基于認(rèn)知負(fù)荷的煤礦安全可視化作用機(jī)理

張長魯，譚章祿

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京 100083)

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基于認(rèn)知負(fù)荷的煤礦安全可視化作用機(jī)理

張長魯，譚章祿

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京 100083)

安全可視化成為大數(shù)據(jù)背景下管理煤礦安全問題的一種新趨勢。分析了認(rèn)知負(fù)荷理論的主要觀點(diǎn)以及安全可視化管理內(nèi)涵和特征，結(jié)合煤礦安全信息認(rèn)知加工模型和安全管理業(yè)務(wù)，運(yùn)用認(rèn)知負(fù)荷理論定性分析煤礦安全可視化作用機(jī)理；進(jìn)而以煤礦安全監(jiān)測中的瓦斯數(shù)據(jù)為素材，設(shè)計(jì)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)證分析，通過主任務(wù)反應(yīng)時(shí)間來衡量認(rèn)知績效。認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：通過安全可視化管理，瓦斯監(jiān)測業(yè)務(wù)整體認(rèn)知效率提高60.5%，且隨著認(rèn)知難度增大，認(rèn)知效率提升效果明顯，證明了安全可視化管理能夠降低安全管理者的認(rèn)知負(fù)荷，提高其管理效率。

煤礦；安全可視化管理；作用機(jī)理；認(rèn)知負(fù)荷理論

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)在煤礦中廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)境信息、人員信息、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息的實(shí)時(shí)提取。與此同時(shí)煤礦安全管理者也面臨著大數(shù)據(jù)所帶來的困擾，即無法在短時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確地掌握安全問題，更談不上對各類安全問題進(jìn)行及時(shí)處理。為此以信息可視化為基礎(chǔ)的可視化管理理念應(yīng)運(yùn)而生并開始在煤炭企業(yè)中有所應(yīng)用，旨在用直觀方式闡釋抽象的數(shù)據(jù)信息。史后波[1]對煤炭企業(yè)可視化管理的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了剖析，在此基礎(chǔ)上研究了可視化管理理論框架，并進(jìn)行了認(rèn)知實(shí)驗(yàn)以證明可視化管理方式的有效性；劉屹[2]將可視化管理運(yùn)用于煤炭企業(yè)成本管控中，構(gòu)建了LUBA成本可視化管理模型，實(shí)現(xiàn)了對煤炭企業(yè)成本信息的直觀展示,并能夠揭示成本動(dòng)因；譚章祿等[3-4]探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦可視化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用原理，進(jìn)而設(shè)計(jì)了煤礦可視化管理系統(tǒng)架構(gòu)模型和數(shù)據(jù)處理邏輯結(jié)構(gòu)模型，并對安全可視化管理體系構(gòu)建進(jìn)行了深入研究，對安全可視化對象、對象屬性、可視化實(shí)現(xiàn)方式及可視化管理功能四方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終構(gòu)建了煤礦安全可視化管理模型；李宏斌[5]研究了采油作業(yè)區(qū)的可視化安全管理，通過對隱患、風(fēng)險(xiǎn)、操作行為等的可視化展示，提高了企業(yè)本質(zhì)安全水平。

上述研究成果對指導(dǎo)煤炭企業(yè)可視化管理實(shí)踐具有重要的意義，但以往研究都未涉及安全可視化的作用機(jī)理，也沒有回答安全可視化如何發(fā)揮效用的問題。鑒于此，本文擬從認(rèn)知負(fù)荷理論的視角，對煤礦安全可視化的作用機(jī)理及其效用進(jìn)行深入研究。

1 認(rèn)知負(fù)荷理論的主要觀點(diǎn)

認(rèn)知負(fù)荷理論是由澳大利亞學(xué)者Sweller等[6]于20世紀(jì)80年代提出的，認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷是人在學(xué)習(xí)或完成任務(wù)過程中進(jìn)行信息加工所耗費(fèi)的認(rèn)知資源總量，其內(nèi)涵是認(rèn)知負(fù)荷與特定的認(rèn)知任務(wù)有關(guān)，完成該認(rèn)知任務(wù)需要在工作記憶中進(jìn)行信息加工。

