考慮腦力負(fù)荷的模擬手工裝配作業(yè)實(shí)驗(yàn)研究

韓文民，夏華杰，吳俊，黃勁松，龔佳偉

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

1 引言

工業(yè)裝配生產(chǎn)中，大量相似產(chǎn)品是由一線裝配員工將各類相同的零部件組裝而成。雖然隨著機(jī)器人的引入，傳統(tǒng)裝配線部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)/半自動(dòng)裝配線。然而，仍有許多裝配操作太過復(fù)雜，采用手工裝配是最有效的解決方案[1]。當(dāng)裝配線有不同任務(wù)時(shí)，手工裝配具有高度的靈活性，具有更好的表現(xiàn)，因此會(huì)在未來裝配作業(yè)中持續(xù)存在[2]。隨著多品種生產(chǎn)成為企業(yè)生產(chǎn)的主流，企業(yè)裝配生產(chǎn)中無論是采用傳統(tǒng)裝配線，還是采用混流裝配線，抑或是采用單元生產(chǎn)，都會(huì)使裝配員工面臨不同任務(wù)切換情形。員工面對(duì)裝配線較快的生產(chǎn)節(jié)拍，需要快速反應(yīng)，容易造成工作壓力增大，人因失誤概率增大，一些失誤會(huì)影響到裝配質(zhì)量甚至造成生產(chǎn)中斷[3]。企業(yè)由此難以持續(xù)高效地進(jìn)行安全生產(chǎn)作業(yè)。因此，研究不同類型任務(wù)切換場(chǎng)景下，員工工作績(jī)效與腦力負(fù)荷的變化，進(jìn)而確定在保證工作效率的基礎(chǔ)上既可以控制錯(cuò)誤率，又可以使員工腦力負(fù)荷處于合理狀態(tài)的作業(yè)切換方式，避免裝配員工長(zhǎng)期處于高腦力負(fù)荷狀態(tài)或者由于工作簡(jiǎn)單、無聊導(dǎo)致的注意力降低、分心，造成裝配操作失誤的后果。這對(duì)裝配生產(chǎn)降低事故率、提高裝配質(zhì)量，使企業(yè)高效、持續(xù)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

研究普遍發(fā)現(xiàn)任務(wù)切換工作場(chǎng)景下的員工績(jī)效相對(duì)于任務(wù)重復(fù)時(shí)更差，表現(xiàn)在反應(yīng)時(shí)間(Reaction Time，RT)更長(zhǎng)，錯(cuò)誤率更高，這被稱為切換成本[4-5]。眾多學(xué)者從獎(jiǎng)懲制度、任務(wù)數(shù)量、切換頻率以及認(rèn)知恢復(fù)等多角度對(duì)任務(wù)切換與績(jī)效之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，如：Umemoto等[6]研究發(fā)現(xiàn)通過對(duì)特定任務(wù)執(zhí)行進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，可以提高績(jī)效水平，使RT降低和準(zhǔn)確性提高。Kleinsorge等[7]設(shè)置兩個(gè)或四個(gè)候選切換的任務(wù)，發(fā)現(xiàn)通過臨時(shí)減少候選任務(wù)數(shù)量可以降低任務(wù)切換的成本，提升績(jī)效水平。Camille等[8]研究發(fā)現(xiàn)在25%和50%切換頻率下，切換成本隨切換頻率的增加而降低。Gajewski等[9]對(duì)57名中年裝配線員工進(jìn)行認(rèn)知訓(xùn)練，使用基于復(fù)雜記憶的任務(wù)切換范式評(píng)估訓(xùn)練效果，發(fā)現(xiàn)3個(gè)月的訓(xùn)練能夠減少認(rèn)知衰退，員工認(rèn)知表現(xiàn)提高到靈活工作員工的水平。

