王　群，　解　芳，　周前祥，　鄭思涓，　凌　亮，　魏中亮，　李　莉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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特種車輛乘員基本認(rèn)知能力測試與分析

王群，解芳，周前祥，鄭思涓，凌亮，魏中亮，李莉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

從認(rèn)知能力的基本內(nèi)涵出發(fā)，確定了某特種車輛乘員基本認(rèn)知能力影響因素測試內(nèi)容，即深度知覺、注意力分配、空間知覺、眼手協(xié)調(diào)、聲/光簡單反應(yīng)時、注意廣度和注意力集中能力，等等.被試在靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行測試，通過三倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法對測試結(jié)果進(jìn)行處理，并運(yùn)用方差分析方法對測試結(jié)果進(jìn)行分析.測試結(jié)果表明：乘員雙眼深度知覺準(zhǔn)確性好于單眼深度知覺；乘員對光的反應(yīng)要快于對聲音的反應(yīng),在3種聲音中，乘員對高音的識別能力最強(qiáng)，其次是低音，最差的是中音；乘員在雙任務(wù)的注意力分配過程中對聲、光的反應(yīng)能力明顯低于單任務(wù)過程；乘員對塊形的空間知覺能力最強(qiáng)，其次是條形，最差的是不規(guī)則形；乘員跟蹤不同形狀圖案的注意力集中程度不同，同時受到圖案轉(zhuǎn)向的影響；不同年齡段、學(xué)歷、地區(qū)對乘員各項認(rèn)知參數(shù)的影響并不明顯.

車輛；乘員；認(rèn)知能力；腦力資源；能力測試

隨著特種車輛技術(shù)的發(fā)展，車輛已從機(jī)械化向信息化轉(zhuǎn)變，這使得車輛上的信息量呈幾何級數(shù)增長，而乘員的作用已從簡單的、被動的活動逐漸變?yōu)楦鼮閺?fù)雜的主動監(jiān)測、信息管理和決策以及協(xié)同操作.而人的基本認(rèn)知能力是有限的，而且隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人的基本認(rèn)知能力也會發(fā)生改變，因此，在車輛工效學(xué)研究中，應(yīng)全面研究車輛乘員的任務(wù)特點(diǎn)和基本認(rèn)知能力特性，分析其影響因素，協(xié)調(diào)乘員與車輛的關(guān)系，權(quán)衡乘員與車輛在使用時的任務(wù)分工，合理分配人-車功能，以確保任務(wù)的順利完成[1].

特種車輛乘員在行車過程中主要的任務(wù)可分為：駕駛及信息的綜合處理.乘員對車輛內(nèi)部信息的掌握、對外聯(lián)絡(luò)，是為了更好地完成車輛駕駛.

在車輛駕駛過程中，乘員主要負(fù)責(zé)路況觀察、車輛控制、車輛運(yùn)行狀態(tài)信息監(jiān)視.乘員在對信息的綜合處理過程中需要完成的主要工作包括：行車指令接收、通信報告，等等.上述這些工作主要涉及人的認(rèn)知能力包括視覺能力、知覺能力、眼手協(xié)調(diào)/反應(yīng)等能力等.

認(rèn)知能力是指人腦加工、儲存和提取信息的能力，即人們對事物的構(gòu)成、性能與其他事物的關(guān)系、發(fā)展的動力、發(fā)展方向以及基本規(guī)律的把握能力.這些能力是人們成功完成活動最重要的心理條件.知覺、記憶、注意思維和想象的能力都被稱為認(rèn)知能力.人的認(rèn)知系統(tǒng)可以通過不同的信息加工階段來表示[2]：

1)對環(huán)境信息的感知，包括工作目標(biāo)和所處的環(huán)境，這部分信息的接收由人的不同感覺器官完成.這部分涉及人的基本能力主要包括視覺和知覺.

2)中央加工或?qū)π畔⒌霓D(zhuǎn)換，不同的感覺器官把所接收到的各種信息傳輸給相應(yīng)的部分，然后由大腦對這些信息進(jìn)行分析、綜合、比較，然后作出決策.這部分涉及人的基本能力主要包括記憶、注意思維和想象的能力.

