应激环境中声音和色彩对操作者影响研究（可编辑）

应激环境中声音和色彩对操作者影响研究（可编辑） 硕士学位论文 应激环境中声音和色彩对操作者影响的 研究 RESEARCH OF SOUND AND COLOR EFFECTS ON OPERATOR IN STRESS ENVIROMENT 杨静 哈尔滨工业大学 2011 年 6 月 国内图书分类号:TB533 国际图书分类号:621.8 学校代码:10213 密级:公开 工学硕士学位论文 应激环境中声音和色彩对操作者影响的 研究 硕 士 研 究 生: 杨静 导 师: 张显奎 副教授 申请学位级别: 工学硕士 学 科 、 专 业: 机械设计及理论 所 在 单 位: 机电工程学院 答 辩 日 期: 2011 年 6 月 授予学位单位: 哈尔滨工业大学 Classified Index: TB533 U.D.C: 621.8 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH OF SOUND AND COLOR EFFECTS ON OPERATOR IN STRESS ENVIROMENT Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Affiliation: Date of Defence: Degree-Conferring-Institution: Yang Jing Associate Prof. Zhang Xiankui Master of Engineering School of Mechatronics Engineering Mechanical design and theory June, 2011 Harbin Institute of Technology 摘 要 摘 要 近年来,操作者在工作环境中的应激已成为各国高度重视的一个社会问 题,控制环境中的应激源强度是应对应激的主要方式之一。应激环境中有 95% 以上的信息是通过操作者的视觉和听觉感知的,本文在应激的四种理论模型 基础上,提出能描述刺激强度与操作者应激程度间非线性关系的应激压力缸 理论;并最终建立声音和色彩刺激下操作者应激程度的数学模型,对有效控 制应激环境中的声音和色彩刺激有重要意义。 首先,基于航天环境研究了应激环境中人 -机 -环境的信息交流过程,从 而确定了应激源对操作者可靠性的影响方式;采用层次分析法搭建了基于环 境应激源的应激评价体系,确定了环境应激源的种类及相互作用;通过以上 分析提出了应激的压力缸理论,并建立该理论的数学模型。 其次,采用等效模拟和主观感受模拟两种环境模拟技术 , 搭建了汽车虚 拟驾驶和航天虚拟声音刺激实验台;选取心率、呼吸和表面肌电信号为应激 的生理评价特征,研究了不同声音刺激强度对操作者应激程度的影响,确定 了三种人格特质对应激程度的影响权重。 再次,基于声音刺激实验的结果及已有色彩刺激数据,在声音和色彩实 验的不同时刻点,分别确定了心率、呼吸频率和表面肌电绝对积分三项生理 指标对应激的评价权重,并通过分类模型证明了三项应激评价指标能很好的 用于识别操作者的应激程度。 最后,采用多级模糊综合评判方法和改进的加权平均模型,确定了声音 和色彩刺激下被试者应激程度的综合评价结果;最终建立了声音和色彩影响 因子的水平与操作者应激程度之间的数学模型,对实际应激环境中声音和色 彩刺激下操作者应激程度的进行评判。 关键词:应激程度;声音和色彩刺激;特征评价;应激识别;多级模 糊综合 评判 -I- Abstract Abstract Stress of operator in workplace has become a social issue in recent years, which attaches the attentions of various countries, and controlling the intentions of stressors in environment is one of the most important coping strategies for stress. More than 95% of the information in stress environment is perceived by operators visual and auditory, this study proposed the cylinder pressure theoretical of stress based on the existing four stress theory models, which can describe the non-linear relationship between the stimulus intensity and the stress level of operator; the mathematic models of operators’ stress that under sound and color stimulations are established respectively, they are very meaningful for controlling the intensities of sound and color in stress environment. Firstly, based on studying space