基于认知负荷的煤矿安全可视化作用机理

张长鲁，谭章禄

(中国矿业大学(北京)管理学院，北京 100083)



基于认知负荷的煤矿安全可视化作用机理

张长鲁，谭章禄

(中国矿业大学(北京)管理学院，北京 100083)

安全可视化成为大数据背景下管理煤矿安全问题的一种新趋势。分析了认知负荷理论的主要观点以及安全可视化管理内涵和特征，结合煤矿安全信息认知加工模型和安全管理业务，运用认知负荷理论定性分析煤矿安全可视化作用机理；进而以煤矿安全监测中的瓦斯数据为素材，设计认知实验进行实证分析，通过主任务反应时间来衡量认知绩效。认知实验结果显示：通过安全可视化管理，瓦斯监测业务整体认知效率提高60.5%，且随着认知难度增大，认知效率提升效果明显，证明了安全可视化管理能够降低安全管理者的认知负荷，提高其管理效率。

煤矿；安全可视化管理；作用机理；认知负荷理论

近年来，以物联网为代表的新一代信息技术在煤矿中广泛应用，实现了对煤矿安全生产相关的环境信息、人员信息、设备运转信息的实时提取。与此同时煤矿安全管理者也面临着大数据所带来的困扰，即无法在短时间内快速准确地掌握安全问题，更谈不上对各类安全问题进行及时处理。为此以信息可视化为基础的可视化管理理念应运而生并开始在煤炭企业中有所应用，旨在用直观方式阐释抽象的数据信息。史后波[1]对煤炭企业可视化管理的现状和问题进行了剖析，在此基础上研究了可视化管理理论框架，并进行了认知实验以证明可视化管理方式的有效性；刘屹[2]将可视化管理运用于煤炭企业成本管控中，构建了LUBA成本可视化管理模型，实现了对煤炭企业成本信息的直观展示,并能够揭示成本动因；谭章禄等[3-4]探讨了物联网技术在煤矿可视化管理系统中的应用原理，进而设计了煤矿可视化管理系统架构模型和数据处理逻辑结构模型，并对安全可视化管理体系构建进行了深入研究，对安全可视化对象、对象属性、可视化实现方式及可视化管理功能四方面进行了详细分析，最终构建了煤矿安全可视化管理模型；李宏斌[5]研究了采油作业区的可视化安全管理，通过对隐患、风险、操作行为等的可视化展示，提高了企业本质安全水平。

上述研究成果对指导煤炭企业可视化管理实践具有重要的意义，但以往研究都未涉及安全可视化的作用机理，也没有回答安全可视化如何发挥效用的问题。鉴于此，本文拟从认知负荷理论的视角，对煤矿安全可视化的作用机理及其效用进行深入研究。

1 认知负荷理论的主要观点

认知负荷理论是由澳大利亚学者Sweller等[6]于20世纪80年代提出的，认为认知负荷是人在学习或完成任务过程中进行信息加工所耗费的认知资源总量，其内涵是认知负荷与特定的认知任务有关，完成该认知任务需要在工作记忆中进行信息加工。

该理论的核心观点包括：①人的工作记忆容量是有限的，而长时记忆容量是无限的，当人从事某项任务超过其工作记忆容量时，处理该事务的效率会降低，甚至无法进行，因此必须将任务所需的认知资源控制在认知负荷以内。②认知负荷包含内在认知负荷、外在认知负荷和有效认知负荷[7]，其中内在认知负荷是由需要处理的信息所包含的元素及元素间相关关系决定；外在认知负荷是无效的认知负荷，由信息展示方式和外部无关活动引起；有效认知负荷是人的工作记忆对信息进行实质性处理所承受的负荷，能够将从外界获取的各类信息进行编码处理，转换为长时记忆的图式，并通过降低内在、外在认知负荷，增加有效认知负荷，从而提高认知效率，确保信息快速准确处理。③认知负荷的测量方法主要包括绩效测量法、主观评定法和生理测量法三类[8]，其中绩效测量法又包括主任务测量和次任务测量，常用测量指标为完成任务的反应时间、准确率等；主观评定法是由作业者根据主观感受与体验完成认知评估量表进行认知负荷测量；而生理测量法主要运用仪器设备对人在认知过程中的眼动、心跳等生理指标进行测量来间接评定认知负荷。

