龍 增, 吳 超, 石 英

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 安全理論創(chuàng)新與促進研究中心，湖南 長沙 410083)

0 引言

近年來，安全信息備受關注，成為學者在研究安全學科領域和探討事故致因機理上的一個新的切入點，因此，安全信息認知相關的研究也成為趨勢和熱點。黃仁東等[1]提出了6條安全信息學的核心原理，促進安全信息管理系統(tǒng)的完善；吳超[2]以安全信息的認知過程為研究主線，提出了安全信息認知通用模型；趙潮鋒等[3]提出了安全信息缺失的概念和安全信息缺失事故致因理論，認為事故預防的重點在于避免缺失關鍵的安全信息；李思賢等[4]分析了安全信息不對稱的誘發(fā)因素，構建了事故致因模式。

一般來說，系統(tǒng)中大多數安全信息由視覺信號和聽覺信號組成，且存在多級認知過程，因此，探討安全信息認知的重點是對多級視聽安全信號的認知過程進行研究。王晶等[5]把視覺信息的認知過程大概歸納為視覺注意、視覺理解、視覺情緒和視覺記憶4個階段；Ten等[6]指出視聽信息整合由諸多因素所影響，如客體特征、任務目標和認知背景等；肖宵[7]設計了10個實驗，探索單一感覺通道和跨感覺通道沖突信息加工機制。但是，視聽信號的認知存在局限性。Sweller等[8]提出認知負荷理論；張文強等[9]認為人在感知環(huán)境中的視聽信號時存在一定的閾值，并強調記憶在認知過程中具有重要作用。

基于以上研究，本文將從多級視聽混合交替的安全信號入手，嘗試在不同的認知形式下構建其認知模型，旨在分析導致發(fā)生事故的信息故障模式，提出防控措施，并應用于實例分析。

1 模型構建

1.1 理論基礎

安全視聽信號的認知過程涉及多學科融合交叉，要構建多級視聽混合交替安全信號的認知模型，就要以安全科學理論為基礎，用信息傳播學、神經科學、心理學等其他學科作為理論指導，利用信息流的思維將認知過程形象化，以明確表達其相互關聯的要素及認知機理。

根據安全信息認知通用模型可知，認知過程涉及的要素單元有真信源、信源載體、安全信道、安全信宿、信噪等[2]，本文根據感知安全信息的主要器官不同，以眼睛和耳朵為例，選取混合交替的視聽信號為研究對象，分析其多級認知過程，構建認知模型。

1.2 多級視聽信號認知形式

根據貝葉斯網絡模型[10]，可將視聽信號的認知形式分為串聯、并聯、聚合和混聯，下面將分別闡述各認知形式的內涵。

1)串聯：視聽信號從1個信源出發(fā)，依次流向安全信宿1，安全信宿2，……，安全信宿n，可類比于電學中的串聯結構，視聽信號即類似于導線，將安全信源、安全信宿1、安全信宿2等逐個串接起來，它們之間具有直接的依賴關系。

2)并聯：視聽信號從一個信源出發(fā)，通過不同的安全信道分別流向安全信宿1，安全信宿2，……，安全信宿n等，即“一對多”的結構，可類比于電學中的并聯結構，安全信源發(fā)出的視聽信號流向多個元件，每個安全信宿接收到的視聽信號強弱與自身特點有關，具有明顯的獨立關系。

3)聚合：多個視聽信號同時或交替從多個安全信源出發(fā)，通過不同的安全信道流向同一個安全信宿，即“多對一”的結構，稱為聚合。來自不同信源的視聽信號之間可能會互相影響。

4)混聯：串聯、并聯或聚合等2個或多個結構進行組合的形式。一般情況下，系統(tǒng)中的多級視聽信號認知是以混聯的形式呈現，常見的有串聯-聚合、聚合-并聯-串聯等。

