長時(shí)工作記憶和注意力分配對裝甲車輛乘員情景意識的影響

孫厚杰， 金曉萍， 解芳， 孫曉東， 鄭思涓

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京 100083； 2.中國北方車輛研究所， 北京 100072)

0 引言

裝甲車輛乘員的情景意識(SA)與自身安全及車輛作戰(zhàn)效能息息相關(guān)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在裝甲車輛作戰(zhàn)領(lǐng)域，高達(dá)70%的事故是由乘員自身因素造成的[1]，其中大多由乘員的決策失敗所致，而決策失敗主要是由情景意識水平較低甚至缺失造成的。隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，任務(wù)本身對乘員體力消耗越來越少，開始逐漸轉(zhuǎn)化為對感知、決策等腦力資源的消耗[2-4]，這表明乘員若能維持良好的情景意識水平，對保障自身安全及提高任務(wù)績效水平有著至關(guān)重要的作用。

情景意識是指在一定時(shí)間和空間環(huán)境中人對不同元素的感知、對其含義的理解以及對下一時(shí)刻狀態(tài)的預(yù)測[5]。簡而言之，情景意識由感知、理解和預(yù)測三個(gè)順序階段構(gòu)成，它是影響操作者決策和績效的關(guān)鍵因素。Endsley等人將情景意識的影響因素分為內(nèi)部因素(人的注意力、記憶、情緒、身體狀態(tài)、經(jīng)驗(yàn)等)和外部因素(界面設(shè)計(jì)、任務(wù)復(fù)雜程度、自動化水平等)兩大類[6-7]，其測量方法主要包括情景意識測評技術(shù)(SART)、情景意識全面測量技術(shù)(SAGAT)、績效測量以及生理測量等[8-10]。

當(dāng)前，對于情景意識的研究主要集中于航空航天及汽車駕駛等領(lǐng)域，例如，Lin等[11]探討了通信媒介、飛行階段和駕駛艙中的角色對飛行員情景意識的影響；Serkan Cak等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了工作記憶、注意力以及經(jīng)驗(yàn)對飛行員情景意識的影響；O’Brien等[13]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了認(rèn)知技能訓(xùn)練能夠提升飛行員情景意識水平，進(jìn)而提高其任務(wù)績效；Koen等[14]基于飛行模擬器，探討了眼動作為情景意識評價(jià)指標(biāo)的可能性；完顏笑如等[15-16]基于多資源理論構(gòu)建了情景意識理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)探究了不同腦力負(fù)荷對情景意識的影響規(guī)律，此外，該團(tuán)隊(duì)還針對飛行員開展了負(fù)荷條件下注意力分配策略對情景意識影響的研究[17]；鮑俊平[18]研究了飛行員對駕駛艙聲音的感知及加工過程，進(jìn)而分析出艙內(nèi)噪聲對飛行員情景意識水平的影響。在車輛駕駛方面，Kass[19]等研究了駕駛中手機(jī)通話對新老駕駛員情景意識的影響；Bashiri等[20]利用拖拉機(jī)駕駛模擬器，研究了自動化水平對駕駛?cè)饲榫耙庾R的影響，結(jié)果表明情景意識隨著自動化水平的提高而增加，但高度自動化水平下的情景意識較低；Liang等[21]利用眼動追蹤技術(shù)研究了自動駕駛接管過程中駕駛員情景意識的變化情況。張子健[22]通過多模態(tài)刺激的方式對人機(jī)共駕模式下的駕駛員進(jìn)行喚醒，并完成情景意識的測評，最終建立了駕駛員情景意識的評價(jià)指標(biāo)體系。

然而，在裝甲車輛領(lǐng)域，對于乘員情景意識的研究較少，通過提高乘員情景意識水平，進(jìn)而保障其安全、提高車輛作戰(zhàn)效能卻是亟待解決的問題。此外，當(dāng)前研究者們對于情景意識影響因素的研究大多集中在外部環(huán)境因素[8-10]，而對其內(nèi)部因素的研究較少。因此，本研究將針對裝甲車輛中車長的某一假定任務(wù)，通過實(shí)驗(yàn)研究人的長時(shí)工作記憶、注意力分配等內(nèi)部因素對乘員情景意識的影響，并運(yùn)用相關(guān)性分析研究對情景意識變化敏感的績效、眼動和心電指標(biāo)，旨在通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出對乘員情景意識影響較顯著的內(nèi)部因素，并篩選出情景意識的敏感指標(biāo)。研究結(jié)果一方面可為裝甲車輛人機(jī)界面信息顯示的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)，另一方面可為裝甲車輛乘員情景意識相關(guān)理論研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 被試人員

