注意力分配方式对煤矿安全监控行为影响的眼动研究

王 莉，刘致君，李 磊，杨 帅，秦舒婷，张世浩

（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

煤矿安全监控人员对井下异常监控信息及时准确的识别响应与事故险兆识别控制紧密相关，直接关系到煤矿应急响应的及时性和有效性。传统的事后追溯、主客观评价等方式难以准确有效地评估安全监控行为人机系统交互的影响因素及作用关系，而借助视线追踪技术则可从微观层面为分析煤矿安全监控行为的影响机制提供依据。视线跟踪技术的应用最早在心理学领域兴起，通过眼动指标推理患者心理意向[1-2]，微观层面的注视行为眼动追踪在研究弱势人群的心理行为、用户被动注视等方面具有显著优势[2]，或助力探究疲劳或噪声等因素对安全行为的影响[3-4]。现有国内外研究对煤矿调度室的安全监控行为关注较少[5]。栗继祖等提出应全面采集煤矿监控员与巡视员生理、眼动指标，探索交互行为中的最优模式[6]；杨超宇等通过分析煤矿安全监控行为识别系统的实际需求，实现了多种行为信息管理等功能[7]；常若松等发现任务负荷会影响驾驶员的注意广度，进而影响驾驶安全绩效，引申到煤矿监控行为方面负荷过重则会提升事故隐患的几率[8]。综上，在煤矿安全监控领域关于注意力分配、工作负荷等因素对安全监控行为的影响机制鲜有研究，因此，借助视觉追踪技术，探究不同负荷水平和单/多因素下注意力分配策略与安全监控行为之间的关系，找出合理的注视资源分配方式，为优化人机界面提供依据和支持。

1 影响安全监控行为的主要因素

视觉是人类感知外界的主要行为之一，在认知活动中，视觉认知对注意力分配具有导向性作用[9]。注意力选择和分配机理对视觉认知初期有关键性影响，通过分析、提取视觉场景中感兴趣的区域，进而做出正确合理的判断行为。

1）监控对象价值的影响。在监控场景中，监控对象自身的价值水平会影响监控员的注意力分配，不同的矿井难点不同，其重点的监控对象也有明显差异，例如高瓦斯矿井中易出现瓦斯超标的现象，所以监控员将更多的注意力集中于瓦斯报警传感器。

2）监控经验的影响。经验是从多次实践中得到的知识或技能，在许多场景中经验的价值不可小觑。对于监控者而言如何提取屏幕中众多信息的主要内容以及对监控区域熟练的把握，是合理分配注意力进而发现潜在问题及时控制事故发生的关键。

3）监控任务的影响。在工作过程中，任务导向型要求人们根据已知任务对符合要求的目标内容完成捕捉及搜寻。煤矿调度室中，工作人员自身的注意力也受到不同任务导向要求，并且随着监控任务的改变注意力分配策略和视觉搜索策略都呈现显著差异，从而获取自己所需的目标信息完成监控任务。

2 眼动实验方法

2.1 眼动实验设计

实验选用综合性眼动数据分析软件Eyeso studio。参与实验的被试者共30名，均是煤矿安全监控室工作人员以及有煤矿实习经验的西安科技大学在校学生，被试者身体健康、视力或矫正视力正常。在正式实验前告知实验内容、流程并进行预实验。

实验通过参考煤矿监控系统的布局设计了眼动实验界面，并将界面划分为3个AOI兴趣区采用2×2×3实验设计，探讨3种注意力分配策略与煤矿安全监控行为之间的影响关系。其中因素1为负荷水平：包含低负荷和高负荷，根据被试同时完成实验任务的多少进行区分，其中低负荷下被试只需要完成当前监控任务，而高负荷下被试还需完成主试安排的其他任务；因素2为因素水平：包含单因素和多因素，通过异常报警信息同时出现个数进行区分，其中单因素实验中报警信息依次出现，多因素实验中多个报警信息同时出现；因素3为注意力分配策略：包含平均分配、主次分配和多级分配，在研究中，通过“期望”和“价值”因素进行引导[10]。其中“期望”通过异常信息的报警频率体现，即报警频率越高的AOI会吸引被试对象更多的注意力，“价值”通过信息的重要程度来实现，即重要程度越高会吸引被试更多的注意力。

