船員工作負荷檢測方法研究綜述*

楊柳 何萌 劉清

（武漢理工大學交通學院 武漢430063）

0 引 言

水上交通安全一直是水路運輸?shù)难芯繜狳c和重點，在現(xiàn)有船舶技術不斷發(fā)展和完善的情況下，水上交通的總體安全水平顯著提高，船舶發(fā)生全損事故的概率從19世紀的1%下降至21世紀的0.15%[1]。隨著船舶數(shù)量不斷增加，雖然船舶全損事故概率下降，但船舶事故仍時有發(fā)生。根據(jù)108份由海事主管部門出具的船舶碰撞海事調(diào)查報告統(tǒng)計分析可知，船員的操作失誤是導致事故的主要原因；更有研究表明：75%～96%的水上交通事故是船員的工作失誤和不恰當?shù)牟僮髟斐傻腫1]。船員作為船舶駕駛系統(tǒng)中的主要組成部分，其工作績效直接影響船舶的航行安全，其工作負荷與績效關系模型見圖1。由圖1可知，不恰當?shù)墓ぷ髫摵蓵档痛瑔T工作績效[2]，因此研究船員工作負荷具有重要意義。

圖1 工作負荷與工作績效三階段模型[2]Fig.1 Three-stage model of the workload and job performance[2]

工作負荷[3]是指單位時間內(nèi)人承受的工作量，包括體力工作負荷和心理工作負荷。體力工作負荷表現(xiàn)在動態(tài)或靜態(tài)肌肉用力的工作負荷；心理工作負荷是表現(xiàn)在監(jiān)控、決策等不需要明顯體力的工作負荷，通常包括認知、情緒、注意這3個方面的負荷。船員主要通過監(jiān)控船舶系統(tǒng)和進行駕駛決策來保證駕駛安全，因此本文中船員工作負荷主要針對心理工作負荷。

在近40年時間內(nèi)，研究人員一直持續(xù)關注工作負荷檢測方法研究，并有認知神經(jīng)科學領域的學者開始參與駕駛領域相關的工作負荷研究。通過CNKI數(shù)據(jù)庫進行相關文獻檢索，采用Citespace軟件進行可視化分析，結(jié)果見圖2。

圖2 文獻關鍵詞共現(xiàn)圖Fig.2 Co-occurrence of keywords in references

由圖2可知，目前，工作負荷研究主要集中在交通安全領域，心理負荷和腦力負荷的測量是其中的研究重點，且各類工作負荷檢測方法研究多集中于飛行員和汽車駕駛員，船員研究相對較少。筆者主要從船員工作負荷檢測方法展開綜述，總結(jié)船員工作負荷影響因素，歸納分析可用于船員工作負荷檢測的方法及其優(yōu)缺點，并進一步分析船員工作負荷研究發(fā)展趨勢。

1 船員工作負荷影響因素

研究船員工作負荷影響因素，有助于理解工作負荷產(chǎn)生機制，適當監(jiān)測并合理調(diào)節(jié)船員工作負荷水平。

在船員工作負荷影響因素研究方面，Barsan等[4]基于船舶駕駛模擬器，使用不同場景，如惡劣天氣、設備失效等進行船員操作績效和工作負荷的影響因素研究。K.S.Gould等[5]發(fā)現(xiàn)：不同的電子導航系統(tǒng)界面、不同難度的工作任務都會對船員工作負荷產(chǎn)生影響，良好的導航系統(tǒng)界面可以有效降低船員工作量，降低工作負荷水平，較高難度的工作任務會工作負荷水平過高。趙志葳等[6]研究發(fā)現(xiàn)：長期睡眠不足、工作量過大、工作環(huán)境惡劣將會引發(fā)船員疲勞導致工作負荷過高，應急反應能力下降，造成海上事故。賈寶柱等[7]通過結(jié)構方程模型得出：物理工作環(huán)境、休息情況和工作節(jié)奏是對船員工作負荷影響最直接的因素。

在飛行員與汽車駕駛員工作負荷影響因素相關研究中。多數(shù)研究分析發(fā)現(xiàn)，對于飛行員，飛行任務[8]、飛行環(huán)境[9]、駕駛艙人機界面和個體因素[10]是影響工作負荷的4個主要因素，其中駕駛艙人機界面是飛行員工作負荷主要來源；對于汽車駕駛員，道路環(huán)境[11]、車輛狀態(tài)[12]、駕駛?cè)蝿誟13-14]、個人疲勞狀態(tài)[15]等都會導致駕駛員工作負荷增大。

