不同任务需求下军用车辆乘员信息作业适宜性评价指标研究

傅斌贺， 刘西 张传清， 宋海军

(1.武警工程大学乌鲁木齐校区 装甲车技术系， 新疆 乌鲁木齐 830049； 2.陆军装甲兵学院 车辆工程系， 北京 100072)

0 引言

军用车辆乘员依托车载信息系统完成战场态势和车辆状态等信息的采集、传输、处理和存储等信息作业[1]，监控和操作任务随机性强，实时信息交互量大，操作行为复杂，对乘员能力提出了很高的要求。与此同时，不同的信息作业任务因其操作特点的不同，对乘员能力的需求有所差异。为满足这种差异性需求，应针对不同任务进行乘员的信息作业能力评价，依据评价结果进行乘员的选拔和训练。在这一过程中，建立与任务需求相适应的乘员信息作业适宜性评价指标，是乘员信息作业能力评价的重要环节和难点问题。因此，开展乘员的信息作业适宜性评价指标研究，有助于不同任务背景下乘员作业能力的科学评价，对发挥乘员能力和提高装备效能具有重要意义。

信息作业适宜性作为乘员的固有属性，体现为乘员认知能力和心理运动能力的个体差异。通过分析乘员认知能力和心理运动能力对信息作业任务绩效的影响，能够确定任务绩效的预测因子，从而建立乘员信息作业适宜性评价指标。关于认知能力和心理运动能力对任务绩效的影响作用，国内外学者进行了大量研究。Jipp[2]通过模拟实验分析认知能力对飞行监控任务绩效的影响，发现记忆能力和注意能力能够有效提高监控任务的反应速度。Brandenburger等[3]采用反应时作为自动化列车操作绩效的评价指标，研究了专业知识和自动化程度对列车操作绩效的影响。同时，心理运动能力测试已广泛应用于美国空军飞行员选拔测试中，如自动化飞行员测验系统、基本航空技能测试和维也纳心理测试系统等[4]。Cheong等[5]采用任务绩效回归建模研究心理运动能力对鼠标操作绩效的影响，发现手动灵活性和腕- 指速度是鼠标操作绩效的重要预测因子。Oehl等[6]通过对比实验研究心理运动能力对触屏操作绩效的影响，发现心理运动能力中瞄准能力是触屏操作绩效的重要预测因子。Pan等[7]通过模拟实验建立空间飞行应急操作绩效预测模型，发现注意能力是任务完成时间和错误率的重要预测因子。雷寰宇等[8]采用多目标追踪的变式方法调查了飞行员在躲避干扰物时的追踪绩效，结合飞行员任务特点选取了持续追踪时间作为手眼协调能力的评价指标。刘旭峰等[9]和韩厉萍[10]采用复杂选择反应测试评估飞行员基于操纵杆按键的双手操纵能力。

然而，不同类型的作业任务具有不同的操作特点，对操作人员提出了不同的任务需求，操作人员的表现仅受到特定任务需求的影响[11]。例如：工业事故应急处理过程中，负责管理决策任务的管理者，其行为受到认知和心理方面影响更大，而负责执行操作任务的团队成员，其行为受到心理和生理影响更大[12]。在车辆驾驶任务中，正常情况驾驶与危险情况驾驶具有不同的驾驶行为特征，两种情况下对驾驶技能的需求也存在差异。正常情况驾驶采用搜索、速度控制和方向控制等驾驶行为表征，需要的驾驶技能为动态视觉信号感知能力、场依存性和注意能力；危险情况驾驶采用搜索、确认、预测、决定和执行等驾驶行为表征，需要的驾驶技能为场依存性[13]。以上研究结果表明，适宜性评价指标的选取会在不同的任务需求下存在差异。

综上所述，以往研究采用认知能力或心理运动能力单独确定操作员作业能力评价指标，在反映不同任务对两种能力的差异性需求方面还需要进一步分析。鉴于此，本文针对军用车辆信息录入和原地对静止目标射击两种任务开展实验研究，基于认知能力和心理运动能力建立任务绩效多元回归模型，对比分析两种任务不同的绩效预测因子，从而建立与任务需求相适应的乘员信息作业适宜性评价指标。

1 实验方法

1.1 被试人员

选取30名具有相同培训经历和专业等级的乘员，年龄在20～25岁(平均年龄21岁)，男性，均为右利手，身体健康，听力和矫正视力正常。

1.2 测试系统

测试系统为自主开发的装甲车辆信息系统人机工效实验平台[14]，能够实现作业模拟、绩效测试、参数设置和数据管理等功能。作业模拟功能随机生成任务信息，模拟信息处理和射击操作过程；绩效测试功能实时记录操作行为、完成时间、操作次数和错误次数等测试结果；参数设置功能通过修改选项数量、信息容量、作业时间、间隔时间、作业次数等参数，实现任务复杂度和时间压力的设置。