實(shí)驗(yàn)招募了24名成年男性作為被試，年齡在23～35歲(平均值M=28.13歲，標(biāo)準(zhǔn)差SD=4.14歲)。所有被試身體狀況良好，視力或矯正視力正常，聽力正常，且根據(jù)Edinburgh利手測試顯示均為右利手。在實(shí)驗(yàn)之前，所有被試都被告知實(shí)驗(yàn)流程及說明并自愿簽署書面知情同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)基于某裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由任務(wù)調(diào)度模塊、作戰(zhàn)場景仿真模塊、儀表任務(wù)模塊以及后臺數(shù)據(jù)記錄等4個(gè)模塊構(gòu)成。其中，任務(wù)調(diào)度模塊用于乘員任務(wù)參數(shù)的選擇與確認(rèn)；作戰(zhàn)場景仿真模塊為被試提供高逼真度的作戰(zhàn)場景；儀表任務(wù)模塊用于儀表監(jiān)視任務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)及其界面的顯示；后臺數(shù)據(jù)記錄模塊用于記錄在作戰(zhàn)任務(wù)及儀表監(jiān)視任務(wù)中被試的任務(wù)績效(包括命中率、反應(yīng)時(shí)間等)。

眼動指標(biāo)的采集采用瑞典Smart Eye Pro非侵入式眼動儀，該眼動儀通過3個(gè)紅外攝像頭捕捉被試的各類眼動指標(biāo)，采樣頻率為60 Hz。

此外，實(shí)驗(yàn)過程中通過Bio Lab生理測量儀同步采集被試的心電信號，采樣頻率為500 Hz。實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究證實(shí)，人的工作記憶是成功獲取和維持情景意識的重要因素[23]。此外，注意是形成情景意識的基礎(chǔ)，且注意力分配決定著情景意識的質(zhì)量[21]。因此，本研究選取人的長時(shí)工作記憶和注意力分配作為情景意識的影響因素。而根據(jù)Wickens所提出的注意力分配模型(SEEV模型)可知，注意力分配包括凸顯性、努力、期望以及價(jià)值四個(gè)影響因素[24]。其中，凸顯性與努力可歸為對注意力分配“自下而上”的影響，而期望與價(jià)值對注意力分配是一種“自上而下”的影響，綜合考慮，分別選取不同信息加工過程中的凸顯性和期望作為注意力分配下的子因素。

綜上，本研究從人類特性及認(rèn)知能力出發(fā)，選取可能影響乘員情景意識的3個(gè)因素：長時(shí)工作記憶、注意力分配中的“凸顯性”及“期望”，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中，長時(shí)工作記憶因素采用2水平被試間設(shè)計(jì)，注意力分配因素采用2×2被試內(nèi)設(shè)計(jì)。最終確定研究的情景意識影響因素如表1所示。

表1 情景意識影響因素及水平設(shè)定

因素一為長時(shí)工作記憶，它是一種熟練地應(yīng)用長時(shí)記憶貯存信息的機(jī)制，一般靠訓(xùn)練和學(xué)習(xí)來獲取。實(shí)驗(yàn)將該因素劃分為兩個(gè)水平：水平一為熟練者，水平二為初學(xué)者。其中熟練者為經(jīng)歷過一年以上的作戰(zhàn)任務(wù)訓(xùn)練，對作戰(zhàn)場景及任務(wù)流程較為熟悉；初學(xué)者僅進(jìn)行20 min左右的實(shí)驗(yàn)前培訓(xùn)，對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及作戰(zhàn)場景不熟悉。實(shí)驗(yàn)分別招募了12名熟練者和12名初學(xué)者。

因素二為注意力分配中的“凸顯性”因素，它是指興趣區(qū)(AOI)由于其大小、顏色、強(qiáng)度或?qū)Ρ葟谋尘爸型伙@出來的程度，本研究采用異常信息凸顯性來表征。該因素包括兩個(gè)水平，水平一為異常信息凸顯性高，具體表現(xiàn)為當(dāng)所監(jiān)視儀表出現(xiàn)異常時(shí)其字體顏色、大小將會發(fā)生變化(字體顏色由黑色變?yōu)榧t色，字體大小變大)，使被試更易察覺異常；水平二為異常信息凸顯性低，具體表現(xiàn)為，當(dāng)儀表出現(xiàn)異常時(shí)，其字體的大小及顏色無變化。異常信息凸顯性差異如圖2所示。

圖2 異常信息凸顯性不同水平

因素三為注意力分配中的“期望”因素，它是指人們更傾向關(guān)注那些有許多“變化”的地方。一般來說，事物的變化越多，人們越期望它們發(fā)生變化。本研究采用異常信息出現(xiàn)頻率來表征“期望”，包括異常信息3 min出現(xiàn)一次以及異常信息0.5 min出現(xiàn)一次兩個(gè)水平。

