計(jì)算機(jī)模擬警戒作業(yè)疲勞與績效測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)*

吳雪琴，廖 斌

(1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，四川 成都 611731； 2.四川師范大學(xué) 商學(xué)院，四川 成都 610101)

0 引言

隨著信息化和自動化的深入，生產(chǎn)領(lǐng)域中人的角色逐漸由直接生產(chǎn)者轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)視控制的決策行為者[1]。這些作業(yè)需要作業(yè)者長時(shí)間為覺察特定的、難以預(yù)測而又較少出現(xiàn)的信號持續(xù)保持準(zhǔn)備狀態(tài)，亦被稱之為警戒作業(yè)[2]。警戒作業(yè)中以視覺監(jiān)控警戒作業(yè)最為常見，比如工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量控制、空中交通管制、核電站數(shù)字控制等[3]。作業(yè)者長時(shí)間的持續(xù)視覺注意會導(dǎo)致作業(yè)績效的下降，甚至引發(fā)生產(chǎn)安全事故。因此，學(xué)者們對視覺監(jiān)控警戒作業(yè)績效問題進(jìn)行大量研究。早期研究主要關(guān)注作業(yè)時(shí)間對績效的影響規(guī)律，早在1948年，Mackworth[4]利用模擬時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)證實(shí)長時(shí)間視覺監(jiān)控作業(yè)會導(dǎo)致績效下降的假設(shè)；金端等[5]證實(shí)視覺監(jiān)控警戒作業(yè)中，過長的持續(xù)時(shí)間會帶來績效的顯著下降；郭秀艷等[6-7]認(rèn)為在60 min內(nèi)視覺監(jiān)控警戒作業(yè)績效比較穩(wěn)定，但隨著作業(yè)時(shí)間的延長，績效會呈現(xiàn)下降趨勢。近年來，學(xué)者們開始探索導(dǎo)致長時(shí)間監(jiān)控警戒作業(yè)績效下降的原因，Tiwari等[8]、張德乾[9]、Zhang等[10]、Mastaneh等[11]、Yao等[12]均認(rèn)為長時(shí)間作業(yè)導(dǎo)致的疲勞是引起視覺監(jiān)控警戒績效下降的直接原因，但是這些成果并未對何時(shí)開始出現(xiàn)疲勞形成共識，而且未對疲勞的類型、疲勞的形成原因做進(jìn)一步研究。Moritz等[13]在分析疲勞分類的基礎(chǔ)上，提出視覺疲勞和心理疲勞是導(dǎo)致監(jiān)控警戒作業(yè)績效衰退的重要原因，但是并未分析疲勞致因在作業(yè)疲勞與績效關(guān)系中的中介效應(yīng)，而且忽略了長時(shí)間坐姿導(dǎo)致肌肉緊張的影響。雖然已有研究對監(jiān)控警戒作業(yè)疲勞的出現(xiàn)時(shí)間、疲勞對績效的影響機(jī)理等方面存在不足或爭議，但是學(xué)者們普遍認(rèn)同：監(jiān)控警戒作業(yè)績效在較短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，長時(shí)間以后作業(yè)績效會出現(xiàn)顯著下降趨勢。

合理安排工間休息是解決監(jiān)控警戒作業(yè)過程中因疲勞導(dǎo)致作業(yè)績效下降問題的重要手段[14]?？冃y量法是確定疲勞的最常用方法[15]，績效拐點(diǎn)常被用來判斷作業(yè)疲勞，績效拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間則被用作工間休息安排的依據(jù)。因此，可設(shè)計(jì)“計(jì)算機(jī)模擬警戒作業(yè)疲勞與績效測量實(shí)驗(yàn)”，探索視覺監(jiān)控警戒作業(yè)工間休息制度的安排方法和理論依據(jù)。但是，實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)與學(xué)者們普遍認(rèn)同的經(jīng)典理論——“監(jiān)控警戒作業(yè)績效在較短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，長時(shí)間以后作業(yè)績效會出現(xiàn)顯著下降趨勢”存在較大矛盾?；诖耍疚膶?shí)驗(yàn)方案中警戒作業(yè)疲勞與績效的影響因素進(jìn)行深入分析，重新設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)。

1 原有實(shí)驗(yàn)方案存在問題分析

1.1 原有實(shí)驗(yàn)方案

1.1.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

應(yīng)用visual studio 2019編程設(shè)計(jì)任務(wù)模擬視覺監(jiān)控警戒作業(yè)。任務(wù)界面為圓形時(shí)鐘，時(shí)鐘半徑100 mm，背景顏色為灰色，只有1根指針，設(shè)計(jì)為黑色細(xì)長箭頭形狀，時(shí)鐘圓周外圍均勻分布60個(gè)刻度。指針按順時(shí)針方向每2 s轉(zhuǎn)動1個(gè)刻度，當(dāng)指針1次移動2個(gè)刻度時(shí)，表示信號出現(xiàn)，被試者需要在3 s內(nèi)按space鍵反應(yīng)，如果超過3 s沒有按鍵，軟件將自動記錄為漏報(bào)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)90 min，信噪比平均1/20，信號隨機(jī)出現(xiàn)，隨機(jī)間隔時(shí)間≥60 s。實(shí)驗(yàn)界面如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)界面Fig.1 Interface of experiment