1.3 实验内容

1.3.1 认知能力测试

反应能力通过选择反应时测量[15]。屏幕随机呈现3种颜色视觉刺激中的1种，要求被试人员以最快速度按下相应颜色按键。选择反应时为视觉刺激出现至被试人员正确按键之间的时间。1 s后开始下一次测试，20次实验结果取均值为被试人员的选择反应时。

记忆能力通过短时记忆广度测量[16]。屏幕随机呈现单个数字，组成数字序列，每个数字显示1 s，数字之间间隔0.3 s. 测试从5位数字的数字序列开始，每位数字序列连续测试3次，位数逐渐增加直至被试人员错误操作连续3次。数字序列消失后，被试人员输入显示的数字序列，要求数字序列内容和顺序都完全吻合。被试人员的短时记忆广度定义为连续正确复现3次的数字序列位数与下一位数正确复现次数1/3的总和。

注意能力通过注意广度测量[7]。屏幕呈现一个三角形测试板，以50 r/min的速度逆时针匀速转动，转动中的三角形测试板透明图案产生运动光斑。要求被试人员手握测试棒，使测试棒在1 min内最大程度地持续追踪旋转光斑。被试人员的注意广度定义为测试棒成功追踪旋转光斑的总时间。

1.3.2 心理运动能力测试

手眼协调能力通过描绘信封靶成绩测量。屏幕呈现信封靶图形，要求被试人员通过操纵火控系统操纵台沿着信封靶图形边缘移动准星，以最快速度描绘信封靶完整图形。描绘线距中心线不超过6 mm为描绘成功，成功描绘的总时间即为被试人员的描绘信封靶成绩。

双手操纵能力通过双手选择反应成绩测量。屏幕呈现4个指示灯，一一对应于火控系统操纵台左右手的4个按键。某一指示灯亮起时，要求被试人员以最快速度按下对应位置按键，测试时间为1 min. 左、右手选择反应正确率的几何平均数即为被试人员的双手选择反应成绩。

1.3.3 信息作业任务绩效测试

军用车辆乘员专业技术分为通信、射击和驾驶3项，要求通信指挥可靠，射击准确及时，驾驶快速平稳，协同动作密切。其中，通信和射击专业任务基于车载信息系统操作，是乘员重要的信息作业任务。要求车长熟练使用各种通信指挥工具，迅速发现、选择和指示目标，正确运用通信规则实施指挥和协同；要求炮长熟悉武器系统基本构造和工作原理，掌握观察测距、武器操作、瞄准发射、规则运用和车内协同等技能，熟练使用车载武器进行准确射击。信息录入任务是车长通信专业任务最常用的作业内容之一，贯穿作业任务始终，信息录入过程中的菜单选择和数字输入操作为基于信息系统的信息作业典型操作形式；原地对静止目标射击任务是炮长射击专业任务最常用的作业内容之一，其目标搜索、选弹、装弹、瞄准、测距和击发等操作是对运动目标射击和行进间射击等射击任务操作的基础。因此，选取信息录入任务和原地对静止目标射击任务分别作为车长通信专业任务和炮长射击专业任务的测试内容。

信息录入任务是指乘员发现目标后识别、判断目标的属性信息，基于车载信息系统录入上报的过程，如图1所示为信息录入任务界面示意图。

图1 信息录入任务界面Fig.1 Illustration of information imputing task interface

系统随机模拟信息录入任务情境，生成包含目标属性、类型、数量、方位和速度的目标信息。屏幕右下角显示目标信息最长3 s，直至被试人员按下“输入”按键，被试人员在有限时间内快速理解和记忆目标信息内容。目标信息显示后，要求被试人员通过菜单单选和键入的方式以最快速度输入目标信息。每次测试以按下“输入”键开始计时，以按下“确定”键结束。间隔2 s后进行下一次测试，被试人员的任务绩效通过10次测试的任务完成时间均值和错误率两项指标表征。

原地对静止目标射击任务是指乘员接收敌方目标信息后，基于火控系统和操纵台进行目标搜索和瞄准击发的过程，如图2所示为原地对静止目标射击任务界面示意图。

图2 原地对静止目标射击任务界面Fig.2 Illustration of in-situ target shooting task interface

系统随机模拟原地对静止目标射击任务情境，生成包含弹种、目标方位、目标类型、击发命令的任务信息，以及复杂地貌和遮蔽物条件下的目标位置。任务信息通过语音形式呈现1次，被试人员在接收任务信息后，在20 s的有限时间内通过火控系统和操纵台以最快速度完成目标搜索、选弹、装弹、瞄准、测距和击发等操作。每次测试以击发命令开始计时，以按下“击发”键结束，间隔3 s后进行下一次测试，被试人员的任务绩效通过10次测试的任务完成时间均值和未命中率两项指标表征。

