手控交会对接中操作者的情境意识和脑力负荷研究

王 萌，张宜静，2，杜晓平，黄伟芬，2，吴 斌

(1.中国航天员科研训练中心，北京100094;2.人因工程重点实验室，北京100094)

1 引言

手控交会对接任务是一种动态环境下的连续操作任务。航天员通过观察显示器中的目标图像，以及飞船测量系统提供的相关参数，实时判断两飞行器间的相对位置关系，进而根据控制规则操纵平移和姿态手柄完成一次决策任务。之后，飞船状态发生变化，加之发动机推力偏差和羽流等因素对飞船位置和姿态调整产生的影响，因此航天员必须重新进行观察、判断和操作。在整个过程中，航天员的认知与决策活动持续交替进行，因此对其情境意识水平提出了较高要求。且在操作过程中，航天员需要实时进行注意资源分配，保持眼手脑协调以及六个自由度操作上的协调，因此使得他们在执行任务过程中承受着较大的脑力负荷［1］。

作为人因领域的研究热点，情境意识和脑力负荷的概念得到了广泛关注。国内外研究者运用“情境意识”作为评价人机系统的重要指标［2，3］，其研究对象包括民航飞行员、空中交通管制员和核电厂的操作员等［4-8］。最被广泛引用的情境意识理论是Endsley的三水平模型，即操作者对于系统当前状态的感知、理解和未来状态的预测能力［9］。这三个水平组成了操作者执行复杂动态任务必须经历的思维过程。因此，情境意识水平被认为是操作者能否顺利获取信息，进而完成正确认知活动的重要影响因素。对脑力负荷的评价是高风险高复杂系统中的研究重点，在飞机驾驶、核电站控制和机场调度等领域均有相关研究［10］。大多数学者认为脑力负荷是一个多维度的概念，会受到具体工作要求、操作者努力程度、操作者能力以及时间要求等多方面因素的影响［11］。因此，对操作者的脑力负荷进行研究将有利于挖掘人在操作过程中的内在心理压力以及认知负荷的变化情况。

文献调研表明，目前国内外研究者已经对情境意识水平和脑力负荷的评价开展了大量研究，但还没有将其关注到航天任务中。此外，在航天员训练分析后发现，任务难度和技能水平是航天员绩效表现的重要影响因素，但关于它们对情境意识和脑力负荷的影响还缺乏认识。因此，本研究设计了手控交会对接操作实验，对不同任务难度和技能水平下志愿者的情境意识和脑力负荷差异进行探究。研究结果将为后续航天任务和训练方法设计提供理论指导，并为连续动态操作情境下，操作者的认知失误原因分析提供帮助。

2 研究方法

本文设计了一个重复测量的两因素实验，探讨任务难度和技能水平对情境意识和脑力负荷的影响。重测因素为任务难度，分组因素为技能水平。因变量为操作者的情境意识水平和脑力负荷。每名志愿者进行6次手控交会对接操作，并在每次操作完成后填写SART和NASA-TLX主观量表。

2.1 实验变量设计

2.1.1 自变量

情境意识被用于描述操作者的注意、感知和决策过程，因此往往会受到操作者知识结构和水平、认知能力、操作经验以及当前所处客观任务环境等多方面因素的影响［12，13］。而脑力负荷与任务需求和个人能力密切相关，任务复杂度、精度要求、时间要求以及个人的策略和操作状态等都会对脑力负荷的测量结果产生影响［14，15］。因此，实验选择任务难度和技能水平作为自变量。

1)任务难度

操作科目的任务难度由对接初始时刻两个飞行器间各个轴向上的相对位置和相对运动速度决定，主要包括三个方向上(前后，上下和左右)的平移偏差和速度以及三个维度上(俯仰，偏航和滚动)的姿态角度和姿态角速度。本研究根据工程设计指标和实际训练中的两飞行器初始偏差设计标准，设定了低难度和高难度两个难度水平。初始偏差越小，说明任务的难度水平越低。初始偏差的大小与实际对接的操作初始距离有关，实验中的偏差水平参照航天员实际训练中的标准条件进行设置，初始距离统一设定为120 m。基本的偏差设置标准如表1所示。

表1 对接初始距离120米时偏差设置条件Table 1 Initial deviation setting standards of 120 meters Docking distance

