信息處理中乘員認知行為形成主因子辨識方法

聶俊峰， 劉維平， 金 毅， 傅斌賀

(裝甲兵工程學(xué)院機械工程系， 北京 100072)

信息處理中乘員認知行為形成主因子辨識方法

聶俊峰， 劉維平， 金 毅， 傅斌賀

(裝甲兵工程學(xué)院機械工程系， 北京 100072)

認知行為形成主因子(Key Performance Shaping Factors，KPSFs)的準確性辨識是研究裝甲車輛乘員信息處理作業(yè)狀態(tài)的關(guān)鍵，對提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有重要意義。為有效解決信息處理中裝甲車輛乘員認知KPSFs辨識問題，在對乘員認知行為形成因子(Performance Shaping Factors，PSFs)進行系統(tǒng)化分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了乘員認知KPSFs辨識模型，面向任務(wù)提出了乘員認知KPSFs實驗驗證流程，并以乘員目標錄入作業(yè)為實例進行了分析驗證。結(jié)果表明：該模型能夠?qū)φJ知KPSFs進行辨識，并可定量比較各KPSFs對乘員認知行為的影響情況，具有較好的可重用性，是一種有效可行的認知KPSFs辨識方法。

裝甲車輛； 認知行為； 信息處理； 行為形成主因子； 辨識方法

隨著裝甲車輛人機系統(tǒng)可靠性和自動化水平的提高，艙室乘員工作逐漸向以監(jiān)視、控制為主的信息處理作業(yè)轉(zhuǎn)變，由車輛性能和作業(yè)環(huán)境引起的作業(yè)事故越來越少，而由乘員特性造成的不安全事件比例卻逐漸上升。據(jù)統(tǒng)計資料[1]顯示：裝甲裝備領(lǐng)域大約70%的事故由人為因素所致，而其根源在于乘員認知行為的局限性。因此，為了減少不安全事件的發(fā)生，充分發(fā)揮人機系統(tǒng)作業(yè)效能，就必須對信息處理作業(yè)中乘員認知行為形成因子(Performance Shaping Factors，PSFs)進行分析。

PSFs是對人的行為產(chǎn)生影響作用的情景環(huán)境因素，PSFs研究是人行為特性研究的核心內(nèi)容[2]。為此，近年來,許多學(xué)者對各種作業(yè)條件下PSFs進行了廣泛研究。Kim等[3]將PSFs概括為人的因素、任務(wù)因素、系統(tǒng)因素和環(huán)境因素4個方面，給出了核電廠應(yīng)急任務(wù)條件下每個方面所對應(yīng)的具體PSFs元素。孫志強等[4]在Kim等[3]研究的基礎(chǔ)上，考慮了一般性工業(yè)中的PSFs，并基于系統(tǒng)化分類思想將組織因素納入到PSFs范疇中，在一定程度上提高了分類的完整性和通用性。Park等[5]使用測量評分法將應(yīng)急操作規(guī)程中的任務(wù)復(fù)雜度分解為任務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)、執(zhí)行任務(wù)需求信息和執(zhí)行任務(wù)所需步驟數(shù)3部分，并通過實驗分別進行了測量，得到了任務(wù)復(fù)雜度的PSFs評分。Chang等[6]構(gòu)建了一種基于主觀評價確定PSFs權(quán)重的方法，該方法被應(yīng)用于飛機維修中人為差錯原因分析，具有較好的有效性。

綜上所述，目前國內(nèi)外研究者對PSFs的研究多數(shù)集中在PSFs分類和評價方面，關(guān)于行為形成主因子(Key Performance Shaping Factors，KPSFs)辨識的研究較少，針對乘員認知KPSFs辨識研究鮮見報道?；诖耍P者以裝甲車輛乘員信息處理過程為研究對象，基于系統(tǒng)化思想對信息處理過程中乘員認知KPSFs進行分析，建立一種主客觀結(jié)合的KPSFs辨識模型，并通過試驗對該模型的有效性進行驗證。

1 乘員認知行為情景環(huán)境的表征

1.1 乘員信息處理模型及基本假設(shè)

裝甲車輛乘員信息處理作業(yè)貫穿作戰(zhàn)任務(wù)始終，是指乘員通過各種感覺器官從外界搜集信息，對信息進行感知和理解，經(jīng)大腦迅速形成指令，精確地進行反應(yīng)執(zhí)行來完成特定任務(wù)的作業(yè)。乘員信息處理過程是一個涉及注意、識別、記憶以及情緒動機等多要素的復(fù)雜心理過程[7]。圖1為乘員的信息處理模型，其中：每個方框代表信息處理的各個階段或元素，箭頭表示信息流通方向。

