基于多資源理論的乘員信息處理作業認知行為建模研究

劉維平， 聶俊峰， 劉西俠

(裝甲兵工程學院 機械工程系， 北京 100072)

基于多資源理論的乘員信息處理作業認知行為建模研究

劉維平， 聶俊峰， 劉西俠

(裝甲兵工程學院 機械工程系， 北京 100072)

認知行為的有效性建模是裝甲車輛乘員信息處理作業狀態研究的關鍵技術，對提高人機系統的作戰效能具有重要意義。針對乘員作業類型由體力操縱作業向信息處理作業轉變的基本趨勢，對信息處理作業操作元進行了系統分析；通過多資源理論提取了乘員信息處理作業認知行為要素，基于任務- 網絡建模技術構建了認知行為模型，提出了主客觀結合的模型驗證流程，并面向任務對模型進行了實例驗證。結果表明，該模型能夠清晰地描述乘員信息處理作業的認知過程，準確地預測乘員作業績效，具有較好的預測精度和可重用性，是一種有效可行的信息處理作業認知行為模型。

兵器科學與技術； 裝甲車輛； 多資源理論； 信息處理； 認知行為建模； 績效

0 引言

隨著裝甲車輛人機系統可靠性和自動化水平的提高，艙室乘員工作逐漸向以監視、控制為主的信息處理作業轉變，由車輛性能和作業環境引起的作業事故越來越少，而由乘員特性造成的不安全事件比例卻逐漸上升。據統計資料顯示，裝甲裝備領域大約70%的事故是由人的因素所致，而其根源在于乘員認知行為的局限性[1]。因此，為了減少不安全事件的發生，充分發揮人機系統作業效能，就必須對信息處理作業中乘員認知行為進行建模研究[2-3]。

信息處理作業認知行為的深入研究對預測乘員作業績效、作業風險和工作負荷都具有重要意義。為此，認知行為模型的研究日益受到各國學者的高度重視[4-5]。Salvucci等[6]基于認知體系結構建立了汽車駕駛員認知行為模型，補充了視覺注意轉移模塊，定義了表征駕駛領域知識的產生式，模擬了駕駛任務績效。薛紅軍等[7]運用理性思維的自適應控制系統(ACT-R)認知架構對民用飛機飛行員駕駛技能獲得、提取和運用的內在機制進行認知建模，并以“飛行員告警信息處理”典型作業任務為對象進行試驗設計和一體化仿真，驗證了模型的有效性。陳為等[8]采用融合排隊網絡(QN)和ACT-R的認知模型框架構建了精細追蹤類監控作業的認知行為模型，并采用Micro Saint Sharp建模工具進行了可視化仿真，對模型進行了可行性分析。張紹堯等[9]構建了人控交會對接任務的認知集成模型，實現了感知、決策和控制3個認知過程，集成了任務仿真平臺，并采用3種績效數據對被試與模型進行了比較分析。

綜上所述，目前國內外學者對認知行為模型的研究較為廣泛，但仍存在以下不足：第1，研究主要集中在操作人員的局部認知行為，缺乏對認知行為一體化仿真建模的研究；第2，認知模型整體比較簡單，沒有完整的介紹認知模型構建方法，缺乏系統的驗證手段。本文針對信息處理作業中乘員認知行為建模問題，以多資源理論(MRT)為基礎，分析了乘員信息處理過程，確定了認知行為要素，基于任務- 網絡建模技術建立了一種應急條件下的乘員信息處理作業認知行為模型，并通過主客觀試驗對模型的有效性進行了系統驗證。

1 乘員信息處理過程分析

1.1 乘員信息處理模型

裝甲車輛乘員信息處理作業是指乘員通過各種感覺器官從外界搜集信息，對信息進行感知和理解，經大腦迅速形成指令，利用運動器官精確地進行反應來完成特定任務的過程。乘員信息處理過程是一個涉及注意、識別、記憶以及情緒動機等多方面要素的復雜心理過程，如圖1所示[10]。圖1中每個方框代表信息處理的各個階段或元素，箭頭表示信息流通方向。

