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)場隱患識別的認(rèn)知過程，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)果為隱患識別的認(rèn)知過程解讀提供了全新的思路。

      該研究需要在自由運(yùn)動情景下精準(zhǔn)檢測大腦活動，對于近紅外腦成像系統(tǒng)的信號靈敏度、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技術(shù)。NirSmart將大型移動落地式系統(tǒng)才能采用的雪崩二極管APD探測器技術(shù)壓縮到一個iPad大小的尺寸中，輕盈小巧，并且相對上一代的采用光電二極管PD探測器技術(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展。
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       在建設(shè)工程安全管理中，隱患識別是一項(xiàng)非常重要的管理手段。建設(shè)工程事故最常見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)程或者單純的危險環(huán)境，而是執(zhí)行工作時經(jīng)常沒有發(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別的心理過程，才能輔助開發(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)場隱患識別的認(rèn)知過程，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)果為隱患識別的認(rèn)知過程解讀提供了新的思路。
 
從認(rèn)知心理學(xué)角度研究隱患識別過程
如圖1所示，隱患識別被認(rèn)為是一項(xiàng)視覺搜索任務(wù)。以往研究通�；�于圖像刺激來設(shè)計(jì)隱患識別行為實(shí)驗(yàn)，并配備眼動儀記錄認(rèn)知過程。然而，在隱患識別過程中，眼動指標(biāo)雖然對感知過程較為敏感，對于認(rèn)知階段的解讀卻不夠精準(zhǔn)。例如注視時長(fixation duration)與隱患識別能力的關(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，以探究隱患識別過程中的腦眼協(xié)同機(jī)制，從而深化對隱患識別認(rèn)知過程的理解。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 便攜式眼動儀與NIRS設(shè)備同時記錄被試的眼動指標(biāo)與腦部認(rèn)知活躍水平，NIRS通道如圖2所示。
3 設(shè)置不同類別隱患，探討隱患類型與視覺混亂度的交互作用。       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)場有著高度一致性，因此隱患能夠較好的模擬現(xiàn)場情境；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，被試駐足觀察，確認(rèn)報告隱患后，可用手中激光筆勾畫隱患邊界。之后繼續(xù)前行，直至終點(diǎn)。
  隱患類別與視覺混亂度的認(rèn)知響應(yīng)機(jī)制不同
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，認(rèn)知資源對隱患類別與視覺混亂度的響應(yīng)模式是不同的。在不同隱患類別下，氧合血紅蛋白濃度變化（Oxy-Hb）的差異更為顯著(圖4)。墜落隱患的識別需要調(diào)用更多認(rèn)知資源，而火災(zāi)隱患的識別則可以在認(rèn)知活躍度較低的水平下完成。 視覺混亂度的認(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，反映了視覺負(fù)荷帶來的認(rèn)知資源需求的增加。       從交互作用的角度來看，視覺混亂度與隱患識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別與場景復(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)行針對性的隱患識別能力培訓(xùn)。
腦部認(rèn)知活動與眼動過程在隱患識別中的天花板效應(yīng)
       通過對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)知活動和眼動特征沒有直接的相關(guān)性。
       圖6展示了不同隱患類別下，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，在不同隱患類別下，二者的關(guān)系呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。當(dāng)探測到火災(zāi)或用電隱患時，瞳孔反應(yīng)與來自多個NIRS通道的腦神經(jīng)活動之間存在正相關(guān)。然而，在識別防墜落隱患時，這兩種認(rèn)知活動的功能相反。這就是說，識別火災(zāi)或用電隱患時，大腦活動更活躍的被試，也會表現(xiàn)出更高的瞳孔擴(kuò)張。這與墜落隱患的識別不同，當(dāng)神經(jīng)活動水平較高時，參與者的瞳孔直徑通常會減小。這些結(jié)果表明，神經(jīng)活動和瞳孔反應(yīng)之間的關(guān)系取決于隱患類型。
       值得關(guān)注的是，墜落隱患引發(fā)的腦部認(rèn)知活動與瞳孔直徑反應(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”的態(tài)勢。而對于火災(zāi)隱患與用電隱患來說，由于認(rèn)知資源的需求總體水平較低，因此腦部活動與眼部活動可以同時被調(diào)用以完成視覺搜索任務(wù)。        該研究探討了多模態(tài)監(jiān)測下的隱患識別認(rèn)知需求模式。結(jié)論表明，不同隱患類別和場景復(fù)雜度的現(xiàn)場隱患，會導(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)社會科學(xué)平臺支持，特此致謝。
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