数字化核电厂界面管理任务对操纵员心理负荷及注意力影响研究

蒋建军，席钌姿，杨 丹，肖智鸿，左 婷，钟洁美，欧阳娟，赖炳城，周雨擎(湖南工学院 人因与安全工程研究院，湖南 衡阳 400)

数字化系统人机界面交互中，主要涉及两类任务，即第一类任务和界面管理任务(也称第二类任务)，界面管理任务支持和辅助第一类任务的完成，是操纵员执行过程必不可少的环节。第一类任务主要是完成对电厂状态的监控和评估，界面管理任务主要为主任务提供更加快捷、方便的方式，主要包括：配置，导航，安排，询问等。

与人机界面相比，界面管理任务研究成果不多。1986年，EMBREY D E.SHERPA首次发现界面管理任务占据操纵人员注意力，对第一类任务绩效有影响，且在高负荷情况下，操纵员执行界面管理任务的绩效较差，为界面管理任务对操纵员影响的研究奠定了基础[1]。在此基础上，John M.O’ Hara等报告了界面管理任务对操纵员的影响，提出界面管理任务降低了操纵员执行第一类任务的绩效，建立了人机交互过程中人机界面改善方法，为界面管理任务特征研究、对操纵员的影响方式、失误方式、影响因子体系、认知过程、交互过程优化等奠定了研究方向和理论基础[2]。张力等基于国内某数字化核电厂全范围模拟机上操纵员的操作录像视频，分析了核电厂数字化主控室界面管理任务特征，为界面管理任务特征研究提供了方法指导[3]。戴立操等从监视检测、状态评估、计划响应、计划执行四种主要的认知行为中分析了界面管理任务对操纵员的影响，提出了相应的人误措施，为界面管理任务下操纵员认知过程影响因子体系研究提供了基础[4]。甘文娟等研究了界面管理任务复杂度对数字化核电厂操纵员作业绩效的影响，提出了在无时间压力和低时间压力水平下，完成不同复杂度的界面管理任务的平均执行时间具有显著差异，完成不同复杂度的界面管理任务的失误率虽有所不同，但并无显著性差异，为界面管理任务对操纵员影响的因素研究提供研究基础和思路[5]。顾玲玲等在分析第一类任务、界面管理任务两者关系的基础上详细阐述了界面管理任务对操纵员的影响以及可能引发的失误，并针对影响和失误，从认知心理学角度提出改善措施，为核电站安全提供一定的建议[6]。

上述研究从界面管理任务特征、对操纵员的影响、对作业绩效的影响、对第一类任务的影响等方面开展了研究，为界面管理任务后续研究打下基础，为界面管理任务执行策略、绩效改善提供指导。本文在此基础上，深入探讨核电厂界面管理任务对操纵员心理负荷及注意力资源的影响，为人机界面设计的改进、人机交互策略改善提供帮助，为提高交互的可靠性，减少人因失误提供理论依据。

一 概念描述及指标定义

NUREG/CR-6690指出，界面管理任务降低了第一类任务绩效，增加了操纵员的负担。为进一步研究界面管理任务对操纵员的影响，本文从心理负荷、注意力两个角度探讨对操纵员影响的情况。

心理负荷(Mental Workload，MW)在一些文献中被称为脑力负荷、精神负荷或认知负荷等，它是一个与体力负荷相对应的概念，目前国内外尚未有统一的定义。Rouse等认为，心理负荷不仅与任务有关，也与个体有关，一样的工作任务，工作者感到的心理负荷并不一样，个体能力、工作动机、工作策略、工作情绪以及工作者的状态等都可影响该工作者的心理负荷大小[7]。有文献将心理负荷定义为工作者用于执行特定任务时使用的那部分信息处理能力[8]。注意力是指由注意产生的认知资源，注意力分配通常是为了预测在某个特殊领域或者某个特殊任务上的注意力[9]。本文主要探讨界面管理任务对心理负荷及注意力资源的影响情况。