environment, the information exchange process among human-machine-environment is discussed, then the way of stressors impact on the reliability of operator is determined; the stress evaluation system based on environment is built by using AHP, the types and interaction is studied; the cylinder pressure theoretical model of stress is proposed, and the mathematic model of the theory is established at last. Secondly, using both equivalent and subjective feeling simulation technology, the virtual driving test bench and space virtual sound stimulating test benches are built; taken heart rate, breathing and sEMG as the physiological evaluation features of stress, different sound stimulations influence on the level of operator stress are analyzed; the weights of the three personality traits influence on stress are determined. Thirdly, based on the results of auditory stimulation experiment and existing color stimulus data, the evaluation weights of heart rate, respiration and integral absolute value at different time points of sound and color experiments are determined. Furthermore, verified the three evaluation features can be well used to identify operator's stress level by the analysis of classification models. Finally, through multi-level fuzzy comprehensive evaluation method and improved weighted average model, the comprehensive evaluation results of subjects’ stress level under sound and color stimulations are determined. The - II - Abstract mathematic models used to explain the relationship between operator stress degree and the factors levels of sound and color are established, which can be used in actual stress environment to judge the operator stress level under sound and color stimulations. Keywords:Stress level, Sound and color stimulation, Feature evaluation, Stress recognition, Multi-level fuzzy comprehensive evaluation - III - 目 录 目 录 摘 要 I ABSTRACTII 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景及研究的目的和意义. 1 1.2 应激的研究 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 及发展现状2 1.2.1 操作者应激的研究内容 2 1.2.2 应激评测技术的研究现状3 1.3 应激特征评价方法的而研究现状. 5 1.3.1 声音和色彩刺激的研究现状. 5 1.3.2 特征评价方法的研究现状6 1.4 本课题的研究内容及组织结构. 7 第 2 章 优化操作者应激模型的提出 10 2.1 操作者行为可靠性的分析. 10 2.2.1 应激环境中的信息交流过程10 2.2.2 应激源对行为可靠性的影响11 2.2 应激源总体评价体系的建立. 11 2.2.1 环境应激源的总体评价结构11 2.2.2 基于应激源的应激表达式 12 2.3 操作者人格特质分析14 2.3.1 人格特质的概念. 14 2.3.2 人格特质的问卷调查研究 14 2.4 应激的压力缸模型的建立. 