人對聲信號的安全認知模型構建及其應用*

雷 雨 ，吳 超 ，王 秉

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 2.中南大學安全理論創(chuàng)新與促進研究中心，湖南 長沙 410083)

0 引言

近年來，隨著對安全信息的重視程度逐年加深，安全認知理論和應用也得到不斷發(fā)展。在模型和理論研究方面，文獻[1-2]從理論角度出發(fā)，歸納典型的認知模型，如信息處理模型、決策過程階梯模型、通用認知模型和IDA模型等，促進認知模型的廣泛應用。Chang等[3-4]建立IDAC模型和IDA動態(tài)響應模型，認為反應包括認知、心理和身體活動3個過程，為詳細研究信息處理過程提供了理論依據(jù)；孫志強等[5]把人為差錯和認知模型結合起來，在認知的各個過程中分析可能發(fā)生的差錯種類；趙潮鋒等[6]提出安全信息缺失的概念，并把安全信息缺失與事故結合起來，研究之間的聯(lián)系；黃仁東等[7]從學科構建和完善的角度出發(fā)，對安全信息學核心原理進行研究，提出6條重要原理；王瑛等[8]在對事故連鎖理論進行研究的基礎上，提出“認知-約束”模型，認為事故致因與安全認知能力和安全約束有關；吳超[9]從安全認知過程提煉出安全認知通用模型，并進行推廣和應用。另外，國內外也相繼將安全認知模型應用在不同研究領域，如：研究影響安全駕駛[10]、個體操作認知[11]、社會心理學[12]。關偉[13]把理論模型應用于交通安全領域，分析駕駛員任務認知活動鏈，建立駕駛員對交通標志認知結構模型，認為認知過程分為5個階段，包括：感知、傳輸、處理、記憶和執(zhí)行階段。

綜上可知，安全認知是多學科綜合的研究方向，模型和理論研究比較豐富，但是具體到聲信號的安全認知模型研究較少。因此，本文以聲信號為切入點，以安全認知通用模型為基礎[9]，從信源載體的分類入手，以人為安全認知主體，選取聲信號作為對象進行研究，具體分析聲信號安全認知過程，建立聲信號安全認知理論模型，旨在揭示聲信號安全認知機理。

1 基本理論

人對聲信號安全認知是指在聲信號傳遞過程中，人對聲信號安全信息接受、處理及其引起心理和行為反應的整體認知過程。人對聲信號安全認知模型，主要研究人對聲信號認知過程中的安全信息傳遞特點和規(guī)律，并在其傳遞規(guī)律的基礎上，抽象出理論模型，為其他信號的安全認知研究提供參考，有利于完善安全認知理論領域的知識體系。

聲信號安全認知的適用范圍，包括以聽覺作為主要或次要認知通道的認知場景。廣義上來講，復合認知場景中，只要存在聲信號的安全認知，就適用聲信號安全認知模型。本文主要研究以人為聲信號安全認知主體的過程，對能夠接收到聲信號并作出安全認知的其他個體不做深入討論。

1.1 聲信號安全認知階段

根據(jù)安全認知通用模型，認知過程被分為真信源、信源載體、信噪、安全感知信息、安全認知信息、安全響應動作和安全動作結果7個階段[9]。因此，把聲信號安全認知過程劃分為6個階段，如圖1，以時間為邏輯順序繪制。人對聲信號的安全認知過程是外界和人體進行安全信息交流的過程，外界的安全信息刺激人體，人體對外界的安全信息進行認知。

從宏觀角度來看，人對聲信號安全信息的認知過程分為聽覺形成、聲波處理、安全決策、記憶、安全行動和安全反饋[8]。聲信號安全認知的宏觀過程中，聽覺的形成是重要的一部分。從物理學角度研究，聽覺形成分成3個階段[14]，即聲音的產生、傳播和接收，是外界和人體聲信號安全信息交互的過程。

