近期，清華大學(xué)建設(shè)管理系廖彬超副教授與清華大學(xué)心理學(xué)張丹副教授的聯(lián)合研究工作在知名期刊《Safety Science》（Q1區(qū), 影響因子4.105）發(fā)表了題為“A multimodal study to measure the cognitive demands of hazard recognition in construction workplaces. Safety Science”的研究論文。該研究以最大程度還原現(xiàn)場(chǎng)隱患識(shí)別的認(rèn)知過(guò)程，并將近紅外腦功能成像技術(shù)fNIRS (functional Near-infrared spectroscopy)技術(shù)引入建設(shè)安全管理領(lǐng)域。研究結(jié)果為隱患識(shí)別的認(rèn)知過(guò)程解讀提供了全新的思路。

      該研究需要在自由運(yùn)動(dòng)情景下精準(zhǔn)檢測(cè)大腦活動(dòng)，對(duì)于近紅外腦成像系統(tǒng)的信號(hào)靈敏度、可穿戴性提出了重要要求。

      慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirSmart融合了北京航空航天大學(xué)高精尖的超微光檢測(cè)技術(shù)。NirSmart將大型移動(dòng)落地式系統(tǒng)才能采用的雪崩二極管APD探測(cè)器技術(shù)壓縮到一個(gè)iPad大小的尺寸中，輕盈小巧，并且相對(duì)上一代的采用光電二極管PD探測(cè)器技術(shù)的靈敏度提升了數(shù)十倍，有效地支撐了本研究地順利開(kāi)展。
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       在建設(shè)工程安全管理中，隱患識(shí)別是一項(xiàng)非常重要的管理手段。建設(shè)工程事故最常見(jiàn)的原因是工人的不安全行為[1]，更深層次的原因并非工人刻意違反安全規(guī)程或者單純的危險(xiǎn)環(huán)境，而是執(zhí)行工作時(shí)經(jīng)常沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該發(fā)現(xiàn)的隱患[2-3]。因此，研究需要揭示工作者隱患識(shí)別的心理過(guò)程，才能輔助開(kāi)發(fā)相應(yīng)的管理手段（腦機(jī)接口技術(shù)或者培訓(xùn)方法）。近期清華大學(xué)建設(shè)管理系廖彬超副教授與清華大學(xué)心理學(xué)張丹副教授聯(lián)合研究工作發(fā)表在Safety Science期刊的研究工作中，嘗試了新的實(shí)驗(yàn)范式，以最大程度還原現(xiàn)場(chǎng)隱患識(shí)別的認(rèn)知過(guò)程，并將近紅外光譜腦成像技術(shù)NIRS (Near-infrared spectroscopy)技術(shù)引入建設(shè)安全管理領(lǐng)域。研究結(jié)果為隱患識(shí)別的認(rèn)知過(guò)程解讀提供了新的思路。
 