系統(tǒng)中視聽信號的4種認知形式相混合，形成了多條信息鏈，相互交織，構成了復雜的多級視聽混合交替的安全信號認知網絡。

1.3 建立模型

視聽信號的認知過程大致分為信號發(fā)出、傳播、感知、認知及動作幾個階段，本文利用信息流的思維，首先針對1個安全信源和1個安全信宿，建立混合視聽信號認知的通用模型，在宏觀層面簡要地表現信號的傳播過程及傳入人體后大腦的反應過程，如圖1所示。

圖1 混合視聽信號認知的通用模型Fig.1 A general model of hybrid audio-visual signal recognition

原始的安全信息(聲、光信息等)雜亂無章，難以被人體接收、理解和認知，因此需要信源載體進行篩選再發(fā)出安全信號。如圖1所示，信源發(fā)出視覺信號和聽覺信號，通過不同的信道分別刺激眼睛和耳朵2種感覺器官產生神經興奮，物理信號被轉化為神經信號。

混合的視聽信號被人體接收后，先進行感覺登記，在大腦內初步形成圖像和聲音，保留的時間非常短暫，視覺刺激大約為250～300 ms，聽覺刺激的保持時間約為它的10倍[11]。感覺登記可理解為瞬時記憶，是安全視聽信號認知過程中必不可少的一環(huán)。此時，如果初步形成的圖像和聲音沒有被新的刺激進行加固，很快會消失殆盡。由于人的認知資源有限，不能將所有的刺激信息形成知覺，大腦需通過選擇性注意，對已經登記的圖像、聲音等進行篩選，選擇少數信息進行整合、組織，成為知覺對象，調取長時記憶中的知識、經驗等(可看成是內部安全信息)，形成知覺信息。隨后通過大腦的高級思維、記憶和學習，形成認知，從而響應動作。響應動作及行動結果對安全視聽信號的感覺登記具有反饋作用，可能又是1次新的認知過程。

工作記憶作為在知覺信息和長時記憶之間連接信息流的橋梁，實際上是一種短時記憶，在安全視聽信號認知過程中處于不斷活躍的狀態(tài)，可從長時記憶系統(tǒng)中調取經驗和技能等，雖然容量有限，但是對認知產生重要影響[12]。注意是一種有意識的選擇，與知覺的形成、認知與動作以及工作記憶都有一定的關聯。

以上建立的通用模型只涉及1個信源和信宿，而多級認知過程涉及到多個主體和客體。因此，可根據串聯、并聯、聚合、混聯4種認知形式和通用模型，分別建立不同認知形式下的多級視聽混合交替安全信號的認知模型。

1)串聯

根據串聯的認知形式，建立多級視聽混合交替安全信號的認知模型，如圖2所示。視聽信號從安全信源傳出，到達安全信宿1，之后安全信宿1作為一個“新信源”發(fā)出視聽信號1(可能只有視覺信號或聽覺信號，也可能是2種信號混合交替)，通過安全信道3(包含視覺信號傳遞通道和聽覺信號傳遞通道)，傳遞到安全信宿2。這里為了方便起見，只考慮了2個安全信宿，以代表多級串聯形式。

圖2 串聯形式下的多級視聽混合交替安全信號的認知模型Fig.2 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in tandem form

在串聯形式的多級認知模型中，假設安全信源中的視聽信號為S，安全信宿1接收到的有效視聽信號為S1，安全信宿2接收到的有效視聽信號為S2，則S1=K1S，S2=K2S1。K1和K2為第一級和第二級的安全視聽信號傳遞系數，均為小于1的正常數。由此可知，多級串聯認知下安全視聽信號的有效值隨著傳遞鏈的增長而衰減。

2)并聯

根據并聯的認知形式，視聽信號從安全信源傳出，分別到達安全信宿1和安全信宿2，2個認知過程互相獨立，可建立并聯形式下的多級混合視聽安全信號的認知模型，如圖3所示。安全信源發(fā)出的視聽信息由2種信息載體呈現，通過2條信道分別到達2個信宿，此時的信息載體等同于通用模型中的信源載體。

