的可能性。結(jié)合兩方面外界影響因素，筆者對外界環(huán)境進(jìn)行量化，得到外界環(huán)境熵H3(X)為：

H3(X)=H31(X)+H32(X)

(7)

式中:H31(X)為視覺效能量化熵；H32(X)為標(biāo)識距離熵。

筆者將外部照明條件量化為視覺效能，不同的視覺效能會影響認(rèn)知者的標(biāo)識認(rèn)讀。視覺效能量化熵的表達(dá)式為：

H31(X=zi)=-P(zi)lbP(zi)

(8)

其中，P(zi)為視覺效能概率，根據(jù)《圖形符號安全色和安全標(biāo)志第4部分：安全標(biāo)志材料的色度屬性和光度屬性》(GB/T 2893.4-2013)中對安全標(biāo)識外部照明條件的規(guī)定，其概率分布如表4所示。

表4 視覺效能的概率分布

GB 2894-2008中對安全標(biāo)識設(shè)置的位置進(jìn)行了要求：“在實踐中，在安全標(biāo)志的最小安全觀察距離上，預(yù)期使用人群中能夠正確識別圖形符號要素的比例至少為85%”。因此筆者以標(biāo)識預(yù)期人群標(biāo)識比例來定義標(biāo)識距離熵：

H32(X=wi)=-P(wi)lbP(wi)

(9)

其中，P(wi)為預(yù)期人群正確識別圖形符號的比例，即該事件發(fā)生的概率。

2.2.4 安全氛圍

人們注意到并充分理解安全標(biāo)識后，也可能因為沒有足夠的動力去遵守，從而未采取安全行為。該動力可能來源于企業(yè)管理層的安全承諾、員工對安全的參與度、安全教育與培訓(xùn)、企業(yè)安全績效等因素，這些可統(tǒng)稱為安全氛圍。安全氛圍越好，則人員對安全工作的認(rèn)知程度越高，在準(zhǔn)確理解安全標(biāo)識后更容易遵守安全標(biāo)識。安全氛圍的量化多采用員工對測量維度量表的打分來表示[19]。根據(jù)信息熵公式，安全氛圍熵可表示為：

H4(X=ui)=-P(ui)lbP(ui)

(10)

其中，P(ui)為安全氛圍概率，可用安全氛圍測得的分值來衡量，總分為10分，其概率分布如表5所示。

表5 安全氛圍概率分布

3 安全標(biāo)識有效性模型

3.1 信息熵模型修正

基于信息熵的定義，結(jié)合安全標(biāo)識與視認(rèn)者之間的信息傳遞過程，評價安全標(biāo)識認(rèn)知效果存在以下原則。

(1)影響因素中，個體認(rèn)知特征、外界環(huán)境水平和安全氛圍的發(fā)生概率越大，則安全標(biāo)識信息的視認(rèn)有效性越高。

(2)熵值越小，確定概率事件發(fā)生所需信息量越少，就越能夠確定系統(tǒng)所處的有序狀態(tài)。因此信息熵計算出的熵值越小，表明系統(tǒng)越穩(wěn)定有序，即安全標(biāo)識的有效性越高。

基于上述原則， 個體認(rèn)知特征、外界環(huán)境水平和安全氛圍的發(fā)生概率P(X)均應(yīng)與熵值H(X)負(fù)相關(guān)。但當(dāng)P(X)∈[0,1/e]時，P(X)與H(X)正相關(guān)，因此對式(5)、式(6)、式(8)和式(9)進(jìn)行修正，以保證各影響因素隨機(jī)事件的發(fā)生概率P(X)與熵值H(X)負(fù)相關(guān)。

熵函數(shù)修正前后的圖像如圖3所示。修正后的計算公式如式(11)所示。

(11)

經(jīng)過修正，熵函數(shù)H(X)與指標(biāo)的判定概率P(X)負(fù)相關(guān)，符合量化邏輯，且修正后的最大熵函數(shù)值為1.06。

圖3 熵函數(shù)修正前后的圖像

3.2 信息有效性模型構(gòu)建

根據(jù)信息熵理論，綜合考慮安全標(biāo)識信息傳遞過程中的影響因素，計算特定的工作人員與工作環(huán)境下安全標(biāo)識傳遞的總信息熵Hx為：

Hx=H1+H2+H3+H4

(12)

在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的安全標(biāo)識和工作場所，實際傳遞效果會變得更加復(fù)雜，所以單純地利用信息熵反映安全標(biāo)識信息有效性缺乏參照和可比性。因此，在信息熵理論基礎(chǔ)上，提出安全標(biāo)識傳遞效能η的概念，其定義式為：

