注意力分配方式對煤礦安全監控行為影響的眼動研究

王 莉，劉致君，李 磊，楊 帥，秦舒婷，張世浩

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

煤礦安全監控人員對井下異常監控信息及時準確的識別響應與事故險兆識別控制緊密相關，直接關系到煤礦應急響應的及時性和有效性。傳統的事后追溯、主客觀評價等方式難以準確有效地評估安全監控行為人機系統交互的影響因素及作用關系，而借助視線追蹤技術則可從微觀層面為分析煤礦安全監控行為的影響機制提供依據。視線跟蹤技術的應用最早在心理學領域興起，通過眼動指標推理患者心理意向[1-2]，微觀層面的注視行為眼動追蹤在研究弱勢人群的心理行為、用戶被動注視等方面具有顯著優勢[2]，或助力探究疲勞或噪聲等因素對安全行為的影響[3-4]。現有國內外研究對煤礦調度室的安全監控行為關注較少[5]。栗繼祖等提出應全面采集煤礦監控員與巡視員生理、眼動指標，探索交互行為中的最優模式[6]；楊超宇等通過分析煤礦安全監控行為識別系統的實際需求，實現了多種行為信息管理等功能[7]；常若松等發現任務負荷會影響駕駛員的注意廣度，進而影響駕駛安全績效，引申到煤礦監控行為方面負荷過重則會提升事故隱患的幾率[8]。綜上，在煤礦安全監控領域關于注意力分配、工作負荷等因素對安全監控行為的影響機制鮮有研究，因此，借助視覺追蹤技術，探究不同負荷水平和單/多因素下注意力分配策略與安全監控行為之間的關系，找出合理的注視資源分配方式，為優化人機界面提供依據和支持。

1 影響安全監控行為的主要因素

視覺是人類感知外界的主要行為之一，在認知活動中，視覺認知對注意力分配具有導向性作用[9]。注意力選擇和分配機理對視覺認知初期有關鍵性影響，通過分析、提取視覺場景中感興趣的區域，進而做出正確合理的判斷行為。

1）監控對象價值的影響。在監控場景中，監控對象自身的價值水平會影響監控員的注意力分配，不同的礦井難點不同，其重點的監控對象也有明顯差異，例如高瓦斯礦井中易出現瓦斯超標的現象，所以監控員將更多的注意力集中于瓦斯報警傳感器。

2）監控經驗的影響。經驗是從多次實踐中得到的知識或技能，在許多場景中經驗的價值不可小覷。對于監控者而言如何提取屏幕中眾多信息的主要內容以及對監控區域熟練的把握，是合理分配注意力進而發現潛在問題及時控制事故發生的關鍵。

3）監控任務的影響。在工作過程中，任務導向型要求人們根據已知任務對符合要求的目標內容完成捕捉及搜尋。煤礦調度室中，工作人員自身的注意力也受到不同任務導向要求，并且隨著監控任務的改變注意力分配策略和視覺搜索策略都呈現顯著差異，從而獲取自己所需的目標信息完成監控任務。

2 眼動實驗方法

2.1 眼動實驗設計

實驗選用綜合性眼動數據分析軟件Eyeso studio。參與實驗的被試者共30名，均是煤礦安全監控室工作人員以及有煤礦實習經驗的西安科技大學在校學生，被試者身體健康、視力或矯正視力正常。在正式實驗前告知實驗內容、流程并進行預實驗。

實驗通過參考煤礦監控系統的布局設計了眼動實驗界面，并將界面劃分為3個AOI興趣區采用2×2×3實驗設計，探討3種注意力分配策略與煤礦安全監控行為之間的影響關系。其中因素1為負荷水平：包含低負荷和高負荷，根據被試同時完成實驗任務的多少進行區分，其中低負荷下被試只需要完成當前監控任務，而高負荷下被試還需完成主試安排的其他任務；因素2為因素水平：包含單因素和多因素，通過異常報警信息同時出現個數進行區分，其中單因素實驗中報警信息依次出現，多因素實驗中多個報警信息同時出現；因素3為注意力分配策略：包含平均分配、主次分配和多級分配，在研究中，通過“期望”和“價值”因素進行引導[10]。其中“期望”通過異常信息的報警頻率體現，即報警頻率越高的AOI會吸引被試對象更多的注意力，“價值”通過信息的重要程度來實現，即重要程度越高會吸引被試更多的注意力。