3)對信息作出反應(yīng).即將大腦處理后的信息執(zhí)行的過程，它是由人體器官驅(qū)動作業(yè)目標(biāo)的過程，由神經(jīng)、肌肉和骨骼系統(tǒng)完成.這部分涉及的基本能力主要包括眼手協(xié)調(diào)/反應(yīng)能力.

根據(jù)威肯斯的多資源理論[3-4]可知，人完成任務(wù)的過程可理解為利用自身能力的一個過程，其將可利用的能力資源從信息輸入、信息處理和信息輸出3個環(huán)節(jié)進(jìn)行分解，可以分為視覺能力、聽覺能力和眼手協(xié)調(diào)/反應(yīng)能力.本研究將從乘員腦力資源的角度出發(fā)，梳理特種車輛乘員主要操作任務(wù)以獲取其主要基本認(rèn)知能力需求，通過試驗測試分析其影響因素，從而為車輛乘員的任務(wù)分工以及人-車功能分配提供數(shù)據(jù)支撐.

1　測試方法及步驟

1.1被試

被試為107名乘員，年齡在20～25歲之間，駕齡5年，分別來自河北、上海、安徽、福建、江蘇、山東、浙江、廣西、廣東、河南、湖北、甘肅、山西、陜西、四川等19個省市.視力或矯正視力在1.0以上，無色盲色弱，測試前均對測試內(nèi)容知情同意.

1.2測試內(nèi)容設(shè)計

1)由于此次測量的是乘員的基本認(rèn)知能力，因此只在靜態(tài)環(huán)境下對乘員進(jìn)行測試，不涉及車輛行駛狀態(tài)下的測試；

2)所有的基本認(rèn)知能力考核都在白天進(jìn)行，不涉及夜間環(huán)境下的視力測試；

3)所有被試全部經(jīng)過體檢，身體條件和智力都沒問題，免去常規(guī)項目檢查，包括色覺、身高體重等的測試.

綜上所述，同時結(jié)合乘員基本認(rèn)知能力需求的分析，本次測試的內(nèi)容與乘員的視覺、知覺、記憶、注意思維和想象的基本能力相關(guān).測試項目最終確定為：深度知覺、注意力分配、空間知覺、眼手協(xié)調(diào)、聲/光簡單反應(yīng)時、注意廣度和注意力集中能力.

1.3測試設(shè)備及方法

1)測試器材準(zhǔn)備.

測試設(shè)備如表1所示.

表1　測試設(shè)備及功能

2)測試方法及步驟.

被試進(jìn)入測試現(xiàn)場后，應(yīng)由測試人員對其進(jìn)行實(shí)驗?zāi)康暮蛯?shí)驗測試內(nèi)容的介紹，首先對被試進(jìn)行預(yù)實(shí)驗以適應(yīng)和熟悉測試程序.被試熟悉測試程序后，按照測試順序到指定區(qū)域進(jìn)行各項測試.

為減少測試結(jié)果的偶然性，每位被試重復(fù)測量3次，取測量結(jié)果的平均值作為測量的最終結(jié)果，結(jié)合數(shù)據(jù)的篩選和處理，對影響乘員基本認(rèn)知能力的各因素進(jìn)行分析.

2　測試結(jié)果及分析

2.1數(shù)據(jù)的核查與剔除

采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法[5]剔除觀測數(shù)值中的異常值，計算方法描述如下：

假設(shè)對某一項測試測量n個人所得的數(shù)值為P1、P2、P3、P4、……、Pn，則平均值為

(1)

標(biāo)準(zhǔn)差為

(2)

采用上述方法對測量結(jié)果進(jìn)行篩選，最后統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.

表2　認(rèn)知參數(shù)樣本篩選情況

2.2正態(tài)分布檢驗

經(jīng)驗證7個參數(shù)的峰度系數(shù)和偏度系數(shù)均小于1，所以7個認(rèn)知參數(shù)的采樣數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示.

表3　認(rèn)知參數(shù)的正態(tài)分布檢驗結(jié)果

2.3測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

下面將對各個測量項目的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析：

1) 深度知覺.

