王 萌，張宜靜，2，杜曉平，黃偉芬，2，吳 斌

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094;2.人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

1 引言

手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的連續(xù)操作任務(wù)。航天員通過觀察顯示器中的目標(biāo)圖像，以及飛船測(cè)量系統(tǒng)提供的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)判斷兩飛行器間的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)控制規(guī)則操縱平移和姿態(tài)手柄完成一次決策任務(wù)。之后，飛船狀態(tài)發(fā)生變化，加之發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏差和羽流等因素對(duì)飛船位置和姿態(tài)調(diào)整產(chǎn)生的影響，因此航天員必須重新進(jìn)行觀察、判斷和操作。在整個(gè)過程中，航天員的認(rèn)知與決策活動(dòng)持續(xù)交替進(jìn)行，因此對(duì)其情境意識(shí)水平提出了較高要求。且在操作過程中，航天員需要實(shí)時(shí)進(jìn)行注意資源分配，保持眼手腦協(xié)調(diào)以及六個(gè)自由度操作上的協(xié)調(diào)，因此使得他們?cè)趫?zhí)行任務(wù)過程中承受著較大的腦力負(fù)荷［1］。

作為人因領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，情境意識(shí)和腦力負(fù)荷的概念得到了廣泛關(guān)注。國內(nèi)外研究者運(yùn)用“情境意識(shí)”作為評(píng)價(jià)人機(jī)系統(tǒng)的重要指標(biāo)［2，3］，其研究對(duì)象包括民航飛行員、空中交通管制員和核電廠的操作員等［4-8］。最被廣泛引用的情境意識(shí)理論是Endsley的三水平模型，即操作者對(duì)于系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的感知、理解和未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)能力［9］。這三個(gè)水平組成了操作者執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)態(tài)任務(wù)必須經(jīng)歷的思維過程。因此，情境意識(shí)水平被認(rèn)為是操作者能否順利獲取信息，進(jìn)而完成正確認(rèn)知活動(dòng)的重要影響因素。對(duì)腦力負(fù)荷的評(píng)價(jià)是高風(fēng)險(xiǎn)高復(fù)雜系統(tǒng)中的研究重點(diǎn)，在飛機(jī)駕駛、核電站控制和機(jī)場(chǎng)調(diào)度等領(lǐng)域均有相關(guān)研究［10］。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為腦力負(fù)荷是一個(gè)多維度的概念，會(huì)受到具體工作要求、操作者努力程度、操作者能力以及時(shí)間要求等多方面因素的影響［11］。因此，對(duì)操作者的腦力負(fù)荷進(jìn)行研究將有利于挖掘人在操作過程中的內(nèi)在心理壓力以及認(rèn)知負(fù)荷的變化情況。

文獻(xiàn)調(diào)研表明，目前國內(nèi)外研究者已經(jīng)對(duì)情境意識(shí)水平和腦力負(fù)荷的評(píng)價(jià)開展了大量研究，但還沒有將其關(guān)注到航天任務(wù)中。此外，在航天員訓(xùn)練分析后發(fā)現(xiàn)，任務(wù)難度和技能水平是航天員績(jī)效表現(xiàn)的重要影響因素，但關(guān)于它們對(duì)情境意識(shí)和腦力負(fù)荷的影響還缺乏認(rèn)識(shí)。因此，本研究設(shè)計(jì)了手控交會(huì)對(duì)接操作實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同任務(wù)難度和技能水平下志愿者的情境意識(shí)和腦力負(fù)荷差異進(jìn)行探究。研究結(jié)果將為后續(xù)航天任務(wù)和訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，并為連續(xù)動(dòng)態(tài)操作情境下，操作者的認(rèn)知失誤原因分析提供幫助。

2 研究方法

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)重復(fù)測(cè)量的兩因素實(shí)驗(yàn)，探討任務(wù)難度和技能水平對(duì)情境意識(shí)和腦力負(fù)荷的影響。重測(cè)因素為任務(wù)難度，分組因素為技能水平。因變量為操作者的情境意識(shí)水平和腦力負(fù)荷。每名志愿者進(jìn)行6次手控交會(huì)對(duì)接操作，并在每次操作完成后填寫SART和NASA-TLX主觀量表。

2.1 實(shí)驗(yàn)變量設(shè)計(jì)