1.4 實(shí)驗(yàn)任務(wù)及流程

本研究的實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括主任務(wù)和次任務(wù)，其中主任務(wù)要求被試在裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中完成某一假定任務(wù)，即被試扮演車長的角色通過周視鏡搜索敵車目標(biāo)，經(jīng)過感知、識別、決策與響應(yīng)四個(gè)信息加工過程，先敵開火，完成對敵打擊。具體來說，當(dāng)發(fā)現(xiàn)敵車目標(biāo)時(shí)，被試轉(zhuǎn)動炮臺并打開瞄準(zhǔn)鏡識別敵車類型，根據(jù)車型選擇相應(yīng)的彈種，進(jìn)而發(fā)射炮彈打擊敵車，最終進(jìn)行毀傷評估，完成打擊任務(wù)。任務(wù)流程如圖3所示。

圖3 車長作戰(zhàn)流程

次任務(wù)為儀表監(jiān)視任務(wù)，要求被試在進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)的同時(shí)監(jiān)視儀表顯示狀態(tài)，并對異常信息進(jìn)行感知、判斷、決策和響應(yīng)操作。具體來說，被試需監(jiān)視屏幕左下方儀表區(qū)中的車速、油量及發(fā)動機(jī)狀態(tài)3個(gè)儀表信息，當(dāng)某一儀表出現(xiàn)異常時(shí)，被試按照實(shí)驗(yàn)前的培訓(xùn)要求，在鍵盤上按下相應(yīng)的按鍵對異常信息進(jìn)行響應(yīng)，異常情況的設(shè)定如表2所示。實(shí)驗(yàn)主要通過設(shè)定所需監(jiān)視儀表的異常信息出現(xiàn)頻率及異常信息凸顯性來誘發(fā)乘員情景意識的變化。

表2 異常情況范圍設(shè)定

實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)和正式實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段。被試在實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)階段接受充分的培訓(xùn)，熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體操作方法，牢記異常信息出現(xiàn)的范圍，并進(jìn)行不低于10分鐘的練習(xí)。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過眼動儀和生理測量儀實(shí)時(shí)采集被試的眼動及心電數(shù)據(jù)，同時(shí)采用SAGAT測量被試的情景意識水平。實(shí)驗(yàn)過程中將隨機(jī)進(jìn)行共計(jì)5次的凍結(jié)SAGAT測試，凍結(jié)時(shí)被試需完成13個(gè)關(guān)于凍結(jié)時(shí)的實(shí)驗(yàn)情景問題，實(shí)驗(yàn)完成后統(tǒng)計(jì)回答的正確率及回答時(shí)間。每次實(shí)驗(yàn)約15分鐘，實(shí)驗(yàn)完成后填寫3D-SART量表并休息10分鐘。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，每名被試共需完成4次實(shí)驗(yàn)，為消除學(xué)習(xí)效應(yīng)，采用拉丁方設(shè)計(jì)確定實(shí)驗(yàn)順序。正式實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 正式實(shí)驗(yàn)流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

置信度取0.05對主觀得分、客觀績效得分、眼動及生理指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用三因素方差分析研究長時(shí)工作記憶、異常信息凸顯性以及異常信息出現(xiàn)頻率對各測量指標(biāo)的主效應(yīng)和交互效應(yīng)，并結(jié)合皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)進(jìn)行情景意識敏感指標(biāo)的分析。

2.1 3D-SART量表結(jié)果

不同實(shí)驗(yàn)條件下對應(yīng)的3D-SART量表得分的描述性結(jié)果如圖5所示，其中圖例對應(yīng)因素一不同的實(shí)驗(yàn)水平，藍(lán)色無剖面線填充代表熟練者，黑色剖面線填充代表初學(xué)者；橫坐標(biāo)為因素二、三對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)水平，以高凸顯性/低頻為例，指的是異常信息凸顯性高、異常信息出現(xiàn)頻率低；縱坐標(biāo)為各實(shí)驗(yàn)條件下的3D-SART量表得分。從圖中可以看出，情景意識主觀量表得分隨著高凸顯性/低頻、高凸顯性/高頻、低凸顯性/低頻、低凸顯性/高頻的順序呈現(xiàn)出下降的趨勢，且熟練者的得分普遍高于初學(xué)者。三因素方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶對3D-SART量表得分主效應(yīng)顯著(F(1,23)=24.638，p<0.001，η2=0.622。F為F檢驗(yàn)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；p值用以判斷組間差異的凸顯性，當(dāng)p<0.05時(shí)說明有顯著差異；η2為某一因素對整體因變量影響的效果)，具體表現(xiàn)為熟練者的3D-SART得分顯著高于初學(xué)者；異常信息凸顯性對3D-SART量表得分主效應(yīng)顯著(F(1,23)=19.194，p<0.001，η2=0.506)，具體表現(xiàn)為高凸顯性條件下的3D-SART得分顯著高于低凸顯性條件；異常信息出現(xiàn)頻率對3D-SART量表得分主效應(yīng)顯著(F(1,23)=18.6，p<0.001，η2=0.498)，具體表現(xiàn)為異常信息出現(xiàn)頻率低的 3D-SART得分顯著高于異常信息高頻出現(xiàn)。此外，三個(gè)因素之間的交互效應(yīng)呈現(xiàn)邊緣顯著影響(p=0.039)。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)條件下SART主觀評價(jià)平均得分

