數字化核電廠界面管理任務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(湖南工學院 人因與安全工程研究院，湖南 衡陽 400)

數字化系統人機界面交互中，主要涉及兩類任務，即第一類任務和界面管理任務(也稱第二類任務)，界面管理任務支持和輔助第一類任務的完成，是操縱員執行過程必不可少的環節。第一類任務主要是完成對電廠狀態的監控和評估，界面管理任務主要為主任務提供更加快捷、方便的方式，主要包括：配置，導航，安排，詢問等。

與人機界面相比，界面管理任務研究成果不多。1986年，EMBREY D E.SHERPA首次發現界面管理任務占據操縱人員注意力，對第一類任務績效有影響，且在高負荷情況下，操縱員執行界面管理任務的績效較差，為界面管理任務對操縱員影響的研究奠定了基礎[1]。在此基礎上，John M.O’ Hara等報告了界面管理任務對操縱員的影響，提出界面管理任務降低了操縱員執行第一類任務的績效，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、交互過程優化等奠定了研究方向和理論基礎[2]。張力等基于國內某數字化核電廠全范圍模擬機上操縱員的操作錄像視頻，分析了核電廠數字化主控室界面管理任務特征，為界面管理任務特征研究提供了方法指導[3]。戴立操等從監視檢測、狀態評估、計劃響應、計劃執行四種主要的認知行為中分析了界面管理任務對操縱員的影響，提出了相應的人誤措施，為界面管理任務下操縱員認知過程影響因子體系研究提供了基礎[4]。甘文娟等研究了界面管理任務復雜度對數字化核電廠操縱員作業績效的影響，提出了在無時間壓力和低時間壓力水平下，完成不同復雜度的界面管理任務的平均執行時間具有顯著差異，完成不同復雜度的界面管理任務的失誤率雖有所不同，但并無顯著性差異，為界面管理任務對操縱員影響的因素研究提供研究基礎和思路[5]。顧玲玲等在分析第一類任務、界面管理任務兩者關系的基礎上詳細闡述了界面管理任務對操縱員的影響以及可能引發的失誤，并針對影響和失誤，從認知心理學角度提出改善措施，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特征、對操縱員的影響、對作業績效的影響、對第一類任務的影響等方面開展了研究，為界面管理任務后續研究打下基礎，為界面管理任務執行策略、績效改善提供指導。本文在此基礎上，深入探討核電廠界面管理任務對操縱員心理負荷及注意力資源的影響，為人機界面設計的改進、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。

一 概念描述及指標定義

NUREG/CR-6690指出，界面管理任務降低了第一類任務績效，增加了操縱員的負擔。為進一步研究界面管理任務對操縱員的影響，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的概念，目前國內外尚未有統一的定義。Rouse等認為，心理負荷不僅與任務有關，也與個體有關，一樣的工作任務，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行特定任務時使用的那部分信息處理能力[8]。注意力是指由注意產生的認知資源，注意力分配通常是為了預測在某個特殊領域或者某個特殊任務上的注意力[9]。本文主要探討界面管理任務對心理負荷及注意力資源的影響情況。

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

二 數字化核電廠界面管理任務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，選取任務復雜性為自變量，本文任務復雜性分為3個等級，1=不復雜，2=一般，3=復雜。根據相關研究[14]，任務復雜性指操縱員在執行任務時，所需的不同認知要求所顯現的認知任務特征，主要表征為注意力、記憶力、推理、信息加工、決策等的復雜程度。界面管理任務“不復雜”，指基本不需要操縱員的記憶力、推理、信息加工，依賴操縱員的經驗就能完成的任務。界面管理任務“一般”，指操縱員完成任務過程受一些規則影響和支配，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“復雜”，指操縱員需要更多的注意力、推理、信息加工或決策，任務完成需要根據當前情況動態做出判斷、決策，基本上沒有完全一致的范式可用。

(一)分析目的

1.本文通過調研，測評界面管理任務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據，分析指標對操縱員的影響情況。

3.分析當任務復雜性不同時，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果之間的相關性。

(二)調研實施

本次調研主要通過問卷形式來獲得各指標數據。由人因工程學者及專家，基于任務復雜性(復雜性劃分為3個等級)，進行量表填寫。共發放問卷35份，收集35份，其中有效問卷31份。

(三)數據分析

1.界面管理任務對操縱員心理負荷的影響分析

(1)信度分析

對收集到的數據進行分析，分析工具為SPSS 17.0，其信度見表2。

表2 心理負荷可靠性統計量

從表2看出，當任務復雜性不同時，界面管理任務對操縱員心理負荷調查數據信度均在0.9以上，信度較好。

(2)均值分析

經分析，界面管理任務對操縱員心理負荷影響均值見表3。

表3 心理負荷描述性統計表

表3顯示，以均值為準則，當任務等級為“不復雜”時，界面管理任務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”。當任務復雜度為“一般”時，界面管理任務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”“任務難度”“疲勞程度”。當任務等級為“復雜”時，界面管理任務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”“任務難度”“緊張度”。

顯然，不管任務復雜程度如何，界面管理任務對操縱員心理負荷影響較大的幾個影響因子為“腦力需求”“任務難度”“緊張度”“疲勞程度”。這與現實情況是一致的，因為腦力需求越大，心理負荷就越大。同理，若任務難度越大、緊張程度越高、疲勞度越高，則對應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，在執行任務過程中，操縱員對任務進行感知、判斷、執行，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)相關性分析