2.1.1 自變量

情境意識(shí)被用于描述操作者的注意、感知和決策過程，因此往往會(huì)受到操作者知識(shí)結(jié)構(gòu)和水平、認(rèn)知能力、操作經(jīng)驗(yàn)以及當(dāng)前所處客觀任務(wù)環(huán)境等多方面因素的影響［12，13］。而腦力負(fù)荷與任務(wù)需求和個(gè)人能力密切相關(guān)，任務(wù)復(fù)雜度、精度要求、時(shí)間要求以及個(gè)人的策略和操作狀態(tài)等都會(huì)對(duì)腦力負(fù)荷的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響［14，15］。因此，實(shí)驗(yàn)選擇任務(wù)難度和技能水平作為自變量。

1)任務(wù)難度

操作科目的任務(wù)難度由對(duì)接初始時(shí)刻兩個(gè)飛行器間各個(gè)軸向上的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度決定，主要包括三個(gè)方向上(前后，上下和左右)的平移偏差和速度以及三個(gè)維度上(俯仰，偏航和滾動(dòng))的姿態(tài)角度和姿態(tài)角速度。本研究根據(jù)工程設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際訓(xùn)練中的兩飛行器初始偏差設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定了低難度和高難度兩個(gè)難度水平。初始偏差越小，說明任務(wù)的難度水平越低。初始偏差的大小與實(shí)際對(duì)接的操作初始距離有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中的偏差水平參照航天員實(shí)際訓(xùn)練中的標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行設(shè)置，初始距離統(tǒng)一設(shè)定為120 m?；镜钠钤O(shè)置標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 對(duì)接初始距離120米時(shí)偏差設(shè)置條件Table 1 Initial deviation setting standards of 120 meters Docking distance

2)技能水平

技能水平主要根據(jù)志愿者的練習(xí)時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行劃分，根據(jù)志愿者的手控交會(huì)對(duì)接操作經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)定了初學(xué)者和專家兩種技能水平。初學(xué)者水平志愿者在實(shí)驗(yàn)前無任何手控交會(huì)對(duì)接操作經(jīng)驗(yàn)，僅在招募后接受了理論培訓(xùn)，并進(jìn)行了三次操作體驗(yàn)。專家水平志愿者均已參加過200學(xué)時(shí)以上的操作訓(xùn)練，且可保證每次操作均對(duì)接成功。

2.1.2 因變量

1)情境意識(shí)水平

情境意識(shí)方面的測(cè)量工具很多，主要分為客觀評(píng)定法和自我主觀打分法。自我主觀打分法有利于獲得操作者情境意識(shí)經(jīng)驗(yàn)中的潛在認(rèn)知過程，且簡(jiǎn)單易行、不會(huì)受到外界干擾［16］。SART是情境意識(shí)水平自我主觀打分法中最常用且被全面測(cè)試過的一種方法。該量表通過情境的穩(wěn)定性、情境的變化性、情境的復(fù)雜度、喚醒水平、剩余心理資源、注意分配、注意集中程度、信息數(shù)量、信息質(zhì)量和對(duì)情境的熟悉程度等10個(gè)維度對(duì)操作者的情境意識(shí)水平進(jìn)行度量［17］。目前關(guān)于SART量表已經(jīng)開展了大量研究，其信度和效度均已得到驗(yàn)證。且Selcon等人的研究結(jié)果表明，SART評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)出了對(duì)任務(wù)難度和操作者經(jīng)驗(yàn)的敏感性［16］。因此在本實(shí)驗(yàn)中，情境意識(shí)水平將通過志愿者填寫SART主觀量表獲得。

2)腦力負(fù)荷

主觀量表法是目前最簡(jiǎn)單、最流行的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)方法，其理論基礎(chǔ)是操作者腦力資源的占用與個(gè)人的主觀努力感受相關(guān)，并且這種感受可由操作者準(zhǔn)確表達(dá)［18，19］。常見的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)主觀量表分為單維和多維兩種類型，多維量表在敏感性和診斷性方面均優(yōu)于單維量表。NASATLX(National Aeronautics and Space Administration-Task Load Index)量表是比較常用的多維腦力負(fù)荷主觀評(píng)價(jià)量表，包括腦力需求、體力需求、時(shí)間需求、努力程度、績(jī)效水平和受挫程度六個(gè)維度［20］。該量表設(shè)計(jì)的基本根據(jù)是，腦力負(fù)荷的每個(gè)維度在腦力負(fù)荷形成中的權(quán)重不同，且隨著情境的變化而顯示出差異。NASA-TLX量表法在靈敏度和可接受性方面優(yōu)于其它主觀評(píng)價(jià)方法，且其信度和效度均已得到驗(yàn)證，目前在腦力負(fù)荷研究中被廣泛應(yīng)用［10］。因此在本實(shí)驗(yàn)中，腦力負(fù)荷將通過志愿者填寫NASA-TLX主觀量表獲得。

