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一神經(jīng)人因實驗在工業(yè)工程學(xué)科中的應(yīng)用

Kim等將影響生產(chǎn)系統(tǒng)的因素主要分為四大類，即人的因素、技術(shù)因素、結(jié)構(gòu)因素和任務(wù)因素，并認為其中人的因素處于系統(tǒng)中四大因素之首的地位。當(dāng)今的生產(chǎn)系統(tǒng)要能在新的復(fù)雜環(huán)境下進行有效決策和響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)對人的因素投入更多新的研究技術(shù)。這其中就包括神經(jīng)人因?qū)嶒灥募夹g(shù)。神經(jīng)人因?qū)嶒炓云淠苌钊肴说拇竽X思維和身體的生理反應(yīng)層面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢在工業(yè)工程領(lǐng)域備受矚目。目前，各國學(xué)者在嘗試運用神經(jīng)人因?qū)嶒瀬硌芯抗I(yè)工程學(xué)科中的各項主題，神經(jīng)人因?qū)W的提出者Parasuraman將神經(jīng)人因?qū)嶒灥陌l(fā)展方向主要歸納為:多任務(wù)下腦力負荷的研究、個體認知差異的研究等。工業(yè)工程學(xué)科的實驗教學(xué)與研究正由過去主要運用傳統(tǒng)的行為學(xué)的研究方法向主要運用現(xiàn)代的神經(jīng)人因?qū)嶒灥难芯糠椒ㄞD(zhuǎn)變。

1神經(jīng)人因?qū)嶒炘诙嗳蝿?wù)腦力負荷研究中的應(yīng)用

腦力負荷，是指工作者為達到作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而付出的注意力大小，其影響因素包括工作任務(wù)量的大小、工作時間要求、工作者素質(zhì)和能力要求、工作者工作意愿以及工作環(huán)境和由環(huán)境引發(fā)的工作情緒等。在當(dāng)今高度現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，生產(chǎn)人員從過去大部分需要自己手工操作機器設(shè)備到現(xiàn)在更多地是監(jiān)控自動化系統(tǒng)的運行。分布式的大型生產(chǎn)系統(tǒng)要求監(jiān)控者管理更多的機器設(shè)備，各種工作任務(wù)以并行的方式將各種信息傳送給高級的人機交互集成系統(tǒng)，人機交互集成系統(tǒng)將信息融合后以各種通道的方式呈現(xiàn)給監(jiān)控者。在這種分布式的多任務(wù)并行處理的生產(chǎn)模式中，監(jiān)控者需要監(jiān)控大量的機器設(shè)備，感知和分析各種類型的數(shù)據(jù)信息，其腦力負荷較過去成倍增長，傳統(tǒng)的行為學(xué)實驗已經(jīng)難以對多任務(wù)下的平行加工進行研究，而神經(jīng)人因?qū)嶒炃∧軐τ蛇^去經(jīng)典的聚焦型注意轉(zhuǎn)向分散型注意的多任務(wù)下腦力負荷進行有效測量。神經(jīng)人因?qū)嶒炨槍ぷ髡咴诙嗳蝿?wù)監(jiān)控過程中涉及到的對多種工作信息的自動感知、選擇性注意以及敏捷操控，能夠有效度量同時應(yīng)對多項工作任務(wù)的腦力負荷。近年來，在工業(yè)工程的人的因素研究領(lǐng)域中，北京航空航天大學(xué)的人機與環(huán)境工程系運用神經(jīng)人因?qū)嶒炏到y(tǒng)地開展了多模式飛行模擬任務(wù)下飛行員的腦力負荷測量與評價。實驗人員使用腦電的事件相關(guān)電位實驗技術(shù)，選取聽覺失匹配負波腦電成分為實驗指標(biāo)，采用oddball的神經(jīng)人因?qū)嶒灧妒?，將聽覺失匹配理論用于飛行員的腦力負荷評價中，在9種模式的飛行模擬任務(wù)條件下進行飛行員的腦力負荷測量，通過讓被試者完成模擬飛行任務(wù)的同時，測試非注意條件下飛行員的聽覺失匹配指標(biāo)，得到腦力負荷與腦電的聽覺失匹配負波同向變化的規(guī)律，為飛機座艙顯示界面的設(shè)計提供了依據(jù)。除了航空領(lǐng)域，神經(jīng)人因?qū)嶒炓材軕?yīng)用于道路交通、船舶航行、高危行業(yè)工作人員的腦力負荷度量。

