认知负荷11

15.7认知负荷工作负荷与绩效之间关系较为微妙(Casner&Gore,2010)。人们试图定义工作负荷，并提出了工作负荷是操作员在执行任务时投入的精力，它源自于特定任务与操作者对任务负荷所做的主观努力之间的相互作用(如，“任务负荷”用单位时间内的任务来测量)。(它源自于特定任务(如，“任务负荷”用单位时间内的任务来测量)与操作者对完成任务负荷所需精力的主观认识之间的相互作用)。工作负荷也可能与生理或心理负荷有关。这部分将集中于工作负荷的精神层面(认知)（生理方面的已在5.2章节“生理工作负荷”中详述）。负荷过重或过轻均能够影响绩效。由于低工作负荷及其相关对抗措施方面的数据有限（由于低工作负荷方面的数据及对策有限），本章节将着重讨论认知工作超负荷。简单的让所有的负荷都处于（把整体工作强度维持在）中间水平，无法（不太可能）达到最优的工作绩效需要达到的结果(Goreetal.,inpress)。成功管理或评价工作负载应（综合）考虑操作者必须单独完成的任务（完成的单个任务）、在工作期间所要合作完成任务（完成的组合任务）、任务的优先次序、操作者的个体差异及操作者完成任务所需时间的长短。因此，现阶段用工作量评价某个个体工作负荷是不合时宜的（用当前衡量工作量的方法去评价个体工作负荷是不符合实际的）(Boff,Kaufman,&Thomas,1986;Casner,2005:Gawron,2008)。研究指出，单一的方法不能确定工作负荷在各种操作环境下的适用性。操作周期（开发周期的）不同阶段需要用不同的评估及测量技术(Wierwille&Eggemeier,1993)。如果从单个任务测量扩大到系统操作测量，会进一步增加其挑战。5.7.1系统开发周期中（的）工作负荷评估和缩减各种工具，方法和技术已经被用来测量工作负荷。这些技术主要为航空环境设计，并已应用(在)其他高度程序化的领域，（用来）在短时间内对任务进行检查(Goreetal.,inpress)。持续30天以上的空间任务特点是高度程序化但高度重复，在每天的同一时间完成，多个乘员（成员）共同决定任务绩效，同时常常使用复杂的系统。结果是，开发新的空间操作系统既要考虑短期任务工作负荷的测量需求，也要考虑长期任务工作负荷的测量需求。(需要2统筹考虑短期工作负荷与长期工作负荷两者的测量需求)。系统由可互相操作部分组成，职能明确的各组成部分协同工作以执行增值的过程，在规定的操作环境中，以具体的结果和成功概率，及时满足任务导向的操作需求。这个系统由相互操作的组件构成。每个组件都有指定的和固定的功能，这些组件可以通过在特定操作环境中以特定产出和成功几率的方式来确保任务导向操作需求得到及时地满足。(Newell,1990)。一个级别的组件能够在另（下）一个级别的组件下实现，在一个系统里多个组件在多层面上交互作用。(在一个系统不同层面相互作用的多种元素亦是如此。)Newell认为，人的体系结构由多个系统多个层次组成，并且它（）不能以其他方式被（）构造。Simon认为，只有子系统稳定时，系统才有可能稳定(Simon,1962)。显然，不同层次及子系统之间的相互作用是形成稳定的系统架构所必须的。如下所述（正如下面要讨论的一样），过量工作负荷将是一种在处理非预想的额外工作时易造成错误和潜在危险。（可能引发失误和诱发完成非预想额外工作的潜在失败）。设计师将通过几种行为方式避免造成这种状态（应该努力通过几种方式来避免这种严重的状态）。在最高水平，可以采取两种互补行为。在系统启动之前，正如它存在于“制图板上”，（也就是说还在筹划的时候，）它的工作负荷可以通过任务分析预测（我们可以通过任务分析来评价它的负荷）（在这里（假设）高任务负荷=高工作负荷）。一旦航天员使用一个完全的系统或系统组分（组件），工作负荷可以通过比较工作负荷的估计值与实际值来评估、预测、验证。（我们可以通过比较工作负荷的估计值与实际值，从而对工作负荷进行重新评估，对先前的预测进行验证和改进。）