16 2.4.1 应激的压力缸模型的提出 16 2.4.2 压力缸模型数学关系的建立17 2.5 本章小结19 第 3 章 基于生理特征的声音刺激实验研究 21 3.1 汽车高速驾驶虚拟试验台. 21 3.2 基于无声刺激的应激实验研究22 3.2.1 无声刺激虚拟高速驾驶实验22 - III - 目 录 3.2.2 主观应激调查问卷结果分析23 3.2.3 操作者生理信号结果分析 24 3.3 基于单音感刺激的应激实验研究25 3.3.1 单音感刺激虚拟高速驾驶实验. 25 3.3.2 主观应激调查问卷结果分析27 3.3.3 操作者生理信号结果分析 28 3.4 基于复合声音刺激的应激实验研究. 32 3.4.1 复合声音刺激模拟实验台 32 3.4.2 复合声音刺激模拟实验. 33 3.4.3 人格特质对应激影响权重的确定 33 3.5 本章小结36 第 4 章 操作者应激程度的特征评价与识别 37 4.1 应激评价特征的权重确定. 37 4.1.1 问题的提出37 4.1.2 特征评价方法39 4.1.3 应激评价特征的权重确定 40 4.2 基于生理特征的应激程度识别44 4.2.1 常用分类模型介绍 45 4.2.2 声音和色彩刺激下的应激识别. 46 4.3 本章小结48 第 5 章 基于声音和色彩的应激数学模型建立49 5.1 声音和色彩对应激影响的理论基础. 49 5.1.1 应激程度的模糊综合评判结构. 49 5.1.2 基于声音和色彩刺激的应激响应 50 5.2 声音刺激下的应激综合评判 51 5.2.1 声音影响因子权重的确定 51 5.2.2 声音刺激下的应激综合评判矩阵 52 5.3 声音刺激下应激数学模型的建立53 5.3.1 声音刺激下的生理响应数学模型 53 5.3.2 声音刺激下的应激数学模型54 5.4 色彩刺激下的应激综合评判 56 5.4.1 色彩影响因子权重的确定 56 5.4.2 色彩刺激下的应激综合评判矩阵 57 5.5 色彩刺激下应激数学模型的建立57 - IV - 目 录 5.6 本章小结59 结 论. 60 参考文献 61 攻读硕士学位期间发表的学术论文66 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明67 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书67 致 谢 67 -V- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 随着科技和社会生产力的高速发展,生活工作中的应激环境随之增多, 操作者处于环境中的时间增长,工作内容也逐渐以脑力劳动为主。人们在工 作中越来越多的感到疲惫、焦虑和压力大等应激症状,而不是轻松和愉悦, 这对操作者的应激反应对其身心健康、工作效率和生活质量都会造成消极影 响,甚至会导致重大的安全事故,对社会造成巨大的经济损失 [1]。 2008 年,澳大利亚对工作应激的影响进行了经济评估,损失金额高达 148.1 亿美元,其中与工作应激相关的旷工对雇主直接造成的经济损失就有 101.1 亿美元 [2]。美国学者基于 2008 年美国医师的健康跟踪问卷调查数据n 762,采用回归分析方法检验实践相关因素的影响,职业不满在医疗事故中 有重要的负面影响 [3]。2009 年,美国在对医护人员工作应激的问卷调查中, 有 87%的受访者参与过研究活动,然而只有 46%表现为表现活跃的研究人员 [4] 。2010 年对福建某军队护理人员的工作应激与健康状况调查中,约 54.96% 人在工作中都有比较高的应激感受,只有 8.06%的人认为工作应激低,生活 的总体满意度也偏低 [5]。对于消防队员、军事人员、高空作业者、飞行员和 航天员等工作任务和工作环境特殊操作人员,环境刺激因素对其造成的应激 反应更加突出 [6-7],应激应对的好坏直接关系到任务的成败。 为有效缓解工作应激,各国家首先通过相关法律法规有效控制操作者的 劳动负荷 [8];各种职业在进行人才选拔时都有其对应的标准和制度,从而选 拔在人格特质、心理素质和工作能力上适合的人 [9];企业通过定期进行职业 培训,从而缓解社会科技信息的迅猛发展给工作者造成的工作应激 [10]。此外, 工作任务和工作环境特殊的职业,也会有特殊的工具来防止工作环境对工作 者造成大的工作应激。例如,消防员在执行任务时必须穿着特殊材质的消防 服装 [11];噪声大的工作环境会有隔音耳机、防护耳塞等 [12-13]。以上应对 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 主要是不断提高操作者应对应激的能力,而最主要和最有效的应对措施是控 制应激环境的刺激水平,减小或消除应激源。因此,研究应激环境中刺激因 素对操作者的影响,探索影响因素水平与操作者应激响应之间的关系,对缓 解操作者的应激反应,提高其工作效率和人身安全具有重要的现实意义及应 用价值。 -1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 本课题在现有应激理论模型的基础上,提出能更好描述环境应激因素与 操作者应激关系的应激理论模型;以心率、呼吸和皮肤表面肌电信号作为生 理应激特征,通过实验确定应激环境中不同声音刺激对操作者应 激程度的影 响;结合声音实验结果和已有色彩刺激数据,确定应激特征指标的评价权重; 结合操作者在声音和色彩刺激下的主观与生理应激评价结果,建立声音和色 彩刺激影响因子水平与操作者应激程度之间的数学模型。