數(shù)字化核電廠界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷及注意力影響研究

蔣建軍，席釕姿，楊 丹，肖智鴻，左 婷，鐘潔美，歐陽娟，賴炳城，周雨擎(湖南工學(xué)院 人因與安全工程研究院，湖南 衡陽 400)

數(shù)字化系統(tǒng)人機界面交互中，主要涉及兩類任務(wù)，即第一類任務(wù)和界面管理任務(wù)(也稱第二類任務(wù))，界面管理任務(wù)支持和輔助第一類任務(wù)的完成，是操縱員執(zhí)行過程必不可少的環(huán)節(jié)。第一類任務(wù)主要是完成對電廠狀態(tài)的監(jiān)控和評估，界面管理任務(wù)主要為主任務(wù)提供更加快捷、方便的方式，主要包括：配置，導(dǎo)航，安排，詢問等。

與人機界面相比，界面管理任務(wù)研究成果不多。1986年，EMBREY D E.SHERPA首次發(fā)現(xiàn)界面管理任務(wù)占據(jù)操縱人員注意力，對第一類任務(wù)績效有影響，且在高負荷情況下，操縱員執(zhí)行界面管理任務(wù)的績效較差，為界面管理任務(wù)對操縱員影響的研究奠定了基礎(chǔ)[1]。在此基礎(chǔ)上，John M.O’ Hara等報告了界面管理任務(wù)對操縱員的影響，提出界面管理任務(wù)降低了操縱員執(zhí)行第一類任務(wù)的績效，建立了人機交互過程中人機界面改善方法，為界面管理任務(wù)特征研究、對操縱員的影響方式、失誤方式、影響因子體系、認知過程、交互過程優(yōu)化等奠定了研究方向和理論基礎(chǔ)[2]。張力等基于國內(nèi)某數(shù)字化核電廠全范圍模擬機上操縱員的操作錄像視頻，分析了核電廠數(shù)字化主控室界面管理任務(wù)特征，為界面管理任務(wù)特征研究提供了方法指導(dǎo)[3]。戴立操等從監(jiān)視檢測、狀態(tài)評估、計劃響應(yīng)、計劃執(zhí)行四種主要的認知行為中分析了界面管理任務(wù)對操縱員的影響，提出了相應(yīng)的人誤措施，為界面管理任務(wù)下操縱員認知過程影響因子體系研究提供了基礎(chǔ)[4]。甘文娟等研究了界面管理任務(wù)復(fù)雜度對數(shù)字化核電廠操縱員作業(yè)績效的影響，提出了在無時間壓力和低時間壓力水平下，完成不同復(fù)雜度的界面管理任務(wù)的平均執(zhí)行時間具有顯著差異，完成不同復(fù)雜度的界面管理任務(wù)的失誤率雖有所不同，但并無顯著性差異，為界面管理任務(wù)對操縱員影響的因素研究提供研究基礎(chǔ)和思路[5]。顧玲玲等在分析第一類任務(wù)、界面管理任務(wù)兩者關(guān)系的基礎(chǔ)上詳細闡述了界面管理任務(wù)對操縱員的影響以及可能引發(fā)的失誤，并針對影響和失誤，從認知心理學(xué)角度提出改善措施，為核電站安全提供一定的建議[6]。

上述研究從界面管理任務(wù)特征、對操縱員的影響、對作業(yè)績效的影響、對第一類任務(wù)的影響等方面開展了研究，為界面管理任務(wù)后續(xù)研究打下基礎(chǔ)，為界面管理任務(wù)執(zhí)行策略、績效改善提供指導(dǎo)。本文在此基礎(chǔ)上，深入探討核電廠界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷及注意力資源的影響，為人機界面設(shè)計的改進、人機交互策略改善提供幫助，為提高交互的可靠性，減少人因失誤提供理論依據(jù)。

一 概念描述及指標定義

NUREG/CR-6690指出，界面管理任務(wù)降低了第一類任務(wù)績效，增加了操縱員的負擔(dān)。為進一步研究界面管理任務(wù)對操縱員的影響，本文從心理負荷、注意力兩個角度探討對操縱員影響的情況。

心理負荷(Mental Workload，MW)在一些文獻中被稱為腦力負荷、精神負荷或認知負荷等，它是一個與體力負荷相對應(yīng)的概念，目前國內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的定義。Rouse等認為，心理負荷不僅與任務(wù)有關(guān)，也與個體有關(guān)，一樣的工作任務(wù)，工作者感到的心理負荷并不一樣，個體能力、工作動機、工作策略、工作情緒以及工作者的狀態(tài)等都可影響該工作者的心理負荷大小[7]。有文獻將心理負荷定義為工作者用于執(zhí)行特定任務(wù)時使用的那部分信息處理能力[8]。注意力是指由注意產(chǎn)生的認知資源，注意力分配通常是為了預(yù)測在某個特殊領(lǐng)域或者某個特殊任務(wù)上的注意力[9]。本文主要探討界面管理任務(wù)對心理負荷及注意力資源的影響情況。