本文基于认知负荷理论的上述观点，论述煤矿安全可视化管理的作用机理，并结合认知负荷测量的任务绩效法，设计认知实验，论证安全可视化能够提高管理者的认知效率进而提高安全绩效。

2 煤矿安全可视化作用机理理论分析

本文首先明确煤矿安全管理者对安全信息的认知加工过程是进行安全可视化作用机理分析的基础，之后进行安全可视化内涵及特征分析，最终根据安全可视化特征和认知负荷理论，论述煤矿安全可视化作用机理。

2.1 煤矿安全信息认知加工过程

煤矿生产运营中伴随着大量安全数据的产生，如瓦斯超标、风速或温度异常、井下区域超员超时、设备运行异常、地质情况异常等，这些安全数据既可以通过各类传感器及时捕获，也可以通过安全检查人员排查取得，面对大量的安全业务数据，安全管理人员需要对这些数据进行认知处理，进而制定相应的安全管理对策。根据信息认知加工原理，大量的安全数据需经过管理者的注意进入工作记忆系统，工作记忆系统调用储存在长时记忆中的知识经验图式对安全数据进行处理，并制定安全方案，最终采取管理措施保障煤矿安全生产。煤矿安全信息认知加工模型如图1所示。

由煤矿安全信息认知加工模型可知，限制安全管理者信息处理能力的瓶颈是工作记忆容量有限，根据近期认知心理学研究成果，工作记忆一次只能处理5～7个信息组块，因此安全可视化应作用于原始信息的输入，通过对原始安全信息的可视化处理，改善数据展示方式，提高数据关联性及完整性，并充分利用工作记忆的视觉和听觉双通道，达到降低内在和外在认知负荷，提高有效认知负荷的目的。

2.2 煤矿安全可视化内涵和特征分析

煤矿安全可视化是指各类可视化技术及理念在煤矿安全管理领域的应用。可视化技术分为计算可视化、数据可视化、信息可视化和知识可视化；可视化理念经历了目视管理、洞察管理、透视管理和透明管理。因此本文认为煤矿安全可视化的内涵为：在信息技术条件下，全面感知煤矿安全生产的各类数据信息，综合利用各种可视化技术方法，实现对安全数据、安全信息和安全知识的图形化处理、可视化展示，最终实现煤矿安全的透彻感知、深度互联和智能处理。

根据煤矿安全可视化的内涵，本文归纳出煤矿安全可视化的主要特征如下：

(1) 直观透明化：体现在安全监测数据的直观展示和安全业务流程的透明化。一方面安全可视化改变了以往的数据信息呈现方式，以图形化的方式代替了以往的报表、文字形式，能够使安全管理人员摆脱大量数据的困扰，更直观快捷地发现安全问题；另一方面各类安全管理业务流程的可视化能够使安全管理人员实时掌握各类业务处理的进展，使安全问题处于掌控之中。

(2) 深度互联化：煤矿安全管理对象众多，通常它们之间存在着一定的互联关系，如“瓦斯-风速-烟雾-井下人员”之间存在业务相关性，当井下某一区域瓦斯浓度达到一定值时，需要适当加大回风速度并严格控制该区域烟雾浓度，撤离该区域人员。通过安全可视化，定义一系列安全关联规则，某一安全指标的变动将直接引发其他管理对象的预警，使安全管理者的预防预控工作变被动为主动。

(3) 决策智能化：安全可视化使各类安全信息更加直观、实时、准确，同时信息互联提高了信息相关性和完整性，这正是有效进行安全决策所必需的，安全管理者进行安全方案制定、安全决策时不再需要花费大量时间搜寻所需数据信息，安全可视化系统可直接提供参考方案供管理者选择，安全管理效果会大大提升。

