神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)在工業(yè)工程教學(xué)中的探索與實(shí)踐

吳 俊， 韓文民

(江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)在工業(yè)工程教學(xué)中的探索與實(shí)踐

吳 俊， 韓文民

(江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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。針對(duì)目前工業(yè)工程教學(xué)的局限性，探索性地將神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)應(yīng)用于腦力負(fù)荷和個(gè)體認(rèn)知差異等方面的研究。通過(guò)船舶數(shù)字化界面測(cè)試的神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)展現(xiàn)該類實(shí)驗(yàn)的一般過(guò)程和方法。

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)； 工業(yè)工程； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

工業(yè)工程(IE)學(xué)科的發(fā)展從經(jīng)典的“作業(yè)計(jì)劃”到現(xiàn)代的“計(jì)算機(jī)集成制造”，直到目前涌現(xiàn)出的神經(jīng)工業(yè)工程，經(jīng)歷了3個(gè)歷史發(fā)展階段[1]。第一代工業(yè)工程以“節(jié)拍設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線布局、作業(yè)計(jì)劃”為主要內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以傳統(tǒng)的工作研究為主；第二代工業(yè)工程以“計(jì)算機(jī)信息技術(shù)控制生產(chǎn)系統(tǒng)”為主要內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以現(xiàn)代的企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)和精益生產(chǎn)研究為主。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷提高，生產(chǎn)系統(tǒng)中的人越來(lái)越難以適應(yīng)制造過(guò)程中高速度和高精度的要求，人機(jī)系統(tǒng)事故中80%以上屬于人為失誤[2]。因此，近年來(lái)出現(xiàn)的第三代工業(yè)工程打破以往生產(chǎn)系統(tǒng)只關(guān)注“物”的發(fā)展，將“人”的生理與心理因素融入制造系統(tǒng)，形成人的生理狀態(tài)信息與物的生產(chǎn)狀態(tài)信息融合，人機(jī)系統(tǒng)集成優(yōu)化，從而真正實(shí)現(xiàn)以人為本的和諧制造。

第三代神經(jīng)工業(yè)工程的概念自2006年被提出[3]，其研究手段主要是通過(guò)神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)，記錄工作中的人的神經(jīng)活動(dòng)和生理信息，以此為依據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程中的人機(jī)系統(tǒng)。神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)是借助先進(jìn)的神經(jīng)測(cè)量?jī)x器和生理數(shù)據(jù)收集設(shè)備，在工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室或者工作現(xiàn)場(chǎng)按照擬定的人因工程實(shí)驗(yàn)方案收集被試者的生理與心理數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和分析，將人的生理狀態(tài)信息加入生產(chǎn)運(yùn)作系統(tǒng)，綜合考慮人與機(jī)器系統(tǒng)之間的工作負(fù)荷和生理負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。目前，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)在工業(yè)工程學(xué)科中的教學(xué)和研究在世界范圍內(nèi)尚處于起步和探索階段，各國(guó)的神經(jīng)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、研究方法上呈現(xiàn)出不同的方向和流派，本文將基于目前的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀，探索神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)在工業(yè)工程學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，并結(jié)合自身開(kāi)展的關(guān)于船舶數(shù)字化界面測(cè)試的神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)來(lái)展現(xiàn)該類實(shí)驗(yàn)的一般過(guò)程和方法。

1 工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限與神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)

工業(yè)工程的實(shí)驗(yàn)需要涵蓋人在生產(chǎn)過(guò)程中從信號(hào)感覺(jué)到動(dòng)作反應(yīng)的全部過(guò)程，但經(jīng)典的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)在研究方法和研究?jī)?nèi)容上還存在以下局限：

