基于人的核心勝任力的噪聲評價新方法

張曉燕, 程嘉傲, 薛紅軍

(1.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業大學 航空學院, 陜西 西安 710072)

噪聲是主要的環境污染之一。直升機駕駛艙的內部同樣存在著噪聲。研究表明,直升機的噪聲會對飛行員神經系統、循環系統、消化系統造成不同程度的影響[1]。國外直升機飛行員出現聽力損害的比例在30%以上,我國為20%,且同戰斗機和運輸機飛行員相比,直升機飛行員聽力異常的發病率更高[2]。于寶成等[3]調查發現,陸航直升機飛行人員飛行周后睡眠質量降低,醫學停飛率較高。陳學敏等[4]通過實驗研究發現,隨著軍用直升機噪聲強度的增加,豚鼠聽力損傷加重,聽力恢復的時程延長,恢復的可能性減低。在國外,Yankaskas[5]發現長期暴露在噪聲環境下會引發士兵嚴重的聽力障礙。Ageborg等[6]發現風力渦輪機噪聲會通過高頻率的喚醒和降低深度睡眠比例損害飛行員的睡眠質量。

同時,直升機噪聲會對語言通訊產生嚴重的干擾和掩蓋,造成直升機機組之間或與地面指揮聯絡困難。同時,受到噪聲的影響,飛行員的視覺、聽覺和觸覺等會產生“錯覺”,例如對距離的判斷,對聲音、指令的獲取、理解,對儀表等機載設備顯示數值的讀取,對飛行環境、氣象條件的分析,對操縱桿等駕駛機構力度的掌握,對敵我人員或裝備的判斷識別以及對任務執行的可靠度等都會出現失誤[7]。國內鮑俊平[8]經過對10名具有民航專業背景的男性進行飛機起落、轉彎、巡航測試,結果表明當噪聲增加時,被試情景意識水平逐漸下降。馮薪諭[9]發現噪聲環境下,人的認知能力會受到一定程度的損害,從而干擾腦力任務。Ivkovi?等[10]調查發現27.8%的渦輪風扇飛機飛行員以及38.5%的渦輪螺旋槳飛機飛行員至少一次遭遇過由噪聲引發的飛行安全問題。Monteiro等[11]發現工作環境中的噪聲會影響人的短時記憶降低人的專注度,增加錯誤率和反應時。Asakura等[12]發現飛行噪聲的頻率特性會同時影響飛行員的主觀認知和操作準確性。

很多學者基于噪聲對人的影響開展了噪聲評價方法的研究。葉睿等[13]通過噪聲煩惱度的方法對直升機噪聲進行了評價;李豪等[14]從聽覺感知的角度進行了噪聲特性的語義描述和分析;張珺等[15]從聽覺感知的角度出發,研究了典型噪聲的煩惱度及感知空間。Lukács[16]對駕駛艙噪聲評價模糊系統的去模糊化方法進行了比較。Flindell等[17]將飛行器噪聲與煩惱度以及干擾度進行了聯系。Lee等[18]從聲壓級角度對寬體飛機駕駛艙內噪聲進行了評價。

綜上,直升機噪聲已經嚴重影響了飛行員的身體健康和飛行安全。目前的研究能夠對噪聲的客觀物理特性及其對人的煩惱度等情緒狀態的影響進行評價,且有學者已經開始初步研究噪聲與人的任務績效、認知能力等之間的關系。飛行員的核心勝任力是與飛行效能和任務完成績效密切相關的核心能力指標,當前噪聲評價方法并沒有建立兩者之間的聯系。因此,本文將建立多模態的核心勝任力評價模型,以此為基礎評價噪聲對人的核心能力的影響。這種新的評價方法拓展了噪聲評價的研究內涵,能夠為駕駛艙的噪聲評價與控制提供新的思路。

1 基于核心勝任力的噪聲評價方法

勝任力的概念自1973年由Mc Clelland提出之后,經過一系列發展將其定義為:知識、能力與技能[19-20]。飛行員核心勝任力即其對當前所呈現信息的感知、加工與反饋的能力。2017年ICAO提出了基于勝任力的飛行員循證訓練指導要求,其中將問題解決、情景意識及工作負荷作為核心勝任力的3項基本指標。基于此,本文中表征核心勝任力的一級指標為任務績效、情景意識、認知負荷等3個方面。任務績效即問題解決,為飛行員完成當前任務的能力,包括任務完成的時間及完成的正確性,因此本文將其表征為反應時間及任務完成正確率。認知負荷可通過工作負荷表征,本文采用廣泛接受的NASA-TLX方法測量飛行任務過程中飛行員的認知負荷。情景意識能夠表征飛行員對當前環境的理解及對未來環境的理解,本文采用眼動數據進行表征[21-22]。本文在使用3D-SART問卷對情景意識進行主觀測量的同時,以眨眼頻率、注視頻率和眼跳頻率等眼動特征量來從客觀角度測量情景意識。

綜上,核心勝任力表征如(1)式所示。

I=α1TR+α2AC+α3N+α4fB+α5fF+α6fS

(1)

式中:TR和AC分別為任務績效測量指標中的反應時和任務完成正確率;N為認知負荷;fB,fF和fS分別為眨眼、注視和眼跳頻率;α1,α2,α3,α4,α5和α6為各指標的權重系數。