2.2 志愿者

實(shí)驗(yàn)分別招募了初學(xué)者水平組和專家水平組志愿者，共27名，均來自中國航天員科研訓(xùn)練中心，具有本科以上學(xué)歷，右利手。初學(xué)者水平組志愿者均為理工科在讀研究生，無手控交會(huì)對(duì)接操作經(jīng)驗(yàn)，共15人。專家水平組則由手控交會(huì)對(duì)接操作經(jīng)驗(yàn)豐富的航天員和航天員教員組成，共12人。實(shí)驗(yàn)方案通過了倫理委員會(huì)的審查。志愿者在參加實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)，避免進(jìn)行過度興奮活動(dòng)或飲酒等影響自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)任務(wù)為手控交會(huì)對(duì)接操作。志愿者通過觀察顯示器中目標(biāo)的圖像以及飛船測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，判斷兩飛行器間的相對(duì)位置，志愿者需要通過控制平移和姿態(tài)手柄，調(diào)整飛船六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)飛船的位置、速度、姿態(tài)和角速度等同時(shí)滿足對(duì)接所要求的嚴(yán)格的對(duì)接條件時(shí)，才能完成兩個(gè)飛行器的順利交會(huì)和對(duì)接［21］。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)為桌面式手控交會(huì)對(duì)接訓(xùn)練模擬器，具有飛船狀態(tài)數(shù)據(jù)、圖像信息和實(shí)驗(yàn)中操作者績(jī)效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，操作科目設(shè)置以及回放等功能。實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量志愿者的情境意識(shí)水平和腦力負(fù)荷數(shù)據(jù)，分別采用SART和NASA-TLX主觀量表進(jìn)行采集。

2.5 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)開始前，初學(xué)者水平組志愿者先參加手控交會(huì)對(duì)接基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，在掌握了基本的控制原理和操作方法后，進(jìn)行3次低難度科目的操作體驗(yàn)。專家水平組志愿者則進(jìn)行了2次技能恢復(fù)操作。正式實(shí)驗(yàn)階段，每名志愿者完成6次手控交會(huì)對(duì)接操作，其中包括3次低難度科目和3次高難度科目操作。為了避免學(xué)習(xí)效應(yīng)，對(duì)包含兩種任務(wù)難度的6個(gè)操作科目隨機(jī)排列。每個(gè)科目完成后，志愿者需要根據(jù)本次操作感受，填寫SART主觀量表和NASA-TLX主觀量表。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)利用EXCEL和SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)不同任務(wù)難度下初學(xué)者和專家的情境意識(shí)水平和腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)處理方法為重復(fù)測(cè)量方差分析。任務(wù)難度P＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.1 不同任務(wù)難度和技能水平下操作者的情境意識(shí)水平比較

填寫SART量表時(shí)，操作者根據(jù)回憶對(duì)每一維度給出1～7的打分。將情境意識(shí)水平量表中各維度分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為百分制后，通過代數(shù)相加綜合成“情境理解”“注意資源需求”和“注意資源供給”三個(gè)維度的分?jǐn)?shù)，然后根據(jù)公式“總分=情境理解 -(注意資源需求-注意資源供給)”進(jìn)行計(jì)算，得到情境意識(shí)水平總分。不同任務(wù)難度和技能水平下操作者的情境意識(shí)水平評(píng)價(jià)結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

以任務(wù)難度和技能水平為自變量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，觀察兩自變量對(duì)情境意識(shí)量表各維度分?jǐn)?shù)和總分的影響，所得結(jié)果如表3所示。

表2 不同任務(wù)難度和技能水平下操作者的情境意識(shí)水平評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Operators’situation awareness at different task difficulties and skill levels

表3 情境意識(shí)水平各維度和總分的重復(fù)測(cè)量方差分析P值結(jié)果Table 3 P value of the repeated measures analysis of variance on situational awareness level of each dimension and the total score

