基于人的核心勝任力的噪聲評價新方法

張曉燕, 程嘉傲, 薛紅軍

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072)

噪聲是主要的環(huán)境污染之一。直升機駕駛艙的內(nèi)部同樣存在著噪聲。研究表明,直升機的噪聲會對飛行員神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)造成不同程度的影響[1]。國外直升機飛行員出現(xiàn)聽力損害的比例在30%以上,我國為20%,且同戰(zhàn)斗機和運輸機飛行員相比,直升機飛行員聽力異常的發(fā)病率更高[2]。于寶成等[3]調(diào)查發(fā)現(xiàn),陸航直升機飛行人員飛行周后睡眠質(zhì)量降低,醫(yī)學(xué)停飛率較高。陳學(xué)敏等[4]通過實驗研究發(fā)現(xiàn),隨著軍用直升機噪聲強度的增加,豚鼠聽力損傷加重,聽力恢復(fù)的時程延長,恢復(fù)的可能性減低。在國外,Yankaskas[5]發(fā)現(xiàn)長期暴露在噪聲環(huán)境下會引發(fā)士兵嚴重的聽力障礙。Ageborg等[6]發(fā)現(xiàn)風(fēng)力渦輪機噪聲會通過高頻率的喚醒和降低深度睡眠比例損害飛行員的睡眠質(zhì)量。

同時,直升機噪聲會對語言通訊產(chǎn)生嚴重的干擾和掩蓋,造成直升機機組之間或與地面指揮聯(lián)絡(luò)困難。同時,受到噪聲的影響,飛行員的視覺、聽覺和觸覺等會產(chǎn)生“錯覺”,例如對距離的判斷,對聲音、指令的獲取、理解,對儀表等機載設(shè)備顯示數(shù)值的讀取,對飛行環(huán)境、氣象條件的分析,對操縱桿等駕駛機構(gòu)力度的掌握,對敵我人員或裝備的判斷識別以及對任務(wù)執(zhí)行的可靠度等都會出現(xiàn)失誤[7]。國內(nèi)鮑俊平[8]經(jīng)過對10名具有民航專業(yè)背景的男性進行飛機起落、轉(zhuǎn)彎、巡航測試,結(jié)果表明當噪聲增加時,被試情景意識水平逐漸下降。馮薪諭[9]發(fā)現(xiàn)噪聲環(huán)境下,人的認知能力會受到一定程度的損害,從而干擾腦力任務(wù)。Ivkovi?等[10]調(diào)查發(fā)現(xiàn)27.8%的渦輪風(fēng)扇飛機飛行員以及38.5%的渦輪螺旋槳飛機飛行員至少一次遭遇過由噪聲引發(fā)的飛行安全問題。Monteiro等[11]發(fā)現(xiàn)工作環(huán)境中的噪聲會影響人的短時記憶降低人的專注度,增加錯誤率和反應(yīng)時。Asakura等[12]發(fā)現(xiàn)飛行噪聲的頻率特性會同時影響飛行員的主觀認知和操作準確性。

很多學(xué)者基于噪聲對人的影響開展了噪聲評價方法的研究。葉睿等[13]通過噪聲煩惱度的方法對直升機噪聲進行了評價;李豪等[14]從聽覺感知的角度進行了噪聲特性的語義描述和分析;張珺等[15]從聽覺感知的角度出發(fā),研究了典型噪聲的煩惱度及感知空間。Lukács[16]對駕駛艙噪聲評價模糊系統(tǒng)的去模糊化方法進行了比較。Flindell等[17]將飛行器噪聲與煩惱度以及干擾度進行了聯(lián)系。Lee等[18]從聲壓級角度對寬體飛機駕駛艙內(nèi)噪聲進行了評價。

綜上,直升機噪聲已經(jīng)嚴重影響了飛行員的身體健康和飛行安全。目前的研究能夠?qū)υ肼暤目陀^物理特性及其對人的煩惱度等情緒狀態(tài)的影響進行評價,且有學(xué)者已經(jīng)開始初步研究噪聲與人的任務(wù)績效、認知能力等之間的關(guān)系。飛行員的核心勝任力是與飛行效能和任務(wù)完成績效密切相關(guān)的核心能力指標,當前噪聲評價方法并沒有建立兩者之間的聯(lián)系。因此,本文將建立多模態(tài)的核心勝任力評價模型,以此為基礎(chǔ)評價噪聲對人的核心能力的影響。這種新的評價方法拓展了噪聲評價的研究內(nèi)涵,能夠為駕駛艙的噪聲評價與控制提供新的思路。