經分析，界面管理任務對操縱員心理負荷影響因子之間的相關性見表4。

從表4可看出，任務復雜性為“不復雜”時，任務難度與腦力需求、體力需求、緊張度、努力程度相關系數分別為0.912，0.944，0.869，0.898，可以看出，任務難度與腦力需求、體力需求、努力程度在0.05水平上存在顯著相關。任務難度與疲勞程度相關系數為0.997，在0.01水平上顯著相關。

表4 界面管理任務對操縱員心理負荷影響的因素之間相關性

任務復雜性為“一般”時，任務難度與腦力需求、努力程度均為0.94，在顯著水平為0.05上存在顯著相關性。任務難度與體力需求、疲勞程度在0.01水平上顯著相關。

任務復雜性為“復雜”時，任務難度與腦力需求、緊張度、努力程度、疲勞程度相關系數分別為1，1，1，0.991，在0.01水平上顯著相關。

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

影響因子相關性數據表明，在一定程度上，任務難度對腦力需求、緊張度、努力程度、疲勞程度有很大影響，這是因為當任務復雜性增加時，操縱員需要表征出更多的監視、判斷、執行、畫面配置、導航等，勢必增加操縱員的認知負荷、資源消耗等，因此，若能對任務復雜性，任務流程，任務的交互過程進行優化，將對減少操縱員的負荷，改善與其相關影響因子性能，提高人因可靠性有很大幫助；疲勞程度與腦力需求、任務難度、緊張度相關，這是因為當操縱員連續工作，處于疲勞狀態時，生理機能下降，下降越明顯對執行任務的影響會越大，因此，減少操縱員的疲勞能提高操縱員執行任務的績效，提高其他相關影響因子水平。

2.界面管理任務對操縱員注意力資源分配影響分析

(1)信度分析

對收集到的數據經SPSS 17.0分析，獲得其信度，見表5。

表5 注意力可靠性統計量

從表5看出，當任務復雜性不同時，界面管理任務對操縱員注意力影響調查數據信度均在0.9以上，信度較好。

(2)影響度均值分析

界面管理任務對操縱員注意力影子因子均值分析結果見表6。

表6 注意力影響均值統計表

表6顯示，從均值看，當任務等級為“不復雜”時，界面管理任務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”“二類任務占有的注意力資源對第一類任務的影響度”“二類任務對注意力的消耗程度”。當任務復雜性為“一般”時，界面管理任務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”“二類任務占有的注意力資源對第一類任務的影響度”“二類任務對注意力的消耗程度”“腦力負荷”。當任務水平為“復雜”時，界面管理任務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”“二類任務占有的注意力資源對第一類任務的影響度”“腦力負荷”“二類任務對注意力的消耗程度”。

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

(3)相關性分析

界面管理任務對操縱員注意力影響的因素之間相關性分析見表7。

表7 界面管理任務對操縱員注意力影響的各因素之間相關性

從表7看出，任務等級為“不復雜”時。“二類任務對注意力的消耗程度”與“二類任務占有的注意力資源對第一類任務的影響度”“疲勞度”的相關系數分別為0.89，0.943，“二類任務對注意力的消耗程度”與“二類任務占有的注意力資源對第一類任務的影響度”及“疲勞度”在0.05水平上存在顯著相關；“二類任務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”相關系數分別為0.978，0.97，0.965，0.969，在0.01水平上他們之間存在顯著相關。

任務復雜性為“一般”時。“二類任務對注意力的消耗程度”與“緊張度”“操作負荷”的相關系數分別為0.901，0.887，“二類任務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；“二類任務對注意力的消耗程度”與“心理壓力”“疲勞度”“腦力負荷”相關系數分別為1，0.977，0.997，在0.01水平上他們之間存在顯著相關。

任務復雜性為“復雜”時。“二類任務對注意力的消耗程度”與“疲勞度”相關系數為0.894，“二類任務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；“二類任務對注意力的消耗程度”與“二類任務占有的注意力資源對第一類任務的影響度”“緊張度”“操作負荷”“疲勞度”“腦力負荷”相關系數分別為0.962，0.985，0.986,1，在0.01水平上他們之間存在顯著相關。

當任務為“不復雜”時，每個影響因子之間均顯著相關。顯然，不管任務復雜性如何，在0.01或0.05水平上，二類任務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；緊張度與二類任務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；操作負荷與二類任務對注意力的消耗程度、緊張度顯著相關；疲勞度與二類任務對注意力的消耗程度、腦力負荷顯著相關；腦力負荷與二類任務對注意力的消耗程度、疲勞度顯著相關。

上述影響因子相關性情況說明，在一定程度上，二類任務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，說明任務較復雜或任務較多，當任務多或復雜時，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對注意力的消耗程度、緊張度存在相關符合現實情況。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，可通過優化界面、改善規程、提高自動化水平、加強組織管理等手段來實現。

三 結 論

本文以問卷調查為手段，研究了核電廠界面管理任務對操縱員心理負荷及注意力的影響。經文獻梳理，結合實際情況，分別獲得了界面管理任務對操縱員心理負荷、注意力影響的指標體系。基于任務復雜性的不同水平，分別獲得了界面管理任務對心理負荷及注意力各指標的影響程度，指標之間的相關性情況，這可為改善界面管理任務對心理負荷及注意力的影響提供參考依據和理論支撐，并針對具體的指標進行改進，以提高操縱員執行任務過程的可靠性。