無人機(jī)操作主觀心理負(fù)荷測評與心率數(shù)據(jù)比較

李乃梁，陸 勇，李開偉,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程系，江蘇 徐州 221000； 2.中華大學(xué) 工業(yè)管理系，臺灣 新竹 30012)

0 引言

隨著無人機(jī)的快速發(fā)展與其應(yīng)用的不斷延伸，其暴露的問題也日益凸顯，無人機(jī)系統(tǒng)事故的發(fā)生率正在不斷上升。無人機(jī)的作業(yè)任務(wù)與環(huán)境對于飛行安全的影響極大。調(diào)查表明，無人機(jī)的事故率通常高于有人駕駛飛機(jī)的事故率[1]。由于人的操作不當(dāng)使無人機(jī)發(fā)生墜毀，從而導(dǎo)致地面人員受傷甚至死亡的案例時有發(fā)生[2]。雖然較多國家目前正在實(shí)施無人機(jī)用戶的實(shí)名注冊以及制定相關(guān)法律法規(guī)來規(guī)范無人機(jī)的使用，但由于無人機(jī)在民用領(lǐng)域普及時間并不長，人們對于無人機(jī)在現(xiàn)實(shí)中可能發(fā)生意外的理解并不深入，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

為保證無人機(jī)操作系統(tǒng)的安全性，對操作者心理負(fù)荷的評估是關(guān)鍵[3]。心理負(fù)荷是指在任務(wù)中保持期望的績效水平時對有限的心理資源所提出的要求[4]。目前心理負(fù)荷的測量方法可分為3類：主觀測評法、工作績效測評法和生理測評法。在心理負(fù)荷的研究進(jìn)程中，學(xué)者們意識到單一的測量方式并不能確保心理負(fù)荷測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]，且在自我評述和生理測量之間有時會出現(xiàn)割裂情況[6]。為應(yīng)對這種割裂，學(xué)者們提出綜合多維度指標(biāo)進(jìn)行測評的思路，如生理測量和主觀評價的綜合運(yùn)用。

Mansikka等[7]在試驗(yàn)中使用NASA任務(wù)負(fù)荷指數(shù)(NASA Task Load Index,NASA-TLX)、改良庫伯-哈伯量表(ModifiedCooper-Harper Scale,MCH)和心搏間期(Inter-beat Interval,IBI)來進(jìn)行心理負(fù)荷的評估；王春雪[8]通過設(shè)計(jì)作業(yè)心理負(fù)荷問卷，發(fā)現(xiàn)塔式起重機(jī)司機(jī)在作業(yè)中經(jīng)常處于精神緊張的狀態(tài)，作業(yè)心理負(fù)荷較高，并提出相關(guān)的應(yīng)對措施；辛甜等[9]利用胸帶式檢測儀和NASA-TLX量表進(jìn)行飛行員的工作負(fù)荷測量，探究飛行員呼吸率與操作負(fù)荷的關(guān)系，進(jìn)而揭示工作負(fù)荷變化的規(guī)律和影響因素，為航空安全提出建議。不論使用何種測評方法，都要滿足非侵入性與安全性，即絕對不影響被測評者的績效，必須保證盡可能小地影響操作員的心理或身體活動[10]。學(xué)者們對無人機(jī)操作者心理負(fù)荷也進(jìn)行相關(guān)研究，Christ等[11]在模擬軟件中使用4類不同自主水平的無人機(jī)，評估高負(fù)荷和非競爭環(huán)境下被試者的心理負(fù)荷，研究表明在高負(fù)荷的情況下自主水平對心理負(fù)荷有顯著影響；Gabriel等[12]在無人機(jī)飛行模擬器培訓(xùn)期間，使用改良的NASA-TLX量表對被試者進(jìn)行心理負(fù)荷測量，發(fā)現(xiàn)心理負(fù)荷在訓(xùn)練任務(wù)中能被明顯感知，并指出敏感性是心理需求的最重要因素；Richards等[13]利用功能性近紅外光譜技術(shù)(functional Near Infra-Red Spectroscopy,fNIRS)對模擬無人機(jī)操作員的心理負(fù)荷進(jìn)行評估，結(jié)果表明隨著被試者的練習(xí)，任務(wù)執(zhí)行的熟練程度提高，前額葉皮層的大腦活動減少，驗(yàn)證fNIRS技術(shù)測量心理負(fù)荷的有效性。

