神經人因實驗工業工程論文
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Kim等將影響生產系統的因素主要分為四大類，即人的因素、技術因素、結構因素和任務因素，并認為其中人的因素處于系統中四大因素之首的地位。當今的生產系統要能在新的復雜環境下進行有效決策和響應，應當對人的因素投入更多新的研究技術。這其中就包括神經人因實驗的技術。神經人因實驗以其能深入人的大腦思維和身體的生理反應層面所表現出的優勢在工業工程領域備受矚目。目前，各國學者在嘗試運用神經人因實驗來研究工業工程學科中的各項主題，神經人因學的提出者Parasuraman將神經人因實驗的發展方向主要歸納為:多任務下腦力負荷的研究、個體認知差異的研究等。工業工程學科的實驗教學與研究正由過去主要運用傳統的行為學的研究方法向主要運用現代的神經人因實驗的研究方法轉變。
1神經人因實驗在多任務腦力負荷研究中的應用
腦力負荷，是指工作者為達到作業標準而付出的注意力大小，其影響因素包括工作任務量的大小、工作時間要求、工作者素質和能力要求、工作者工作意愿以及工作環境和由環境引發的工作情緒等。在當今高度現代化的生產中，生產人員從過去大部分需要自己手工操作機器設備到現在更多地是監控自動化系統的運行。分布式的大型生產系統要求監控者管理更多的機器設備，各種工作任務以并行的方式將各種信息傳送給高級的人機交互集成系統，人機交互集成系統將信息融合后以各種通道的方式呈現給監控者。在這種分布式的多任務并行處理的生產模式中，監控者需要監控大量的機器設備，感知和分析各種類型的數據信息，其腦力負荷較過去成倍增長，傳統的行為學實驗已經難以對多任務下的平行加工進行研究，而神經人因實驗恰能對由過去經典的聚焦型注意轉向分散型注意的多任務下腦力負荷進行有效測量。神經人因實驗針對工作者在多任務監控過程中涉及到的對多種工作信息的自動感知、選擇性注意以及敏捷操控，能夠有效度量同時應對多項工作任務的腦力負荷。近年來，在工業工程的人的因素研究領域中，北京航空航天大學的人機與環境工程系運用神經人因實驗系統地開展了多模式飛行模擬任務下飛行員的腦力負荷測量與評價。實驗人員使用腦電的事件相關電位實驗技術，選取聽覺失匹配負波腦電成分為實驗指標，采用oddball的神經人因實驗范式，將聽覺失匹配理論用于飛行員的腦力負荷評價中，在9種模式的飛行模擬任務條件下進行飛行員的腦力負荷測量，通過讓被試者完成模擬飛行任務的同時，測試非注意條件下飛行員的聽覺失匹配指標，得到腦力負荷與腦電的聽覺失匹配負波同向變化的規律，為飛機座艙顯示界面的設計提供了依據。除了航空領域，神經人因實驗也能應用于道路交通、船舶航行、高危行業工作人員的腦力負荷度量。
2神經人因實驗在個體認知差異研究中的應用
工業工程學科的主要任務是要對生產及服務系統中的人、機器、物料、環境和信息進行整體設計、評價和優化，在這些過程中，個體認知差異在感覺、動作和情緒過程中形成對各項任務的勝任力和局限性，由此產生的人的不同行為作用于技術系統和環境系統，最終影響整個系統的工作績效。Karwowski從“人—技術—環境”3個系統之間的關系出發，認為人的不同行為是整個系統工作的核心，因此個體認知的差異是工業工程研究的重點。由于過去受實驗技術條件的限制，對于人體認知的差異只能從外在行為學觀察的角度進行實驗。隨著對被試的無損傷的神經測量技術的進步，神經人因實驗現在能在大腦思維的層面從人的內在生理數據采集出發，進行基于人的生理與心理分析的個體認知差異實驗。近年來，眾多學者開始引入神經人因實驗的技術，針對個體認知差異開展工作過程中個體和群體的心理與行為反應規律的研究。浙江大學神經工業工程團隊通過采用神經人因實驗中的事件相關電位技術，進行工作人員對安全標志信號詞的感知和評價的神經過程實驗。研究發現:人對安全標志信號詞的處理過程分為早期感知和信息評價兩個階段，安全標志信號詞的主觀風險感知存在差異，不同的安全標志信號詞能夠傳遞不同的風險信息，人對安全標志信號詞的認識會受到情緒的影響。這些研究結果為安全管理中的安全培訓、安全標志信號詞的設計及使用提供了依據。神經人因實驗將在系統安全、產品可用性、職業安全等領域的個體認知差異研究方面有著廣泛的應用前景。