无论是估计还是实际情况下，如果发现或预测工作负荷过重，就要采取措施改造设备（界面），改变任务需求，自动操作一些功能，或者加大训练力度。后者通常是最不可取的方法，但常常被采用。虽然工作负荷的两种测量方法——评估和预测——互为补充，但是每种方法都有其优缺点。评估是在设计完成后进行的，而预测是在设计发展阶段的早期进行的。评估的优点在于非常精确，某种程度上测量方法选择更恰当，并且使用多种测量手段。但缺点是全系统工作负荷的精确评估(通常)要到整个系统完成才能开展。从设计流程来说，如果发现工作负荷3过高，要采取大的补救措施重先（重新）设计已为时过晚。加大训练力度也就成为仅有的可选择的解决办法。工作负荷预测可以在设计流程早期完成。这是一种较为理想的负荷测量方法。在巨大投资开始前，可以通过较少代价修改设计。但是，预测的缺点也反映出评估的长处。目前还未发现完全有效的工作负荷预测模型。根据具体情况，在预测高负荷设计和程序中，预测模型的精确率在70%到80%。但是，问题是这样的精确度是否好的满足设计师，使其放弃某一预测产生高工作负荷的观念。（这样的精确度是否好的足以让设计师放弃某一预测产生高工作负荷的观念的疑问仍然存在。）评估和预测在使用时可以互为补充方式（）。当二者同时用于一次完整任务的某一作业任务（如飞行控制，通信协议，推进剂管理）时，评估获得适时性，而预测获得精确性，即使这些作业任务（组件）需要在以后的飞行任务中时间共享也不影响。下面将上述内容分三个主题进行阐述：首先，工作负荷定义为乘员与任务的相互作用，包括什么是工作负荷过多，红线的概念是什么等重大问题。其次，阐述测量工作负荷所使用的方法，预测的方法，以及怎样利用两种测量方法和评估工具来定义工作负荷过多。与应激和工作负荷转换一同讨论自动操作和训练这两种工作负荷解决办法的效果。最后，阐述充分预测认知工作负荷的主要研究需求。5.7.2工作负荷概述5.7.2.1工作负荷和工效（性能）几十年来工作负荷评估和预测增强了系统、设备和程序的设计和操作使用(Gawron,2000;Moray,1979,1988)。由于许多原因，复杂系统的娴熟操作者的绩效未能达到需求水平或者完全毁掉。例如，不适当或不兼容的控制-显示关系会引发错误，睡眠减少会降低警觉性，或者发生很难解释的突发事件。操作失败最频发和重要的缘由之一是操作者工作负荷处于非最佳水平。这种关联已经在人类在真实或模拟环境中执行各种任务（驾驶、飞行、监视、装配、通信、监督、维修、输入数据）得到很好证明。另外，在这些任务中，如控制机械手或航天器对接时监控摄影位置，乘员工作负荷面临巨大挑战。认知工作负荷未达最佳标准可4能由于低觉醒导致的工作负荷过低，或者由于任务需求过量、设备设计较差、或环境条件恶劣导致的工作负荷过高。科技发展（如自动化控制）使得系统性能改善（降低工作负荷），有时可以造成低负荷，即操作者仅需监控自动操作(Parasuraman,1987)，或者操作者的工作负荷从一处转到另一处，并没有获得预期的负荷下降。虽然工作负荷和绩效是紧密相连的，但这种关联的本质并非直接关系；操作者与系统绩效以及工作负荷的测量可能受相似或者不同因素的影响(但又完全不同的因素的影响)。事实上，操作者可能在工作负荷和绩效之间交替换位。（权衡工作负荷与绩效）5.7.2.2工作负荷需求和资源图5.7-1很好的描述了认知工作负荷的概念。两副图的x-轴显示了某一任务逐渐增加的需求量。图中显示需求增加影响两个变量：操作者的任务绩效（上图）和智力资源（精神资源）（下图）。上图显示了着眼于“流水线末端”所观察到的现象，或者完成的实际工作。下图显示如果对操作者使用工作负荷计量表来测量的结果。最初，由于低任务需求，操作者使用很少的资源（下图）。因而，操作者就会感到无聊，变得低警觉（放松警惕），想要做其他工作（或者倾向于做其他的工作），任务绩效就会低于正常（水平）。随着任务需求的增加，更多的操作资源将会投入使用（需要操作者的注意力），绩效（上图）会稳定在最佳水平。