上述關(guān)于無人機(jī)負(fù)荷的研究均在無人機(jī)模擬器中開展，這與現(xiàn)實(shí)中無人機(jī)的操作存在一定的偏差。同時，現(xiàn)有研究大多關(guān)于軍用無人機(jī)，主要涉及單個操作員操縱數(shù)個無人機(jī)或多人協(xié)同操作無人機(jī)情境下的操作員心理負(fù)荷，而在民用無人機(jī)方面研究成果很少。民用無人機(jī)與軍用無人機(jī)在操作邏輯與操作方法方面差異較大，因此軍用無人機(jī)的研究成果對于民用無人機(jī)并不具有可復(fù)制性。

盡管主觀量表與心率測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于心理負(fù)荷測量[14-16]，但由于人機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在研究人的信息處理時有必要使用真實(shí)的無人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究[17]。本文擬以民用無人機(jī)實(shí)際操作中被試者的心理負(fù)荷為研究變量，使用主觀量表與心率進(jìn)行測評，驗(yàn)證工具的有效性與一致性，從而為無人機(jī)操作中超負(fù)荷狀態(tài)的預(yù)防提供科學(xué)測量基礎(chǔ)。

1 方法與過程

1.1 被試者

公開招募14名男性無人機(jī)操作員，其年齡、身高、體重分別為(23.4±0.7)歲，(1.74±0.04) m，(68.4±9.2) kg。被試者在此次試驗(yàn)之前均未接觸過無人機(jī)操作，且在試驗(yàn)前得到充分的休息，身體健康狀況良好，近期無重大情緒起伏，裸眼視力或矯正視力正常，辨色力正常。所有被試者均自愿參加本次試驗(yàn)，且在試驗(yàn)前簽署知情同意書。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1)無人機(jī)

試驗(yàn)采用的無人機(jī)為大疆?生產(chǎn)的四軸飛行器(Mavic Air)，如圖1所示。無人機(jī)通過飛控來進(jìn)行操作，飛控與1部安卓手機(jī)連接，以手機(jī)屏幕作為顯示面板，飛行過程中無人機(jī)的位置、信號等信息通過手機(jī)屏幕呈現(xiàn)。

圖1 大疆Mavic AirFig.1 DJI Mavic Air

2)心率測試儀

試驗(yàn)采用Polar?V800心率測試儀，如圖2所示。該儀器包括胸帶和手表2個部分，能夠?qū)Ρ辉囌叩男穆蔬M(jìn)行長時間的記錄，具有易佩戴、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合無人機(jī)的室外試驗(yàn)。

圖2 Polar V800胸帶式心率測試儀Fig.2 Polar V800 chest strap heart rate monitor

3)主觀測評量表

試驗(yàn)中采用的主觀測評工具包括NASA-TLX、主觀負(fù)荷評估技術(shù)(Subjective Workload Assessment Technique,SWAT)、MCH量表。被試者在飛行試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)執(zhí)行任務(wù)時的主觀感受進(jìn)行評分。NASA-TLX量表[18]使用腦力需求、體力需求、時間需求、績效表現(xiàn)、努力程度、受挫程度6個維度來評估精神工作量。SWAT量表[19]將心理負(fù)荷劃分為時間負(fù)荷、努力負(fù)荷和心理緊張負(fù)荷3個維度，使用低、中和高3個級別進(jìn)行評價。Cooper-Harper量表[20]最初是用來評價飛機(jī)駕駛難易程度的方法，后來學(xué)者們對Cooper-Harper量表進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模瑢⑵溥\(yùn)用至其他領(lǐng)域的心理負(fù)荷測量，諸如此類量表被稱為MCH量表。