2.3 煤矿安全可视化作用机理

根据以上对安全信息认知加工过程和安全可视化内涵及特征的分析，安全可视化之所以能够提高煤矿安全管理水平，其作用机理是它能够降低安全管理人员的内在和外在认知负荷，提高有效认知负荷，进而提高煤矿安全管理效率，促进煤矿安全管理科学化。

第一，以往以数据报表、文字等形式呈现的安全信息，存在大量的信息冗余，安全管理者需花费大量的认知资源在报表文字中寻找需要处理的安全信息，提高了其外在认知负荷，在认知资源有限的条件下，其用于有效处理安全问题的认知资源被大量占用，而信息的可视化展示能够使管理者一目了然地掌握所需信息，明确需处理的安全问题，大大降低了外在认知负荷。

第二，安全可视化一个显著特征就是信息深度互联化，即能够自动提取各类安全要素之间的关联关系，同时信息的智能化处理能够降低各类安全问题所包含的信息元素数目，而任务所包含的元素个数及元素间相互关系正是影响内部认知负荷的关键要素，通过安全可视化的处理，两者都大大简化，这在一定程度上降低了内在认知负荷。

第三，安全可视化可以提高安全管理人员的情境感，特别是对可视化的应急预案演练、安全隐患排查，相较于以往的文字化应急预案、隐患排查，能够提高安全管理人员投入认知资源进行安全业务处理的主观动机，进而提高有效认知负荷。

综上所述，通过煤矿安全可视化处理，实现了安全数据直观透明化、深度互联化和信息处理智能化，降低了安全管理人员外在和内在的认知负荷，提高了有效认知负荷，使有限的工作记忆得以充分利用，最终表现为煤矿安全管理水平的提高。

3 煤矿安全可视化作用机理认知实验

在理论分析的基础上，设计认知实验，通过对比安全信息展示的传统方式与可视化方式之间认知效率的差异，证明安全可视化可以降低安全管理者的认知负荷，提高安全管理水平。本文采用任务绩效法中的主任务绩效，即主任务反应时间作为认知绩效的衡量指标。

根据以往研究成果，认知效率一般按指数函数形式予以描述，即

(1)

式中:t为认知反应时间(s)，一般取认知实验中被试者的反应时间，取值范围为(0,+∞)；c为认知准确率(无量纲)，一般取认知实验中被试者回答测试问题的正确率，取值范围为(0,1]；E为认知效率(s-1)，其与认知反应时间呈负相关关系，与认知准确率呈正相关关系，取值范围为(0,1]。

3.1 实验设计

(1) 实验材料。本文选取煤矿安全监控监测系统中的瓦斯监测值作为实验材料，传统的瓦斯监测值以报表的形式呈现(见表1)，可视化方式选取基于时间的瓦斯浓度监测曲线图来表示(见图3)，并取0.65%作为瓦斯浓度预警值。

表1 瓦斯浓度监测值

(2) 实验被试者。本文选取同煤集团某煤矿20名安全管理人员作为被试者，为了保证被试者对安全管理业务熟悉程度相当，所选被试者均有2～5年安全管理工作经验。被试者分为两组：A组为传统方式组，B组为可视化方式组。

(3) 实验过程。实验前，首先向被试者说明测试内容，主要测试题目有三个：Q1是瓦斯监测最大值出现在哪一监测点(感知信息)，Q2是哪个监测点预警多(分析信息)，Q3是应加强哪一时段的瓦斯监测(运用信息)。三道问题难度依次递增，并告知被试者要充分保证回答问题的准确性。为保证实验环境相同，实验材料在同一台电脑上呈现，A、B组依次进行，当工作人员读完第一题后，呈现实验材料，工作人员开始计时，被试者依次完成三道题目。认知实验中被试者认知反应时间测试结果见表2。

表2 认知实验中被试者认知反应时间测试结果(单位：s)