筆者主要針對乘員能力特性對信息處理過程認知PSFs進行分析，根據(jù)實際需求建立如下基本假設(shè)：

1)艙室人機工效設(shè)計水平高，忽略系統(tǒng)設(shè)計影響；

2)乘員信息處理作業(yè)環(huán)境適宜；

3)乘員已通過等級考核，作業(yè)狀態(tài)良好，無疲勞影響。

圖1 乘員的信息處理模型

1.2 乘員認知PSFs分析

從乘員信息處理模型可以看出，信息處理過程表現(xiàn)為一系列的階段，每一階段的功能是將信息轉(zhuǎn)化為其他操作：感覺是將乘員注意力轉(zhuǎn)移到處理對象上；知覺是乘員對處理對象的識別、判斷和定位，主要參與系統(tǒng)為記憶系統(tǒng)；反應(yīng)是對處理對象的最終反應(yīng)；注意參與信息處理的全過程。因此，信息處理作業(yè)中乘員認知PSFs應(yīng)包括記憶能力水平、反應(yīng)能力水平和注意能力水平。這3個方面可整體涵蓋乘員認知行為，但在描述上還較籠統(tǒng)，需進一步細化，乘員認知PSFs分析如圖2所示。

圖2 乘員認知PSFs分析

1.2.1 記憶能力水平

記憶是對輸入信息編碼、儲存和提取的過程，記憶能力水平一般以記憶廣度來表征[8]。在乘員信息處理作業(yè)中，從系統(tǒng)接收信息，進行信息編碼形成工作記憶，進而不斷反復(fù)形成長時記憶[9]。因此，記憶能力水平方面認知PSFs具體元素主要包括工作記憶能力水平和長時記憶能力水平。

1.2.2 反應(yīng)能力水平

反應(yīng)是信息輸出的最主要方式，反應(yīng)能力水平一般以反應(yīng)時間來表征。乘員信息處理作業(yè)中最常用的操作可概括為：在大量信息中只對某一固定信息做出反應(yīng)的辨別性應(yīng)答和對不同信息做出不同反應(yīng)的選擇性應(yīng)答。因此，反應(yīng)能力水平方面認知PSFs具體元素主要包括選擇反應(yīng)能力水平和辨別反應(yīng)能力水平[10]。

1.2.3 注意能力水平

注意是心理活動或意識對一定對象的指向和集中，注意的基本特征主要有集中性和分配性，分別以注意集中成功時間和注意分配值來表征[11]。艙室中動態(tài)顯示信息繁多，要求乘員在高度集中完成當前任務(wù)的同時，還要及時掌握各種即時信息，對乘員的注意集中能力和分配能力[12]提出了很高的要求。因此，注意能力水平方面認知PSFs具體元素主要包括注意集中能力水平和注意分配能力水平。

2 乘員認知KPSFs辨識方法

由于乘員信息處理作業(yè)中認知表現(xiàn)方式的不同以及行為特征的多樣性，導(dǎo)致認知PSFs具有多層次的特征，而且各PSFs之間具有一定的相關(guān)性[13-14]。因此，為了從認知PSFs中辨識出KPSFs，筆者面向乘員認知特性提出了主客觀結(jié)合的認知KPSFs辨識方法，并通過試驗進行有效性驗證。

2.1 認知PSFs評分方法

2.1.1 評分方式構(gòu)建

2.1.2 評分結(jié)果綜合

(1)

取

(2)

(3)

則指標xi的評價值為

(4)

2.2 認知KPSFs辨識模型

2.2.1 原始矩陣確定

n個乘員進行相同作業(yè)時，對其PSFs的xij(i=1,2,…,p;j=1,2,…,n)進行評價，得到原始矩陣M，即

(5)

對原始矩陣X進行標準化處理，得到矩陣Z，即

(6)

2.2.2 相關(guān)矩陣分析

由矩陣Z可求得相關(guān)矩陣R，即

R=ZZT。

(7)

求相關(guān)矩陣R的特征值及特征向量，設(shè)初始因子載荷陣為A，則

(8)

即

(9)