2神經(jīng)人因?qū)嶒炘趥€體認知差異研究中的應(yīng)用

工業(yè)工程學(xué)科的主要任務(wù)是要對生產(chǎn)及服務(wù)系統(tǒng)中的人、機器、物料、環(huán)境和信息進行整體設(shè)計、評價和優(yōu)化，在這些過程中，個體認知差異在感覺、動作和情緒過程中形成對各項任務(wù)的勝任力和局限性，由此產(chǎn)生的人的不同行為作用于技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)，最終影響整個系統(tǒng)的工作績效。Karwowski從“人—技術(shù)—環(huán)境”3個系統(tǒng)之間的關(guān)系出發(fā)，認為人的不同行為是整個系統(tǒng)工作的核心，因此個體認知的差異是工業(yè)工程研究的重點。由于過去受實驗技術(shù)條件的限制，對于人體認知的差異只能從外在行為學(xué)觀察的角度進行實驗。隨著對被試的無損傷的神經(jīng)測量技術(shù)的進步，神經(jīng)人因?qū)嶒灛F(xiàn)在能在大腦思維的層面從人的內(nèi)在生理數(shù)據(jù)采集出發(fā)，進行基于人的生理與心理分析的個體認知差異實驗。近年來，眾多學(xué)者開始引入神經(jīng)人因?qū)嶒灥募夹g(shù)，針對個體認知差異開展工作過程中個體和群體的心理與行為反應(yīng)規(guī)律的研究。浙江大學(xué)神經(jīng)工業(yè)工程團隊通過采用神經(jīng)人因?qū)嶒炛械氖录嚓P(guān)電位技術(shù)，進行工作人員對安全標(biāo)志信號詞的感知和評價的神經(jīng)過程實驗。研究發(fā)現(xiàn):人對安全標(biāo)志信號詞的處理過程分為早期感知和信息評價兩個階段，安全標(biāo)志信號詞的主觀風(fēng)險感知存在差異，不同的安全標(biāo)志信號詞能夠傳遞不同的風(fēng)險信息，人對安全標(biāo)志信號詞的認識會受到情緒的影響。這些研究結(jié)果為安全管理中的安全培訓(xùn)、安全標(biāo)志信號詞的設(shè)計及使用提供了依據(jù)。神經(jīng)人因?qū)嶒瀸⒃谙到y(tǒng)安全、產(chǎn)品可用性、職業(yè)安全等領(lǐng)域的個體認知差異研究方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

二神經(jīng)人因?qū)嶒瀸嵗窠?jīng)人因?qū)嶒灥倪^程

一般分為實驗前的實驗設(shè)計、實驗實施和實驗后的數(shù)據(jù)處理和分析。相較于以往的工業(yè)工程實驗，神經(jīng)人因?qū)嶒灥牟煌幵谟?在實驗前的設(shè)計階段，要根據(jù)實驗?zāi)康倪x取合適的神經(jīng)實驗技術(shù)，比如事件相關(guān)電位技術(shù)、生物反饋技術(shù)、眼動技術(shù)、功能性核磁共振技術(shù)、腦磁技術(shù)、近紅外腦成像技術(shù)等。在明確了具體的神經(jīng)實驗技術(shù)后，采用相應(yīng)的實驗范式設(shè)計實驗，比如go-nogo范式、oddball范式、等概率范式、n-back范式等。在實驗過程中，需要嚴(yán)格按照神經(jīng)實驗的國際規(guī)范開展神經(jīng)人因?qū)嶒?。實驗后要根?jù)神經(jīng)實驗的統(tǒng)計分析方法進行神經(jīng)測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上進行討論并得出神經(jīng)人因?qū)嶒灥慕Y(jié)論。下面以筆者開展的一例關(guān)于船舶數(shù)字化界面測試的神經(jīng)人因?qū)嶒瀬碚宫F(xiàn)神經(jīng)人因?qū)嶒灥囊话氵^程和方法。該實驗使用真實的海洋工程船拖纜機的自動化控制界面作為刺激材料，通過模擬拖纜機的現(xiàn)實工況，讓被試者在執(zhí)行監(jiān)控拖纜機卷筒轉(zhuǎn)速變化任務(wù)的同時，感知自動化控制界面中的事故報警信號的變化，通過認知神經(jīng)實驗測試應(yīng)急人員對事故報警信號的反應(yīng)能力，從大腦思維的層面直接揭示船舶操作人員在事故信號變化下的應(yīng)急反應(yīng)機理。