2.2 SAGAT量表結(jié)果

本研究中SAGAT得分取凍結(jié)時(shí)SAGAT評價(jià)量表的正確率，圖6所示為各因素水平下的SAGAT得分，從圖中可以看出，經(jīng)驗(yàn)越豐富、凸顯性越高以及頻率越低，則SAGAT得分越高，反之，經(jīng)驗(yàn)及凸顯性越低，而異常信息出現(xiàn)頻率越高，則SAGAT得分越低。

圖6 不同實(shí)驗(yàn)條件下SAGAT平均得分

通過方差分析可以得出，長時(shí)工作記憶(F(1,23)=27.176，p<0.001，η2=0.639)以及異常信息凸顯性(F(1,23)=13.841，p=0.002，η2=0.464)兩個(gè)因素對SAGAT得分主效應(yīng)顯著，而異常信息出現(xiàn)頻率對其主效應(yīng)不顯著(p=0.241)，各因素間的交互效應(yīng)也不顯著。進(jìn)一步比較分析，熟練者的SAGAT得分顯著高于初學(xué)者，異常信息凸顯性高的條件下SAGAT得分顯著高于低異常信息凸顯性條件。

2.3 任務(wù)績效結(jié)果

在本研究中，選取殲敵時(shí)間和異常信息響應(yīng)時(shí)間作為任務(wù)績效指標(biāo)。其中殲敵時(shí)間是指敵車從出現(xiàn)始至被殲滅止所需的時(shí)間；異常信息響應(yīng)時(shí)間是指儀表區(qū)出現(xiàn)異常信息開始到被試者按下相應(yīng)按鍵消除異常信息為止所花費(fèi)的時(shí)間。各指標(biāo)的具體結(jié)果如下：

2.3.1 殲敵時(shí)間

殲敵時(shí)間的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。不難看出，熟練者的殲敵用時(shí)普遍比初學(xué)者短。方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶對殲敵時(shí)間主效應(yīng)顯著(F(1,23)=45.482，p<0.001，η2=0.741)，而異常信息凸顯性及異常信息出現(xiàn)頻率兩個(gè)因素對殲敵時(shí)間主效應(yīng)不顯著(p>0.05),且各因素間的交互作用對其影響均不顯著。

2.3.2 異常信息響應(yīng)時(shí)間

不同實(shí)驗(yàn)條件下的平均異常信息響應(yīng)時(shí)間描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，從表中可以看出，當(dāng)其他條件一定時(shí)，熟練者的響應(yīng)時(shí)間低于初學(xué)者，且高凸顯性條件下的響應(yīng)時(shí)間普遍低于低凸顯性條件。進(jìn)一步地，方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶對異常信息響應(yīng)時(shí)間主效應(yīng)顯著(F(1,23)=12.009，p=0.003，η2=0.429)，異常信息凸顯性主效應(yīng)顯著(F(1,23)=29.760，p<0.001，η2=0.698)，而異常信息出現(xiàn)頻率主效應(yīng)不顯著(p=0.385)。對于各因素間的交互效應(yīng)，除異常信息凸顯性×異常信息出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)邊緣顯著(p=0.056)，其他交互效應(yīng)均不顯著。

表3 不同實(shí)驗(yàn)條件下的任務(wù)績效描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.4 眼動指標(biāo)結(jié)果

選取的眼動指標(biāo)包括眼瞼開度以及儀表區(qū)注視時(shí)間占比。其中眼瞼開度的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶對眼瞼開度主效應(yīng)顯著(F(1,23)=17.212，p<0.001，η2=0.164)，異常信息凸顯性對眼瞼開度的主效應(yīng)顯著(F(1,23)=4.981，p=0.025，η2=0.054)，且從圖中可以看出，熟練者的眼瞼開度顯著大于初學(xué)者，高凸顯性條件下的眼瞼開度顯著大于低凸顯性條件下，而異常信息出現(xiàn)頻率對眼瞼開度的主效應(yīng)不顯著(p>0.05)。對于交互效應(yīng)而言，除三個(gè)因素的總交互效應(yīng)呈現(xiàn)邊緣顯著(p=0.049)，其余兩兩因素之間的交互效應(yīng)不顯著。

本研究所繪制的興趣區(qū)包括儀表區(qū)、搜索與瞄準(zhǔn)區(qū)、方向顯示區(qū)以及地圖雷達(dá)區(qū)共四個(gè)區(qū)域，具體分布如圖7所示。由于異常信息凸顯性及出現(xiàn)頻率的變化主要引起儀表區(qū)信息的變化，因此，選取儀表區(qū)注視時(shí)間占比作為眼動測量的另一指標(biāo)，其定義式如(1)式所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)場景興趣區(qū)劃分

(1)

