不同任務需求下軍用車輛乘員信息作業適宜性評價指標研究

傅斌賀， 劉西 張傳清， 宋海軍

(1.武警工程大學烏魯木齊校區 裝甲車技術系， 新疆 烏魯木齊 830049； 2.陸軍裝甲兵學院 車輛工程系， 北京 100072)

0 引言

軍用車輛乘員依托車載信息系統完成戰場態勢和車輛狀態等信息的采集、傳輸、處理和存儲等信息作業[1]，監控和操作任務隨機性強，實時信息交互量大，操作行為復雜，對乘員能力提出了很高的要求。與此同時，不同的信息作業任務因其操作特點的不同，對乘員能力的需求有所差異。為滿足這種差異性需求，應針對不同任務進行乘員的信息作業能力評價，依據評價結果進行乘員的選拔和訓練。在這一過程中，建立與任務需求相適應的乘員信息作業適宜性評價指標，是乘員信息作業能力評價的重要環節和難點問題。因此，開展乘員的信息作業適宜性評價指標研究，有助于不同任務背景下乘員作業能力的科學評價，對發揮乘員能力和提高裝備效能具有重要意義。

信息作業適宜性作為乘員的固有屬性，體現為乘員認知能力和心理運動能力的個體差異。通過分析乘員認知能力和心理運動能力對信息作業任務績效的影響，能夠確定任務績效的預測因子，從而建立乘員信息作業適宜性評價指標。關于認知能力和心理運動能力對任務績效的影響作用，國內外學者進行了大量研究。Jipp[2]通過模擬實驗分析認知能力對飛行監控任務績效的影響，發現記憶能力和注意能力能夠有效提高監控任務的反應速度。Brandenburger等[3]采用反應時作為自動化列車操作績效的評價指標，研究了專業知識和自動化程度對列車操作績效的影響。同時，心理運動能力測試已廣泛應用于美國空軍飛行員選拔測試中，如自動化飛行員測驗系統、基本航空技能測試和維也納心理測試系統等[4]。Cheong等[5]采用任務績效回歸建模研究心理運動能力對鼠標操作績效的影響，發現手動靈活性和腕- 指速度是鼠標操作績效的重要預測因子。Oehl等[6]通過對比實驗研究心理運動能力對觸屏操作績效的影響，發現心理運動能力中瞄準能力是觸屏操作績效的重要預測因子。Pan等[7]通過模擬實驗建立空間飛行應急操作績效預測模型，發現注意能力是任務完成時間和錯誤率的重要預測因子。雷寰宇等[8]采用多目標追蹤的變式方法調查了飛行員在躲避干擾物時的追蹤績效，結合飛行員任務特點選取了持續追蹤時間作為手眼協調能力的評價指標。劉旭峰等[9]和韓厲萍[10]采用復雜選擇反應測試評估飛行員基于操縱桿按鍵的雙手操縱能力。

然而，不同類型的作業任務具有不同的操作特點，對操作人員提出了不同的任務需求，操作人員的表現僅受到特定任務需求的影響[11]。例如：工業事故應急處理過程中，負責管理決策任務的管理者，其行為受到認知和心理方面影響更大，而負責執行操作任務的團隊成員，其行為受到心理和生理影響更大[12]。在車輛駕駛任務中，正常情況駕駛與危險情況駕駛具有不同的駕駛行為特征，兩種情況下對駕駛技能的需求也存在差異。正常情況駕駛采用搜索、速度控制和方向控制等駕駛行為表征，需要的駕駛技能為動態視覺信號感知能力、場依存性和注意能力；危險情況駕駛采用搜索、確認、預測、決定和執行等駕駛行為表征，需要的駕駛技能為場依存性[13]。以上研究結果表明，適宜性評價指標的選取會在不同的任務需求下存在差異。

綜上所述，以往研究采用認知能力或心理運動能力單獨確定操作員作業能力評價指標，在反映不同任務對兩種能力的差異性需求方面還需要進一步分析。鑒于此，本文針對軍用車輛信息錄入和原地對靜止目標射擊兩種任務開展實驗研究，基于認知能力和心理運動能力建立任務績效多元回歸模型，對比分析兩種任務不同的績效預測因子，從而建立與任務需求相適應的乘員信息作業適宜性評價指標。

1 實驗方法

1.1 被試人員

選取30名具有相同培訓經歷和專業等級的乘員，年齡在20～25歲(平均年齡21歲)，男性，均為右利手，身體健康，聽力和矯正視力正常。

1.2 測試系統

測試系統為自主開發的裝甲車輛信息系統人機工效實驗平臺[14]，能夠實現作業模擬、績效測試、參數設置和數據管理等功能。作業模擬功能隨機生成任務信息，模擬信息處理和射擊操作過程；績效測試功能實時記錄操作行為、完成時間、操作次數和錯誤次數等測試結果；參數設置功能通過修改選項數量、信息容量、作業時間、間隔時間、作業次數等參數，實現任務復雜度和時間壓力的設置。