二神經人因實驗實例神經人因實驗的過程
一般分為實驗前的實驗設計、實驗實施和實驗后的數據處理和分析。相較于以往的工業工程實驗，神經人因實驗的不同之處在于:在實驗前的設計階段，要根據實驗目的選取合適的神經實驗技術，比如事件相關電位技術、生物反饋技術、眼動技術、功能性核磁共振技術、腦磁技術、近紅外腦成像技術等。在明確了具體的神經實驗技術后，采用相應的實驗范式設計實驗，比如go-nogo范式、oddball范式、等概率范式、n-back范式等。在實驗過程中，需要嚴格按照神經實驗的國際規范開展神經人因實驗。實驗后要根據神經實驗的統計分析方法進行神經測試數據的統計分析，在此基礎上進行討論并得出神經人因實驗的結論。下面以筆者開展的一例關于船舶數字化界面測試的神經人因實驗來展現神經人因實驗的一般過程和方法。該實驗使用真實的海洋工程船拖纜機的自動化控制界面作為刺激材料，通過模擬拖纜機的現實工況，讓被試者在執行監控拖纜機卷筒轉速變化任務的同時，感知自動化控制界面中的事故報警信號的變化，通過認知神經實驗測試應急人員對事故報警信號的反應能力，從大腦思維的層面直接揭示船舶操作人員在事故信號變化下的應急反應機理。
1實驗前準備
參考神經人因實驗中關于視覺失匹配的論文，實驗被試的數量分布在8～12名。本實驗選擇12名健康人員參加實驗(6位男性，6位女性，年齡24～30歲，平均年齡25．5歲，均為右利手)，所有被試者實驗前24h內未曾服用鎮靜催眠藥物或者精神活性類物質。均向每位參加實驗人員支付了被試費(20元/h)。每位被試均具有正常的視覺敏銳度和正常的色彩分辨力。本實驗遵守《赫爾辛基宣言》，每位被試在實驗前均簽署了實驗信息的知情同意書。被試在充分理解實驗內容和進行練習后進行正式實驗。實驗刺激材料由E-Prime0軟件編寫和呈現，刺激材料采用的是海洋工程船拖纜機的自動化控制界面，顯示于19寸液晶顯示器中央。所有刺激材料的大小、亮度、對比度等指標一致。在實驗刺激材料中，界面中央的數字表示拖纜機在正常工作情況下的卷筒速度為7．5m/min，界面兩側的圖形符號代表拖纜機的系統壓力報警信號，正常狀態下為綠色，形成實驗的標準刺激。異常報警時為紅色，形成實驗的偏差刺激。界面中的報警信號有5種類型的變化，分別為顏色、持續時間、朝向、形狀和大小的不同變化。5種類型刺激融入一個完整的oddball實驗范式中，在同一實驗環境下測試這5種類型刺激變化下被試者的視覺失匹配指標。
2實驗過程
實驗在隔音、光線事宜和電磁屏蔽的房間中進行，被試者取舒適坐位，距離顯示器1m。被試者被要求注視屏幕中的拖纜機控制界面。界面中央為拖纜機在工作情況下的卷筒速度，正常狀態下為7．5m/min，超過允許的速度范圍后，要求被試者盡快和盡可能準確地進行相應的反應動作，規則為:當速度由7．5增大為7．9時按鍵盤“Z”鍵，當速度由7．5減小為7．1時按鍵盤“/”鍵。這一工作任務代表拖纜機的監控者對卷筒工作速度的實時調整。在實驗的過程中，被試者被要求專心完成拖纜機卷筒速度的監控工作，忽視界面兩側系統壓力報警信號的變化。界面中央數字的變化與兩側報警信號的變化無關聯性。通過這一設定，形成對報警信號的非注意，真正做到對任務不相關的刺激材料變化的視覺失匹配的檢測。實驗包括3個塊(Block)，每個塊開始的前15個刺激為標準刺激，以形成一個記憶模板。每個塊之間有一個休息過程，中間休息的過程由屏幕中的休息提示呈現，被試休息好后，按空格鍵繼續。整個實驗用于記錄和分析的標準刺激有450個，每種類型的偏差刺激各有90個。整個實驗大約用時18min。