式中：PROI-1表示儀表區(qū)注視時(shí)間占比；TROI-1為儀表區(qū)(ROI-1)的注視時(shí)間；TROI-k為第k個(gè)興趣區(qū)(ROI-k)的注視時(shí)間。

儀表區(qū)注視時(shí)間占比的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶、異常信息凸顯性以及異常信息出現(xiàn)頻率三個(gè)因素的主效應(yīng)均顯著(p<0.001)。進(jìn)一步比較分析，熟練者的儀表區(qū)注視時(shí)間占比顯著大于初學(xué)者，高凸顯性條件下的儀表區(qū)注視時(shí)間占比顯著小于低凸顯性條件下，且其在高頻條件下顯著高于低頻條件下。

表4 不同實(shí)驗(yàn)條件下的眼動指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.5 心電指標(biāo)處理結(jié)果

常見的心電指標(biāo)有心率(HR)和心率變異性(HRV)。研究表明，心率以及心率變異性中SDNN、PNN50等指標(biāo)對任務(wù)需求敏感，而任務(wù)需求又會直接影響被試的情景意識水平，因此，本研究將對心電中的心率、SDNN以及PNN50等指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.5.1 心電信號預(yù)處理

一般情況下，心電信號容易受到工頻、肌電干擾，基線漂移等影響，原始的心電信號常常摻雜著許多無用的噪聲信號，因此，在對心電信號進(jìn)行分析之前，首先需對其進(jìn)行信號預(yù)處理，旨在消除各種干擾對心電信號的影響[25]。

為消除各類干擾及基線漂移對心電信號的影響，采用帶通濾波方法進(jìn)行濾波處理，部分信號濾波前后的示意圖如圖8所示。

圖8 部分心電信號濾波前后示意圖

圖9所示為正常心電信號的波形圖，由于實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)為原始的電信號，若要對心電信號進(jìn)行分析，首先要判斷出R波的位置，因此，為方便后續(xù)對心率及心率變異性指標(biāo)的分析，本研究采用Pan Tompkin算法進(jìn)行R波定位[26]。

圖9 正常心電信號波形圖

心率是指心臟在一分鐘內(nèi)的跳動頻率。本研究采用各組別的心率平均值進(jìn)行比較分析，每組的心率平均值計(jì)算公式如(2)式所示。

(2)

式中：HeartRate(i)為第i組實(shí)驗(yàn)的平均心率，單位為次/min；Rtotal(i)為第i組實(shí)驗(yàn)中心電信號R波總數(shù)；Ttotal(i)為第i組實(shí)驗(yàn)所花費(fèi)的總時(shí)間。

不同實(shí)驗(yàn)條件下的心率如圖10所示，從圖中可以看出，高凸顯性、低頻條件下的心率值較高，而其他條件下的心率并無較大差異。進(jìn)一步地，方差分析結(jié)果表明，除異常信息凸顯性因素對心率值的主效應(yīng)呈現(xiàn)邊緣顯著影響(F(1,23)=4.422，p=0.052，η2=0.217)，其他因素對其主效應(yīng)不顯著。在交互效應(yīng)中，異常信息凸顯性×異常信息出現(xiàn)頻率交互效應(yīng)顯著(F(1,23)=8.364，p=0.011，η2=0.343)，而其他各因素間的交互效應(yīng)均不顯著。

2.5.3SDNN指標(biāo)結(jié)果

SDNN是指R-R間期的標(biāo)準(zhǔn)差，其計(jì)算公式如(3)式所示。

(3)

不同實(shí)驗(yàn)條件下的SDNN值如圖11所示。方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶(F(1,23)=10.195，p=0.002，η2=0.104)、異常信息凸顯性(F(1,23)=12.382，p=0.001，η2=0.123)對其主效應(yīng)顯著，而異常信息出現(xiàn)頻率對SDNN主效應(yīng)不顯著(p=0.383)，且各因素間的交互效應(yīng)均不顯著(p>0.05)。進(jìn)一步比較分析得出，熟練者的SDNN值顯著低于初學(xué)者，且高凸顯性條件下的SDNN值高于低凸顯性條件下。

2.5.4PNN50指標(biāo)結(jié)果

（2）發(fā)展分層化。發(fā)展分層要求管理人員要有長遠(yuǎn)眼光，要迎合時(shí)代發(fā)展，做好長遠(yuǎn)規(guī)劃，從而把發(fā)展的重點(diǎn)放在優(yōu)勢干果品種上，努力把干果經(jīng)濟(jì)林開發(fā)優(yōu)勢提升到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展層面。

PNN50也是心率變異性中較常見的一項(xiàng)指標(biāo)，是指相鄰R-R間期差值大于50 ms的個(gè)數(shù)與總R-R間期個(gè)數(shù)之比，其計(jì)算公式如(4)式所示。

(4)