2)技能水平

技能水平主要根据志愿者的练习时间和经验进行划分，根据志愿者的手控交会对接操作经验，实验设定了初学者和专家两种技能水平。初学者水平志愿者在实验前无任何手控交会对接操作经验，仅在招募后接受了理论培训，并进行了三次操作体验。专家水平志愿者均已参加过200学时以上的操作训练，且可保证每次操作均对接成功。

2.1.2 因变量

1)情境意识水平

情境意识方面的测量工具很多，主要分为客观评定法和自我主观打分法。自我主观打分法有利于获得操作者情境意识经验中的潜在认知过程，且简单易行、不会受到外界干扰［16］。SART是情境意识水平自我主观打分法中最常用且被全面测试过的一种方法。该量表通过情境的稳定性、情境的变化性、情境的复杂度、唤醒水平、剩余心理资源、注意分配、注意集中程度、信息数量、信息质量和对情境的熟悉程度等10个维度对操作者的情境意识水平进行度量［17］。目前关于SART量表已经开展了大量研究，其信度和效度均已得到验证。且Selcon等人的研究结果表明，SART评价结果表现出了对任务难度和操作者经验的敏感性［16］。因此在本实验中，情境意识水平将通过志愿者填写SART主观量表获得。

2)脑力负荷

主观量表法是目前最简单、最流行的脑力负荷评价方法，其理论基础是操作者脑力资源的占用与个人的主观努力感受相关，并且这种感受可由操作者准确表达［18，19］。常见的脑力负荷评价主观量表分为单维和多维两种类型，多维量表在敏感性和诊断性方面均优于单维量表。NASATLX(National Aeronautics and Space Administration-Task Load Index)量表是比较常用的多维脑力负荷主观评价量表，包括脑力需求、体力需求、时间需求、努力程度、绩效水平和受挫程度六个维度［20］。该量表设计的基本根据是，脑力负荷的每个维度在脑力负荷形成中的权重不同，且随着情境的变化而显示出差异。NASA-TLX量表法在灵敏度和可接受性方面优于其它主观评价方法，且其信度和效度均已得到验证，目前在脑力负荷研究中被广泛应用［10］。因此在本实验中，脑力负荷将通过志愿者填写NASA-TLX主观量表获得。

2.2 志愿者

实验分别招募了初学者水平组和专家水平组志愿者，共27名，均来自中国航天员科研训练中心，具有本科以上学历，右利手。初学者水平组志愿者均为理工科在读研究生，无手控交会对接操作经验，共15人。专家水平组则由手控交会对接操作经验丰富的航天员和航天员教员组成，共12人。实验方案通过了伦理委员会的审查。志愿者在参加实验前24 h内，避免进行过度兴奋活动或饮酒等影响自主神经系统的活动。

2.3 实验任务设置

本实验任务为手控交会对接操作。志愿者通过观察显示器中目标的图像以及飞船测量系统的相关参数数据，判断两飞行器间的相对位置，志愿者需要通过控制平移和姿态手柄，调整飞船六个自由度的运动。只有当飞船的位置、速度、姿态和角速度等同时满足对接所要求的严格的对接条件时，才能完成两个飞行器的顺利交会和对接［21］。

2.4 实验设备

实验操作平台为桌面式手控交会对接训练模拟器，具有飞船状态数据、图像信息和实验中操作者绩效数据实时记录，操作科目设置以及回放等功能。实验中需要测量志愿者的情境意识水平和脑力负荷数据，分别采用SART和NASA-TLX主观量表进行采集。

2.5 实验流程

实验开始前，初学者水平组志愿者先参加手控交会对接基础理论学习，在掌握了基本的控制原理和操作方法后，进行3次低难度科目的操作体验。专家水平组志愿者则进行了2次技能恢复操作。正式实验阶段，每名志愿者完成6次手控交会对接操作，其中包括3次低难度科目和3次高难度科目操作。为了避免学习效应，对包含两种任务难度的6个操作科目随机排列。每个科目完成后，志愿者需要根据本次操作感受，填写SART主观量表和NASA-TLX主观量表。

3 数据结果分析

本实验利用EXCEL和SPSS 21.0进行数据处理和统计学分析。对不同任务难度下初学者和专家的情境意识水平和脑力负荷评价的数据处理方法为重复测量方差分析。任务难度P＜0.05认为差异具有统计学意义。

3.1 不同任务难度和技能水平下操作者的情境意识水平比较

填写SART量表时，操作者根据回忆对每一维度给出1～7的打分。将情境意识水平量表中各维度分数转换为百分制后，通过代数相加综合成“情境理解”“注意资源需求”和“注意资源供给”三个维度的分数，然后根据公式“总分=情境理解 -(注意资源需求-注意资源供给)”进行计算，得到情境意识水平总分。不同任务难度和技能水平下操作者的情境意识水平评价结果的均值和标准差如表2所示。