該理論的核心觀點(diǎn)包括：①人的工作記憶容量是有限的，而長時(shí)記憶容量是無限的，當(dāng)人從事某項(xiàng)任務(wù)超過其工作記憶容量時(shí)，處理該事務(wù)的效率會(huì)降低，甚至無法進(jìn)行，因此必須將任務(wù)所需的認(rèn)知資源控制在認(rèn)知負(fù)荷以內(nèi)。②認(rèn)知負(fù)荷包含內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和有效認(rèn)知負(fù)荷[7]，其中內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由需要處理的信息所包含的元素及元素間相關(guān)關(guān)系決定；外在認(rèn)知負(fù)荷是無效的認(rèn)知負(fù)荷，由信息展示方式和外部無關(guān)活動(dòng)引起；有效認(rèn)知負(fù)荷是人的工作記憶對信息進(jìn)行實(shí)質(zhì)性處理所承受的負(fù)荷，能夠?qū)耐饨绔@取的各類信息進(jìn)行編碼處理，轉(zhuǎn)換為長時(shí)記憶的圖式，并通過降低內(nèi)在、外在認(rèn)知負(fù)荷，增加有效認(rèn)知負(fù)荷，從而提高認(rèn)知效率，確保信息快速準(zhǔn)確處理。③認(rèn)知負(fù)荷的測量方法主要包括績效測量法、主觀評定法和生理測量法三類[8]，其中績效測量法又包括主任務(wù)測量和次任務(wù)測量，常用測量指標(biāo)為完成任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確率等；主觀評定法是由作業(yè)者根據(jù)主觀感受與體驗(yàn)完成認(rèn)知評估量表進(jìn)行認(rèn)知負(fù)荷測量；而生理測量法主要運(yùn)用儀器設(shè)備對人在認(rèn)知過程中的眼動(dòng)、心跳等生理指標(biāo)進(jìn)行測量來間接評定認(rèn)知負(fù)荷。

本文基于認(rèn)知負(fù)荷理論的上述觀點(diǎn)，論述煤礦安全可視化管理的作用機(jī)理，并結(jié)合認(rèn)知負(fù)荷測量的任務(wù)績效法，設(shè)計(jì)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，論證安全可視化能夠提高管理者的認(rèn)知效率進(jìn)而提高安全績效。

2 煤礦安全可視化作用機(jī)理理論分析

本文首先明確煤礦安全管理者對安全信息的認(rèn)知加工過程是進(jìn)行安全可視化作用機(jī)理分析的基礎(chǔ)，之后進(jìn)行安全可視化內(nèi)涵及特征分析，最終根據(jù)安全可視化特征和認(rèn)知負(fù)荷理論，論述煤礦安全可視化作用機(jī)理。

2.1 煤礦安全信息認(rèn)知加工過程

煤礦生產(chǎn)運(yùn)營中伴隨著大量安全數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，如瓦斯超標(biāo)、風(fēng)速或溫度異常、井下區(qū)域超員超時(shí)、設(shè)備運(yùn)行異常、地質(zhì)情況異常等，這些安全數(shù)據(jù)既可以通過各類傳感器及時(shí)捕獲，也可以通過安全檢查人員排查取得，面對大量的安全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，安全管理人員需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)知處理，進(jìn)而制定相應(yīng)的安全管理對策。根據(jù)信息認(rèn)知加工原理，大量的安全數(shù)據(jù)需經(jīng)過管理者的注意進(jìn)入工作記憶系統(tǒng)，工作記憶系統(tǒng)調(diào)用儲(chǔ)存在長時(shí)記憶中的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)圖式對安全數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并制定安全方案，最終采取管理措施保障煤礦安全生產(chǎn)。煤礦安全信息認(rèn)知加工模型如圖1所示。