1.3 實驗內容

1.3.1 認知能力測試

反應能力通過選擇反應時測量[15]。屏幕隨機呈現3種顏色視覺刺激中的1種，要求被試人員以最快速度按下相應顏色按鍵。選擇反應時為視覺刺激出現至被試人員正確按鍵之間的時間。1 s后開始下一次測試，20次實驗結果取均值為被試人員的選擇反應時。

記憶能力通過短時記憶廣度測量[16]。屏幕隨機呈現單個數字，組成數字序列，每個數字顯示1 s，數字之間間隔0.3 s. 測試從5位數字的數字序列開始，每位數字序列連續測試3次，位數逐漸增加直至被試人員錯誤操作連續3次。數字序列消失后，被試人員輸入顯示的數字序列，要求數字序列內容和順序都完全吻合。被試人員的短時記憶廣度定義為連續正確復現3次的數字序列位數與下一位數正確復現次數1/3的總和。

注意能力通過注意廣度測量[7]。屏幕呈現一個三角形測試板，以50 r/min的速度逆時針勻速轉動，轉動中的三角形測試板透明圖案產生運動光斑。要求被試人員手握測試棒，使測試棒在1 min內最大程度地持續追蹤旋轉光斑。被試人員的注意廣度定義為測試棒成功追蹤旋轉光斑的總時間。

1.3.2 心理運動能力測試

手眼協調能力通過描繪信封靶成績測量。屏幕呈現信封靶圖形，要求被試人員通過操縱火控系統操縱臺沿著信封靶圖形邊緣移動準星，以最快速度描繪信封靶完整圖形。描繪線距中心線不超過6 mm為描繪成功，成功描繪的總時間即為被試人員的描繪信封靶成績。

雙手操縱能力通過雙手選擇反應成績測量。屏幕呈現4個指示燈，一一對應于火控系統操縱臺左右手的4個按鍵。某一指示燈亮起時，要求被試人員以最快速度按下對應位置按鍵，測試時間為1 min. 左、右手選擇反應正確率的幾何平均數即為被試人員的雙手選擇反應成績。

1.3.3 信息作業任務績效測試

軍用車輛乘員專業技術分為通信、射擊和駕駛3項，要求通信指揮可靠，射擊準確及時，駕駛快速平穩，協同動作密切。其中，通信和射擊專業任務基于車載信息系統操作，是乘員重要的信息作業任務。要求車長熟練使用各種通信指揮工具，迅速發現、選擇和指示目標，正確運用通信規則實施指揮和協同；要求炮長熟悉武器系統基本構造和工作原理，掌握觀察測距、武器操作、瞄準發射、規則運用和車內協同等技能，熟練使用車載武器進行準確射擊。信息錄入任務是車長通信專業任務最常用的作業內容之一，貫穿作業任務始終，信息錄入過程中的菜單選擇和數字輸入操作為基于信息系統的信息作業典型操作形式；原地對靜止目標射擊任務是炮長射擊專業任務最常用的作業內容之一，其目標搜索、選彈、裝彈、瞄準、測距和擊發等操作是對運動目標射擊和行進間射擊等射擊任務操作的基礎。因此，選取信息錄入任務和原地對靜止目標射擊任務分別作為車長通信專業任務和炮長射擊專業任務的測試內容。

信息錄入任務是指乘員發現目標后識別、判斷目標的屬性信息，基于車載信息系統錄入上報的過程，如圖1所示為信息錄入任務界面示意圖。

圖1 信息錄入任務界面Fig.1 Illustration of information imputing task interface

系統隨機模擬信息錄入任務情境，生成包含目標屬性、類型、數量、方位和速度的目標信息。屏幕右下角顯示目標信息最長3 s，直至被試人員按下“輸入”按鍵，被試人員在有限時間內快速理解和記憶目標信息內容。目標信息顯示后，要求被試人員通過菜單單選和鍵入的方式以最快速度輸入目標信息。每次測試以按下“輸入”鍵開始計時，以按下“確定”鍵結束。間隔2 s后進行下一次測試，被試人員的任務績效通過10次測試的任務完成時間均值和錯誤率兩項指標表征。

原地對靜止目標射擊任務是指乘員接收敵方目標信息后，基于火控系統和操縱臺進行目標搜索和瞄準擊發的過程，如圖2所示為原地對靜止目標射擊任務界面示意圖。

圖2 原地對靜止目標射擊任務界面Fig.2 Illustration of in-situ target shooting task interface

系統隨機模擬原地對靜止目標射擊任務情境，生成包含彈種、目標方位、目標類型、擊發命令的任務信息，以及復雜地貌和遮蔽物條件下的目標位置。任務信息通過語音形式呈現1次，被試人員在接收任務信息后，在20 s的有限時間內通過火控系統和操縱臺以最快速度完成目標搜索、選彈、裝彈、瞄準、測距和擊發等操作。每次測試以擊發命令開始計時，以按下“擊發”鍵結束，間隔3 s后進行下一次測試，被試人員的任務績效通過10次測試的任務完成時間均值和未命中率兩項指標表征。

