注意力分配方式對(duì)煤礦安全監(jiān)控行為影響的眼動(dòng)研究

王 莉，劉致君，李 磊，楊 帥，秦舒婷，張世浩

（西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

煤礦安全監(jiān)控人員對(duì)井下異常監(jiān)控信息及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別響應(yīng)與事故險(xiǎn)兆識(shí)別控制緊密相關(guān)，直接關(guān)系到煤礦應(yīng)急響應(yīng)的及時(shí)性和有效性。傳統(tǒng)的事后追溯、主客觀評(píng)價(jià)等方式難以準(zhǔn)確有效地評(píng)估安全監(jiān)控行為人機(jī)系統(tǒng)交互的影響因素及作用關(guān)系，而借助視線追蹤技術(shù)則可從微觀層面為分析煤礦安全監(jiān)控行為的影響機(jī)制提供依據(jù)。視線跟蹤技術(shù)的應(yīng)用最早在心理學(xué)領(lǐng)域興起，通過(guò)眼動(dòng)指標(biāo)推理患者心理意向[1-2]，微觀層面的注視行為眼動(dòng)追蹤在研究弱勢(shì)人群的心理行為、用戶被動(dòng)注視等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[2]，或助力探究疲勞或噪聲等因素對(duì)安全行為的影響[3-4]?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究對(duì)煤礦調(diào)度室的安全監(jiān)控行為關(guān)注較少[5]。栗繼祖等提出應(yīng)全面采集煤礦監(jiān)控員與巡視員生理、眼動(dòng)指標(biāo)，探索交互行為中的最優(yōu)模式[6]；楊超宇等通過(guò)分析煤礦安全監(jiān)控行為識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了多種行為信息管理等功能[7]；常若松等發(fā)現(xiàn)任務(wù)負(fù)荷會(huì)影響駕駛員的注意廣度，進(jìn)而影響駕駛安全績(jī)效，引申到煤礦監(jiān)控行為方面負(fù)荷過(guò)重則會(huì)提升事故隱患的幾率[8]。綜上，在煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域關(guān)于注意力分配、工作負(fù)荷等因素對(duì)安全監(jiān)控行為的影響機(jī)制鮮有研究，因此，借助視覺(jué)追蹤技術(shù)，探究不同負(fù)荷水平和單/多因素下注意力分配策略與安全監(jiān)控行為之間的關(guān)系，找出合理的注視資源分配方式，為優(yōu)化人機(jī)界面提供依據(jù)和支持。

1 影響安全監(jiān)控行為的主要因素

視覺(jué)是人類感知外界的主要行為之一，在認(rèn)知活動(dòng)中，視覺(jué)認(rèn)知對(duì)注意力分配具有導(dǎo)向性作用[9]。注意力選擇和分配機(jī)理對(duì)視覺(jué)認(rèn)知初期有關(guān)鍵性影響，通過(guò)分析、提取視覺(jué)場(chǎng)景中感興趣的區(qū)域，進(jìn)而做出正確合理的判斷行為。

1）監(jiān)控對(duì)象價(jià)值的影響。在監(jiān)控場(chǎng)景中，監(jiān)控對(duì)象自身的價(jià)值水平會(huì)影響監(jiān)控員的注意力分配，不同的礦井難點(diǎn)不同，其重點(diǎn)的監(jiān)控對(duì)象也有明顯差異，例如高瓦斯礦井中易出現(xiàn)瓦斯超標(biāo)的現(xiàn)象，所以監(jiān)控員將更多的注意力集中于瓦斯報(bào)警傳感器。

2）監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)的影響。經(jīng)驗(yàn)是從多次實(shí)踐中得到的知識(shí)或技能，在許多場(chǎng)景中經(jīng)驗(yàn)的價(jià)值不可小覷。對(duì)于監(jiān)控者而言如何提取屏幕中眾多信息的主要內(nèi)容以及對(duì)監(jiān)控區(qū)域熟練的把握，是合理分配注意力進(jìn)而發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題及時(shí)控制事故發(fā)生的關(guān)鍵。