3實驗后數據處理和分析
使用腦電分析軟件對實驗數據進行離線分析。首先對原始腦電數據進行DC校正，然后進行腦電預覽，拒絕具有明顯漂移或雜質的腦電數據。接著去除眼電對其它導聯數據的影響。然后進行腦電分段，分析時程為刺激后400ms，基線為刺激前100ms。接著進行基線校正，然后去除偽跡，波幅大于±100μV者被視為偽跡去除。接著分別對標準刺激和各類偏差刺激的腦電進行分類疊加平均，然后進行20Hz無相移低通數字濾波，最后將偏差刺激與標準刺激相減，得到視覺失匹配腦電波形(時間窗口:150～200ms)。統計分析時采用SPSS17．0統計軟件對視覺失匹配數據采用重復測量方差分析，因素分別為視覺失匹配類型(顏色、朝向、持續時間、形狀、大小)×大腦半球(左、右)?？刹捎肎reenhouse-Geisser法進行校正。分別列出了五種視覺失匹配的均值、標準誤差和95%置信區間。描述性統計結果顯示，視覺失匹配腦電波幅由大到小排列依次為:朝向偏差引起的失匹配、形狀偏差引起的失匹配、顏色偏差引起的失匹配、持續時間偏差引起的失匹配和大小偏差引起的失匹配。根據球形檢驗(Mauchly’sTestofSphericity)的統計結果，Mauchly的W=0．451，Sig．=0．592，表示各組間的方差矩陣接近相等，故接受球形假設，應接受“SphericityAssumed”的分析結果:各類型視覺失匹配腦電數據的重復測量結果之間的差異顯著(F=193，p＜0．05);大腦左右半球間的差異不顯著(F=336，p＞0．05);“視覺失匹配類型”與“大腦半球”的交互作用差異不顯著(F=1．296，p＞0．05)。根據實驗的重復測量方差分析結果和腦電圖(見圖1)，五種類型的視覺失匹配的主效應差異顯著。實驗結果說明采用oddball實驗范式在同一個刺激序列中，不同類型的自動化控制界面的報警信號分別成功誘發出相應的視覺失匹配腦電波;各種類型的視覺失匹配之間的差異顯著，視覺失匹配腦電波幅由大到小排列依次為:朝向偏差引起的失匹配、形狀偏差引起的失匹配、顏色偏差引起的失匹配、持續時間偏差引起的失匹配和大小偏差引起的失匹配。2D腦電電位分布圖可看出，視覺失匹配在人腦的顳枕區最為明顯。根據實驗結果，可以指導設計人員在設計自動化控制界面時，優先選用視覺失匹配強的信號作為自動化控制界面的安全報警信號，以提高安全報警信號的感知效果，從而提升人—機系統的應急反應能力。
三結語
神經人因實驗以其能深入探究生產作業中人的生理和心理的技術優勢而在第三代工業工程的實驗教學中占據重要地位。相較于以往工業工程以行為觀察和問卷調查為主要手段的實驗技術，神經人因實驗不僅能有效將人的認知過程與行為過程相分離，避免認知與行為兩者在實驗測度上互相混淆，而且能研究工作中的人的內隱行為，破解人類內部認知過程的黑箱，通過神經人因實驗揭示生產信息加工中各環節內隱行為的認知機理。因此，神經認知實驗借助最新的神經測量技術手段和設備，突破過去工業工程實驗教學的局限，滿足第三代工業工程的教學與研究要求。隨著當今生產自動化的程度日益提高，人機系統中的人的因素逐漸成為系統優化的瓶頸，隨之而來的是人的注意力分散、警戒水平下降、人誤概率增加等一系列問題凸現。神經人因實驗能有效進行多任務下腦力負荷、個體認知差異等研究，揭示上述問題形成的機理，提供測度和評價指標，為改進和優化薄弱的人的因素提供客觀依據。神經人因實驗有其自身獨特的研究方法和過程。本文通過一例具體的關于船舶數字化界面測試的神經人因實驗展現了該類實驗的實驗范式選擇、實驗數據采集與分析等一般過程和方法。
作者：吳俊韓文民單位：江蘇科技大學
