潛航員認知效能驅(qū)動的作業(yè)舒適度評價方法

朱夢雅，陳登凱，葉 聰，王憬鸞

(1.工業(yè)設(shè)計與人機工效工信部重點實驗室(西北工業(yè)大學(xué)),西安 710072；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214000)

載人潛水器任務(wù)期內(nèi)常需攜帶眾多設(shè)備儀器，且其艙室內(nèi)部空間通常較為狹小，這導(dǎo)致潛航員可活動范圍有限，舒適度極為受限。因此實現(xiàn)操作系統(tǒng)舒適性的定量評價，對操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度改善與提升至關(guān)重要。

作業(yè)人員良好的認知能力是順利完成作業(yè)任務(wù)的保障。潛航員的認知能力受操作系統(tǒng)中多重因素耦合影響，同時良好舒適的作業(yè)環(huán)境又有助于人員高認知水平的維持。然而目前國內(nèi)外針對操作系統(tǒng)舒適性的研究多集中在系統(tǒng)熱環(huán)境舒適性[1-3]，作業(yè)姿態(tài)舒適性[4]等方面，如余群舟等[5]運用CATIA軟件建立工人抹灰作業(yè)上肢姿勢不舒適度評價模型，趙川等[6]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實現(xiàn)站姿操縱任務(wù)下人員舒適度評價，陳景輝等[7]應(yīng)用生物力學(xué)理論結(jié)合肌肉負荷水平完成駕駛員姿態(tài)舒適性的評價。但在這些研究中都缺乏對作業(yè)人員主觀認知能力與水平的思考，因而鮮有基于作業(yè)人員認知能力的操作系統(tǒng)整體性舒適度的度量與評價。

本文將以潛航員認知能力為驅(qū)動，設(shè)計載人潛水器作業(yè)子系統(tǒng)認知實驗，獲取相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建艙室操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價模型，確定舒適度評價一般方法。

1 問題描述與模型構(gòu)建

1.1 基于IDAC模型的潛航員認知流程分析

IDAC(information, decision, action in a crew)模型，即成員間的信息、決策和行為模型，是在行為科學(xué)理論IDA模型的基礎(chǔ)上發(fā)展的動態(tài)評價人因可靠性的方法[8]，可有效涵蓋作業(yè)人員在信息處理、判斷決策和動作執(zhí)行階段的反應(yīng)。本文將結(jié)合潛航員實際作業(yè)任務(wù)和IDAC模型，對潛航員認知流程展開分析(如圖1所示)，深入梳理潛航員認知特征。

圖1 基于IDAC模型的潛航員認知過程Fig.1 Cognitive process of oceanauts based on IDAC model

1.2 基于效用函數(shù)的潛航員認知效能評價

1.2.1 潛航員認知效能影響因子

基于IDAC模型的潛航員認知流程分析，本文針對密閉艙室操作系統(tǒng)中的顯示界面、操作面板及通訊設(shè)備，同時考慮潛航員的視覺、聽覺舒適度，梳理構(gòu)建潛航員認知表現(xiàn)—效能—舒適度關(guān)系對應(yīng)表，見表1。

表1 潛航員認知表現(xiàn)—效能—舒適度對應(yīng)表Tab.1 Correlation of cognitive performance-efficiency-comfort level of oceanauts

1.2.2 潛航員認知效能效用函數(shù)模型

效用概念最早由Von Neuman等[9]首先引入綜合評價體系。目前，已有研究者將效用函數(shù)應(yīng)用于裝備作戰(zhàn)效能、產(chǎn)品或服務(wù)體系的評價研究[10-15]。

其構(gòu)建方法是將評價指標(biāo)按照一定的方法進行無量綱化，然后按一定的合成模型加權(quán)形成總評價值，一般計算公式為

E=ξ(yi,ωi),i=1,2,…,n

(1)

式中：E為綜合效用評價值,ξ為yi與ωi的合成函數(shù),ωi為單個指標(biāo)權(quán)重,yi=f(xi)為xi的效用函數(shù)評價值,即量綱一的值。

由于在認知研究中，速度和準(zhǔn)確性是績效的兩個重要方面[16]。因此本文將收集各認知實驗中的認知反應(yīng)時間和正確率數(shù)值，構(gòu)建相應(yīng)的認知效能效用函數(shù)模型。

