基于認知負荷的煤礦安全可視化作用機理

張長魯，譚章祿

(中國礦業大學(北京)管理學院，北京 100083)

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基于認知負荷的煤礦安全可視化作用機理

張長魯，譚章祿

(中國礦業大學(北京)管理學院，北京 100083)

安全可視化成為大數據背景下管理煤礦安全問題的一種新趨勢。分析了認知負荷理論的主要觀點以及安全可視化管理內涵和特征，結合煤礦安全信息認知加工模型和安全管理業務，運用認知負荷理論定性分析煤礦安全可視化作用機理；進而以煤礦安全監測中的瓦斯數據為素材，設計認知實驗進行實證分析，通過主任務反應時間來衡量認知績效。認知實驗結果顯示：通過安全可視化管理，瓦斯監測業務整體認知效率提高60.5%，且隨著認知難度增大，認知效率提升效果明顯，證明了安全可視化管理能夠降低安全管理者的認知負荷，提高其管理效率。

煤礦；安全可視化管理；作用機理；認知負荷理論

近年來，以物聯網為代表的新一代信息技術在煤礦中廣泛應用，實現了對煤礦安全生產相關的環境信息、人員信息、設備運轉信息的實時提取。與此同時煤礦安全管理者也面臨著大數據所帶來的困擾，即無法在短時間內快速準確地掌握安全問題，更談不上對各類安全問題進行及時處理。為此以信息可視化為基礎的可視化管理理念應運而生并開始在煤炭企業中有所應用，旨在用直觀方式闡釋抽象的數據信息。史后波[1]對煤炭企業可視化管理的現狀和問題進行了剖析，在此基礎上研究了可視化管理理論框架，并進行了認知實驗以證明可視化管理方式的有效性；劉屹[2]將可視化管理運用于煤炭企業成本管控中，構建了LUBA成本可視化管理模型，實現了對煤炭企業成本信息的直觀展示,并能夠揭示成本動因；譚章祿等[3-4]探討了物聯網技術在煤礦可視化管理系統中的應用原理，進而設計了煤礦可視化管理系統架構模型和數據處理邏輯結構模型，并對安全可視化管理體系構建進行了深入研究，對安全可視化對象、對象屬性、可視化實現方式及可視化管理功能四方面進行了詳細分析，最終構建了煤礦安全可視化管理模型；李宏斌[5]研究了采油作業區的可視化安全管理，通過對隱患、風險、操作行為等的可視化展示，提高了企業本質安全水平。

上述研究成果對指導煤炭企業可視化管理實踐具有重要的意義，但以往研究都未涉及安全可視化的作用機理，也沒有回答安全可視化如何發揮效用的問題。鑒于此，本文擬從認知負荷理論的視角，對煤礦安全可視化的作用機理及其效用進行深入研究。

1 認知負荷理論的主要觀點

認知負荷理論是由澳大利亞學者Sweller等[6]于20世紀80年代提出的，認為認知負荷是人在學習或完成任務過程中進行信息加工所耗費的認知資源總量，其內涵是認知負荷與特定的認知任務有關，完成該認知任務需要在工作記憶中進行信息加工。

該理論的核心觀點包括：①人的工作記憶容量是有限的，而長時記憶容量是無限的，當人從事某項任務超過其工作記憶容量時，處理該事務的效率會降低，甚至無法進行，因此必須將任務所需的認知資源控制在認知負荷以內。②認知負荷包含內在認知負荷、外在認知負荷和有效認知負荷[7]，其中內在認知負荷是由需要處理的信息所包含的元素及元素間相關關系決定；外在認知負荷是無效的認知負荷，由信息展示方式和外部無關活動引起；有效認知負荷是人的工作記憶對信息進行實質性處理所承受的負荷，能夠將從外界獲取的各類信息進行編碼處理，轉換為長時記憶的圖式，并通過降低內在、外在認知負荷，增加有效認知負荷，從而提高認知效率，確保信息快速準確處理。③認知負荷的測量方法主要包括績效測量法、主觀評定法和生理測量法三類[8]，其中績效測量法又包括主任務測量和次任務測量，常用測量指標為完成任務的反應時間、準確率等；主觀評定法是由作業者根據主觀感受與體驗完成認知評估量表進行認知負荷測量；而生理測量法主要運用儀器設備對人在認知過程中的眼動、心跳等生理指標進行測量來間接評定認知負荷。