式中：λ1,λ2,…,λp為R的特征值；γ1,γ2,…,γp分別為特征值對應(yīng)的規(guī)范化特征向量。

2.2.3 因子載荷矩陣簡化

通常采用方差極大正交旋轉(zhuǎn)法來簡化初始因子載荷矩陣A的結(jié)構(gòu)。設(shè)方差極大正交旋轉(zhuǎn)矩陣為B，則有

(10)

依據(jù)矩陣B及系統(tǒng)特性即可確定KPSFs。

2.3 認知KPSFs的檢驗

基于分層驗證思想，通過乘員信息處理作業(yè)模擬測試系統(tǒng)[15]和乘員基本能力特性測試系統(tǒng)進行實驗驗證，以乘員反應(yīng)時間、記憶廣度等作為各認知PSFs的評價指標，分析認知KPSFs與乘員信息處理認知過程之間的關(guān)系，進而實現(xiàn)認知KPSFs辨識模型的有效性驗證。乘員認知KPSFs檢驗流程如圖3所示。

圖3 乘員認知KPSFs檢驗流程

3 實例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

以裝甲車輛乘員典型信息處理作業(yè)目標錄入為例，對乘員信息處理作業(yè)中認知KPSFs進行分析：對355名具有專業(yè)等級的乘員(特級120人、一級115人、二級120人)進行目標錄入信息處理作業(yè)測試；對各乘員作業(yè)時間數(shù)據(jù)進行篩選，選出目標錄入作業(yè)時間大于20 s的乘員(平均作業(yè)時間12.967 s，超過20 s即可認定操作時間過長，會嚴重影響作業(yè)效能的發(fā)揮)；對乘員進行主觀調(diào)查，通過辨識模型完成對認知KPSFs的初步辨識。

初始條件參數(shù)設(shè)置為：認知PSFs的指標集為X={x1,x2,x3,x4,x5,x6}={工作記憶能力水平，長時記憶能力水平，選擇反應(yīng)能力水平，辨別反應(yīng)能力水平，注意集中能力水平，注意分配能力水平}；實際作業(yè)人員、經(jīng)驗豐富的管理人員和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜腋?位，m=9；挑選出的乘員人數(shù)n=51；PSFs的評分范圍為[0，1]。

3.2 認知KPSFs辨識

專家對每名乘員目標錄入信息處理過程中各認知PSFs逐一評分，認知PSFs集值統(tǒng)計如表1所示(僅列其中10例)。

表1 認知PSFs集值統(tǒng)計表

表2為由式(6)、(7)得到的認知PSFs相關(guān)矩陣R，可以看出：x3與x4的相關(guān)系數(shù)為0.904，x5與x6的相關(guān)系數(shù)為0.943，具有顯著的正相關(guān)性。表3為由式(8)、(9)得到的相關(guān)矩陣R的特征值，可知：前3個因子F1、F2、F3所占比例分別為44.992%、40.577%、12.239%，在取前3個主因子時，其特征值累計比例達到97.808%。由式(10)可得方差極大正交旋轉(zhuǎn)矩陣B，如表4所示。在給定迭代精度和旋轉(zhuǎn)精度后，可由表4得出：F1主要由x5和x6組合，F(xiàn)2主要由x3和x4組合，F(xiàn)3主要由x1構(gòu)成[13]。

表2 認知PSFs相關(guān)矩陣R

表3 相關(guān)矩陣R的特征值

表4 方差極大正交旋轉(zhuǎn)矩陣B

3.3 認知KPSFs檢驗

認知KPSFs檢驗的具體操作為：按照乘員目標錄入信息處理作業(yè)時間將乘員分為P(優(yōu)秀組，作業(yè)時間≤10 s)和Q(失誤組，作業(yè)時間≥20 s)2組，其中P組為55人，Q組為51人，組間數(shù)據(jù)具有顯著性差異；對2組乘員認知KPSFs分別進行乘員基本能力特性測試，乘員認知KPSFs績效數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表5所示；將2組KPSFs數(shù)據(jù)進行組間比對，并利用Mann-Whitney U test進行差異性檢驗，驗證模型的有效性，乘員差異性檢驗結(jié)果如表6所示，其中U、W、Z為驗證過程中間的特性統(tǒng)計值，sig.為檢驗的顯著性水平值。

表5 乘員認知KPSFs績效數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表6 Mann-Whitney U檢驗結(jié)果

