計算機模擬警戒作業疲勞與績效測量實驗設計*

吳雪琴，廖 斌

(1.電子科技大學成都學院 計算機系，四川 成都 611731； 2.四川師范大學 商學院，四川 成都 610101)

0 引言

隨著信息化和自動化的深入，生產領域中人的角色逐漸由直接生產者轉變為監視控制的決策行為者[1]。這些作業需要作業者長時間為覺察特定的、難以預測而又較少出現的信號持續保持準備狀態，亦被稱之為警戒作業[2]。警戒作業中以視覺監控警戒作業最為常見，比如工業生產質量控制、空中交通管制、核電站數字控制等[3]。作業者長時間的持續視覺注意會導致作業績效的下降，甚至引發生產安全事故。因此，學者們對視覺監控警戒作業績效問題進行大量研究。早期研究主要關注作業時間對績效的影響規律，早在1948年，Mackworth[4]利用模擬時鐘實驗證實長時間視覺監控作業會導致績效下降的假設；金端等[5]證實視覺監控警戒作業中，過長的持續時間會帶來績效的顯著下降；郭秀艷等[6-7]認為在60 min內視覺監控警戒作業績效比較穩定，但隨著作業時間的延長，績效會呈現下降趨勢。近年來，學者們開始探索導致長時間監控警戒作業績效下降的原因，Tiwari等[8]、張德乾[9]、Zhang等[10]、Mastaneh等[11]、Yao等[12]均認為長時間作業導致的疲勞是引起視覺監控警戒績效下降的直接原因，但是這些成果并未對何時開始出現疲勞形成共識，而且未對疲勞的類型、疲勞的形成原因做進一步研究。Moritz等[13]在分析疲勞分類的基礎上，提出視覺疲勞和心理疲勞是導致監控警戒作業績效衰退的重要原因，但是并未分析疲勞致因在作業疲勞與績效關系中的中介效應，而且忽略了長時間坐姿導致肌肉緊張的影響。雖然已有研究對監控警戒作業疲勞的出現時間、疲勞對績效的影響機理等方面存在不足或爭議，但是學者們普遍認同：監控警戒作業績效在較短時間內穩定，長時間以后作業績效會出現顯著下降趨勢。

合理安排工間休息是解決監控警戒作業過程中因疲勞導致作業績效下降問題的重要手段[14]。績效測量法是確定疲勞的最常用方法[15]，績效拐點常被用來判斷作業疲勞，績效拐點出現的時間則被用作工間休息安排的依據。因此，可設計“計算機模擬警戒作業疲勞與績效測量實驗”，探索視覺監控警戒作業工間休息制度的安排方法和理論依據。但是，實驗所獲數據與學者們普遍認同的經典理論——“監控警戒作業績效在較短時間內穩定，長時間以后作業績效會出現顯著下降趨勢”存在較大矛盾。基于此，本文對實驗方案中警戒作業疲勞與績效的影響因素進行深入分析，重新設計該實驗。

1 原有實驗方案存在問題分析

1.1 原有實驗方案

1.1.1 實驗任務

應用visual studio 2019編程設計任務模擬視覺監控警戒作業。任務界面為圓形時鐘，時鐘半徑100 mm，背景顏色為灰色，只有1根指針，設計為黑色細長箭頭形狀，時鐘圓周外圍均勻分布60個刻度。指針按順時針方向每2 s轉動1個刻度，當指針1次移動2個刻度時，表示信號出現，被試者需要在3 s內按space鍵反應，如果超過3 s沒有按鍵，軟件將自動記錄為漏報。整個實驗持續90 min，信噪比平均1/20，信號隨機出現，隨機間隔時間≥60 s。實驗界面如圖1所示。

圖1 實驗界面Fig.1 Interface of experiment

1.1.2 實驗設備與環境

實驗主要設備為聯想臺式機電腦搭載22英寸液晶顯示器，應用visual studio 2019編程設計視覺監控警戒作業界面。實驗配備標準電腦操作臺，高度可調節工作座椅。實驗室內為日光燈照明，保持300 lx照度水平，噪音水平控制在40 dB(A)以內，開窗通風。

1.1.3 實驗步驟及實驗數據處理

被試者為大三學生。調整好實驗照明、噪音和通風環境，被試者調節好座椅后端正就坐于電腦操作臺前，開始測試。90 min內被試者需保持警戒狀態，注視液晶顯示器任務界面，發現信號被試者需在3 s內按space鍵響應。90 min時實驗程序自動結束。

軟件記錄被試者0～90 min內的正確反應、誤報和漏報次數。將90 min測試時間分為9個單元，每個單元10 min，統計每名被試者每個單元的作業績效(正確率)，如式(1)所示：

