農村水電站安全隱患識別的視知覺眼動特征

晉良海，吳菊華，余 迪，李 宬

(1.水電工程施工與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；3.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200080)

農村水電站是一個由人、機、環境所組成、空間分布極其復雜的系統，具有空間受限、設備布置密集、作業轉換頻繁等特點，造成廠區內物資、設備在使用或運行過程中處于不安全狀態，誘發人的不安全行為，形成較大的安全隱患。研究發現，人類的視覺注意具有明顯的選擇性[1, 2]。作業人員對安全隱患的視知覺空間成像不穩定，易出現Troxler效應[3,4]和變換盲視效應[5,6]，從而忽略某些重要的安全隱患。因此，為了解作業人員安全隱患識別的認知心理過程，開展眼動行為反應實驗研究，總結農村水電站安全隱患識別規律，對農村水電站安全生產管理提供科學合理的決策依據具有重要意義。

農村水電站安全隱患識別是安全生產的一個重要環節，是確保水電站安全生產的前提和保證。針對農村水電站安全管理制度缺陷問題，陳燁興[7]提出應加強政策研究，進一步明確農村水電站防汛安全管理責任主體、管理職責、保障措施等，切實加強農村水電站防汛安全管理工作。為綜合評價水電廠本質安全水平，晉良海、李宬[8]建立綜合人、機、環、管的本質安全指標體系，采用G1法確定各指標權重，構建改進的模糊綜合評價法對水電廠安全隱患進行綜合評價。針對隱患識別問題，趙怡晴、唐良勇等[9]通過采用過程-致因網格法對尾礦庫隱患進行辨識，直觀呈現尾礦庫生命周期各階段存在的主要風險隱患及其演化途徑。徐志立[10]提出一種基于像素差異強度補償的水利工程安全隱患檢測方法，抵抗傳播途中的衰減，使得水利安全隱患能夠被識別。

上述研究針對農村水電站安全管理提出了相應的制度改善措施，但均未從安全認知、不安全行為心理機制角度發現并解決問題。因此，為了解農村水電站作業人員安全隱患識別過程，提高識別效率，以農村水電站安全隱患為研究對象，針對農村水電站安全管理復雜性的特點，運用眼動儀記錄被試人員的眼動數據，分析眼動特征的差異性，總結安全隱患識別規律，對農村水電站安全隱患識別的視知覺特性做探索性研究。

1 農村水電站作業情景的空間許可性

依拓撲心理學[11]所提出拓撲學及向量學描述，心理事件不僅取決于作業人員的狀態，同時取決于環境，即：

B=f(P,E)

(1)

式中：B為認知行為(心理事件)；P為人；E為環境。

因此，研究農村水電站作業人員安全隱患信息識別視知覺深加工需考慮人和環境2個因素。

(1)人的因素。主要包括遺傳、性格、習慣等方面。由于農村水電站在前期招聘過程中將淘汰生理遺傳、性格缺陷、不良習慣較多的應聘者，所以新聘員工具備基本正常心理素質，可應對農村水電站安全隱患識別過程中出現各種情況。因此，在研究安全隱患信息視知覺深加工過程中不做重點考慮。

(2)環境因素。主要包括社會環境、自然環境、作業環境等方面。由于農村水電站地處偏僻、社會環境單一，對作業人員的視知覺深加工影響不大；自然環境主要受暴雨、洪水、泥石流、地震等惡劣自然條件影響，具有不可預測性和不可抗性，過多考慮該影響沒有很強的現實意義。因此，從作業環境入手，展開作業情景空間許可性分析，對安全隱患進行物理限制、物理屬性、語義約束描述，厘清情景中所有安全隱患之間視知覺信息加工過程。

作業情景是真實世界中各個分散的刺激物(安全隱患)及其背景構成的、具有語義一致性的視覺圖景。分析作業情景空間許可性，可認識農村水電站安全隱患排列分布規律，為作業提供切實有效地安全管理參考依據。作業情景空間許可性包含3個方面內容：首先，安全隱患必須滿足在農村水電站物理限制(包括重力、空間、時間等)之內；其次，安全隱患自身屬性及其功能受到所確定的語義限制；最后，需對情景中安全隱患危害性進行分析。

選取巴東某引水式農村水電站作為此次研究對象，通過向農村水電站安全管理人員以及現場專家咨詢，并結合自身現場觀察，選取包含公認的安全隱患較多的4個典型場景(見圖1)進行空間許可性分析。本次研究均以情景1進行詳細分析，情景1的空間許可行分析結果見表1。