本文基于認知負荷理論的上述觀點，論述煤礦安全可視化管理的作用機理，并結合認知負荷測量的任務績效法，設計認知實驗，論證安全可視化能夠提高管理者的認知效率進而提高安全績效。

2 煤礦安全可視化作用機理理論分析

本文首先明確煤礦安全管理者對安全信息的認知加工過程是進行安全可視化作用機理分析的基礎，之后進行安全可視化內涵及特征分析，最終根據安全可視化特征和認知負荷理論，論述煤礦安全可視化作用機理。

2.1 煤礦安全信息認知加工過程

煤礦生產運營中伴隨著大量安全數據的產生，如瓦斯超標、風速或溫度異常、井下區域超員超時、設備運行異常、地質情況異常等，這些安全數據既可以通過各類傳感器及時捕獲，也可以通過安全檢查人員排查取得，面對大量的安全業務數據，安全管理人員需要對這些數據進行認知處理，進而制定相應的安全管理對策。根據信息認知加工原理，大量的安全數據需經過管理者的注意進入工作記憶系統，工作記憶系統調用儲存在長時記憶中的知識經驗圖式對安全數據進行處理，并制定安全方案，最終采取管理措施保障煤礦安全生產。煤礦安全信息認知加工模型如圖1所示。

由煤礦安全信息認知加工模型可知，限制安全管理者信息處理能力的瓶頸是工作記憶容量有限，根據近期認知心理學研究成果，工作記憶一次只能處理5～7個信息組塊，因此安全可視化應作用于原始信息的輸入，通過對原始安全信息的可視化處理，改善數據展示方式，提高數據關聯性及完整性，并充分利用工作記憶的視覺和聽覺雙通道，達到降低內在和外在認知負荷，提高有效認知負荷的目的。

2.2 煤礦安全可視化內涵和特征分析

煤礦安全可視化是指各類可視化技術及理念在煤礦安全管理領域的應用。可視化技術分為計算可視化、數據可視化、信息可視化和知識可視化；可視化理念經歷了目視管理、洞察管理、透視管理和透明管理。因此本文認為煤礦安全可視化的內涵為：在信息技術條件下，全面感知煤礦安全生產的各類數據信息，綜合利用各種可視化技術方法，實現對安全數據、安全信息和安全知識的圖形化處理、可視化展示，最終實現煤礦安全的透徹感知、深度互聯和智能處理。

根據煤礦安全可視化的內涵，本文歸納出煤礦安全可視化的主要特征如下：

(1) 直觀透明化：體現在安全監測數據的直觀展示和安全業務流程的透明化。一方面安全可視化改變了以往的數據信息呈現方式，以圖形化的方式代替了以往的報表、文字形式，能夠使安全管理人員擺脫大量數據的困擾，更直觀快捷地發現安全問題；另一方面各類安全管理業務流程的可視化能夠使安全管理人員實時掌握各類業務處理的進展，使安全問題處于掌控之中。

(2) 深度互聯化：煤礦安全管理對象眾多，通常它們之間存在著一定的互聯關系，如“瓦斯-風速-煙霧-井下人員”之間存在業務相關性，當井下某一區域瓦斯濃度達到一定值時，需要適當加大回風速度并嚴格控制該區域煙霧濃度，撤離該區域人員。通過安全可視化，定義一系列安全關聯規則，某一安全指標的變動將直接引發其他管理對象的預警，使安全管理者的預防預控工作變被動為主動。

(3) 決策智能化：安全可視化使各類安全信息更加直觀、實時、準確，同時信息互聯提高了信息相關性和完整性，這正是有效進行安全決策所必需的，安全管理者進行安全方案制定、安全決策時不再需要花費大量時間搜尋所需數據信息，安全可視化系統可直接提供參考方案供管理者選擇，安全管理效果會大大提升。