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為聯(lián)想臺式機(jī)電腦搭載22英寸液晶顯示器，應(yīng)用visual studio 2019編程設(shè)計(jì)視覺監(jiān)控警戒作業(yè)界面。實(shí)驗(yàn)配備標(biāo)準(zhǔn)電腦操作臺，高度可調(diào)節(jié)工作座椅。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為日光燈照明，保持300 lx照度水平，噪音水平控制在40 dB(A)以內(nèi)，開窗通風(fēng)。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

被試者為大三學(xué)生。調(diào)整好實(shí)驗(yàn)照明、噪音和通風(fēng)環(huán)境，被試者調(diào)節(jié)好座椅后端正就坐于電腦操作臺前，開始測試。90 min內(nèi)被試者需保持警戒狀態(tài)，注視液晶顯示器任務(wù)界面，發(fā)現(xiàn)信號被試者需在3 s內(nèi)按space鍵響應(yīng)。90 min時(shí)實(shí)驗(yàn)程序自動結(jié)束。

軟件記錄被試者0～90 min內(nèi)的正確反應(yīng)、誤報(bào)和漏報(bào)次數(shù)。將90 min測試時(shí)間分為9個(gè)單元，每個(gè)單元10 min，統(tǒng)計(jì)每名被試者每個(gè)單元的作業(yè)績效(正確率)，如式(1)所示：

(1)

式中：Pij為第i名被試者在第j單元的作業(yè)績效；FAij為第i名被試者在第j單元的誤報(bào)次數(shù)；Mij為第i名被試者在第j單元的漏報(bào)次數(shù)；Sij為第i名被試者測試第j單元時(shí)的總信號數(shù)。

分析視覺監(jiān)控警戒作業(yè)時(shí)間疲勞與作業(yè)績效的關(guān)系，繪制績效曲線。

1.2 原有實(shí)驗(yàn)存在問題分析

1.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將2016—2019年該實(shí)驗(yàn)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新整理(共198個(gè)被試者數(shù)據(jù))，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間單元的作業(yè)績效均值，如式(2)所示：

(2)

式中：Pj為時(shí)間單元j的作業(yè)績效均值；n為被試者數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)方案作業(yè)績效均值見表1。

表1數(shù)據(jù)顯示作業(yè)績效在9個(gè)時(shí)間單元中波動明顯。通過t檢驗(yàn)分析作業(yè)績效均值在9個(gè)時(shí)間單元中兩兩之間的差異，實(shí)驗(yàn)方案作業(yè)績效t檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)方案作業(yè)績效均值Table 1 Average work performance of experimental scheme

由表2可知，被試者在第1，2單元之間績效無差異(P>0.05)，這2個(gè)單元與其他單元之間績效存在顯著差異(P<0.05)；第5，7，8單元之間績效無差異(P>0.05)，這3個(gè)單元與其他單元之間績效存在顯著差異(P<0.05)；第6，9單元之間績效無差異(P>0.05)，這2個(gè)單元與其他單元之間績效存在顯著差異(P<0.05)；第3，4兩個(gè)單元與其他單元之間績效均存在顯著差異(P<0.05)；最差績效出現(xiàn)在第3單元，正確率為88.5%，而第4單元為績效最好單元，正確率為98.3%。很明顯，結(jié)論與經(jīng)典理論“考慮作業(yè)疲勞，視覺監(jiān)控警戒作業(yè)績效在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定性較好，但隨著時(shí)間的延長，作業(yè)績效會出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢”存在較大矛盾。

表2 實(shí)驗(yàn)方案作業(yè)績效t檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of t-test on work performance of experimental scheme

1.2.2 視覺監(jiān)控警戒作業(yè)疲勞的致因分析

不同領(lǐng)域作業(yè)疲勞的致因不同，因而定義存在差異，迄今尚無統(tǒng)一定義。一般認(rèn)為作業(yè)疲勞是指勞動者在一定環(huán)境條件下，由于長時(shí)間或過度緊張的體力或腦力勞動引起的勞動效率趨向下降的狀態(tài)[16]。通過作業(yè)特征分析，長時(shí)間視覺監(jiān)控警戒作業(yè)疲勞的致因主要有：1)長時(shí)間視覺注視；2)長時(shí)間保持某種姿勢導(dǎo)致的肌肉緊張；3)長時(shí)間保持準(zhǔn)備狀態(tài)導(dǎo)致的心理緊張。其中1)和2)屬于生理疲勞致因，3)屬于心理疲勞致因。