1實驗前準(zhǔn)備

參考神經(jīng)人因?qū)嶒炛嘘P(guān)于視覺失匹配的論文，實驗被試的數(shù)量分布在8～12名。本實驗選擇12名健康人員參加實驗(6位男性，6位女性，年齡24～30歲，平均年齡25．5歲，均為右利手)，所有被試者實驗前24h內(nèi)未曾服用鎮(zhèn)靜催眠藥物或者精神活性類物質(zhì)。均向每位參加實驗人員支付了被試費(20元/h)。每位被試均具有正常的視覺敏銳度和正常的色彩分辨力。本實驗遵守《赫爾辛基宣言》，每位被試在實驗前均簽署了實驗信息的知情同意書。被試在充分理解實驗內(nèi)容和進行練習(xí)后進行正式實驗。實驗刺激材料由E-Prime0軟件編寫和呈現(xiàn)，刺激材料采用的是海洋工程船拖纜機的自動化控制界面，顯示于19寸液晶顯示器中央。所有刺激材料的大小、亮度、對比度等指標(biāo)一致。在實驗刺激材料中，界面中央的數(shù)字表示拖纜機在正常工作情況下的卷筒速度為7．5m/min，界面兩側(cè)的圖形符號代表拖纜機的系統(tǒng)壓力報警信號，正常狀態(tài)下為綠色，形成實驗的標(biāo)準(zhǔn)刺激。異常報警時為紅色，形成實驗的偏差刺激。界面中的報警信號有5種類型的變化，分別為顏色、持續(xù)時間、朝向、形狀和大小的不同變化。5種類型刺激融入一個完整的oddball實驗范式中，在同一實驗環(huán)境下測試這5種類型刺激變化下被試者的視覺失匹配指標(biāo)。

2實驗過程

實驗在隔音、光線事宜和電磁屏蔽的房間中進行，被試者取舒適坐位，距離顯示器1m。被試者被要求注視屏幕中的拖纜機控制界面。界面中央為拖纜機在工作情況下的卷筒速度，正常狀態(tài)下為7．5m/min，超過允許的速度范圍后，要求被試者盡快和盡可能準(zhǔn)確地進行相應(yīng)的反應(yīng)動作，規(guī)則為:當(dāng)速度由7．5增大為7．9時按鍵盤“Z”鍵，當(dāng)速度由7．5減小為7．1時按鍵盤“/”鍵。這一工作任務(wù)代表拖纜機的監(jiān)控者對卷筒工作速度的實時調(diào)整。在實驗的過程中，被試者被要求專心完成拖纜機卷筒速度的監(jiān)控工作，忽視界面兩側(cè)系統(tǒng)壓力報警信號的變化。界面中央數(shù)字的變化與兩側(cè)報警信號的變化無關(guān)聯(lián)性。通過這一設(shè)定，形成對報警信號的非注意，真正做到對任務(wù)不相關(guān)的刺激材料變化的視覺失匹配的檢測。實驗包括3個塊(Block)，每個塊開始的前15個刺激為標(biāo)準(zhǔn)刺激，以形成一個記憶模板。每個塊之間有一個休息過程，中間休息的過程由屏幕中的休息提示呈現(xiàn)，被試休息好后，按空格鍵繼續(xù)。整個實驗用于記錄和分析的標(biāo)準(zhǔn)刺激有450個，每種類型的偏差刺激各有90個。整個實驗大約用時18min。