1.3 基于支持向量機模型的潛航員密閉艙室舒適度評價

支持向量機(Support vector machines, SVM)是一種以統(tǒng)計學(xué)理論為基礎(chǔ)的機器學(xué)習(xí)方法[17-18]。由于其本身的優(yōu)化目標(biāo)是結(jié)構(gòu)化風(fēng)險最小，比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更強的逼近能力和泛化能力，是目前效果最好的分類器之一[19]。因此本文將運用支持向量機模型，結(jié)合回歸預(yù)測分析方法，依次分析視覺、聽覺舒適度與各輸入變量、被試者年齡、學(xué)歷之間關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的舒適度評價模型并展開驗證，為載人潛水器艙內(nèi)舒適度評價提供理論基礎(chǔ)。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗方案

基于上述分析，邀請40名男性參與實驗，他們的年齡介于21～40歲，學(xué)歷層次包括本科、碩士和博士。實驗過程中請被試人員以身體略微前傾姿態(tài)，坐于所搭建的模擬艙室環(huán)境中，其顯控界面、操作面板、通訊設(shè)備布局如圖2所示。

圖2 實驗過程示意Fig.2 Schematic diagram of experimental process

2.1.1 顯控界面舒適度實驗

由于數(shù)字顯控界面在潛航員信息收集、顯示及記錄等作業(yè)過程中尤為重要，因此在顯控界面舒適度探究中，將考慮顯控界面設(shè)計的色彩特征對潛航員認知效能的影響。已有研究顯示，亮度和對比度是視覺性能和顯示質(zhì)量的重要因素[20-22]。同時，不同飽和度的色彩界面對作業(yè)人員的視覺沖擊與造成疲勞各有不同。

因此在本實驗中，以某型載人潛水器操作系統(tǒng)中潛水器位置呈現(xiàn)界面為基礎(chǔ)(默認其亮度、對比度和自然飽和度值均為0，如圖3(a)所示)，邀請被試完成11組不同亮度、對比度和自然飽和度的操作界面(如圖3所示)認知和舒適度判斷實驗，并采用E-prime軟件記錄對應(yīng)認知反應(yīng)時間和正確率。實驗過程中，針對每一個界面被試都需填寫對應(yīng)的主觀視覺舒適度評價問卷。該問卷包含從1-7的7個得分，分別表示極度不舒適、非常不舒適、輕微不舒適、無明顯舒適或不舒適感受、比較舒適、非常舒適和極度舒適。

圖3 顯控界面實驗圖片F(xiàn)ig.3 Pictures in display control interface experiment

2.1.2 操作面板舒適度實驗

載人潛水器的操作面板位于駕駛臺正前方，是潛航員獲取潛水器警報信息并對潛水器進行控制的主要界面[23-24]。因此本文將通過對指令開關(guān)的布局分析，判斷潛航員認知效能與操作面板舒適度的對應(yīng)關(guān)系。

以潛航員下潛和采樣作業(yè)過程中對操作面板的控制為例，在此實驗中將著重考慮操作面板中“壓載水箱控制區(qū)”、“潛浮拋載控制區(qū)”、“水下燈供電控制區(qū)”、“拍攝供電控制區(qū)”、“液壓源控制區(qū)”和“機械手供電控制區(qū)”不同的布局對被試認知與舒適度的影響。各方案布局如圖4所示。實驗過程中本文將結(jié)合載人潛水器真實作業(yè)流程，要求每位被試展開6組認知速度測試，并采用激光筆、GifCam與Eprime軟件可視化并記錄被試操作過程。圖5即為方案1布局條件下基于作業(yè)流程的實驗要求的視覺認知正確路徑示意圖。每個布局方案實驗結(jié)束后，請被試根據(jù)真實心理感受，記錄個人對該方案的舒適度，填寫主觀舒適度評價問卷。

圖4 操作面板實驗圖片F(xiàn)ig.4 Pictures in operation panel experiment

圖5 基于作業(yè)流程的實驗要求視覺認知路徑Fig.5 Visual cognitive path required by experiment based on operation process

2.1.3 通訊設(shè)備舒適度實驗

由于潛航員在作業(yè)過程中需要不定時與母船交流聯(lián)系，獲取母船指令信息、向母船首席專家展開咨詢等，因此本文將從通訊設(shè)備的聲音角度著手，探究其與潛航員聽覺認知能力及舒適度的關(guān)系。聲音的響度和頻率特征是通訊設(shè)備聲音的重要屬性，由于實際操作環(huán)境下聲音的響度可通過操作面板調(diào)節(jié)，因此本次實驗中，將邀請被試完成7組實驗，依次探究不同聲音頻率(包括頻率分別為1 200、1 800、3 600、7 200 Hz的環(huán)境噪聲，與采樣頻率分別為32 000、48 000、64 000 Hz的通信語音)對潛航員聽覺認知效能的影響，并結(jié)合主觀量表，掌握潛航員舒適度感知水平。