3）監(jiān)控任務(wù)的影響。在工作過(guò)程中，任務(wù)導(dǎo)向型要求人們根據(jù)已知任務(wù)對(duì)符合要求的目標(biāo)內(nèi)容完成捕捉及搜尋。煤礦調(diào)度室中，工作人員自身的注意力也受到不同任務(wù)導(dǎo)向要求，并且隨著監(jiān)控任務(wù)的改變注意力分配策略和視覺(jué)搜索策略都呈現(xiàn)顯著差異，從而獲取自己所需的目標(biāo)信息完成監(jiān)控任務(wù)。

2 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法

2.1 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選用綜合性眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件Eyeso studio。參與實(shí)驗(yàn)的被試者共30名，均是煤礦安全監(jiān)控室工作人員以及有煤礦實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的西安科技大學(xué)在校學(xué)生，被試者身體健康、視力或矯正視力正常。在正式實(shí)驗(yàn)前告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、流程并進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)參考煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)了眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)界面，并將界面劃分為3個(gè)AOI興趣區(qū)采用2×2×3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探討3種注意力分配策略與煤礦安全監(jiān)控行為之間的影響關(guān)系。其中因素1為負(fù)荷水平：包含低負(fù)荷和高負(fù)荷，根據(jù)被試同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的多少進(jìn)行區(qū)分，其中低負(fù)荷下被試只需要完成當(dāng)前監(jiān)控任務(wù)，而高負(fù)荷下被試還需完成主試安排的其他任務(wù)；因素2為因素水平：包含單因素和多因素，通過(guò)異常報(bào)警信息同時(shí)出現(xiàn)個(gè)數(shù)進(jìn)行區(qū)分，其中單因素實(shí)驗(yàn)中報(bào)警信息依次出現(xiàn)，多因素實(shí)驗(yàn)中多個(gè)報(bào)警信息同時(shí)出現(xiàn)；因素3為注意力分配策略：包含平均分配、主次分配和多級(jí)分配，在研究中，通過(guò)“期望”和“價(jià)值”因素進(jìn)行引導(dǎo)[10]。其中“期望”通過(guò)異常信息的報(bào)警頻率體現(xiàn)，即報(bào)警頻率越高的AOI會(huì)吸引被試對(duì)象更多的注意力，“價(jià)值”通過(guò)信息的重要程度來(lái)實(shí)現(xiàn)，即重要程度越高會(huì)吸引被試更多的注意力。

2.2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和流程

研究的實(shí)驗(yàn)任務(wù)為模擬煤礦監(jiān)控人員完成監(jiān)控工作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求被試全程注視屏幕中的3個(gè)AOI，完成模擬界面中的2個(gè)子任務(wù)，迅速、準(zhǔn)確的通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)界面中的異常做出反饋。①在每段視頻中，第1次看到任意報(bào)警信息閃爍，按下“空格”鍵進(jìn)行響應(yīng)；②當(dāng)看到“數(shù)值、開(kāi)/關(guān)、交流不正?！鳖愋偷膱?bào)警，分別通過(guò)鍵盤(pán)的左、下、右鍵進(jìn)行反饋。整個(gè)實(shí)驗(yàn)全程耗時(shí)20~30 min，共分為2個(gè)階段：前期練習(xí)和正式實(shí)驗(yàn)，待被試完全熟悉操作方法和實(shí)驗(yàn)流程后開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，被試需完成2組實(shí)驗(yàn)，分別模擬低負(fù)荷水平和高負(fù)荷水平，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有6段不同的刺激視頻依次播放，前3段模擬單因素任務(wù)，后3段模擬多因素任務(wù)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)不同負(fù)荷水平和單/多因素的橫縱向?qū)Ρ?，期望探索出何種情境更能對(duì)注意力分配行為起到積極作用。

