人因工程 08脑力负荷

篇章总汇总论☐第1章人因工程概述☐第2章人因工程的研究方法与工具基础篇☐第3章人体测量☐第4章人体生理特性☐第5章人的心理认知特征☐第6章人的信息处理☐第7章人的作业环境应用篇☐第8章作业空间设计☐第9章肌肉骨骼失调及其预防☐第10章脑力负荷与脑力工作绩效提升☐第11章人机界面设计扩展篇☐第12章可用性☐第13章安全性⏹第一节脑力负荷定义及影响因素⏹第二节脑力负荷的测量方法⏹第三节脑力负荷预测方法⏹第四节应激⏹第五节脑力疲劳及其消除脑力工作负荷第一节脑力负荷定义及影响因素一、脑力负荷定义mental workload脑力负荷是一个多维概念，它涉及到工作要求，时间压力，操作者的能力和努力程度，行为表现和其他许多因素。

心理负荷、精神负荷、脑负荷、脑力负担(1)脑力负荷是人在工作时的信息处理速度。

(2)脑力负荷是人在工作时所占用的脑力资源的程度。

(3)脑力负荷是人在工作中感受到的工作压力的大小。

(4)脑力负荷是人在工作中的繁忙程度。

第一节脑力负荷定义及影响因素•本书中，将脑力负荷定义为反映工作时人的信息处理系统被使用程度的指标。

•脑力负荷与人的闲置未用的信息处理能力之和就是人的信息处理能力。

•人的闲置未用的信息处理系统与人的信息处理能力、工作任务对人的要求、人工作时的努力程度等有关，因而脑力负荷也与这些因素有关。

二、脑力负荷的影响因素（1）工作内容。

工作内容对脑力负荷有直接影响。

在其他条件不变的情况下，工作内容越多，越复杂，操作人员所承受的脑力负荷就越高。

时间压力、困难程度、工作强度（2）人的能力。

在脑力劳动中，个体之间的脑力劳动能力存在差异，干同样的工作，能力越大的人脑力负荷越低，能力越小的人脑力负荷越高。

努力程度（3）人的业绩（绩效）。

脑力负荷的适当与否对系统的绩效、操作者的满意感以及安全和健康均有很大的影响。

许多研究发现，工作绩效与脑力负荷强度存在明显的依赖关系。

检验、飞机调度、驾驶脑力负荷与工作绩效的关系“三阶段”模式第二节脑力负荷的测量方法•主观评价法•主任务测量法•辅助任务测量法•生理测量法（一）主观评价法及其特点⏹主观评价法是最流行也是最简单的脑力负荷评价方法。

该方法要求系统操作者陈述特定操作过程中的脑力负荷体验，或根据脑力负荷体验对操作活动进行难度顺序的排列。

它具有以下特点：⏹（1）直接评价。

⏹（2）事后进行，不会对主操作产生干扰。

⏹（3）使用统一的评定维度，可相互比较。

⏹（4）使用简单、省时。

第二节脑力负荷的测量方法（二）主观评价法分类脑力负荷主观评定技术有多种类型。

最常见的有古柏－哈柏(Cooper-Harper)评价法、主观负荷评价法（SWAT量表）、NASA—TLX量表等。

（三）主观评价法的缺陷（1）评价结果有偏差。

意识到的，性格（2）评价结果容易混淆。

应该和实际（3）方法应用存在局限性。

短时记忆（4）方法敏感性存在特异性。

“倒U形”很好，有可忽略缺点1脑力负荷不用考虑优良，人们所希望的不错，轻度不足主观负荷评价法（维度水平描述脑力负荷影响因素脑力需求二、主任务测量方法人员在工作时的业绩指标来判断这项工作给操作人员带来的脑力负荷。

主任务测量法可以分为两大类，一类是单指标测量法，一类是多指标测量法。

（一）单指标测量法单指标测量法就是用一个业绩指标来推断脑力负荷。

在使用单指标测量法时，指标选择的好坏对脑力负荷的测量成功与否有着决定性的作用。

人们已进行过许多用单项业绩指标来测量脑力负荷的研究，在这些研究中主要是用错误或时间延迟作为业绩指标。

城市驾车、视觉口令（变化）（二）多指标测量法用多个业绩指标来测量脑力负荷是希望通过多个指标的比较和结合减小测量的误差，另外可以通过多个指标来找出脑力负荷产生的原因，这样也可提高测量的精度(速度和精确度：反应时间、正确反应率、无反应率）主任务测量法存在两个问题。

