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一神經(jīng)人因實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(jìn)行有效決策和響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)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?yàn)的技術(shù)。神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)以其能深入人的大腦思維和身體的生理反應(yīng)層面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)工程領(lǐng)域備受矚目。目前，各國(guó)學(xué)者在嘗試運(yùn)用神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)來研究工業(yè)工程學(xué)科中的各項(xiàng)主題，神經(jīng)人因?qū)W的提出者Parasuraman將神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的發(fā)展方向主要?dú)w納為:多任務(wù)下腦力負(fù)荷的研究、個(gè)體認(rèn)知差異的研究等。工業(yè)工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究正由過去主要運(yùn)用傳統(tǒng)的行為學(xué)的研究方法向主要運(yùn)用現(xiàn)代的神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的研究方法轉(zhuǎn)變。

1神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)在多任務(wù)腦力負(fù)荷研究中的應(yīng)用

腦力負(fù)荷，是指工作者為達(dá)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(shí)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(jī)器設(shè)備到現(xiàn)在更多地是監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)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(jí)的人機(jī)交互集成系統(tǒng)，人機(jī)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(jī)器設(shè)備，感知和分析各種類型的數(shù)據(jù)信息，其腦力負(fù)荷較過去成倍增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)難以對(duì)多任務(wù)下的平行加工進(jìn)行研究，而神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)恰能對(duì)由過去經(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(fù)荷進(jìn)行有效測(cè)量。神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)針對(duì)工作者在多任務(wù)監(jiān)控過程中涉及到的對(duì)多種工作信息的自動(dòng)感知、選擇性注意以及敏捷操控，能夠有效度量同時(shí)應(yīng)對(duì)多項(xiàng)工作任務(wù)的腦力負(fù)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(jī)與環(huán)境工程系運(yùn)用神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)地開展了多模式飛行模擬任務(wù)下飛行員的腦力負(fù)荷測(cè)量與評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)人員使用腦電的事件相關(guān)電位實(shí)驗(yàn)技術(shù)，選取聽覺失匹配負(fù)波腦電成分為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，采用oddball的神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)范式，將聽覺失匹配理論用于飛行員的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)中，在9種模式的飛行模擬任務(wù)條件下進(jìn)行飛行員的腦力負(fù)荷測(cè)量，通過讓被試者完成模擬飛行任務(wù)的同時(shí)，測(cè)試非注意條件下飛行員的聽覺失匹配指標(biāo)，得到腦力負(fù)荷與腦電的聽覺失匹配負(fù)波同向變化的規(guī)律，為飛機(jī)座艙顯示界面的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。除了航空領(lǐng)域，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)也能應(yīng)用于道路交通、船舶航行、高危行業(yè)工作人員的腦力負(fù)荷度量。

2神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)在個(gè)體認(rèn)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(duì)生產(chǎn)及服務(wù)系統(tǒng)中的人、機(jī)器、物料、環(huán)境和信息進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，在這些過程中，個(gè)體認(rèn)知差異在感覺、動(dòng)作和情緒過程中形成對(duì)各項(xiàng)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(gè)系統(tǒng)的工作績(jī)效。Karwowski從“人—技術(shù)—環(huán)境”3個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系出發(fā)，認(rèn)為人的不同行為是整個(gè)系統(tǒng)工作的核心，因此個(gè)體認(rèn)知的差異是工業(yè)工程研究的重點(diǎn)。由于過去受實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件的限制，對(duì)于人體認(rèn)知的差異只能從外在行為學(xué)觀察的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。隨著對(duì)被試的無損傷的神經(jīng)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)現(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(jìn)行基于人的生理與心理分析的個(gè)體認(rèn)知差異實(shí)驗(yàn)。近年來，眾多學(xué)者開始引入神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的技術(shù)，針對(duì)個(gè)體認(rèn)知差異開展工作過程中個(gè)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(tuán)隊(duì)通過采用神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)中的事件相關(guān)電位技術(shù)，進(jìn)行工作人員對(duì)安全標(biāo)志信號(hào)詞的感知和評(píng)價(jià)的神經(jīng)過程實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn):人對(duì)安全標(biāo)志信號(hào)詞的處理過程分為早期感知和信息評(píng)價(jià)兩個(gè)階段，安全標(biāo)志信號(hào)詞的主觀風(fēng)險(xiǎn)感知存在差異，不同的安全標(biāo)志信號(hào)詞能夠傳遞不同的風(fēng)險(xiǎn)信息，人對(duì)安全標(biāo)志信號(hào)詞的認(rèn)識(shí)會(huì)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(hào)詞的設(shè)計(jì)及使用提供了依據(jù)。神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)將在系統(tǒng)安全、產(chǎn)品可用性、職業(yè)安全等領(lǐng)域的個(gè)體認(rèn)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?yàn)實(shí)例神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的過程

一般分為實(shí)驗(yàn)前的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施和實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理和分析。相較于以往的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的不同之處在于:在實(shí)驗(yàn)前的設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x取合適的神經(jīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，比如事件相關(guān)電位技術(shù)、生物反饋技術(shù)、眼動(dòng)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(shí)驗(yàn)技術(shù)后，采用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，比如go-nogo范式、oddball范式、等概率范式、n-back范式等。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要嚴(yán)格按照神經(jīng)實(shí)驗(yàn)的國(guó)際規(guī)范開展神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)后要根據(jù)神經(jīng)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行神經(jīng)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行討論并得出神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的結(jié)論。下面以筆者開展的一例關(guān)于船舶數(shù)字化界面測(cè)試的神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)來展現(xiàn)神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的一般過程和方法。該實(shí)驗(yàn)使用真實(shí)的海洋工程船拖纜機(jī)的自動(dòng)化控制界面作為刺激材料，通過模擬拖纜機(jī)的現(xiàn)實(shí)工況，讓被試者在執(zhí)行監(jiān)控拖纜機(jī)卷筒轉(zhuǎn)速變化任務(wù)的同時(shí)，感知自動(dòng)化控制界面中的事故報(bào)警信號(hào)的變化，通過認(rèn)知神經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)急人員對(duì)事故報(bào)警信號(hào)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(hào)變化下的應(yīng)急反應(yīng)機(jī)理。