對心理負荷評價，國內(nèi)外經(jīng)常采用的方法主要有主觀測量法、生理測量法和任務(wù)測量法。本文基于NASA-TLX主觀評價法，對界面管理任務(wù)下操縱員心理負荷進行分析。根據(jù)相關(guān)研究[8，10]，本文心理負荷評價因子設(shè)為：任務(wù)難度、腦力需求、體力需求、緊張度、努力程度、疲勞程度。界面管理任務(wù)下注意力資源影響因素的確定是研究的基礎(chǔ)，起著重要的作用。從界面管理任務(wù)下注意力資源分配對操縱員影響方面考慮，本文綜合相關(guān)資料[11-13]，擬考慮注意力影響因素有：二類任務(wù)對注意力的消耗程度、二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度、心理壓力、緊張度、操作負荷、疲勞度、腦力負荷。

從上述描述可獲得界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷、注意力影響的因素，如表1。

表1 核電廠界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷及注意力影響的因子

二 數(shù)字化核電廠界面管理任務(wù)對操縱員的心理負荷及注意力影響分析

心理負荷及注意力影響因素采用5級評分法，分值為1～5分，分值越高代表影響因子對操縱員影響越大。采用等級計分法，1=無影響，2=有很小影響，3=影響一般，4=有較大影響，5=有很大影響。

為反映變化過程，選取任務(wù)復(fù)雜性為自變量，本文任務(wù)復(fù)雜性分為3個等級，1=不復(fù)雜，2=一般，3=復(fù)雜。根據(jù)相關(guān)研究[14]，任務(wù)復(fù)雜性指操縱員在執(zhí)行任務(wù)時，所需的不同認知要求所顯現(xiàn)的認知任務(wù)特征，主要表征為注意力、記憶力、推理、信息加工、決策等的復(fù)雜程度。界面管理任務(wù)“不復(fù)雜”，指基本不需要操縱員的記憶力、推理、信息加工，依賴操縱員的經(jīng)驗就能完成的任務(wù)。界面管理任務(wù)“一般”，指操縱員完成任務(wù)過程受一些規(guī)則影響和支配，主要包括判斷或行動，不需要很多注意力、推理或決策等。界面管理任務(wù)“復(fù)雜”，指操縱員需要更多的注意力、推理、信息加工或決策，任務(wù)完成需要根據(jù)當前情況動態(tài)做出判斷、決策，基本上沒有完全一致的范式可用。

(一)分析目的

1.本文通過調(diào)研，測評界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷及注意力資源分配的影響情況。

2.基于每個指標的均值數(shù)據(jù)，分析指標對操縱員的影響情況。

3.分析當任務(wù)復(fù)雜性不同時，心理負荷及注意力指標對操縱員影響的差異。

4.分別分析心理負荷及注意力各指標測量結(jié)果之間的相關(guān)性。

(二)調(diào)研實施

本次調(diào)研主要通過問卷形式來獲得各指標數(shù)據(jù)。由人因工程學(xué)者及專家，基于任務(wù)復(fù)雜性(復(fù)雜性劃分為3個等級)，進行量表填寫。共發(fā)放問卷35份，收集35份，其中有效問卷31份。

(三)數(shù)據(jù)分析

1.界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷的影響分析

(1)信度分析

對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，分析工具為SPSS 17.0，其信度見表2。

表2 心理負荷可靠性統(tǒng)計量

從表2看出，當任務(wù)復(fù)雜性不同時，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷調(diào)查數(shù)據(jù)信度均在0.9以上，信度較好。

(2)均值分析

經(jīng)分析，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響均值見表3。

表3 心理負荷描述性統(tǒng)計表

表3顯示，以均值為準則，當任務(wù)等級為“不復(fù)雜”時，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響較小的影響因子依次為：“體力需求”“努力程度”“任務(wù)難度”；影響較大的影響因子依次為“腦力需求”“疲勞程度”“緊張度”。當任務(wù)復(fù)雜度為“一般”時，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響較小的影響因子依次為:“努力程度”“緊張度”“體力需求”；影響較大的影響因子依次為“腦力需求”“任務(wù)難度”“疲勞程度”。當任務(wù)等級為“復(fù)雜”時，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響度較小的影響因子依次為：“努力程度”“體力需求”“疲勞程度”；影響較大的影響因子依次為：“腦力需求”“任務(wù)難度”“緊張度”。