2.2 實驗數(shù)據(jù)收集與處理

2.2.1 實驗數(shù)據(jù)預(yù)處理

在顯控界面和通訊設(shè)備舒適度實驗中，各實驗變量的數(shù)值都已具體化，但操作面板舒適度實驗中，各操作控制區(qū)相對位置的具體數(shù)值尚未量化，因此將結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法，量化各控制區(qū)相對位置參數(shù)，完成實驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

依據(jù)人員認知過程中視覺變化規(guī)律：從左到右，從上到下[25]，即Z字形，構(gòu)建控制區(qū)形心位置計算方法，具體確定方法如下。

以待布控制區(qū)mi，mj的相對位置計算為例，其中，mj是mi的下一步操作，依據(jù)視覺變化特征，構(gòu)建ξij函數(shù)，進而確定各實驗操作面板的布局參數(shù)ξ。

(2)

式中:ξij為待布控制區(qū)i和j的布局參數(shù)，α為待布控制區(qū)j相對于i的夾角。

多待布區(qū)(n+1個)的總參數(shù)S計算方法為式(3)，即各相鄰操作待布區(qū)的布局參數(shù)之和：

S=∑ξn(n+1)

(3)

對于待布控制區(qū)mi，mj，其形心距離參數(shù)dij計算取二者形心幾何距離平方；對于多待布區(qū)(n+1個)的形心距離參數(shù)D為各相鄰操作待布控制區(qū)距離參數(shù)之和:

D=∑dij

(4)

式中dij=Dx+Dy=(xj-xi)2+(yj-yi)2。

圖6 待布控制區(qū)距離參數(shù)計算Fig.6 Calculation of distance parameters of control area

2.2.2 潛航員認知效能求解

結(jié)合效用函數(shù)理論，收集實驗獲取的被試認知時間與正確率，依次構(gòu)建相應(yīng)的潛航員視覺認知效能函數(shù)、聽覺認知效能函數(shù)，求得每位被試的視覺認知效能和聽覺認知效能。

由于反應(yīng)時間越長，認知效能水平越低；反應(yīng)正確率越高，認知效能水平越高，因此在認知效能水平的無量綱化構(gòu)建中，借鑒并結(jié)合逆效率得分IES[26]、正確率評分RCS[27]，構(gòu)建潛航員認知效能函數(shù)，即

(5)

式中：RTi為第i個被試的反應(yīng)時間，ACi為第i個被試的反應(yīng)正確指數(shù)(反應(yīng)正確時取1，反應(yīng)錯誤時取0)，n為被試總?cè)藬?shù)，Pi為被試i的認知效能。

2.2.3 操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價

2.2.3.1 各子系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價模型

以各實驗條件變量和被試個人信息(年齡、學(xué)歷等)為輸入，被試的主觀舒適度評分為模型的輸出，在matlab R2018a軟件中結(jié)合Libsvm軟件包，建立操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價的支持向量機模型，其具體過程如下：

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。樣本集數(shù)據(jù)歸一化處理，以加快訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的收斂性。確定各實驗數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集和驗證集。

2)最佳模型參數(shù)選擇。確定回歸預(yù)測分析最佳的SVM參數(shù)懲罰因子c以及核函數(shù)參數(shù)g。

3)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。運用最佳參數(shù)，選取高斯徑向基函數(shù)作為核函數(shù)，調(diào)用訓(xùn)練程序?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行訓(xùn)練。

4)網(wǎng)絡(luò)測試與驗證。調(diào)用預(yù)測程序開展數(shù)據(jù)驗證。

由于在實驗數(shù)據(jù)收集中獲得的被試學(xué)歷信息都為字符串，因此在模型構(gòu)建前采用賦值法對上述兩種數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：學(xué)歷信息中本科畢業(yè)、碩士畢業(yè)、博士畢業(yè)依次被賦值為1,2,3。

2.2.3.2 操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價

結(jié)合各子系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價結(jié)果，采用專家評價法，邀請多位專家，對各子系統(tǒng)作業(yè)舒適度在總操作系統(tǒng)的權(quán)重進行評價，獲取操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價結(jié)果。操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度計算為

COS=∑ωm×Cm(m=1,2,3)

(6)