從認(rèn)知心理學(xué)角度研究隱患識(shí)別過(guò)程
如圖1所示，隱患識(shí)別被認(rèn)為是一項(xiàng)視覺(jué)搜索任務(wù)。以往研究通�；�于圖像刺激來(lái)設(shè)計(jì)隱患識(shí)別行為實(shí)驗(yàn)，并配備眼動(dòng)儀記錄認(rèn)知過(guò)程。然而，在隱患識(shí)別過(guò)程中，眼動(dòng)指標(biāo)雖然對(duì)感知過(guò)程較為敏感，對(duì)于認(rèn)知階段的解讀卻不夠精準(zhǔn)。例如注視時(shí)長(zhǎng)(fixation duration)與隱患識(shí)別能力的關(guān)系在不同文獻(xiàn)中也并不統(tǒng)一[4-7]。而NIRS則能更好地反映觀察者在判斷階段的認(rèn)知水平。 本文設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)范式，以探究隱患識(shí)別過(guò)程中的腦眼協(xié)同機(jī)制，從而深化對(duì)隱患識(shí)別認(rèn)知過(guò)程的理解。實(shí)驗(yàn)較以往文獻(xiàn)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在以下三方面:
1 實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行，而非基于圖片或視頻的實(shí)驗(yàn)刺激。
2 便攜式眼動(dòng)儀與NIRS設(shè)備同時(shí)記錄被試的眼動(dòng)指標(biāo)與腦部認(rèn)知活躍水平，NIRS通道如圖2所示。
3 設(shè)置不同類(lèi)別隱患，探討隱患類(lèi)型與視覺(jué)混亂度的交互作用。       48名健康大學(xué)生在清華大學(xué)土木工程系實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行了本次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、機(jī)械設(shè)備與施工現(xiàn)場(chǎng)有著高度一致性，因此隱患能夠較好的模擬現(xiàn)場(chǎng)情境；另外室內(nèi)環(huán)境配合靜態(tài)布置（實(shí)驗(yàn)在假期進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室處于停止運(yùn)行狀態(tài)），能夠更便于實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件的控制，如光照的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中，被試可以按照指定路線自由探索空間，眼動(dòng)儀上的攝像頭記錄了被試視野的情況。當(dāng)看到疑似隱患時(shí)，被試駐足觀察，確認(rèn)報(bào)告隱患后，可用手中激光筆勾畫(huà)隱患邊界。之后繼續(xù)前行，直至終點(diǎn)。
  隱患類(lèi)別與視覺(jué)混亂度的認(rèn)知響應(yīng)機(jī)制不同
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，認(rèn)知資源對(duì)隱患類(lèi)別與視覺(jué)混亂度的響應(yīng)模式是不同的。在不同隱患類(lèi)別下，氧合血紅蛋白濃度變化（Oxy-Hb）的差異更為顯著(圖4)。墜落隱患的識(shí)別需要調(diào)用更多認(rèn)知資源，而火災(zāi)隱患的識(shí)別則可以在認(rèn)知活躍度較低的水平下完成。 視覺(jué)混亂度的認(rèn)知響應(yīng)主要體現(xiàn)在瞳孔直徑的變化。高混亂度引起瞳孔直徑擴(kuò)大，反映了視覺(jué)負(fù)荷帶來(lái)的認(rèn)知資源需求的增加。       從交互作用的角度來(lái)看，視覺(jué)混亂度與隱患識(shí)別在瞳孔直徑變化中也存在顯著交互作用，如圖5。這一結(jié)果意味著不同的隱患類(lèi)別與場(chǎng)景復(fù)雜度引發(fā)的認(rèn)知響應(yīng)機(jī)制是不同的。在工程實(shí)踐中，應(yīng)該重視這種認(rèn)知差異，以進(jìn)行針對(duì)性的隱患識(shí)別能力培訓(xùn)。
腦部認(rèn)知活動(dòng)與眼動(dòng)過(guò)程在隱患識(shí)別中的天花板效應(yīng)
       通過(guò)對(duì)Oxy-Hb指標(biāo)與瞳孔直徑的相關(guān)性分析可以更深入了解兩種認(rèn)知響應(yīng)機(jī)制的協(xié)同作用模式。結(jié)果表明，腦認(rèn)知活動(dòng)和眼動(dòng)特征沒(méi)有直接的相關(guān)性。
       圖6展示了不同隱患類(lèi)別下，部分通道的氧合血紅蛋白濃度變化與瞳孔直徑變化的關(guān)系。雖然這種關(guān)系并不統(tǒng)一，但可以看到，在不同隱患類(lèi)別下，二者的關(guān)系呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。當(dāng)探測(cè)到火災(zāi)或用電隱患時(shí)，瞳孔反應(yīng)與來(lái)自多個(gè)NIRS通道的腦神經(jīng)活動(dòng)之間存在正相關(guān)。然而，在識(shí)別防墜落隱患時(shí)，這兩種認(rèn)知活動(dòng)的功能相反。這就是說(shuō)，識(shí)別火災(zāi)或用電隱患時(shí)，大腦活動(dòng)更活躍的被試，也會(huì)表現(xiàn)出更高的瞳孔擴(kuò)張。這與墜落隱患的識(shí)別不同，當(dāng)神經(jīng)活動(dòng)水平較高時(shí)，參與者的瞳孔直徑通常會(huì)減小。這些結(jié)果表明，神經(jīng)活動(dòng)和瞳孔反應(yīng)之間的關(guān)系取決于隱患類(lèi)型。
       值得關(guān)注的是，墜落隱患引發(fā)的腦部認(rèn)知活動(dòng)與瞳孔直徑反應(yīng)在三種隱患中都是最為顯著的，因此，上述關(guān)系可從認(rèn)知資源的有限性進(jìn)行解釋[8-9]。即，在墜落隱患中，認(rèn)知資源的需求量為最大，達(dá)到某種上限，因此，腦部與眼部的認(rèn)知資源分配只能呈現(xiàn)“此消彼長(zhǎng)”的態(tài)勢(shì)。而對(duì)于火災(zāi)隱患與用電隱患來(lái)說(shuō)，由于認(rèn)知資源的需求總體水平較低，因此腦部活動(dòng)與眼部活動(dòng)可以同時(shí)被調(diào)用以完成視覺(jué)搜索任務(wù)。        該研究探討了多模態(tài)監(jiān)測(cè)下的隱患識(shí)別認(rèn)知需求模式。結(jié)論表明，不同隱患類(lèi)別和場(chǎng)景復(fù)雜度的現(xiàn)場(chǎng)隱患，會(huì)導(dǎo)致不同的認(rèn)知模式和認(rèn)知需求，因此在建設(shè)工程安全管理中，應(yīng)根據(jù)隱患特征進(jìn)行針對(duì)性培訓(xùn)與監(jiān)管。該文的實(shí)驗(yàn)范式也為建設(shè)工程安全管理研究提供了新的思路。
以上轉(zhuǎn)發(fā)：實(shí)驗(yàn)社會(huì)科學(xué)
發(fā)表論文信息：Liao, P.-C., Sun, X., & Zhang, D. (2021). A multimodal study to measure the cognitive demands of hazard recognition in construction workplaces. Safety Science, 133, 105010. http://doi.org/10.1016/j.ssci.2020.105010
論文研究得到了清華大學(xué)社科學(xué)院實(shí)驗(yàn)社會(huì)科學(xué)平臺(tái)支持，特此致謝。
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