对心理负荷评价，国内外经常采用的方法主要有主观测量法、生理测量法和任务测量法。本文基于NASA-TLX主观评价法，对界面管理任务下操纵员心理负荷进行分析。根据相关研究[8，10]，本文心理负荷评价因子设为：任务难度、脑力需求、体力需求、紧张度、努力程度、疲劳程度。界面管理任务下注意力资源影响因素的确定是研究的基础，起着重要的作用。从界面管理任务下注意力资源分配对操纵员影响方面考虑，本文综合相关资料[11-13]，拟考虑注意力影响因素有：二类任务对注意力的消耗程度、二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度、心理压力、紧张度、操作负荷、疲劳度、脑力负荷。

从上述描述可获得界面管理任务对操纵员心理负荷、注意力影响的因素，如表1。

表1 核电厂界面管理任务对操纵员心理负荷及注意力影响的因子

二 数字化核电厂界面管理任务对操纵员的心理负荷及注意力影响分析

心理负荷及注意力影响因素采用5级评分法，分值为1～5分，分值越高代表影响因子对操纵员影响越大。采用等级计分法，1=无影响，2=有很小影响，3=影响一般，4=有较大影响，5=有很大影响。

为反映变化过程，选取任务复杂性为自变量，本文任务复杂性分为3个等级，1=不复杂，2=一般，3=复杂。根据相关研究[14]，任务复杂性指操纵员在执行任务时，所需的不同认知要求所显现的认知任务特征，主要表征为注意力、记忆力、推理、信息加工、决策等的复杂程度。界面管理任务“不复杂”，指基本不需要操纵员的记忆力、推理、信息加工，依赖操纵员的经验就能完成的任务。界面管理任务“一般”，指操纵员完成任务过程受一些规则影响和支配，主要包括判断或行动，不需要很多注意力、推理或决策等。界面管理任务“复杂”，指操纵员需要更多的注意力、推理、信息加工或决策，任务完成需要根据当前情况动态做出判断、决策，基本上没有完全一致的范式可用。

(一)分析目的

1.本文通过调研，测评界面管理任务对操纵员心理负荷及注意力资源分配的影响情况。

2.基于每个指标的均值数据，分析指标对操纵员的影响情况。

3.分析当任务复杂性不同时，心理负荷及注意力指标对操纵员影响的差异。

4.分别分析心理负荷及注意力各指标测量结果之间的相关性。

(二)调研实施

本次调研主要通过问卷形式来获得各指标数据。由人因工程学者及专家，基于任务复杂性(复杂性划分为3个等级)，进行量表填写。共发放问卷35份，收集35份，其中有效问卷31份。

(三)数据分析

1.界面管理任务对操纵员心理负荷的影响分析

(1)信度分析

对收集到的数据进行分析，分析工具为SPSS 17.0，其信度见表2。

表2 心理负荷可靠性统计量

从表2看出，当任务复杂性不同时，界面管理任务对操纵员心理负荷调查数据信度均在0.9以上，信度较好。

(2)均值分析

经分析，界面管理任务对操纵员心理负荷影响均值见表3。

表3 心理负荷描述性统计表

表3显示，以均值为准则，当任务等级为“不复杂”时，界面管理任务对操纵员心理负荷影响较小的影响因子依次为：“体力需求”“努力程度”“任务难度”；影响较大的影响因子依次为“脑力需求”“疲劳程度”“紧张度”。当任务复杂度为“一般”时，界面管理任务对操纵员心理负荷影响较小的影响因子依次为:“努力程度”“紧张度”“体力需求”；影响较大的影响因子依次为“脑力需求”“任务难度”“疲劳程度”。当任务等级为“复杂”时，界面管理任务对操纵员心理负荷影响度较小的影响因子依次为：“努力程度”“体力需求”“疲劳程度”；影响较大的影响因子依次为：“脑力需求”“任务难度”“紧张度”。