結(jié)合上述其他駕駛領域的工作負荷影響因素研究內(nèi)容，可將船員工作負荷影響因素歸納為個體因素、船舶狀態(tài)、駕駛?cè)蝿?、駕駛環(huán)境4個方面的因素，見圖3。其中，個體因素主要包括個人習慣（如是否飲酒）、身體狀態(tài)（如是否疲勞）等特征；系統(tǒng)狀態(tài)主要指系統(tǒng)穩(wěn)定性、運行工況是否良好等駕駛系統(tǒng)自身因素；駕駛?cè)蝿罩饕紤]是否執(zhí)行難度較大任務；駕駛環(huán)境可分為內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境，內(nèi)環(huán)境包括駕駛系統(tǒng)軟硬件環(huán)境（儀器表盤信息量），外環(huán)境包括天氣條件、航道條件等。

圖3 船員工作負荷影響因素Fig.3 Influencing factors of workload

2 船員工作負荷檢測指標與方法

2.1 主觀評測方法

通常認為，作業(yè)人員的腦力資源的使用和努力程度密切相關，這一情況可以通過作業(yè)人員主觀表達出來[16]。主觀評測方法是通過被試人員在執(zhí)行任務過程中對自身工作量大小的量化評估來反映其工作負荷大小。當前主流的工作負荷主觀評測方法包括CH量表主觀評價法（Cooper-Harper）、NASA-TLX量表法（NASA-task load index）和SWAT主觀工作負荷評估（subjective workload assessment technique），上述方法的區(qū)別主要體現(xiàn)在指標和評價維度的選取。

Cooper-Harper主觀評價法最早用于飛行器駕駛難度評價，飛行員完成飛行任務之后對飛行器駕駛難易程度進行單一維度主觀感受評價[17]。量表將飛行操作水平劃分為10級，同時對每一級操作水平有具體定義，飛行員在完成飛行任務之后選擇對應級別，從而確定工作負荷。

NASA-TLX量表法由Hart等[18]開發(fā)，最早用于航空領域，將飛行員的工作負荷劃分為精神負荷、體力負荷、操作績效、時間緊迫感、努力程度和挫敗感這6個維度，采用兩兩比較法，對工作負荷形成中每個維度相對重要性進行評定，確定各維度權重并對每個維度實行評分，最后按照各維度權重指標，加權計算工作負荷評分，確定飛行員主觀工作負荷值。

SWAT主觀工作負荷量表由G.B.Reid等[19]開發(fā)，評估包括時間負荷、努力程度、緊張負荷3項因子指標，工作負荷值計算包括2個部分：①作業(yè)人員依據(jù)主觀感受對以上3項因子指標進行0～100分范圍內(nèi)的打分；②針對具體任務分析確定3項因子指標權重，根據(jù)各因子指標的權重值計算得出完成任務時的綜合主觀工作負荷值。

船員工作負荷主觀評測相關研究中，Wu等[20]、Orlandi等[21]、Pignoni等[22]研究人員采用NASA-TLX量表作為主觀評測方法，用于評定實驗過程中船員的總體工作負荷水平。Cooper-Harper以及SWAT等主觀評測方法，在飛行員和汽車駕駛員工作負荷檢測中使用[23-24]，較少見于船員工作負荷評測，主觀評測方法一般不會在研究過程中單獨使用，通常是對工作負荷檢測的1個驗證手段，所以船員工作負荷研究方面更多是采用成熟度和可靠度最高的主觀評測方法。

主觀評測方法主要有以下優(yōu)點：①主觀評測方法調(diào)查簡易，結(jié)果通俗易懂，數(shù)據(jù)便于統(tǒng)計分析；②主觀評測方法通常在完成被試任務完成之后，避免對被試任務產(chǎn)生干擾；③主觀評測方法對被試工作負荷水平有良好區(qū)分度，可以有效區(qū)分不同的等級水平的工作負荷。

主觀評測方法主要有以下缺點：①主觀評測方法存在較大的個體差異性，被試者對其工作負荷的主觀測評與其自身當時的身心狀態(tài)都密切相關，同1個被試在不同狀態(tài)下完成相同任務時，其主觀評測結(jié)果可能出現(xiàn)差異，因此工作負荷水平劃分缺乏一定依據(jù)；②主觀負荷評價通常只能對任務之后工作負荷水平進行總體評價，無法對連續(xù)變化的場景和任務下的工作負荷水平的變化進行合理評價。