ANOVA結(jié)果表明:①任務(wù)難度對(duì)情境的穩(wěn)定性有顯著影響(P=0.021)。低任務(wù)難度下，操作者對(duì)情境穩(wěn)定性的評(píng)分更高，說明操作者在進(jìn)行低難度任務(wù)操作時(shí)感受到的情境更穩(wěn)定，兩飛行器間的相對(duì)位置和姿態(tài)偏差發(fā)生突然變化的可能性更小。②任務(wù)難度對(duì)情境的變化性有顯著影響(P＜0.001)。低任務(wù)難度下，操作者對(duì)情境變化性的評(píng)分更低，說明操作者在進(jìn)行低難度任務(wù)操作時(shí)感受到的同時(shí)改變的軸向信息數(shù)量更少。③任務(wù)難度對(duì)情境的復(fù)雜度有顯著影響(P＜0.001)。低任務(wù)難度下，操作者對(duì)情境復(fù)雜度的評(píng)分更低，說明操作者在進(jìn)行低難度任務(wù)操作時(shí)感受到的情境更簡(jiǎn)單，六個(gè)軸向的信息關(guān)聯(lián)程度更低。④任務(wù)難度對(duì)注意分配有顯著影響(P=0.027)。低任務(wù)難度下，操作者對(duì)注意分配的評(píng)分更高，說明操作者在進(jìn)行低難度任務(wù)操作時(shí)，可以更好地將注意力分配到情境的多個(gè)方面。⑤任務(wù)難度對(duì)注意集中程度有顯著影響(P=0.019)。低任務(wù)難度下，操作者對(duì)注意集中程度的評(píng)分更低，說明操作者在進(jìn)行低難度任務(wù)操作時(shí)，更難以將全部注意力放在當(dāng)前的任務(wù)情境中。⑥任務(wù)難度對(duì)情境意識(shí)水平總分有顯著影響(P=0.006)。低任務(wù)難度下，操作者的情境意識(shí)水平總分更高，說明總體而言，操作者在進(jìn)行低難度任務(wù)操作時(shí)，可以對(duì)情境中的信息進(jìn)行更精準(zhǔn)的感知、更正確的理解和更有效的預(yù)測(cè)。

ANOVA結(jié)果還表明:①技能水平對(duì)情境的穩(wěn)定性有顯著影響(P=0.001)。專家水平操作者對(duì)情境穩(wěn)定性的評(píng)分更高，說明專家水平操作者在操作過程中感受到的情境更穩(wěn)定，兩飛行器間的相對(duì)位置和姿態(tài)偏差不易發(fā)生突然變化。②技能水平對(duì)情境的復(fù)雜度有顯著影響(P=0.010)。專家水平操作者對(duì)情境復(fù)雜度的評(píng)分更低，說明專家水平操作者在操作過程中感受到的情境更簡(jiǎn)單，六個(gè)軸向的信息關(guān)聯(lián)程度相對(duì)較低。③技能水平對(duì)喚醒水平有顯著影響(P=0.001)。專家水平操作者對(duì)喚醒水平的評(píng)分更高，說明專家水平操作者在操作過程中面對(duì)情境的突然變化時(shí)，警覺性更高，能夠做好應(yīng)付的準(zhǔn)備。④技能水平對(duì)剩余心理資源有顯著影響(P＜0.001)。專家水平操作者對(duì)剩余心理資源的評(píng)分更高，說明專家水平操作者在操作過程中有更多的剩余精力可以用于從事其他任務(wù)。⑤技能水平對(duì)注意分配有顯著影響(P＜0.001)。專家水平操作者對(duì)注意分配的評(píng)分更高，說明專家水平操作者在操作過程中可以更好的將注意力分配到情境的多個(gè)方面。⑥技能水平對(duì)信息質(zhì)量有顯著影響(P＜0.001)。專家水平操作者對(duì)信息質(zhì)量的評(píng)分更高，說明專家水平操作者在操作過程中感受到六個(gè)軸向的信息更易獲取和理解。⑦技能水平對(duì)情境的熟悉程度有顯著影響(P＜0.001)。專家水平操作者對(duì)情境熟悉程度的評(píng)分更高，說明專家水平操作者對(duì)手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)有更多的操作經(jīng)驗(yàn)。⑧技能水平對(duì)情境意識(shí)水平總分有顯著影響(P＜0.001)。專家水平操作者的情境意識(shí)水平總分更高，說明總體而言，專家水平操作者在操作過程中，可以對(duì)情境中的信息進(jìn)行更精準(zhǔn)的感知、更正確的理解和更有效的預(yù)測(cè)。

