車間環(huán)境對(duì)員工的心理認(rèn)知影響研究

劉力卓，石 磊，李付偉，丁曉宇

(燕山大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

神經(jīng)工業(yè)工程的概念最早是由馬慶國(guó)等[1]提出，屬于神經(jīng)管理學(xué)的分支，即將人的生理信息(腦波、皮膚電、肌電等)作為客觀數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理，作為實(shí)施管理的重要依據(jù)。在以往的工業(yè)工程研究中，通常都是把工人假設(shè)成一個(gè)完全理性的人，忽視了人的主觀能動(dòng)性，這在科學(xué)研究中必然存在偏差[2]。已有學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。金晶[3]就安全標(biāo)志信號(hào)詞展開(kāi)研究，并利用事件相關(guān)電位(ERPs)技術(shù)，通過(guò)分析行為數(shù)據(jù)和腦電數(shù)據(jù)來(lái)反映人們對(duì)安全標(biāo)志信號(hào)詞的主觀風(fēng)險(xiǎn)感知情況。尚倩[4]采用ERPs，通過(guò)對(duì)P300波幅的分析發(fā)現(xiàn)情緒對(duì)生產(chǎn)效率的影響。卞軍[5]的研究結(jié)果表明，人對(duì)不同的安全標(biāo)志類型感應(yīng)程度不同，只有符合人們的大腦認(rèn)知與危險(xiǎn)感知評(píng)估的安全標(biāo)志，才能更好地發(fā)揮其警示效用。Li等[6]通過(guò)使用眼動(dòng)技術(shù)，能夠掌握駕駛員在駕駛艙界面和情景感知能力之間的視覺(jué)行為，并且額外的工作負(fù)荷對(duì)飛行員的情景感知能力產(chǎn)生負(fù)面影響，增加操作危險(xiǎn)的可能性。Di Stasi等[7]通過(guò)眼動(dòng)技術(shù)探究操作者在使用超媒體時(shí)注意力狀態(tài)的變化；戚作秋等[8]研究顯示高聲壓級(jí)的生產(chǎn)性噪聲對(duì)人的認(rèn)知行為有影響，表現(xiàn)在腦電成分N1和P2的波幅上。Okamoto等[9]測(cè)量日間不同光照長(zhǎng)度對(duì)個(gè)體的認(rèn)知影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被試處于長(zhǎng)、中、短波長(zhǎng)光與暗光條件下執(zhí)行Oddball任務(wù)時(shí)，短波長(zhǎng)光相較于暗光在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的5 ～ 20 min內(nèi)，誘發(fā)較高的P300波幅。汝濤濤等[10]提到在諸多關(guān)于環(huán)境光照對(duì)個(gè)體的認(rèn)知功效的研究中，結(jié)果并不完全一致，與光照的調(diào)節(jié)因素(光照參數(shù)、模式和時(shí)間)有關(guān)。

在西蒙效應(yīng)的相關(guān)ERPs實(shí)驗(yàn)中，突出的ERPs成分是P300[11]。同時(shí)，不一致性相比于一致性，能夠誘發(fā)較小的P300振幅[12]。Giraudet等[13]在關(guān)于空中交通管制的人機(jī)交互界面的ERPs研究中指出，P300波幅可在評(píng)價(jià)界面設(shè)計(jì)時(shí)作為認(rèn)知負(fù)荷的有效指標(biāo)。Zhou等[14]的研究表明，P300是衡量空間沖突的重要成分。Steiner等[15]指出，P300作為一種與信息處理相關(guān)的電生理信號(hào)使用，與記憶、決策等一系列認(rèn)知過(guò)程有關(guān)。相關(guān)探索證明，視覺(jué)刺激能夠誘發(fā)P300成分，是視覺(jué)注意與認(rèn)知研究的重要指標(biāo)，反映被試大腦的認(rèn)知、決策與注意的狀態(tài)，是相應(yīng)情感刺激與腦認(rèn)知的選擇行為過(guò)程，并與用戶的高級(jí)心理活動(dòng)緊密相連[16-17]。此外，Polich等[18]研究表明，P300成分對(duì)促進(jìn)注意力激活和信息處理的一般和特定的喚醒效應(yīng)也很敏感。Golonka等[19]在工作倦怠的研究中認(rèn)為P300波幅的降低反映了個(gè)體的精神狀態(tài)，可能被認(rèn)為是工作負(fù)荷或疲勞的指標(biāo)，與注意力和認(rèn)知資源的限制有關(guān)。Hagen等[20]研究表明，P300的波幅與任務(wù)難度相關(guān)，當(dāng)目標(biāo)刺激與標(biāo)準(zhǔn)刺激不同時(shí)，目標(biāo)刺激的P300波幅通常隨著辨別難度的增加而降低，同時(shí)，目標(biāo)刺激比標(biāo)準(zhǔn)刺激有著更短的反應(yīng)時(shí)間和較低的錯(cuò)誤率。