3 負(fù)荷水平對(duì)注意力分配的影響

3.1 負(fù)荷水平對(duì)注意力分配的影響相關(guān)性分析

利用SPSS軟件對(duì)不同情境下反應(yīng)時(shí)、正確率及平均持續(xù)注視時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)中，從反應(yīng)時(shí)指標(biāo)得出無(wú)論是單因素還是多因素任務(wù)，低/高負(fù)荷水平與反應(yīng)時(shí)的P值均近乎為0；而正確率數(shù)據(jù)顯示，只有在多因素任務(wù)中，不同負(fù)荷水平與正確率的P值均小于0.05，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；從平均持續(xù)注視時(shí)間的樣本數(shù)據(jù)得出，在多因素中，負(fù)荷水平與其維持持續(xù)注視能力之間的相關(guān)性較大。

3.2 高/低負(fù)荷下3種指標(biāo)結(jié)果分析

高/低負(fù)荷下3種指標(biāo)結(jié)果分析如圖1。

圖1 高/低負(fù)荷下3種指標(biāo)結(jié)果分析Fig.1 Results analysis of three indicators under high/low load

1）反應(yīng)時(shí)結(jié)果分析。通過(guò)箱線圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在2種負(fù)荷水平下注意力分配方式所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)走向呈現(xiàn)出一致性，無(wú)論是在單或多因素，注意力主次分配方式下的反應(yīng)時(shí)均最短，即單從反應(yīng)時(shí)指標(biāo)來(lái)看，注意力主次分配的效果最優(yōu)；其次在折線圖中發(fā)現(xiàn)，高負(fù)荷下的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)總高于低負(fù)荷下的時(shí)間。

2）正確率結(jié)果分析。通過(guò)柱狀圖比較發(fā)現(xiàn)，在單因素任務(wù)中，負(fù)荷水平對(duì)注意力分配方式的影響不大，而在多因素任務(wù)中注意力主次分配下的正確率比例最高，即在主次分配方式中更容易獲得正確的監(jiān)控行為；其次從折線圖中發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷下的正確率總是高于多負(fù)荷的正確率。

3）平均持續(xù)注視時(shí)間結(jié)果分析。在箱線圖中發(fā)現(xiàn)3種注意力分配方式中主次分配的持續(xù)注視時(shí)間最低，平均分配持續(xù)注視時(shí)間最高，即注意力平均分配方式下被試面對(duì)異常信息做出反饋所需的時(shí)間最長(zhǎng)；其次折線圖結(jié)果顯示不同負(fù)荷水平對(duì)被試平均持續(xù)注視時(shí)間的影響并不顯著，隨著樣本量的增大可能會(huì)呈現(xiàn)出一定差異性。

3.3 負(fù)荷水平對(duì)注意力分配的影響結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比分析柱狀圖、箱線圖和折線圖，可以發(fā)現(xiàn)不同負(fù)荷水平對(duì)煤礦調(diào)度室監(jiān)控人員的反應(yīng)時(shí)、異常信息的正確判斷以及平均持續(xù)注視時(shí)間均有較大影響。高負(fù)荷水平更容易導(dǎo)致監(jiān)控人員反應(yīng)遲緩，對(duì)監(jiān)控屏幕持續(xù)注視的能力明顯降低。從安全人因角度來(lái)說(shuō)，管理者應(yīng)該密切關(guān)注監(jiān)控員的勞動(dòng)強(qiáng)度，適量的通過(guò)降低負(fù)荷量來(lái)達(dá)到更為安全的水平。

4 單/多因素對(duì)注意力分配的影響

4.1 單/多因素對(duì)注意力分配的影響相關(guān)性分析

反應(yīng)時(shí)的配對(duì)樣本T檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在低負(fù)荷水平下，單/多因素與反應(yīng)時(shí)的P值分別為0.102和0.038，均具有顯著差異；在正確率與平均持續(xù)注視時(shí)間的配對(duì)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論哪一種符合水平下，單/多因素與正確率和持續(xù)注視時(shí)間的P值均近乎為0，即信息同時(shí)出現(xiàn)更容易導(dǎo)致監(jiān)控人員對(duì)監(jiān)控屏幕持續(xù)關(guān)注的能力以及反應(yīng)能力下降，從而做出錯(cuò)誤的反饋。