此外，重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明，任務(wù)難度和技能水平的交互作用出現(xiàn)在了注意分配維度上(P=0.046)。從表2可以看出，任務(wù)難度對(duì)初學(xué)者水平操作者在注意分配維度上的評(píng)分有顯著差異，低任務(wù)難度下的分?jǐn)?shù)明顯大于高任務(wù)難度下的分?jǐn)?shù)，而專家水平操作者對(duì)注意分配上的評(píng)分在不同任務(wù)難度下則無顯著差異。

3.2 不同任務(wù)難度和技能水平下操作者的腦力負(fù)荷比較

NASA-TLX量表中的每一個(gè)維度均由一條從低到高分為10等分的直線表示。操作者首先根據(jù)自己的實(shí)際感受在六個(gè)維度的直線上分別做打分標(biāo)記，其中“績(jī)效表現(xiàn)”分?jǐn)?shù)為操作者對(duì)本次任務(wù)績(jī)效表現(xiàn)滿意程度的主觀評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，用10減去“績(jī)效表現(xiàn)”分?jǐn)?shù)，得到反應(yīng)腦力負(fù)荷程度的真正“績(jī)效表現(xiàn)”維度評(píng)分結(jié)果。腦力負(fù)荷總分通過對(duì)六個(gè)維度分?jǐn)?shù)的代數(shù)求和獲得。不同任務(wù)難度和技能水平下操作者的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示。

以任務(wù)難度和技能水平為自變量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，觀察兩自變量對(duì)腦力負(fù)荷量表各維度分?jǐn)?shù)和總分的影響，所得結(jié)果如表5所示。

表4 不同任務(wù)難度和技能水平下操作者的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Operators’mental workload at different task difficulties and skill levels

表5 腦力負(fù)荷各維度和總分的重復(fù)測(cè)量方差分析P值結(jié)果Table 5 P value of the repeated measures analysis of variance on mental workload of each dimension and the total score

ANOVA結(jié)果表明:①任務(wù)難度對(duì)腦力需求有顯著影響(P=0.001)。高任務(wù)難度下，操作者對(duì)腦力需求的評(píng)分更高，說明操作者在進(jìn)行高難度任務(wù)操作時(shí)需要占用更多的腦力資源。②任務(wù)難度對(duì)努力程度有顯著影響(P=0.013)。高任務(wù)難度下，操作者對(duì)努力程度的評(píng)分更高，說明操作者在進(jìn)行高難度任務(wù)操作時(shí)需要付出更多的努力。③任務(wù)難度對(duì)時(shí)間壓力有顯著影響(P=0.002)。高任務(wù)難度下，操作者對(duì)時(shí)間壓力的評(píng)分更高，說明操作者在進(jìn)行高難度任務(wù)操作時(shí)感受到的時(shí)間壓力更大，更難以在有限的時(shí)間內(nèi)順利完成任務(wù)。④任務(wù)難度對(duì)腦力負(fù)荷總分有顯著影響(P=0.003)。高任務(wù)難度下，操作者的腦力負(fù)荷總分更高，說明操作者在進(jìn)行高難度任務(wù)操作時(shí)的整體腦力負(fù)荷更大。

ANOVA結(jié)果還表明:①技能水平對(duì)績(jī)效表現(xiàn)有顯著影響(P＜0.001)。初學(xué)者水平操作者對(duì)績(jī)效表現(xiàn)的評(píng)分更高，說明初學(xué)者水平操作者對(duì)完成任務(wù)過程中的績(jī)效表現(xiàn)以及最終的對(duì)接結(jié)果更不滿意。②技能水平對(duì)腦力需求有顯著影響(P=0.001)。初學(xué)者水平操作者對(duì)腦力需求的評(píng)分更高，說明初學(xué)者水平操作者在完成任務(wù)過程中需要占用更多的腦力資源。③技能水平對(duì)時(shí)間壓力有顯著影響(P＜0.001)。初學(xué)者水平操作者對(duì)時(shí)間壓力的評(píng)分更高，說明初學(xué)者水平操作者在操作過程中感受到的時(shí)間壓力更大，更難以在有限的時(shí)間內(nèi)順利完成任務(wù)。④技能水平對(duì)受挫程度有顯著影響(P＜0.001)。初學(xué)者水平操作者對(duì)受挫程度的評(píng)分更高，說明初學(xué)者水平操作者在操作過程中更易感到沮喪和煩躁。⑤技能水平對(duì)腦力負(fù)荷總分有顯著影響(P＜0.001)。初學(xué)者水平操作者的腦力負(fù)荷總分更高，說明初學(xué)者水平操作者在操作過程中的整體腦力負(fù)荷更大。