1.4 實驗設計

實驗開始前被試人員進行20 min練習以熟悉實驗系統和操作流程。實驗采用被試內設計，為避免順序效應和學習效應，所有被試人員按照認知能力、心理運動能力、信息錄入任務、原地對靜止目標射擊任務的順序完成實驗，相鄰實驗之間安排10 min休息時間。

1.5 數據分析方法

采用雙變量相關分析的Spearman秩相關系數分析任務績效、認知能力和心理運動能力之間的相關關系，采用逐步多元回歸分析方法確定基于認知能力和心理運動能力的任務績效預測因子。

2 實驗結果

如表1所示為被試人員的認知能力、心理運動能力和任務績效測試結果。反應能力、信息錄入任務(任務A)完成時間和錯誤率、原地對靜止目標射擊任務(任務B)完成時間和未命中率等結果的較高數值表示較差的表現，記憶能力、注意能力、手眼協調能力和雙手操縱能力等結果的較高數值表示較好的表現。

表1 認知能力、心理運動能力和任務績效測試結果Tab.1 Measurement results of cognitive ability, psychomotor ability and task performance

2.1 任務績效相關分析

為確定不同任務下績效結果的關系，對任務A和任務B績效結果進行相關分析，如表2所示為任務A與任務B績效相關分析結果。從中可以看出，任務A與任務B績效結果相關性不顯著，執行任務A所需的認知能力和心理運動能力可能與任務B不同。

表2 任務A與任務B績效相關分析Tab.2 Correlation between Task A and Task B performances

注:*表示差異顯著，顯著性概率<0.05.

2.2 任務績效與認知能力和心理運動能力相關分析

為檢驗認知能力和心理運動能力與任務績效的相關性，對任務績效與認知能力和心理運動能力進行相關分析，結果如表3所示。對于任務A，完成時間與反應能力(相關系數r=0.470，顯著性概率p=0.009)、記憶能力(r=-0.598，p=0.000)和注意能力(r=-0.651，p=0.000)顯著相關，錯誤率與記憶能力(r=-0.715，p=0.000)和注意能力(r=-0.644，p=0.000)顯著相關，任務A績效與心理運動能力相關性不顯著。

表3 任務績效與認知能力和心理運動能力 相關分析Tab.3 Correlation between task performance and cognitive ability (psychomotor ability)

注:*表示差異顯著，p<0.05.

任務B的完成時間與注意能力(r=-0.416，p=0.022)、手眼協調能力(r=-0.552，p=0.002)和雙手操縱能力(r=-0.513，p=0.003)顯著相關，未命中率具有相同的趨勢(r=-0.516，p=0.004；r=-0.447，p=0.013；r=-0.456，p=0.011)，任務B績效與反應能力和記憶能力沒有顯著的相關性。

2.3 任務績效的多元回歸分析

為確定基于認知能力和心理運動能力的任務績效預測因子，采用逐步多元回歸分析方法，對認知能力和心理運動能力與任務績效之間建立多元回歸模型，結果如表4所示，其中B為非標準化參數，β為標準化參數，R2為決定系數。對于任務A，注意能力(p=0.022)、記憶能力(p=0.003)和反應能力(p=0.028)是完成時間的顯著預測因子，能夠解釋63.4%的變化。記憶能力(p=0.001)和注意能力(p=0.003)是錯誤率的顯著預測因子，能夠解釋62.0%的變化。由標準化參數β可以看出，記憶能力對完成時間(β=-0.424)和錯誤率(β=-0.509)影響程度最大。

對于任務B，手眼協調能力(p=0.000)和注意能力(p=0.011)是完成時間的顯著預測因子，能夠解釋50.7%的變化。雙手操縱能力(p=0.005)和注意能力(p=0.006)是未命中率的顯著預測因子，能夠解釋42.9%的變化。手眼協調能力(β=-0.580)對完成時間影響程度最大，雙手操縱能力(β=-0.445)對未命中率影響最大。基于認知能力和心理運動能力的任務績效回歸方程如下：

表4 逐步多元回歸分析結果Tab.4 Results of stepwise multiple regression analysis

注:*表示差異顯著，p<0.05.