显然，不管任务复杂程度如何，界面管理任务对操纵员心理负荷影响较大的几个影响因子为“脑力需求”“任务难度”“紧张度”“疲劳程度”。这与现实情况是一致的，因为脑力需求越大，心理负荷就越大。同理，若任务难度越大、紧张程度越高、疲劳度越高，则对应的心理负荷也会越大，因此这些影响因子对心理负荷有直接的影响。进一步，在执行任务过程中，操纵员对任务进行感知、判断、执行，这些阶段的顺利完成，主要取决于认知过程，而认知过程需要脑力资源，若脑力资源需求较小，操纵员心理负荷必然较少，因此脑力需求对心理负荷的影响相对来说是比较大的。

(3)相关性分析

经分析，界面管理任务对操纵员心理负荷影响因子之间的相关性见表4。

从表4可看出，任务复杂性为“不复杂”时，任务难度与脑力需求、体力需求、紧张度、努力程度相关系数分别为0.912，0.944，0.869，0.898，可以看出，任务难度与脑力需求、体力需求、努力程度在0.05水平上存在显著相关。任务难度与疲劳程度相关系数为0.997，在0.01水平上显著相关。

表4 界面管理任务对操纵员心理负荷影响的因素之间相关性

任务复杂性为“一般”时，任务难度与脑力需求、努力程度均为0.94，在显著水平为0.05上存在显著相关性。任务难度与体力需求、疲劳程度在0.01水平上显著相关。

任务复杂性为“复杂”时，任务难度与脑力需求、紧张度、努力程度、疲劳程度相关系数分别为1，1，1，0.991，在0.01水平上显著相关。

显然，不管任务复杂性如何，在0.01或0.05水平上，任务难度与脑力需求、体力需求、努力程度、疲劳程度显著相关；脑力需求与任务难度、疲劳程度显著相关；紧张度与疲劳程度存在显著相关；努力程度与任务难度显著相关；疲劳程度与任务难度、脑力需求、紧张度显著相关。

影响因子相关性数据表明，在一定程度上，任务难度对脑力需求、紧张度、努力程度、疲劳程度有很大影响，这是因为当任务复杂性增加时，操纵员需要表征出更多的监视、判断、执行、画面配置、导航等，势必增加操纵员的认知负荷、资源消耗等，因此，若能对任务复杂性，任务流程，任务的交互过程进行优化，将对减少操纵员的负荷，改善与其相关影响因子性能，提高人因可靠性有很大帮助；疲劳程度与脑力需求、任务难度、紧张度相关，这是因为当操纵员连续工作，处于疲劳状态时，生理机能下降，下降越明显对执行任务的影响会越大，因此，减少操纵员的疲劳能提高操纵员执行任务的绩效，提高其他相关影响因子水平。

2.界面管理任务对操纵员注意力资源分配影响分析

(1)信度分析

对收集到的数据经SPSS 17.0分析，获得其信度，见表5。

表5 注意力可靠性统计量

从表5看出，当任务复杂性不同时，界面管理任务对操纵员注意力影响调查数据信度均在0.9以上，信度较好。

(2)影响度均值分析

界面管理任务对操纵员注意力影子因子均值分析结果见表6。

表6 注意力影响均值统计表

表6显示，从均值看，当任务等级为“不复杂”时，界面管理任务对操纵员注意力影响度由小到大的影响因子依次为：“疲劳度”“脑力负荷”“心理压力”“紧张度”“操作负荷”“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”“二类任务对注意力的消耗程度”。当任务复杂性为“一般”时，界面管理任务对操纵员注意力影响度由小到大的影响因子依次为：“疲劳度”“心理压力”“紧张度”“操作负荷”“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”“二类任务对注意力的消耗程度”“脑力负荷”。当任务水平为“复杂”时，界面管理任务对操纵员注意力影响度由小到大的影响因子依次为：“疲劳度”“心理压力”“紧张度”“操作负荷”“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”“脑力负荷”“二类任务对注意力的消耗程度”。