船舶駕駛是1個受多種因素影響的多任務復雜活動，因此船員工作負荷的主觀評測上應當有一定改善，例如構建類似于Likert量表用于工作負荷的簡易實時評價，獲得連續(xù)執(zhí)行駕駛?cè)蝿者^程中的工作負荷水平變化特點，利于高工作負荷場景的識別。

2.2 任務績效測量法

任務績效測量法是指以被試者操作績效表現(xiàn)作為工作負荷評價標準的方法[25]，主要包括主任務績效測量法和次任務績效測量法這2種實驗方法，實驗流程設計上基本一致，即：在執(zhí)行主任務過程中加入不同難度級別的額外任務，然后記錄衡量工作負荷的行為指標的相關數(shù)據(jù)，基于行為指標數(shù)據(jù)進行工作負荷判斷。二者的主要區(qū)別在于選取的行為指標不同：主任務度量以主任務相關指標作為衡量依據(jù)，次任務度量以額外增加任務相關指標作為衡量依據(jù)。任務績效評測方法的的理論基礎是多資源理論[26]，即被試同時處理多項任務的容量是有限的，同過程的知覺和工作記憶同時處理會增加工作負荷的等級，因此可以通過任務績效進行工作負荷評測。

主任務度量法常使用主任務績效指標對被試者工作負荷進行評估。劉偉等[27]將換道駕駛作為駕駛主任務，選擇記憶配對試驗作為次級任務并設置不同難度次級任務，采集車輛行駛軌跡、車速、轉(zhuǎn)向角等數(shù)據(jù)作為績效指標，驗證選取的績效指標對工作負荷變化敏感。

次任務績效度量法常用的次任務有數(shù)字計算、記憶、視覺搜索等，測量指標多為反應時間和正確率。王宥霖等[28]在飛行員執(zhí)行飛行任務中加入數(shù)字識別次任務，以數(shù)字識別正確率作為次任務績效指標用于工作負荷評價。結(jié)果表明：工作負荷越高，數(shù)字識別任務正確率越低。

任務績效測量法的優(yōu)點是可以直接通過操作績效進行工作負荷評定，更加直觀；不足之處主要體現(xiàn)在：①工作負荷評價指標缺乏一定依據(jù)，部分操作績效作為評價指標相對片面；②績效評價指標的獲取和記錄會對被試者正常作業(yè)產(chǎn)生一定的干擾；③該類方法的理論基礎是多資源理論，該理論認為不同類型的任務消耗的注意資源相同，但該理論與實際情況是否相符有待驗證。

任務績效測量法在船員工作負荷檢測中較難有應用場景，主要存在以下原因：船員駕駛過程缺少比較明確的操作績效指標可以作為工作負荷度量值，尤其是在大型船舶操縱中，船舶對船員的具體操作會有延遲反應時間，將其作為工作負荷度量值的可靠性和準確性較低。

2.3 生理數(shù)據(jù)檢測方法

對于船員工作負荷的測定，生理數(shù)據(jù)相比于主觀評測和績效評測更易量化，具備說服力，因此生理數(shù)據(jù)評測方法在船員工作負荷檢測領域使用較多，常用生理數(shù)據(jù)主要包括腦電、眼動、心率及其他生理指標。

2.3.1 腦電

腦電（EEG）信號具有高度靈敏性，能直觀反映人腦生理活動。由于腦電信號的靈敏性，因此在船員工作負荷檢測領域應用較多。根據(jù)腦電信號分析方法的差異，主要可分為基于事件相關電位（ERP）的工作負荷檢測和基于自發(fā)腦電的工作負荷檢測[29]。Wu Yanbin等[20]研究發(fā)現(xiàn)，船員在執(zhí)行不同難度MEPS任務時，EEG部分指標與船員工作負荷呈現(xiàn)顯著的相關關系，通過方差分析對比，得出EEG平均α波率與船員工作負荷顯著相關。Daniel Miklody等[30]通過駕駛模擬器對拖船船長進行n-back范式實驗，改變船長工作負荷，記錄EEG數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)在駕駛模擬場景下沒有觀察到實驗室環(huán)境下的預期的θ功率震蕩和α功率下降現(xiàn)象，因此需要更多的真實場景模擬的實驗來完善工作負荷研究，實現(xiàn)工作負荷研究從實驗室向復雜場景的轉(zhuǎn)移。Wu Yanbin等[31]使用輪機全尺寸模擬器（MEPS）進行工作負荷實驗，實驗結(jié)束之后使用皮爾遜相關系數(shù)檢驗工作負荷與EEG特征量之間的有效性，發(fā)現(xiàn)α波對工作負荷敏感，且α，β和θ波對主觀工作負荷量敏感。Fan Shiqi等[32]基于EEG腦電圖，使用SVM支持向量機對船長進行情緒識別，識別準確率達到77.55%。Liu Yisi[33]基于EEG腦電圖，使用深度學習算法，對不同職位船員進行工作負荷水平識別，研究發(fā)現(xiàn)：船長較其他職位船員工作負荷更大。Orlandi[21]通過EEGβ1和β2功率譜與主觀工作負荷進行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)不同難度任務的β1和β2功率譜存在顯著差異。Liu Yisi等[34]使用以EEG數(shù)據(jù)作為主要參數(shù)的生理評估系統(tǒng)，通過收集EEG數(shù)據(jù)，判定工作負荷水平，對船員培訓進行合理評估。