4)試驗(yàn)場地和試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)場地選擇某大學(xué)體育館前空地，試驗(yàn)場地鳥瞰圖如圖3所示。為避免飛行空間過于單調(diào)空曠，飛行時不易失去參照物，場地進(jìn)行有地磚圖案和建筑物的區(qū)分。試驗(yàn)均在良好的天氣下進(jìn)行，飛行環(huán)境信息來源于UAV ForecastTM軟件，且每次飛行時均滿足飛行條件。具體的飛行條件為：平均風(fēng)速及瞬時風(fēng)速均小于32 km/h；能見度大于5 km；可見衛(wèi)星數(shù)量大于12顆。

圖3 試驗(yàn)場地鳥瞰圖Fig.3 Sky view of test site

1.3 試驗(yàn)過程

被試者需要接受內(nèi)容與時間一致的試驗(yàn)前正式培訓(xùn)。主要包括安全意識、量表填寫和試驗(yàn)操作。試驗(yàn)任務(wù)見表1。試驗(yàn)步驟如下：

1)安裝無人機(jī)與飛控。

表1 試驗(yàn)任務(wù)Table 1 Test tasks

2)試驗(yàn)開始之前，被試者需佩戴好心率檢測胸帶，確保腕表能夠接收信號，要求被試者此階段處于安靜狀態(tài)。

3)被試者進(jìn)行無人機(jī)飛行任務(wù)，試驗(yàn)過程中被試者聽從試驗(yàn)員指令進(jìn)行無人機(jī)操作。記錄試驗(yàn)過程中被試者的操作時間與失誤次數(shù)。

4)飛行任務(wù)結(jié)束后被試者取下心率胸帶，防止長時間佩戴引起身體不適。之后被試者立即進(jìn)行主觀量表的填寫。

5)被試者休息10 min后，重復(fù)步驟2)～4)，直至試驗(yàn)全部結(jié)束。

2 結(jié)果

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)

將NASA-TLX量表各維度由百分制改為十分制，使用算數(shù)平均的方法計(jì)算總分[21]，對修改后的量表進(jìn)行信效度檢驗(yàn)，NASA-TLX量表的信度(Cronbach’sα=0.882)與內(nèi)容效度(KMO=0.815，Bartlett=189.539，P=0.000)均表現(xiàn)較好。

被試者在無人機(jī)飛行過程中未能完成要求動作或動作完成度過低即視為失誤，將失誤次數(shù)作為無人機(jī)飛行的任務(wù)績效數(shù)據(jù)，失誤數(shù)據(jù)可以通過DJI GO4?應(yīng)用后臺查看飛行軌跡獲得。RR間期為心電圖2個相鄰QRS波中R波的時長。不同難度下各指標(biāo)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差見表2。數(shù)據(jù)表明隨難度增大，整體上呈現(xiàn)MEANRR減小，其他指標(biāo)數(shù)據(jù)增大的趨勢，表明隨難度增加被試者處于相對緊張的狀態(tài)。

2.2 差異性檢驗(yàn)

使用Shapiro-Wilk(W檢驗(yàn))驗(yàn)證主觀測評與績效數(shù)據(jù)的正態(tài)性，Kolmogorov-Smirnov(K-S檢驗(yàn))驗(yàn)證心率數(shù)據(jù)正態(tài)性。結(jié)果表明NASA-TLX評分符合正態(tài)分布，其他指標(biāo)均存在部分組別不符合正態(tài)分布情況，故選用獨(dú)立樣本的Kruskal-Wallis檢驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)。結(jié)果表明NASA-TLX量表(χ2=26.214，P=0.000)、MCH量表(χ2=32.596，P=0.000)、SWAT量表(χ2=32.510，P=0.000)在不同難度間均存在顯著差異，失誤次數(shù)(χ2=27.172，P=0.000)與操作時間(χ2=37.288，P=0.000)在不同難度間也存在顯著差異。不同難度間數(shù)據(jù)逐對比較的結(jié)果見表3。逐對比較顯示3種量表在一般-較難、較難-困難比較中差異不顯著(P>0.05)，簡單-一般樣本對差異顯著(P<0.05)，跨難度主觀心理負(fù)荷評分差異顯著(P<0.01)，這表明難度對于主觀心理負(fù)荷影響明顯。失誤次數(shù)與操作時間在跨難度樣本對間呈現(xiàn)顯著差異(P<0.01)，而相鄰難度除操作時間在簡單-一般樣本對間呈現(xiàn)顯著差異外其他均不顯著。