4.2 單/多因素下3種指標(biāo)結(jié)果分析

單/多因素任務(wù)下3種眼動(dòng)指標(biāo)結(jié)果分析如圖2。

圖2 單/多因素任務(wù)下3種眼動(dòng)指標(biāo)結(jié)果分析Fig.2 Results analysis of three indicators under single/multi-factor task

1）反應(yīng)時(shí)結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)比箱線圖，注意力主次分配的反應(yīng)時(shí)最短，多級(jí)分配所需反應(yīng)時(shí)最長(zhǎng)；在折線圖中看到單因素任務(wù)下的反應(yīng)時(shí)總是低于多因素任務(wù)下的反應(yīng)時(shí)，即相比多個(gè)異常信息同時(shí)出現(xiàn)，報(bào)警信息依次出現(xiàn)時(shí)被試所需的反應(yīng)時(shí)更短，這也符合在緊急情況下人的應(yīng)激反應(yīng)。

2）正確率結(jié)果分析。在單因素任務(wù)中，主次分配和平均分配的正確率基本不受負(fù)荷水平的影響，而多級(jí)分配則有明顯區(qū)別，并且在高負(fù)荷下被試做出正確反映的能力下降；通過(guò)折線圖發(fā)現(xiàn)單因素任務(wù)下的正確率總是高于多因素任務(wù)下的。

3）平均持續(xù)注視時(shí)間結(jié)果分析。在箱線圖中3種注意力分配方式所對(duì)應(yīng)的持續(xù)注視時(shí)間呈現(xiàn)出相似性，無(wú)論是在低負(fù)荷還是高負(fù)荷，注意力主次分配所對(duì)應(yīng)的持續(xù)注視時(shí)間最低，多級(jí)分配次之，平均分配所需的時(shí)間最多；而在折線圖中，多因素任務(wù)下的持續(xù)注視能力弱于單因素任務(wù)下的注視能力。

4.3 單/多因素對(duì)注意力分配的影響結(jié)果分析

通過(guò)單/多因素下3種眼動(dòng)指標(biāo)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是反應(yīng)時(shí)、正確率還是平均持續(xù)注視時(shí)間，多因素任務(wù)下的反應(yīng)水平都遠(yuǎn)低于單因素，人在工作環(huán)境中注意力十分有限，尤其是在煤礦調(diào)度室中，若有突發(fā)事件發(fā)生多個(gè)異常信息將同時(shí)報(bào)警，對(duì)監(jiān)控人員的注意力分配水平有較高要求，無(wú)法及時(shí)應(yīng)對(duì)。

5 注意力分配方式對(duì)安全監(jiān)控行為影響差異性

5.1 差異現(xiàn)象

在煤礦監(jiān)控過(guò)程中，影響事故發(fā)生與否以及事故量級(jí)大小的因素眾多，其中主要影響因素有監(jiān)控對(duì)象價(jià)值、監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)控任務(wù)，由于被試者生理及心理水平的差異性，每個(gè)人面對(duì)緊急情況出現(xiàn)時(shí)都會(huì)有不同的反應(yīng)，以及現(xiàn)實(shí)監(jiān)控環(huán)境中外界不同程度的影響，很多因素都會(huì)對(duì)被試的反應(yīng)水平造成干擾。

通過(guò)比較不同負(fù)荷水平和單/多因素下的眼動(dòng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)被試應(yīng)用注意力主次分配方式的反應(yīng)時(shí)最短、正確率最高、平均持續(xù)注視時(shí)間最長(zhǎng)，相比于平均分配和多級(jí)分配，主次分配方式下?lián)碛懈玫淖鳂I(yè)水平。在高負(fù)荷環(huán)境及多因素任務(wù)中，3種眼動(dòng)指標(biāo)都呈現(xiàn)出更差的績(jī)效，作業(yè)人員對(duì)于緊急事故的處理能力也有明顯的降低。因此，在日常的監(jiān)控任務(wù)中更推薦工作人員采取主次分配方式，通過(guò)重要程度的排序可以減輕工作難度，進(jìn)而提高效率。