2.2 实验任务和流程

研究的实验任务为模拟煤矿监控人员完成监控工作。在实验过程中要求被试全程注视屏幕中的3个AOI，完成模拟界面中的2个子任务，迅速、准确的通过键盘对界面中的异常做出反馈。①在每段视频中，第1次看到任意报警信息闪烁，按下“空格”键进行响应；②当看到“数值、开/关、交流不正常”类型的报警，分别通过键盘的左、下、右键进行反馈。整个实验全程耗时20~30 min，共分为2个阶段：前期练习和正式实验，待被试完全熟悉操作方法和实验流程后开始正式实验。

在实验中，被试需完成2组实验，分别模拟低负荷水平和高负荷水平，实验过程中有6段不同的刺激视频依次播放，前3段模拟单因素任务，后3段模拟多因素任务。实验通过不同负荷水平和单/多因素的横纵向对比，期望探索出何种情境更能对注意力分配行为起到积极作用。

3 负荷水平对注意力分配的影响

3.1 负荷水平对注意力分配的影响相关性分析

利用SPSS软件对不同情境下反应时、正确率及平均持续注视时间进行相关性分析。配对样本T检验中，从反应时指标得出无论是单因素还是多因素任务，低/高负荷水平与反应时的P值均近乎为0；而正确率数据显示，只有在多因素任务中，不同负荷水平与正确率的P值均小于0.05，具有统计学意义；从平均持续注视时间的样本数据得出，在多因素中，负荷水平与其维持持续注视能力之间的相关性较大。

3.2 高/低负荷下3种指标结果分析

高/低负荷下3种指标结果分析如图1。

图1 高/低负荷下3种指标结果分析Fig.1 Results analysis of three indicators under high/low load

1）反应时结果分析。通过箱线图对比发现，在2种负荷水平下注意力分配方式所对应的反应时走向呈现出一致性，无论是在单或多因素，注意力主次分配方式下的反应时均最短，即单从反应时指标来看，注意力主次分配的效果最优；其次在折线图中发现，高负荷下的反应时长总高于低负荷下的时间。

2）正确率结果分析。通过柱状图比较发现，在单因素任务中，负荷水平对注意力分配方式的影响不大，而在多因素任务中注意力主次分配下的正确率比例最高，即在主次分配方式中更容易获得正确的监控行为；其次从折线图中发现低负荷下的正确率总是高于多负荷的正确率。

3）平均持续注视时间结果分析。在箱线图中发现3种注意力分配方式中主次分配的持续注视时间最低，平均分配持续注视时间最高，即注意力平均分配方式下被试面对异常信息做出反馈所需的时间最长；其次折线图结果显示不同负荷水平对被试平均持续注视时间的影响并不显著，随着样本量的增大可能会呈现出一定差异性。

3.3 负荷水平对注意力分配的影响结果分析

通过对比分析柱状图、箱线图和折线图，可以发现不同负荷水平对煤矿调度室监控人员的反应时、异常信息的正确判断以及平均持续注视时间均有较大影响。高负荷水平更容易导致监控人员反应迟缓，对监控屏幕持续注视的能力明显降低。从安全人因角度来说，管理者应该密切关注监控员的劳动强度，适量的通过降低负荷量来达到更为安全的水平。

4 单/多因素对注意力分配的影响

4.1 单/多因素对注意力分配的影响相关性分析

反应时的配对样本T检验数据显示，在低负荷水平下，单/多因素与反应时的P值分别为0.102和0.038，均具有显著差异；在正确率与平均持续注视时间的配对结果中发现，无论哪一种符合水平下，单/多因素与正确率和持续注视时间的P值均近乎为0，即信息同时出现更容易导致监控人员对监控屏幕持续关注的能力以及反应能力下降，从而做出错误的反馈。

4.2 单/多因素下3种指标结果分析

单/多因素任务下3种眼动指标结果分析如图2。

图2 单/多因素任务下3种眼动指标结果分析Fig.2 Results analysis of three indicators under single/multi-factor task

1）反应时结果分析。通过对比箱线图，注意力主次分配的反应时最短，多级分配所需反应时最长；在折线图中看到单因素任务下的反应时总是低于多因素任务下的反应时，即相比多个异常信息同时出现，报警信息依次出现时被试所需的反应时更短，这也符合在紧急情况下人的应激反应。