深度知覺是人對物體遠(yuǎn)近的知覺.此次試驗主要運(yùn)用黑姆赫茲的三針試驗并通過SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要進(jìn)行單雙眼不同控制條件下被試的深度知覺的差異，通過判斷不同條件下被試的深度知覺閾限來得出深度知覺的差異.一般情況下雙眼深度知覺準(zhǔn)確性好于單眼深度知覺[6].主試記錄被試從不同的位置(最近，近5，遠(yuǎn)5，最遠(yuǎn))移動變異刺激到標(biāo)準(zhǔn)刺激的誤差值.用視差角來表示深度閾限.計算公式為：

視差角=206265×B×d/[D×(d+D)].

(3)

式中：B為目間距(取值65 mm)；D為觀察距離(取值2 000 mm)；d為視差距離，即判斷誤差(絕對值平均數(shù))， mm.

計算深度知覺參數(shù)基本情況如表4所示.

表4　雙眼深度知覺參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

(1)檢驗變異刺激起始位置對深度知覺的影響.

如圖1、圖2所示，在雙眼深度知覺測量中分別對最近、近5、遠(yuǎn)5、最遠(yuǎn)4種方式編號為1、2、3、4.然后，進(jìn)行單因素方差分析.通過對4種方式的多重比較可知，它們均無顯著性差異(均有P>0.05).可知在實(shí)驗中，變異刺激的起始位置對人的深度知覺沒有顯著影響.

圖1　變異刺激不同起始位置單-雙眼判斷誤差對比

(2) 比較單雙眼的深度知覺有無差異.

檢驗單雙眼的深度知覺是否有差異的方法是，將所有被試雙眼和單眼計算所得的視差角分別分為第1組、第2組，然后對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗，所得結(jié)果如表5和表6所示.

圖2　變異刺激不同起始位置單-雙眼視角差對比

名稱分組N均值標(biāo)準(zhǔn)差均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差視差角第1組32121.810.140.9第2組14864.738.33.2

表6　獨(dú)立樣本檢驗

從表6中可以看出:P值等于0(指Sig.=0)，小于顯著水平0.05.拒絕方差相等的假設(shè)，認(rèn)為單雙眼時被試的視差角的方差有顯著性差異.再看方差不相等時的t值，即第2行的t值，t=-12.7，t的相伴概率為0.0，拒絕t檢驗的零假設(shè)，即單雙眼時被試的視差角均值存在顯著性差異，t值為負(fù)，表示第1組樣本的均值低于第2組的均值，即雙眼的時候，被試判斷的準(zhǔn)確程度比單眼的時候要高.

2) 注意力分配.

注意力分配的計算方法如公式(4)所示.

(4)

式中：S1為被試對單獨(dú)聲刺激的正確反應(yīng)次數(shù)；S2為聲、光兩種刺激同時呈現(xiàn)時，被試對聲刺激的正確反應(yīng)次數(shù)；F1為被試對單獨(dú)光刺激的正確反應(yīng)次數(shù)；F2為聲、光兩種刺激同時呈現(xiàn)時，被試對光刺激的正確反應(yīng)次數(shù).

公式(4)可用于評測乘員在艙內(nèi)對多通道信息負(fù)荷刺激時的注意力的分配值情況.

P4值的判定：當(dāng)P4<0.5時沒有注意分配值；當(dāng)0.5≤P4<1.0時有注意分配值；當(dāng)P4=1.0時注意分配值最大；當(dāng)P4>1.0時注意分配值無效.

注意力分配參數(shù)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果P4如表7所示.從數(shù)據(jù)可以看出，0.5≤P4<1.0，有注意力分配值.

表7　注意力分配參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖3顯示的是不同因素的統(tǒng)計結(jié)果.將數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從聲光同時任務(wù)中，可以看出人對光的反應(yīng)要快于對聲音的反應(yīng).而且發(fā)現(xiàn)，在3種聲音中，人對高音的識別能力最快，其次是低音，最差的是中音.這可能是因為中音位于高音和低音之間，很容易被混淆，不易區(qū)分.在雙任務(wù)中，由于注意力的分配，不管是聲音，還是光，人對其反應(yīng)能力明顯低于單任務(wù)過程中.

圖3　數(shù)據(jù)比較

3)空間知覺.