1.4 实验设计

实验开始前被试人员进行20 min练习以熟悉实验系统和操作流程。实验采用被试内设计，为避免顺序效应和学习效应，所有被试人员按照认知能力、心理运动能力、信息录入任务、原地对静止目标射击任务的顺序完成实验，相邻实验之间安排10 min休息时间。

1.5 数据分析方法

采用双变量相关分析的Spearman秩相关系数分析任务绩效、认知能力和心理运动能力之间的相关关系，采用逐步多元回归分析方法确定基于认知能力和心理运动能力的任务绩效预测因子。

2 实验结果

如表1所示为被试人员的认知能力、心理运动能力和任务绩效测试结果。反应能力、信息录入任务(任务A)完成时间和错误率、原地对静止目标射击任务(任务B)完成时间和未命中率等结果的较高数值表示较差的表现，记忆能力、注意能力、手眼协调能力和双手操纵能力等结果的较高数值表示较好的表现。

表1 认知能力、心理运动能力和任务绩效测试结果Tab.1 Measurement results of cognitive ability, psychomotor ability and task performance

2.1 任务绩效相关分析

为确定不同任务下绩效结果的关系，对任务A和任务B绩效结果进行相关分析，如表2所示为任务A与任务B绩效相关分析结果。从中可以看出，任务A与任务B绩效结果相关性不显著，执行任务A所需的认知能力和心理运动能力可能与任务B不同。

表2 任务A与任务B绩效相关分析Tab.2 Correlation between Task A and Task B performances

注:*表示差异显著，显著性概率<0.05.

2.2 任务绩效与认知能力和心理运动能力相关分析

为检验认知能力和心理运动能力与任务绩效的相关性，对任务绩效与认知能力和心理运动能力进行相关分析，结果如表3所示。对于任务A，完成时间与反应能力(相关系数r=0.470，显著性概率p=0.009)、记忆能力(r=-0.598，p=0.000)和注意能力(r=-0.651，p=0.000)显著相关，错误率与记忆能力(r=-0.715，p=0.000)和注意能力(r=-0.644，p=0.000)显著相关，任务A绩效与心理运动能力相关性不显著。

表3 任务绩效与认知能力和心理运动能力 相关分析Tab.3 Correlation between task performance and cognitive ability (psychomotor ability)

注:*表示差异显著，p<0.05.

任务B的完成时间与注意能力(r=-0.416，p=0.022)、手眼协调能力(r=-0.552，p=0.002)和双手操纵能力(r=-0.513，p=0.003)显著相关，未命中率具有相同的趋势(r=-0.516，p=0.004；r=-0.447，p=0.013；r=-0.456，p=0.011)，任务B绩效与反应能力和记忆能力没有显著的相关性。

2.3 任务绩效的多元回归分析

为确定基于认知能力和心理运动能力的任务绩效预测因子，采用逐步多元回归分析方法，对认知能力和心理运动能力与任务绩效之间建立多元回归模型，结果如表4所示，其中B为非标准化参数，β为标准化参数，R2为决定系数。对于任务A，注意能力(p=0.022)、记忆能力(p=0.003)和反应能力(p=0.028)是完成时间的显著预测因子，能够解释63.4%的变化。记忆能力(p=0.001)和注意能力(p=0.003)是错误率的显著预测因子，能够解释62.0%的变化。由标准化参数β可以看出，记忆能力对完成时间(β=-0.424)和错误率(β=-0.509)影响程度最大。

对于任务B，手眼协调能力(p=0.000)和注意能力(p=0.011)是完成时间的显著预测因子，能够解释50.7%的变化。双手操纵能力(p=0.005)和注意能力(p=0.006)是未命中率的显著预测因子，能够解释42.9%的变化。手眼协调能力(β=-0.580)对完成时间影响程度最大，双手操纵能力(β=-0.445)对未命中率影响最大。基于认知能力和心理运动能力的任务绩效回归方程如下：

表4 逐步多元回归分析结果Tab.4 Results of stepwise multiple regression analysis

注:*表示差异显著，p<0.05.