綜上，通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)工業(yè)工程領(lǐng)域，大部分以ERPs為基礎(chǔ)展開(kāi)研究，且研究?jī)?nèi)容均以安全標(biāo)志和操作界面為主要研究方向，通過(guò)視覺(jué)刺激，探究人的心理認(rèn)知過(guò)程，而在關(guān)于車間環(huán)境對(duì)人的心理認(rèn)知方面的研究卻很少。車間環(huán)境是生產(chǎn)系統(tǒng)必不可少的組成部分，它的好與壞能夠?qū)θ说纳砼c心理產(chǎn)生直接影響。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)假設(shè)

依據(jù)上文所提到的研究理論進(jìn)行以下假設(shè)。

H1：在視覺(jué)作用下通過(guò)車間環(huán)境場(chǎng)景圖片啟動(dòng)的實(shí)驗(yàn)刺激中，存在西蒙效應(yīng)，一致條件下比不一致條件有著更高的正確率和較短的反應(yīng)時(shí)間；

H2：同時(shí)有著較高的P300波幅；

H3：正性比負(fù)性車間環(huán)境場(chǎng)景有著較高的正確率和較短的反應(yīng)時(shí)間；

H4：同時(shí)誘發(fā)較高的P300波幅。

本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路構(gòu)圖Figure 1 Composition of experimental design ideas

1.2 被試

被試由燕山大學(xué)在校大學(xué)生組成，男生13人，女生12人，平均年齡23.71歲(SD = 2.257)，矯正視力或者裸眼正常，均為右利手，身體健康狀態(tài)良好。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，告知實(shí)驗(yàn)須知并填寫被試信息表。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

在百度網(wǎng)絡(luò)搜集車間環(huán)境圖片60張，并對(duì)其編號(hào)，分為整潔干凈的工作環(huán)境和臟亂不堪的工作環(huán)境(正性/負(fù)性工作環(huán)境)，然后進(jìn)行篩選。采用9點(diǎn)打分法，分別從整潔度和喚醒度2個(gè)維度打分。對(duì)于整潔度，1表示非常雜亂，9表示非常整潔；對(duì)于喚醒度，1表示非常平靜，9表示非常興奮。根據(jù)得分分別對(duì)整潔度和喚醒度做單一因素的方差分析。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，正性環(huán)境和負(fù)性環(huán)境下的整潔度和喚醒度均具有顯著性差異，其P值均小于0.05。為了提高腦電實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提供有效的刺激材料，在此基礎(chǔ)之上對(duì)圖片進(jìn)行二次篩選。對(duì)環(huán)境圖片按照其整潔度均值排序，正性環(huán)境的刺激圖片選取排在前15位的圖片，負(fù)性環(huán)境的刺激圖片選取排在后15位的圖片，在對(duì)圖片進(jìn)行二次篩選后，得到正性和負(fù)性環(huán)境圖片各15張?；诖藢?duì)兩種環(huán)境下的整潔度和喚醒度進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。同時(shí)就單一因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示，正性和負(fù)性環(huán)境的整潔度均值具有顯著性(P<0.05)，喚醒度均值也具有顯著性差異(P<0.05)。

表1 環(huán)境整潔度、喚醒度描述性統(tǒng)計(jì)表(二次篩選)Table 1 Descriptive statistics of environment cleanliness and arousal (secondary screening)

1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本文采用啟動(dòng)?靶范式對(duì)車間環(huán)境的差異進(jìn)行研究，即在車間環(huán)境條件下啟動(dòng)西蒙效應(yīng)，啟動(dòng)刺激為車間環(huán)境(正性/負(fù)性)，靶刺激為棋盤(紅黑棋盤/綠黑棋盤)。按鍵方式如下。當(dāng)紅黑棋盤呈現(xiàn)時(shí)按“Z”鍵；當(dāng)綠黑棋盤呈現(xiàn)時(shí)按“M”鍵。紅黑棋盤出現(xiàn)在左側(cè)或者綠黑棋盤出現(xiàn)在右側(cè)為一致，否則為不一致。具體實(shí)驗(yàn)刺激程序如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)刺激程序圖(以單個(gè)Trail為例)Figure 2 Experimental stimulus program(Take a single trail as an example)