3)聚合

同理，建立聚合形式下的多級視聽混合交替安全信號的認知模型，如圖4所示。這里為了方便起見只考慮2個安全信源，安全信源1只發(fā)出視覺信號，安全信源2只發(fā)出聽覺信號，分別通過不同信道被安全信宿接收。

在聚合形式下，1個認知主體面對多個客體需要進行選擇性地接收安全視聽信號。假設安全信源1中的視聽信號為S1，安全信源2中的視聽信號為S2，安全信宿接收到的有效信號為S，則S=K(S1+S2)，其中K為安全視聽信號傳遞系數，是小于1的正常數。

圖3 并聯形式下的多級視聽混合交替安全信號的認知模型Fig.3 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in parallel mode

圖4 聚合形式下的多級視聽混合交替安全信號的認知模型Fig.4 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in aggregate form

4)混聯

混聯形式有各種組合，不能一一列舉，則選取聚合-并聯-串聯形式為代表，建立多級視聽混合交替安全信號的認知模型，如圖5所示。

該模型綜合3種形式下的認知特點，在實際生產中是最為常見的一種認知模型，涵蓋了系統(tǒng)中的安全視聽信號收集、指令傳達以及任務執(zhí)行等重要動作，因此具有十分重要的指導意義。

2 故障模式分析及防控方法

一般來說，系統(tǒng)中的安全視聽信號認知過程都是以混聯的形式呈現，涵蓋了串聯、并聯、聚合3種認知形式的特征。那么可根據混聯形式(以聚合-并聯-串聯為例)下的安全視聽信號認知模型，分析信息傳遞和理解過程中可能發(fā)生的故障模式，并提出相應的防控措施，為安全生產提供建設性意見。

2.1 安全信息故障模式分析

由于安全信息可揭示物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為，則事故發(fā)生可從根本上歸因于安全信息故障[3]。安全信息故障，即系統(tǒng)中的安全信息在傳播、接收、理解等過程中出現問題，在一定程度上減弱甚至喪失其應有的功能及作用。一旦安全視聽信號發(fā)生故障，可能導致指令錯誤、冒險作業(yè)等，引發(fā)安全隱患，若故障未被及時修復，最終會導致事故發(fā)生。因此，分析多級視聽混合交替安全信號認知過程中可能存在的各種故障模式及其誘發(fā)因素和不良影響，對事故防控具有重要意義。

著眼于安全視聽信號的流動過程，可將安全信息故障模式分為安全信息失真、個體感知偏差、認知態(tài)度扭曲、認知時間延遲4種類型，根據圖5對這些故障模式進行詳細分析。

圖5 混聯形式下的多級視聽混合交替安全信號的認知模型Fig.5 The cognitive model of multi-level audio-visual hybrid alternating safety signals in hybrid mode

2.1.1 安全信息失真

1)載體缺陷

以安全信息1-安全信源1為例，若信源載體自身存在缺陷，無法從原始信息中完全篩選出有用的安全信息，導致真信源中需要被認知的信息失真，影響后續(xù)一系列的認知過程。在安全信宿1發(fā)出視聽信號1時，由于個體的表達能力受限，動作或語言不能代表其要傳達的全部信息，即信源載體存在缺陷，同樣造成信息失真。該情況必定存在于2個認知主體之間的信息傳遞過程中。

2)信道受阻

由圖5知，安全信道中存在信噪，涉及視覺信號的信噪涵蓋同一環(huán)境下的其他光源等，與聽覺信號相關的信噪包括自然噪聲和人為噪聲等，均對安全視聽信號的正常流動造成干擾。同時，在某些環(huán)境下，信道中可能有屏蔽裝置，消除部分視聽信號。若視覺信號和聽覺信號的傳播通道交叉且雜亂無章，易導致信息傳達的準確性降低，甚至造成安全信息失真現象。