顯然，不管任務(wù)復(fù)雜程度如何，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響較大的幾個影響因子為“腦力需求”“任務(wù)難度”“緊張度”“疲勞程度”。這與現(xiàn)實情況是一致的，因為腦力需求越大，心理負荷就越大。同理，若任務(wù)難度越大、緊張程度越高、疲勞度越高，則對應(yīng)的心理負荷也會越大，因此這些影響因子對心理負荷有直接的影響。進一步，在執(zhí)行任務(wù)過程中，操縱員對任務(wù)進行感知、判斷、執(zhí)行，這些階段的順利完成，主要取決于認知過程，而認知過程需要腦力資源，若腦力資源需求較小，操縱員心理負荷必然較少，因此腦力需求對心理負荷的影響相對來說是比較大的。

(3)相關(guān)性分析

經(jīng)分析，界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響因子之間的相關(guān)性見表4。

從表4可看出，任務(wù)復(fù)雜性為“不復(fù)雜”時，任務(wù)難度與腦力需求、體力需求、緊張度、努力程度相關(guān)系數(shù)分別為0.912，0.944，0.869，0.898，可以看出，任務(wù)難度與腦力需求、體力需求、努力程度在0.05水平上存在顯著相關(guān)。任務(wù)難度與疲勞程度相關(guān)系數(shù)為0.997，在0.01水平上顯著相關(guān)。

表4 界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷影響的因素之間相關(guān)性

任務(wù)復(fù)雜性為“一般”時，任務(wù)難度與腦力需求、努力程度均為0.94，在顯著水平為0.05上存在顯著相關(guān)性。任務(wù)難度與體力需求、疲勞程度在0.01水平上顯著相關(guān)。

任務(wù)復(fù)雜性為“復(fù)雜”時，任務(wù)難度與腦力需求、緊張度、努力程度、疲勞程度相關(guān)系數(shù)分別為1，1，1，0.991，在0.01水平上顯著相關(guān)。

顯然，不管任務(wù)復(fù)雜性如何，在0.01或0.05水平上，任務(wù)難度與腦力需求、體力需求、努力程度、疲勞程度顯著相關(guān)；腦力需求與任務(wù)難度、疲勞程度顯著相關(guān)；緊張度與疲勞程度存在顯著相關(guān)；努力程度與任務(wù)難度顯著相關(guān)；疲勞程度與任務(wù)難度、腦力需求、緊張度顯著相關(guān)。

影響因子相關(guān)性數(shù)據(jù)表明，在一定程度上，任務(wù)難度對腦力需求、緊張度、努力程度、疲勞程度有很大影響，這是因為當任務(wù)復(fù)雜性增加時，操縱員需要表征出更多的監(jiān)視、判斷、執(zhí)行、畫面配置、導(dǎo)航等，勢必增加操縱員的認知負荷、資源消耗等，因此，若能對任務(wù)復(fù)雜性，任務(wù)流程，任務(wù)的交互過程進行優(yōu)化，將對減少操縱員的負荷，改善與其相關(guān)影響因子性能，提高人因可靠性有很大幫助；疲勞程度與腦力需求、任務(wù)難度、緊張度相關(guān)，這是因為當操縱員連續(xù)工作，處于疲勞狀態(tài)時，生理機能下降，下降越明顯對執(zhí)行任務(wù)的影響會越大，因此，減少操縱員的疲勞能提高操縱員執(zhí)行任務(wù)的績效，提高其他相關(guān)影響因子水平。

2.界面管理任務(wù)對操縱員注意力資源分配影響分析

(1)信度分析

對收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS 17.0分析，獲得其信度，見表5。

表5 注意力可靠性統(tǒng)計量

從表5看出，當任務(wù)復(fù)雜性不同時，界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響調(diào)查數(shù)據(jù)信度均在0.9以上，信度較好。

(2)影響度均值分析

界面管理任務(wù)對操縱員注意力影子因子均值分析結(jié)果見表6。

表6 注意力影響均值統(tǒng)計表

表6顯示，從均值看，當任務(wù)等級為“不復(fù)雜”時，界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響度由小到大的影響因子依次為：“疲勞度”“腦力負荷”“心理壓力”“緊張度”“操作負荷”“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”。當任務(wù)復(fù)雜性為“一般”時，界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響度由小到大的影響因子依次為：“疲勞度”“心理壓力”“緊張度”“操作負荷”“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”“腦力負荷”。當任務(wù)水平為“復(fù)雜”時，界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響度由小到大的影響因子依次為：“疲勞度”“心理壓力”“緊張度”“操作負荷”“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”“腦力負荷”“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”。

