计算机模拟警戒作业疲劳与绩效测量实验设计*

吴雪琴，廖 斌

(1.电子科技大学成都学院 计算机系，四川 成都 611731； 2.四川师范大学 商学院，四川 成都 610101)

0 引言

随着信息化和自动化的深入，生产领域中人的角色逐渐由直接生产者转变为监视控制的决策行为者[1]。这些作业需要作业者长时间为觉察特定的、难以预测而又较少出现的信号持续保持准备状态，亦被称之为警戒作业[2]。警戒作业中以视觉监控警戒作业最为常见，比如工业生产质量控制、空中交通管制、核电站数字控制等[3]。作业者长时间的持续视觉注意会导致作业绩效的下降，甚至引发生产安全事故。因此，学者们对视觉监控警戒作业绩效问题进行大量研究。早期研究主要关注作业时间对绩效的影响规律，早在1948年，Mackworth[4]利用模拟时钟实验证实长时间视觉监控作业会导致绩效下降的假设；金端等[5]证实视觉监控警戒作业中，过长的持续时间会带来绩效的显著下降；郭秀艳等[6-7]认为在60 min内视觉监控警戒作业绩效比较稳定，但随着作业时间的延长，绩效会呈现下降趋势。近年来，学者们开始探索导致长时间监控警戒作业绩效下降的原因，Tiwari等[8]、张德乾[9]、Zhang等[10]、Mastaneh等[11]、Yao等[12]均认为长时间作业导致的疲劳是引起视觉监控警戒绩效下降的直接原因，但是这些成果并未对何时开始出现疲劳形成共识，而且未对疲劳的类型、疲劳的形成原因做进一步研究。Moritz等[13]在分析疲劳分类的基础上，提出视觉疲劳和心理疲劳是导致监控警戒作业绩效衰退的重要原因，但是并未分析疲劳致因在作业疲劳与绩效关系中的中介效应，而且忽略了长时间坐姿导致肌肉紧张的影响。虽然已有研究对监控警戒作业疲劳的出现时间、疲劳对绩效的影响机理等方面存在不足或争议，但是学者们普遍认同：监控警戒作业绩效在较短时间内稳定，长时间以后作业绩效会出现显著下降趋势。

合理安排工间休息是解决监控警戒作业过程中因疲劳导致作业绩效下降问题的重要手段[14]。绩效测量法是确定疲劳的最常用方法[15]，绩效拐点常被用来判断作业疲劳，绩效拐点出现的时间则被用作工间休息安排的依据。因此，可设计“计算机模拟警戒作业疲劳与绩效测量实验”，探索视觉监控警戒作业工间休息制度的安排方法和理论依据。但是，实验所获数据与学者们普遍认同的经典理论——“监控警戒作业绩效在较短时间内稳定，长时间以后作业绩效会出现显著下降趋势”存在较大矛盾。基于此，本文对实验方案中警戒作业疲劳与绩效的影响因素进行深入分析，重新设计该实验。

1 原有实验方案存在问题分析

1.1 原有实验方案

1.1.1 实验任务

应用visual studio 2019编程设计任务模拟视觉监控警戒作业。任务界面为圆形时钟，时钟半径100 mm，背景颜色为灰色，只有1根指针，设计为黑色细长箭头形状，时钟圆周外围均匀分布60个刻度。指针按顺时针方向每2 s转动1个刻度，当指针1次移动2个刻度时，表示信号出现，被试者需要在3 s内按space键反应，如果超过3 s没有按键，软件将自动记录为漏报。整个实验持续90 min，信噪比平均1/20，信号随机出现，随机间隔时间≥60 s。实验界面如图1所示。

图1 实验界面Fig.1 Interface of experiment

1.1.2 实验设备与环境

实验主要设备为联想台式机电脑搭载22英寸液晶显示器，应用visual studio 2019编程设计视觉监控警戒作业界面。实验配备标准电脑操作台，高度可调节工作座椅。实验室内为日光灯照明，保持300 lx照度水平，噪音水平控制在40 dB(A)以内，开窗通风。

1.1.3 实验步骤及实验数据处理

被试者为大三学生。调整好实验照明、噪音和通风环境，被试者调节好座椅后端正就坐于电脑操作台前，开始测试。90 min内被试者需保持警戒状态，注视液晶显示器任务界面，发现信号被试者需在3 s内按space键响应。90 min时实验程序自动结束。

软件记录被试者0～90 min内的正确反应、误报和漏报次数。将90 min测试时间分为9个单元，每个单元10 min，统计每名被试者每个单元的作业绩效(正确率)，如式(1)所示：

(1)

