测量施工作业场所隐患识别认知需求的多模态研究

本文是针对论文《测量施工作业场所隐患识别认知需求的多模态研究（A multimodal study to measure the cognitive demands of hazard recognition in construction workplaces）》的一篇论文解析，该论文于2021发表于《SAFETY SCIENCE》期刊。该研究的作者是Liao, Pin-Chao; Sun, Xinlu; Zhang, Dan.

在以前的研究中，隐患识别已被广泛探索。然而，由于忽视任务特定效应，基于图像的实验任务造成的信息失真以及眼动追踪设备的单一使用，使得隐患识别出现了缺陷。本研究旨在通过多模态监测，探索在不同类型危险的模拟施工现场中，认知模式如何变化。在一个设置危险的实验室中进行了一项隐患识别任务，使用眼动追踪设备和近红外光谱系统捕获瞳孔反应和脑氧合血红蛋白信号。根据危险类型和场景复杂性分析认知反应。结果表明，坠落危险诱发的大脑和瞳孔激活最多。场景的复杂性触发瞳孔直径的增加，并通过与危险类型的交互作用影响大脑活动。本研究还揭示了在危险模拟工作场所中瞳孔反应和神经过程的互补功能以及认知资源的上限效应。我们的结论是，具有不同类型危险的施工作业场所会产生不同的认知需求，因此应单独处理。这些信息可能对实际应用有用。

关键词:隐患识别;近红外光谱;多模态监测;职业环境;安全管理

研究背景：隐患识别被认为是主动预防事故的最有效方法之一。虽然不安全行为已被证明是70-80%场外事故，但有人认为，未识别危险直接导致事故，不安全行为更多地归因于隐患识别能力不足，而不是故意违反安全指南。对危险的适当检测和报告被认为可以显著改善工作场所安全。对于管理人员和工人来说，隐患识别通常被视为最大限度地降低工作场所风险的最基本要素。然而，传统干预措施的缺陷制约了隐患识别能力的提高。因此，对隐患识别的探索和解密是提高安全性能的必要条件。

 实验方法背景：以往的研究试图测量认知过程，以深入了解隐患识别过程。由于隐患识别被视为一项视觉搜索任务，因此主要的方法是在被试身上装备眼动追踪设备以记录眼动特征。近年来，一些研究尝试利用脑电图(EEG)和近红外光谱(NIRS)等定量心理监测技术来测量危险环境诱发的心理负荷。但这未能揭示各种危险工作场所引发的认知模式和需求。

不足之处：首先，研究使用了不充分的或定性的危险分类方法，而心理负荷和神经激活被认为是特定任务。其次，基于图像的实验设置由于平面刺激的信息失真，导致对视觉搜索模式的理解存在偏差。

本研究旨在测量不同场景复杂性和危险类型的模拟建筑工地中的认知需求。在本研究中，我们试图通过实验方案的创新来解决以往研究的不足。具体来说，我们在一个实验室中布置了危险，并进行了一个现实的隐患识别任务。被试配备了眼动仪和一系列用于多模态监测的近红外(NIRS)设备，以调查大脑活动和视觉运动特征之间的联系，同时在一个有各种危险的模拟工作场所。场景复杂性会引起瞳孔直径增大，并通过与危险类型的相互作用影响大脑活动。本研究还揭示了危险工作场所瞳孔反应和神经过程的互补功能。

目前的实验设计造成了对隐患识别认知过程的偏见

1、针对特定任务的分析，缺乏定性的危险分类方法

由于隐患识别通常被视为一个涉及感官、知觉和认知成分的复杂过程，因此心理分析作为研究隐患识别的一种手段越来越受到重视。一些研究人员试图通过定量和直接监测心理负荷来评估低隐患识别能力和高隐患识别能力工人。然而，研究人员也有一个弱点，即没有考虑到不同类型的危险。也有研究人员设计了一项实验，让配备近红外光谱仪的被试面对不同类型和严重程度的危险。结果表明，血红蛋白浓度达到峰值的时间随危险程度和能量来源的不同而不同。

这些研究成果强调，在探索认知需求和处理模式之前，有必要进行适当的危险分类。此外，个体之间的风险感知可能是高度可变的，因此显著性的确定是可变的。一种与认知过程直接相关的定量方法是必要的，作为研究这些现象的额外危险分类工具。使用视觉混乱作为场景复杂性的代理来量化背景干扰。这被证明是衡量建筑工作场所复杂场景背景下认知困难的有效方法。