2.1.2 個體感知偏差

1)感覺受限

根據圖5的認知流程，若原始信息較少，視聽信號的刺激值未達到閾值時，不會進行感覺登記，則為無效信息。而在信源載體不透明的情況下，視聽信號不易被識別，且信源載體除攜帶需要被認知的信息以外，會附帶若干無用信息，無用信息所占的比例稱為信息冗余度。信息冗余度越大，個體感知偏差越大。

人的視敏度和聽閾決定了個體能感知到的視聽信號種類和強度。當人眼辨認外界物體的敏銳程度較低或聽閾范圍較窄時，視聽信號的感覺被極大地限制，造成個體感知偏差。

2)感知沖突

視聽信號同時或交替?zhèn)魅雮€體后，在大腦內進行信息整合加工，可能發(fā)生于認知過程的多個階段。當個體在不同時間感知到的2種信號來自不同的客體，且客體間的距離較遠時，可能發(fā)生信息沖突，互相削弱其信號強度[13]，影響人的感覺和認知。

另外，以安全信源1-安全信宿1和安全信宿1-安全信宿2為例，物或人發(fā)出的視聽信號被個體接收后，若此信息內容與自身的知識、記憶系統(tǒng)中的信息不相符或存在沖突，即存在信息不對稱的問題，則會阻礙知覺的形成，造成工作記憶混亂。

3)注意力不集中

當安全信宿的注意力分散，未對需要被認知的視聽信號保持高度緊張時，外界環(huán)境中信噪的干擾作用增大，影響信息加工。

2.1.3 認知態(tài)度扭曲

個體具有一定的偏好性，若安全信宿接收到的視聽信號內容和質量與其內在偏好相矛盾，則會影響認知態(tài)度，可能有意或無意間歪解信息，導致認知扭曲，在一定程度上對動作響應(指令發(fā)布、任務執(zhí)行等)造成干擾。隨著知識水平的提升，內在偏好對扭曲程度的影響有所減少[14]。

2.1.4 認知時間延遲

混合交替?zhèn)鬟f的安全視聽信號易造成認知時間延遲。認知過程的各個環(huán)節(jié)均需一定的時間，則最終的安全信宿響應動作與安全信源發(fā)出視聽信號之間存在時間差，安全信號的傳遞鏈越長，時間差越大。在緊急情況下，認知時間遲緩，可能造成不可挽回的損失。

2.2 防控措施

根據以上分析的故障模式及其形成原因，可將其歸納為信源載體、傳播環(huán)境、個體認知3個要素，下面則針對其分別提出防控措施，以提高安全視聽信號傳遞效率和認知水平，保證系統(tǒng)正常運行。

2.2.1 優(yōu)化信源載體

1)提高篩選效率

利用新媒體技術完善攜帶視聽信息的載體，使安全信源1和安全信源2能高效地從原始信息中篩選出盡可能多的有價值的內容，編碼成安全視聽信號，用于傳播與認知。

2)增大透明度

通過可視化技術[15]，將一些不易被識別的聽覺信號轉化為容易被識別的視覺信號，增大信源載體的透明度，使其更容易被個體識別、注意。

3)減小冗余度

設計信源載體時，應使其充分表達出所承載的安全信息，同時盡量減少其他無用信號的展現。如設計的安全警示牌應精煉易懂，發(fā)布指令時應言簡意賅等。信息冗余度降低后，認知效率會有一定程度的提升。

4)認知一致性

如圖5所示，第一級認知中的視覺信號和聽覺信號若來自同一客體，則易實現認知一致性。使同一信源載體承載更多的視聽信息，能同時或交替發(fā)出安全視聽信號，該信號被個體捕捉后產生一致性促進效應，增強認知程度。