式中：Pij为第i名被试者在第j单元的作业绩效；FAij为第i名被试者在第j单元的误报次数；Mij为第i名被试者在第j单元的漏报次数；Sij为第i名被试者测试第j单元时的总信号数。

分析视觉监控警戒作业时间疲劳与作业绩效的关系，绘制绩效曲线。

1.2 原有实验存在问题分析

1.2.1 实验数据分析

将2016—2019年该实验采集到的实验数据重新整理(共198个被试者数据)，统计每个时间单元的作业绩效均值，如式(2)所示：

(2)

式中：Pj为时间单元j的作业绩效均值；n为被试者数量。

实验方案作业绩效均值见表1。

表1数据显示作业绩效在9个时间单元中波动明显。通过t检验分析作业绩效均值在9个时间单元中两两之间的差异，实验方案作业绩效t检验结果见表2。

表1 实验方案作业绩效均值Table 1 Average work performance of experimental scheme

由表2可知，被试者在第1，2单元之间绩效无差异(P>0.05)，这2个单元与其他单元之间绩效存在显著差异(P<0.05)；第5，7，8单元之间绩效无差异(P>0.05)，这3个单元与其他单元之间绩效存在显著差异(P<0.05)；第6，9单元之间绩效无差异(P>0.05)，这2个单元与其他单元之间绩效存在显著差异(P<0.05)；第3，4两个单元与其他单元之间绩效均存在显著差异(P<0.05)；最差绩效出现在第3单元，正确率为88.5%，而第4单元为绩效最好单元，正确率为98.3%。很明显，结论与经典理论“考虑作业疲劳，视觉监控警戒作业绩效在短时间内稳定性较好，但随着时间的延长，作业绩效会出现持续下降的趋势”存在较大矛盾。

表2 实验方案作业绩效t检验结果Table 2 Results of t-test on work performance of experimental scheme

1.2.2 视觉监控警戒作业疲劳的致因分析

不同领域作业疲劳的致因不同，因而定义存在差异，迄今尚无统一定义。一般认为作业疲劳是指劳动者在一定环境条件下，由于长时间或过度紧张的体力或脑力劳动引起的劳动效率趋向下降的状态[16]。通过作业特征分析，长时间视觉监控警戒作业疲劳的致因主要有：1)长时间视觉注视；2)长时间保持某种姿势导致的肌肉紧张；3)长时间保持准备状态导致的心理紧张。其中1)和2)属于生理疲劳致因，3)属于心理疲劳致因。

作业疲劳会导致绩效下降，绩效测量简单且直观，因此，绩效测量法是确定疲劳的最常用方法[14]。视觉监控警戒作业属于典型的单调作业[17]，作业过程中易出现心理厌倦[18]和暂时性注意缺失[13]，这2种情况会导致绩效的暂时性下降[9]。因此，实验方案中用来确定疲劳的绩效数据可能有心理厌倦和注意缺失的贡献，作业疲劳与绩效之间关系受到干扰因素“心理厌倦和注意缺失”的影响。

1.2.3 心理厌倦对作业绩效的干扰

实验任务属于单调作业，长时间作业使作业者产生心理厌倦。在实验方案中，并未采取相关措施预防被试者可能出现的心理厌倦情绪。表1数据显示，被试者第3单元的绩效出现急剧下降，正确率仅为88.5%，第4单元绩效出现大幅回升。究其原因，可能被试者测试到30 min左右出现心理厌倦和烦躁情绪，而固定为45 min的课堂学习所形成的生物钟使得学生被试者在第4单元期间大脑兴奋度提高，进而绩效回升。可见，心理厌倦对作业绩效产生明显的影响。

1.2.4 暂时性注意缺失对作业绩效的干扰

实验方案需要被试者长时间保持注意准备状态，但是在简单单调作业任务中，人很难长时间持续保持这种状态。在实验方案中，并未采取相关措施预防被试者可能出现的暂时性注意缺失。根据表1数据分析：被试者测试到第5单元时由于注意缺失严重，绩效显著下降；可能由于对第5单元测试结果的自我感知较差，被试者在第6单元自我调节觉醒状态，致使绩效间歇性回升；到第9单元临近测试结束，被试者大脑兴奋度提高导致绩效再次提升。可见，暂时性注意缺失影响作业绩效。

1.2.5 工间休息视角下作业疲劳、心理厌倦和注意缺失的调节

工间休息是指劳动者在较长时间的持续劳动中由其自然需求的中断形成的休息，是劳动者在劳动过程中调节生理心理疲劳、提高作业效率的主要方式[16]。但是过于频繁的工间休息会将作业过程碎片化，影响工作质量。因此对于某些能通过改善工作环境或任务形式调整的绩效下降致因，尽量不要通过工间休息的形式调节。