安全反應包括安全心理和安全行為。安全心理是影響聲信號安全認知的心理因素，比如對聲信號安全信息的重視程度和注意力等；安全行動是在安全決策基礎上的動作，影響下一級認知循環(huán)的初始狀態(tài)，也就是一個安全反饋的過程。人對安全聲信號認知的安全反饋，對應聲音屏蔽的三個措施[15]，有三個途徑。即在真聲源處、傳播過程中和人耳處，根據(jù)安全決策采取安全措施。動作結果影響聲信號的安全工作狀態(tài)，從而進行下一輪的人對安全聲信號認知過程，形成環(huán)境、人和機器間的安全信息相互交換和動態(tài)響應過程。人的行動對聲源的影響，可以通過減弱和消除聲源等途徑。

圖1 人對聲信號的安全認知過程Fig.1 The human safety cognitive process of sound signal

1.2 聲信號安全認知的理論基礎

聲信號安全認知過程，是一個復雜的多學科交叉融合的過程。從學科基礎角度分析，它不僅涉及信息科學下的信息論、物理學中的聲學[16]、生物學中的認知心理學和感官生理學、安全科學技術中的安全人機學和安全信息工程，還包括認知和行為方面的科學等。對其進行分析，把聲信號安全認知分解成多個詞，每個詞分別對應不同的學科，兩兩詞組合又成為不同領域和學科的交叉和發(fā)展。聲信號是客觀的，認知是主觀的，安全既是客觀的又是主觀的。圖2表示聲信號安全認知過程的理論基礎，從“聲信號”、“認知”和“安全”3個角度分別分析各自涉及的具體領域和學科，體現(xiàn)“聲信號安全認知”研究領域是多種學科的交叉。

圖2 聲信號安全認知的理論基礎Fig.2 Theoretical basis of acoustic signal safety cognition

2 模型建立

根據(jù)聽覺形成[14]和人機工程的知識[17]，人對聲信號的感知有一定的限定條件，如聽覺閾值等。分析表明，對聲音安全信息的準確認知需要滿足很多條件，很難達到對所有需要聲信號的完全精準的認知和判斷。從產生的信號到最后接收、處理得到的信號，經(jīng)過多級傳遞，由于傳遞過程中的種種干擾因素，往往差距比較大。而如果認知到的聲信息是有偏差或者有誤的，所作出的安全決策和判斷就很難是科學合理的，即受到了安全信息的安全欺騙[9]。因此，對聲信號安全認知的深入研究很有必要。

2.1 人對安全聲信號認知模型

從信息流和思維流角度，根據(jù)人對安全聲信號認知宏觀過程和聽覺形成過程，深入研究人對安全聲信號認知的各個階段，再以人對安全聲信號認知過程為基礎，結合物理學、認知心理學[18]，參考文獻[9]的模型，抽象出人對安全聲信號認知過程的故障分析模型，如圖3所示。

圖3 人對安全聲信號認知過程的故障分析模型Fig.3 A fault analysis model for the human safety cognition process of acoustic signals

在信息認知過程中，每一個認知階段都會存在信息不對稱的現(xiàn)象。為了準確描述聲信號認知過程每兩級間安全信息的不對稱現(xiàn)象，從聲信號的變化角度刻畫，并定義部分參量。需要被認知的聲音稱為真聲源，其產生的聲信號定義為聲信號1；通過介質傳播的聲信號稱為聲信號2；人耳接收到的為聲信號3；經(jīng)過大腦復雜處理，并且安全決策依靠的聲信號為聲信號4。聲信號i中不同數(shù)字的聲信號表示由信息不對稱產生的不同聲信號，意味著不同階段的聲信號會發(fā)生不同程度的變化。干擾聲音認知過程的因素，包括噪音和屏蔽2類。除真聲源以外的聲音稱為噪音。安全行為反饋到“自然噪音”是自然中產生的干擾人對系統(tǒng)中聲信號進行安全認知的聲音，“人為噪音”是指人為產生的干擾人對系統(tǒng)中聲信號進行安全認知的聲音。自然噪音和人為噪音等因素也可能協(xié)同作用，出現(xiàn)“1+1>2”的干擾作用。除了噪音，把干擾聲音認知的因素稱為屏蔽；在聲源、傳播、人耳處都可能有聲音減弱措施。另外，傳播過程由于阻礙會發(fā)生繞射等，音量會逐漸減弱，還有人接收聲信號時會對其進行篩選和注意力集中程度引起的對聲信號的過濾，這些措施和現(xiàn)象都為屏蔽的表現(xiàn)形式。屏蔽的效果可以是部分阻擋聲信號的傳播，也可以是完全阻擋。