表2 不同難度間各指標(biāo)均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Mean values and standard deviations of each index between different difficulties

心率指標(biāo)中，MEANHR(χ2=20.809，P=0.000)、MEANRR(χ2=20.158，P=0.000)在不同難度間差異顯著，逐對比較結(jié)果見表3。MEANHR與MEANRR在5組逐對比較中差異顯著(P<0.05)，一般-較難樣本對不顯著，這表明難度對MEANHR與MEANRR有明顯影響。

表3 不同難度間各指標(biāo)間逐對比較Table 3 Pairwise comparison of each index between different difficulties

主觀量表和心率是測評被試者在不同難度下操作無人機(jī)時心理負(fù)荷的2種工具，對2種測評工具進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示MEANHR，MEANRR與主觀量表相關(guān)性均較弱(|r|<0.3，P<0.01)。

2.3 NASA-TLX量表

此外進(jìn)一步分析NASA-TLX量表分值，量表6個維度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表4。NASA-TLX量表子維度均值隨難度總體呈現(xiàn)遞增趨勢，由于NASA-TLX量表維度評分滿足正態(tài)分布，因此采用方差分析對不同維度進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。結(jié)果表明腦力需求(F=6.7，P=0.001)、體力需求(F=3.5，P=0.021)、時間需求(F=13.0，P=0.000)、業(yè)績表現(xiàn)(F=11.6，P=0.000)、努力程度(F=11.5，P=0.000)、受挫程度(F=5.7，P=0.002)在飛行難度間差異均顯著。不同難度間各維度評分逐對比較的結(jié)果見表5，其中腦力需求、時間需求、業(yè)績表現(xiàn)、努力程度在4個樣本對間差異顯著，相鄰樣本對差異不完全顯著。體力需求和受挫程度在簡單-較難、簡單-困難樣本對間表現(xiàn)出顯著差異。

表4 不同難度間NASA-TLX量表子維度均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Mean values and standard deviation of sub-dimensions in NASA-TLX scale between different difficulties

表5 不同難度間NASA-TLX量表子維度逐對比較Table 5 Pairwise comparison of sub-dimensions in NASA-TLX scale between different difficulties

2.4 量表性能比較

不同量表在性能方面存在差異，試驗(yàn)采用NASA-TLX，SWAT以及MCH 3種量表。對3種量表進(jìn)行敏感性和有效性的比較。

1)敏感性

敏感性是指量表識別主觀心理負(fù)荷隨難度變化的性能，所采用的方法為差異性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量χ2值表明MCH量表(χ2=32.596)、SWAT量表(χ2=32.510)敏感性較高，NASA-TLX量表(χ2=26.214)敏感性較差。但表5數(shù)據(jù)表明，NASA-TLX量表部分維度對難度的識別效果較好，體力需求和受挫程度2個維度使得NASA-TLX總體敏感性降低，這是無人機(jī)駕駛特殊性所致。

2)有效性

有效性分為收斂有效性和并發(fā)有效性。其中收斂有效性反映量表評分的一致性。計(jì)算量表之間的Spearman相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示所有相關(guān)系數(shù)均為正值，且r>0.6(P<0.01)，結(jié)果見表6，這表明量表的收斂有效性較好。并發(fā)有效性是指量表評分與無人機(jī)任務(wù)績效之間的相關(guān)性。選用操作中的失誤次數(shù)作為無人機(jī)的績效評價，數(shù)據(jù)顯示各量表與績效之間顯著相關(guān)(P<0.01)，NASA-TLX量表的并發(fā)有效性優(yōu)于SWAT與MCH量表。

表6 主觀量表與失誤次數(shù)間的Spearman相關(guān)系數(shù)Table 6 Spearman’s correlation coefficients between subjective scales and number of errors