從總體數(shù)據(jù)看出，任務(wù)復(fù)雜性不管是“不復(fù)雜”，“一般”，還是“復(fù)雜”，界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響較大的幾個因素為：“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”和“操作負荷”。這與實際情況是一致的，若二類任務(wù)消耗了過多的注意力資源、二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度較大、操作負荷過多，必定會影響注意力資源對一類任務(wù)的分配，從而影響第一類任務(wù)的完成；若二類任務(wù)消耗了大量的注意力資源，使第一類任務(wù)績效無法維持在可靠性水平時，很容易發(fā)生人誤事件，因此，“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”從很大程度上影響事故的發(fā)生。

(3)相關(guān)性分析

界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響的因素之間相關(guān)性分析見表7。

表7 界面管理任務(wù)對操縱員注意力影響的各因素之間相關(guān)性

從表7看出，任務(wù)等級為“不復(fù)雜”時。“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”“疲勞度”的相關(guān)系數(shù)分別為0.89，0.943，“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”及“疲勞度”在0.05水平上存在顯著相關(guān)；“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“心理壓力”“緊張度”“操作負荷”“腦力負荷”相關(guān)系數(shù)分別為0.978，0.97，0.965，0.969，在0.01水平上他們之間存在顯著相關(guān)。

任務(wù)復(fù)雜性為“一般”時?！岸惾蝿?wù)對注意力的消耗程度”與“緊張度”“操作負荷”的相關(guān)系數(shù)分別為0.901，0.887，“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“緊張度”及“操作負荷”在0.05水平上存在顯著相關(guān)；“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“心理壓力”“疲勞度”“腦力負荷”相關(guān)系數(shù)分別為1，0.977，0.997，在0.01水平上他們之間存在顯著相關(guān)。

任務(wù)復(fù)雜性為“復(fù)雜”時?！岸惾蝿?wù)對注意力的消耗程度”與“疲勞度”相關(guān)系數(shù)為0.894，“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“疲勞度”在0.05水平上存在顯著相關(guān)；“二類任務(wù)對注意力的消耗程度”與“二類任務(wù)占有的注意力資源對第一類任務(wù)的影響度”“緊張度”“操作負荷”“疲勞度”“腦力負荷”相關(guān)系數(shù)分別為0.962，0.985，0.986,1，在0.01水平上他們之間存在顯著相關(guān)。

當任務(wù)為“不復(fù)雜”時，每個影響因子之間均顯著相關(guān)。顯然，不管任務(wù)復(fù)雜性如何，在0.01或0.05水平上，二類任務(wù)對注意力的消耗程度與緊張度、操作負荷、疲勞度、腦力負荷之間顯著相關(guān)；緊張度與二類任務(wù)對注意力的消耗程度、操作負荷、疲勞度、腦力負荷之間顯著相關(guān)；操作負荷與二類任務(wù)對注意力的消耗程度、緊張度顯著相關(guān)；疲勞度與二類任務(wù)對注意力的消耗程度、腦力負荷顯著相關(guān)；腦力負荷與二類任務(wù)對注意力的消耗程度、疲勞度顯著相關(guān)。

上述影響因子相關(guān)性情況說明，在一定程度上，二類任務(wù)對注意力的消耗程度與緊張度、操作負荷、疲勞度、腦力負荷有較大影響，若注意力消耗過多，說明任務(wù)較復(fù)雜或任務(wù)較多，當任務(wù)多或復(fù)雜時，顯然，操作負荷、疲勞程度、腦力負荷均會增大，也會越緊張。若操作負荷越大，操縱員心理壓力越大，緊張度越高，消耗的注意力資源也會越多，因此，操作負荷與二類任務(wù)對注意力的消耗程度、緊張度存在相關(guān)符合現(xiàn)實情況。若腦力負荷增加，疲勞度會隨著增加，注意力資源增加會使腦力負荷增加，因此，他們存在一定的相關(guān)性是合理的。若能減少注意力消耗、操作負荷、腦力負荷，均能減少與之相關(guān)影響因子的干擾，提高人因可靠性。減少操作負荷或注意力等，可通過優(yōu)化界面、改善規(guī)程、提高自動化水平、加強組織管理等手段來實現(xiàn)。

三 結(jié) 論

本文以問卷調(diào)查為手段，研究了核電廠界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷及注意力的影響。經(jīng)文獻梳理，結(jié)合實際情況，分別獲得了界面管理任務(wù)對操縱員心理負荷、注意力影響的指標體系?；谌蝿?wù)復(fù)雜性的不同水平，分別獲得了界面管理任務(wù)對心理負荷及注意力各指標的影響程度，指標之間的相關(guān)性情況，這可為改善界面管理任務(wù)對心理負荷及注意力的影響提供參考依據(jù)和理論支撐，并針對具體的指標進行改進，以提高操縱員執(zhí)行任務(wù)過程的可靠性。