进一步增加任务需求就会导致操作者负荷过载。由于错误和延迟反应，操作资源就会导致低产出。结果任务绩效就会下降。绩效下降在x-轴上标识为“红线”。红线左侧，操作者能够跟上任务需求节奏并可以储备能力。绩效保持“完美”（或者诸如1秒反应，1米飞行路径跟踪在标准水平之上）。在“红线”的右侧，资源需求超过资源供给，绩效就会消减。因此，在图5.7-1（中）下面的图分成两个区域：储备能力区：操作者对完成工作具有资源储备能力负荷过载区：操作者超负荷或者已经超过他或她的能力工作负荷必须不能超越“红线”。工作负荷必须在“红线”的左侧，那样乘员可利用资源处理一个不可预计的紧急情况（才有精力资源有效处理不可预见的紧急情况）。沿着x轴，为了测量资源需求的变化，尽管未完成的能力详细说明了数值范围的准确属性和“红线”，多少重要指导方针可能被提议，在下面将被讨论。（尽管不能完全精确地确定参数属性和红线5位置等内容将在下一章节讨论，但测量资源需求沿着x轴而变化这一规律无疑具有重要的指导意义。）图5.7-1从左到右增加任务难点（或资源需求）对任务绩效的影响下图给出了两个工作负荷区域和划分区域的“红线”，在这里主要工作绩效开始下降，而任务资源需求不能满足逐渐增加的供给。（不再随供给的增加而增加。）5.7.2.3单任务对多任务需求有很多关于注意力和操作的模型可以用来解释任务需求、工作负荷和绩效之间的关系。（例如，Gopher&Donchin,1986;Hart&Wickens,1990;Tsang&Vidulich,2006;Wickens,2002;Wickens&Yeh,1988）。这些模型将影响因子分为两类，这些影响因子驱动图5.7-1中X轴的需求增长。1．单任务的需求是像车辆的前进速度、在确定之前的记忆参数设置的内存要求或者时间压力等因素。如果这些增加，绩效最终会受到影响。2．双任务要求是指由于同时执行两个或两个以上工作的需求，从而增加了工作负荷。如稳定化处理飞船的运动轨迹，寻找月球表面的水平着陆点。注意力的多资源模型是为了预测和诊断由于双重任务要求引起的过度的工作负荷和绩效衰减，然后提供缓解这种消减的方法。以下部分涉及通用的单位，可用来量化单任务和双任务需求的心理负荷（或者图5.7-1沿x轴的需求）。感到无聊（操作者容易注意力分散）压力增加（错误增加或工作延迟）满意绩效任务绩效任务需求任务需求操作者的资源产出负荷过载区红线65.7.3工作负荷的测量目前已经制定出一些有效的切实可行的测量方法，这些测量方法可以用来量化操作者在不同环境中进行各种活动带来的大量工作负荷。这些测量可以通过几个标准和每个工作可以解决的问题来加以区分（和每个可以回答的关于工作负荷的问题来区分）。由于它们根据各自提供的信息的类型和质量等方面会变化，所以利用多种测量去开发一套完整的工作负荷轮廓（工作负载概要），从而获得不同来源的约束证据（聚合证据）。（对于可获取的测量，是否证明有用，以及如何实现的描述，见David,2000;Gawron,2000;Gopher&Donchin,1986;Hancock&Meshkati,1988;Hansman,2004;Hart,1986;Hart&Wickens,1990;Hill等人,1992;Lysaght等人.,1989;Moray,1979;Moray,1988;O’Donnell&Eggemeier,1986;Roscoe,1987;Tsang&Vidulich,2006.。此外，一些网站提供的测量的说明和关于何时和如何使用它们的信息，例如，联邦航空管理局（FAA），2007年，]。操作者的工作负荷一般通过四个方面（四种技巧）进行评估：1.主任务测量法（主要任务绩效衡量法）2.辅助任务（绩效）测量法–额外的绩效测量，次要任务是为测量剩余注意力或能力而提出的。3.生理测量–内隐反应测量（例如，心率的变化，眨眼，眼球运动，或大脑的电活动（脑电活动））通常