上述研究主要評(píng)估被試在不同條件下任務(wù)切換時(shí)的瞬時(shí)反應(yīng)，較少?gòu)娜蝿?wù)類型與具體生產(chǎn)實(shí)際過程結(jié)合的角度進(jìn)行研究。隨著神經(jīng)工效學(xué)的發(fā)展，腦電(Electro-Encephalo-Gram，EEG)技術(shù)由于具有實(shí)時(shí)反映大腦活動(dòng)狀態(tài)(如：疲勞、喚醒)的特點(diǎn)，因此在生產(chǎn)運(yùn)作管理等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。蔡敏等[10]結(jié)合EEG和動(dòng)作分析對(duì)手工裝配線易疲勞工序進(jìn)行優(yōu)化，證實(shí)了腦電在生產(chǎn)運(yùn)作管理領(lǐng)域中應(yīng)用的有效性。王雪霜等[11]采用EEG事件相關(guān)電位系統(tǒng)，以具體工業(yè)產(chǎn)品為對(duì)象，進(jìn)行了用戶的情感測(cè)量，為提升用戶體驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。因此，本實(shí)驗(yàn)采用具有高時(shí)間分辨率的腦電技術(shù)，通過樂高模塊組裝模型模擬實(shí)際裝配過程，這種模擬裝配從動(dòng)素(如：尋找、選擇、握取、移物、定位、裝配)角度分析已被證實(shí)與iPhone手機(jī)裝配具有高度相似性，可以代表一般輕型手工裝配作業(yè)[12]。然后評(píng)估被試經(jīng)過不同類型任務(wù)切換后，一段時(shí)間內(nèi)的績(jī)效表現(xiàn)與腦力負(fù)荷狀態(tài)變化，以期為混流裝配線或單元生產(chǎn)中員工進(jìn)行何種類型任務(wù)切換選擇和多能工培養(yǎng)等方面提供理論依據(jù)，并指導(dǎo)企業(yè)安全生產(chǎn)工作。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 被試

實(shí)驗(yàn)招募24名本科生被試，男19人，女5人，年齡在21～24歲(均值=22.04，標(biāo)準(zhǔn)差=0.908)。被試均身體健康、矯正視力正常、右利手、無色盲色弱。被試在實(shí)驗(yàn)前均被詳細(xì)告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自愿同意簽署《知情同意書》，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后給予每名被試一定數(shù)量的報(bào)酬。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由兩臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，一臺(tái)錄像機(jī)，一臺(tái)筆記本與一套EEG設(shè)備組成。兩臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)分別位于兩臺(tái)垂直擺放的桌子中間位置處。樂高模塊按由小到大與裝配先后的規(guī)則，放入標(biāo)識(shí)模塊類型的收納盒中。收納盒距被試小于或等于600 mm，以滿足《GB/T 13547-1992 工作空間人體尺寸》中坐姿人體尺寸百分位數(shù)上肢功能前伸長(zhǎng)第5個(gè)百分位數(shù)的便利性要求。作業(yè)區(qū)劃分為被切換任務(wù)(A任務(wù))區(qū)與切換任務(wù)(B任務(wù))區(qū)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。

圖1 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)與流程

實(shí)驗(yàn)的A任務(wù)為3層樂高模型裝配，A任務(wù)裝配指示圖如圖2(a)所示。簡(jiǎn)單相似B任務(wù)是12層模型裝配，裝配指示圖如圖2(b)所示。復(fù)雜相似B任務(wù)是5層模型裝配，從三個(gè)角度進(jìn)行靜態(tài)展示，裝配指示圖如圖2(c)所示。由于數(shù)字任務(wù)既是任務(wù)切換研究中常用到的任務(wù)材料，又與生產(chǎn)裝配線中存在的機(jī)器操作界面多為數(shù)字化界面相一致。因此，不相似任務(wù)選取數(shù)字任務(wù)作為研究對(duì)象。簡(jiǎn)單不相似B任務(wù)是由135道加法題組成，復(fù)雜不相似B任務(wù)由6道乘法題組成。B任務(wù)的具體描述如表1所示[13 -14]。

被試到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，先為被試講解流程、介紹任務(wù)，并讓被試練習(xí)熟悉A任務(wù)模型裝配。再為被試佩戴腦電帽，檢查阻抗值，均小于40kΩ后即開始實(shí)驗(yàn)。被試共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，包括裝配12組36層A任務(wù)的任務(wù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜性(簡(jiǎn)單/復(fù)雜)與相似性(相似/不相似)(2×2)的4類任務(wù)切換實(shí)驗(yàn)，得到120組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，滿足雙變量(2×2)實(shí)驗(yàn)的樣本量要求。即任務(wù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)和4類任務(wù)切換實(shí)驗(yàn)，5類實(shí)驗(yàn)，每一類實(shí)驗(yàn)有24組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，組成用于分析的120組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同組實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在不同順序位置的概率基本相同，被試隨機(jī)匹配一種順序，以減少潛在的順序影響。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)間大約1 h，實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備大約0.5 h。

對(duì)于任務(wù)切換，被試先裝配A任務(wù)3 min以上，并控制被試準(zhǔn)備裝配A任務(wù)第二層時(shí)，讓被試聽到一聲鈴聲，被試立即停下，切換并完成B任務(wù)后，再自主切換回A任務(wù)，直到裝配完12組36層A任務(wù)。