(1)

式中：Pij為第i名被試者在第j單元的作業績效；FAij為第i名被試者在第j單元的誤報次數；Mij為第i名被試者在第j單元的漏報次數；Sij為第i名被試者測試第j單元時的總信號數。

分析視覺監控警戒作業時間疲勞與作業績效的關系，繪制績效曲線。

1.2 原有實驗存在問題分析

1.2.1 實驗數據分析

將2016—2019年該實驗采集到的實驗數據重新整理(共198個被試者數據)，統計每個時間單元的作業績效均值，如式(2)所示：

(2)

式中：Pj為時間單元j的作業績效均值；n為被試者數量。

實驗方案作業績效均值見表1。

表1數據顯示作業績效在9個時間單元中波動明顯。通過t檢驗分析作業績效均值在9個時間單元中兩兩之間的差異，實驗方案作業績效t檢驗結果見表2。

表1 實驗方案作業績效均值Table 1 Average work performance of experimental scheme

由表2可知，被試者在第1，2單元之間績效無差異(P>0.05)，這2個單元與其他單元之間績效存在顯著差異(P<0.05)；第5，7，8單元之間績效無差異(P>0.05)，這3個單元與其他單元之間績效存在顯著差異(P<0.05)；第6，9單元之間績效無差異(P>0.05)，這2個單元與其他單元之間績效存在顯著差異(P<0.05)；第3，4兩個單元與其他單元之間績效均存在顯著差異(P<0.05)；最差績效出現在第3單元，正確率為88.5%，而第4單元為績效最好單元，正確率為98.3%。很明顯，結論與經典理論“考慮作業疲勞，視覺監控警戒作業績效在短時間內穩定性較好，但隨著時間的延長，作業績效會出現持續下降的趨勢”存在較大矛盾。

表2 實驗方案作業績效t檢驗結果Table 2 Results of t-test on work performance of experimental scheme

1.2.2 視覺監控警戒作業疲勞的致因分析

不同領域作業疲勞的致因不同，因而定義存在差異，迄今尚無統一定義。一般認為作業疲勞是指勞動者在一定環境條件下，由于長時間或過度緊張的體力或腦力勞動引起的勞動效率趨向下降的狀態[16]。通過作業特征分析，長時間視覺監控警戒作業疲勞的致因主要有：1)長時間視覺注視；2)長時間保持某種姿勢導致的肌肉緊張；3)長時間保持準備狀態導致的心理緊張。其中1)和2)屬于生理疲勞致因，3)屬于心理疲勞致因。

作業疲勞會導致績效下降，績效測量簡單且直觀，因此，績效測量法是確定疲勞的最常用方法[14]。視覺監控警戒作業屬于典型的單調作業[17]，作業過程中易出現心理厭倦[18]和暫時性注意缺失[13]，這2種情況會導致績效的暫時性下降[9]。因此，實驗方案中用來確定疲勞的績效數據可能有心理厭倦和注意缺失的貢獻，作業疲勞與績效之間關系受到干擾因素“心理厭倦和注意缺失”的影響。

1.2.3 心理厭倦對作業績效的干擾

實驗任務屬于單調作業，長時間作業使作業者產生心理厭倦。在實驗方案中，并未采取相關措施預防被試者可能出現的心理厭倦情緒。表1數據顯示，被試者第3單元的績效出現急劇下降，正確率僅為88.5%，第4單元績效出現大幅回升。究其原因，可能被試者測試到30 min左右出現心理厭倦和煩躁情緒，而固定為45 min的課堂學習所形成的生物鐘使得學生被試者在第4單元期間大腦興奮度提高，進而績效回升。可見，心理厭倦對作業績效產生明顯的影響。

1.2.4 暫時性注意缺失對作業績效的干擾

實驗方案需要被試者長時間保持注意準備狀態，但是在簡單單調作業任務中，人很難長時間持續保持這種狀態。在實驗方案中，并未采取相關措施預防被試者可能出現的暫時性注意缺失。根據表1數據分析：被試者測試到第5單元時由于注意缺失嚴重，績效顯著下降；可能由于對第5單元測試結果的自我感知較差，被試者在第6單元自我調節覺醒狀態，致使績效間歇性回升；到第9單元臨近測試結束，被試者大腦興奮度提高導致績效再次提升。可見，暫時性注意缺失影響作業績效。

1.2.5 工間休息視角下作業疲勞、心理厭倦和注意缺失的調節

工間休息是指勞動者在較長時間的持續勞動中由其自然需求的中斷形成的休息，是勞動者在勞動過程中調節生理心理疲勞、提高作業效率的主要方式[16]。但是過于頻繁的工間休息會將作業過程碎片化，影響工作質量。因此對于某些能通過改善工作環境或任務形式調整的績效下降致因，盡量不要通過工間休息的形式調節。