式中：PNN50(i)指第i組心電數(shù)據(jù)的PNN50值；NN50(i)為第i組數(shù)據(jù)中相鄰R-R間期差值大于50 ms的個(gè)數(shù)；NN(i)為第i組數(shù)據(jù)的R-R間期總數(shù)。

不同實(shí)驗(yàn)條件下的PNN50值如圖12所示。從圖中可以看出，熟練者的PNN50值明顯大于初學(xué)者，且在低凸顯性水平下，低頻條件下的PNN50值較高頻條件下高。進(jìn)一步通過方差分析結(jié)果表明，長時(shí)工作記憶對PNN50的主效應(yīng)顯著(p<0.001)，且異常信息凸顯性×異常信息出現(xiàn)頻率的交互效應(yīng)對PNN50影響顯著(p<0.001)，而其他因素的主效應(yīng)及交互效應(yīng)不顯著。

圖12 不同實(shí)驗(yàn)條件下的PNN50值

2.6 相關(guān)性分析結(jié)果

采用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)對各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，以提取情景意識的敏感性指標(biāo)。考慮到3D-SART及SAGAT得分在情景意識測評中應(yīng)用的廣泛性和有效性，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，選取這兩者與任務(wù)績效及眼動、生理指標(biāo)之間分別進(jìn)行相關(guān)性分析。

首先，進(jìn)行情景意識任務(wù)績效的敏感指標(biāo)探索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D-SART得分和SAGAT得分與殲敵時(shí)間均不相關(guān)(p>0.05)，而二者得分與異常信息響應(yīng)時(shí)間顯著相關(guān)，其中3D-SART得分與異常信息響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.931，p<0.001。r為相關(guān)系數(shù)，表示變量間的相關(guān)性大小，其絕對值越大，相關(guān)性越強(qiáng))，SAGAT與其呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系(r=-0.604，p=0.002)。

其次，進(jìn)行情景意識的敏感眼動指標(biāo)的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D-SART得分與眼動指標(biāo)中的眼瞼開度弱相關(guān)(r=0.270，p=0.008)，與儀表區(qū)注視時(shí)間占比呈現(xiàn)中等顯著相關(guān)關(guān)系(r=-0.404，p=0.05)，而SAGAT得分與所提出的兩個(gè)眼動指標(biāo)相關(guān)性不顯著(p>0.05)。

最后，對心電指標(biāo)也進(jìn)行了相關(guān)性分析，其中SDNN值與3D-SART(r=0.268，p=0.005)和 SAGAT 得分(r=0.287，p=0.008)均呈現(xiàn)弱相關(guān)關(guān)系，此外，心率值與SART得分中等相關(guān)(r=0.443，p<0.001)，PNN50值與SAGAT得分強(qiáng)相關(guān)(r=0.684，p<0.001)。

3 討論

本文旨在研究長時(shí)工作記憶以及注意力分配對裝甲車輛乘員情景意識的影響，故而選取裝甲車輛車長某一假定任務(wù)，基于裝甲車輛乘員任務(wù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)研究，所測得的3D-SART得分、SAGAT得分、任務(wù)績效、眼動及心電指標(biāo)的方差分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 各指標(biāo)方差分析結(jié)果匯總

3.1 對裝甲車輛乘員作戰(zhàn)情景意識的討論

參照汽車駕駛方面對情景意識的描述[27]，裝甲作戰(zhàn)任務(wù)中車長的情景意識可表述為“理解每一時(shí)刻作戰(zhàn)意圖、車輛狀態(tài)、作戰(zhàn)環(huán)境、敵車狀況及自車其他乘員之間的關(guān)系”。

如上文所述，Endsley指出的情景意識[5]共分為3個(gè)階段：覺察、理解和預(yù)測。其中，第一個(gè)階段為覺察，在動態(tài)的環(huán)境中，只有注意到動態(tài)的變化，并做出基本的知覺解釋，才能意識到變化。可見，該階段有較多的注意資源消耗，所提出的注意力分配因素對該階段有較大影響。從裝甲作戰(zhàn)任務(wù)角度來看，在主任務(wù)中，車長首先必須于當(dāng)前作戰(zhàn)環(huán)境中注意到敵車目標(biāo)，方可對目標(biāo)進(jìn)行理解，最終做出決策及反應(yīng)；在次任務(wù)中，車長首先應(yīng)察覺到儀表中的異常信息，方能通過信息加工完成響應(yīng)。綜上所述，注意力分配因素將主要影響到車長搜索敵方目標(biāo)及察覺異常信息的過程。

在情景的理解或診斷階段需要對信息進(jìn)行整合，以及對發(fā)生了什么進(jìn)行更高水平的推理。這些過程需要大量使用工作記憶，當(dāng)然也會使用到長時(shí)工作記憶[24]。在裝甲作戰(zhàn)任務(wù)中，車長已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了敵車目標(biāo)，正理解敵車類型，并做出裝彈決策，進(jìn)而進(jìn)行對敵打擊。在次任務(wù)中，車長已發(fā)現(xiàn)儀表信息發(fā)生了變化，正根據(jù)工作記憶判別變化的儀表信息是否發(fā)生了異常，進(jìn)而完成異常響應(yīng)。由于在這一過程中將使用到長時(shí)工作記憶，因此所提出的長時(shí)工作記憶因素對該過程有較大影響。