3.2 实验结果分析

本文运用SPSS进行单变量组间、组内方差分析，验证信息展示方式、不同问题难度对认知效率的影响是否存在显著性差异，以及信息展示方式和问题难度之间的交互效应。

首先进行方差一致性检验，以判定样本方差差异是否显著，其检验结果见表3。由表3可见，F检验显著性水平为0.18>0.05，故认为样本方差无显著性差异，可进行方差分析。

表3 方差一致性检验结果

注：零假设，所有组因变量的误差方差均相等。

然后进行主体间效应检验，其检验结果见表4。由表4可见，不同信息展示方式、问题难度以及信息展示方式和问题难度之间的交互效应的显著性检验系数都为零，表示它们都对认知反应时间有显著性影响。

表4 主体间效应检验结果

注：a.R2=0.987(调整R2=0.986)

不同展示方式、问题难度的条件下，认知反应时间的估算边际值见图4。由图4可知,认知反应时间随着信息认知难度的增大(获取-分析-运用信息)而增大；可视化展示方式相较传统表达方式认知反应时间大大缩短；信息展示方式和认知难度存在交互效应，随着认知问题难度的增大，可视化展示方式效果更加明显。

4 结 论

从人的信息处理认知负荷视角，对煤矿安全可视化管理的作用机理进行了理论分析,认为安全可视化管理通过信息的直观透明展示、深度互联和智能分析，大大降低了安全工作者的认知负荷。同时，在理论分析的基础上，设计瓦斯监测认知实验，验证

了安全可视化管理能够大大缩短管理者认知反应时间，提高认知效率，特别是在处理复杂安全问题时，其效果更加显著。本文的研究结论为煤炭企业在感知矿山建设背景下推行安全可视化管理提供了强有力的理论支撑，并为安全可视化管理信息系统提供了设计思路。

[1] 史后波.基于认知理论的煤炭企业可视化管理与应用研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2012.

[2] 刘屹.面向可视化管理的煤炭企业成本管控研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2013.

[3] 谭章禄,史后波,方毅芳.物联网技术在煤矿可视化管理的应用研究[J].煤矿机械,2012,33(8):280-283.

[4] 谭章禄,张长鲁.煤矿安全可视化管理研究[J].煤矿安全,2013,44(9):232-234.

[5] 李宏斌.实施可视化安全管理提高采油作业区本质安全水平[J].安全与环境工程,2010,17(4):81-84.

[6] Sweller J,Van Merrienboer J,Pass F.Cognitive architecture and instructional design[J].EducationalPsychologyReview,1998,10(3):251-296.

[7] 唐剑岚,周莹.认知负荷理论及其研究的进展与思考[J].广西师范大学学报(哲学社会科学版),2008,44(2):75-83.

[8] 李金波,许百华.人机交互过程中认知负荷的综合测评方法[J].心理学报,2009,41(1):35-43.

Mechanism of Security Visualization in Coal Mines Based on Cognitive Load Theory

ZHANG Changlu,TAN Zhanglu

(ManagementSchool,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

Security visualization has become a new trend to manage the security problems in coal mines in the background of big data.This paper analyzes the features of security visualization and the main points of cognitive load theory.Combining the information-processing model and management businesses of coal mine safety,the paper gives qualitative analyses on the mechanism of security visualization from the perspective of cognitive load theory.Furthermore,the paper also does cognitive experiments to give an empirical analysis with the gas data in safety monitoring.The results show that security visualization can improve the overall efficiency of gas monitoring by 60.5 percent and that the effect is more obvious with the increasing of cognitive difficulty.The experiment gives a proof that security visualization can reduce the cognitive load and improve the management efficiency for the safety manager.

coal mine;security visualization management;mechanism;cognitive load theory

1671-1556(2015)01-0131-04

2014-05-23

2014-09-09

国家自然科学基金项目(61471362)；中央高校基本科研业务费项目(2011YG02)

张长鲁(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向为安全可视化。E-mail:cumtboy@student.cumtb.cdu.cn

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A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.024