一方面從研究方法來(lái)看，經(jīng)典的研究方法主要是研究人的外顯行為，研究指標(biāo)主要是人執(zhí)行任務(wù)的反應(yīng)速度和正確率?；谛袨榈难芯糠椒ㄗ畲蟮膯?wèn)題是無(wú)法真正將人在執(zhí)行任務(wù)中的認(rèn)知過(guò)程與反應(yīng)過(guò)程相分離。比如船舶操作人員對(duì)于自動(dòng)化控制界面的事故報(bào)警信號(hào)的操作反應(yīng)延遲行為，其對(duì)于報(bào)警信號(hào)較慢的反應(yīng)速度和較低的反應(yīng)正確率究竟是因?yàn)椴僮魅藛T對(duì)信號(hào)的認(rèn)知反應(yīng)減慢，還是雖然能在最快時(shí)間感知，但是由于人的執(zhí)行系統(tǒng)的反應(yīng)減慢所致。在這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，就必須分離出人的認(rèn)知過(guò)程與反應(yīng)過(guò)程，調(diào)查究竟是哪個(gè)階段的過(guò)程真正造成了應(yīng)急反應(yīng)延誤，可見(jiàn)基于行為研究方法的經(jīng)典工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)在研究這方面的問(wèn)題時(shí)是無(wú)能為力的。

另一方面從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典的信息加工模型可以研究外顯的行為，卻無(wú)法有效研究?jī)?nèi)隱的行為。例如感覺(jué)、知覺(jué)、注意、記憶、思維這樣的認(rèn)知過(guò)程，經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)只能提出自己的假設(shè)，然后通過(guò)反應(yīng)速度和正確率等行為數(shù)據(jù)來(lái)間接解釋。在經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，類似注意、感覺(jué)、思維這樣的內(nèi)隱行為仍然屬于無(wú)法直接破解的黑箱。而神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)除了揭示信息加工模型中各環(huán)節(jié)的內(nèi)隱行為的認(rèn)知機(jī)理外，還可以弄清楚屬于信息加工模型前端的“前注意”這種內(nèi)隱行為的認(rèn)知機(jī)理，真正能從人的大腦層面揭示人對(duì)于生產(chǎn)信息的內(nèi)隱行為。

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)為克服上述研究難題提供了有效的方法。神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)是研究人體在工作過(guò)程中的生理和認(rèn)知能力，研究目的在于闡明人機(jī)系統(tǒng)中人的生理活動(dòng)機(jī)制和腦認(rèn)知機(jī)理[4]。神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)借助兩類現(xiàn)代的腦成像技術(shù)直接觀測(cè)人腦的認(rèn)知活動(dòng)，一類是測(cè)量腦的電磁活動(dòng)的技術(shù)：測(cè)量腦電的事件相關(guān)電位技術(shù)(Event Related Potential, ERP)和腦磁技術(shù)(Magnetoencephalography, MEG)；另一類是基于腦血流動(dòng)力學(xué)的技術(shù)：功能性磁共振成像技術(shù)(Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(Positron Emission Tomography, PET)和經(jīng)顱多普勒超聲(Transcranial Doppler Sonography, TCDS)。這些神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的技術(shù)為打開(kāi)經(jīng)典工業(yè)工程中類似注意、感覺(jué)、思維這樣的內(nèi)隱行為的黑箱奠定了基礎(chǔ)。

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)?zāi)軓浹a(bǔ)經(jīng)典工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)不足之處，成為研究當(dāng)今工業(yè)工程中人機(jī)交互系統(tǒng)最為合適的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

一方面從研究方法來(lái)看，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)是在測(cè)量腦電的同時(shí)，與相應(yīng)的刺激事件相關(guān)聯(lián)，其分析過(guò)程是將時(shí)間上與刺激信號(hào)同步鎖定的腦電信號(hào)疊加平均，形成事件相關(guān)的腦電位數(shù)據(jù)。這種研究方法自然地將人在執(zhí)行任務(wù)中的認(rèn)知過(guò)程與反應(yīng)過(guò)程相分離，用于研究工程工程中人機(jī)交互時(shí)，能獨(dú)立地分析感覺(jué)、知覺(jué)、注意、記憶、思維等認(rèn)知過(guò)程而不會(huì)發(fā)生混淆。

另一方面從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)通過(guò)測(cè)量腦電指標(biāo)，能直接觀察到經(jīng)典的行為研究所無(wú)法觀察到的內(nèi)隱行為。除了能直接研究諸如感覺(jué)、知覺(jué)、注意、記憶、思維這樣的認(rèn)知過(guò)程外，神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)甚至還能研究人的潛意識(shí)和對(duì)于生產(chǎn)信號(hào)的前注意和自動(dòng)加工，這些都為工業(yè)工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓寬了研究范圍。