2）正确率结果分析。在单因素任务中，主次分配和平均分配的正确率基本不受负荷水平的影响，而多级分配则有明显区别，并且在高负荷下被试做出正确反映的能力下降；通过折线图发现单因素任务下的正确率总是高于多因素任务下的。

3）平均持续注视时间结果分析。在箱线图中3种注意力分配方式所对应的持续注视时间呈现出相似性，无论是在低负荷还是高负荷，注意力主次分配所对应的持续注视时间最低，多级分配次之，平均分配所需的时间最多；而在折线图中，多因素任务下的持续注视能力弱于单因素任务下的注视能力。

4.3 单/多因素对注意力分配的影响结果分析

通过单/多因素下3种眼动指标对比研究，发现无论是反应时、正确率还是平均持续注视时间，多因素任务下的反应水平都远低于单因素，人在工作环境中注意力十分有限，尤其是在煤矿调度室中，若有突发事件发生多个异常信息将同时报警，对监控人员的注意力分配水平有较高要求，无法及时应对。

5 注意力分配方式对安全监控行为影响差异性

5.1 差异现象

在煤矿监控过程中，影响事故发生与否以及事故量级大小的因素众多，其中主要影响因素有监控对象价值、监控经验和监控任务，由于被试者生理及心理水平的差异性，每个人面对紧急情况出现时都会有不同的反应，以及现实监控环境中外界不同程度的影响，很多因素都会对被试的反应水平造成干扰。

通过比较不同负荷水平和单/多因素下的眼动指标，发现被试应用注意力主次分配方式的反应时最短、正确率最高、平均持续注视时间最长，相比于平均分配和多级分配，主次分配方式下拥有更好的作业水平。在高负荷环境及多因素任务中，3种眼动指标都呈现出更差的绩效，作业人员对于紧急事故的处理能力也有明显的降低。因此，在日常的监控任务中更推荐工作人员采取主次分配方式，通过重要程度的排序可以减轻工作难度，进而提高效率。

5.2 差异潜在原因分析

1）注意力分配方式造成差异的原因分析。对3种注意力分配方式的潜在原因进行分析，平均分配要求工作人员主要监控范围区域更广，对注意力集中程度要求更高，并且在高负荷或多因素任务中注意力极易受外界影响而分散，因此在3种指标下注意力平均分配的结果更不理想；多级分配中存在明确的优先级顺序，复杂情况出现时一目了然的先后处理顺序很大程度上减缓被试压力，考虑到性别上生理及心理差异对工作者带来的影响，更推荐女性工作者采用注意力多级分配方式；而主次分配方式中，被试依据经验积累合理安排并引导注意力放置于报警频率更高的区域，同时兼顾其他的潜在危险，这种分配方式能让作业人员保持较高的警觉性，进而拥有最优的绩效水平。

2）负荷水平与单/多因素任务造成差异的原因分析。对比2种负荷水平发现，在高压工作环境中人员的认知水平和事故处理能力都是有限的，大脑因疲劳思维能力减弱、反应迟缓，尤其是在多个异常情况同时出现时更不能及时准确的应对，很大程度上会影响工作积极性，因此明确的优先级顺序重要性得以体现；而对比单/多因素任务发现，在多因素任务中，被试维持持续注视的时间更短，由于多个异常信息的同时出现，大脑对其处理速度变缓，保持注意力集中程度的能力更差，需要较长时间方可对报警信息做出反应，因此很大程度上影响了判断的正确率。

5.3 干预措施与建议

通过差异现象及潜在原因分析进而提出相关干预措施与建议:①通过设定区分明确且差异较大的信息优先级并控制关键性信息数量；②在特殊操作情境下，操作界面应设计出重要且突出的按键，尽量考虑采取一键式或模块化设计，能及时准确地对预警做出反馈；③作业人员在执行常规任务时推荐采用注意力主次分配方式，谨慎采用平均分配方式。

6 结 语

通过研究在不同负荷水平和单/多因素下注意力分配方式对煤矿安全监控行为的影响，得出无论是在何种负荷水平或单/多因素下，相比平均分配和多级分配方式，注意力主次分配方式都表现出了最优的绩效，多因素高负荷任务中作业人员的认知水平和事故处理能力更加有限，脑力负荷达更加紧张。因此操作界面设计时可以考虑一键式或模块化设计，可为复杂任务条件下煤矿调度室人机界面的信息需求设计以及监控任务培训策略的优化提供依据。