在長時間的視覺監控警戒作業過程中，作業者會出現作業疲勞、心理厭倦和暫時性注意缺失，3種因素均會導致作業績效下降。作業疲勞(包括體力疲勞和腦力疲勞)只能通過工間休息調節[20-22]，而作業者的心理厭倦和注意缺失則可以通過作業任務的良好設計予以緩解甚至消除[16]，換言之，由于心理厭倦和注意缺失所致疲勞帶來的績效下降不應該做為工間休息的依據。因此，改進實驗方案，消除心理厭倦和注意缺失對作業疲勞和績效之間關系描述的干擾，則能獲得作業疲勞與績效之間的純凈關系，正確判斷由于作業疲勞導致績效下降的時間拐點，為視覺監控警戒作業工間休息制度的設計提供理論依據。

2 實驗方案改進

1)調整任務界面形式。實驗方案中任務界面為圓形指針式時鐘，將指針重新設計為“細長矩形、細長三角形、細長箭頭”3種形狀，時鐘背景顏色設置為“淺灰、灰、深灰”3種形式，共組合成9種(3×3)搭配。將9種搭配方式固定編號為C1～C9，被試者以9人為單位分組，并編號為S1～S9。為消除任務界面差異的影響，9人組內每個時間單元的任務界面搭配方式實行均勻分配，任務界面安排見表3。如被試者總數不能被9整除，則余數部分按表3的行順序安排完即可。以上改進通過visual studio 2019編程實現。改進后，被試者測試經歷的每個時間單元的任務界面均不一樣，有利于消除被試者心理厭倦情緒[19]。

表3 任務界面安排Table 3 Arrangement of task interface

2)調整任務參數。提高任務信噪比至1/12，信號出現的隨機時間間隔設置為雙限值，在10～80 s的范圍內信號有限隨機出現，以上改進通過visual studio 2019編程實現。方案改進后可避免長時間無信號出現的可能性，增加被試者的反應頻率，有利于提高被試者的覺醒水平，降低注意缺失的概率[18]。

3)設置任務告警聲音和任務進度條。任務中添加聲音文件，每隔2 min播放語音告警，提醒被試者集中注意力[3]；在顯示屏幕正上方添加時間進度條，讓被試者知道實驗的時間進程。以上通過visual studio 2019編程實現。改進能有效防止被試者注意的缺失，降低被試者的心理厭煩情緒。改進后實驗界面如圖2所示。

圖2 改進后實驗界面Fig.2 Improved experimental interface

4)被試者實驗前自我檢查和培訓環節。要求被試者自查自己的生理狀態、心理狀態、覺醒水平是否正常，如果感覺不好，建議終止本次實驗。正式實驗前，向被試者詳細說明實驗的目的和要求，進行3 min練習，并告知被試者正式實驗的鐘表背景顏色和指針形狀存在一定差異，然后進入正式實驗。

3 實驗方案改進后的實踐

90名大三學生參加改進后實驗方案測試，共采集到有效數據90組，統計每個時間單元的作業績效均值Pj，改進后作業績效均值見表4。

表4 改進后作業績效均值Table 4 Average work performance after improvement

分析作業績效均值在9個時間單元中兩兩之間的差異，改進后作業績效t檢驗結果見表5。

表5 改進后作業績效t檢驗結果Table 5 Results of t-test on work performance after improvement

表4～5數據顯示：作業績效在前5個時間單元內(前50 min)均處于較高水平(正確率保持在96.2%～97.2%)，波動較小，5個時間單元之間均無顯著差異(P>0.05)；從60 min開始，即第6，7，8，9 4個時間單元與其他時間單元的績效均存在顯著差異，表明作業績效持續下降趨勢顯著。改進后實驗方案數據分析結果與經典理論基本一致，比較清晰地描述了視覺監控警戒作業疲勞與作業績效之間的關系。

4 結論

1)實驗方案的合理設計和實驗過程的嚴格控制是驗證理論知識、掌握實踐技能、探索科學問題的有效保障。

2)視覺監控警戒作業疲勞的主要致因是長時間視覺注視疲勞、長時間肌肉緊張和長時間準備狀態引起的心理緊張。

3)心理厭倦和暫時性注意缺失是影響單調作業績效的非疲勞因素，干擾作業疲勞與績效之間的關系描述，影響作業疲勞所致績效拐點時間的判斷。

4)改進后實驗方案的時間單元仍然為10 min，尚不能精確描述作業時間與績效之間的數量關系、確定績效時間拐點。要實現此目標，還需升級實驗程序并進一步優化任務設計。