作業(yè)疲勞會導(dǎo)致績效下降，績效測量簡單且直觀，因此，績效測量法是確定疲勞的最常用方法[14]。視覺監(jiān)控警戒作業(yè)屬于典型的單調(diào)作業(yè)[17]，作業(yè)過程中易出現(xiàn)心理厭倦[18]和暫時(shí)性注意缺失[13]，這2種情況會導(dǎo)致績效的暫時(shí)性下降[9]。因此，實(shí)驗(yàn)方案中用來確定疲勞的績效數(shù)據(jù)可能有心理厭倦和注意缺失的貢獻(xiàn)，作業(yè)疲勞與績效之間關(guān)系受到干擾因素“心理厭倦和注意缺失”的影響。

1.2.3 心理厭倦對作業(yè)績效的干擾

實(shí)驗(yàn)任務(wù)屬于單調(diào)作業(yè)，長時(shí)間作業(yè)使作業(yè)者產(chǎn)生心理厭倦。在實(shí)驗(yàn)方案中，并未采取相關(guān)措施預(yù)防被試者可能出現(xiàn)的心理厭倦情緒。表1數(shù)據(jù)顯示，被試者第3單元的績效出現(xiàn)急劇下降，正確率僅為88.5%，第4單元績效出現(xiàn)大幅回升。究其原因，可能被試者測試到30 min左右出現(xiàn)心理厭倦和煩躁情緒，而固定為45 min的課堂學(xué)習(xí)所形成的生物鐘使得學(xué)生被試者在第4單元期間大腦興奮度提高，進(jìn)而績效回升?？梢?，心理厭倦對作業(yè)績效產(chǎn)生明顯的影響。

1.2.4 暫時(shí)性注意缺失對作業(yè)績效的干擾

實(shí)驗(yàn)方案需要被試者長時(shí)間保持注意準(zhǔn)備狀態(tài)，但是在簡單單調(diào)作業(yè)任務(wù)中，人很難長時(shí)間持續(xù)保持這種狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)方案中，并未采取相關(guān)措施預(yù)防被試者可能出現(xiàn)的暫時(shí)性注意缺失。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析：被試者測試到第5單元時(shí)由于注意缺失嚴(yán)重，績效顯著下降；可能由于對第5單元測試結(jié)果的自我感知較差，被試者在第6單元自我調(diào)節(jié)覺醒狀態(tài)，致使績效間歇性回升；到第9單元臨近測試結(jié)束，被試者大腦興奮度提高導(dǎo)致績效再次提升?？梢?，暫時(shí)性注意缺失影響作業(yè)績效。

1.2.5 工間休息視角下作業(yè)疲勞、心理厭倦和注意缺失的調(diào)節(jié)

工間休息是指勞動者在較長時(shí)間的持續(xù)勞動中由其自然需求的中斷形成的休息，是勞動者在勞動過程中調(diào)節(jié)生理心理疲勞、提高作業(yè)效率的主要方式[16]。但是過于頻繁的工間休息會將作業(yè)過程碎片化，影響工作質(zhì)量。因此對于某些能通過改善工作環(huán)境或任務(wù)形式調(diào)整的績效下降致因，盡量不要通過工間休息的形式調(diào)節(jié)。

在長時(shí)間的視覺監(jiān)控警戒作業(yè)過程中，作業(yè)者會出現(xiàn)作業(yè)疲勞、心理厭倦和暫時(shí)性注意缺失，3種因素均會導(dǎo)致作業(yè)績效下降。作業(yè)疲勞(包括體力疲勞和腦力疲勞)只能通過工間休息調(diào)節(jié)[20-22]，而作業(yè)者的心理厭倦和注意缺失則可以通過作業(yè)任務(wù)的良好設(shè)計(jì)予以緩解甚至消除[16]，換言之，由于心理厭倦和注意缺失所致疲勞帶來的績效下降不應(yīng)該做為工間休息的依據(jù)。因此，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，消除心理厭倦和注意缺失對作業(yè)疲勞和績效之間關(guān)系描述的干擾，則能獲得作業(yè)疲勞與績效之間的純凈關(guān)系，正確判斷由于作業(yè)疲勞導(dǎo)致績效下降的時(shí)間拐點(diǎn)，為視覺監(jiān)控警戒作業(yè)工間休息制度的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)