对有效控制应激环 境因素水平,缓解工作应激,提高工作效率等方面具有重要意义。 1.2 应激的研究内容及发展现状 1.2.1 操作者应激的研究内容 对于环境中操作者的应激反应,一是了解应激的形成机理,控制环境中 的刺激因素,防患于未然;二是处理刺激因素,采取有效措施应对操作者的 应激反应。操作者应激的具体研究内容包括以下几个方面: 1应激的概念 应激是 Hans Selye 于 1936 首次提出的,之后得到医 学、心理学、社会学等学科的广泛关注 [14],至今仍无统一定义。生理医学领 域一般认为应激是个体感知环境刺激对生理、心理及社会系统负荷过重时的 整体现象 [15]。目前,应激的理论模型主要有刺激理论模型、CPT 理论模型、 反应理论模型和系统理论模型四种 [16],如图 1-1 所示。 输入 认知评价 相互作用结果 个体-环境作用结果 环境 需求 重新评价 适应 (有效应付) 应激 Stress 紧张 Strain 应激源 初级评价 (评价危害) 次级评价 (对抗危害) 个体反应潜能 (生理的、心理的、 社会的、机体的) 不适应 刺激或压力 个体 重新评价 (无效应付) a 刺激理论模型 b CPT 理论模型 环境 惊觉 输 参照标准 输 应激源 GAS 阻抗 机体反应 刺激 机体 入 功 能 比较器 出 功 能 衰竭 c 反应理论模型 d 系统理论模型 图 1-1 应激的四种理论模型 刺激理论模型是将环境中的刺激因素和个体应激程度与力学中的应激和 -2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 应变相对应,假设刺激因素的水平与个体应激程度成正比的关系,即 FKx; CPT 理论模型以个体对刺激因素的认知评价过程为研究对象,认为操作者的 思维、工作经验及刺激暴露时间是决定应激程度的直接动因;反应理论模型 中认为应激是有机体对环境应激的一种生物学反应现象,将应激过程分为惊 觉、阻抗和衰竭三阶段;系统理论模型从整个系统的角度试图去了解个体的 自我调节系统,综合外部社会系统和内部生理系统之间的信息和反应,达到 对个体内部平衡状态控制的目的 [16]。四种应激理论从各种角度很好的分析了 操作者应激的形成机理,却不能确定刺激因素与操作者应激程度之间的关系, 使得应激理论在实际应对应激的过程中并没有发挥其价值。 2应激环境中的应激源 应激源是指环境中对操作者的状态产生影 响的各种因素。应激环境不是一个单纯的物理环境,而是还有社会、文化、 操作者人格特质等因素的作用,故研究应激环境中的刺激因素及它们之间的 相互作用很重要。在应激研究中,一般将应激源分为个体因素(A 型人格、 效能感等)、环境因素(声音、色彩、振动、加速度等)、组织因素(组织规 模、组织结构等)和社会文化因素(文化背景、科学技术等)四类 [17]。 3操作者的应激症状 1987 年 Matteson 和 Ivancevich 指出,个体因 人格特质的差异对应激源的反应强度不同,可其基本的反应症状 是相似的 [18] 。以操作者的应激感受为中心将其分为心理症状、生理症状和行为症状三 大类。操作者应激程度的判别均基于应激症状,心理和行为症状的直观性强, 常用于应激的主观评测中;生理症状则用于应激的客观评测。 4应激评测方法 随着工作应激日益受到社会的关注,工作应激的评 测技术也快速发展。应激评测分为应激特征的选取和评价指标的确定两部分, 主观应激评测特征主要参考专业应激调查问卷,客观应激评测的特征主要有 心电图、心率、呼吸、皮肤表面肌电等;特征指标的选定根据具体评价目标 确定,选取的评价指标越多,对目标的评价往往越精准。 5应激的应对方式 Holahan 最早提出了应激应对的概念 [19],90 年代 以后我国也开始了应激应对的研究。1992 年国内学者肖计划提出,应激应对 是指工作者在应激环境或者事件中对其所做出的认知评价和为调节自身状态 所采用的应对方法 [20]。研究表明,在所有的应激应对措施中,减少或消除应 激源是最有效的。 1.2.2 应激评测技术的研究现状 国外从 60 年代开始研究操作者心理、生理和行为在工作环境中的应激反 -3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 应,并研制出相应的检测工具;我国对工作应激的研究起步比较晚,研究工 作多是借鉴国外的评测技术。目前,操作者应激的评测方法主要分为主观评 测法和生理学评测法两种。 主观评测法包括自述测量、晤谈技术和主观调查问卷或量表等。实验研 究中的主观调查一般采用自述测量和调查问卷法,这里的调查问卷一般需要 实验者根据实验要求进行设计,常用的问卷设计方法有语义分析法、二元对 比法和多级模糊综合评价法。 语义分析法是 1954 年由 Osgood 及其提出的,它是通过语义来区分主观 量表,被试者在若干等级的语义量表上对研究进行评定,从而确定研究目标 在评价维度上的强度 [21]。评价等级的两个端点常为两个语义相反的形容词, 如好与不好、强与弱等。二元对比法属于模糊数学的范畴,该方法是参考研 究对象建立比较级,按照评价特征分别进行两两对比,最后确定总体评价权 重顺序。多级模糊综合评判法适合评价有多种影响因素的对象,例如本文要 研究的操作者应激程度,主观调查问卷根据影响因素的层级进行设计。 调查问卷或量表多用于应激的定性分析,国际上有影响力的应激调查问 卷和量表有:美国 Derogatis.L.R.