多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型構(gòu)建及其故障模式分析*

龍 增, 吳 超, 石 英

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 安全理論創(chuàng)新與促進研究中心，湖南 長沙 410083)

0 引言

近年來，安全信息備受關(guān)注，成為學(xué)者在研究安全學(xué)科領(lǐng)域和探討事故致因機理上的一個新的切入點，因此，安全信息認(rèn)知相關(guān)的研究也成為趨勢和熱點。黃仁東等[1]提出了6條安全信息學(xué)的核心原理，促進安全信息管理系統(tǒng)的完善；吳超[2]以安全信息的認(rèn)知過程為研究主線，提出了安全信息認(rèn)知通用模型；趙潮鋒等[3]提出了安全信息缺失的概念和安全信息缺失事故致因理論，認(rèn)為事故預(yù)防的重點在于避免缺失關(guān)鍵的安全信息；李思賢等[4]分析了安全信息不對稱的誘發(fā)因素，構(gòu)建了事故致因模式。

一般來說，系統(tǒng)中大多數(shù)安全信息由視覺信號和聽覺信號組成，且存在多級認(rèn)知過程，因此，探討安全信息認(rèn)知的重點是對多級視聽安全信號的認(rèn)知過程進行研究。王晶等[5]把視覺信息的認(rèn)知過程大概歸納為視覺注意、視覺理解、視覺情緒和視覺記憶4個階段；Ten等[6]指出視聽信息整合由諸多因素所影響，如客體特征、任務(wù)目標(biāo)和認(rèn)知背景等；肖宵[7]設(shè)計了10個實驗，探索單一感覺通道和跨感覺通道沖突信息加工機制。但是，視聽信號的認(rèn)知存在局限性。Sweller等[8]提出認(rèn)知負(fù)荷理論；張文強等[9]認(rèn)為人在感知環(huán)境中的視聽信號時存在一定的閾值，并強調(diào)記憶在認(rèn)知過程中具有重要作用。

基于以上研究，本文將從多級視聽混合交替的安全信號入手，嘗試在不同的認(rèn)知形式下構(gòu)建其認(rèn)知模型，旨在分析導(dǎo)致發(fā)生事故的信息故障模式，提出防控措施，并應(yīng)用于實例分析。

1 模型構(gòu)建

1.1 理論基礎(chǔ)

安全視聽信號的認(rèn)知過程涉及多學(xué)科融合交叉，要構(gòu)建多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型，就要以安全科學(xué)理論為基礎(chǔ)，用信息傳播學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)等其他學(xué)科作為理論指導(dǎo)，利用信息流的思維將認(rèn)知過程形象化，以明確表達其相互關(guān)聯(lián)的要素及認(rèn)知機理。

根據(jù)安全信息認(rèn)知通用模型可知，認(rèn)知過程涉及的要素單元有真信源、信源載體、安全信道、安全信宿、信噪等[2]，本文根據(jù)感知安全信息的主要器官不同，以眼睛和耳朵為例，選取混合交替的視聽信號為研究對象，分析其多級認(rèn)知過程，構(gòu)建認(rèn)知模型。

1.2 多級視聽信號認(rèn)知形式

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型[10]，可將視聽信號的認(rèn)知形式分為串聯(lián)、并聯(lián)、聚合和混聯(lián)，下面將分別闡述各認(rèn)知形式的內(nèi)涵。

1)串聯(lián)：視聽信號從1個信源出發(fā)，依次流向安全信宿1，安全信宿2，……，安全信宿n，可類比于電學(xué)中的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，視聽信號即類似于導(dǎo)線，將安全信源、安全信宿1、安全信宿2等逐個串接起來，它們之間具有直接的依賴關(guān)系。

2)并聯(lián)：視聽信號從一個信源出發(fā)，通過不同的安全信道分別流向安全信宿1，安全信宿2，……，安全信宿n等，即“一對多”的結(jié)構(gòu)，可類比于電學(xué)中的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，安全信源發(fā)出的視聽信號流向多個元件，每個安全信宿接收到的視聽信號強弱與自身特點有關(guān)，具有明顯的獨立關(guān)系。

3)聚合：多個視聽信號同時或交替從多個安全信源出發(fā)，通過不同的安全信道流向同一個安全信宿，即“多對一”的結(jié)構(gòu)，稱為聚合。來自不同信源的視聽信號之間可能會互相影響。