此外，ANOVA結(jié)果表明，任務(wù)難度和技能水平的交互作用對(duì)腦力負(fù)荷各個(gè)維度均無顯著影響。

4 討論

4.1 任務(wù)難度和技能水平對(duì)操作者情境意識(shí)水平的影響

情境意識(shí)是決策的重要前提和依據(jù)，而決策是后續(xù)行動(dòng)(發(fā)出指令)的基礎(chǔ)，如果情境意識(shí)不完全、不精確，即使訓(xùn)練有素和經(jīng)驗(yàn)豐富的操作者，也可能做出錯(cuò)誤的決策［22］。因此，本研究首先對(duì)不同任務(wù)難度和不同技能水平下操作者的情境意識(shí)水平進(jìn)行分析比較。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，任務(wù)難度對(duì)情境的穩(wěn)定性、情境的變化性、情境的復(fù)雜度、注意分配以及情境意識(shí)水平總分均有顯著影響。低任務(wù)難度下，操作者更易對(duì)飛行器進(jìn)行穩(wěn)定控制，且由于需要同時(shí)調(diào)整的軸向個(gè)數(shù)較少，各軸向間關(guān)聯(lián)程度較弱，因此操作者感知到的情境更簡(jiǎn)單，對(duì)需要調(diào)整的軸向可以進(jìn)行更好的注意資源分配。此外，任務(wù)難度對(duì)注意集中程度有顯著影響。由于高任務(wù)難度下需要控制的軸向個(gè)數(shù)和軸向間的關(guān)聯(lián)程度均明顯高于低任務(wù)難度，因此操作者在執(zhí)行高難度任務(wù)時(shí)會(huì)投入更多的注意資源。因此，可以考慮將該維度評(píng)分應(yīng)用于航天員手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)難度評(píng)價(jià)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，技能水平對(duì)情境的穩(wěn)定性、情境的復(fù)雜度、注意分配以及情境意識(shí)水平總分均有顯著影響。具有較高技能水平的操作者，對(duì)圖像信息的感知通常更加敏感，對(duì)于多軸向同時(shí)變化的情境可以更全面的分配注意資源，在手柄方式選擇和控制量的把握上更加準(zhǔn)確。而無操作經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者由于技能水平較低，容易發(fā)生操作錯(cuò)誤，造成兩飛行器間更大的相對(duì)位置偏差和更快的相對(duì)變化速度，無形中增大了任務(wù)難度。且在面對(duì)動(dòng)態(tài)變化的操作情境時(shí)，初學(xué)者通常只能同時(shí)關(guān)注一至兩個(gè)軸向的變化，因此在控制過程中容易顧此失彼，手忙腳亂。此外，技能水平對(duì)喚醒水平和信息質(zhì)量有顯著影響。對(duì)于無操作經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者而言，常常無法分辨導(dǎo)致兩飛行器間相對(duì)位置快速變化的根本原因，加之警覺水平不夠高，通常難以應(yīng)付突然變化的操作情境。因此，對(duì)于初學(xué)者水平操作者，可以進(jìn)行專門的圖像信息辨識(shí)訓(xùn)練，以提高信息感知和理解方面的能力。