接收聲信號安全信息后，很多因素會對安全判斷處理產生作用，包括干擾因素和有益因素，會引起行為、心理的反應，刺激人的安全警覺，根據(jù)人的安全需求程度，影響人的安全反應時間。當聲信號強度高、頻率高，主體生理、心理狀態(tài)正常，離聲源距離近且干擾因素少，他人提供有效信息，其他感覺通道同時作用，注意力集中且重視程度高時，對認知起正向積極的影響，聲信號安全信息傳播促使人正確識別，快速反應。另外，安全心理對聲信號的處理和決策會產生影響，比如安全意識高、安全需要強烈的人對聲信號的安全認知能力強。

安全行為是安全信宿根據(jù)決策方案執(zhí)行行動，會影響或改變系統(tǒng)安全狀態(tài)，也可能不引起狀態(tài)的改變；安全行為效果分為無影響、負面影響和正面影響。安全行為會對安全信源產生反饋效應，影響系統(tǒng)安全狀態(tài)，使下一個聲信號安全認知過程動態(tài)進行。

以安全信息認知通用模型為基礎[9]，聲信號1為安全信源，選取的人為安全信宿，噪音和屏蔽為安全信噪。聲音的認知經(jīng)過4種聲信號、3個客體、6級失真、6個失真率、3種屏蔽、2處噪音。聲信號在傳遞過程中存在不同程度的失真，導致每個階段的聲信號都不同，形成了4種聲信號。傳遞經(jīng)過3個不同客體，由聲源到介質再到人體。每2種聲信號傳遞之間存在1個誤差，即為一級失真，傳遞過程中一共有3級失真，對應3個失真率。屏蔽1為真聲源處的屏蔽，如真聲源處設置防護罩；屏蔽2為傳播過程的屏蔽，如隔音墻的設置；屏蔽3為人耳處的屏蔽，如次聲波、超聲波、傳播距離過長等的屏蔽，也包括人對聲信號的篩選和過濾。噪音為真聲源處和傳播過程中的噪音，真聲源處的噪音和真聲源一起傳播，傳播過程中的噪音直接被人耳接收。聲信號4與安全決策、安全決策與安全行為、安全行為與安全反饋效果之間，也有3級失真，對應3個失真率。

2.2 模型內涵

人對安全聲信號認知模型有以下5點內涵。

1)聲信號傳播過程中，無效或錯誤安全信息量會增加，同時，真聲源的安全信息量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。假設第i個聲信號對應的精準安全信息量為Ii，則I1≥I2≥I3≥I4。

2)對聲音的正確認知，前提條件是主體經(jīng)過培訓和宣傳教育，了解各種不同聲信號安全信息所表示的具體含義，并儲存在記憶系統(tǒng)中。并且，處理聲信號4、安全決策過程都與記憶系統(tǒng)有相互的安全信息交流。首先，記憶系統(tǒng)儲存接收和處理到的安全信息，再調用記憶系統(tǒng)中相關信息與其進行比對，參考記憶系統(tǒng)中存儲的安全決策經(jīng)驗進行安全決策，最后把安全決策結果存入記憶系統(tǒng)中，形成一個記憶提取與儲存的動態(tài)過程。

3)安全決策與安全行為、行為安全效果間也可能存在偏差，可能是有效安全決策對應無效行為，或者無效安全行為效果。其他感覺通道、他人決策和行動也可能會影響主體的安全決策和判斷，可能是正面影響，可能是負面影響，也可能沒有影響。