2、由于在有限场景中进行的实验，对隐患识别认知过程的理解存在偏差  

在实证研究中，动态施工场所对安全管理和实验模拟提出了许多难以克服的局限性。因此，一些研究人员使用平面刺激、工作场所视频来模拟工作场所场景和分析隐患识别过程。还有一些研究人员开发了数字建筑工地来复制危险。上述实验均基于二维材料，具有检测过程可控、视角固定、眼动测量标准化等优点。然而，维度的降低可能会导致对刺激的过度简单化表征，导致视觉搜索模式的扭曲，并由此导致对隐患识别过程的误解。与天气、噪音、任务和设备相关的微妙环境因素也很难使用平面刺激来复制，因此，在自然环境中进行的实验对于隐患识别研究至关重要。

本项研究中，我们试图重建一个建筑工地——一个在民用实验室中存在许多潜在危险的工作场所。与实际施工现场相比，该实验室相当静态，易于控制，并允许进行为期几天的实验。

眼动追踪设备记录眼动数据的局限性

文献表明，在监测涉及隐患识别的认知过程时，仅使用眼动追踪设备存在不足。眼动是视觉注意的代表，眼动追踪设备记录的眼动特征，如扫视和注视，整合了眼球活动和认知过程。关于注视时间和注视百分比的时间信息则用来评估观察者的兴趣焦点和判断认知困难。对注视持续时间的观察可以导致隐患识别和注视持续时间特征之间不确定的相关性，因为长时间的注视可能表明观察者被某个物体吸引，或者在识别时遇到了一些困难。

本研究试图通过使用包括眼动仪和近红外光谱系统在内的多模态监测设备来克服这一缺陷。（近红外光谱技术的应用：作为神经工效学的工具，近红外光谱已被证明是理解、评估和改善人类表现的有效方法。它通过计算大脑血容量和氧合变化来测量大脑的激活。与功能磁共振成像(fMRI)或正电子发射断层扫描(PET)等其他设备相比，NIRS（近红外光谱）的便携性允许被试自由地执行认知任务，而不受任何行动限制。）

不同的认知来源依赖于视觉负荷和认知内容的差异   

研究结果显示，隐患识别任务中的认知活动因职业环境的不同而不同。根据危险类型的不同，大脑反应似乎会被不同的方式激活。然而，瞳孔直径取决于危险类型和视觉混乱。

此外还测量了瞳孔直径，以确定不同的认知模式。瞳孔直径对危险类型和视觉混乱均有响应。当坠落或遇到火灾危险时，瞳孔明显扩张。相比之下，电危险引发的认知唤醒和瞳孔直径减小。视觉混乱对瞳孔直径有显著影响。在高度混乱场景中观察到危险时，瞳孔直径显著增加，但在低混乱场景中减小。

在本研究中，当遇到坠落危险时，氧合血红蛋白浓度增加，但当遇到火灾危险时，氧合血红蛋白浓度降低。坠落危险消耗了相当多的认知资源，这体现在氧合血红蛋白浓度和瞳孔直径上。当发现火灾预防或控制危险时，被试使用的大脑资源比其他危险类型要少，并表现出特定的瞳孔反应。电危险与火灾危险的不同之处在于，它们引起的瞳孔反应较少，但大脑活动较多。这可能表明，坠落危险触发了巨大的认知需求以及情绪唤起和警觉性。

反映混乱场景引起的认知需求的模式因危险类型而异 

研究结果表明，视觉混乱对隐患识别的影响取决于危险类型，而不是简单地通过制造干扰和阻止有效注意力来阻碍视觉搜索过程。在识别火灾危险时，高视觉混乱导致高认知负荷，而在识别电气危险时，高视觉混乱比低视觉混乱需要更少的认知能力。

杂乱复杂的火灾场景诱导了更多的大脑活动认知资源，导致观察者的认知超载和任务难度。相比之下，杂乱的电气危险场景比整洁的场景诱发更低的认知负荷，表明观察者更容易识别杂乱场景中的电气危险。场景的高度复杂性不仅降低了目标的显著性，而且提供了重要的信息，从而促进了自上而下的搜索过程。