3.2 關(guān)于長時(shí)工作記憶的討論

研究表明，三維度情景意識測評技術(shù)(3D-SART)在情景意識的測量評價(jià)中應(yīng)用廣泛，且效果較好[28]。本實(shí)驗(yàn)中，長時(shí)工作記憶因素對3D-SART得分的主效應(yīng)顯著，具體表現(xiàn)為熟練者較初學(xué)者的得分高。3D-SART量表的三個(gè)主維度分別為情景綜合理解、注意力需求以及注意力供應(yīng)[28]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著長時(shí)工作記憶水平的提升(由初學(xué)者到熟練者)，情景綜合理解的得分顯著升高，因此，根據(jù)3D-SART計(jì)算公式可知，熟練者的3D-SART得分顯著高于初學(xué)者，并且可以認(rèn)為，長時(shí)工作記憶因素主要通過影響被試的“理解階段”進(jìn)而影響其SART得分。

此外，用于客觀評價(jià)情景意識水平的情景意識全面測量技術(shù)(SAGAT)已得到研究者們的一致認(rèn)可[29-30]。本研究中，長時(shí)工作記憶因素對SAGAT得分的主效應(yīng)顯著，具體表現(xiàn)為熟練者較初學(xué)者的得分高，表明熟練者的情景意識水平顯著高于初學(xué)者。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在長時(shí)工作記憶因素不同水平下，SAGAT問卷中“理解”階段的得分分差普遍高于“感知”和“預(yù)測”階段，表明長時(shí)工作記憶主要是通過影響被試的“理解”階段來影響其情景意識水平。

在任務(wù)績效方面，長時(shí)工作記憶因素對殲敵時(shí)間和異常信息響應(yīng)時(shí)間均有顯著影響，具體表現(xiàn)為熟練者所用的殲敵時(shí)間和異常信息響應(yīng)時(shí)間較初學(xué)者短。分析其原因，一方面，長時(shí)工作記憶主要影響情景意識的“理解”階段，由于熟練者對作戰(zhàn)任務(wù)理解深刻，因此其在打擊作戰(zhàn)時(shí)能夠迅速判別目標(biāo)車型，進(jìn)而精準(zhǔn)決策，快速瞄準(zhǔn)，從而殲敵時(shí)間較初學(xué)者短。另一方面，由于熟練者對于作戰(zhàn)任務(wù)經(jīng)驗(yàn)豐富，花費(fèi)在作戰(zhàn)任務(wù)上的注意資源較初學(xué)者少，因此其將有更多的注意資源來監(jiān)測儀表區(qū)，從而所需異常信息的響應(yīng)時(shí)間較少。此外，這一表述還可用來解釋眼動指標(biāo)中儀表區(qū)注視時(shí)間占比熟練者顯著大于初學(xué)者的現(xiàn)象。

在眼動和心電方面，部分指標(biāo)也表現(xiàn)出了類似的變化趨勢，例如，熟練者的眼瞼開度顯著大于初學(xué)者的眼瞼開度，表明熟練者的情景意識水平較高。SDNN值表征逐次心跳周期差異的變化情況，其值越大，R-R間期的差異越大[31]。在本實(shí)驗(yàn)條件下，由于熟練者對實(shí)驗(yàn)場景及作戰(zhàn)任務(wù)較為熟悉，因此在進(jìn)行打擊作戰(zhàn)或異常響應(yīng)作業(yè)時(shí)，其心率變異性較小，R-R間期并未有較大的變化；而初學(xué)者由于不熟悉場景及任務(wù)，當(dāng)遇到敵車或異常情況時(shí)，包括R-R間期在內(nèi)的各心率變異性指標(biāo)將會有較大變化，因此其SDNN值較大。由于心率指標(biāo)因人而異，因此在本實(shí)驗(yàn)中，初學(xué)者和熟練者的心率指標(biāo)并未表現(xiàn)出顯著差異。

3.3 關(guān)于注意力分配的討論

為探究人的注意力分配對裝甲車輛情景意識的影響，本研究基于SEEV模型選取了凸顯性和期望進(jìn)行了注意力分配影響因素的設(shè)計(jì)，其中，注意力分配中的凸顯性是指某一興趣區(qū)由于其大小、顏色、強(qiáng)度或?qū)Ρ葟谋尘爸型伙@出來的程度，實(shí)驗(yàn)中用異常信息凸顯性來表征；期望是指我們更傾向關(guān)注那些有許多“變化”的地方，一般來說，失誤的變化越多，我們越期望它們發(fā)生變化，本實(shí)驗(yàn)中期望用異常信息出現(xiàn)頻率表征。在此基礎(chǔ)上，開展了不同因素水平下的情景意識水平測量。