場景1：中控室隔離開關處，該場景主要包含隔離開關、應急燈、空調3項安全隱患。

場景2：控制屏后背處，該場景主要包括各線路接觸處安全隱患。

圖1 4個典型安全隱患(場景1～4)Fig.1 Four typical security risks (scenarios 1～4)

安全隱患名稱物理限制重力限制分析空間限制分析時間限制分析物理屬性基本描述作用受損程度語義約束危險性分析可能的安全事故類別隔離開關大小不變靜態隱患不受限制HD型單投刀開關隔離電源 開關保護蓋破損嚴重、接線處未用絕緣保護帶捆綁、安放位置距離走廊太近開關保護蓋破損嚴重漏電、觸電、火災事故應急燈大小不變靜態隱患與應急時間同步HW101 H應急燈中控室夜間照明使用 兩個燈泡固定架被損壞、電源插頭并沒有接上接線處未用絕緣膠帶漏電、觸電、火災事故空調大小不變靜態隱患不受限制1．5匹立式格力空調解決機組控制屏溫度問題 無明顯安全隱患安放距離太近觸電、火災事故

場景3：檢修臺電源線處，該場景主要包含切割機、控制器、電源箱、設備線、防小動物隔離網5項安全隱患。

場景4：橋吊機機械控制系統處，該場景主要包含控制開關、吊鉤、傳動軸3項安全隱患。

2 安全隱患信息多水平深加工過程理論基礎

多水平視知覺是指作業人員在瀏覽環境過程中的視覺加工過程，它不僅包括對環境中某個或某些安全隱患的知覺，也包括與其相關的位置、空間層次以及意義加工的描述。一般情況下，作業對情景知覺加工可以分為3個水平段[12]：初級水平加工，“情景地圖”提取，對情景中內容屬性進行簡單描述，形成如草圖一樣的情景梗概；中級水平加工，刺激物提取，在提取情景梗概的基礎上，對某些獨立的、分散的刺激物進行表征提取；高級水平加工，情景意義提取，在中級水平的基礎上對情景進行語義加工。

Rensink[13]研究發現，情景地圖的有效保持需要眼睛持續注視。相對于簡單的結構，情景圖式包括的內容可能更為復雜。因此，人們必須要在注意參與的條件下，通過移動眼睛獲得刺激物信息，并形成情景的空間層次結構。情景空間層次結構可以被表征為“概要地圖”，實際上僅僅是對情景中各個獨立刺激物位置的描述，并不是對它們的結構或者屬性的描述。

總結情景1的多水平視知覺加工描述見表2。

表2 情景1中安全隱患多水平視知覺加工描述Tab.2 Scenario 1 security risks and more horizontal visual perception process description

3 基于知識驅動的農村水電站安全隱患識別的視知覺眼動實驗

3.1 實驗設計

本實驗共有1名主試人員，8名農村水電站作業人員作為被試人員。采用瑞典Tobii glass2 型眼動儀以及惠普平板電腦。實驗單位為某安全工效實驗室(主要實施單位)和巴東縣某農村水電站(主要協助單位)。針對現有農村水電站安全隱患識別的現狀，選取4個典型場景作為農村水電站安全隱患識別注視控制實驗對象，提取作業人員在這些場景中的眼動行為反應特征。

為確保實驗數據的真實有效，針對實驗對象及儀器的相關特性，這里只進行視頻模擬實驗。

具體實驗步驟如下：①被試人員填寫個人基本信息表；主試人員向被試人員詳細講解實驗目的、實驗注意事項等。②現場安裝眼動儀及平板電腦，校正或調試使眼動儀記錄及平板電腦顯示符合實驗要求。③在主試人員陪同下，按照場景1到場景4的順序，依次對被試人員進行安全隱患識別工作。④借助Tobii Glasses 2 Analysis 軟件整理眼動儀收集到的眼動數據。

3.2 基本信息統計

經過對8名農村水電站作業人員基本信息收集，得出以下結果(見圖2)。

圖2 某農村水電站作業人員性別、年齡、學歷、工作經驗統計餅狀圖Fig.2 Workers a rural hydropower gender, age, education, work experience statistics pie chart

3.3 眼動數據統計與分析

3.3.1 眼動數據統計

結合基本信息統計，從8組眼動實驗選取其中4組具有典型代表性的實驗數據進行統計，其余數據作為輔助分析。

(1)各情景對安全隱患初次注視時間統計。初次注視時間，即實驗人員首次觀察到情景中安全隱患時間，主要用來分析作業人員對于各情景中安全隱患是否靈敏。

由表3得出：在作業人員開始對各情景中安全隱患進行識別時，第一次注視安全隱患的時間差別不大，4組實驗中作業人員對4個典型情景中安全隱患識別靈敏性差異較小。

表3 各情景對安全隱患初次注視時間統計表Tab.3 Each scene of the initial security risks fixation time statistics