1) 記憶能力水平

工作記憶廣度用于表征工作記憶和長時記憶能力水平。圖4為工作記憶廣度數(shù)據(jù)對比分析。由圖4和表5可知：P組的工作記憶廣度均值較Q組大，但標準差相近，表明P組工作記憶廣度優(yōu)于Q組。由表6可知：工作記憶廣度的檢驗sig.值為0.018，小于0.05，2組間工作記憶廣度存在顯著差異。

圖4 工作記憶廣度數(shù)據(jù)對比分析

2) 反應(yīng)能力水平

圖5為反應(yīng)時間數(shù)據(jù)對比分析。由圖5和表5可知：P組的選擇反應(yīng)時間和辨別反應(yīng)時間均值較Q組都小，且標準差相近，表明P組選擇反應(yīng)和辨別反應(yīng)速度較快。

圖5 反應(yīng)時間數(shù)據(jù)對比分析

由表6可知：選擇反應(yīng)時間和辨別反應(yīng)時間的檢驗sig.值均為0.000，小于0.05，2組間選擇反應(yīng)時間和辨別反應(yīng)時間均存在顯著差異。

3) 注意能力水平

圖6為注意能力水平數(shù)據(jù)對比分析。由圖6和表5可知：P組的注意集中成功時間和注意分配值均值較Q組都大，且標準差相近，表明P組注意集中能力和注意分配能力水平高。

圖6 注意能力水平數(shù)據(jù)對比分析

由表6可知：注意集中成功時間和注意分配值的檢驗sig.值均為0.000，小于0.05，2組間注意集中成功時間和注意分配值均存在顯著差異。

綜上所述，通過辨識模型得出的乘員各認知KPSFs在檢驗過程中均值水平合理，組間差異性顯著，表明各KPSFs對乘員信息處理過程中認知行為的影響顯著，可作為乘員認知行為情景環(huán)境因素的表征，而長時記憶能力水平因子被篩除的主要原因是其反映的是乘員的知識和經(jīng)驗，對于合格乘員,其差異性相對很小,這也就驗證了辨識方法的有效性。

4 結(jié)論

信息處理作業(yè)中乘員認知KPSFs辨識問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義，筆者依據(jù)“理論分析—數(shù)學(xué)建?！獙嶒烌炞C”的基本思路進行了KPSFs辨識方法研究，基于乘員信息處理模型，對乘員認知特性進行了分析，運用因子識別技術(shù)對乘員認知KPSFs進行了辨識，并檢驗了方法的有效性，從而為有效解決任務(wù)條件下乘員KPSFs問題提供了新的思路，主要表現(xiàn)在：

1)該方法針對信息處理作業(yè)完善了乘員認知行為特有的參數(shù)數(shù)據(jù)，建立了乘員認知KPSFs辨識模型，充分考慮乘員信息處理認知行為特性，保證了方法的穩(wěn)定性。

2)該方法對辨識結(jié)果進行了系統(tǒng)驗證，定量比較了不同能力組乘員各認知KPSFs的差異顯著性，實現(xiàn)了方法的閉環(huán)研究。

3)實例驗證結(jié)果表明：KPSFs模型可以很好地辨識信息處理作業(yè)中乘員認知KPSFs，乘員績效數(shù)據(jù)與模型辨識結(jié)果具有較好的一致性，反映了模型的有效性。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Identification Method for Crew’s Cognitive Key Performance Shaping Factors in Information Processing

NIE Jun-feng， LIU Wei-ping， JIN Yi， FU Bin-he

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

The veracity of cognitive Key Performance Shaping Factors (KPSFs) identification is essential to the study of operation status in armored vehicle cabin crew’s information processing, which has important implications for improving combat effectiveness of the man-machine system. In view of the armored vehicle cabin crew’s information processing，the crew’s cognitive Performance Shaping Factors (PSFs) are systematically analyzed, the identification model for crew’s cognitive KPSFs is built based on factor analysis, the experiment verification process for crew’s cognitive KPSFs is put forward, to solve the pro-blem of cognitive KPSFs identification. An example of crew’s target input is analyzed and verified. The results indicate that this model can identify crew’s cognitive KPSFs, compare the influence of KPSFs on crew’s cognitive performance quantitively, identification reusability is preferable. It is an effective and feasible approach for cognitive KPSFs identification.

armored vehicle; cognitive performance; information processing; Key Performance Shaping Factors (KPSFs); identification method

2016-09-21

聶俊峰(1989-)，男，博士研究生。

TJ811； X914

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.008

1672-1497(2016)06-0039-06