2.2.2 改善傳播環(huán)境

由圖5知，安全視聽信號的認知過程涉及多條信道。設計規(guī)劃安全視聽信號的傳遞通道，避免信道交叉，消除信號屏蔽裝置，保證每條通道中的視覺信號或聽覺信號能夠有序、穩(wěn)定地流動，避免信息失真。同時，通過技術手段消除傳播環(huán)境中不相干的光信號和噪聲等，降低信噪對視聽信號傳遞的干擾，減小信息故障發(fā)生的可能性和嚴重程度。

2.2.3 加強教育培訓

1)提高認知能力利用VR技術等方法進行事件模擬，使安全信宿虛擬感知視聽信號。長期訓練后，人的眼睛和耳朵對視聽信號的識別、感覺能力得到提升，且能逐漸將自身注意力集中到目標安全視聽信號上，以提高其認知效率。實際中一旦有視聽信號出現，個體便能快速捕捉，認知效率得到提升。另外，反復、習慣性地參與認知，進行動作響應，能夠形成動力定型，減少認知時間。

2)豐富知識結構

組織個體參加理論和技能培訓，豐富其知識、經驗。由圖5知，這些知識和經驗儲存于長時記憶中，在認知時能夠被快速調取，減少認知的延遲時間；另外，針對某項任務，若每個信宿的知識系統(tǒng)均較為完善，便能解決信息不對稱問題。

3)增強表達能力

在圖5中，安全信宿在接收、認知安全視聽信號后，還需將這些信號繼續(xù)傳遞下去，則要通過自身語言、動作等方式進行表達。表達能力較強，安全信息丟失的程度較小。

3 模型應用

由于圖5建立的混聯形式下的認知模型涵蓋3種認知形式的特點，可針對聚合-并聯-串聯認知形式，設定實際生產系統(tǒng)中1個常見的場景，根據多級視聽混合交替安全信號的認知模型進行具體分析。

場景具體描述：在鍋爐車間中，當鍋爐缺水時，低水位信號燈會發(fā)光，水位報警器會發(fā)出聲響，一旦安全員認知到這2種信號，便給兩名輪值的操作工發(fā)布指令。由于處理鍋爐缺水的工作可能比較復雜，需要多人配合完成，因此，這2名輪值的操作工分別通知檢修工和附近其他的操作工，完成檢查鍋爐水位、“叫水”或者緊急停爐等操作，消除事故隱患。根據圖5建立的模型，可將上述場景進行分解，如圖6所示。

圖6 場景案例分析示意Fig.6 Scenario case analysis diagram

安全員感知到2種信號后，判斷出鍋爐缺水，發(fā)布安全指令，為第一級(聚合)認知流程；安全員用語言和肢體動作表達的指令為視聽信號1，輪值操作工a和b接收到指令后進行認知，繼續(xù)傳達下去，為第二級(并聯)認知過程；檢修工和附近的其他操作工認知安全信號，從而響應動作，跟隨輪值的操作工一起完成隱患排查工作等，為第三級(串聯)認知流程；安全信道在鍋爐車間的環(huán)境中，存在機械噪聲、人為噪聲、光照強度等干擾因素(信噪)。

場景分解后，可根據該認知流程中涉及的各個元素分析可能存在的信息故障模式，如圖6所示。針對這些故障模式，安全管理人員可采取相應的管控和預防措施，保障生產安全。

4 結論

1)由建立的安全視聽信號認知模型知，實際安全系統(tǒng)中視聽信號的認知過程復雜多變，且存在多種故障模式，包括安全信息失真、個體感知偏差、認知態(tài)度扭曲和認知時間延遲等，導致重要安全信號無法順利傳遞。

2)針對每種故障模式的誘因可提出有效的防控措施，如優(yōu)化信源載體、改善傳播環(huán)境、加強教育培訓等，避免信息故障的發(fā)生，對系統(tǒng)中重要安全視聽信號的認知具有促進作用。

3)通過案例應用與分析，表明本文構建的多級視聽混合交替安全信號的認知模型在生產和生活系統(tǒng)中具有廣泛的適用性，可為事故致因分析以及災害防控提供新的思路。