2 實驗與模型驗證

2.1 實驗設計

2.1.1 被試

在80%統計效力及5%顯著水平情況下檢測出20這一中度大小的效應量。因此本實驗通過線上宣傳的方式從西北工業大學招募了30名在校學生以滿足本研究基于組內實驗設計方式的統計需求。所有被試視力正常,無色盲、色弱,沒有認知障礙,會讀寫中文,心智正常,有正常的肢體運動能力。在實驗前,所有被試都簽署了實驗知情書,掌握了基本的與本實驗相關的飛行技能,確保熟悉實驗流程及實驗過程。

2.1.2 實驗設備和實驗設計

實驗界面由Qt Creater設計,模擬直升機駕駛艙內的人機交互界面,如圖1所示。

圖1 實驗界面

實驗中眼動數據是由德國SMI公司的iView X桌面式眼動儀采集。噪聲信號由HEAD acoustic功率放大器以及森海塞爾HD 600高保真耳機生成。噪聲來源于錄制的真實直升機艙內噪聲,出于對被試聽力的保護和真實噪聲環境的模擬,原聲由ArtemiS和MATLAB軟件進行處理并生成了3種噪聲水平(45,65,80 dB(A))。

本實驗設置3種任務難度,被試需要在不同噪聲水平的環境中完成不同難度的任務,如表1所示。飛行員核心勝任力在危急狀態最能體現,因此實驗任務設置為飛行過程的異常信息處理。在實驗中,被試需要按照飛行需求,監控實驗飛行界面,當危險信息出現時,迅速排查界面上出現的敵機信息或故障信息。為了充分模擬真實飛行環境,危險信息的種類和出現位置由隨機發生器控制,不同種類和位置的危險信息會間隔隨機時長后出現。在危險信息出現后,被試有30 s的時間對信息進行識別、判斷和處理。本實驗的危險信息包括敵機信息和故障信息2個大類,8種信息,被試需要在發現敵機信息或故障信息后,迅速按下對應按鍵進行處理,如表2所示。無論操作正確與否,儀表界面都會恢復正常,并在一段隨機間隔后,再次產生危險信息。單次實驗用時約15 min。

表1 任務難度

表2 危險信息類型及處理方法

2.1.3 實驗流程和數據采集

在實驗前,主試向所有被試介紹實驗目的及流程,記錄被試基本信息。被試在正式實驗前要求其進行練習直到掌握任務操作。

在實驗中,初始的實驗條件為難度I,隨后3種噪聲水平隨機呈現,單一任務難度完成后,被試填寫噪聲煩惱度問卷[23],NASA-TLX主觀問卷和3-D SART主觀問卷。任務難度II和難度III隨機呈現。每種難度任務實驗完成后被試休息30 min。實驗全程大約持續3 h。

2.2 核心勝任能力預測模型求解

利用反應時、任務完成正確率、NASA-TLX認知負荷值、眨眼頻率、注視頻率和眼跳頻率等對噪聲評價新模型進行求解,步驟如下:

1) 實驗數據無量綱化

對于效益型指標,即數值越大越好的指標,第i個樣本值表示為

對于成本型指標,即數值越小越好的指標,第i個樣本值表示為

2) 回歸分析確定回歸系數

利用SPSS 26.0軟件對(1)式進行線性回歸分析,建立不同噪聲水平下核心勝任能力與反應時、任務完成正確率、NASA-TLX認知負荷值、眨眼頻率、注視頻率和眼跳頻率6個指標之間的多元線性函數關系式,如下所示:

2.3 基于核心勝任能力評價方法的驗證

噪聲評價方法的驗證分為2步,首先將3-D-SART主觀問卷結果、噪聲煩惱度和預測值進行對比分析,如圖2～4所示。

圖2 Ⅰ級難度下不同噪聲

圖3 Ⅱ級難度下不同噪聲環境結果對比

圖4 Ⅲ級難度下不同噪聲環境結果對比環境結果對比

為進一步驗證預測模型的正確性,將預測值與3-D-SART問卷以及噪聲煩惱度問卷的測量結果進行Pearson相關性分析得出,預測值與3-D-SART得分相關系數為0.968,呈顯著正相關,與噪聲煩惱度呈顯著負相關。

3 結 論

本文針對當前噪聲評價與人的能力之間定量影響機制不清楚的關鍵問題,建立了以人的核心勝任力為指標的噪聲評價新方法,這種新的評價方法明確了核心勝任力與噪聲危害之間的映射關系,具體如下:

1) 建立了多模態的基于人的核心勝任力的噪聲評價新方法,綜合考慮了人的問題解決,工作負荷及情景意識3種能力表現。這種新的噪聲評價方法彌補了當前噪聲評價忽略任務績效及眼動等生理指標的缺陷,提升了噪聲評價的全面性和準確性。

2) 該噪聲評價新方法建立了定量的噪聲級別與人的核心勝任能力之間的映射關系,能夠定量反映噪聲的變化對人的應急事件處理能力的影響,拓展了噪聲評價的內涵,對于噪聲控制與評價以及駕駛艙優化設計都有積極的理論支持和實踐意義。

本文招募大學生作為被試,未招募飛行員,噪聲對兩者的影響機制可能會有差異。下一步可以飛行員為被試,在飛行模擬器中開展實驗,獲取更加可靠的數據。同時細化噪聲水平,深化基于人的能力的噪聲評價,對模型進行進一步完善。

致謝感謝西北工業大學人機與環境系統工程團隊的同學們為本文實驗所做的貢獻。