2.3.2 眼動

基于眼動數(shù)據(jù)的工作負荷研究關注工作負荷大小與眼球的運動特征的關聯(lián)性，常用指標包括眨眼動作（blink）、注視行為（fixation）、掃視行為（saccade）和瞳孔直徑（pupil diameter）。Gerhard Marquart等[35]發(fā)現(xiàn)在人機交互系統(tǒng)中，任務難度越大，工作負荷越高，瞳孔直徑也就越大。Giovanni Pignoni等[22，36]基于船舶模擬駕駛器，使用眼動儀追蹤眼睛瞳孔數(shù)據(jù)以及光照數(shù)據(jù)，并結(jié)合船員NASA-TLX問卷數(shù)據(jù)，分析瞳孔直徑與工作負荷之間的關聯(lián)性。Yan Shengyuan等[37]選取瞳孔直徑、眨眼率、注視率和掃視率多種眼動指標，構建人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型（ANN）預測船員關注發(fā)動機操作界面時的工作負荷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型對基于眼動指標的工作負荷預測準確，為后續(xù)開發(fā)智能預測模型奠定基礎。

2.3.3 心電

心電指標（ECG）主要是反映心臟的活動狀況，人體體力負荷或者精神負荷變化都會導致心率數(shù)據(jù)變化，因此心率（HR）是1個有效評定駕駛員工作負荷的敏感數(shù)據(jù)指標，心率數(shù)據(jù)的變化與工作負荷是顯著相關的[38]，基于HR得到的心率變異性（HRV）部分指標主要包括低頻（LF）、高頻（HF）以及LF/HF等頻域指標，RR間期標準差（SDNN）、RR間期差值均方根（RMSSD）等時域指標，可以在一定程度上反映工作負荷變化。Kristian S.Gould等[5]基于船舶模擬駕駛器使用心率變異性指標LF/HF以及RMSSD考察了不同導航系統(tǒng)下的船員工作負荷水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LF/HF以及RMSSD指標可以有效區(qū)分工作負荷水平。Koji Murai等[39]研究發(fā)現(xiàn)基于船舶模擬駕駛器，利用HRV頻域指標LF/HF對工作負荷進行判別是1個有效途徑，LF/HF指標越大，則工作負荷越大。Ippei Sugimoto等[40]同樣使用LF/HF指標分別對船長和舵工進行工作負荷比較，LF/HF對工作負荷有明顯的區(qū)分度。

2.3.4 其他生理指標

其他生理指標主要有皮電、鼻溫、唾液等。當人體處于清醒狀態(tài)時，較大的工作負荷會對人體產(chǎn)生較大壓力，交感神經(jīng)會促使皮膚溫度升高、形成特異性皮電，促進唾液腺分泌等一系列生理反應。K.S.Gould等[5]在船員模擬駕駛研究中使用皮電導記錄不同船員皮電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)皮電與工作負荷之間呈現(xiàn)相關性。K.Kitamura等[41]基于船舶駕駛模擬器對船員進行唾液NO3—檢驗，與船員LF/HF值進行對比，驗證了唾液NO3—與工作負荷的相關性，但后續(xù)需要獲得更多數(shù)據(jù)樣本用于定量分析和研究。A.S.Wulvik等[42]使用皮電作為生理指標研究船員在不同水域的工作負荷，經(jīng)過相關性分析，發(fā)現(xiàn)皮電導率（SC）值與工作負荷存在顯著相關性。