表1 B任務(wù)(切換任務(wù))的描述

(a) (b) (c)

圖2 (a)A任務(wù)模型裝配指示圖；(b)簡(jiǎn)單相似任務(wù)裝配指示圖；(c)復(fù)雜相似任務(wù)裝配指示圖

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 指標(biāo)

錯(cuò)誤率：統(tǒng)計(jì)A、B任務(wù)的錯(cuò)誤率，凡裝配中模塊形狀、顏色、裝配方向出現(xiàn)與指示圖中不一致即可認(rèn)為此層裝配錯(cuò)誤。數(shù)學(xué)計(jì)算任務(wù)直接統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤的題目數(shù)。

反應(yīng)時(shí)間(RT)：從被試完成B任務(wù)后切換至A任務(wù)，裝配好第一個(gè)模塊的時(shí)間。

平均裝配時(shí)間-T/N：T指完成A任務(wù)總計(jì)時(shí)間，N指A任務(wù)總層數(shù)。此指標(biāo)通過視頻記錄分析得到，T/N越小，績(jī)效越高，即生產(chǎn)效率越高。

EEG指標(biāo)-β/(α+θ)：相較于β/α和1/α，β/(α+θ)被證實(shí)能夠更好地反映腦部喚醒、工作量變化，并被應(yīng)用于閉環(huán)系統(tǒng)以調(diào)整任務(wù)分配[15]。在被試正常狀態(tài)下，完成任務(wù)時(shí)的β/(α+θ)應(yīng)越小越好，β/(α+θ)越小表示被試在完成任務(wù)時(shí)的腦力負(fù)荷越小。EEG頻段：θ頻段(3-7Hz)、α頻段(8-13Hz)、β頻段(13-30Hz)。

3.2 EEG數(shù)據(jù)采集與處理

EEG設(shè)備為Advanced Brain Monitoring公司的B-Alert X10，采樣率為256Hz，根據(jù)國(guó)際10-20系統(tǒng)的定義，在電極位置Fz,F3,F4,Cz,C3,C4,POz,P3,P4處檢測(cè)EEG信號(hào)，參考電極位于雙耳后的乳突骨處。

EEG數(shù)據(jù)使用B-Alert Lab專業(yè)EEG分析軟件處理，由內(nèi)置去偽跡算法去除了肌電、眼電、尖峰等偽跡，對(duì)EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用Kaiser窗口的快速傅立葉變換，并計(jì)算指定頻率區(qū)間的正弦分量幅度，得到功率譜密度。通過對(duì)前、后A任務(wù)時(shí)間段的功率譜密度求平均值，再求出β/(α+θ)值。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用IBM SPSS 19進(jìn)行分析，使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差反映數(shù)據(jù)情況，用箱式圖檢驗(yàn)異常值，用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)性，用Levene方差齊性檢驗(yàn)判斷等方差性，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。在統(tǒng)計(jì)分析前，先篩選殘差值超過標(biāo)準(zhǔn)差的3倍的異常值。實(shí)驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備問題，被試未遵循實(shí)驗(yàn)指示等原因，采集的數(shù)據(jù)也可能判定為異常值。錯(cuò)誤率排除了1個(gè)數(shù)據(jù)，RT排除了3個(gè)數(shù)據(jù)，為了避免被試對(duì)任務(wù)熟悉程度不夠的影響，平均裝配時(shí)間排除每名被試的第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共排除24個(gè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果

4.1 錯(cuò)誤率

五組實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤量統(tǒng)計(jì)如表2所示，轉(zhuǎn)換為錯(cuò)誤率后，對(duì)任務(wù)重復(fù)與任務(wù)切換的錯(cuò)誤率進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)。A任務(wù)錯(cuò)誤率沒有顯著影響(P>0.05)。B任務(wù)錯(cuò)誤率檢驗(yàn)結(jié)果為：H=24.826，P<0.001，拒絕原假設(shè)，被試在不同B任務(wù)中的錯(cuò)誤率有差別。經(jīng)過兩兩比較，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。e組與b、c組的錯(cuò)誤率有差異(調(diào)整后P<0.001)，d組與b、c組的錯(cuò)誤率無差異(調(diào)整后P分別為0.329和0.1)。