(1)

式中：yACT為任務A完成時間；yAER為任務A錯誤率；yBCT為任務B完成時間；yBER為任務B未命中率；xRA為反應能力；xMA為記憶能力；xAA為注意能力；xHECA為手眼協調能力；xBOA為雙手操縱能力。

3 討論

本文主要目的是基于認知能力和心理運動能力確定任務績效的預測因子，建立乘員在不同任務需求下的信息作業適宜性評價指標。有理由期望，在一項任務中表現優異的乘員，在另一項任務也趨向于顯示出較好的績效。然而，本文研究結果與這個預期相悖，實驗數據表明乘員的信息錄入任務績效與原地對靜止目標射擊任務績效沒有關聯。對于這個結果可以推測，不同任務對乘員能力的需求可能具有差異。盡管兩項任務的績效指標類似，但任務背景和操作特點差異明顯。信息錄入任務中手指通過觸屏對視覺目標直接操作，視覺目標隨操作動作同步變化[17]，操作過程主要涉及識別、選擇反應、記憶、決策等認知行為[18]。相比之下，原地對靜止目標射擊任務中雙手通過火控系統操縱臺對準星進行間接操作，準星移動與操作動作不同步，雙手分別控制不同功能，更加強調意識對肢體動作的支配和協調。

對于信息錄入任務，完成時間與反應能力、記憶能力和注意能力顯著相關，錯誤率與記憶能力和注意能力顯著相關，結果與之前研究相一致[19]。信息錄入任務為單手通過觸屏直接、實時操作，操作過程涉及手眼協調能力和雙手操縱能力較少，因此任務績效與心理運動能力相關不顯著。

原地對靜止目標射擊任務的完成時間和未命中率均與心理運動能力和注意能力顯著相關，注意資源的高度集中和合理分配對于信息作業執行的速度和準度都尤為重要[2,7]。反應能力主要反映的是簡單操作的認知行為能力，但射擊專業任務更多要求的是反應認知行為之后的執行操作能力。原地對靜止目標射擊任務中所需記憶的內容信息量小，僅為彈種和目標方位，并且第一項操作即為選彈，不需要維持長時間記憶，因此任務績效與反應能力和記憶能力相關性不顯著。這一結果也與任務績效相關分析結果相符，信息錄入任務的整個操作過程都需要維持對目標信息的記憶，實驗結果顯示信息錄入任務完成時間與錯誤率呈顯著的正相關，可以理解為以更快的速度完成信息錄入任務，能夠減少所需維持記憶的時間，從而降低記憶難度，有助于達到更高的準確性。然而，這種相關性在原地對靜止目標射擊任務中并不顯著，這是因為射擊專業任務主要操作過程為目標搜索和瞄準，相對充足的瞄準時間甚至有利于提高命中率，由此出現作業速度和準度之間的權衡[20-21]效應。而在這個操作過程中不需要對目標信息維持長時間的記憶，因此更好的記憶能力無法對射擊專業任務績效做出貢獻。

多元回歸分析結果表明，不同任務的績效預測因子具有差異。對于信息錄入任務，完成時間的顯著預測因子為反應能力、記憶能力和注意能力，錯誤率的顯著預測因子為記憶能力和注意能力，通信專業任務績效的預測因子主要為認知能力。對于原地對靜止目標射擊任務，完成時間的顯著預測因子為注意能力和手眼協調能力，未命中率的顯著預測因子為注意能力和雙手操縱能力，射擊專業任務績效的預測因子同時涉及了認知能力和心理運動能力。這種差異表明任務績效的預測因子隨任務而改變，乘員信息作業適宜性評價指標的選取應與任務背景和操作特點相適應。

從任務績效預測因子的影響程度也可以看出，記憶能力對信息錄入任務績效影響最大，通信專業任務應優先選拔和培訓記憶能力較好的乘員。在執行原地對靜止目標射擊任務時，雖然注意能力也是任務績效的重要預測因子，但心理運動能力影響更大。相比于認知能力，射擊專業任務的乘員選拔和訓練應更加強調心理運動能力。

4 結論

1)不同的信息作業任務對乘員能力需求具有差異性，軍用車輛乘員作業能力評價應結合任務需求建立作業適宜性評價指標，從而解決乘員能力與任務需求之間的適應性問題。

2)開展乘員作業能力評價工作，建議針對不同任務采用相應的作業適宜性評價指標。對于通信專業任務，選取反應能力、記憶能力和注意能力作為操作速度適宜性評價指標，記憶能力和注意能力作為操作準度適宜性評價指標；對于射擊專業任務，選取手眼協調能力和注意能力作為操作速度適宜性評價指標，雙手操縱能力和注意能力作為操作準度適宜性評價指標。

3)軍用車輛乘員選拔和訓練中，通信專業任務應重點考察記憶能力，射擊專業任務應側重于心理運動能力測試。研究結果為確定與任務需求相適應的乘員作業能力評價指標提供參考，為針對其他任務背景的乘員選拔和訓練提供借鑒。