综上所示，被试在混乱背景信息的帮助下识别了电气危险，而基于显著性的注意引导在火灾隐患识别中发挥了更重要的作用。

神经活动和眼动在不同的危险工作场所并不相关

血流动力学活动和瞳孔直径的变化揭示了类似但不同的认知过程信息。我们分析了两种措施之间的相关性，以了解它们在隐患识别过程中如何作出反应和协调。结果表明，神经活动和眼动并不直接相关。

瞳孔反应和神经活动之间的几个近红外通道被发现在探测火灾或电气危险。然而，当处理坠落防护危险时，这两种认知活动的功能是相反的，因此，使用大量大脑活动来识别火灾或电危险的被试也会表现出更高的瞳孔扩张。这与识别坠落危险的任务不同，在坠落识别任务中，当神经活动水平较高时，被试的瞳孔直径通常会减小。这些结果表明，神经活动和瞳孔反应之间的关系取决于危险类型，并不是经常发生的。

从瞳孔反应和大脑活动的测量来看，坠落危险造成的认知需求和工作量最高，表明这两种心理反应之间存在负相关关系，这可能源于有限的认知资源。在这种情况下，瞳孔直径和脑活动在PFC中的同时反应可以反映出对电和火灾危险的较低的认知需求。然而，在认知过载的情况下，识别坠落危险，有限的认知资源必须进行合理分配，以找到神经和瞳孔反应之间的平衡。这种“天花板效应”与其他有关认知资源有限的理论是一致的。

隐患识别的理论意义

1、不同的危险类型会导致不同程度的大脑激活。一般来说，坠落危险被证明是大脑活动中最需要认知的任务。此外，坠落危险会导致瞳孔显著扩张。这些结果表明，与电气和火灾相关危险相比，更多的认知资源被分配用于识别坠落危险，可能是通过增加认知工作量需求和情绪唤醒。

2、由视觉混乱测量的场景复杂性对认知需求有显著影响，当危险的背景是复杂的时，瞳孔的扩张就表明了这一点。这可能意味着杂乱的场景会导致心理超载或警觉性。

3、场景复杂性通过与危险类型的交互作用触发不同程度的大脑活动。这可能是由于背景分散在不同的危险环境中的影响不同。电危险的背景触发了大量的认知资源，造成注意力分散。相比之下，火灾背景信息有助于提高识别，因此需要较少的认知资源。

方法的创新

1、实验揭示了对隐患识别过程的理解，证实了设计的价值。首先，利用多模态监测技术对隐患识别过程中的认知需求进行测量。使用眼动仪记录眼动反应，配合一系列近红外光谱仪测量大脑激活水平。注意力与认知过程和需求并不是单向相关的，它可以从两个方面来解释：兴趣和难度。因此，使用近红外光谱(NIRS)设备可以帮助了解不同的工作场所危险如何引发工人的认知需求，以及工人如何对危险作出反应。

2、本研究还提供了一种模拟自然危险环境的新型实验设置。这项研究不是通过图像或视频来展示危险场景，而是在一个满足了自然危险工作场所要求实验室中进行的，这保证了一个半自然的环境，既静态又自然。

局限性及未来研究

被试被视为一组，并对被试之间的心理信号进行平均。比较不同群体之间的认知模式是有价值的，例如有经验/新手或有能力/无能力。

在这项试点研究中，对PFC的大脑活动进行了监测，因为该区域已被证明与驾驶行为中的危险感知相关。此外，该区域先前已被证明不受头发信号干扰的影响。然而，一些研究人员发现，其他大脑区域，如顶叶，对认知过程也有重要影响。观察更多脑区的神经血流动力学也可能有用。

实验设置还存在一定的局限性。在本研究中，仅允许一条搜索路线，以避免路线选择和危险顺序的影响。

本研究探讨多模态监测技术在模拟工作场所识别不同类型危险的认知需求。本研究的贡献在于方法和结果，并辅之以建筑工作场所隐患识别认知过程的理论知识。

研究结果表明，模拟的不同危险类型和场景复杂性水平的建筑工地诱发不同的认知模式和认知需求，因此应分别进行处理。此外，在实际危险情况下进行的实验方案中使用多模态监测有助于弥补现有研究方法上的差距。