4.2 任務(wù)難度和技能水平對(duì)操作者腦力負(fù)荷的影響

對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)高復(fù)雜度系統(tǒng)的操作任務(wù)而言，腦力負(fù)荷的評(píng)價(jià)和檢測(cè)十分關(guān)鍵。Young與Stanton認(rèn)為，腦力負(fù)荷反映了操作者為了滿足一定的客觀和主觀績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)而付出的注意力資源的大小，與任務(wù)需求和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)有關(guān)［23］。因此本研究在明確手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)特點(diǎn)后，對(duì)不同任務(wù)難度和不同技能水平下操作者的腦力負(fù)荷進(jìn)行分析比較。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，任務(wù)難度對(duì)操作者的腦力需求、努力程度、時(shí)間壓力和腦力負(fù)荷總分均有顯著影響。在低難度科目中，兩飛行器間初始時(shí)刻的相對(duì)位置和姿態(tài)偏差較小，且涉及偏差的軸向較少，因此操作者需要感知的圖像信息比較簡(jiǎn)單，通常有充足的時(shí)間進(jìn)行控制，即使操作失誤也有相對(duì)寬裕的時(shí)間進(jìn)行糾正。而在高任務(wù)難度下，操作者面對(duì)的操作情境更加復(fù)雜，各軸向間的關(guān)聯(lián)程度更高，因此需要在有限的時(shí)間里調(diào)動(dòng)更多的認(rèn)知資源，付出更多的努力，進(jìn)而造成腦力負(fù)荷的提高。Marcia等人的研究結(jié)果表明，在駕駛艙中加入自動(dòng)化系統(tǒng)能夠使飛行員將注意力全部集中在任務(wù)上，而不需要再花費(fèi)大量精力搜尋必要信息，其腦力需求、時(shí)間壓力和努力程度等維度的評(píng)分均顯著降低［24］。因此，結(jié)合這一研究結(jié)果我們認(rèn)為，在進(jìn)行高任務(wù)難度操作時(shí)，可以考慮采取適當(dāng)措施，如加入自動(dòng)化輔助決策系統(tǒng)的支持，從而降低操作者的腦力負(fù)荷。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，技能水平對(duì)操作者的腦力需求、時(shí)間壓力和腦力負(fù)荷總分均有顯著影響。在本研究中，操作者的技能水平主要根據(jù)其訓(xùn)練時(shí)間和操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行劃分。初學(xué)者水平操作者由于對(duì)圖像辨識(shí)方法掌握不夠牢固，對(duì)手柄控制極性不夠熟悉，在操作過程中往往需要對(duì)圖像信息感知、位置判斷和手柄選擇等每一個(gè)認(rèn)知環(huán)節(jié)進(jìn)行有意識(shí)的分析，占用了大量的腦力資源。且由于圖像辨識(shí)不敏感、控制量把握不準(zhǔn)確或眼手腦配合不協(xié)調(diào)等原因，可能人為造成更大的相對(duì)位置偏差和變化速度，因此需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行糾正，更易感受到時(shí)間壓力。而高技能水平的操作者通過大量訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的積累，通常能夠掌握并歸納出一套適用于自己的圖像線索對(duì)應(yīng)的手柄控制規(guī)則，可以在整合完線索后迅速做出操作反應(yīng)，較少的需要有意識(shí)的復(fù)雜認(rèn)知分析，加之對(duì)手柄操作和控制量的把握更加準(zhǔn)確，因此調(diào)用的認(rèn)知資源就會(huì)減少，時(shí)間壓力和腦力負(fù)荷會(huì)明顯降低。由此可見，訓(xùn)練可以有效提高操作者整合圖像線索、做出正確操作決策的速度，進(jìn)而促進(jìn)績(jī)效水平的提高和腦力負(fù)荷的降低。

5 結(jié)論

本研究通過設(shè)計(jì)手控交會(huì)對(duì)接操作實(shí)驗(yàn)，探究了任務(wù)難度和技能水平對(duì)操作者情境意識(shí)和腦力負(fù)荷的影響，得到如下結(jié)論:

1)不同任務(wù)難度下操作者的注意集中程度有顯著差別，因此可以考慮將該維度評(píng)分應(yīng)用于航天員手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)難度評(píng)價(jià)，但同時(shí)必須考慮到績(jī)效表現(xiàn)容易受到操作者生理、心理狀態(tài)和外部環(huán)境等多方面因素的影響，在衡量任務(wù)難度時(shí)需根據(jù)任務(wù)情境綜合分析。

2)操作者的技能水平對(duì)其警覺水平和信息的獲取和理解有顯著影響。對(duì)于初學(xué)者水平的操作者，可以進(jìn)行專門的圖像信息辨識(shí)訓(xùn)練，以提高信息感知和理解方面的能力。

3)任務(wù)難度對(duì)操作者的腦力需求有顯著影響。在進(jìn)行高任務(wù)難度操作時(shí)，可以采取適當(dāng)措施，如加入自動(dòng)化輔助決策系統(tǒng)的支持，以降低操作者的腦力負(fù)荷。

4)操作者的技能水平對(duì)其腦力需求和時(shí)間壓力方面的負(fù)荷有顯著影響。訓(xùn)練能夠使操作者逐步形成程序性的操作技能，對(duì)于提高操作者正確決策速度和降低時(shí)間壓力有重要作用。

本研究對(duì)不同任務(wù)難度和技能水平下，操作者執(zhí)行手控交會(huì)對(duì)接操作任務(wù)時(shí)的情境意識(shí)和腦力負(fù)荷差異進(jìn)行了探究，研究結(jié)果可為相關(guān)航天任務(wù)和針對(duì)性的訓(xùn)練設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)提供理論參考，也可為潛在認(rèn)知失誤原因分析提供幫助。

［1］周建平.載人航天交會(huì)對(duì)接技術(shù)［J］.載人航天，2011，17(2):1-8.