4)混聯(lián)：串聯(lián)、并聯(lián)或聚合等2個或多個結(jié)構(gòu)進行組合的形式。一般情況下，系統(tǒng)中的多級視聽信號認(rèn)知是以混聯(lián)的形式呈現(xiàn)，常見的有串聯(lián)-聚合、聚合-并聯(lián)-串聯(lián)等。

系統(tǒng)中視聽信號的4種認(rèn)知形式相混合，形成了多條信息鏈，相互交織，構(gòu)成了復(fù)雜的多級視聽混合交替的安全信號認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。

1.3 建立模型

視聽信號的認(rèn)知過程大致分為信號發(fā)出、傳播、感知、認(rèn)知及動作幾個階段，本文利用信息流的思維，首先針對1個安全信源和1個安全信宿，建立混合視聽信號認(rèn)知的通用模型，在宏觀層面簡要地表現(xiàn)信號的傳播過程及傳入人體后大腦的反應(yīng)過程，如圖1所示。

圖1 混合視聽信號認(rèn)知的通用模型Fig.1 A general model of hybrid audio-visual signal recognition

原始的安全信息(聲、光信息等)雜亂無章，難以被人體接收、理解和認(rèn)知，因此需要信源載體進行篩選再發(fā)出安全信號。如圖1所示，信源發(fā)出視覺信號和聽覺信號，通過不同的信道分別刺激眼睛和耳朵2種感覺器官產(chǎn)生神經(jīng)興奮，物理信號被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號。

混合的視聽信號被人體接收后，先進行感覺登記，在大腦內(nèi)初步形成圖像和聲音，保留的時間非常短暫，視覺刺激大約為250～300 ms，聽覺刺激的保持時間約為它的10倍[11]。感覺登記可理解為瞬時記憶，是安全視聽信號認(rèn)知過程中必不可少的一環(huán)。此時，如果初步形成的圖像和聲音沒有被新的刺激進行加固，很快會消失殆盡。由于人的認(rèn)知資源有限，不能將所有的刺激信息形成知覺，大腦需通過選擇性注意，對已經(jīng)登記的圖像、聲音等進行篩選，選擇少數(shù)信息進行整合、組織，成為知覺對象，調(diào)取長時記憶中的知識、經(jīng)驗等(可看成是內(nèi)部安全信息)，形成知覺信息。隨后通過大腦的高級思維、記憶和學(xué)習(xí)，形成認(rèn)知，從而響應(yīng)動作。響應(yīng)動作及行動結(jié)果對安全視聽信號的感覺登記具有反饋作用，可能又是1次新的認(rèn)知過程。

工作記憶作為在知覺信息和長時記憶之間連接信息流的橋梁，實際上是一種短時記憶，在安全視聽信號認(rèn)知過程中處于不斷活躍的狀態(tài)，可從長時記憶系統(tǒng)中調(diào)取經(jīng)驗和技能等，雖然容量有限，但是對認(rèn)知產(chǎn)生重要影響[12]。注意是一種有意識的選擇，與知覺的形成、認(rèn)知與動作以及工作記憶都有一定的關(guān)聯(lián)。

以上建立的通用模型只涉及1個信源和信宿，而多級認(rèn)知過程涉及到多個主體和客體。因此，可根據(jù)串聯(lián)、并聯(lián)、聚合、混聯(lián)4種認(rèn)知形式和通用模型，分別建立不同認(rèn)知形式下的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型。

1)串聯(lián)

根據(jù)串聯(lián)的認(rèn)知形式，建立多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型，如圖2所示。視聽信號從安全信源傳出，到達安全信宿1，之后安全信宿1作為一個“新信源”發(fā)出視聽信號1(可能只有視覺信號或聽覺信號，也可能是2種信號混合交替)，通過安全信道3(包含視覺信號傳遞通道和聽覺信號傳遞通道)，傳遞到安全信宿2。這里為了方便起見，只考慮了2個安全信宿，以代表多級串聯(lián)形式。

圖2 串聯(lián)形式下的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型Fig.2 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in tandem form

在串聯(lián)形式的多級認(rèn)知模型中，假設(shè)安全信源中的視聽信號為S，安全信宿1接收到的有效視聽信號為S1，安全信宿2接收到的有效視聽信號為S2，則S1=K1S，S2=K2S1。K1和K2為第一級和第二級的安全視聽信號傳遞系數(shù)，均為小于1的正常數(shù)。由此可知，多級串聯(lián)認(rèn)知下安全視聽信號的有效值隨著傳遞鏈的增長而衰減。

2)并聯(lián)