由煤礦安全信息認(rèn)知加工模型可知，限制安全管理者信息處理能力的瓶頸是工作記憶容量有限，根據(jù)近期認(rèn)知心理學(xué)研究成果，工作記憶一次只能處理5～7個(gè)信息組塊，因此安全可視化應(yīng)作用于原始信息的輸入，通過對原始安全信息的可視化處理，改善數(shù)據(jù)展示方式，提高數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性及完整性，并充分利用工作記憶的視覺和聽覺雙通道，達(dá)到降低內(nèi)在和外在認(rèn)知負(fù)荷，提高有效認(rèn)知負(fù)荷的目的。

2.2 煤礦安全可視化內(nèi)涵和特征分析

煤礦安全可視化是指各類可視化技術(shù)及理念在煤礦安全管理領(lǐng)域的應(yīng)用。可視化技術(shù)分為計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化和知識(shí)可視化；可視化理念經(jīng)歷了目視管理、洞察管理、透視管理和透明管理。因此本文認(rèn)為煤礦安全可視化的內(nèi)涵為：在信息技術(shù)條件下，全面感知煤礦安全生產(chǎn)的各類數(shù)據(jù)信息，綜合利用各種可視化技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)對安全數(shù)據(jù)、安全信息和安全知識(shí)的圖形化處理、可視化展示，最終實(shí)現(xiàn)煤礦安全的透徹感知、深度互聯(lián)和智能處理。

根據(jù)煤礦安全可視化的內(nèi)涵，本文歸納出煤礦安全可視化的主要特征如下：

(1) 直觀透明化：體現(xiàn)在安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的直觀展示和安全業(yè)務(wù)流程的透明化。一方面安全可視化改變了以往的數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)方式，以圖形化的方式代替了以往的報(bào)表、文字形式，能夠使安全管理人員擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾，更直觀快捷地發(fā)現(xiàn)安全問題；另一方面各類安全管理業(yè)務(wù)流程的可視化能夠使安全管理人員實(shí)時(shí)掌握各類業(yè)務(wù)處理的進(jìn)展，使安全問題處于掌控之中。

(2) 深度互聯(lián)化：煤礦安全管理對象眾多，通常它們之間存在著一定的互聯(lián)關(guān)系，如“瓦斯-風(fēng)速-煙霧-井下人員”之間存在業(yè)務(wù)相關(guān)性，當(dāng)井下某一區(qū)域瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定值時(shí)，需要適當(dāng)加大回風(fēng)速度并嚴(yán)格控制該區(qū)域煙霧濃度，撤離該區(qū)域人員。通過安全可視化，定義一系列安全關(guān)聯(lián)規(guī)則，某一安全指標(biāo)的變動(dòng)將直接引發(fā)其他管理對象的預(yù)警，使安全管理者的預(yù)防預(yù)控工作變被動(dòng)為主動(dòng)。

(3) 決策智能化：安全可視化使各類安全信息更加直觀、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，同時(shí)信息互聯(lián)提高了信息相關(guān)性和完整性，這正是有效進(jìn)行安全決策所必需的，安全管理者進(jìn)行安全方案制定、安全決策時(shí)不再需要花費(fèi)大量時(shí)間搜尋所需數(shù)據(jù)信息，安全可視化系統(tǒng)可直接提供參考方案供管理者選擇，安全管理效果會(huì)大大提升。

2.3 煤礦安全可視化作用機(jī)理

根據(jù)以上對安全信息認(rèn)知加工過程和安全可視化內(nèi)涵及特征的分析，安全可視化之所以能夠提高煤礦安全管理水平，其作用機(jī)理是它能夠降低安全管理人員的內(nèi)在和外在認(rèn)知負(fù)荷，提高有效認(rèn)知負(fù)荷，進(jìn)而提高煤礦安全管理效率，促進(jìn)煤礦安全管理科學(xué)化。