4)通過模型分析，可以清楚表達人對安全聲信號認知過程，從而理清認知故障的環(huán)節(jié)，進一步對聲信號安全信息進行有效性評價，最后對安全信息故障嚴重環(huán)節(jié)進行設計和研究。

5)本模型表達的是1個主體對1個客體的安全認知，可以擴展到其他情況。當人同時對幾個真聲源進行認知，即形成1個人對幾個安全認知模型嵌套的串聯(lián)形式，只是認知的主體一樣，安全認知之間也可能有輕微影響，模型間相關程度低。同樣的，幾個人對同1真聲源進行認知，即形成幾個人對1個安全認知模型嵌套的并聯(lián)形式，人與人的安全心理狀態(tài)、判斷、決策和行為都可能會相互影響，模型間相關程度高。而現(xiàn)實情況往往是多個人對有交叉的多個真聲源進行認知，這就形成復雜的層層嵌套模型。

3 模型應用

3.1 解決策略

根據(jù)上文建立的人對安全聲信號認知模型，對影響人對安全聲信號認知的因素進行分析。對聲信號安全信息的認知，受生理因素(特別是聽力能力)、心理因素(如注意力集中程度等)、安全主體的安全素養(yǎng)(如人的安全經(jīng)驗背景等)、環(huán)境(如其他聲音的干擾)、聲信號特性(如音調高低起伏、頻率快慢、與聲源的距離)等的影響。針對影響人對安全聲信號認知的因素，提出相應的安全策略。

機器設備中的故障診斷發(fā)展日益成熟，將其引入心理行為領域中的安全認知，使聲信號的認知故障診斷和處理更科學、有效。人對安全聲信號認知故障診斷，是指對人對安全聲信號認知過程中出現(xiàn)的安全認知信息過度失真狀態(tài)，進行檢測、分析和處理的過程[19]。

把系統(tǒng)工程的知識引入進來，定義安全認知故障相關參量。安全認知故障的檢測、分析和處理統(tǒng)稱為安全認知故障的診斷[19]。在人對安全聲信號認知模型的基礎上，提出故障分析的步驟。故障處理的3種方法包括：針對安全認知客體，提高聲信號安全信息透明度、可視化程度；針對傳遞過程，減少噪音、屏障、等干擾因素，加強有效信息；針對安全認知主體，提高人的聲信號安全認知能力、安全執(zhí)行能力、安全認知心理能力等。

另外，聲信號的安全認知故障診斷可以引入其他系統(tǒng)工程的方法，進行定性、定量的分析，具體可以研究安全認知故障的判斷指標、診斷方法、維修措施等。

3.2 具體場景應用

為了對安全聲信號認知模型和診斷步驟進行準確認識，對具體的安全信息傳達過程進行比較準確的分析，根據(jù)上文建立的模型，對聲信號選取具體典型的信源，以湖北省宜昌市當陽市馬店矸石發(fā)電有限責任公司“8·11”重大高壓蒸汽管道裂爆事故[20]為例建模分析。

具體場景描述：8 月 11 日 9點左右，鍋爐運行人員肖學華發(fā)現(xiàn)2號鍋爐事故噴嘴附近有泄漏聲音且溫度比平時高，但保溫層未拆除無法確定泄漏點具體位置。隨后漏點聲音變大，保溫棉已吹開，現(xiàn)場工作人員開始把現(xiàn)場情況逐層上報。4小時之后，2號鍋爐主蒸汽管道蒸汽泄漏更加明顯且伴隨高頻嘯叫聲。14時49分事故發(fā)生，華強化工集團和矸石發(fā)電公司無任何負責人發(fā)出停爐指令，2號鍋爐一直處于運行狀態(tài)。事故造成除氧間、煤倉間墻體、樓板部分破損，高壓蒸汽瞬間沖擊集中控制室，造成重大人員傷亡、設備損毀[20]。