1 基于核心勝任力的噪聲評價方法

勝任力的概念自1973年由Mc Clelland提出之后,經(jīng)過一系列發(fā)展將其定義為:知識、能力與技能[19-20]。飛行員核心勝任力即其對當前所呈現(xiàn)信息的感知、加工與反饋的能力。2017年ICAO提出了基于勝任力的飛行員循證訓(xùn)練指導(dǎo)要求,其中將問題解決、情景意識及工作負荷作為核心勝任力的3項基本指標。基于此,本文中表征核心勝任力的一級指標為任務(wù)績效、情景意識、認知負荷等3個方面。任務(wù)績效即問題解決,為飛行員完成當前任務(wù)的能力,包括任務(wù)完成的時間及完成的正確性,因此本文將其表征為反應(yīng)時間及任務(wù)完成正確率。認知負荷可通過工作負荷表征,本文采用廣泛接受的NASA-TLX方法測量飛行任務(wù)過程中飛行員的認知負荷。情景意識能夠表征飛行員對當前環(huán)境的理解及對未來環(huán)境的理解,本文采用眼動數(shù)據(jù)進行表征[21-22]。本文在使用3D-SART問卷對情景意識進行主觀測量的同時,以眨眼頻率、注視頻率和眼跳頻率等眼動特征量來從客觀角度測量情景意識。

綜上,核心勝任力表征如(1)式所示。

I=α1TR+α2AC+α3N+α4fB+α5fF+α6fS

(1)

式中:TR和AC分別為任務(wù)績效測量指標中的反應(yīng)時和任務(wù)完成正確率;N為認知負荷;fB,fF和fS分別為眨眼、注視和眼跳頻率;α1,α2,α3,α4,α5和α6為各指標的權(quán)重系數(shù)。

2 實驗與模型驗證

2.1 實驗設(shè)計

2.1.1 被試

在80%統(tǒng)計效力及5%顯著水平情況下檢測出20這一中度大小的效應(yīng)量。因此本實驗通過線上宣傳的方式從西北工業(yè)大學(xué)招募了30名在校學(xué)生以滿足本研究基于組內(nèi)實驗設(shè)計方式的統(tǒng)計需求。所有被試視力正常,無色盲、色弱,沒有認知障礙,會讀寫中文,心智正常,有正常的肢體運動能力。在實驗前,所有被試都簽署了實驗知情書,掌握了基本的與本實驗相關(guān)的飛行技能,確保熟悉實驗流程及實驗過程。

2.1.2 實驗設(shè)備和實驗設(shè)計

實驗界面由Qt Creater設(shè)計,模擬直升機駕駛艙內(nèi)的人機交互界面,如圖1所示。

圖1 實驗界面

實驗中眼動數(shù)據(jù)是由德國SMI公司的iView X桌面式眼動儀采集。噪聲信號由HEAD acoustic功率放大器以及森海塞爾HD 600高保真耳機生成。噪聲來源于錄制的真實直升機艙內(nèi)噪聲,出于對被試聽力的保護和真實噪聲環(huán)境的模擬,原聲由ArtemiS和MATLAB軟件進行處理并生成了3種噪聲水平(45,65,80 dB(A))。

本實驗設(shè)置3種任務(wù)難度,被試需要在不同噪聲水平的環(huán)境中完成不同難度的任務(wù),如表1所示。飛行員核心勝任力在危急狀態(tài)最能體現(xiàn),因此實驗任務(wù)設(shè)置為飛行過程的異常信息處理。在實驗中,被試需要按照飛行需求,監(jiān)控實驗飛行界面,當危險信息出現(xiàn)時,迅速排查界面上出現(xiàn)的敵機信息或故障信息。為了充分模擬真實飛行環(huán)境,危險信息的種類和出現(xiàn)位置由隨機發(fā)生器控制,不同種類和位置的危險信息會間隔隨機時長后出現(xiàn)。在危險信息出現(xiàn)后,被試有30 s的時間對信息進行識別、判斷和處理。本實驗的危險信息包括敵機信息和故障信息2個大類,8種信息,被試需要在發(fā)現(xiàn)敵機信息或故障信息后,迅速按下對應(yīng)按鍵進行處理,如表2所示。無論操作正確與否,儀表界面都會恢復(fù)正常,并在一段隨機間隔后,再次產(chǎn)生危險信息。單次實驗用時約15 min。