式中：COS為操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度，Cm為各實驗主觀舒適度，ωm為子系統(tǒng)m對應(yīng)的權(quán)重。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 子系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價

3.1.1 顯控界面舒適度評價

在顯控界面舒適度評價中，首先運用潛航員認知效能求解中潛航員認知效能求解方法，計算各被試各實驗條件下對應(yīng)的認知效能。接下來在舒適度評價模型中依次輸入：顯控界面亮度、對比度、自然飽和度數(shù)值、被試年齡、學(xué)歷和被試的視覺認知效能，輸出被試的主觀舒適度。選取90%的(396條)實驗數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，剩下10%(44條)的數(shù)據(jù)作為驗證集，該模型的訓(xùn)練結(jié)果如圖7(a)所示。

3.1.2 操作面板舒適度評價

同樣，首先計算得出被試在各實驗條件下的認知效能，由于在該實驗中未記反應(yīng)正確率，因此效用函數(shù)中ACi的值始終取0。為便于計算和訓(xùn)練模型，在形心距離參數(shù)計算過程中取a=16，b=8。在操作界面舒適度評價預(yù)測模型中，將輸入被試年齡、學(xué)歷、被試的視覺認知效能、布局參數(shù)、x和y方向形心距離參數(shù)。選取90%的(216條)實驗數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，剩下10%的數(shù)據(jù)作為驗證集，最終獲得訓(xùn)練過程曲線如圖7(b)所示。

3.1.3 通訊設(shè)備舒適度評價

首先計算得出各被試在各實驗條件下的效能值，將通訊設(shè)備舒適度評價模型根據(jù)實驗分為環(huán)境噪聲舒適度評價模型和語音采樣頻率舒適度評價模型，分別選取90%的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，剩余10%樣本數(shù)據(jù)進行測試，訓(xùn)練過程曲線如圖7(c)、(d)所示。

由于通訊設(shè)備中，環(huán)境噪聲與信息采樣頻率同時存在，且對通訊設(shè)備都會產(chǎn)生影響，結(jié)合作業(yè)環(huán)境實際通信情況及專家訪談法，將環(huán)境噪聲舒適度和語音信息舒適度權(quán)重分別取0.6和0.4，以其加權(quán)平均值作為通訊設(shè)備舒適度評價結(jié)果。

3.1.4 實驗?zāi)Ｐ托阅茯炞C

在顯控界面實驗中，將剩余的10%(44條)數(shù)據(jù)輸入舒適度評價模型，其預(yù)測值與實際值對比如圖7(e)所示，通過計算得知誤差率均處于10%范圍內(nèi)，且預(yù)測值經(jīng)四舍五入后均與實際值吻合，因此該模型準(zhǔn)確，可用于顯控界面舒適度評價仿真。

采用同樣方法依次將操作面板實驗、通訊設(shè)備舒適度實驗中剩余的10%數(shù)據(jù)輸入模型，對比樣本的預(yù)測值與實際值(如圖7(f)～7(h)所示)，結(jié)果表明該評價模型預(yù)測準(zhǔn)確，可用于操作界面和通訊設(shè)備舒適度預(yù)測與評價。

圖7 舒適度評價模型訓(xùn)練與驗證結(jié)果Fig.7 Training and verification results of comfort evaluation model

3.2 操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價模型

邀請本領(lǐng)域5位研究背景不完全相同的專家依次對子系統(tǒng)作業(yè)舒適度在總操作系統(tǒng)中所占權(quán)重進行評價，求其平均值作為最終權(quán)重，其評價結(jié)果見表2。

表2 專家評價結(jié)果Tab.2 Expert evaluation results

由此確定顯控界面、操作面板和通訊設(shè)備的舒適度權(quán)重依次為0.41,0.32和0.27。因此可依據(jù)該權(quán)重，結(jié)合各子系統(tǒng)評價值，求得操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度。

以一位27歲男性、博士研究生被試的實驗數(shù)據(jù)為例(見表3～表5)，進行操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價。

表3 操作系統(tǒng)中顯控界面作業(yè)舒適度評價舉例Tab.3 Example of display control interface in operating system comfort evaluation

表4 操作系統(tǒng)中操作面板作業(yè)舒適度評價舉例Tab.4 Example of operation panel in operating system comfort evaluation

表5 操作系統(tǒng)中通訊設(shè)備作業(yè)舒適度評價舉例Tab.5 Example of communication equipment in operating system comfort evaluation