其一，各种操作性质各不相同，不可能提出一种广泛适用的绩效参数，因此各操作之间的脑力负荷状况无法进行比较。

其二，根据资源理论，当操作要求资源小于操作能力时，虽然工作负荷的增加会引起剩余资源的减少，但主任务绩效由于得到充足资源的供应而并不出现下降，在这种情况下主任务绩效对工作负荷的变化不敏感。

三、辅助任务测量法(一)辅助任务测量法的原理应用辅助任务测量法时，操作人员被要求同时做两件工作。

操作人员把主要精力放在主任务上。

当他有多余的能力时，尽量做辅助任务。

主任务的脑力负荷是通过辅助任务的表现来进行的。

主任务脑力负荷越大，剩余资源越少，操作者从事辅助任务的能力就越弱。

用辅助任务法测量脑力负荷一般分两步。

第一步为测量单独做辅助任务时的业绩指标；第二步则在做主任务的同时，在不影响主任务的情况下尽量做辅助任务。

(二) 辅助任务的种类辅助任务必须满足这样几个条件。

第一，它必须是可以细分的；第二，它必须与主任务使用相同的资源；第三，必须对主任务没有干扰或干扰很小。

由于不同的任务使用不同的资源，因而使得可使用的辅助任务也有很大的不同，下面是常用的辅助任务。

（1)选择反应。

(2)追踪。

(3)监视。

(4)记忆。

(5)脑力计算。

(6)复述。

(7)简单反应。

脑力劳动与神经紧张型作业的生理变化特点随着科学技术的发展和社会进步，生产过程自动化程度日益提高，大量繁重体力劳动和职业危害较严重的工种将逐步被机器人所取代，体力劳动的比重和强度将不断减小，而需要智力和神经紧张型的作业越来越多。

脑的氧代谢较其它器官高，安静时约为等量肌肉耗氧量的15～20倍，占成年人体总耗氧量的10％。

由于脑的重量仅为体重的2.5％左右，大脑即使处于高度紧张状态，能量消耗量的增高也不致超过基础代谢的10％。

脑力劳动时心率减慢，但特别紧张时，可引起舒张期缩短而使心跳加快、血压上升、呼吸频率提高、脑部充血而四肢及腹腔血液减少，脑力劳动时，脑电图的频率加快。

第二节脑力负荷的测量方法四、生理测量法（一）心率变异正常情况下，人的心率是不规则的（10～15次/min）。

研究发现，当人承受脑力负荷时（采用每分钟40个信号和70个信号两种情况），两种情况的心率平均值没有很大的提高，但心率变异明显下降，而且随着负荷强度（所处理的信号数）增加，心率变异越来越小，曲线趋于平直。

脑电活动测量法：ERP和EBM⏹脑事件相关电位（Event-related Potential，ERP）脑活动特别是其中的晚发正波成份P300与认知活动关系最为密切，被认为是脑认知活动的窗口，可反映任务的脑力负荷，其波幅可以反映诱发其产生的刺激任务的脑力资源的多少。

⏹脑地形图（Electrical Brain Mapping，EBM）由于作业的种类和难度的不同，头部电活动类型和脑诱发电位成分有明显的差异，我们可以运用这种差异研制功能性脑地图集，并预示可以运用这种地图集确定各种认知作业间的认知功能的相似处和差异，进而探讨作业脑力负荷。

磁共振成像技术（MRI）各种认知活动在功能上都有高灵敏度的显示成像工作方式，我们可以检测到作业前后ＭＲＩ信号强度变化的大小和速度，通过“差图法”或“信号强度—时间”关系曲线，可以直观描述信号强度的变化规律，分析认知作业的种类和脑力负荷。