1.5 數(shù)據(jù)采集和分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)BP公司出品的腦電活動(dòng)CH amp放大器，被試使用的是按照國(guó)際10 ～ 20系統(tǒng)擴(kuò)展的64導(dǎo)Ag/AgCl電極帽，前額電極點(diǎn)Ground為接地點(diǎn)，水平和垂直眼電位于左眼下方和上方10 mm處，腦電數(shù)據(jù)記錄的帶通為0.01 ～ 100 Hz，采樣頻率為500 Hz。電極與頭皮之間的阻抗持續(xù)保持在5 kΩ以下。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在認(rèn)知神經(jīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，被試所處房間照明度良好，溫度、濕度宜人且隔音。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程Figure 3 Flow chart of experiment

實(shí)驗(yàn)中記錄下來(lái)的原始EEG數(shù)據(jù)，使用Matlab工具包Letswave進(jìn)行離線分析，經(jīng)過(guò)一系列包括剔除無(wú)用電極、計(jì)算獨(dú)立成分矩陣、去偽跡、截取epoch、頻率濾波、基線矯正、重新參考(以雙側(cè)乳突為參考)、疊加平均、總平均等操作，消除對(duì)受試者數(shù)據(jù)影響過(guò)大的人為因素，將ERPs成分分離出來(lái)。

在對(duì)腦電波形進(jìn)行處理時(shí)，將刺激開(kāi)始呈現(xiàn)的那一刻作為0點(diǎn)，分析刺激啟動(dòng)前200 ms (基線)和刺激后800 ms，即?200 ～ 800 ms，共1 000 ms。Ferrari等[21]研究發(fā)現(xiàn)，P300成分的波幅是隨腦區(qū)從前向后逐漸增大的。因此，本文選取CP1、CPz、CP2、P1、Pz、P2 6個(gè)電極點(diǎn)進(jìn)行觀察和測(cè)量，通過(guò)觀察腦電波形，選擇250 ～ 500 ms時(shí)間窗的平均波幅，進(jìn)行被試內(nèi)重復(fù)測(cè)量方差分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 行為結(jié)果

在不同環(huán)境條件下，被試的反應(yīng)時(shí)和正確率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，分別進(jìn)行2 (環(huán)境類型：正性/負(fù)性) ×2 (一致性：一致/不一致) 重復(fù)測(cè)量方差分析。

表2 不同環(huán)境條件下的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of different environmental conditions

在反應(yīng)時(shí)方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)(1,24) = 0.199,P＞0.05，η2= 0.031，環(huán)境的正負(fù)性主效應(yīng)不顯著；F(1,24) =0.781,P＜ 0.05, η2= 0.791，一致性主效應(yīng)顯著。其中，F(xiàn)為自由度；P為顯著性指標(biāo)；η2為組間指標(biāo)效應(yīng)量。一致條件下的反應(yīng)時(shí)(M= 476.55, SD = 53.42)比不一致條件下的反應(yīng)時(shí)(M= 520.76, SD = 53.88)快，其中，M為均值；SD為標(biāo)準(zhǔn)差。F(1,24) = 2.023,P= 0.175＞0.05, η2= 0.131，環(huán)境的正負(fù)性和一致性交互效應(yīng)不顯著。

在正確率方面，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)(1,24) =0.081，P= 0.595＞0.05，η2= 0.005，環(huán)境的正負(fù)性主效應(yīng)并不顯著；F(1,24) = 10.522，P= 0.005＜0.05，η2= 0.401，一致性主效應(yīng)顯著。一致條件下的正確率(M= 99.12，SD = 1.32)高于不一致條件下的正確率(M= 94.88，SD = 6.02)，而且F(1,24) = 0.644，P=0.442＞0.05，η2= 0.041，環(huán)境正負(fù)性和一致性交互效應(yīng)也不顯著。

2.2 ERPs結(jié)果

對(duì)腦電成分P300波幅進(jìn)行2(環(huán)境類型：正性/負(fù)性)×2(一致性：一致/不一致)×6(電極位置：CP1、CP2、CPz、P1、Pz、P2)重復(fù)測(cè)量方差分析。其中，CP1、CP2、CPz、P1、Pz、P2為電極點(diǎn)。結(jié)果表明，F(xiàn)(1,24) = 6.97,P= 0.022, η2= 0.3，車間環(huán)境的正負(fù)性主效應(yīng)顯著。P300波幅在正性環(huán)境下(M=1.32, SD = 1.86)大于負(fù)性環(huán)境(M= 0.76, SD = 2.33)，而且F(1,24) = 4.867,P= 0.039, η2= 0.246，一次性主效應(yīng)也顯著。P300波幅在一致條件下(M= 1.33,SD = 2.11)大于不一致條件下(M= 0.94, SD = 2.09)。同時(shí)分析結(jié)果也顯示電極點(diǎn)的主效應(yīng)不顯著。F(1,24) =0.976,P= 0.341，環(huán)境正負(fù)性和一致性交互效應(yīng)不顯著，并且環(huán)境與一致性和電極點(diǎn)的交互效應(yīng)均不顯著。ERPs腦電波形如圖4所示。

