无人机操作主观心理负荷测评与心率数据比较

李乃梁，陆 勇，李开伟,2

(1.中国矿业大学 工业工程系，江苏 徐州 221000； 2.中华大学 工业管理系，台湾 新竹 30012)

0 引言

随着无人机的快速发展与其应用的不断延伸，其暴露的问题也日益凸显，无人机系统事故的发生率正在不断上升。无人机的作业任务与环境对于飞行安全的影响极大。调查表明，无人机的事故率通常高于有人驾驶飞机的事故率[1]。由于人的操作不当使无人机发生坠毁，从而导致地面人员受伤甚至死亡的案例时有发生[2]。虽然较多国家目前正在实施无人机用户的实名注册以及制定相关法律法规来规范无人机的使用，但由于无人机在民用领域普及时间并不长，人们对于无人机在现实中可能发生意外的理解并不深入，从而导致事故的发生。

为保证无人机操作系统的安全性，对操作者心理负荷的评估是关键[3]。心理负荷是指在任务中保持期望的绩效水平时对有限的心理资源所提出的要求[4]。目前心理负荷的测量方法可分为3类：主观测评法、工作绩效测评法和生理测评法。在心理负荷的研究进程中，学者们意识到单一的测量方式并不能确保心理负荷测量结果的准确性[5]，且在自我评述和生理测量之间有时会出现割裂情况[6]。为应对这种割裂，学者们提出综合多维度指标进行测评的思路，如生理测量和主观评价的综合运用。

Mansikka等[7]在试验中使用NASA任务负荷指数(NASA Task Load Index,NASA-TLX)、改良库伯-哈伯量表(ModifiedCooper-Harper Scale,MCH)和心搏间期(Inter-beat Interval,IBI)来进行心理负荷的评估；王春雪[8]通过设计作业心理负荷问卷，发现塔式起重机司机在作业中经常处于精神紧张的状态，作业心理负荷较高，并提出相关的应对措施；辛甜等[9]利用胸带式检测仪和NASA-TLX量表进行飞行员的工作负荷测量，探究飞行员呼吸率与操作负荷的关系，进而揭示工作负荷变化的规律和影响因素，为航空安全提出建议。不论使用何种测评方法，都要满足非侵入性与安全性，即绝对不影响被测评者的绩效，必须保证尽可能小地影响操作员的心理或身体活动[10]。学者们对无人机操作者心理负荷也进行相关研究，Christ等[11]在模拟软件中使用4类不同自主水平的无人机，评估高负荷和非竞争环境下被试者的心理负荷，研究表明在高负荷的情况下自主水平对心理负荷有显著影响；Gabriel等[12]在无人机飞行模拟器培训期间，使用改良的NASA-TLX量表对被试者进行心理负荷测量，发现心理负荷在训练任务中能被明显感知，并指出敏感性是心理需求的最重要因素；Richards等[13]利用功能性近红外光谱技术(functional Near Infra-Red Spectroscopy,fNIRS)对模拟无人机操作员的心理负荷进行评估，结果表明随着被试者的练习，任务执行的熟练程度提高，前额叶皮层的大脑活动减少，验证fNIRS技术测量心理负荷的有效性。

上述关于无人机负荷的研究均在无人机模拟器中开展，这与现实中无人机的操作存在一定的偏差。同时，现有研究大多关于军用无人机，主要涉及单个操作员操纵数个无人机或多人协同操作无人机情境下的操作员心理负荷，而在民用无人机方面研究成果很少。民用无人机与军用无人机在操作逻辑与操作方法方面差异较大，因此军用无人机的研究成果对于民用无人机并不具有可复制性。

尽管主观量表与心率测量已经广泛应用于心理负荷测量[14-16]，但由于人机系统的复杂性，在研究人的信息处理时有必要使用真实的无人机进行试验研究[17]。本文拟以民用无人机实际操作中被试者的心理负荷为研究变量，使用主观量表与心率进行测评，验证工具的有效性与一致性，从而为无人机操作中超负荷状态的预防提供科学测量基础。