圖1 乘員信息處理模型Fig.1 Human information processing model

1.2 乘員信息處理作業操作元模型

圖2 乘員信息處理操作元模型結構Fig.2 Operatal units of crew’s information processing

乘員信息處理作業操作元是指具有裝甲車輛乘員信息處理自身特點的操作元素。確定信息處理作業操作元是乘員信息處理作業認知行為建模的前提。通過對乘員信息處理作業操作動作的連續考察，考慮相同作業狀態乘員操作心理的相似性，構建乘員信息處理作業操作元模型，模型分為4個層次：第1為作業目標層，表現為操作者的操作總目標；第2為操作狀態層，表現為操作者的操作狀態；第3為操作元層，表現為操作者的操作進程，是流程的進程表；第4為行為要素層，表現為操作者認知行為的最基本元素。乘員信息處理作業操作元模型結構如圖2所示。

2 乘員信息處理作業認知行為要素分析

認知行為建模是指對乘員信息處理作業中的認知過程和作業績效進行仿真和分析的過程，其認知行為要素分析是建模的基礎。Wickens[10]以資源容量的觀點來描述認知行為，認為乘員具有一組性質類似、功能有限且容量一定的認知資源。隨著作業要求增大，完成作業所需的資源量也相應增加。當任務難度增加或多個任務發生資源競爭而導致資源短缺時，系統績效將下降。

圖3為四維MRT結構圖，該模型由4個具有兩級特征的維度組成，具體體現為區分知覺和反應的階段維度，區分聽覺和視覺的通道維度，區分空間加工和語言加工的編碼維度，以及區分焦點與外圍的視覺通道維度[11]。其中，階段、通道和編碼3個維度在一定程度上相互獨立，而視覺通道維度則嵌套在通道維度之中。

圖3 MRT模型結構圖Fig.3 Hypothesis model of processing resource structure

乘員在信息處理作業中會自動在信息源和維度中進行資源的選擇和分配，因此，MRT可表述為：乘員的信息處理源通常分為視覺、聽覺、認知及動作4個部分，任何任務都可由這4個處理源下的28種行為要素構成，MRT行為要素見表1所示。

3 乘員信息處理作業認知行為建模及驗證

3.1 乘員信息處理作業認知行為建模

3.1.1 任務- 網絡建模技術

認知過程任務- 網絡建模技術是一種對乘員認知過程按操作流程進行時間序列建模，并在任務實施過程中加以控制的計劃管理技術。

表1 MRT行為要素表Tab.1 Behavior elements of MRT

本文在此基礎上進行擴展，提出了基于通道的認知過程任務- 網絡建模方法。該方法將數學建模方法與圖示方法有機結合，可以清楚地表達各操作元及行為要素之間的相互關系，直觀地體現乘員各通道的信息處理情況。其基本表達形式為任務- 網絡圖，是一種由箭線和節點組成的有向、有序的網狀圖形[1]。任務- 網絡示意圖如圖4所示。

圖4 任務- 網絡示意圖Fig.4 Task-network based on executive channel

由圖4可以看出：節點是一個瞬間的邏輯連接點，既不占用時間也不消耗資源，用圓圈描述；節點1和節點8分別為起始節點和結束節點，其他節點均為中間節點，節點按照數字從1開始編號，服從緊前任務編號小于緊后任務編號的基本規則[1]；A、B、C分別表示各信息執行通道；A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3分別表示乘員的各行為要素[12-13]。

3.1.2 認知行為模型構建

認知行為模型構建的方法主要包括直接和間接兩種方法：直接法通過邊分解邊確定工作項目及其相互關系的方式直接構建認知行為模型；間接法依據前期編制好的工作項目及其相互關系明細表間接構建認知行為模型。直接法一般針對簡單系統，間接法則主要針對相對復雜系統。

3.1.3 模型參數辨識

為了實現乘員信息處理作業認知行為的定量分析，就要對認知行為模型參數進行辨識。認知行為模型參數主要是指時間參數，一般包括注意力轉移時間t1、知覺加工時間t2、目標搜索定位時間t3和反應執行時間t44個部分：

1)t1、t2屬于通用參數，即與任務無關的參數，可以通過一般數據進行辨識。

2)t3、t4屬于任務相關參數，可根據試驗數據，通過相關定律進行辨識。目標搜索定位時間通過Hick-Hyman定律[14]進行辨識，即

t3=a1+b1log2(n+1),

(1)

式中：a1、b1為常數；n為選擇按鍵的數目。

反應執行時間通過Fitts定律[15]進行辨識，即

t4=a2+b2log2(A/W+1),

(2)