根據(jù)并聯(lián)的認(rèn)知形式，視聽信號從安全信源傳出，分別到達安全信宿1和安全信宿2，2個認(rèn)知過程互相獨立，可建立并聯(lián)形式下的多級混合視聽安全信號的認(rèn)知模型，如圖3所示。安全信源發(fā)出的視聽信息由2種信息載體呈現(xiàn)，通過2條信道分別到達2個信宿，此時的信息載體等同于通用模型中的信源載體。

3)聚合

同理，建立聚合形式下的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型，如圖4所示。這里為了方便起見只考慮2個安全信源，安全信源1只發(fā)出視覺信號，安全信源2只發(fā)出聽覺信號，分別通過不同信道被安全信宿接收。

在聚合形式下，1個認(rèn)知主體面對多個客體需要進行選擇性地接收安全視聽信號。假設(shè)安全信源1中的視聽信號為S1，安全信源2中的視聽信號為S2，安全信宿接收到的有效信號為S，則S=K(S1+S2)，其中K為安全視聽信號傳遞系數(shù)，是小于1的正常數(shù)。

圖3 并聯(lián)形式下的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型Fig.3 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in parallel mode

圖4 聚合形式下的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型Fig.4 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in aggregate form

4)混聯(lián)

混聯(lián)形式有各種組合，不能一一列舉，則選取聚合-并聯(lián)-串聯(lián)形式為代表，建立多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型，如圖5所示。

該模型綜合3種形式下的認(rèn)知特點，在實際生產(chǎn)中是最為常見的一種認(rèn)知模型，涵蓋了系統(tǒng)中的安全視聽信號收集、指令傳達以及任務(wù)執(zhí)行等重要動作，因此具有十分重要的指導(dǎo)意義。

2 故障模式分析及防控方法

一般來說，系統(tǒng)中的安全視聽信號認(rèn)知過程都是以混聯(lián)的形式呈現(xiàn)，涵蓋了串聯(lián)、并聯(lián)、聚合3種認(rèn)知形式的特征。那么可根據(jù)混聯(lián)形式(以聚合-并聯(lián)-串聯(lián)為例)下的安全視聽信號認(rèn)知模型，分析信息傳遞和理解過程中可能發(fā)生的故障模式，并提出相應(yīng)的防控措施，為安全生產(chǎn)提供建設(shè)性意見。

2.1 安全信息故障模式分析

由于安全信息可揭示物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為，則事故發(fā)生可從根本上歸因于安全信息故障[3]。安全信息故障，即系統(tǒng)中的安全信息在傳播、接收、理解等過程中出現(xiàn)問題，在一定程度上減弱甚至喪失其應(yīng)有的功能及作用。一旦安全視聽信號發(fā)生故障，可能導(dǎo)致指令錯誤、冒險作業(yè)等，引發(fā)安全隱患，若故障未被及時修復(fù)，最終會導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，分析多級視聽混合交替安全信號認(rèn)知過程中可能存在的各種故障模式及其誘發(fā)因素和不良影響，對事故防控具有重要意義。

著眼于安全視聽信號的流動過程，可將安全信息故障模式分為安全信息失真、個體感知偏差、認(rèn)知態(tài)度扭曲、認(rèn)知時間延遲4種類型，根據(jù)圖5對這些故障模式進行詳細(xì)分析。

圖5 混聯(lián)形式下的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型Fig.5 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in hybrid mode

2.1.1 安全信息失真

1)載體缺陷

以安全信息1-安全信源1為例，若信源載體自身存在缺陷，無法從原始信息中完全篩選出有用的安全信息，導(dǎo)致真信源中需要被認(rèn)知的信息失真，影響后續(xù)一系列的認(rèn)知過程。在安全信宿1發(fā)出視聽信號1時，由于個體的表達能力受限，動作或語言不能代表其要傳達的全部信息，即信源載體存在缺陷，同樣造成信息失真。該情況必定存在于2個認(rèn)知主體之間的信息傳遞過程中。

2)信道受阻

由圖5知，安全信道中存在信噪，涉及視覺信號的信噪涵蓋同一環(huán)境下的其他光源等，與聽覺信號相關(guān)的信噪包括自然噪聲和人為噪聲等，均對安全視聽信號的正常流動造成干擾。同時，在某些環(huán)境下，信道中可能有屏蔽裝置，消除部分視聽信號。若視覺信號和聽覺信號的傳播通道交叉且雜亂無章，易導(dǎo)致信息傳達的準(zhǔn)確性降低，甚至造成安全信息失真現(xiàn)象。