以任务难度和技能水平为自变量进行重复测量方差分析，观察两自变量对情境意识量表各维度分数和总分的影响，所得结果如表3所示。

表2 不同任务难度和技能水平下操作者的情境意识水平评价结果Table 2 Operators’situation awareness at different task difficulties and skill levels

表3 情境意识水平各维度和总分的重复测量方差分析P值结果Table 3 P value of the repeated measures analysis of variance on situational awareness level of each dimension and the total score

ANOVA结果表明:①任务难度对情境的稳定性有显著影响(P=0.021)。低任务难度下，操作者对情境稳定性的评分更高，说明操作者在进行低难度任务操作时感受到的情境更稳定，两飞行器间的相对位置和姿态偏差发生突然变化的可能性更小。②任务难度对情境的变化性有显著影响(P＜0.001)。低任务难度下，操作者对情境变化性的评分更低，说明操作者在进行低难度任务操作时感受到的同时改变的轴向信息数量更少。③任务难度对情境的复杂度有显著影响(P＜0.001)。低任务难度下，操作者对情境复杂度的评分更低，说明操作者在进行低难度任务操作时感受到的情境更简单，六个轴向的信息关联程度更低。④任务难度对注意分配有显著影响(P=0.027)。低任务难度下，操作者对注意分配的评分更高，说明操作者在进行低难度任务操作时，可以更好地将注意力分配到情境的多个方面。⑤任务难度对注意集中程度有显著影响(P=0.019)。低任务难度下，操作者对注意集中程度的评分更低，说明操作者在进行低难度任务操作时，更难以将全部注意力放在当前的任务情境中。⑥任务难度对情境意识水平总分有显著影响(P=0.006)。低任务难度下，操作者的情境意识水平总分更高，说明总体而言，操作者在进行低难度任务操作时，可以对情境中的信息进行更精准的感知、更正确的理解和更有效的预测。

ANOVA结果还表明:①技能水平对情境的稳定性有显著影响(P=0.001)。专家水平操作者对情境稳定性的评分更高，说明专家水平操作者在操作过程中感受到的情境更稳定，两飞行器间的相对位置和姿态偏差不易发生突然变化。②技能水平对情境的复杂度有显著影响(P=0.010)。专家水平操作者对情境复杂度的评分更低，说明专家水平操作者在操作过程中感受到的情境更简单，六个轴向的信息关联程度相对较低。③技能水平对唤醒水平有显著影响(P=0.001)。专家水平操作者对唤醒水平的评分更高，说明专家水平操作者在操作过程中面对情境的突然变化时，警觉性更高，能够做好应付的准备。④技能水平对剩余心理资源有显著影响(P＜0.001)。专家水平操作者对剩余心理资源的评分更高，说明专家水平操作者在操作过程中有更多的剩余精力可以用于从事其他任务。⑤技能水平对注意分配有显著影响(P＜0.001)。专家水平操作者对注意分配的评分更高，说明专家水平操作者在操作过程中可以更好的将注意力分配到情境的多个方面。⑥技能水平对信息质量有显著影响(P＜0.001)。专家水平操作者对信息质量的评分更高，说明专家水平操作者在操作过程中感受到六个轴向的信息更易获取和理解。⑦技能水平对情境的熟悉程度有显著影响(P＜0.001)。专家水平操作者对情境熟悉程度的评分更高，说明专家水平操作者对手控交会对接任务有更多的操作经验。⑧技能水平对情境意识水平总分有显著影响(P＜0.001)。专家水平操作者的情境意识水平总分更高，说明总体而言，专家水平操作者在操作过程中，可以对情境中的信息进行更精准的感知、更正确的理解和更有效的预测。

此外，重复测量方差分析结果表明，任务难度和技能水平的交互作用出现在了注意分配维度上(P=0.046)。从表2可以看出，任务难度对初学者水平操作者在注意分配维度上的评分有显著差异，低任务难度下的分数明显大于高任务难度下的分数，而专家水平操作者对注意分配上的评分在不同任务难度下则无显著差异。