表2 錯(cuò)誤量統(tǒng)計(jì)表

表3 組別的成對(duì)比較

4.2 反應(yīng)時(shí)間

采用雙因素方差分析復(fù)雜性和相似性對(duì)RT的影響，為了滿足方差分析假設(shè)，RT進(jìn)行了平方根變換，結(jié)果顯示復(fù)雜性與相似性對(duì)RT的影響存在交互作用，F(xiàn)(1，89)=5.617，P=0.02，偏η2=0.059。簡(jiǎn)單主效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)不同復(fù)雜性程度下，不相似任務(wù)切換的RT有差異，不同相似性程度下，復(fù)雜任務(wù)切換的RT有差異：不相似任務(wù)切換F(1，89)=5.096，P<0.05，偏η2=0.054；復(fù)雜任務(wù)切換F(1，89)=7.053，P<0.05，偏η2=0.073。成對(duì)比較分析這兩類的簡(jiǎn)單主效應(yīng)結(jié)果，簡(jiǎn)單不相似和復(fù)雜不相似任務(wù)切換的RT平方根值分別為2.585±0.398、2.903±0.529。復(fù)雜不相似任務(wù)切換的RT平方根值比簡(jiǎn)單不相似的高0.318(95%CI為0.038-0.598)，P=0.026。復(fù)雜相似和復(fù)雜不相似任務(wù)切換的RT平方根值分別為2.525±0.495、2.903±0.529。復(fù)雜不相似任務(wù)切換的RT平方根值比復(fù)雜相似的高0.378(95%CI為0.095-0.661)，P=0.009。RT均值如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時(shí)間均值

4.3 平均裝配時(shí)間

對(duì)任務(wù)切換中A任務(wù)的四組平均裝配時(shí)間分別與任務(wù)重復(fù)的平均裝配時(shí)間進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)。結(jié)果顯示只有簡(jiǎn)單相似任務(wù)切換與任務(wù)重復(fù)的平均裝配時(shí)間之間存在顯著差異(t(17)=2.222，P=0.040，d=0.524)。平均裝配時(shí)間均值圖如圖4所示。

圖4 平均裝配時(shí)間均值

4.4 EEG指標(biāo)

對(duì)任務(wù)切換實(shí)驗(yàn)中第1段A任務(wù)時(shí)間段與第2段A任務(wù)時(shí)間段的EEG指標(biāo)β/(α+θ)進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)9個(gè)參考通道與5個(gè)差分通道數(shù)據(jù)，EEG指標(biāo)有顯著性差異的通道如表4所示，EEG指標(biāo)的均值如圖5所示。

表4 EEG指標(biāo)β/(α+θ)顯著性結(jié)果

圖5 EEG指標(biāo)β/(α+θ)均值

5 討論

通過對(duì)四類指標(biāo)的結(jié)果分析表明，對(duì)于錯(cuò)誤率指標(biāo)，不同類型的任務(wù)切換不會(huì)導(dǎo)致A任務(wù)的錯(cuò)誤率顯著上升，而復(fù)雜不相似B任務(wù)的錯(cuò)誤率顯著高于簡(jiǎn)單B任務(wù)，復(fù)雜相似B任務(wù)與簡(jiǎn)單B任務(wù)的錯(cuò)誤率之間不存在顯著性差異。為降低裝配生產(chǎn)中產(chǎn)品的次品率，應(yīng)避免采用復(fù)雜不相似任務(wù)切換方式以提高裝配質(zhì)量。對(duì)于RT指標(biāo)，復(fù)雜不相似任務(wù)切換的RT也顯著高于相似任務(wù)切換，表明員工難以快速響應(yīng)復(fù)雜不相似任務(wù)切換，在任務(wù)切換過程中，造成了錯(cuò)誤率顯著上升。因此，從錯(cuò)誤率與RT指標(biāo)分析，都應(yīng)該避免在企業(yè)裝配生產(chǎn)中選擇復(fù)雜不相似任務(wù)切換方式。對(duì)于平均裝配時(shí)間指標(biāo)，簡(jiǎn)單相似任務(wù)切換相較于其他任務(wù)切換導(dǎo)致A任務(wù)的平均裝配時(shí)間顯著更高，即簡(jiǎn)單相似任務(wù)切換導(dǎo)致生產(chǎn)效率顯著降低。這可能是由于員工長(zhǎng)時(shí)間處理枯燥、簡(jiǎn)單的任務(wù)，導(dǎo)致了一定程度的分心，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降。從維持持續(xù)高的生產(chǎn)效率而言，應(yīng)該避免發(fā)生這種情況。因此，從生產(chǎn)效率角度分析，企業(yè)裝配生產(chǎn)中應(yīng)該避免采用簡(jiǎn)單相似任務(wù)切換方式。