1)調(diào)整任務(wù)界面形式。實(shí)驗(yàn)方案中任務(wù)界面為圓形指針式時(shí)鐘，將指針重新設(shè)計(jì)為“細(xì)長矩形、細(xì)長三角形、細(xì)長箭頭”3種形狀，時(shí)鐘背景顏色設(shè)置為“淺灰、灰、深灰”3種形式，共組合成9種(3×3)搭配。將9種搭配方式固定編號為C1～C9，被試者以9人為單位分組，并編號為S1～S9。為消除任務(wù)界面差異的影響，9人組內(nèi)每個(gè)時(shí)間單元的任務(wù)界面搭配方式實(shí)行均勻分配，任務(wù)界面安排見表3。如被試者總數(shù)不能被9整除，則余數(shù)部分按表3的行順序安排完即可。以上改進(jìn)通過visual studio 2019編程實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)后，被試者測試經(jīng)歷的每個(gè)時(shí)間單元的任務(wù)界面均不一樣，有利于消除被試者心理厭倦情緒[19]。

表3 任務(wù)界面安排Table 3 Arrangement of task interface

2)調(diào)整任務(wù)參數(shù)。提高任務(wù)信噪比至1/12，信號出現(xiàn)的隨機(jī)時(shí)間間隔設(shè)置為雙限值，在10～80 s的范圍內(nèi)信號有限隨機(jī)出現(xiàn)，以上改進(jìn)通過visual studio 2019編程實(shí)現(xiàn)。方案改進(jìn)后可避免長時(shí)間無信號出現(xiàn)的可能性，增加被試者的反應(yīng)頻率，有利于提高被試者的覺醒水平，降低注意缺失的概率[18]。

3)設(shè)置任務(wù)告警聲音和任務(wù)進(jìn)度條。任務(wù)中添加聲音文件，每隔2 min播放語音告警，提醒被試者集中注意力[3]；在顯示屏幕正上方添加時(shí)間進(jìn)度條，讓被試者知道實(shí)驗(yàn)的時(shí)間進(jìn)程。以上通過visual studio 2019編程實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)能有效防止被試者注意的缺失，降低被試者的心理厭煩情緒。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)界面如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)界面Fig.2 Improved experimental interface

4)被試者實(shí)驗(yàn)前自我檢查和培訓(xùn)環(huán)節(jié)。要求被試者自查自己的生理狀態(tài)、心理狀態(tài)、覺醒水平是否正常，如果感覺不好，建議終止本次實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)前，向被試者詳細(xì)說明實(shí)驗(yàn)的目的和要求，進(jìn)行3 min練習(xí)，并告知被試者正式實(shí)驗(yàn)的鐘表背景顏色和指針形狀存在一定差異，然后進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)后的實(shí)踐

90名大三學(xué)生參加改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)方案測試，共采集到有效數(shù)據(jù)90組，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間單元的作業(yè)績效均值Pj，改進(jìn)后作業(yè)績效均值見表4。

表4 改進(jìn)后作業(yè)績效均值Table 4 Average work performance after improvement

分析作業(yè)績效均值在9個(gè)時(shí)間單元中兩兩之間的差異，改進(jìn)后作業(yè)績效t檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 改進(jìn)后作業(yè)績效t檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of t-test on work performance after improvement

表4～5數(shù)據(jù)顯示：作業(yè)績效在前5個(gè)時(shí)間單元內(nèi)(前50 min)均處于較高水平(正確率保持在96.2%～97.2%)，波動較小，5個(gè)時(shí)間單元之間均無顯著差異(P>0.05)；從60 min開始，即第6，7，8，9 4個(gè)時(shí)間單元與其他時(shí)間單元的績效均存在顯著差異，表明作業(yè)績效持續(xù)下降趨勢顯著。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)方案數(shù)據(jù)分析結(jié)果與經(jīng)典理論基本一致，比較清晰地描述了視覺監(jiān)控警戒作業(yè)疲勞與作業(yè)績效之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)方案的合理設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程的嚴(yán)格控制是驗(yàn)證理論知識、掌握實(shí)踐技能、探索科學(xué)問題的有效保障。

2)視覺監(jiān)控警戒作業(yè)疲勞的主要致因是長時(shí)間視覺注視疲勞、長時(shí)間肌肉緊張和長時(shí)間準(zhǔn)備狀態(tài)引起的心理緊張。

3)心理厭倦和暫時(shí)性注意缺失是影響單調(diào)作業(yè)績效的非疲勞因素，干擾作業(yè)疲勞與績效之間的關(guān)系描述，影響作業(yè)疲勞所致績效拐點(diǎn)時(shí)間的判斷。

4)改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)方案的時(shí)間單元仍然為10 min，尚不能精確描述作業(yè)時(shí)間與績效之間的數(shù)量關(guān)系、確定績效時(shí)間拐點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，還需升級實(shí)驗(yàn)程序并進(jìn)一步優(yōu)化任務(wù)設(shè)計(jì)。