3.2 不同任务难度和技能水平下操作者的脑力负荷比较

NASA-TLX量表中的每一个维度均由一条从低到高分为10等分的直线表示。操作者首先根据自己的实际感受在六个维度的直线上分别做打分标记，其中“绩效表现”分数为操作者对本次任务绩效表现满意程度的主观评价。数据处理时，用10减去“绩效表现”分数，得到反应脑力负荷程度的真正“绩效表现”维度评分结果。脑力负荷总分通过对六个维度分数的代数求和获得。不同任务难度和技能水平下操作者的脑力负荷评价结果的均值和标准差如表4所示。

以任务难度和技能水平为自变量进行重复测量方差分析，观察两自变量对脑力负荷量表各维度分数和总分的影响，所得结果如表5所示。

表4 不同任务难度和技能水平下操作者的脑力负荷评价结果Table 4 Operators’mental workload at different task difficulties and skill levels

表5 脑力负荷各维度和总分的重复测量方差分析P值结果Table 5 P value of the repeated measures analysis of variance on mental workload of each dimension and the total score

ANOVA结果表明:①任务难度对脑力需求有显著影响(P=0.001)。高任务难度下，操作者对脑力需求的评分更高，说明操作者在进行高难度任务操作时需要占用更多的脑力资源。②任务难度对努力程度有显著影响(P=0.013)。高任务难度下，操作者对努力程度的评分更高，说明操作者在进行高难度任务操作时需要付出更多的努力。③任务难度对时间压力有显著影响(P=0.002)。高任务难度下，操作者对时间压力的评分更高，说明操作者在进行高难度任务操作时感受到的时间压力更大，更难以在有限的时间内顺利完成任务。④任务难度对脑力负荷总分有显著影响(P=0.003)。高任务难度下，操作者的脑力负荷总分更高，说明操作者在进行高难度任务操作时的整体脑力负荷更大。

ANOVA结果还表明:①技能水平对绩效表现有显著影响(P＜0.001)。初学者水平操作者对绩效表现的评分更高，说明初学者水平操作者对完成任务过程中的绩效表现以及最终的对接结果更不满意。②技能水平对脑力需求有显著影响(P=0.001)。初学者水平操作者对脑力需求的评分更高，说明初学者水平操作者在完成任务过程中需要占用更多的脑力资源。③技能水平对时间压力有显著影响(P＜0.001)。初学者水平操作者对时间压力的评分更高，说明初学者水平操作者在操作过程中感受到的时间压力更大，更难以在有限的时间内顺利完成任务。④技能水平对受挫程度有显著影响(P＜0.001)。初学者水平操作者对受挫程度的评分更高，说明初学者水平操作者在操作过程中更易感到沮丧和烦躁。⑤技能水平对脑力负荷总分有显著影响(P＜0.001)。初学者水平操作者的脑力负荷总分更高，说明初学者水平操作者在操作过程中的整体脑力负荷更大。

此外，ANOVA结果表明，任务难度和技能水平的交互作用对脑力负荷各个维度均无显著影响。

4 讨论

4.1 任务难度和技能水平对操作者情境意识水平的影响

情境意识是决策的重要前提和依据，而决策是后续行动(发出指令)的基础，如果情境意识不完全、不精确，即使训练有素和经验丰富的操作者，也可能做出错误的决策［22］。因此，本研究首先对不同任务难度和不同技能水平下操作者的情境意识水平进行分析比较。

统计结果表明，任务难度对情境的稳定性、情境的变化性、情境的复杂度、注意分配以及情境意识水平总分均有显著影响。低任务难度下，操作者更易对飞行器进行稳定控制，且由于需要同时调整的轴向个数较少，各轴向间关联程度较弱，因此操作者感知到的情境更简单，对需要调整的轴向可以进行更好的注意资源分配。此外，任务难度对注意集中程度有显著影响。由于高任务难度下需要控制的轴向个数和轴向间的关联程度均明显高于低任务难度，因此操作者在执行高难度任务时会投入更多的注意资源。因此，可以考虑将该维度评分应用于航天员手控交会对接任务难度评价。

统计结果表明，技能水平对情境的稳定性、情境的复杂度、注意分配以及情境意识水平总分均有显著影响。具有较高技能水平的操作者，对图像信息的感知通常更加敏感，对于多轴向同时变化的情境可以更全面的分配注意资源，在手柄方式选择和控制量的把握上更加准确。而无操作经验的初学者由于技能水平较低，容易发生操作错误，造成两飞行器间更大的相对位置偏差和更快的相对变化速度，无形中增大了任务难度。且在面对动态变化的操作情境时，初学者通常只能同时关注一至两个轴向的变化，因此在控制过程中容易顾此失彼，手忙脚乱。此外，技能水平对唤醒水平和信息质量有显著影响。对于无操作经验的初学者而言，常常无法分辨导致两飞行器间相对位置快速变化的根本原因，加之警觉水平不够高，通常难以应付突然变化的操作情境。因此，对于初学者水平操作者，可以进行专门的图像信息辨识训练，以提高信息感知和理解方面的能力。