2.1.2 個體感知偏差

1)感覺受限

根據(jù)圖5的認(rèn)知流程，若原始信息較少，視聽信號的刺激值未達到閾值時，不會進行感覺登記，則為無效信息。而在信源載體不透明的情況下，視聽信號不易被識別，且信源載體除攜帶需要被認(rèn)知的信息以外，會附帶若干無用信息，無用信息所占的比例稱為信息冗余度。信息冗余度越大，個體感知偏差越大。

人的視敏度和聽閾決定了個體能感知到的視聽信號種類和強度。當(dāng)人眼辨認(rèn)外界物體的敏銳程度較低或聽閾范圍較窄時，視聽信號的感覺被極大地限制，造成個體感知偏差。

2)感知沖突

視聽信號同時或交替?zhèn)魅雮€體后，在大腦內(nèi)進行信息整合加工，可能發(fā)生于認(rèn)知過程的多個階段。當(dāng)個體在不同時間感知到的2種信號來自不同的客體，且客體間的距離較遠(yuǎn)時，可能發(fā)生信息沖突，互相削弱其信號強度[13]，影響人的感覺和認(rèn)知。

另外，以安全信源1-安全信宿1和安全信宿1-安全信宿2為例，物或人發(fā)出的視聽信號被個體接收后，若此信息內(nèi)容與自身的知識、記憶系統(tǒng)中的信息不相符或存在沖突，即存在信息不對稱的問題，則會阻礙知覺的形成，造成工作記憶混亂。

3)注意力不集中

當(dāng)安全信宿的注意力分散，未對需要被認(rèn)知的視聽信號保持高度緊張時，外界環(huán)境中信噪的干擾作用增大，影響信息加工。

2.1.3 認(rèn)知態(tài)度扭曲

個體具有一定的偏好性，若安全信宿接收到的視聽信號內(nèi)容和質(zhì)量與其內(nèi)在偏好相矛盾，則會影響認(rèn)知態(tài)度，可能有意或無意間歪解信息，導(dǎo)致認(rèn)知扭曲，在一定程度上對動作響應(yīng)(指令發(fā)布、任務(wù)執(zhí)行等)造成干擾。隨著知識水平的提升，內(nèi)在偏好對扭曲程度的影響有所減少[14]。

2.1.4 認(rèn)知時間延遲

混合交替?zhèn)鬟f的安全視聽信號易造成認(rèn)知時間延遲。認(rèn)知過程的各個環(huán)節(jié)均需一定的時間，則最終的安全信宿響應(yīng)動作與安全信源發(fā)出視聽信號之間存在時間差，安全信號的傳遞鏈越長，時間差越大。在緊急情況下，認(rèn)知時間遲緩，可能造成不可挽回的損失。

2.2 防控措施

根據(jù)以上分析的故障模式及其形成原因，可將其歸納為信源載體、傳播環(huán)境、個體認(rèn)知3個要素，下面則針對其分別提出防控措施，以提高安全視聽信號傳遞效率和認(rèn)知水平，保證系統(tǒng)正常運行。

2.2.1 優(yōu)化信源載體

1)提高篩選效率

利用新媒體技術(shù)完善攜帶視聽信息的載體，使安全信源1和安全信源2能高效地從原始信息中篩選出盡可能多的有價值的內(nèi)容，編碼成安全視聽信號，用于傳播與認(rèn)知。

2)增大透明度

通過可視化技術(shù)[15]，將一些不易被識別的聽覺信號轉(zhuǎn)化為容易被識別的視覺信號，增大信源載體的透明度，使其更容易被個體識別、注意。

3)減小冗余度

設(shè)計信源載體時，應(yīng)使其充分表達出所承載的安全信息，同時盡量減少其他無用信號的展現(xiàn)。如設(shè)計的安全警示牌應(yīng)精煉易懂，發(fā)布指令時應(yīng)言簡意賅等。信息冗余度降低后，認(rèn)知效率會有一定程度的提升。

4)認(rèn)知一致性

如圖5所示，第一級認(rèn)知中的視覺信號和聽覺信號若來自同一客體，則易實現(xiàn)認(rèn)知一致性。使同一信源載體承載更多的視聽信息，能同時或交替發(fā)出安全視聽信號，該信號被個體捕捉后產(chǎn)生一致性促進效應(yīng)，增強認(rèn)知程度。

2.2.2 改善傳播環(huán)境

由圖5知，安全視聽信號的認(rèn)知過程涉及多條信道。設(shè)計規(guī)劃安全視聽信號的傳遞通道，避免信道交叉，消除信號屏蔽裝置，保證每條通道中的視覺信號或聽覺信號能夠有序、穩(wěn)定地流動，避免信息失真。同時，通過技術(shù)手段消除傳播環(huán)境中不相干的光信號和噪聲等，降低信噪對視聽信號傳遞的干擾，減小信息故障發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度。

