生产制造任务中的认知负荷测量

认知负荷是工作任务对认知控制的需求。在工作场所，保持较理想认知负荷对于生产操作安全和效率至关重要。随着脑力劳动需求的增加，工人们会逐渐变得无法在从事的主要任务中保持足够的注意力投入，从而导致失误增加，工作绩效受到影响。

虽然认知负荷过载会对工作过程中的生产活动产生破坏性影响，但在实际生产活动当中对认知负荷的评估仍然存在较大的难度，主要原因在于用于测量认知负荷的评估技术比较少，通常依赖的主要方法有主观问卷和专家经验判断。此类方法弊端明显，无法客观准确的反映生产任务活动中的认知负荷表现。

1. 研究背景

随着人因研究领域的扩宽，更加客观和准确的电生理学测量方法逐渐引入人因研究领域。用电生理学的方法评估人的认知负荷在应用研究过程中具有很强的研究价值。有研究将心率和呼吸频率用于研究驾驶员的认知负荷，研究发现，随着驾驶任务认知需求的增加，这导致驾驶员的平均心率增加，心率变异性减小，同时呼吸频率也变得更快了。除了上述指标外，像EEG或ERP等脑电生物标记也可以直接反映任务过程中的认知负荷。虽然上述方法都提供了更直接和客观的方法来检查操作员认知负荷的变化，但它们通常依赖于与人体直接接触，在实际应用当中会对受试者产生一定影响，比如产生束缚感，不利于现实场景中某些人因研究的开展。

制造业认知评估研究在评估认知能力方面落后于其他领域。该领域传统的研究手段主要集中于专家经验评估和自我报告，这对于了解产品组装工人的认知状态以及认知和体力负荷之间的相互作用仍然存在较大的局限性。

基于现实和客观的需要，使用光学眼动仪记录眼动指标的方法可以用于评估完成体力和脑力任务过程中所经历的认知负荷，同时也是一种侵入性较小的方法。

2. 研究方法

2.1 研究对象

从大学中随机招募24个自愿者（13男，11女），年龄范围：19-31（M=22，SD=2.84），均无严重的肌肉骨骼损伤史。

2.2 实验设计

该研究采用2×2双因素实验设计，认知任务（容易vs困难）和生产制造任务持续时间（长时vs短时）作为自变量。认知任务通过两个版本的听觉n-back任务对被试的认知负荷进行操控：容易（no-task），困难（2-back）。体力任务：被试完成两种不同时间的生产制造任务（长时和短时）。

因变量：眨眼频率（眨眼次数/分钟 ），标准化的瞳孔直径（mm），主观工作负荷（NASA-TLX问卷），力脉冲（N-sec/kg）。

2.3研究工具及步骤

研究使用Pupil Labs Core穿戴式眼动仪（图1所示），眼动仪有三个相机：2个眼睛相机，用于记录眼动情况；一个场景相机，用于记录受试者的观看视野。Pupil Capture 软件用于数据记录，Pupil Player用于数据提取。 使用NASA-TLX 量表进行主观工作负荷评估。

体力任务包含两个水平：长时vs短时。体力任务要求被试完成对位于122cm高度并连接至阻力筒的手柄的推/拉任务，以及使用水平安装在距地面117cm的金属突起上的橡胶软管进行安装/移除软管操作（图2所示）。短时：被试完成推拉手柄5次，每次试验完成软管插入1次。长时：被试推拉把手10次并在每次试验中完成2次软管插入。体力任务期间施加的力是使用定向在垂直平面上，并且连接到阻力筒后端的力板和用于体力任务的金属突起来记录的。

认知任务包含两种水平：容易vs困难。容易条件下，无认知任务。困难条件下，被试要完成听觉n-back任务中2-back任务，具体而言，就是收听了一系列数字（0和9之间随机呈现），被试被要求重复序列中倒数第三位（2位）。

3. 研究结果

（1）在高认知负荷条件下，眨眼频率和瞳孔尺寸都明显增加（图3所示）。

（2）高认知负荷会导致任务完成时间变长，对心理和时间需求以及努力主观评分要更高。

上述研究说明了，相比于传统的专家经验法和自我报告法等，使用穿戴式眼动仪记录的眼动指标，如瞳孔尺寸的变化和眨眼频率，可以有效地用于测量复杂制造任务中的认知负荷表现。