1實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

參考神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)中關(guān)于視覺失匹配的論文，實(shí)驗(yàn)被試的數(shù)量分布在8～12名。本實(shí)驗(yàn)選擇12名健康人員參加實(shí)驗(yàn)(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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)人員支付了被試費(fèi)(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(shí)驗(yàn)遵守《赫爾辛基宣言》，每位被試在實(shí)驗(yàn)前均簽署了實(shí)驗(yàn)信息的知情同意書。被試在充分理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和進(jìn)行練習(xí)后進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jī)的自動(dòng)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(duì)比度等指標(biāo)一致。在實(shí)驗(yàn)刺激材料中，界面中央的數(shù)字表示拖纜機(jī)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(hào)代表拖纜機(jī)的系統(tǒng)壓力報(bào)警信號(hào)，正常狀態(tài)下為綠色，形成實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)刺激。異常報(bào)警時(shí)為紅色，形成實(shí)驗(yàn)的偏差刺激。界面中的報(bào)警信號(hào)有5種類型的變化，分別為顏色、持續(xù)時(shí)間、朝向、形狀和大小的不同變化。5種類型刺激融入一個(gè)完整的oddball實(shí)驗(yàn)范式中，在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)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(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)在隔音、光線事宜和電磁屏蔽的房間中進(jìn)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(jī)控制界面。界面中央為拖纜機(jī)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(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)作，規(guī)則為:當(dāng)速度由7．5增大為7．9時(shí)按鍵盤“Z”鍵，當(dāng)速度由7．5減小為7．1時(shí)按鍵盤“/”鍵。這一工作任務(wù)代表拖纜機(jī)的監(jiān)控者對(duì)卷筒工作速度的實(shí)時(shí)調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)的過程中，被試者被要求專心完成拖纜機(jī)卷筒速度的監(jiān)控工作，忽視界面兩側(cè)系統(tǒng)壓力報(bào)警信號(hào)的變化。界面中央數(shù)字的變化與兩側(cè)報(bào)警信號(hào)的變化無關(guān)聯(lián)性。通過這一設(shè)定，形成對(duì)報(bào)警信號(hào)的非注意，真正做到對(duì)任務(wù)不相關(guān)的刺激材料變化的視覺失匹配的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)塊(Block)，每個(gè)塊開始的前15個(gè)刺激為標(biāo)準(zhǔn)刺激，以形成一個(gè)記憶模板。每個(gè)塊之間有一個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)用于記錄和分析的標(biāo)準(zhǔn)刺激有450個(gè)，每種類型的偏差刺激各有90個(gè)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)大約用時(shí)18min。

3實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理和分析

使用腦電分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。首先對(duì)原始腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行DC校正，然后進(jìn)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(duì)其它導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)的影響。然后進(jìn)行腦電分段，分析時(shí)程為刺激后400ms，基線為刺激前100ms。接著進(jìn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)刺激和各類偏差刺激的腦電進(jìn)行分類疊加平均，然后進(jìn)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(shí)間窗口:150～200ms)。統(tǒng)計(jì)分析時(shí)采用SPSS17．0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)視覺失匹配數(shù)據(jù)采用重復(fù)測(cè)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(shí)間、形狀、大小)×大腦半球(左、右)?？刹捎肎reenhouse-Geisser法進(jìn)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(jì)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(shí)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(yàn)(Mauchly’sTestofSphericity)的統(tǒng)計(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)的重復(fù)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果說明采用oddball實(shí)驗(yàn)范式在同一個(gè)刺激序列中，不同類型的自動(dòng)化控制界面的報(bào)警信號(hào)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制界面時(shí)，優(yōu)先選用視覺失匹配強(qiáng)的信號(hào)作為自動(dòng)化控制界面的安全報(bào)警信號(hào)，以提高安全報(bào)警信號(hào)的感知效果，從而提升人—機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)能力。

三結(jié)語(yǔ)

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)以其能深入探究生產(chǎn)作業(yè)中人的生理和心理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而在第三代工業(yè)工程的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)不僅能有效將人的認(rèn)知過程與行為過程相分離，避免認(rèn)知與行為兩者在實(shí)驗(yàn)測(cè)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(rèn)知過程的黑箱，通過神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)揭示生產(chǎn)信息加工中各環(huán)節(jié)內(nèi)隱行為的認(rèn)知機(jī)理。因此，神經(jīng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)借助最新的神經(jīng)測(cè)量技術(shù)手段和設(shè)備，突破過去工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)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(dòng)化的程度日益提高，人機(jī)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?yàn)?zāi)苡行нM(jìn)行多任務(wù)下腦力負(fù)荷、個(gè)體認(rèn)知差異等研究，揭示上述問題形成的機(jī)理，提供測(cè)度和評(píng)價(jià)指標(biāo)，為改進(jìn)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?yàn)有其自身獨(dú)特的研究方法和過程。本文通過一例具體的關(guān)于船舶數(shù)字化界面測(cè)試的神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)展現(xiàn)了該類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)范式選擇、實(shí)驗(yàn)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)