编制的 90 项症状自评量表SCL-90[22];英 国曼彻斯特大学的 Cooper 编制出职业应激调查表OSI[23];1981 年 Ostpow 开始编制,历经 20 年七次修订而成的职业紧张量表OSI-R[24];美国的 Hurrell 和 Mclaney 编制而成的一般工作应激问卷GJSQ[25];美国学者 McLean 推出 McLean’s 工作应激问卷 [26]。 生理学评测法是主要是基于操作者内部生理参数的变化来评测研究对象 的应激强度。生理应激评价特征包括心电图ECG、心率、脑电图EEG、眨 眼频率、瞳孔直径、呼吸频率、皮肤表面肌电信号和激素水平等。 心电图和心理用于评价操作者的心脏功能。心电图 ECG描述的是引起 心脏收缩的点刺激,包含了时域、频域和振幅的测量。心率是指心脏每分钟 跳动的次数,正常在 75BPM 左右;Schubert 和其同事在短期应激和长期应激 对心率影响的对比研究中指出,短期应激会使心率加快 [27]。 脑电图EEG是评测大脑活动的主要指标。它最早是由 Hans Berger 采用 弦线电流计测得,主要有形、形、低电压和不规则四种脑电图,当操作 者感觉到刺激时,波会有异常反应 [28]。对脑电图的时域分析包括平均积分 电位、均方根电位;对脑电的频域分析包括功能普、中间频率和平均平率。 眨眼频率和瞳孔直径是评价操作者眼睛的活动的主要指标。飞行 应激环 境中,以有研究表明眨眼频率和工作者视觉工作的负荷相关,眨眼频率会随 -4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 着工作者应激增大而降低,瞳孔直径会随着工作者工作应激应对要求的增高 而增加 [29]。 呼吸频率反应的是操作者体内能量的消耗,正常成年人的呼吸频率为 16~20 次。1994 年 Backs 等人指出,在应激环境中,操作者的呼吸频率会随 着记忆负荷的增加或暂时需求而增加 [29]。 表 面 肌 电 信 号 sEMG反 映 的 是 神 经 肌 肉 系 统 在 进 行 目 标 任 务 时 皮 肤表面的生物电压随时间的变化。目前,表面肌电信号的数据分析方法 主要有时域分析、频率分析、小波分析和分形分析等。 激素水平反映了个体工作应激的整体水平,可以从工作者的尿样或是唾 液中获得。当个体交感神经系统受到刺激时,工作者体内的儿茶酚胺类激素 水平会发生变化。该指标适合用于个体健康评价和长时间应激的反映。 1.3 应激特征评价方法的而研究现状 在应激环境中,操作者所接受的信息中有 95%以上来自于视觉通道和听 觉通道 [29]。探索声音和色彩刺激与操作者应激程度之间的关系对,对有效的 应对环境中的声音和色彩刺激具有重要意义。 1.3.1 声音和色彩刺激的研究现状 操作者对声音的主观感受主要取决于音高、音强、音速和音色,其中音 色取决于声音的频率和强度。音高主要取决于声音的频率,操作者的最佳听 阈频率范围为是 20-20000Hz,高音使人感到紧张,中音使人感到厚实,低音 使人感到放松;音强主要取决于声音的强度,声音强弱单位是分贝dB,当 环境中的声音强度大于 85dB 时操作者会有明显的应激反应,声音的强度越 大,操作者应激程度越大 [30];音速取决于声音节奏,适当的快节奏会给操作 者轻松愉快的感受,但在以脑力作业为主的环境也有可能给操作 者带来紧张 感;音色的感受由操作者的文化背景、职业类型、年龄、情绪等有关。 基于声音刺激对个体心理和生理上的影响,国内外医学、心理学等领域 学者进行了广泛研究。2010 年,美国的 Joel Gutierrez 等人基于心率研究了不 同声音强度和频率的刺激对植物人的影响 [31]。同年国内研究者 Zhao 及其同 事基于个体的脑电信号EEG和心电信号ECG,通过模拟实验分析了不同声 音强度、频率和暴露时间下被试者的驾驶疲劳,给出了声音影响因子水平与 分别脑电和心电时域积分值之间的一次回归方程,验证了适当强度的声音刺 激能有效减轻驾驶员的疲劳 [32]。 -5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 操作者对色彩的主观感受主要取决于色彩的色相、明度和饱和度。色相 值为其在奥斯特瓦尔德色相环上的角度,相距 180 度的两个色相均为互补关 系。不同强度的色彩刺激给操作者的心理感受和空间感知有很大差异。依据 色相可将色彩分为冷色系绿、蓝、紫和暖色系红、橙、黄。冷色系给人热 烈、温暖的心理感受,空间上给人前进感;暖色系给人深邃、寒冷的心理感 受,空间上给人后退感。同时,明度高和饱和度高的色彩在空间上给人向前 的感觉,反之给人后退的感觉。 色彩刺激的研究主要集中于心理学领域,主要探讨的是色彩刺激对个体 心理感受和情绪的影响。研究的方法之前以被试者的主观评测为主,近几年 来将被试者的主观评测和生理评测相结合。2008 年,国内哈尔滨工业大学学 者 Wu 搭建了汽车虚拟驾驶实验台,选取心率、呼吸和肌电三项生理特征, 通过模拟驾驶实验并结合主观评价方法研究了不同色相、明度和饱和度水平 的色彩刺激下驾驶员疲劳程度的变化,给出汽车驾驶过程中心率和肌电响应 分别与色彩三要素的数学模型 [33]。2009 年,Hyeon-Jeong Suk 分析了色彩的 色调、色度和亮度三个属性对个体情感认知信度系数的影响,此外还讨论了 色彩作为一种情感激发的过程 [34]。2010 年,墨西哥学者 Marin 和 Medina 通 过计算机模拟变化的交通信号灯,以操作者的反应时SRT作为评价指标,分 析了不同年龄的糖尿病患者对色彩刺激的评估决策过程 [35]。 