表1 任務(wù)難度

表2 危險信息類型及處理方法

2.1.3 實驗流程和數(shù)據(jù)采集

在實驗前,主試向所有被試介紹實驗?zāi)康募傲鞒?記錄被試基本信息。被試在正式實驗前要求其進行練習(xí)直到掌握任務(wù)操作。

在實驗中,初始的實驗條件為難度I,隨后3種噪聲水平隨機呈現(xiàn),單一任務(wù)難度完成后,被試填寫噪聲煩惱度問卷[23],NASA-TLX主觀問卷和3-D SART主觀問卷。任務(wù)難度II和難度III隨機呈現(xiàn)。每種難度任務(wù)實驗完成后被試休息30 min。實驗全程大約持續(xù)3 h。

2.2 核心勝任能力預(yù)測模型求解

利用反應(yīng)時、任務(wù)完成正確率、NASA-TLX認知負荷值、眨眼頻率、注視頻率和眼跳頻率等對噪聲評價新模型進行求解,步驟如下:

1) 實驗數(shù)據(jù)無量綱化

對于效益型指標,即數(shù)值越大越好的指標,第i個樣本值表示為

對于成本型指標,即數(shù)值越小越好的指標,第i個樣本值表示為

2) 回歸分析確定回歸系數(shù)

利用SPSS 26.0軟件對(1)式進行線性回歸分析,建立不同噪聲水平下核心勝任能力與反應(yīng)時、任務(wù)完成正確率、NASA-TLX認知負荷值、眨眼頻率、注視頻率和眼跳頻率6個指標之間的多元線性函數(shù)關(guān)系式,如下所示:

2.3 基于核心勝任能力評價方法的驗證

噪聲評價方法的驗證分為2步,首先將3-D-SART主觀問卷結(jié)果、噪聲煩惱度和預(yù)測值進行對比分析,如圖2～4所示。

圖2 Ⅰ級難度下不同噪聲

圖3 Ⅱ級難度下不同噪聲環(huán)境結(jié)果對比

圖4 Ⅲ級難度下不同噪聲環(huán)境結(jié)果對比環(huán)境結(jié)果對比

為進一步驗證預(yù)測模型的正確性,將預(yù)測值與3-D-SART問卷以及噪聲煩惱度問卷的測量結(jié)果進行Pearson相關(guān)性分析得出,預(yù)測值與3-D-SART得分相關(guān)系數(shù)為0.968,呈顯著正相關(guān),與噪聲煩惱度呈顯著負相關(guān)。

3 結(jié) 論

本文針對當前噪聲評價與人的能力之間定量影響機制不清楚的關(guān)鍵問題,建立了以人的核心勝任力為指標的噪聲評價新方法,這種新的評價方法明確了核心勝任力與噪聲危害之間的映射關(guān)系,具體如下:

1) 建立了多模態(tài)的基于人的核心勝任力的噪聲評價新方法,綜合考慮了人的問題解決,工作負荷及情景意識3種能力表現(xiàn)。這種新的噪聲評價方法彌補了當前噪聲評價忽略任務(wù)績效及眼動等生理指標的缺陷,提升了噪聲評價的全面性和準確性。

2) 該噪聲評價新方法建立了定量的噪聲級別與人的核心勝任能力之間的映射關(guān)系,能夠定量反映噪聲的變化對人的應(yīng)急事件處理能力的影響,拓展了噪聲評價的內(nèi)涵,對于噪聲控制與評價以及駕駛艙優(yōu)化設(shè)計都有積極的理論支持和實踐意義。

本文招募大學(xué)生作為被試,未招募飛行員,噪聲對兩者的影響機制可能會有差異。下一步可以飛行員為被試,在飛行模擬器中開展實驗,獲取更加可靠的數(shù)據(jù)。同時細化噪聲水平,深化基于人的能力的噪聲評價,對模型進行進一步完善。

致謝感謝西北工業(yè)大學(xué)人機與環(huán)境系統(tǒng)工程團隊的同學(xué)們?yōu)楸疚膶嶒炈龅呢暙I。