5.2 差異潛在原因分析

1）注意力分配方式造成差異的原因分析。對(duì)3種注意力分配方式的潛在原因進(jìn)行分析，平均分配要求工作人員主要監(jiān)控范圍區(qū)域更廣，對(duì)注意力集中程度要求更高，并且在高負(fù)荷或多因素任務(wù)中注意力極易受外界影響而分散，因此在3種指標(biāo)下注意力平均分配的結(jié)果更不理想；多級(jí)分配中存在明確的優(yōu)先級(jí)順序，復(fù)雜情況出現(xiàn)時(shí)一目了然的先后處理順序很大程度上減緩被試壓力，考慮到性別上生理及心理差異對(duì)工作者帶來(lái)的影響，更推薦女性工作者采用注意力多級(jí)分配方式；而主次分配方式中，被試依據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累合理安排并引導(dǎo)注意力放置于報(bào)警頻率更高的區(qū)域，同時(shí)兼顧其他的潛在危險(xiǎn)，這種分配方式能讓作業(yè)人員保持較高的警覺(jué)性，進(jìn)而擁有最優(yōu)的績(jī)效水平。

2）負(fù)荷水平與單/多因素任務(wù)造成差異的原因分析。對(duì)比2種負(fù)荷水平發(fā)現(xiàn)，在高壓工作環(huán)境中人員的認(rèn)知水平和事故處理能力都是有限的，大腦因疲勞思維能力減弱、反應(yīng)遲緩，尤其是在多個(gè)異常情況同時(shí)出現(xiàn)時(shí)更不能及時(shí)準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)，很大程度上會(huì)影響工作積極性，因此明確的優(yōu)先級(jí)順序重要性得以體現(xiàn)；而對(duì)比單/多因素任務(wù)發(fā)現(xiàn)，在多因素任務(wù)中，被試維持持續(xù)注視的時(shí)間更短，由于多個(gè)異常信息的同時(shí)出現(xiàn)，大腦對(duì)其處理速度變緩，保持注意力集中程度的能力更差，需要較長(zhǎng)時(shí)間方可對(duì)報(bào)警信息做出反應(yīng)，因此很大程度上影響了判斷的正確率。

5.3 干預(yù)措施與建議

通過(guò)差異現(xiàn)象及潛在原因分析進(jìn)而提出相關(guān)干預(yù)措施與建議:①通過(guò)設(shè)定區(qū)分明確且差異較大的信息優(yōu)先級(jí)并控制關(guān)鍵性信息數(shù)量；②在特殊操作情境下，操作界面應(yīng)設(shè)計(jì)出重要且突出的按鍵，盡量考慮采取一鍵式或模塊化設(shè)計(jì)，能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)預(yù)警做出反饋；③作業(yè)人員在執(zhí)行常規(guī)任務(wù)時(shí)推薦采用注意力主次分配方式，謹(jǐn)慎采用平均分配方式。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)研究在不同負(fù)荷水平和單/多因素下注意力分配方式對(duì)煤礦安全監(jiān)控行為的影響，得出無(wú)論是在何種負(fù)荷水平或單/多因素下，相比平均分配和多級(jí)分配方式，注意力主次分配方式都表現(xiàn)出了最優(yōu)的績(jī)效，多因素高負(fù)荷任務(wù)中作業(yè)人員的認(rèn)知水平和事故處理能力更加有限，腦力負(fù)荷達(dá)更加緊張。因此操作界面設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮一鍵式或模塊化設(shè)計(jì)，可為復(fù)雜任務(wù)條件下煤礦調(diào)度室人機(jī)界面的信息需求設(shè)計(jì)以及監(jiān)控任務(wù)培訓(xùn)策略的優(yōu)化提供依據(jù)。