η=1-Hx/Hmax

(13)

其中，Hx/Hmax為安全標(biāo)識信息熵與其最大熵[20]之比，反映了安全標(biāo)識認(rèn)知過程的無序程度，因此η反映了安全標(biāo)識信息認(rèn)知的有序度，即安全標(biāo)識信息有效性，0≤η≤1，η取值越大表征安全標(biāo)識信息的有效性越高。

3.3 安全標(biāo)識信息有效性計算與分析

筆者利用構(gòu)建的安全標(biāo)識信息有效性量化模型，對兩個不同的工作場景中的安全標(biāo)識有效性進(jìn)行計算與分析。

首先對兩個安全標(biāo)識認(rèn)知場景進(jìn)行假設(shè)，具體如表6所示?；诩僭O(shè)參數(shù)，分別對兩個場景中視認(rèn)者獲取的安全標(biāo)識信息進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表7所示。

根據(jù)安全標(biāo)識信息各影響因素熵值的計算結(jié)果可以看出：

(1)安全標(biāo)識“必須穿防護(hù)服”的標(biāo)識設(shè)計熵為1.17 bit，高于標(biāo)識“禁止吸煙”的標(biāo)識設(shè)計熵。主要原因是該標(biāo)識設(shè)計的單詞較多，傳遞的信息量較大，因此在視認(rèn)過程中視認(rèn)者對標(biāo)識理解相對較困難，這也是導(dǎo)致該安全標(biāo)識信息效能較低的原因之一。

表6 安全標(biāo)識場景參數(shù)

表7 安全標(biāo)識信息有效性計算結(jié)果

(2)場景一中視認(rèn)者風(fēng)險感知為0.6，該個體的風(fēng)險感知能力相對場景二中的視認(rèn)者較高，同時對該工作場所環(huán)境的熟悉度為0.8，較為熟悉，因此場景一中的個體認(rèn)知熵為0.70 bit，低于場景二的個體認(rèn)知熵(1.10 bit)，表明場景一的視認(rèn)者更容易尋找安全標(biāo)識并感知到安全標(biāo)識所傳遞的風(fēng)險，有助于提高安全標(biāo)識傳遞的效能。

(3)場景一的外界環(huán)境熵為0.64 bit，低于場景二的外界環(huán)境熵(0.84 bit)，表明相對場景二來說，場景一中安全標(biāo)識設(shè)置環(huán)境的光照條件和設(shè)置位置較好，視認(rèn)者更容易看清安全標(biāo)識的信息內(nèi)容，有助于提高安全標(biāo)識傳遞的信息效能。

(4)場景一的安全氛圍熵為0.26 bit，低于場景二的安全氛圍熵(0.44 bit)，表明相較于場景二的視認(rèn)者來說，場景一的視認(rèn)者理解安全標(biāo)識信息后更有可能遵守安全標(biāo)識，即安全標(biāo)識所傳遞的信息更有效地影響了視認(rèn)者的行為。

4 結(jié)論

安全標(biāo)識的有效性是評價安全標(biāo)識設(shè)計和可用性的重要指標(biāo)。筆者利用信息學(xué)的研究成果，基于信息熵理論及安全標(biāo)識信息的認(rèn)知過程，根據(jù)相關(guān)研究中的安全標(biāo)識認(rèn)知影響因素，對標(biāo)識版面設(shè)計、個體認(rèn)知特征、外界環(huán)境水平和安全氛圍等因素進(jìn)行信息量化，建立了安全標(biāo)識信息有效性評價模型。

(1)案例結(jié)果表明，較之以往研究中對安全標(biāo)識信息有效性的定性分析，模型量化數(shù)據(jù)能更精確地表征視認(rèn)者對安全標(biāo)識信息的接收程度，更清晰直觀地反映了安全標(biāo)識設(shè)施整體的服務(wù)效果。

(2)通過對量化指標(biāo)的分析，可以判斷影響安全標(biāo)識信息有效性的主次因素，進(jìn)而為針對性地完善安全標(biāo)識設(shè)計與設(shè)置提供參考依據(jù)。

(3)筆者僅選取4個方面影響因素進(jìn)行量化分析，且對各個影響因素的量化過程考慮較為簡單，實際的量化考慮因素應(yīng)該更為復(fù)雜，可在后續(xù)研究中進(jìn)一步研究。