生理數(shù)據(jù)評測主要具有以下優(yōu)點：①生理數(shù)據(jù)具有客觀性，可以更加準確反映工作負荷水平。②大部分生理數(shù)據(jù)采集設備會配備相應的數(shù)據(jù)處理和分析軟件，簡化生理數(shù)據(jù)處理流程，可以更加快速有效計算工作負荷水平。

當前生理數(shù)據(jù)評測的主要問題在于：①生理指標的選取原則不一、工作負荷等級無法精確劃分、生理指標與工作負荷之間的相關性以及量化效果不顯著。②生理數(shù)據(jù)的處理過程通常需要離線進行，暫時無法在實際駕駛過程中實時獲取工作負荷水平。③部分生理數(shù)據(jù)指標通常在實驗室環(huán)境下獲取較為準確，在實際駕駛的復雜場景中容易受到非生理因素干擾，導致數(shù)據(jù)精度不足，難以反映工作負荷水平的變化。

3 船員工作負荷研究展望

船員作為船舶駕駛系統(tǒng)的主體，其駕駛行為對保障水上交通安全起到了至關重要的作用，75%～96%的水上交通事故是船員的工作失誤和不恰當?shù)牟僮髟斐傻模虼舜瑔T工作負荷研究應用前景廣泛。

常見的工作負荷檢測方法，例如主觀評測法、任務績效法、生理指標評測法等在公路和航空領域已經(jīng)有了較為成熟的應用。鑒于水路運輸特殊的航行環(huán)境、船舶的作業(yè)環(huán)境特殊性、船員職位以及船員個體的差異性，目前部分工作負荷檢測方法僅在船員群體進行一定的探索研究，缺乏檢測方法和生理指標的選擇標準、工作負荷等級準確劃分標準以及生理數(shù)據(jù)統(tǒng)一的處理流程等內(nèi)容，用于完善和量化船員工作負荷檢測。因此后續(xù)在船員工作負荷研究中，主要有以下發(fā)展趨勢。

1）生理指標與工作負荷之間的定量化研究。當前生理指標與工作負荷研究基于統(tǒng)計分析，僅探索各項生理指標與工作負荷之間的表征關聯(lián)性，下一步發(fā)展方向是從生理指標與工作負荷相關的定性研究向生理指標與工作負荷的定量研究轉(zhuǎn)變，探索生理數(shù)據(jù)指標對工作負荷的靈敏度，探討用于精確劃分工作負荷等級的生理指標閾值，為工作負荷定量化處理提出除主觀測評方法以外新的解決方案。

2）多方式結(jié)合的工作負荷綜合評價模型構建。將現(xiàn)有工作負荷檢測方法、手段綜合運用，對同1船員收集多種工作負荷手段檢測結(jié)果，基于生理數(shù)據(jù)、主觀評價、績效檢測等多種手段構建綜合評價模型對船員總體工作負荷進行評價，有效避免單一檢測方法對工作負荷評價的片面性，可以更加準確評價船員工作負荷。

3）多因素疊加影響下的工作負荷變化狀態(tài)研究。當前研究主要集中于某單一因素產(chǎn)生的工作負荷與部分生理指標之間的相關性，實際駕駛過程中多種因素對船員工作負荷會產(chǎn)生復雜影響，工作負荷變化規(guī)律不定，因此展開多因素疊加影響下的船員工作負荷研究對將來船員實際駕駛狀態(tài)下的工作負荷監(jiān)測切實有用。

4）船員工作負荷實時監(jiān)測系統(tǒng)構建。當前絕大多數(shù)船員工作負荷規(guī)律研究基于歷史數(shù)據(jù)進行離線分析，無法通過獲取的各項數(shù)據(jù)對船員工作負荷狀態(tài)實時監(jiān)測和評價，因此后續(xù)將類似于汽車駕駛員疲勞監(jiān)測技術開發(fā)和運用，構建船員工作負荷實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時評估船員工作負荷，并及時采取適當措施，有效降低水上交通事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)束語

本文主要對目前船員工作負荷的影響因素、測評方法進行綜述，重點闡述了采用生理數(shù)據(jù)評測方法的船員工作負荷研究現(xiàn)狀，并指出船員工作負荷研究的發(fā)展趨勢：①生理指標與工作負荷定量化研究；②船員工作負荷綜合評價模型構建；③多因素疊加狀態(tài)下的工作負荷影響研究；④船員工作負荷實時監(jiān)測系統(tǒng)構建。