2.3 煤礦安全可視化作用機理

根據以上對安全信息認知加工過程和安全可視化內涵及特征的分析，安全可視化之所以能夠提高煤礦安全管理水平，其作用機理是它能夠降低安全管理人員的內在和外在認知負荷，提高有效認知負荷，進而提高煤礦安全管理效率，促進煤礦安全管理科學化。

第一，以往以數據報表、文字等形式呈現的安全信息，存在大量的信息冗余，安全管理者需花費大量的認知資源在報表文字中尋找需要處理的安全信息，提高了其外在認知負荷，在認知資源有限的條件下，其用于有效處理安全問題的認知資源被大量占用，而信息的可視化展示能夠使管理者一目了然地掌握所需信息，明確需處理的安全問題，大大降低了外在認知負荷。

第二，安全可視化一個顯著特征就是信息深度互聯化，即能夠自動提取各類安全要素之間的關聯關系，同時信息的智能化處理能夠降低各類安全問題所包含的信息元素數目，而任務所包含的元素個數及元素間相互關系正是影響內部認知負荷的關鍵要素，通過安全可視化的處理，兩者都大大簡化，這在一定程度上降低了內在認知負荷。

第三，安全可視化可以提高安全管理人員的情境感，特別是對可視化的應急預案演練、安全隱患排查，相較于以往的文字化應急預案、隱患排查，能夠提高安全管理人員投入認知資源進行安全業務處理的主觀動機，進而提高有效認知負荷。

綜上所述，通過煤礦安全可視化處理，實現了安全數據直觀透明化、深度互聯化和信息處理智能化，降低了安全管理人員外在和內在的認知負荷，提高了有效認知負荷，使有限的工作記憶得以充分利用，最終表現為煤礦安全管理水平的提高。

3 煤礦安全可視化作用機理認知實驗

在理論分析的基礎上，設計認知實驗，通過對比安全信息展示的傳統方式與可視化方式之間認知效率的差異，證明安全可視化可以降低安全管理者的認知負荷，提高安全管理水平。本文采用任務績效法中的主任務績效，即主任務反應時間作為認知績效的衡量指標。

根據以往研究成果，認知效率一般按指數函數形式予以描述，即

(1)

式中:t為認知反應時間(s)，一般取認知實驗中被試者的反應時間，取值范圍為(0,+∞)；c為認知準確率(無量綱)，一般取認知實驗中被試者回答測試問題的正確率，取值范圍為(0,1]；E為認知效率(s-1)，其與認知反應時間呈負相關關系，與認知準確率呈正相關關系，取值范圍為(0,1]。

3.1 實驗設計

(1) 實驗材料。本文選取煤礦安全監控監測系統中的瓦斯監測值作為實驗材料，傳統的瓦斯監測值以報表的形式呈現(見表1)，可視化方式選取基于時間的瓦斯濃度監測曲線圖來表示(見圖3)，并取0.65%作為瓦斯濃度預警值。

表1 瓦斯濃度監測值

(2) 實驗被試者。本文選取同煤集團某煤礦20名安全管理人員作為被試者，為了保證被試者對安全管理業務熟悉程度相當，所選被試者均有2～5年安全管理工作經驗。被試者分為兩組：A組為傳統方式組，B組為可視化方式組。

(3) 實驗過程。實驗前，首先向被試者說明測試內容，主要測試題目有三個：Q1是瓦斯監測最大值出現在哪一監測點(感知信息)，Q2是哪個監測點預警多(分析信息)，Q3是應加強哪一時段的瓦斯監測(運用信息)。三道問題難度依次遞增，并告知被試者要充分保證回答問題的準確性。為保證實驗環境相同，實驗材料在同一臺電腦上呈現，A、B組依次進行，當工作人員讀完第一題后，呈現實驗材料，工作人員開始計時，被試者依次完成三道題目。認知實驗中被試者認知反應時間測試結果見表2。

表2 認知實驗中被試者認知反應時間測試結果(單位：s)