2.2 實驗任務和流程

研究的實驗任務為模擬煤礦監控人員完成監控工作。在實驗過程中要求被試全程注視屏幕中的3個AOI，完成模擬界面中的2個子任務，迅速、準確的通過鍵盤對界面中的異常做出反饋。①在每段視頻中，第1次看到任意報警信息閃爍，按下“空格”鍵進行響應；②當看到“數值、開/關、交流不正常”類型的報警，分別通過鍵盤的左、下、右鍵進行反饋。整個實驗全程耗時20~30 min，共分為2個階段：前期練習和正式實驗，待被試完全熟悉操作方法和實驗流程后開始正式實驗。

在實驗中，被試需完成2組實驗，分別模擬低負荷水平和高負荷水平，實驗過程中有6段不同的刺激視頻依次播放，前3段模擬單因素任務，后3段模擬多因素任務。實驗通過不同負荷水平和單/多因素的橫縱向對比，期望探索出何種情境更能對注意力分配行為起到積極作用。

3 負荷水平對注意力分配的影響

3.1 負荷水平對注意力分配的影響相關性分析

利用SPSS軟件對不同情境下反應時、正確率及平均持續注視時間進行相關性分析。配對樣本T檢驗中，從反應時指標得出無論是單因素還是多因素任務，低/高負荷水平與反應時的P值均近乎為0；而正確率數據顯示，只有在多因素任務中，不同負荷水平與正確率的P值均小于0.05，具有統計學意義；從平均持續注視時間的樣本數據得出，在多因素中，負荷水平與其維持持續注視能力之間的相關性較大。

3.2 高/低負荷下3種指標結果分析

高/低負荷下3種指標結果分析如圖1。

圖1 高/低負荷下3種指標結果分析Fig.1 Results analysis of three indicators under high/low load

1）反應時結果分析。通過箱線圖對比發現，在2種負荷水平下注意力分配方式所對應的反應時走向呈現出一致性，無論是在單或多因素，注意力主次分配方式下的反應時均最短，即單從反應時指標來看，注意力主次分配的效果最優；其次在折線圖中發現，高負荷下的反應時長總高于低負荷下的時間。

2）正確率結果分析。通過柱狀圖比較發現，在單因素任務中，負荷水平對注意力分配方式的影響不大，而在多因素任務中注意力主次分配下的正確率比例最高，即在主次分配方式中更容易獲得正確的監控行為；其次從折線圖中發現低負荷下的正確率總是高于多負荷的正確率。

3）平均持續注視時間結果分析。在箱線圖中發現3種注意力分配方式中主次分配的持續注視時間最低，平均分配持續注視時間最高，即注意力平均分配方式下被試面對異常信息做出反饋所需的時間最長；其次折線圖結果顯示不同負荷水平對被試平均持續注視時間的影響并不顯著，隨著樣本量的增大可能會呈現出一定差異性。

3.3 負荷水平對注意力分配的影響結果分析

通過對比分析柱狀圖、箱線圖和折線圖，可以發現不同負荷水平對煤礦調度室監控人員的反應時、異常信息的正確判斷以及平均持續注視時間均有較大影響。高負荷水平更容易導致監控人員反應遲緩，對監控屏幕持續注視的能力明顯降低。從安全人因角度來說，管理者應該密切關注監控員的勞動強度，適量的通過降低負荷量來達到更為安全的水平。

4 單/多因素對注意力分配的影響

4.1 單/多因素對注意力分配的影響相關性分析

反應時的配對樣本T檢驗數據顯示，在低負荷水平下，單/多因素與反應時的P值分別為0.102和0.038，均具有顯著差異；在正確率與平均持續注視時間的配對結果中發現，無論哪一種符合水平下，單/多因素與正確率和持續注視時間的P值均近乎為0，即信息同時出現更容易導致監控人員對監控屏幕持續關注的能力以及反應能力下降，從而做出錯誤的反饋。

4.2 單/多因素下3種指標結果分析

單/多因素任務下3種眼動指標結果分析如圖2。

圖2 單/多因素任務下3種眼動指標結果分析Fig.2 Results analysis of three indicators under single/multi-factor task

1）反應時結果分析。通過對比箱線圖，注意力主次分配的反應時最短，多級分配所需反應時最長；在折線圖中看到單因素任務下的反應時總是低于多因素任務下的反應時，即相比多個異常信息同時出現，報警信息依次出現時被試所需的反應時更短，這也符合在緊急情況下人的應激反應。