式中：a2、b2為常數；A為按鍵到手部初始位置的距離；W為按鍵的有效寬度。

3.2 乘員信息處理作業認知行為模型驗證

認知行為模型的有效性和準確性驗證是模型仿真活動前必須執行的步驟，其檢驗結果直接反映了模型構建的成敗，按照驗證順序，認知行為模型驗證一般分為模型結構驗證和仿真結果驗證兩個部分[16]。

3.2.1 模型結構驗證

模型結構驗證是對認知行為模型的結構可行性進行驗證，主要是指對認知模型描述的合理性、操作元提煉的科學性、行為要素間關系描述的正確性、系統假設的一般性等進行初步的主觀定性驗證[17]。其驗證過程可分4個部分，分別為：

1)評價指標集構建。評價指標根據指標的影響大小進行確定，建立指標集就是將評價指標體系具體化。因此，評價指標集X可確定為

X={x1,x2,…,xi}，i=1，2,…，m.

(3)

2)指標權重集構建。評價指標權重根據指標的重要程度進行確定。指標權重集一般采用層次分析法通過兩兩比較來構建。假設指標集X對應的權重集為

w={s1,s2,…,si}，si∈[0,1],

(4)

3)評分方式構建。選擇相關領域專家共q位評價者，將評分范圍確定為[50，100]，評分標準對照表如表2所示[18]。

表2 指標評分標準對照表Tab.2 Reference list for scoring criteria

(5)

(6)

(7)

則指標xi的得分為

(8)

則總得分為

(9)

3.2.2 仿真結果驗證

仿真結果驗證是在模型結構驗證合格的基礎上，對認知行為模型的有效性和仿真結果的準確性進行客觀定量驗證。基于乘員信息處理作業模擬仿真系統，以乘員信息處理作業各操作元反應時間等作為認知行為模型評價指標，利用誤差分析等方法對認知行為模型進行仿真驗證。其一般流程如圖5所示。

圖5 乘員認知行為模型仿真驗證流程Fig.5 Human cognitive model verification process

4 實例分析

報文擬制作業是裝甲車輛應急任務條件下最常用的信息處理作業之一，貫穿于作戰任務的始終，具有典型性強、敏感性強、戰時常用的作業特性，因此，本文以報文擬制作業為例，對乘員信息處理作業認知行為進行建模研究。

4.1 操作元模型構建

通過對應急任務條件下裝甲車輛乘員報文擬制信息處理作業操作動作的連續考察，參考乘員專業教范，提煉出了具有乘員操作特點的報文擬制操作元素，確定了信息處理作業準備、信息處理作業和空閑休息3個操作狀態，考慮到操作狀態的應急性，只對信息處理作業狀態進行研究；建立了信息處理作業狀態下的4個基本操作元：作業類型選擇、報文類型選擇、報文信息選擇和報文信息發送；并基于MRT分析了各操作元的認知行為要素，報文擬制作業操作元模型如圖6所示。

圖7 乘員信息處理作業認知行為模型Fig.7 Cognitive process task-network of crew’s information processing

4.2 認知行為模型構建

根據乘員報文擬制作業操作元模型，對照操作元認知行為要素，通過直接法構建乘員信息處理作業認知行為模型如圖7所示。

認知行為模型各項目明細及其關系如表3所示。

4.3 認知行為模型參數辨識

模型主要假設和參數估計值如表4所示。

根據表4和(1)式、(2)式即可得出t3=188 ms、t3=338 ms，t4=467 ms、t4=370 ms. 進而對乘員信息處理作業認知行為模型參數進行辨識，得出操作元O1、O2、O3和O4的信息處理時間分別為TO1=

圖6 報文擬制作業操作元模型Fig.6 Operatal units of crew’s information writing

操作元執行通道內容及代號視覺A1發現A2空閑A3查找A4發現O1認知B1準備B2判斷B3識別B4決定反應C1空閑C2鍵入視覺A5發現A6空閑A7查找A8發現O2認知B5準備B6判斷B7識別B8決定反應C3空閑C4鍵入視覺A9發現A10空閑A11查找A12發現O3認知B9準備B10判斷B11識別B12決定反應C5空閑C6鍵入視覺A13發現A14發現A15查找O4認知B13準備B14判斷B15識別B16決定反應C7空閑C8鍵入

1 346.02 ms，TO2=1 088.13 ms，TO3=2 078.21+370.2fms，TO4=1 208.23 ms.