第一，以往以數(shù)據(jù)報(bào)表、文字等形式呈現(xiàn)的安全信息，存在大量的信息冗余，安全管理者需花費(fèi)大量的認(rèn)知資源在報(bào)表文字中尋找需要處理的安全信息，提高了其外在認(rèn)知負(fù)荷，在認(rèn)知資源有限的條件下，其用于有效處理安全問題的認(rèn)知資源被大量占用，而信息的可視化展示能夠使管理者一目了然地掌握所需信息，明確需處理的安全問題，大大降低了外在認(rèn)知負(fù)荷。

第二，安全可視化一個(gè)顯著特征就是信息深度互聯(lián)化，即能夠自動(dòng)提取各類安全要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)信息的智能化處理能夠降低各類安全問題所包含的信息元素?cái)?shù)目，而任務(wù)所包含的元素個(gè)數(shù)及元素間相互關(guān)系正是影響內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的關(guān)鍵要素，通過安全可視化的處理，兩者都大大簡化，這在一定程度上降低了內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

第三，安全可視化可以提高安全管理人員的情境感，特別是對可視化的應(yīng)急預(yù)案演練、安全隱患排查，相較于以往的文字化應(yīng)急預(yù)案、隱患排查，能夠提高安全管理人員投入認(rèn)知資源進(jìn)行安全業(yè)務(wù)處理的主觀動(dòng)機(jī)，進(jìn)而提高有效認(rèn)知負(fù)荷。

綜上所述，通過煤礦安全可視化處理，實(shí)現(xiàn)了安全數(shù)據(jù)直觀透明化、深度互聯(lián)化和信息處理智能化，降低了安全管理人員外在和內(nèi)在的認(rèn)知負(fù)荷，提高了有效認(rèn)知負(fù)荷，使有限的工作記憶得以充分利用，最終表現(xiàn)為煤礦安全管理水平的提高。

3 煤礦安全可視化作用機(jī)理認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，通過對比安全信息展示的傳統(tǒng)方式與可視化方式之間認(rèn)知效率的差異，證明安全可視化可以降低安全管理者的認(rèn)知負(fù)荷，提高安全管理水平。本文采用任務(wù)績效法中的主任務(wù)績效，即主任務(wù)反應(yīng)時(shí)間作為認(rèn)知績效的衡量指標(biāo)。

根據(jù)以往研究成果，認(rèn)知效率一般按指數(shù)函數(shù)形式予以描述，即

(1)

式中:t為認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間(s)，一般取認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中被試者的反應(yīng)時(shí)間，取值范圍為(0,+∞)；c為認(rèn)知準(zhǔn)確率(無量綱)，一般取認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中被試者回答測試問題的正確率，取值范圍為(0,1]；E為認(rèn)知效率(s-1)，其與認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與認(rèn)知準(zhǔn)確率呈正相關(guān)關(guān)系，取值范圍為(0,1]。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 實(shí)驗(yàn)材料。本文選取煤礦安全監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)中的瓦斯監(jiān)測值作為實(shí)驗(yàn)材料，傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測值以報(bào)表的形式呈現(xiàn)(見表1)，可視化方式選取基于時(shí)間的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測曲線圖來表示(見圖3)，并取0.65%作為瓦斯?jié)舛阮A(yù)警值。

表1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測值

(2) 實(shí)驗(yàn)被試者。本文選取同煤集團(tuán)某煤礦20名安全管理人員作為被試者，為了保證被試者對安全管理業(yè)務(wù)熟悉程度相當(dāng)，所選被試者均有2～5年安全管理工作經(jīng)驗(yàn)。被試者分為兩組：A組為傳統(tǒng)方式組，B組為可視化方式組。

(3) 實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)前，首先向被試者說明測試內(nèi)容，主要測試題目有三個(gè)：Q1是瓦斯監(jiān)測最大值出現(xiàn)在哪一監(jiān)測點(diǎn)(感知信息)，Q2是哪個(gè)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警多(分析信息)，Q3是應(yīng)加強(qiáng)哪一時(shí)段的瓦斯監(jiān)測(運(yùn)用信息)。三道問題難度依次遞增，并告知被試者要充分保證回答問題的準(zhǔn)確性。為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境相同，實(shí)驗(yàn)材料在同一臺(tái)電腦上呈現(xiàn)，A、B組依次進(jìn)行，當(dāng)工作人員讀完第一題后，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料，工作人員開始計(jì)時(shí)，被試者依次完成三道題目。認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中被試者認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果見表2。