在长时间的视觉监控警戒作业过程中，作业者会出现作业疲劳、心理厌倦和暂时性注意缺失，3种因素均会导致作业绩效下降。作业疲劳(包括体力疲劳和脑力疲劳)只能通过工间休息调节[20-22]，而作业者的心理厌倦和注意缺失则可以通过作业任务的良好设计予以缓解甚至消除[16]，换言之，由于心理厌倦和注意缺失所致疲劳带来的绩效下降不应该做为工间休息的依据。因此，改进实验方案，消除心理厌倦和注意缺失对作业疲劳和绩效之间关系描述的干扰，则能获得作业疲劳与绩效之间的纯净关系，正确判断由于作业疲劳导致绩效下降的时间拐点，为视觉监控警戒作业工间休息制度的设计提供理论依据。

2 实验方案改进

1)调整任务界面形式。实验方案中任务界面为圆形指针式时钟，将指针重新设计为“细长矩形、细长三角形、细长箭头”3种形状，时钟背景颜色设置为“浅灰、灰、深灰”3种形式，共组合成9种(3×3)搭配。将9种搭配方式固定编号为C1～C9，被试者以9人为单位分组，并编号为S1～S9。为消除任务界面差异的影响，9人组内每个时间单元的任务界面搭配方式实行均匀分配，任务界面安排见表3。如被试者总数不能被9整除，则余数部分按表3的行顺序安排完即可。以上改进通过visual studio 2019编程实现。改进后，被试者测试经历的每个时间单元的任务界面均不一样，有利于消除被试者心理厌倦情绪[19]。

表3 任务界面安排Table 3 Arrangement of task interface

2)调整任务参数。提高任务信噪比至1/12，信号出现的随机时间间隔设置为双限值，在10～80 s的范围内信号有限随机出现，以上改进通过visual studio 2019编程实现。方案改进后可避免长时间无信号出现的可能性，增加被试者的反应频率，有利于提高被试者的觉醒水平，降低注意缺失的概率[18]。

3)设置任务告警声音和任务进度条。任务中添加声音文件，每隔2 min播放语音告警，提醒被试者集中注意力[3]；在显示屏幕正上方添加时间进度条，让被试者知道实验的时间进程。以上通过visual studio 2019编程实现。改进能有效防止被试者注意的缺失，降低被试者的心理厌烦情绪。改进后实验界面如图2所示。

图2 改进后实验界面Fig.2 Improved experimental interface

4)被试者实验前自我检查和培训环节。要求被试者自查自己的生理状态、心理状态、觉醒水平是否正常，如果感觉不好，建议终止本次实验。正式实验前，向被试者详细说明实验的目的和要求，进行3 min练习，并告知被试者正式实验的钟表背景颜色和指针形状存在一定差异，然后进入正式实验。

3 实验方案改进后的实践

90名大三学生参加改进后实验方案测试，共采集到有效数据90组，统计每个时间单元的作业绩效均值Pj，改进后作业绩效均值见表4。

表4 改进后作业绩效均值Table 4 Average work performance after improvement

分析作业绩效均值在9个时间单元中两两之间的差异，改进后作业绩效t检验结果见表5。

表5 改进后作业绩效t检验结果Table 5 Results of t-test on work performance after improvement

表4～5数据显示：作业绩效在前5个时间单元内(前50 min)均处于较高水平(正确率保持在96.2%～97.2%)，波动较小，5个时间单元之间均无显著差异(P>0.05)；从60 min开始，即第6，7，8，9 4个时间单元与其他时间单元的绩效均存在显著差异，表明作业绩效持续下降趋势显著。改进后实验方案数据分析结果与经典理论基本一致，比较清晰地描述了视觉监控警戒作业疲劳与作业绩效之间的关系。

4 结论

1)实验方案的合理设计和实验过程的严格控制是验证理论知识、掌握实践技能、探索科学问题的有效保障。

2)视觉监控警戒作业疲劳的主要致因是长时间视觉注视疲劳、长时间肌肉紧张和长时间准备状态引起的心理紧张。

3)心理厌倦和暂时性注意缺失是影响单调作业绩效的非疲劳因素，干扰作业疲劳与绩效之间的关系描述，影响作业疲劳所致绩效拐点时间的判断。

4)改进后实验方案的时间单元仍然为10 min，尚不能精确描述作业时间与绩效之间的数量关系、确定绩效时间拐点。要实现此目标，还需升级实验程序并进一步优化任务设计。