3.2 實驗結果分析

本文運用SPSS進行單變量組間、組內方差分析，驗證信息展示方式、不同問題難度對認知效率的影響是否存在顯著性差異，以及信息展示方式和問題難度之間的交互效應。

首先進行方差一致性檢驗，以判定樣本方差差異是否顯著，其檢驗結果見表3。由表3可見，F檢驗顯著性水平為0.18>0.05，故認為樣本方差無顯著性差異，可進行方差分析。

表3 方差一致性檢驗結果

注：零假設，所有組因變量的誤差方差均相等。

然后進行主體間效應檢驗，其檢驗結果見表4。由表4可見，不同信息展示方式、問題難度以及信息展示方式和問題難度之間的交互效應的顯著性檢驗系數都為零，表示它們都對認知反應時間有顯著性影響。

表4 主體間效應檢驗結果

注：a.R2=0.987(調整R2=0.986)

不同展示方式、問題難度的條件下，認知反應時間的估算邊際值見圖4。由圖4可知,認知反應時間隨著信息認知難度的增大(獲取-分析-運用信息)而增大；可視化展示方式相較傳統表達方式認知反應時間大大縮短；信息展示方式和認知難度存在交互效應，隨著認知問題難度的增大，可視化展示方式效果更加明顯。

4 結 論

從人的信息處理認知負荷視角，對煤礦安全可視化管理的作用機理進行了理論分析,認為安全可視化管理通過信息的直觀透明展示、深度互聯和智能分析，大大降低了安全工作者的認知負荷。同時，在理論分析的基礎上，設計瓦斯監測認知實驗，驗證

了安全可視化管理能夠大大縮短管理者認知反應時間，提高認知效率，特別是在處理復雜安全問題時，其效果更加顯著。本文的研究結論為煤炭企業在感知礦山建設背景下推行安全可視化管理提供了強有力的理論支撐，并為安全可視化管理信息系統提供了設計思路。

[1] 史后波.基于認知理論的煤炭企業可視化管理與應用研究[D].北京:中國礦業大學(北京),2012.

[2] 劉屹.面向可視化管理的煤炭企業成本管控研究[D].北京:中國礦業大學(北京),2013.

[3] 譚章祿,史后波,方毅芳.物聯網技術在煤礦可視化管理的應用研究[J].煤礦機械,2012,33(8):280-283.

[4] 譚章祿,張長魯.煤礦安全可視化管理研究[J].煤礦安全,2013,44(9):232-234.

[5] 李宏斌.實施可視化安全管理提高采油作業區本質安全水平[J].安全與環境工程,2010,17(4):81-84.

[6] Sweller J,Van Merrienboer J,Pass F.Cognitive architecture and instructional design[J].EducationalPsychologyReview,1998,10(3):251-296.

[7] 唐劍嵐,周瑩.認知負荷理論及其研究的進展與思考[J].廣西師范大學學報(哲學社會科學版),2008,44(2):75-83.

[8] 李金波,許百華.人機交互過程中認知負荷的綜合測評方法[J].心理學報,2009,41(1):35-43.

Mechanism of Security Visualization in Coal Mines Based on Cognitive Load Theory

ZHANG Changlu,TAN Zhanglu

(ManagementSchool,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

Security visualization has become a new trend to manage the security problems in coal mines in the background of big data.This paper analyzes the features of security visualization and the main points of cognitive load theory.Combining the information-processing model and management businesses of coal mine safety,the paper gives qualitative analyses on the mechanism of security visualization from the perspective of cognitive load theory.Furthermore,the paper also does cognitive experiments to give an empirical analysis with the gas data in safety monitoring.The results show that security visualization can improve the overall efficiency of gas monitoring by 60.5 percent and that the effect is more obvious with the increasing of cognitive difficulty.The experiment gives a proof that security visualization can reduce the cognitive load and improve the management efficiency for the safety manager.

coal mine;security visualization management;mechanism;cognitive load theory

1671-1556(2015)01-0131-04

2014-05-23

2014-09-09

國家自然科學基金項目(61471362)；中央高校基本科研業務費項目(2011YG02)

張長魯(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向為安全可視化。E-mail:cumtboy@student.cumtb.cdu.cn

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10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.024