1.3.2 特征评价方法的研究现状 应激环境中,对操作者应激程度的判别本质是对通过评价特征对应激程 度进行识别分类的过程。在探讨声音和色彩刺激强度与操作者应激程度之间 关系时,首先需要选取多个应激的评价特征,然后通过特征评价来确定不同 特征对目标的评价权重,最后通过分类模型验证评价特征的可行性。 特征选择是模式识别领域重要的一部分,其过程是从特征集合中选取足 以识别目标的最小特征集。操作者应激程度的评价特征主要从其在心理、生 理和行为上的应激反应症状来提取。 特征评价 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数,又称为特征评价指标,它主要包括距离测度、信息测度、 相关性测度和一致性测度四种。以距离为测度的评价特征指标主要有假设间 隔 [36]和 Fisher 准则 [37]。间隔是一种重要的统计学思想,假设间隔是特征选择 算法 Simba 中的特征评价指标。以信息为测度的评价指标有模糊互信息等。 互信息的概念最早出现于信息量,2008 年我国学者 Hu 引入模糊信息熵的概 念,提出了模糊系统的信息度量 [38]。以相关性为测度的评价指标有 Pearson -6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 相关系数、Kendall 相关系数等。Pearson 相关系数是一种用于度量两个变量 之间相关程度的方法,取值范围为[-1,1],主要用于经济管理、社会统计学等 领域。Kendall 相关系数适用于度量多列等级变量之间的相关程度,采用的是 对偶评定法。以一致性为测度的评价指标有模糊依赖度 [39]等。模糊依赖度是 通过等价关系描述了在原始特征空间中条件属性和决策属性的一致性,在模 糊粗糙集中依赖模糊相似关系判别属性和决策之间的一致性。 分类模型的作用主要在于根据样本的评价特征确定每个可能类别的概 率,根据判别函数可分为基于线性判别函数的分类模型和基于非线性函数的 分类模型两种类型。 基于线性判别函数的分类模型包括线性支持向量机、感知机、BP 神经网 络和 logistic 回归。线性支持向量机是基于统计学理论提出的一种分类模型, 适合处理小样本问题。1958 年 Rosenblatt 提出了感知机分类模型的模型,在 此基础上发展而来的多层感知机在神经网络研究中得到广泛应用 [40]。BP 神 经网络是一种基于误差逆传播的算法,在每个节点是都是基于线性函数进行 判别的。logistic 回归适用于处理线性可分或局部线性可分的问题,主要应用 于流行病学中分析疾病的发生概率或危险因素。 基于非线性判别函数的分类模型包括核支持向量机、K-近邻和决 策树分 类模型。核支持向量机是支持向量机在解决非线性问题时引入了核函数,把 低维特征空间的非线性问题转化为高维特征空间的线性问题,包括 RBFSVM 等。K-近邻分类模型的结果取决于分类的距离度量和 K 值,常用的特征提取 算法包括 Relief 和 Simba 两种。决策树是基于信息增益的一类分类模型,主 要应用于金融投资领域,包括 C4.5 决策树等。 另外还有回归分析、函数内插和 概率 密度估计三种与特征评价与识别 密切相关的技术,它们是进行特征评价的第一步。回归分析技术是对样本数 据找到合适的函数表示,常用于预测新数据的值;函数内插技术在于求出输 入样本点之间数据点的函数值;密度估计技术用于分析具有某种特征样本出 现的概率密度。 1.4 本课题的研究内容及组织结构 本文基于应激的刺激理论模型、反应理论模型、CPT 理论模型和系统理 论理论模型提出应激的压力缸模型,描述刺激强度与操作者应激 程度间非线 性关系;并通过模拟实验研究方法,建立声音和色彩刺激下操作 者应激程度 的数学模型,验证应激的压力缸模型在实际应用中的可行性。具 体研究内容 -7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 和研究思路安排,见图 1-2: 应激的研究现状 基于声音和色彩的应激特征评价 应激源总体评价体系 更优应激模型的提出 理 人格特质问卷调查 验 证 理 论 模 型 理 论 基 础 论 基 础 无声刺激实验 单音感刺激实验 复合声音刺激实验 筛选被试者18名 多项式回归分析 声音影响因子的影响权重 生理信号变化的回归方程 不同人格特征应激评价权重 声音刺激数据 已有色彩 刺激数据 应激生理特征评价 应激识别 基于声音刺激的应激数学模型 基于色彩刺激的应激数学模型 生理应激特征的评价权重 应激分类精度 声音刺激的应激综合评价 色彩刺激的应激综合评价 图 1-2 课题的研究思路 1环境应激源及应激理论模型的研究 将通过分析典型应激环境中 人-机 -环境的信息交流方式,确定应激环境中刺激因素对操作者行为可靠性 的的影响过程;建立应激环境中刺激因素的总体评价体系,提出声音和色彩 刺激对操作者应激程度影响的表达式;通过调查问卷研究确定人格特质在不 同性别和年龄间的分布规律,为后面实验研究筛选被试者;最后提出更优的 应激模型,为后续实验研究提供理论基础。 2基于应激生理特征的声音刺激实验研究 搭建汽车模拟驾驶实验 台和航天声音模拟实验台,基于心率、呼吸频率和表面肌电三项生理特征分 别进行无声刺激、单音感刺激和复合声音刺激三个实验。通过前两个实验分 析不同强度、频率和节奏的声音刺激下操作者生理特征的变化规 律;通过对 复合声音刺激实验确定不同人格特质对操作者应激程度的影响权重。 