［2］傅亞強(qiáng)，許百華.飛機(jī)空中交會(huì)顯示格式對(duì)情境意識(shí)與認(rèn)知績(jī)效的影響［J］.人類工效學(xué)，2012，18(2):13-17.

［3］Durso F T，Sethumadhavan A.Situation Awareness:Understanding Dynamic Environments［J］.Human Factors，2008，50(3):442-448.

［4］Endsley M R.Situation awareness in aviation systems.In Garland D J，Wise J A，Hopkin V D.Handbook of aviation human factors［M］.Mahwah，NJ:Erlbaum，1999:257-276.

［5］Mogford R H.Mental models and situation awareness in air traffic control［J］.The International Journal of Aviation Psychology，1997，7(4):331-341.

［6］Hoff D N，F(xiàn)olleso K，Strand-Volden F，et al.Development of a situation awareness measure to evaluate advanced alarm systems in nuclear power plant control rooms［J］.Ergonomics，1995，38(11):2394-2413.

［7］Gaba D M，Howard S K，Small S D.Situation awareness in anesthesiology［J］.Human Factors，1995，37(1):20-31.

［8］Kass S J，Herschler D A，Companion M A.Training situational awareness through pattern recognition in a battlefield environment［J］.Military Psychology，1991，3(2):105-112.

［9］Guznov S，Reinerman-Jones L，Marble J.Applicability of Situation Awareness and Workload Metrics for Use in Assessing Nuclear Power Plant Designs［J］.Advances in Cognitive Engineering and Neuroergonomics，2012:91.

［10］Cain B.A review of the mental workload literature［R］.Defence Research And Development Toronto(CANADA)，2007.

［11］Young M S and Stanton N A.Mental workload:theory，measurement，and application［J］.International Encyclopedia of Ergonomics and Human Factors.2001，(1):507-509.

［12］Endsley M R.Toward a Theory of Situation Awareness in Dynamics Systems［J］.Human Factors:The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society.1995，37(1):32-64.

［13］李騰.飛行駕駛艙情境意識(shí)影響因素剖析［J］.中國科技信息，2012，9:47-48.

［14］De Waard D.The measurement of driver’s mental workload［J］.University of Groningen.Haren，The Netherlands:University of Groningen，Traffic Research Center.1996，204-211.

［15］柳忠起，袁修干，劉濤，等.航空功效中的腦力負(fù)荷測(cè)量技術(shù)［J］.人類功效學(xué)，2003，9(2):19-22.

［16］elcon S J，Taylor R M，Koritsas E.Workload or situational awareness?:TLX vs.SART for aerospace systems design evaluation［C］//Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting.SAGE Publications，1991，35(2):62-66.

［17］Endsley M R.Garland D J.Situation Awareness:Analysis and Measurement［J］.CRC Press，2000.

［18］董明清，馬瑞山.任務(wù)負(fù)荷水平及輸入通道形式對(duì)腦事件相關(guān)電位P3波的影響［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1998，11(4):277-281.

［19］Hill，S，Iavecchia，H，Byers，J，et al.Comparison of four subjective workload rating scales［J］.Human Factors，1992，34(4)，429-439.

［20］Rubio.S，Diaz.E.Evaluation of Subjective Mental Workload:A Comparison of SWAT，NASA-TLX，and Workload Profile Methods［J］.Applied psychology.2004，53(1):61-86.

［21］Zhang，Y.J.，Yao，Z.，Li P.J.et al.Research on Training Method of Manual Rendezvous and Docking in SHENZHOU-9 Manned Space Mission［C］//In Proceeding of 63rd International Astronautical Congress，Naples，Italy.2012.

［22］譚鑫，牟海鷹.空中交通管制員的情境意識(shí)與航空安全［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006，2(5):99-102.

［23］Young MS and Stanton NA.Mental workload:theory，measurement，and application［J］.International Encyclopedia of Ergonomics and Human Factors.2001，(1):507-509.

［24］Meister D.The nature of human error［C］//Global Telecommunications Conference and Exhibition‘Communications Technology for the 1990s and Beyond’(GLOBECOM)，1989.IEEE.IEEE，1989:783-786.