此試驗主要用于研究刺激的空間結(jié)構(gòu)特征，測定辨別復(fù)雜圖形的反應(yīng)時.本次試驗共設(shè)計了3種不同的圖形，分別為塊形、條形、不規(guī)則形.每種圖形以兩種不同的空間位置1和2出現(xiàn).公式(5)是空間知覺P2的計算公式.

P2=T2i+E2i.

(5)

式中：T2i為反應(yīng)時間，s；E2i為錯誤率，次數(shù)；P2越小代表能力越好.

空間知覺可用于評測車輛乘員在面對復(fù)雜信息任務(wù)負(fù)荷時的反應(yīng)能力.

通過實(shí)驗記錄的值計算得到的P2值情況如表8所示.

表8　空間知覺參數(shù)計算結(jié)果

從表8中的計算結(jié)果可以看出：相對塊形、條形、不規(guī)則3種形狀的圖案，人對塊形的空間知覺能力最強(qiáng)，其次是條形，最差的是不規(guī)則形.同時對同一種形狀的圖案以不同的空間位置特征1、2出現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)特征2的同種圖案空間知覺力比特征1的好，這可能與空間位置的復(fù)雜程度有關(guān).

4)眼手協(xié)調(diào)能力.

眼手協(xié)調(diào)能力指眼手準(zhǔn)確、迅速和協(xié)調(diào)地做出精確的動作的運(yùn)動反應(yīng)能力.測試過程將描針移到圖案的一個起點(diǎn)，令被試操作雙桿.被試立即開始按一定方向移動雙桿.若在移動過程中離開圖案與金屬板接觸，接觸一次，蜂鳴器聲響，計數(shù)器記錄一次出軌次數(shù)，同時記錄被試完成在軌操作所用的時間.統(tǒng)計結(jié)果如表9所示.

表9　眼手協(xié)調(diào)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

5)簡單聲/光反應(yīng).

簡單聲/光反應(yīng)參數(shù)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果如表10所示.

表10　簡單反應(yīng)時參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果　ms

由表10的結(jié)果可知，光簡單反應(yīng)時與聲音簡單反應(yīng)時相比耗時較長，其原因在于視覺感官換能的時間較聽覺的時間長.同時，光簡單反應(yīng)時的差異性要小于聲音簡單反應(yīng)時.

6)注意廣度.

注意廣度也叫注意范圍，它是指人在同一時間內(nèi)所能清楚地注意到的對象的數(shù)量.被試分別在無干擾、噪音、悅音狀態(tài)下的注意廣度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果如表11所示.

表11　注意廣度參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

通過單因素方差分析在不同工作狀態(tài)(無干擾、噪音、悅音)下的注意廣度值，可以得到P>0.05, 即3種狀態(tài)對注意廣度無顯著性影響.這與預(yù)想的結(jié)果有所差異，可能是由于環(huán)境因素控制有限，沒有制造出絕對無干擾或絕對的悅音環(huán)境狀態(tài)，這在后期實(shí)驗中需要進(jìn)一步改善.

7)注意力集中.

注意力集中能力是指注意能較長時間集中于一定的對象，而沒有松馳或分散的現(xiàn)象.在連續(xù)長時間關(guān)注一個對象或一個簡單動作時，常常會引起疲勞和效益的下降.注意力集中能力計算公式為：

P3=S3i.

(6)

S3i為成功率，S3i=T1(成功時間)/T2(定時時間).P3越大代表能力越好，可用于評測乘員對目標(biāo)物體持續(xù)關(guān)注的能力.

試驗時將被試分為3組，分別按圖案圓形、三角形、方形進(jìn)行實(shí)驗，將環(huán)境狀態(tài)(是/否干擾)和圖案轉(zhuǎn)向(瞬/逆時針)兩個因素作為自變量，進(jìn)行雙因素方差分析.P3統(tǒng)計結(jié)果如表12所示.

表12　注意力集中參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

由雙因素方差分析結(jié)果可知，環(huán)境狀態(tài)和圖案轉(zhuǎn)向?qū)ψ⒁饬辛Φ闹餍?yīng)不顯著(均有P>0.05)，它們的交互效應(yīng)也不顯著(P>0.05).同理,對于三角形、方形圖案的注意力集中數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的處理可以得到相同的結(jié)果.但是從表12來看，人對逆時針轉(zhuǎn)動的圖案的注意力集中能力差于順時針轉(zhuǎn)動的圖案，這可能與日常的生活習(xí)慣有關(guān)系.同時，人在無干擾的情況下，相比有干擾的情況下注意力更容易集中.