(1)

式中：yACT为任务A完成时间；yAER为任务A错误率；yBCT为任务B完成时间；yBER为任务B未命中率；xRA为反应能力；xMA为记忆能力；xAA为注意能力；xHECA为手眼协调能力；xBOA为双手操纵能力。

3 讨论

本文主要目的是基于认知能力和心理运动能力确定任务绩效的预测因子，建立乘员在不同任务需求下的信息作业适宜性评价指标。有理由期望，在一项任务中表现优异的乘员，在另一项任务也趋向于显示出较好的绩效。然而，本文研究结果与这个预期相悖，实验数据表明乘员的信息录入任务绩效与原地对静止目标射击任务绩效没有关联。对于这个结果可以推测，不同任务对乘员能力的需求可能具有差异。尽管两项任务的绩效指标类似，但任务背景和操作特点差异明显。信息录入任务中手指通过触屏对视觉目标直接操作，视觉目标随操作动作同步变化[17]，操作过程主要涉及识别、选择反应、记忆、决策等认知行为[18]。相比之下，原地对静止目标射击任务中双手通过火控系统操纵台对准星进行间接操作，准星移动与操作动作不同步，双手分别控制不同功能，更加强调意识对肢体动作的支配和协调。

对于信息录入任务，完成时间与反应能力、记忆能力和注意能力显著相关，错误率与记忆能力和注意能力显著相关，结果与之前研究相一致[19]。信息录入任务为单手通过触屏直接、实时操作，操作过程涉及手眼协调能力和双手操纵能力较少，因此任务绩效与心理运动能力相关不显著。

原地对静止目标射击任务的完成时间和未命中率均与心理运动能力和注意能力显著相关，注意资源的高度集中和合理分配对于信息作业执行的速度和准度都尤为重要[2,7]。反应能力主要反映的是简单操作的认知行为能力，但射击专业任务更多要求的是反应认知行为之后的执行操作能力。原地对静止目标射击任务中所需记忆的内容信息量小，仅为弹种和目标方位，并且第一项操作即为选弹，不需要维持长时间记忆，因此任务绩效与反应能力和记忆能力相关性不显著。这一结果也与任务绩效相关分析结果相符，信息录入任务的整个操作过程都需要维持对目标信息的记忆，实验结果显示信息录入任务完成时间与错误率呈显著的正相关，可以理解为以更快的速度完成信息录入任务，能够减少所需维持记忆的时间，从而降低记忆难度，有助于达到更高的准确性。然而，这种相关性在原地对静止目标射击任务中并不显著，这是因为射击专业任务主要操作过程为目标搜索和瞄准，相对充足的瞄准时间甚至有利于提高命中率，由此出现作业速度和准度之间的权衡[20-21]效应。而在这个操作过程中不需要对目标信息维持长时间的记忆，因此更好的记忆能力无法对射击专业任务绩效做出贡献。

多元回归分析结果表明，不同任务的绩效预测因子具有差异。对于信息录入任务，完成时间的显著预测因子为反应能力、记忆能力和注意能力，错误率的显著预测因子为记忆能力和注意能力，通信专业任务绩效的预测因子主要为认知能力。对于原地对静止目标射击任务，完成时间的显著预测因子为注意能力和手眼协调能力，未命中率的显著预测因子为注意能力和双手操纵能力，射击专业任务绩效的预测因子同时涉及了认知能力和心理运动能力。这种差异表明任务绩效的预测因子随任务而改变，乘员信息作业适宜性评价指标的选取应与任务背景和操作特点相适应。

从任务绩效预测因子的影响程度也可以看出，记忆能力对信息录入任务绩效影响最大，通信专业任务应优先选拔和培训记忆能力较好的乘员。在执行原地对静止目标射击任务时，虽然注意能力也是任务绩效的重要预测因子，但心理运动能力影响更大。相比于认知能力，射击专业任务的乘员选拔和训练应更加强调心理运动能力。

4 结论

1)不同的信息作业任务对乘员能力需求具有差异性，军用车辆乘员作业能力评价应结合任务需求建立作业适宜性评价指标，从而解决乘员能力与任务需求之间的适应性问题。

2)开展乘员作业能力评价工作，建议针对不同任务采用相应的作业适宜性评价指标。对于通信专业任务，选取反应能力、记忆能力和注意能力作为操作速度适宜性评价指标，记忆能力和注意能力作为操作准度适宜性评价指标；对于射击专业任务，选取手眼协调能力和注意能力作为操作速度适宜性评价指标，双手操纵能力和注意能力作为操作准度适宜性评价指标。

3)军用车辆乘员选拔和训练中，通信专业任务应重点考察记忆能力，射击专业任务应侧重于心理运动能力测试。研究结果为确定与任务需求相适应的乘员作业能力评价指标提供参考，为针对其他任务背景的乘员选拔和训练提供借鉴。