1 方法与过程

1.1 被试者

公开招募14名男性无人机操作员，其年龄、身高、体重分别为(23.4±0.7)岁，(1.74±0.04) m，(68.4±9.2) kg。被试者在此次试验之前均未接触过无人机操作，且在试验前得到充分的休息，身体健康状况良好，近期无重大情绪起伏，裸眼视力或矫正视力正常，辨色力正常。所有被试者均自愿参加本次试验，且在试验前签署知情同意书。

1.2 试验准备

1)无人机

试验采用的无人机为大疆©生产的四轴飞行器(Mavic Air)，如图1所示。无人机通过飞控来进行操作，飞控与1部安卓手机连接，以手机屏幕作为显示面板，飞行过程中无人机的位置、信号等信息通过手机屏幕呈现。

图1 大疆Mavic AirFig.1 DJI Mavic Air

2)心率测试仪

试验采用Polar©V800心率测试仪，如图2所示。该仪器包括胸带和手表2个部分，能够对被试者的心率进行长时间的记录，具有易佩戴、抗干扰能力强等特点，适合无人机的室外试验。

图2 Polar V800胸带式心率测试仪Fig.2 Polar V800 chest strap heart rate monitor

3)主观测评量表

试验中采用的主观测评工具包括NASA-TLX、主观负荷评估技术(Subjective Workload Assessment Technique,SWAT)、MCH量表。被试者在飞行试验结束后根据执行任务时的主观感受进行评分。NASA-TLX量表[18]使用脑力需求、体力需求、时间需求、绩效表现、努力程度、受挫程度6个维度来评估精神工作量。SWAT量表[19]将心理负荷划分为时间负荷、努力负荷和心理紧张负荷3个维度，使用低、中和高3个级别进行评价。Cooper-Harper量表[20]最初是用来评价飞机驾驶难易程度的方法，后来学者们对Cooper-Harper量表进行适当的修改，将其运用至其他领域的心理负荷测量，诸如此类量表被称为MCH量表。

4)试验场地和试验环境

试验场地选择某大学体育馆前空地，试验场地鸟瞰图如图3所示。为避免飞行空间过于单调空旷，飞行时不易失去参照物，场地进行有地砖图案和建筑物的区分。试验均在良好的天气下进行，飞行环境信息来源于UAV ForecastTM软件，且每次飞行时均满足飞行条件。具体的飞行条件为：平均风速及瞬时风速均小于32 km/h；能见度大于5 km；可见卫星数量大于12颗。

图3 试验场地鸟瞰图Fig.3 Sky view of test site

1.3 试验过程

被试者需要接受内容与时间一致的试验前正式培训。主要包括安全意识、量表填写和试验操作。试验任务见表1。试验步骤如下：

1)安装无人机与飞控。

表1 试验任务Table 1 Test tasks

2)试验开始之前，被试者需佩戴好心率检测胸带，确保腕表能够接收信号，要求被试者此阶段处于安静状态。

3)被试者进行无人机飞行任务，试验过程中被试者听从试验员指令进行无人机操作。记录试验过程中被试者的操作时间与失误次数。

4)飞行任务结束后被试者取下心率胸带，防止长时间佩戴引起身体不适。之后被试者立即进行主观量表的填写。

5)被试者休息10 min后，重复步骤2)～4)，直至试验全部结束。

2 结果

2.1 描述性统计

将NASA-TLX量表各维度由百分制改为十分制，使用算数平均的方法计算总分[21]，对修改后的量表进行信效度检验，NASA-TLX量表的信度(Cronbach’sα=0.882)与内容效度(KMO=0.815，Bartlett=189.539，P=0.000)均表现较好。

被试者在无人机飞行过程中未能完成要求动作或动作完成度过低即视为失误，将失误次数作为无人机飞行的任务绩效数据，失误数据可以通过DJI GO4©应用后台查看飞行轨迹获得。RR间期为心电图2个相邻QRS波中R波的时长。不同难度下各指标的均值与标准差见表2。数据表明随难度增大，整体上呈现MEANRR减小，其他指标数据增大的趋势，表明随难度增加被试者处于相对紧张的状态。