从总体数据看出，任务复杂性不管是“不复杂”，“一般”，还是“复杂”，界面管理任务对操纵员注意力影响较大的几个因素为：“二类任务对注意力的消耗程度”“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”和“操作负荷”。这与实际情况是一致的，若二类任务消耗了过多的注意力资源、二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度较大、操作负荷过多，必定会影响注意力资源对一类任务的分配，从而影响第一类任务的完成；若二类任务消耗了大量的注意力资源，使第一类任务绩效无法维持在可靠性水平时，很容易发生人误事件，因此，“二类任务对注意力的消耗程度”从很大程度上影响事故的发生。

(3)相关性分析

界面管理任务对操纵员注意力影响的因素之间相关性分析见表7。

表7 界面管理任务对操纵员注意力影响的各因素之间相关性

从表7看出，任务等级为“不复杂”时。“二类任务对注意力的消耗程度”与“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”“疲劳度”的相关系数分别为0.89，0.943，“二类任务对注意力的消耗程度”与“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”及“疲劳度”在0.05水平上存在显著相关；“二类任务对注意力的消耗程度”与“心理压力”“紧张度”“操作负荷”“脑力负荷”相关系数分别为0.978，0.97，0.965，0.969，在0.01水平上他们之间存在显著相关。

任务复杂性为“一般”时。“二类任务对注意力的消耗程度”与“紧张度”“操作负荷”的相关系数分别为0.901，0.887，“二类任务对注意力的消耗程度”与“紧张度”及“操作负荷”在0.05水平上存在显著相关；“二类任务对注意力的消耗程度”与“心理压力”“疲劳度”“脑力负荷”相关系数分别为1，0.977，0.997，在0.01水平上他们之间存在显著相关。

任务复杂性为“复杂”时。“二类任务对注意力的消耗程度”与“疲劳度”相关系数为0.894，“二类任务对注意力的消耗程度”与“疲劳度”在0.05水平上存在显著相关；“二类任务对注意力的消耗程度”与“二类任务占有的注意力资源对第一类任务的影响度”“紧张度”“操作负荷”“疲劳度”“脑力负荷”相关系数分别为0.962，0.985，0.986,1，在0.01水平上他们之间存在显著相关。

当任务为“不复杂”时，每个影响因子之间均显著相关。显然，不管任务复杂性如何，在0.01或0.05水平上，二类任务对注意力的消耗程度与紧张度、操作负荷、疲劳度、脑力负荷之间显著相关；紧张度与二类任务对注意力的消耗程度、操作负荷、疲劳度、脑力负荷之间显著相关；操作负荷与二类任务对注意力的消耗程度、紧张度显著相关；疲劳度与二类任务对注意力的消耗程度、脑力负荷显著相关；脑力负荷与二类任务对注意力的消耗程度、疲劳度显著相关。

上述影响因子相关性情况说明，在一定程度上，二类任务对注意力的消耗程度与紧张度、操作负荷、疲劳度、脑力负荷有较大影响，若注意力消耗过多，说明任务较复杂或任务较多，当任务多或复杂时，显然，操作负荷、疲劳程度、脑力负荷均会增大，也会越紧张。若操作负荷越大，操纵员心理压力越大，紧张度越高，消耗的注意力资源也会越多，因此，操作负荷与二类任务对注意力的消耗程度、紧张度存在相关符合现实情况。若脑力负荷增加，疲劳度会随着增加，注意力资源增加会使脑力负荷增加，因此，他们存在一定的相关性是合理的。若能减少注意力消耗、操作负荷、脑力负荷，均能减少与之相关影响因子的干扰，提高人因可靠性。减少操作负荷或注意力等，可通过优化界面、改善规程、提高自动化水平、加强组织管理等手段来实现。

三 结 论

本文以问卷调查为手段，研究了核电厂界面管理任务对操纵员心理负荷及注意力的影响。经文献梳理，结合实际情况，分别获得了界面管理任务对操纵员心理负荷、注意力影响的指标体系。基于任务复杂性的不同水平，分别获得了界面管理任务对心理负荷及注意力各指标的影响程度，指标之间的相关性情况，这可为改善界面管理任务对心理负荷及注意力的影响提供参考依据和理论支撑，并针对具体的指标进行改进，以提高操纵员执行任务过程的可靠性。