表2 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中被試者認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果(單位：s)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文運(yùn)用SPSS進(jìn)行單變量組間、組內(nèi)方差分析，驗(yàn)證信息展示方式、不同問題難度對認(rèn)知效率的影響是否存在顯著性差異，以及信息展示方式和問題難度之間的交互效應(yīng)。

首先進(jìn)行方差一致性檢驗(yàn)，以判定樣本方差差異是否顯著，其檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可見，F(xiàn)檢驗(yàn)顯著性水平為0.18>0.05，故認(rèn)為樣本方差無顯著性差異，可進(jìn)行方差分析。

表3 方差一致性檢驗(yàn)結(jié)果

注：零假設(shè)，所有組因變量的誤差方差均相等。

然后進(jìn)行主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，不同信息展示方式、問題難度以及信息展示方式和問題難度之間的交互效應(yīng)的顯著性檢驗(yàn)系數(shù)都為零，表示它們都對認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間有顯著性影響。

表4 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果

注：a.R2=0.987(調(diào)整R2=0.986)

不同展示方式、問題難度的條件下，認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間的估算邊際值見圖4。由圖4可知,認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間隨著信息認(rèn)知難度的增大(獲取-分析-運(yùn)用信息)而增大；可視化展示方式相較傳統(tǒng)表達(dá)方式認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間大大縮短；信息展示方式和認(rèn)知難度存在交互效應(yīng)，隨著認(rèn)知問題難度的增大，可視化展示方式效果更加明顯。

4 結(jié) 論

從人的信息處理認(rèn)知負(fù)荷視角，對煤礦安全可視化管理的作用機(jī)理進(jìn)行了理論分析,認(rèn)為安全可視化管理通過信息的直觀透明展示、深度互聯(lián)和智能分析，大大降低了安全工作者的認(rèn)知負(fù)荷。同時(shí)，在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)瓦斯監(jiān)測認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證

了安全可視化管理能夠大大縮短管理者認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間，提高認(rèn)知效率，特別是在處理復(fù)雜安全問題時(shí)，其效果更加顯著。本文的研究結(jié)論為煤炭企業(yè)在感知礦山建設(shè)背景下推行安全可視化管理提供了強(qiáng)有力的理論支撐，并為安全可視化管理信息系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)思路。

[1] 史后波.基于認(rèn)知理論的煤炭企業(yè)可視化管理與應(yīng)用研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2012.

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[3] 譚章祿,史后波,方毅芳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦可視化管理的應(yīng)用研究[J].煤礦機(jī)械,2012,33(8):280-283.

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Mechanism of Security Visualization in Coal Mines Based on Cognitive Load Theory

ZHANG Changlu,TAN Zhanglu

(ManagementSchool,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

Security visualization has become a new trend to manage the security problems in coal mines in the background of big data.This paper analyzes the features of security visualization and the main points of cognitive load theory.Combining the information-processing model and management businesses of coal mine safety,the paper gives qualitative analyses on the mechanism of security visualization from the perspective of cognitive load theory.Furthermore,the paper also does cognitive experiments to give an empirical analysis with the gas data in safety monitoring.The results show that security visualization can improve the overall efficiency of gas monitoring by 60.5 percent and that the effect is more obvious with the increasing of cognitive difficulty.The experiment gives a proof that security visualization can reduce the cognitive load and improve the management efficiency for the safety manager.

coal mine;security visualization management;mechanism;cognitive load theory

1671-1556(2015)01-0131-04

2014-05-23

2014-09-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471362)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2011YG02)

張長魯(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榘踩梢暬?。E-mail:cumtboy@student.cumtb.cdu.cn

X

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.024