2.4不同年齡段、學(xué)歷、地區(qū)對各認(rèn)知參數(shù)的影響

對不同年齡段(20～21、21～22、22～23、24～25)、學(xué)歷(初中、中專、高中和職高、大專、本科)、地區(qū)(華北、華東、華中、華南、西南、西北、東北)及對被試認(rèn)知參數(shù)的影響進(jìn)行單因素方差分析，顯著性結(jié)果如表13所示.

表13　不同年齡段、學(xué)歷和地區(qū)對各認(rèn)知參數(shù)的影響顯著性分析結(jié)果

從以上結(jié)果可知，除了不同學(xué)歷被試之間的光反應(yīng)能力以及不同地區(qū)被試的眼手協(xié)調(diào)能力(在軌時間)有顯著性差異(P<0.05)之外，其余不同年齡段、學(xué)歷、地區(qū)對被試各認(rèn)知參數(shù)的影響并不顯著，可以認(rèn)為不同年齡段、學(xué)歷、地區(qū)之間的被試認(rèn)知能力沒有明顯的差別.

2.5各認(rèn)知參數(shù)之間的相關(guān)性分析

采用SPSS對7項認(rèn)知參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，空間知覺能力與眼手協(xié)調(diào)能力之間的相關(guān)系數(shù)為0.201，其余參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)均小于0.2，可以認(rèn)為各項參數(shù)之間沒有相關(guān)性.

3　結(jié)　論

1)通過實(shí)驗測試方法采集了107人次的7項認(rèn)知參數(shù)數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析和討論可以得到如下結(jié)論：雙眼深度知覺準(zhǔn)確性好于單眼深度知覺；乘員對光的反應(yīng)要快于對聲音的反應(yīng),在3種聲音中，乘員對高音的識別能力最快，其次是低音，最差的是中音；乘員對塊形的空間知覺能力最強(qiáng)，其次是條形，最差的是不規(guī)則形，同時受圖形所處的位置影響；不同年齡段、學(xué)歷及地區(qū)對乘員各項認(rèn)知參數(shù)的影響并不顯著.

2)特種車輛乘員的基本認(rèn)知能力特征對乘員在操控過程中的觀察、判斷、決策和協(xié)同等任務(wù)中有著重要的影響.隨著技術(shù)的日益發(fā)展，對乘員的基本認(rèn)知能力和綜合素質(zhì)也提出了越來越高的要求，而乘員的認(rèn)知能力作為車輛信息化、數(shù)字化發(fā)展所需的核心能力，其影響因素在車輛的初步設(shè)計階段就應(yīng)加以考慮，這樣才能更充分地發(fā)揮人-車交互能力.

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Test and Analysis on Special Vehicle Occupant’s BasicCognitive Ability

WANG Qun,XIE Fang,ZHOU Qian-xiang,ZHENG Si-juan,LING Liang,WEI Zhong-liang,LI Li

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 10072,China)

Starting from the connotation of basic cognitive ability，this paper confirms the test factors that affect the basic cognitive ability, including the depth perception，allocation of attention，spatial perception，sound/light simple reaction time, attention span, attention focus ability, and etc. The participants were tested in a static environment and the test result was processed by the method of trple times standard deviation and analyzed by means of variance analysis method. Tested results show that the accuracy of occupant binocular depth perception is better than monocular, the occupant’s reaction to light is faster than sound, in the three kinds of sound, the best recognition ability is high sound, the second is the bass, the worst is the tenor. In the dual task distribution process, the occupant’s reaction to sound and light is significantly lower than the single task process; the occupant’s space perception to block is the strongest, followed by the bar and the worst is irregular; the attention focus degree about occupant’s tracking to different shape design is different, and could be also influenced by the change of design. The factors of the occupant’s age，educational background and born region’s do not provide an obvius influence on the various cognitive parameters.

vehicle； occupant；cognitive ability；mental resources；ability test

1009-4687(2016)03-0021-06

2016-03-02.

王群(1988-),男,工程師，研究方向為車輛人機(jī)工程學(xué).

TH137.51

A