3 討論

由表3可知，主觀量表評分、MEANHR與MEANRR指標(biāo)能較好地區(qū)分不同難度的操作，但測評工具不能對4個飛行操作難度進(jìn)行完全區(qū)分，這可能是被試者不能很好地對相鄰難度進(jìn)行區(qū)分的原因，為驗(yàn)證這種可能性，對NASA-TLX量表維度進(jìn)行分析，結(jié)果表明努力程度和腦力需求維度在相鄰難度樣本對中差異不完全顯著。因此即使在主觀評分中困難難度的心理負(fù)荷要高于較難難度，但這種顯著性是否存在仍有爭議，被試者可能將較差的表現(xiàn)歸因于高心理負(fù)荷。

文中對3種量表的敏感性和有效性進(jìn)行比較，結(jié)果表明MCH與SWAT量表性能較類似，有效性低于NASA-TLX，這個結(jié)果與文獻(xiàn)[3]研究結(jié)果類似，但MCH與SWAT量表的敏感性高于NASA-TLX，這似乎與文獻(xiàn)[3]有矛盾，可能的原因是文獻(xiàn)[3]中量表評分差異不完全顯著，但本文中難度對量表評分有顯著影響(P=0.000)，因此依據(jù)χ2值判斷敏感性并不完全準(zhǔn)確。主觀量表之間存在強(qiáng)正相關(guān)性，即不同量表呈現(xiàn)出類似的結(jié)果。因?yàn)樘顚懖煌勘淼臅r間并不相同，因此當(dāng)測量心理負(fù)荷有時間限制時，MCH量表可能是更好的選擇。主觀與心率數(shù)據(jù)均對飛行操作難度敏感，這驗(yàn)證2種測評工具的合理性和有效性，其將有助于無人機(jī)培訓(xùn)，同時可以為預(yù)防無人機(jī)的超負(fù)荷操作提供數(shù)據(jù)測量基礎(chǔ)以及為未來行業(yè)級無人機(jī)心理負(fù)荷研究提供借鑒。主觀評分與心率數(shù)據(jù)相關(guān)性較弱，這個結(jié)果與文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[7]類似。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為操作者對于心理負(fù)荷的評價與操作者自身對心理負(fù)荷的感知存在一定的差異，即生理與主觀感受之間存在割裂。由于生理測量的局限性以及人體生理變化的復(fù)雜性，有時可能并不適合使用生理測量，而表現(xiàn)出較好性能的主觀測量似乎可以填補(bǔ)此缺陷。

本文研究存在局限性如下：1)試驗(yàn)環(huán)境的缺陷，本文試驗(yàn)的研究內(nèi)容決定試驗(yàn)不能在同一時間進(jìn)行，即使試驗(yàn)所需的飛行環(huán)境均符合標(biāo)準(zhǔn)，但也不能完全保持一致，這也對戶外試驗(yàn)的測量工具提出更高的要求。2)被試者選擇缺陷，很難招募到經(jīng)驗(yàn)豐富的無人機(jī)操作者作為被試者，需要對被試者進(jìn)行培訓(xùn)，因此在被試者數(shù)量上較難增大規(guī)模。本文研究中選取的被試者均為男性，未來可以增加女性被試者對照組，研究性別對無人機(jī)操作中心理負(fù)荷的影響。

4 結(jié)論

1)主觀心理負(fù)荷隨無人機(jī)飛行操作難度的增加而增大，且在不同難度間差異顯著。NASA-TLX量表維度在不同難度間差異表現(xiàn)顯著，由于無人機(jī)操作的特性，體力需求在不同難度間差異不顯著。

2)不同量表之間具有正相關(guān)性，收斂有效性較好，NASA-TLX量表的并發(fā)有效性優(yōu)于SWAT與MCH量表。

3)隨難度增大，整體呈現(xiàn)出MEANRR減小，MEANHR增大的趨勢，心率指標(biāo)在不同難度間差異顯著。主觀量表評分與心率數(shù)據(jù)間相關(guān)性較弱。

4)研究重點(diǎn)在2種工具測評無人機(jī)操作中心理負(fù)荷的有效性，未來可以進(jìn)一步對行業(yè)級無人機(jī)操作中的心理負(fù)荷進(jìn)行研究，探究行業(yè)級無人機(jī)操作中心理負(fù)荷測量的有效測評工具。