2）正確率結果分析。在單因素任務中，主次分配和平均分配的正確率基本不受負荷水平的影響，而多級分配則有明顯區別，并且在高負荷下被試做出正確反映的能力下降；通過折線圖發現單因素任務下的正確率總是高于多因素任務下的。

3）平均持續注視時間結果分析。在箱線圖中3種注意力分配方式所對應的持續注視時間呈現出相似性，無論是在低負荷還是高負荷，注意力主次分配所對應的持續注視時間最低，多級分配次之，平均分配所需的時間最多；而在折線圖中，多因素任務下的持續注視能力弱于單因素任務下的注視能力。

4.3 單/多因素對注意力分配的影響結果分析

通過單/多因素下3種眼動指標對比研究，發現無論是反應時、正確率還是平均持續注視時間，多因素任務下的反應水平都遠低于單因素，人在工作環境中注意力十分有限，尤其是在煤礦調度室中，若有突發事件發生多個異常信息將同時報警，對監控人員的注意力分配水平有較高要求，無法及時應對。

5 注意力分配方式對安全監控行為影響差異性

5.1 差異現象

在煤礦監控過程中，影響事故發生與否以及事故量級大小的因素眾多，其中主要影響因素有監控對象價值、監控經驗和監控任務，由于被試者生理及心理水平的差異性，每個人面對緊急情況出現時都會有不同的反應，以及現實監控環境中外界不同程度的影響，很多因素都會對被試的反應水平造成干擾。

通過比較不同負荷水平和單/多因素下的眼動指標，發現被試應用注意力主次分配方式的反應時最短、正確率最高、平均持續注視時間最長，相比于平均分配和多級分配，主次分配方式下擁有更好的作業水平。在高負荷環境及多因素任務中，3種眼動指標都呈現出更差的績效，作業人員對于緊急事故的處理能力也有明顯的降低。因此，在日常的監控任務中更推薦工作人員采取主次分配方式，通過重要程度的排序可以減輕工作難度，進而提高效率。

5.2 差異潛在原因分析

1）注意力分配方式造成差異的原因分析。對3種注意力分配方式的潛在原因進行分析，平均分配要求工作人員主要監控范圍區域更廣，對注意力集中程度要求更高，并且在高負荷或多因素任務中注意力極易受外界影響而分散，因此在3種指標下注意力平均分配的結果更不理想；多級分配中存在明確的優先級順序，復雜情況出現時一目了然的先后處理順序很大程度上減緩被試壓力，考慮到性別上生理及心理差異對工作者帶來的影響，更推薦女性工作者采用注意力多級分配方式；而主次分配方式中，被試依據經驗積累合理安排并引導注意力放置于報警頻率更高的區域，同時兼顧其他的潛在危險，這種分配方式能讓作業人員保持較高的警覺性，進而擁有最優的績效水平。

2）負荷水平與單/多因素任務造成差異的原因分析。對比2種負荷水平發現，在高壓工作環境中人員的認知水平和事故處理能力都是有限的，大腦因疲勞思維能力減弱、反應遲緩，尤其是在多個異常情況同時出現時更不能及時準確的應對，很大程度上會影響工作積極性，因此明確的優先級順序重要性得以體現；而對比單/多因素任務發現，在多因素任務中，被試維持持續注視的時間更短，由于多個異常信息的同時出現，大腦對其處理速度變緩，保持注意力集中程度的能力更差，需要較長時間方可對報警信息做出反應，因此很大程度上影響了判斷的正確率。

5.3 干預措施與建議

通過差異現象及潛在原因分析進而提出相關干預措施與建議:①通過設定區分明確且差異較大的信息優先級并控制關鍵性信息數量；②在特殊操作情境下，操作界面應設計出重要且突出的按鍵，盡量考慮采取一鍵式或模塊化設計，能及時準確地對預警做出反饋；③作業人員在執行常規任務時推薦采用注意力主次分配方式，謹慎采用平均分配方式。

6 結 語

通過研究在不同負荷水平和單/多因素下注意力分配方式對煤礦安全監控行為的影響，得出無論是在何種負荷水平或單/多因素下，相比平均分配和多級分配方式，注意力主次分配方式都表現出了最優的績效，多因素高負荷任務中作業人員的認知水平和事故處理能力更加有限，腦力負荷達更加緊張。因此操作界面設計時可以考慮一鍵式或模塊化設計，可為復雜任務條件下煤礦調度室人機界面的信息需求設計以及監控任務培訓策略的優化提供依據。