生理测量法的局限：1.生理测量法假定脑力负荷的变化会引起某些生理指标的变化，但是其他许多与脑力负荷无关的因素也可能引起这些变化；2.不同的工作占用不同的脑力资源，因而会产不同的生理反应。

一项生理指标对某一类工作适用，对另一类工作则不适用。

第三节脑力负荷预测方法对脑力负荷的预测方法主要采取分析方法，目前的方法有时间压力模型、波音公司的方法以及Aldrich的脑力负荷预测方法。

这里主要介绍3种方法。

一、Siegel和Wolf的时间压力模型Siegel和Wolf开发了一个以人为中心的人—机计算机模拟系统。

在这个模拟系统中，人的负荷情况是影响人一机系统效益的最主要的因素。

该方法将影响脑力负荷的各种因素的作用以“压力”这个变量来表示。

第三节脑力负荷预测方法压力可受到下面几个因素的影响：（1）操作人员的工作速度。

(2)一起完成某项工作的合作者工作不正常时，会使自己产生压力；(3)首次执行某项工作失败后，不得不重复一次或几次，在重复做这项工作时，操作人员也会产生压力；(4)操作人员不得不等着机器做出反应。

一、Siegel和Wolf的时间压力模型在开发这个计算机模型时，他们首先用工作分析的方法把工作任务分解成次级任务，给出各个次级任务之间的相互顺序及影响关系，各个次级任务的重要性，执行各项任务所需要的时间(随机分布的时间)，完成每项次任务成功的概率，若第一次完不成这个次级任务后可采取的措施(重做或忽略)等。

通过工作分析，把这些情况都搞清楚，然后输入到计算机中。

把各个次级任务根据工作顺序和概率连接起来，给出不同的随机数值，就可以模拟人的行为，计算机并可以自动地把一些有用的信息记录下来。

在这个模拟中的一个最基本的假定是人对还剩有多少时间可以用来完成任务的判断。

这个判断的结果就是时间压力。

时间压力影响到操作人员的操作速度。

Siegel和Wolf把时间压力定义为完成任务所需要的时间与给定的完成任务时间之比，通过试验发现，这样定义的时间压力，对正常人时间压力的临界值在2．3左右，即当完成任务所需要的时间超出给定时间一半以上以后，操作员的行为才受到破坏性干扰。

时间压力模型用于模拟飞机驾驶员在航空母舰上的着陆问题（57项作业）。

该模型也用来模拟其他类型的工作，如发射导弹、空中加油、空中拦截等。

二、波音公司的方法波音公司的研究人员Hickey首先提出了用时间研究的方法分析人的业绩的可能性问题。

接着，Stern等人把这种方法扩展到用操作人员的能力和剩余的能力来估算人的负荷比例。

他们在做脑力负荷的估计时，也考虑到同时执行两项以上的任务和体力方面的影响。

他们随意地把80%作为脑力负荷的上限，这样使操作人员能有一点剩余的能力(时间)，这点能力也可以用来检查自己的错误等等。

这种方法产生的结果比较令人满意。

在与上面的研究人员同时进行的研究中，波音公司的Smith提出用时间占有率作为负荷比例。

Smith在完善他的模型时，又考虑了认知性的任务。

图10-3是按这种方法计算出来的当使用电子计算机之后，在执行10多分钟的任务时某操作人员的脑力负荷随时间的分布。

三、Aldrich的脑力负荷预测方法Aldrich等人开发的脑力负荷预测方法与前面前面提出的方法有些相似，但又增加了新内容。

该种方法开发分为如下阶段。

（1）工作分析阶段。

（2）估计每项任务所需时间。

（3）确定人的各部位被占用情况。

•人的工作系统分为感觉、认知、反应三个子系统，感觉系统又可分为视觉、听觉、触觉等。

共5种可以同时工作的子系统。

•把子系统脑力劳动负荷定为0～7•操作人员在工作时的脑负荷就是5个子系统负荷之和AldrichAldrich模型也存在一定的问题，该模型还没有接受实践检验，系统的负荷值为专家的主观值，在一定程度上影响了结果的客观性，另外，负荷的计算是各子系统负荷系数的简单相加，把8确定为脑力负荷过度的判断标准还缺乏科学的根据。