表1 安全聲信號認知的故障診斷步驟Table 1 Diagnosis steps of sound signal safety cognition fault

根據(jù)人對安全聲信號認知故障的步驟，對上述實例進行聲信號安全信息故障診斷。

1)建立“8·11”重大高壓蒸汽管道裂爆事故的聲信號安全認知模型，以鍋爐運行人員肖學華為安全信宿，2號鍋爐事故噴嘴產生的泄漏聲音為安全信源，在傳播媒介渠道中[21]，安全信噪主要有廠房的機械噪音等，如圖4所示，并進行人對安全聲信號認知故障檢測。由于出現(xiàn)險情之后，雖然認識到危險出現(xiàn)，但該公司并未采取應急措施，故真聲源與安全認知實施不一致且偏差較大，即聲信號認知過程存在安全認知故障。

圖4 “8·11”重大高壓蒸汽管道裂爆事故的聲信號安全認知模型Fig.4 Sound safety cognitive model of “8·11” major explosion accident due to high-pressure steam pipe burst

2)分析安全認知故障原因、階段，從建立的模型可以看出，問題出在主體身上，安全主體以及其他廠區(qū)人員對危險情況不作為。也就是說，由于安全信宿的安全動作錯誤引發(fā)的事故，這種情況下就認為是安全執(zhí)行階段失誤。

3)對認知故障環(huán)節(jié)進行處理的直接手段是從故障階段入手，在實例中，針對安全主體采取安全策略。為了提高主體的人對安全聲信號認知能力，對主體進行聲信號安全認知訓練和教育，對鍋爐聲音變化與安全狀態(tài)的變化有較高的敏銳度，提高安全認知素質和能力；主體在做安全決策和執(zhí)行時，應該明確執(zhí)行策略，并提高執(zhí)行能力。同時，間接手段是對安全客體和傳播過程采取措施，針對安全認知客體，加強鍋爐的安全信息透明度，對鍋爐聲音變化提供檢測裝置，并安裝防護設備。在聲音傳播過程中，縮短上報階段，增強有效信息率，從而提高執(zhí)行效率。

4)為了對故障診斷的效果進行評估，以及對人對安全聲信號認知情況進行動態(tài)監(jiān)控，可以進入一個新循環(huán)。

通過具體實例可知，人對安全聲信號認知存在信息不對稱現(xiàn)象，信息不對稱現(xiàn)象體現(xiàn)在人不知道系統(tǒng)會不會發(fā)生事故、何時發(fā)生事故以及事故后果如何，可能會引起安全決策和行為錯誤，從而導致安全事故。而聲信號的安全認知故障診斷可以有效提高安全認知效率，減少事故發(fā)生。另外，聲信號的安全認知應該著眼于聲信號，但并不局限于聲信號，與其他通道的結合是未來研究的方向。

本文的理論意義在于提煉出人對聲信號的安全認知模型，通過模型明確認知過程，科學合理地提出改進和優(yōu)化安全信息認知，減少因人對聲信號認知偏差所產生的事故，也為其他信號模型的認知提出奠定基礎；從實踐意義角度來說，通過提煉出的聲信號安全認知模型，有利于實際生產生活中員工對安全狀態(tài)有更深刻的認識，有利于人員安全意識和安全素質的提高。

4 結論

1)所構建人對安全聲信號認知模型表明，主體對聲信號安全認知過程存在安全信息不對稱現(xiàn)象，安全信息傳遞過程中，無效或錯誤安全信息量會不斷增加，同時真聲源的有效安全信息量會不斷減少。

2)通過所構建的模型得知，模型對安全認知故障的診斷有較大作用，對其他信號的安全認知模型的建立有參考和意義。人對安全聲信號認知模型是一個基于聲音信息流的邏輯順序流程圖，通過模型可以分析問題環(huán)節(jié)和原因，進而提出人對安全聲信號認知的改善措施。

3)影響人對安全聲信號認知的主要因素包括生理因素、心理因素、主體的安全素養(yǎng)、環(huán)境、聲信號特性等，可從客體、傳播過程、主體3個方面著手提高人對安全聲信號認知效率。

4)在模型的基礎上，提出故障診斷的3個步驟，監(jiān)控人對安全聲信號認知故障的出現(xiàn)，從而達到減少事故發(fā)生、提高系統(tǒng)安全的目的。

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