3實驗后數(shù)據(jù)處理和分析

使用腦電分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行離線分析。首先對原始腦電數(shù)據(jù)進行DC校正，然后進行腦電預(yù)覽，拒絕具有明顯漂移或雜質(zhì)的腦電數(shù)據(jù)。接著去除眼電對其它導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)的影響。然后進行腦電分段，分析時程為刺激后400ms，基線為刺激前100ms。接著進行基線校正，然后去除偽跡，波幅大于±100μV者被視為偽跡去除。接著分別對標(biāo)準(zhǔn)刺激和各類偏差刺激的腦電進行分類疊加平均，然后進行20Hz無相移低通數(shù)字濾波，最后將偏差刺激與標(biāo)準(zhǔn)刺激相減，得到視覺失匹配腦電波形(時間窗口:150～200ms)。統(tǒng)計分析時采用SPSS17．0統(tǒng)計軟件對視覺失匹配數(shù)據(jù)采用重復(fù)測量方差分析，因素分別為視覺失匹配類型(顏色、朝向、持續(xù)時間、形狀、大小)×大腦半球(左、右)?？刹捎肎reenhouse-Geisser法進行校正。分別列出了五種視覺失匹配的均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差和95%置信區(qū)間。描述性統(tǒng)計結(jié)果顯示，視覺失匹配腦電波幅由大到小排列依次為:朝向偏差引起的失匹配、形狀偏差引起的失匹配、顏色偏差引起的失匹配、持續(xù)時間偏差引起的失匹配和大小偏差引起的失匹配。根據(jù)球形檢驗(Mauchly’sTestofSphericity)的統(tǒng)計結(jié)果，Mauchly的W=0．451，Sig．=0．592，表示各組間的方差矩陣接近相等，故接受球形假設(shè)，應(yīng)接受“SphericityAssumed”的分析結(jié)果:各類型視覺失匹配腦電數(shù)據(jù)的重復(fù)測量結(jié)果之間的差異顯著(F=193，p＜0．05);大腦左右半球間的差異不顯著(F=336，p＞0．05);“視覺失匹配類型”與“大腦半球”的交互作用差異不顯著(F=1．296，p＞0．05)。根據(jù)實驗的重復(fù)測量方差分析結(jié)果和腦電圖(見圖1)，五種類型的視覺失匹配的主效應(yīng)差異顯著。實驗結(jié)果說明采用oddball實驗范式在同一個刺激序列中，不同類型的自動化控制界面的報警信號分別成功誘發(fā)出相應(yīng)的視覺失匹配腦電波;各種類型的視覺失匹配之間的差異顯著，視覺失匹配腦電波幅由大到小排列依次為:朝向偏差引起的失匹配、形狀偏差引起的失匹配、顏色偏差引起的失匹配、持續(xù)時間偏差引起的失匹配和大小偏差引起的失匹配。2D腦電電位分布圖可看出，視覺失匹配在人腦的顳枕區(qū)最為明顯。根據(jù)實驗結(jié)果，可以指導(dǎo)設(shè)計人員在設(shè)計自動化控制界面時，優(yōu)先選用視覺失匹配強的信號作為自動化控制界面的安全報警信號，以提高安全報警信號的感知效果，從而提升人—機系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)能力。

三結(jié)語

神經(jīng)人因?qū)嶒炓云淠苌钊胩骄可a(chǎn)作業(yè)中人的生理和心理的技術(shù)優(yōu)勢而在第三代工業(yè)工程的實驗教學(xué)中占據(jù)重要地位。相較于以往工業(yè)工程以行為觀察和問卷調(diào)查為主要手段的實驗技術(shù)，神經(jīng)人因?qū)嶒灢粌H能有效將人的認知過程與行為過程相分離，避免認知與行為兩者在實驗測度上互相混淆，而且能研究工作中的人的內(nèi)隱行為，破解人類內(nèi)部認知過程的黑箱，通過神經(jīng)人因?qū)嶒灲沂旧a(chǎn)信息加工中各環(huán)節(jié)內(nèi)隱行為的認知機理。因此，神經(jīng)認知實驗借助最新的神經(jīng)測量技術(shù)手段和設(shè)備，突破過去工業(yè)工程實驗教學(xué)的局限，滿足第三代工業(yè)工程的教學(xué)與研究要求。隨著當(dāng)今生產(chǎn)自動化的程度日益提高，人機系統(tǒng)中的人的因素逐漸成為系統(tǒng)優(yōu)化的瓶頸，隨之而來的是人的注意力分散、警戒水平下降、人誤概率增加等一系列問題凸現(xiàn)。神經(jīng)人因?qū)嶒災(zāi)苡行нM行多任務(wù)下腦力負荷、個體認知差異等研究，揭示上述問題形成的機理，提供測度和評價指標(biāo)，為改進和優(yōu)化薄弱的人的因素提供客觀依據(jù)。神經(jīng)人因?qū)嶒炗衅渥陨愍毺氐难芯糠椒ê瓦^程。本文通過一例具體的關(guān)于船舶數(shù)字化界面測試的神經(jīng)人因?qū)嶒炚宫F(xiàn)了該類實驗的實驗范式選擇、實驗數(shù)據(jù)采集與分析等一般過程和方法。

作者：吳俊韓文民單位：江蘇科技大學(xué)