由表3～表5得知，各子系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價準(zhǔn)確，計算得操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度為4.720 9，因此該被試在這樣的操作系統(tǒng)條件下舒適度水平為5(四舍五入后)，即該操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度較為舒適。

4 討 論

運用子系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價中構(gòu)建的各子系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價模型，結(jié)合現(xiàn)有潛航員實際，本文以30歲、碩士學(xué)歷的男性潛航員為例，依次探究不同子系統(tǒng)屬性特征(如圖8(a)～圖8(c))對被試舒適度感知的影響。

結(jié)合各子系統(tǒng)研究都可以清晰地發(fā)現(xiàn)：被試認知效能與主觀舒適度具有相同的變化趨勢(如圖8(d))，即被試認知反應(yīng)越快，正確率越高，則系統(tǒng)的舒適度水平越高，越適宜潛航員作業(yè)。這說明基于認知效能判斷顯控系統(tǒng)作業(yè)舒適度具有可行性。

在已構(gòu)建的舒適度評價模型中，輸入相同的子系統(tǒng)屬性特征值和被試認知效能，探究學(xué)歷層次、年齡與舒適度的關(guān)系。從被試的學(xué)歷層次角度來看，學(xué)歷越高，對子系統(tǒng)作業(yè)舒適度的評價值越低(如圖8(e)所示),結(jié)合文獻[28-29]研究，發(fā)現(xiàn)文化程度越高，心理需求越高，對不適的感知和后續(xù)顧慮更多，因此學(xué)歷更高的被試在舒適度感知過程中給出的舒適度評分相對更低。

圖8 各變量對比結(jié)果Fig.8 Comparison results of each variable

而在年齡方面，各子系統(tǒng)的最佳舒適度對應(yīng)年齡略有不同(如圖8(f)所示)。顯控界面中，27歲的被試舒適度最高，而在操作面板和通訊設(shè)備中，隨年齡增長舒適度都有提升。這與顯控界面對人體機能(如判斷、警惕能力等)有更高的要求，而操作面板和通訊設(shè)備使用中更多依賴于個人經(jīng)驗及對系統(tǒng)的適應(yīng)性。

為提高結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，本文根據(jù)上述結(jié)論編制了調(diào)查問卷進行驗證，積極聯(lián)系中國船舶設(shè)計中心，邀請5位潛航員和2位載人潛水器設(shè)計工程師參與調(diào)研，同時也邀請10位未曾參與原實驗的在校學(xué)生回答問卷，調(diào)研結(jié)果如圖9所示，其舒適度與各變量對應(yīng)關(guān)系與實驗結(jié)論的總體趨勢一致。

圖9 調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果Fig.9 Statistical results of questionnaire

綜合上述分析，為提高潛航員在作業(yè)環(huán)境中的舒適度，可在顯控系統(tǒng)的界面設(shè)計中，將亮度、對比度和自然飽和度分別從[-25,0]，[-50,-25]，[-25,0]中取值。操作面板設(shè)計中，需綜合考慮待布區(qū)的操作相關(guān)性與人員視覺認知規(guī)律，設(shè)置合理的布局參數(shù)和形心相對位置。在通訊設(shè)備中，可通過安裝減振降噪設(shè)備，降低噪聲頻率，并將通信語音的采樣頻率設(shè)定為48 000 Hz,提高潛航員主觀舒適度。同時本文也發(fā)現(xiàn)，認知效能與舒適度具有相同的變化規(guī)律，這也從側(cè)面印證了本文的可行性，即較高的認知效能也對應(yīng)于較高的舒適度。同時，年齡和學(xué)歷層次都會對潛航員的舒適度產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

1)本文提出了一種基于效用函數(shù)和支持向量機模型的載人潛水器操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價方法，將操作系統(tǒng)作業(yè)舒適度評價問題與潛航員認知效能構(gòu)建聯(lián)系，實現(xiàn)了對子系統(tǒng)作業(yè)舒適度的評價及分析。

2)合理的顯控界面亮度、對比度和自然飽和度設(shè)置，綜合考慮待布區(qū)的操作相關(guān)性與人員視覺認知規(guī)律的操作面板布局，以及較低的噪聲頻率和適宜的通信語音的采樣頻率，都有助于提高潛航員主觀舒適度。潛航員的年齡、學(xué)歷和認知效能都會對作業(yè)舒適度產(chǎn)生影響。

3)本研究證明了基于人員認知效能的作業(yè)舒適度評價方法的可行性，同時給出了艙室作業(yè)子系統(tǒng)屬性特征設(shè)計的建議區(qū)間。