2.2.3 加強教育培訓(xùn)

1)提高認(rèn)知能力利用VR技術(shù)等方法進行事件模擬，使安全信宿虛擬感知視聽信號。長期訓(xùn)練后，人的眼睛和耳朵對視聽信號的識別、感覺能力得到提升，且能逐漸將自身注意力集中到目標(biāo)安全視聽信號上，以提高其認(rèn)知效率。實際中一旦有視聽信號出現(xiàn)，個體便能快速捕捉，認(rèn)知效率得到提升。另外，反復(fù)、習(xí)慣性地參與認(rèn)知，進行動作響應(yīng)，能夠形成動力定型，減少認(rèn)知時間。

2)豐富知識結(jié)構(gòu)

組織個體參加理論和技能培訓(xùn)，豐富其知識、經(jīng)驗。由圖5知，這些知識和經(jīng)驗儲存于長時記憶中，在認(rèn)知時能夠被快速調(diào)取，減少認(rèn)知的延遲時間；另外，針對某項任務(wù)，若每個信宿的知識系統(tǒng)均較為完善，便能解決信息不對稱問題。

3)增強表達能力

在圖5中，安全信宿在接收、認(rèn)知安全視聽信號后，還需將這些信號繼續(xù)傳遞下去，則要通過自身語言、動作等方式進行表達。表達能力較強，安全信息丟失的程度較小。

3 模型應(yīng)用

由于圖5建立的混聯(lián)形式下的認(rèn)知模型涵蓋3種認(rèn)知形式的特點，可針對聚合-并聯(lián)-串聯(lián)認(rèn)知形式，設(shè)定實際生產(chǎn)系統(tǒng)中1個常見的場景，根據(jù)多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型進行具體分析。

場景具體描述：在鍋爐車間中，當(dāng)鍋爐缺水時，低水位信號燈會發(fā)光，水位報警器會發(fā)出聲響，一旦安全員認(rèn)知到這2種信號，便給兩名輪值的操作工發(fā)布指令。由于處理鍋爐缺水的工作可能比較復(fù)雜，需要多人配合完成，因此，這2名輪值的操作工分別通知檢修工和附近其他的操作工，完成檢查鍋爐水位、“叫水”或者緊急停爐等操作，消除事故隱患。根據(jù)圖5建立的模型，可將上述場景進行分解，如圖6所示。

圖6 場景案例分析示意Fig.6 Scenario case analysis diagram

安全員感知到2種信號后，判斷出鍋爐缺水，發(fā)布安全指令，為第一級(聚合)認(rèn)知流程；安全員用語言和肢體動作表達的指令為視聽信號1，輪值操作工a和b接收到指令后進行認(rèn)知，繼續(xù)傳達下去，為第二級(并聯(lián))認(rèn)知過程；檢修工和附近的其他操作工認(rèn)知安全信號，從而響應(yīng)動作，跟隨輪值的操作工一起完成隱患排查工作等，為第三級(串聯(lián))認(rèn)知流程；安全信道在鍋爐車間的環(huán)境中，存在機械噪聲、人為噪聲、光照強度等干擾因素(信噪)。

場景分解后，可根據(jù)該認(rèn)知流程中涉及的各個元素分析可能存在的信息故障模式，如圖6所示。針對這些故障模式，安全管理人員可采取相應(yīng)的管控和預(yù)防措施，保障生產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

1)由建立的安全視聽信號認(rèn)知模型知，實際安全系統(tǒng)中視聽信號的認(rèn)知過程復(fù)雜多變，且存在多種故障模式，包括安全信息失真、個體感知偏差、認(rèn)知態(tài)度扭曲和認(rèn)知時間延遲等，導(dǎo)致重要安全信號無法順利傳遞。

2)針對每種故障模式的誘因可提出有效的防控措施，如優(yōu)化信源載體、改善傳播環(huán)境、加強教育培訓(xùn)等，避免信息故障的發(fā)生，對系統(tǒng)中重要安全視聽信號的認(rèn)知具有促進作用。

3)通過案例應(yīng)用與分析，表明本文構(gòu)建的多級視聽混合交替安全信號的認(rèn)知模型在生產(chǎn)和生活系統(tǒng)中具有廣泛的適用性，可為事故致因分析以及災(zāi)害防控提供新的思路。