2.2 差异性检验

使用Shapiro-Wilk(W检验)验证主观测评与绩效数据的正态性，Kolmogorov-Smirnov(K-S检验)验证心率数据正态性。结果表明NASA-TLX评分符合正态分布，其他指标均存在部分组别不符合正态分布情况，故选用独立样本的Kruskal-Wallis检验对数据进行非参数检验。结果表明NASA-TLX量表(χ2=26.214，P=0.000)、MCH量表(χ2=32.596，P=0.000)、SWAT量表(χ2=32.510，P=0.000)在不同难度间均存在显著差异，失误次数(χ2=27.172，P=0.000)与操作时间(χ2=37.288，P=0.000)在不同难度间也存在显著差异。不同难度间数据逐对比较的结果见表3。逐对比较显示3种量表在一般-较难、较难-困难比较中差异不显著(P>0.05)，简单-一般样本对差异显著(P<0.05)，跨难度主观心理负荷评分差异显著(P<0.01)，这表明难度对于主观心理负荷影响明显。失误次数与操作时间在跨难度样本对间呈现显著差异(P<0.01)，而相邻难度除操作时间在简单-一般样本对间呈现显著差异外其他均不显著。

表2 不同难度间各指标均值与标准偏差Table 2 Mean values and standard deviations of each index between different difficulties

心率指标中，MEANHR(χ2=20.809，P=0.000)、MEANRR(χ2=20.158，P=0.000)在不同难度间差异显著，逐对比较结果见表3。MEANHR与MEANRR在5组逐对比较中差异显著(P<0.05)，一般-较难样本对不显著，这表明难度对MEANHR与MEANRR有明显影响。

表3 不同难度间各指标间逐对比较Table 3 Pairwise comparison of each index between different difficulties

主观量表和心率是测评被试者在不同难度下操作无人机时心理负荷的2种工具，对2种测评工具进行相关分析，结果显示MEANHR，MEANRR与主观量表相关性均较弱(|r|<0.3，P<0.01)。

2.3 NASA-TLX量表

此外进一步分析NASA-TLX量表分值，量表6个维度的均值和标准差见表4。NASA-TLX量表子维度均值随难度总体呈现递增趋势，由于NASA-TLX量表维度评分满足正态分布，因此采用方差分析对不同维度进行差异性检验。结果表明脑力需求(F=6.7，P=0.001)、体力需求(F=3.5，P=0.021)、时间需求(F=13.0，P=0.000)、业绩表现(F=11.6，P=0.000)、努力程度(F=11.5，P=0.000)、受挫程度(F=5.7，P=0.002)在飞行难度间差异均显著。不同难度间各维度评分逐对比较的结果见表5，其中脑力需求、时间需求、业绩表现、努力程度在4个样本对间差异显著，相邻样本对差异不完全显著。体力需求和受挫程度在简单-较难、简单-困难样本对间表现出显著差异。

表4 不同难度间NASA-TLX量表子维度均值与标准差Table 4 Mean values and standard deviation of sub-dimensions in NASA-TLX scale between different difficulties

表5 不同难度间NASA-TLX量表子维度逐对比较Table 5 Pairwise comparison of sub-dimensions in NASA-TLX scale between different difficulties

2.4 量表性能比较

不同量表在性能方面存在差异，试验采用NASA-TLX，SWAT以及MCH 3种量表。对3种量表进行敏感性和有效性的比较。

1)敏感性

敏感性是指量表识别主观心理负荷随难度变化的性能，所采用的方法为差异性检验，检验统计量χ2值表明MCH量表(χ2=32.596)、SWAT量表(χ2=32.510)敏感性较高，NASA-TLX量表(χ2=26.214)敏感性较差。但表5数据表明，NASA-TLX量表部分维度对难度的识别效果较好，体力需求和受挫程度2个维度使得NASA-TLX总体敏感性降低，这是无人机驾驶特殊性所致。