注：①每次注視起始時間為0，持續7 min。②每次注視初始位置、結束位置一樣。

(2)各情景對安全隱患興趣區的注視點數目統計。圖3中注視點數目統計結果表明第一組和第二組作業人員進行安全隱患識別時，安全隱患興趣區的注視點數目隨著時間推移而逐漸減少；第三組和第四組作業人員安全隱患興趣區的注視點數目變化隨著時間推移而不明顯(此注視點數目統計包括注視點落在安全隱患上和未落在安全隱患上兩部分)。

圖3 各情景安全隱患興趣區的注視點數目統計Fig.3 The number of fixation points of the threat scenario interest area statistics

(3)各情景累計注視時間統計。累計注視時間，即作業人員在安全隱患興趣區注視停留的時間，主要用來分析作業人員對于各情景中安全隱患識別績效。圖4中注釋時間變化趨勢顯示第一組和第二組作業人員進行安全隱患識別時，在安全隱患興趣區注視停留時間隨著時間推移而逐漸減少；第三組和第四組作業人員在進入情景中進行安全隱患識別時，在安全隱患興趣區注視停留時間變化隨著時間推移而不明顯。

圖4 每組實驗在各情景中累計注視時間變化趨勢Fig.4 Each experiment was accumulated in various scenarios watching trends over time

(4)各情景安全隱患平均注視時間。平均注視時間，即所有實驗組對于各情景中安全隱患累計注視時間的平均值，用來分析整個作業人員對于安全隱患識別績效。各情景安全隱患平均注視時間分別為12.25、15、10.25、11 s，表明農村水電站作業人員進行安全隱患識別時，情景1和情景2識別時間遠大于情景3和情景4。

3.3.2 眼動數據可視化分析

眼動數據可視化，即運用計算機圖形學和圖像處理技術，將眼動數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互、疊加等技術處理。

(1)熱點圖，疊加各情景中安全隱患的全部注視點數量計算的區域圖，紅色區域越大表明注視時間越長。主要用于反映作業人員對于情景中安全隱患注視情況。

圖5 第一組4個情景安全隱患注視熱點圖Fig.5 The first set of four scenarios threat gaze heat map

由圖5得出：第一組情景1中作業人員注視隔離開關時所呈現顏色最深，依次向外圈遞減，表明作業人員注視隔離開關數目最多，從而得出作業人員的安全隱患識別能力大小為隔離開關﹥應急燈﹥空調；第一組情景2中作業人員只對明暗交替處接線裝置進行安全隱患識別；第一組情景3中作業人員的安全隱患識別能力大小為電源箱﹥控制器﹥切割機，而散落電源線和防小動物網幾乎不能識別；第一組情景4中作業人員安全隱患識別能力大小為橋吊開關﹥傳動軸﹥吊鉤。同理分析第二、三、四組作業人員對4個情景的安全隱患識別能力大小結果與第一組基本一致。

(2)注視掃描路徑圖，按照作業人員注視點進入情景中的時間順序進行排序標記，圖中數字表明注視的路徑，圓圈的大小表明在該點的注視時長。主要用于反映作業人員對情景中安全隱患識別先后順序。

圖6 第一組4個情景安全隱患注視掃描路徑圖Fig.6 The first set of four scenarios threat gaze scanning the road map

由圖6可知：第一組情景1中作業人員注視情景中各安全隱患序號：應急燈(①、②、③)、隔離開關(④、⑤、⑥等)、空調(⑦)，由此得出作業人員的安全隱患識別順序為應急燈>隔離開關>空調；第一組情景2中作業人員注視情景中安全隱患序號全部停留在明暗交替接線裝置處，由此得出作業人員的安全隱患識別順序由明暗交替處接線裝置處往身前轉移；第一組情景3中作業人員注視情景中安全隱患序號：切割機(②)、電源箱(⑤)、控制器(⑦，圓圈直徑較大)，其他安全隱患沒有序號，由此得出作業人員的安全隱患識別順序為切割機>電源箱>控制器，散落電源線和防小動物網并沒有識別；第一組情景4中作業人員注視情景中安全隱患序號：傳動軸(②、③、④、⑤、⑥)、橋吊開關(⑧、⑨等)、吊鉤()，由此得出作業人員的安全隱患識別順序為傳動軸>橋吊開關>吊鉤。同理分析第二、三、四組作業人員與第一組對4個情景中安全隱患的識別基本一致。