4.2 任务难度和技能水平对操作者脑力负荷的影响

对于高风险高复杂度系统的操作任务而言，脑力负荷的评价和检测十分关键。Young与Stanton认为，脑力负荷反映了操作者为了满足一定的客观和主观绩效标准而付出的注意力资源的大小，与任务需求和个人经验有关［23］。因此本研究在明确手控交会对接任务特点后，对不同任务难度和不同技能水平下操作者的脑力负荷进行分析比较。

统计结果表明，任务难度对操作者的脑力需求、努力程度、时间压力和脑力负荷总分均有显著影响。在低难度科目中，两飞行器间初始时刻的相对位置和姿态偏差较小，且涉及偏差的轴向较少，因此操作者需要感知的图像信息比较简单，通常有充足的时间进行控制，即使操作失误也有相对宽裕的时间进行纠正。而在高任务难度下，操作者面对的操作情境更加复杂，各轴向间的关联程度更高，因此需要在有限的时间里调动更多的认知资源，付出更多的努力，进而造成脑力负荷的提高。Marcia等人的研究结果表明，在驾驶舱中加入自动化系统能够使飞行员将注意力全部集中在任务上，而不需要再花费大量精力搜寻必要信息，其脑力需求、时间压力和努力程度等维度的评分均显著降低［24］。因此，结合这一研究结果我们认为，在进行高任务难度操作时，可以考虑采取适当措施，如加入自动化辅助决策系统的支持，从而降低操作者的脑力负荷。

统计结果表明，技能水平对操作者的脑力需求、时间压力和脑力负荷总分均有显著影响。在本研究中，操作者的技能水平主要根据其训练时间和操作经验进行划分。初学者水平操作者由于对图像辨识方法掌握不够牢固，对手柄控制极性不够熟悉，在操作过程中往往需要对图像信息感知、位置判断和手柄选择等每一个认知环节进行有意识的分析，占用了大量的脑力资源。且由于图像辨识不敏感、控制量把握不准确或眼手脑配合不协调等原因，可能人为造成更大的相对位置偏差和变化速度，因此需要花费更多的时间进行纠正，更易感受到时间压力。而高技能水平的操作者通过大量训练经验的积累，通常能够掌握并归纳出一套适用于自己的图像线索对应的手柄控制规则，可以在整合完线索后迅速做出操作反应，较少的需要有意识的复杂认知分析，加之对手柄操作和控制量的把握更加准确，因此调用的认知资源就会减少，时间压力和脑力负荷会明显降低。由此可见，训练可以有效提高操作者整合图像线索、做出正确操作决策的速度，进而促进绩效水平的提高和脑力负荷的降低。

5 结论

本研究通过设计手控交会对接操作实验，探究了任务难度和技能水平对操作者情境意识和脑力负荷的影响，得到如下结论:

1)不同任务难度下操作者的注意集中程度有显著差别，因此可以考虑将该维度评分应用于航天员手控交会对接任务难度评价，但同时必须考虑到绩效表现容易受到操作者生理、心理状态和外部环境等多方面因素的影响，在衡量任务难度时需根据任务情境综合分析。

2)操作者的技能水平对其警觉水平和信息的获取和理解有显著影响。对于初学者水平的操作者，可以进行专门的图像信息辨识训练，以提高信息感知和理解方面的能力。

3)任务难度对操作者的脑力需求有显著影响。在进行高任务难度操作时，可以采取适当措施，如加入自动化辅助决策系统的支持，以降低操作者的脑力负荷。

4)操作者的技能水平对其脑力需求和时间压力方面的负荷有显著影响。训练能够使操作者逐步形成程序性的操作技能，对于提高操作者正确决策速度和降低时间压力有重要作用。

本研究对不同任务难度和技能水平下，操作者执行手控交会对接操作任务时的情境意识和脑力负荷差异进行了探究，研究结果可为相关航天任务和针对性的训练设计及评价提供理论参考，也可为潜在认知失误原因分析提供帮助。

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