3操作者应激生理特征的评价及识别研究 采用模糊互信息、 Fisher 判别、假设间隔和模糊依赖性四种特征评价方法,分别确定色彩和色彩刺激 实验不同时刻点上,心率、呼吸频率和表面肌电的绝对积分对操作者应激程 度的评价权重。采用 K-近邻和 C4.5 决策树两种分类模型验证三项评价特征 能很好的判别声音和色彩刺激下操作者的应激程度。 -8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4基于声音和色彩刺激的应激数学模型的建立 采用模糊综合判别 法,将操作者在声音刺激和色彩刺激下的主观评价结果和生理特征结果分别 进行加权综合,得到操作者应激程度的综合评价结果。结合三项特征的评价 权重,最终建立声音和色彩刺激因素水平与操作者应激程度之间的数学模型。 -9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 优化操作者应激模型的提出 本章通过对应激环境中人-机-环境信息交流方式的分析,确定应激源对操 作者行为可靠性的影响方式;基于环境应激源建立应激的评价体系,确定本文 要研究的声音和色彩刺激因素;在通过对人格特质的调查研究,确定不同人格 特质的分布规律,并确定实验研究的被试者;最终提出应激的压力缸模型,并 基于应激心理学的分析给出该模型所描述刺激强度与应激间的数学关系,为后 续研究提供理论支持。 2.1 操作者行为可靠性的分析 应激环境中的操作者、仪器设备和环境因素之间是相互作用和影响的。研 究应激环境对操作者行为可靠性的影响,首先分析应激环境中人-机-环境的信 息交流过程。 2.2.1 应激环境中的信息交流过程 根据职业领域不同应激环境的主要刺激因素会有所不同,但环境 应激源的 种类基本相同。以载人航天应激环境为例,通过操作者和及其处理信息的过程 分析信息的交流过程。 航天员在载人航天应激环境中的任务大体可以主要包括:特定的空间任务, 如航天器操作、机械操作、天地通信等;在轨生活,如日常饮食起居和太空特 殊需要的活动;随机出现的活动,其一为规定的动作和任务之外的活动,其二 为当意外情况发生时的活动,其中人-机-环境的信息交流方式如图 2-1 所示。 航天应激环境 环境输入 能量输出 环境输入 能量输出 地面 输入 感知 航天员 决策 操作 接收 机 加工 执行 地面 输出 信息反馈 信息反馈 图 2-1 载人航天应激环境中的人-机-环境信息交流方式 - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.2.2 应激源对行为可靠性的影响 应激环境中的应激源对操作者造成不同类型和不同程度的生理应激和生理 应激,最后必然造成对操作者行为可靠性的影响,下面主要从操作者的信息接 收、信息处理和信息输出三个重要的内部信息交流阶段进行分析。 操作者内部的信息交流过程主要分为信息接收、信息处理和信息输出三阶 段。应激环境中,操作者主要通过眼睛、耳朵、鼻子等感觉器官 感知信息,并 将信息传达到操作者的神经中枢。中枢神经根据对相关知识的记忆对信息进行 判断和决策,发出指令;操作者的手、脚和腿等运动器官会执行相应的行为操 作[29]。应激环境中的仪器设备接收到操作者的指令后会运行相应的程序,并会 通过显示器、仪表盘或声音将相关信息反馈给操作者。各阶段应激源对操作者 行为可靠性影响的因素分析图如 2-2 所示。 对失重不适应 强大噪音 听阈偏移、信 信息接收 空间运动病 感觉功能退化 号掩蔽 目标模 信息感受灵敏度和正确率降低 糊不清 低压、缺氧、低温等 强烈振动 空间运动病 注意力分散 空间知觉、时间知觉 不能适当分 信息处理 和运动知觉变差 配和转移 人脑对信息的选择、整 知觉、记忆、思维等能力的下降 合和推理等能力降低 情绪烦闷、急躁、低沉等 本体感受系统 听觉、视觉下降 操作程序错误, 信息输出 协调性变差 反应时延长 操作力度、速度、方向和 操作动作的准确性、灵活性和协调性变差 幅度等方面的准确定变差 神经-肌肉系统功能减弱、疲劳 操作行为可靠性降低 图 2-2 操作者行为可靠性因素分析图 2.2 应激源总体评价体系的建立 环境应激源总体评价体系的建立是分析声音和色彩刺激的基础,首先要确 定环境中应激源的种类,搭建环境应激源的总体评价框架,然后列出各级应激 源的关系表达式。 2.2.1 环境应激源的总体评价结构 查阅相关文献, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 军事作业、高空作业、矿井作业等应激环境中的应激 - 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 源,采用多层次结构理论搭建应激环境中的环境应激源评价总体框架,如图 2-3 所示。它是应激中环境应激源系统化与形象化的描述,反应了环境应激源对操 作者应激程度的影响,同时还能反映环境应激源之间的相互作用。 