表4 模型主要假設和參數估計Tab.4 Model parameters and values

4.4 認知行為模型驗證

4.4.1 初始參數設置

為了驗證認知行為模型的合理性及準確性，初始條件參數設置如下：報文信息內容為“普通報告同級電臺遭到干擾”，即報文類型為“報告”，報文信息為“電臺遭到干擾”，報文狀態為“普通”，發送對象“同級”。主觀評價專家人數q=7，仿真實驗被試人數r=10，故實驗變量水平為：選擇次數f(6)×目標有效寬度W(15 mm)×初始距離A(25 cm)×每種水平5次，共進行5×10=50次模擬實驗。

4.4.2 模型結構驗證

對認知行為模型進行主觀定性驗證，根據驗證內容構建評價指標集，確定各指標權重，進而進行專家打分，得出驗證結果如表5所示。

表5 模型結構驗證結果Tab.5 Model verification results

由表5可以看出，乘員信息處理作業認知行為模型的各項指標評價結果均為較好以上(U≥80)，綜合評價結果，可以初步認定所構建的認知行為模型設計合理、描述清晰、一致性較好。

4.4.3 仿真結果驗證

為了進一步驗證認知行為模型的性能，進行仿真結果驗證。通過信息處理作業仿真實驗共得到41組有效數據，逐一提取每一操作元乘員信息處理作業績效數據，對數據進行統計分析，得到被試實驗數據與模型預測數據統計情況，如表6所示。

表6 實驗數據與模型預測數據統計表Tab.6 Statistics of experimental and predicted data

各操作元數據對比分析結果分別如圖8～圖11所示。

圖8 O1數據對比分析圖Fig.8 Analyzed result of O1

圖9 O2數據對比分析圖Fig.9 Analyzed result of O2

圖10 O3數據對比分析圖Fig.10 Analyzed result of O3

圖11 O4數據對比分析圖Fig.11 Analyzed result of O4

由表6和圖8～圖11可知，各被試績效數據均值與模型預測值基本吻合，績效數據在各被試均值附近波動平穩，標準差系數很小(≤0.05)。這說明認知行為模型是有效的，且準確性較好。

5 結論

乘員信息處理作業認知行為建模問題的研究具有重要現實意義，本文在對乘員信息處理過程分析的基礎上，從信息處理的MRT出發，提取了認知行為要素，通過任務- 網絡建模技術構建了認知行為模型，提出了認知行為建模方法，并應用該方法對報文擬制信息處理作業進行了認知行為建模分析研究，分層驗證了模型的有效性。研究表明，該方法針對乘員信息處理作業中認知特性，為裝甲車輛乘員信息處理作業認知行為模型的構建提供了有效的解決方法，主要表現在：

1)該方法對乘員信息處理作業進行了單元化處理，并基于任務- 網絡建模技術模擬了乘員各操作元作業認知過程，可以針對不同類型信息處理作業進行單元重組，提高了模型的適應性，拓展了模型的應用范圍。

2)該方法通過主觀定性和客觀定量的分層驗證方法對乘員信息處理作業認知行為模型進行了有效性驗證，實現了方法的閉環研究。

3)驗證結果表明，本文提出的建模方法可以很好地構建乘員信息處理作業認知行為模型，乘員實驗績效數據與模型預測值誤差很小，反映了模型的準確性。

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Cognitive Modeling for Crew’s Information Processing Based onMulti-resource Theory

LIU Wei-ping， NIE Jun-feng， LIU Xi-xia

(Department of Mechanical Engineering， Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China)

The effective cognitive model is a key technology to study the information processing work state of armored vehicle crew and enhances the combat effectiveness of man-machine system. In view of the basic trend of transforming the physical operating task to information processing task，the operatal units are systematically analyzed，the cognitive elements are extracted based on multi-resource theory(MRT), a cognitive model is established based on task-network，and the objective-subjective verification process for crew’s cognitive model is proposed. The model is verified through example, with an aim to solve the problem of cognitive modeling. The results indicate that the proposed model could be used to describe the whole cognitive process of crew’s information processing task, and predict the reaction times of operatal units accurately. It has high prediction accuracy and reusability preferable. It is an effective and feasible approach for crew's cognitive modeling.

ordnance science and technology； armored vehicle； multi-resource theory； information processing； cognitive modeling； performance

2016-11-08

聶俊峰(1989—)，男，博士研究生。E-mail：njf0706@126.com

劉維平(1961—)，男，教授，博士生導師。E-mail：lwpyxlzh@sohu.com

TJ810.1

A

1000-1093(2017)06-1215-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.022