2 神經(jīng)人因?qū)嶒?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)[5]。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(lái)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[6-7]。工業(yè)工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究正由過(guò)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。

2.1 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[8]，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，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(kāi)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)[9-10]。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(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)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(guò)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(tīng)覺(jué)失匹配指標(biāo)，得到腦力負(fù)荷與腦電的聽(tīng)覺(jué)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。

2.2 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(guò)程中，個(gè)體認(rèn)知差異在感覺(jué)、動(dòng)作和情緒過(guò)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[11]，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(guò)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(wú)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(lái)，眾多學(xué)者開(kāi)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(kāi)展工作過(guò)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(guò)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(guò)程實(shí)驗(yàn)[12]。研究發(fā)現(xiàn)：人對(duì)安全標(biāo)志信號(hào)詞的處理過(guò)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。

3 神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)實(shí)例

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的過(guò)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-no go范式、oddball范式、等概率范式、n-back范式等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照神經(jīng)實(shí)驗(yàn)的國(guó)際規(guī)范開(kāi)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(kāi)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(lái)展現(xiàn)神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的一般過(guò)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(guò)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(guò)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。

3.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

參考神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)中關(guān)于視覺(jué)失匹配的論文[13-16]，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24 h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(jué)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(shū)。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-Prime 2.0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7.5 m/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(jué)失匹配指標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)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1 m。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7.5 m/min，超過(guò)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(guò)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(wú)關(guān)聯(lián)性。通過(guò)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(jué)失匹配的檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)塊(Block)，每個(gè)塊開(kāi)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(guò)程，中間休息的過(guò)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)18 min。

3.3 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400 ms，基線為刺激前100 ms。接著進(jìn)行基線校正，然后去除偽跡，波幅大于±100 μV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20 Hz無(wú)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(jué)失匹配腦電波形(時(shí)間窗口：150～200 ms)。

統(tǒng)計(jì)分析時(shí)采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)視覺(jué)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(jué)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。

表1分別列出了五種視覺(jué)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(jué)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。

表1 神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果 μV

根據(jù)球形檢驗(yàn)(Mauchly’s Test of Sphericity)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“Sphericity Assumed”的分析結(jié)果：各類型視覺(jué)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=3.193，p<0.05)；大腦左右半球間的差異不顯著(F=2.336，p>0.05)；“視覺(jué)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(jiàn)圖1)，五種類型的視覺(jué)失匹配的主效應(yīng)差異顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(jué)失匹配腦電波；各種類型的視覺(jué)失匹配之間的差異顯著，視覺(jué)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。從圖1中的2D腦電電位分布圖可看出，視覺(jué)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(jué)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。

4 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(wèn)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(guò)程與行為過(guò)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(guò)程的黑箱，通過(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)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(wèn)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)。

(a)

(b)

圖1 神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)的腦電圖

神經(jīng)人因?qū)嶒?yàn)有其自身獨(dú)特的研究方法和過(guò)程。本文通過(guò)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(guò)程和方法。

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Exploration and Application of Neuroergonomics Experiment in the Teaching of Industrial Engineering

WUJun,HANWen-min

(School of Economics and Management, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The neuroergonomics experiment plays an important role in the third generation of industrial engineering because of the function of exploring producers’ physiological and psychological feature. For limitation of current industrial engineering teaching, the neuroergonomics experiment is exploratively applied to the mental workload and individual cognitive differences etc. The general process and methods of the neuroergonomics experiment were presented through neuroscience test experiment of ship digital interface.

neuroergonomics experiment; industrial engineering; experimental teaching

2014-04-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71271105)；江蘇省高等教育教改項(xiàng)目(2011JSJG158)

吳 俊(1977-)，男，湖北武漢人，博士，講師，研究方向?yàn)樯窠?jīng)人因工程。Tel.:13951289003;E-mail:wujunjm@sina.com

G 642.0；Q 421

A

1006-7167(2015)03-0172-05