(3)注視區域圖，按照疊加原理，對情景中安全隱患的全部注視點包圍區域圖。主要用于分析作業人員在對情景中安全隱患識別時具體識別區域。

由圖7得出：第一組情景1中作業人員主要對隔離開關區域進行安全隱患識別；第三組情景2中作業人員主要對明暗交替處各接線裝置區域進行安全隱患識別；第三組情景3中作業人員主要對電源箱區域進行安全隱患識別；第三組情景4中作業人員的主要對橋吊開關、吊鉤、傳動軸區域進行安全隱患識別。同理分析第二、三、四組作業人員與第一組對4個情景中安全隱患的識別基本一致。

圖7 第一組4個情景安全隱患注視區域圖Fig.7 The first set of four scenarios threat gaze area map

3.4 結果分析

綜合分析眼動相關數據、熱點圖、掃描路徑圖，得出以下3條結果并結合認知心理學、環境行為學、格式塔心理學等相關理論進行解釋說明。

結果1：安全隱患識別時，初次注視時間差異性較小。

4組作業人員對情景1的初次注視時間分別為38、40、39、40 s，時間最大相差2 s；4個情景中最大相差7 s，相對于每個情景2～3 min的觀察時間相對很小，由此可知作業人員在識別安全隱患時，初次注視安全隱患的時間差異性較小。

探究其原因，可發現影響農村水電站作業人員安全隱患識別靈敏度因素眾多[14]，包含年齡Y、學歷E、性別S、工作經驗W、是否參加過安全培訓T等。這些影響因素耦合成一個認知能力 的函數，即：

R=f(Y,E,S,W,T)

(2)

結合農村水電站作業人員的構成及其他多方面的考慮，該農村水電站作業人員構成差異較大，如存在年齡較小但是學歷較低、年齡較大但是學歷較高、年齡較小學歷也高但是工作經驗太少、有些作業人員年齡較大學歷較低但是工作經驗豐富等各種類型的作業人員，這樣各影響因素作用于認知能力不同，相互之間存在抵消作用，最后導致實驗結果差異性較小。

結果2：部分作業人員進行安全隱患識別時，對安全隱患識別累計停留時間隨著時間推移逐漸減少。

4組作業人員由情景1觀察至情景4的注視時間分別為15、14、8、7 s；17、18、10、7 s；15、10、10、15 s；15、13、13、15 s，該組數據表明前兩組作業人員對安全隱患注視停留時間隨著時間推移直接減少。此現象可以借助監控警戒下降進行解釋，監控警戒主要以監視、檢測、搜索等任務形式處在各種人-機界面中，而農村水電站安全隱患識別則是其中一種典型任務。相關研究表明，影響警戒下降的因素有信號的物理性質、刺激密度、任務類型、認知性期望、作業時間等，其中作業時間是引起作業人員警戒下降的敏感性因素。同時，由于安全隱患識別是一項非常嚴肅且重大的作業任務，作業人員必須花費大量的精力，嚴謹地識別農村水電站中各種安全隱患，這在一定程度上增加了作業人員心理和生理負荷，造成生理上的疲勞、心理上的厭倦和注意缺失，從而造成平均注視時間不斷減少。

結果3：作業人員對各情景中安全隱患識別能力差異較大，常識性安全隱患識別能力比其他隱患識別能力強。

所有實驗組安全隱患識別績效可通過各情景中安全隱患累計注視時間的平均值反映，其注視時間平均值分別為12.25、15、10.25、11 s，表明農村水電站作業人員進行安全隱患識別時，對情景1和情景2中常識性安全隱患的識別時間遠大于情景3和情景4的其他安全隱患。在農村水電站真實情景中，作業人員的眼動控制是靈活的，它不僅依賴于可應用的視覺輸入，還依賴于認知系統，包括情景信息的短時記憶、長時存儲以及空間和語義信息的加工。而作業人員平時工作和生活中與常識性安全隱患頻繁接觸，對其屬性和意義了解最多，因此大腦有關常識性安全隱患的認知信息較為豐富，則在日常安全隱患識別過程中，對各情景中常識性安全隱患具有偏向性，而對其他隱患識別不重視或者直接忽略。

4 結 語

本文依據農村水電站真實情況，結合實驗目的選取4個典型作業情景，從物理限制、物理屬性、語義約束3個角度對農村水電站作業情景進行空間許可性分析；隨機 抽取8名作業人員在模擬實驗室進行視頻注視瀏覽，借助眼動儀記錄作業人員的注視點數目、累計注視時間、平均注視時間，并將其可視化為熱點圖、掃描路徑圖、注視區域圖。半結構化統計所獲取的眼動數據，在考慮知識驅動的影響下，分析不同作業人員眼動數據的差異，得出3條結果。運用認知心理學相關內容進行解釋，總結出農村水電站安全隱患識別的視覺搜索機理，為農村水電站安全生產管理提供科學合理的決策依據。

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