對(duì)于EEG指標(biāo)，工作記憶任務(wù)期間，前額葉皮層的活動(dòng)反映了注意力選擇[16]。分析額葉的Fz通道可知，簡(jiǎn)單相似、簡(jiǎn)單不相似、復(fù)雜不相似任務(wù)切換均使EEG指標(biāo)β/(α+θ)顯著升高，表明這三類任務(wù)切換導(dǎo)致被試額葉腦區(qū)喚醒度更高，需要投入更多注意力資源完成A任務(wù)，腦力負(fù)荷變得更大。而復(fù)雜相似任務(wù)切換不僅沒有引起額葉腦力負(fù)荷的增加，還減少了頂葉的腦力負(fù)荷量，符合相似安全心理學(xué)理論中員工安全認(rèn)知的內(nèi)涵[17]。相似任務(wù)切換差分通道以及復(fù)雜相似任務(wù)切換參考通道POz、P4的顯著性差異，表明額葉與頂葉都參與了自上而下注意力切換信號(hào)控制，這與Rossi等[18]的研究一致。同時(shí)，不相似任務(wù)切換差分通道未出現(xiàn)顯著差異，表明僅相似任務(wù)切換引起了額-頂腦區(qū)喚醒度在切換后一段時(shí)間出現(xiàn)顯著變化。

基于四類指標(biāo)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合討論分析后，各指標(biāo)下的任務(wù)切換優(yōu)先選擇方案，如表5所示，可見復(fù)雜相似任務(wù)切換是最合理的切換方式。如果任務(wù)切換選擇的指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，選擇方案就有多種可能，如果對(duì)四類指標(biāo)賦予相同權(quán)重，則優(yōu)選方案依次為復(fù)雜相似型、簡(jiǎn)單不相似型、簡(jiǎn)單相似型、復(fù)雜不相似型。

表5 各指標(biāo)下的優(yōu)先選擇方案

注：√表示在此指標(biāo)下優(yōu)先選擇的方案，—表示此指標(biāo)下不應(yīng)選擇方案

6 結(jié)論

本文采用復(fù)雜性與相似性(2×2)因素設(shè)計(jì)的交替任務(wù)切換范式，進(jìn)行考慮腦力負(fù)荷的模擬手工裝配作業(yè)實(shí)驗(yàn)研究，研究表明錯(cuò)誤率、RT、平均裝配時(shí)間、EEG指標(biāo)β/(α+θ)等指標(biāo)可以較好評(píng)估任務(wù)切換對(duì)被試績(jī)效、腦力負(fù)荷的影響。研究結(jié)果顯示任務(wù)切換類型的最優(yōu)選擇是復(fù)雜相似型，企業(yè)裝配生產(chǎn)中設(shè)計(jì)實(shí)施混流或單元裝配線時(shí)，員工優(yōu)先選擇復(fù)雜相似任務(wù)切換更有利于生產(chǎn)。同時(shí)，企業(yè)培訓(xùn)多能工時(shí)應(yīng)讓多能工盡量勝任相似性大的工作，避免多能工工作時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤率上升、腦力負(fù)荷增大等情形。本文還提供了四類指標(biāo)下任務(wù)切換的優(yōu)先選擇方案，企業(yè)可以結(jié)合具體生產(chǎn)實(shí)際情形，在優(yōu)先考慮不同指標(biāo)時(shí)，選擇合理的任務(wù)切換方式，讓員工的腦力負(fù)荷處于安全合理狀態(tài)，使企業(yè)安全高效生產(chǎn)得到有效保障。

此外，EEG指標(biāo)分析表明任務(wù)切換前后一段時(shí)間內(nèi)，相似任務(wù)切換引起了額葉-頂葉腦區(qū)喚醒程度的變化，不相似任務(wù)切換僅僅引起了額葉的喚醒程度變化，表明并不是所有的任務(wù)切換都會(huì)引起任務(wù)切換后一段時(shí)期額葉-頂葉腦區(qū)喚醒度的變化。

未來研究中，可以在實(shí)驗(yàn)中考慮加入裝配工具、節(jié)拍、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等因素，并綜合使用眼動(dòng)儀、近紅外光學(xué)成像等儀器設(shè)備，進(jìn)一步研究任務(wù)切換中員工績(jī)效及各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化，為企業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與設(shè)施規(guī)劃、員工調(diào)度等方面提供理論依據(jù)與優(yōu)化方案。