圖4 ERPs總波形圖Figure 4 General waveform of ERPs

3 結(jié)果討論

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，由視覺(jué)刺激呈現(xiàn)的車間環(huán)境中，西蒙效應(yīng)存在且主效應(yīng)顯著，即一致性相比于不一致性，有著更快的反應(yīng)時(shí)與更小的錯(cuò)誤率，假設(shè)H1成立，這與西蒙等的研究結(jié)果是相一致的。以此為前提下的反應(yīng)時(shí)和正確率，在兩種不同的環(huán)境條件下基本相同，假設(shè)H3不成立?；诖舜螌?shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，本文認(rèn)為，在日常工作中，由于工作任務(wù)的原因，車間環(huán)境的優(yōu)劣被員工所忽視，基于工作任務(wù)的限定條件之下，工作任務(wù)的強(qiáng)度與難度迫使員工忽略所在車間的環(huán)境?？紤]到按鍵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)定被試按鍵反應(yīng)時(shí)間在1 000 ms內(nèi)有效，較短的有效按鍵時(shí)間要求使得被試忽略環(huán)境的差異，這也就解釋了為什么在反應(yīng)時(shí)與正確率方面，環(huán)境的正負(fù)性和一致性交互效應(yīng)不顯著，說(shuō)明員工的工作效率并沒(méi)有因?yàn)檐囬g環(huán)境的變化而改變。然而，這只是行為上的表現(xiàn)。

通過(guò)圖4的ERPs總波形圖，可以較為直觀地觀察到P300成分。進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析得知，西蒙效應(yīng)顯著，一致性相比于不一致性，誘發(fā)了較高的P300波幅，這與前人的研究結(jié)果相同[11-12]，假設(shè)H2成立。在西蒙效應(yīng)任務(wù)的前提下，車間環(huán)境主效應(yīng)顯著，正性環(huán)境高于負(fù)性環(huán)境下誘發(fā)的P300波幅，假設(shè)H4成立。前文提到，P300波幅的降低反應(yīng)了個(gè)體的精神狀態(tài)，被視為工作負(fù)荷或者疲勞的指標(biāo)[13,19]。在本次實(shí)驗(yàn)中，較短的按鍵反應(yīng)時(shí)間和較長(zhǎng)的整體實(shí)驗(yàn)時(shí)間對(duì)被試造成工作負(fù)荷或者精神疲勞，其中不一致的任務(wù)難度高于一致任務(wù)，所以誘發(fā)相對(duì)較低的P300波幅。此前提到，P300波幅與認(rèn)知和注意狀態(tài)相關(guān)，高喚醒度的情感刺激圖片能夠誘發(fā)較高的P300波幅，與選擇注意相關(guān)，并且反應(yīng)大腦中動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的激活[16-17]。本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，正性車間環(huán)境場(chǎng)景相對(duì)于負(fù)性場(chǎng)景具有較高的喚醒度，二者有著顯著性的差異，并且腦電成分P300波幅差異性顯著，與前人結(jié)果基本一致。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，正性車間環(huán)境場(chǎng)景更能夠吸引員工的視覺(jué)注意力，激活員工對(duì)信息處理的喚醒效應(yīng)，從而提高員工對(duì)工作任務(wù)的注意力，加強(qiáng)員工對(duì)任務(wù)信息的認(rèn)知加工能力。但是這些結(jié)論僅僅表現(xiàn)在大腦認(rèn)知活動(dòng)中，卻沒(méi)有表現(xiàn)在行為方面。

4 結(jié)論

通過(guò)基于西蒙效應(yīng)的神經(jīng)學(xué)實(shí)驗(yàn)得出，在不同環(huán)境條件下，人的大腦認(rèn)知神經(jīng)存在差異，且在正性工作環(huán)境下，會(huì)吸引工人更多的視覺(jué)注意力，提高對(duì)信息處理的喚醒效應(yīng)。本文的研究結(jié)果不僅豐富了神經(jīng)工業(yè)工程理論，并且可為管理者改善車間環(huán)境提供認(rèn)知神經(jīng)學(xué)方面的依據(jù)。因此，環(huán)境問(wèn)題應(yīng)該視為管理者重點(diǎn)管理的任務(wù)之一，加強(qiáng)環(huán)境問(wèn)題的改善，從而避免因環(huán)境問(wèn)題所帶來(lái)的困擾，合理安排工作任務(wù)，盡可能減少生產(chǎn)過(guò)程中的人為失誤，提高生產(chǎn)安全，以保證工作質(zhì)量和進(jìn)度。