环境应激源的总体评价框架 气体环境应激源 力学环境应激源 光学环境应激源 辐射环境应激源 温 湿 度 压 力 气 体 成 分 超 重 振 动 声 音 冲 击 失 重 人 工 光 环 境 天 然 光 环 境 电 离 辐 射 非 电 离 辐 射 暴 内 服 环 露 热 装 境 时 间 暴 气 露 压 时 间 氧 气 化 学 污 染 物 暴 露 时 间 加 速 度 方 向 加 速 度 大 小 作 用 部 位 暴 露 时 间 振 动 频 率 振 动 强 度 暴 露 时 间 声 音 强 度 声 音 频 率 声 音 节 奏 暴 露 时 间 冲 击 加 速 度 作 用 方 向 冲 击 频 率 暴 露 时 间 暴 照 色 露 度 彩 时 间 暴 露 时 间 天 然 电 离 辐 人 工 电 离 辐 暴 露 时 间 紫 红 外 可 外 线 见 线 辐 光 辐 射 射 射 射 气 温 气 湿 风 速 辐 射 热 横 向 纵 向 侧 向 胸 部 头 部 侧 身 振 动 速 度 振 动 加 速 度 振 动 幅 度 色 相 明 度 饱 和 度 暴 露 时 间 太 阳 质 子 辐 射 地 磁 捕 获 辐 射 核 反 应 器 仪 器 校 准 源 放射 性核 素热 电发 动机 实验 中放 射性 核素 图 2-3 环境应激源的总体评价结构图 2.2.2 基于应激源的应激表达式 以图 2-3 所示的应激环境中环境应激源的评价总体框架为基础,则可写出 应激环境中操作者的应激程度 F 与各级应激源之间的关系表达式。通过评价体 系总体框架可确定影响操作者应激程度 F 的一级应激源,分别为气体环境应激 源、力学环境应激源、光学环境应激源和辐射环境应激源。则有: F?11 1fx气12 1fx力13 1fx光14 fx辐射一级应激源与二级应激源之间的关系表达式如下: f1x气 21 f 21x温湿 22 f 21x压力 23 f 21x气体成份f1x力 24 f 22x超重 25 f 22x振动 26 f 22x声音 27 f 22x冲击 28 f 22x失重f1x光 29 f 23x人工 210 f 23x天然f1x辐射 211 f 24x电离 212 f 24x非电离二级应激源与三级应激源之间的关系表达式如下: - 12 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 f 21x温湿 31 f31x内热 32 f31x服装 33 f31x环境 34 f31x时间f 21x压力 35 f32x气压 36 f32x时间f 21x气体成份 37 f33x氧气 38 f33x化染 39 f33x时间f 22x超重 310 f34x方向 311 f34x大小 312 f34x作用部位 313 f34x时间f 22x振动 314 f35x频率 315 f35x强度 316 f35x时间f 22x声音 317 f36x强度 318 f36x频率 319 f36x节奏 320 f36x时间f 22x冲击 321 f37x加速度 322 f37x方向 323 f37x频率f 22x失重 324 f38x时间f 23x人工 325 f39x照度 326 f39x色彩 327 f39x时间f 23x天然 328 f39x时间f 24x电离 329 f310x天然 330 f310x人工f 24x非电离 331 f311x紫外 332 f311x可见光 333 f311x红外三级应激源与四级应激源之间的关系表达式如下: f31x环境 41 f 41x气温 42 f 41x气湿 43 f 41x风速 44 f 41x辐射f34x方向 45 f 42xX 46 f 42xY 47 f 42xZf34x作用部位 48 f 43x胸部 49 f 43x头部 410 f 43x侧身f35x强度 411 f 44x速度 412 f 44x加速度 413 f 44x幅值f39x色彩 414 f 45x色相 415 f 45x明度 416 f 45x饱和度 417 f 45x时间f310x天然 418 f 46x银河 419 f 46x太阳 420 f 46x地磁f310x人工 421 f 47x核反应器 422 f 47x仪器 423 f 47x电机 424 f 48x核素以上所有关系表达式组成高应激环境中应激因素的评价体系。本课题中研 究的主要是声音和色彩应激源对操作者行为的影响,应激表达式如下: f 22x声音317 f36x强度 318 f36x频率 319 f36x节奏 320 f36x时间f39x色彩 414 f 45x色相 415 f 45x明度 416 f 45x饱和度 417 f 45x时间研究中通过改变声音的频率、音强、音色和暴露时间四项影响因子的水平, 测量操作者的生理、心理和行为应激反应,从而确定其权重系数;同理,改变 颜色的色彩、明度、饱和度和暴露时间四项影响因子的水平,测量操作者的生 理、心理和行为应激反应,确定其权重系数。 - 13 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.3 操作者人格特质分析 应激环境中,操作者应激反应是其应激应对不良症状的表现。应激环境中 的操作者人格特质本身就是一个独特的应激源。不同的人格特质的操作者在相 同的环境下接受相同应激源,其应激程度因认知和应对方式不同而不同。 2.3.1 人格特质的概念 人格特质是一种内在的、稳定持久的、独特的、具有动力特性的神经心理 结构,具有使不同种类的刺激在机能上等值起来,且反应一直的 倾向性。现代 人格特质与行为的研究中,研究者提出了 A、B、C、D 型四种人格人格特质, 其中 A 型行为特征和应激有很大关联。 A 型人格特质是指包含以操作者人格为基础的行为、性格和情感元素的一 个复合因素群或行为群。其行为特征主要表现为:争强好胜,总想超越别人; 做事匆忙,行动较快;有时间紧迫感;缺乏耐心,易诱发敌意情绪倾向等[41]。 目前,研究者将 A 型人格特质分为 A、mA、M、mB、B 五型。A 和 B 分别为 A 型和 B 型人格特质的极端型,M 介于 A、B 两种