2)有效性

有效性分为收敛有效性和并发有效性。其中收敛有效性反映量表评分的一致性。计算量表之间的Spearman相关系数，结果显示所有相关系数均为正值，且r>0.6(P<0.01)，结果见表6，这表明量表的收敛有效性较好。并发有效性是指量表评分与无人机任务绩效之间的相关性。选用操作中的失误次数作为无人机的绩效评价，数据显示各量表与绩效之间显著相关(P<0.01)，NASA-TLX量表的并发有效性优于SWAT与MCH量表。

表6 主观量表与失误次数间的Spearman相关系数Table 6 Spearman’s correlation coefficients between subjective scales and number of errors

3 讨论

由表3可知，主观量表评分、MEANHR与MEANRR指标能较好地区分不同难度的操作，但测评工具不能对4个飞行操作难度进行完全区分，这可能是被试者不能很好地对相邻难度进行区分的原因，为验证这种可能性，对NASA-TLX量表维度进行分析，结果表明努力程度和脑力需求维度在相邻难度样本对中差异不完全显著。因此即使在主观评分中困难难度的心理负荷要高于较难难度，但这种显著性是否存在仍有争议，被试者可能将较差的表现归因于高心理负荷。

文中对3种量表的敏感性和有效性进行比较，结果表明MCH与SWAT量表性能较类似，有效性低于NASA-TLX，这个结果与文献[3]研究结果类似，但MCH与SWAT量表的敏感性高于NASA-TLX，这似乎与文献[3]有矛盾，可能的原因是文献[3]中量表评分差异不完全显著，但本文中难度对量表评分有显著影响(P=0.000)，因此依据χ2值判断敏感性并不完全准确。主观量表之间存在强正相关性，即不同量表呈现出类似的结果。因为填写不同量表的时间并不相同，因此当测量心理负荷有时间限制时，MCH量表可能是更好的选择。主观与心率数据均对飞行操作难度敏感，这验证2种测评工具的合理性和有效性，其将有助于无人机培训，同时可以为预防无人机的超负荷操作提供数据测量基础以及为未来行业级无人机心理负荷研究提供借鉴。主观评分与心率数据相关性较弱，这个结果与文献[5]及文献[7]类似。文献[5]认为操作者对于心理负荷的评价与操作者自身对心理负荷的感知存在一定的差异，即生理与主观感受之间存在割裂。由于生理测量的局限性以及人体生理变化的复杂性，有时可能并不适合使用生理测量，而表现出较好性能的主观测量似乎可以填补此缺陷。

本文研究存在局限性如下：1)试验环境的缺陷，本文试验的研究内容决定试验不能在同一时间进行，即使试验所需的飞行环境均符合标准，但也不能完全保持一致，这也对户外试验的测量工具提出更高的要求。2)被试者选择缺陷，很难招募到经验丰富的无人机操作者作为被试者，需要对被试者进行培训，因此在被试者数量上较难增大规模。本文研究中选取的被试者均为男性，未来可以增加女性被试者对照组，研究性别对无人机操作中心理负荷的影响。

4 结论

1)主观心理负荷随无人机飞行操作难度的增加而增大，且在不同难度间差异显著。NASA-TLX量表维度在不同难度间差异表现显著，由于无人机操作的特性，体力需求在不同难度间差异不显著。

2)不同量表之间具有正相关性，收敛有效性较好，NASA-TLX量表的并发有效性优于SWAT与MCH量表。

3)随难度增大，整体呈现出MEANRR减小，MEANHR增大的趋势，心率指标在不同难度间差异显著。主观量表评分与心率数据间相关性较弱。

4)研究重点在2种工具测评无人机操作中心理负荷的有效性，未来可以进一步对行业级无人机操作中的心理负荷进行研究，探究行业级无人机操作中心理负荷测量的有效测评工具。