3.3.1 關(guān)于異常信息凸顯性的討論

研究表明，突顯的興趣區(qū)能吸引被試者的注意，可使被試保持較高的警覺度水平，從而方便其視覺信息加工，進(jìn)而減少腦力資源的占用[32-33]，使其情景意識水平較高。進(jìn)一步地，在該因素各水平下，3D-SART及SAGAT中“感知”階段的得分分差最大，可認(rèn)為異常信息凸顯性主要影響情景意識中的“感知”階段。

在任務(wù)績效方面，高凸顯性條件下被試對異常信息的“感知能力”更強(qiáng)，因此該條件下的異常信息響應(yīng)時(shí)間較短。相反，在低凸顯性的條件下，發(fā)生異常時(shí)，被試很難察覺到異常，甚至錯(cuò)過異常信息，因而其響應(yīng)時(shí)間顯著較長。

眼動和心電的部分指標(biāo)也表現(xiàn)出了相似的變化趨勢。前期研究表明，眼瞼開度可用來反應(yīng)被試的認(rèn)知狀態(tài)，高認(rèn)知狀態(tài)下的眼瞼開度高于低認(rèn)知狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)中高凸顯性條件下被試的認(rèn)知狀態(tài)較高，因此其眼瞼開度較大。對于儀表區(qū)注視時(shí)間占比指標(biāo)來說，相較于高凸顯性水平，被試在低凸顯性條件下較難察覺異常信息的出現(xiàn)，因此需花費(fèi)更多的時(shí)間注視儀表區(qū)來覺察異常信息的出現(xiàn)，故而其儀表區(qū)注視時(shí)間占比顯著高于高凸顯性水平。此外，SDNN值在高凸顯性條件下顯著高于低凸顯性條件下，可能的原因是當(dāng)異常信息以高凸顯性顯示情況下，被試更易察覺異常的同時(shí)會伴隨些許緊張感，從而R-R間期發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致SDNN值較大。

3.3.2 關(guān)于異常信息出現(xiàn)頻率的討論

在異常信息高頻出現(xiàn)的條件下，由于隨著異常信息出現(xiàn)頻率的增高，任務(wù)難度隨之增大，任務(wù)需求隨之增加，使得被試的腦力資源占用較高，因此其3D-SART得分較低。在眼動方面，根據(jù)Wickens的注意力分配理論[20]，期望是指我們更傾向于關(guān)注那些有許多“變化”的地方，而本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)異常信息高頻出現(xiàn)時(shí)，儀表區(qū)的變化較多，被試將更傾向于關(guān)注儀表區(qū)，因此其注視時(shí)間占比較低頻高。而對于其他指標(biāo)，異常信息出現(xiàn)頻率這一因素并未表現(xiàn)出顯著的主效應(yīng)。總體來看，異常信息出現(xiàn)頻率對乘員情景意識水平影響較小，可能的原因是，一方面隨著異常信息出現(xiàn)頻率的增加，提升了被試的“期望”，這將有利于情景意識水平的提高；另一方面，隨著頻率的增加，被試的任務(wù)需求將增大，這將降低被試的情景意識水平，綜合來說，異常信息出現(xiàn)頻率對乘員的情景意識水平影響較小。

上述研究結(jié)果表明，注意力分配對裝甲車輛乘員的情景意識有顯著影響，若能在人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)之初充分考慮注意力分配的影響，可有效提升乘員的情景意識水平。

4 結(jié)論

本文旨在通過實(shí)驗(yàn)探究長時(shí)工作記憶以及注意力分配對裝甲車輛乘員情景意識的影響，在所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件下，可得到以下研究結(jié)論：

1)長時(shí)工作記憶主要通過影響情景意識的“理解”階段進(jìn)而造成乘員的情景意識水平差異，且熟練者的情景意識水平顯著高于初學(xué)者，提示裝甲車乘員在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)可主要圍繞“理解”階段對訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)注意力分配主要通過影響乘員的“感知”階段進(jìn)而影響其情景意識水平，且高信息凸顯性條件下的情景意識水平顯著高于低凸顯性條件下，提示在進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時(shí)需考慮注意力分配因素的影響。

3)結(jié)合方差分析及Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果，隨著情景意識水平變化表現(xiàn)出較好敏感性的指標(biāo)有：3D-SART、SAGAT、異常信息響應(yīng)時(shí)間、眼瞼開度、儀表區(qū)注視時(shí)間占比、SDNN(R-R間期的標(biāo)準(zhǔn)差)以及PNN50(相鄰R-R間期差值大于50 ms的個(gè)數(shù)與總R-R間期個(gè)數(shù)之比)。

本研究通過分析長時(shí)工作記憶以及注意力分配對裝甲車輛乘員情景意識的影響，可為乘員訓(xùn)練內(nèi)容的優(yōu)化及人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。