负性情绪对典型航天任务绩效的影响

2019-01-10李启杰王宏伟

载人航天 2018年6期

李启杰，王宏伟，莫言，姜劲

(中国航天员科研训练中心，北京 100094)

1 引言

航天员在未来执行在轨长期驻留任务中，作为航天器人-机-环系统的主体，作业能力受到情绪、疲劳以及感知觉下降的限制。航天环境中的失重、密闭狭小空间、昼夜节律变化等因素会恶化航天员在轨的情绪状态，转向负性情绪状态，进而削弱作业能力，影响飞行安全[1-2]。

情绪是人体内部生理心理状态与外界环境相互作用的结果，可能会正向增强或反向阻碍人的认知或行为结果。国内973计划中关于中长期载人航天任务的项目在15天和45天-6°头低位卧床实验中发现了受试者的情绪状态变化，并指出长期飞行状态下会诱发负性情绪，并造成任务绩效和生理状态改变[3]。同时，多项国内外研究表明负性情绪状态会阻碍认知功能的信息加工、风险决策和任务绩效等。Zadra等的研究表明消极情绪会抑制信息加工能力[3]。Hu的研究表明负性情绪状态降低了驾驶员的风险意识，从而更容易出现危险驾驶行为。姜劲的研究表明负性情绪会恶化疲劳状态下航天员的MATB(多任务组合任务平台，Multi-Attribute Task Battery)任务绩效[4]，同时负性情绪将提高人执行同一任务的脑力负荷水平[5]。然而，现有研究中探索负性情绪对航天任务绩效的影响报道较少，负性情绪对典型航天任务的目标跟踪、状态监督等任务的绩效影响仍未见公开报道。

跟踪和监督作为典型的航天任务类型，是被重点关注的领域。MATB作为美国宇航局针对典型航天任务开发的任务平台，分为系统监督任务、目标跟踪任务、通信交流任务以及油路管理任务，是一种模拟航天任务的多任务平台[6]。本文选用MATB平台作为实验范式，模拟航天任务中典型目标跟踪和状态监督任务，利用情绪刺激视频诱发志愿者的负性情绪状态，分别研究负性情绪对决策和跟踪任务状态下的任务绩效变化。

2 方法

2.1 志愿者

本研究招募了20名18～35岁的男性志愿者，无精神疾病史，均为右利手。实验开始前，对每位志愿者实施3～4 h的技能培训。

实验技能要求：①志愿者维持跟踪任务的靶标处于规定范围内，时长为30 s；②志愿者实现监督任务90%以上反应正确率。任务开始前，受试者在无拘束状态保持平稳呼吸10 min，以恢复平稳情绪状态，否则择日完成实验。

2.2 实验条件

实验在密闭实验室内完成，志愿者根据自身舒适程度调整坐姿，使显示器到受试者眼部距离在45～60 cm处。实验要求志愿者在实验前保持良好休息，无明显疲劳状态，且无明显情绪波动。

2.3 跟踪任务设计

跟踪任务采用MATB任务的靶标跟踪任务，跟踪任务界面如图1所示。志愿者通过操作杆控制圆形靶标运动，正方形规定范围为目标区域，如圆形靶标处于目标区域，则系统正常，反之则为异常。跟踪任务的难度由标靶的漂移频率和响应速度决定，跟踪任务设定为四级任务负荷，一至四级任务负荷的漂移频率和响应速度分别设定为高/低、中/中、中/高和低/高。绩效采样率为1 Hz，采样结果为靶标位置x-y轴信息。

图1 跟踪任务界面Fig.1 The interface of tracking task

2.4 监督任务设计

MATB任务的系统监督任务模拟航天飞行状态监测任务，志愿者需对系统异常状态做出及时反应。系统监督任务由4个条状方块和2个方形报警模块组成。4个条状方块分别由11个方格组成，分别对应功能键F1、F2、F3和F4，动态运动条在条状方块中运动，条状方块的异常事件指动态运动条处于条状方块最上或最下三个方格处。

2个方形报警方块由单个正方形组成，分别对应F5和F6。F5方形报警方块的正常状态为绿色，反之为异常事件，F6方形报警方块的正常状态为白色，异常状态为红色。当发生异常事件时，志愿者需尽快按下对应功能键。系统监督任务的难度由系统异常事件的发生频率决定，一至四级难度的异常事件间隔时间分别设定为13 s、9 s、6 s和3 s，时间间隔越短，任务负荷越高。实验中系统监督任务设定为四级任务负荷。监督任务界面如图2所示。

图2 监督任务界面Fig.2 The interface of mmonitoring task

2.5 情绪视频

视频能够综合听觉和视觉刺激，能够有效诱发特定类型的情绪[7]。实验选用两种情绪类型的视频刺激材料，分别是负性情绪和中性情绪。实验采用的情绪诱发视频材料参考前期已有的研究成果[7]，能够有效诱发出特定负性情绪和中性情绪状态。情绪诱发视频材料持续时间为45 ～90 s。

2.6 实验范式设计

实验设计包括任务负荷、情绪状态和任务种类三个因素，其中监督任务和跟踪任务均涉及四级任务负荷。实验任务设计将同一类任务的四级任务负荷安排顺序完成，以保持在相同情绪状态下遍历任务负荷。其次，负性情绪刺激会干扰中性情绪刺激效果。因此为避免负性情绪状态对中性状态可能的影响，选择了先观看中性视频再观看负性视频的组合。实验采用受试者自身实验数据对照。受试者完成中性情绪刺激后任务数据作为正常条件下的任务数据，与负性情绪状态影响的任务数据进行对比。

实验范式设计根据任务负荷、情绪状态和任务种类安排。实验分两部分完成，分为跟踪任务阶段和监督任务阶段。跟踪任务和监督任务均设置为四级任务负荷水平，情绪状态分为中性和负性情绪状态。跟踪任务阶段，受试者需完成8组任务，前4组任务为志愿者观看中性情绪视频后完成四级任务负荷跟踪任务，后4组任务为志愿者观看负性情绪视频后完成四级任务跟踪任务。监督任务阶段，受试者需完成8组任务，前4组任务志愿者观看中性情绪视频后完成四级任务负荷的监督任务，后4组任务志愿者观看负性情绪视频后完成四级任务的监督任务。每组任务志愿者观看45 s～90 s的不同类型情绪视频刺激材料，然后操作跟踪任务或监督任务5 min，最后填写NASA-TTASK LOAD Index主观量表问卷，依次循环，流程如图3所示。

图3 实验任务流程Fig.3 Experiment paradigms

3 结果与分析

3.1 情绪状态

志愿者每次观看情绪视频刺激材料后，填写情绪量表，从唤醒度和愉悦度两个维度来评价情绪视频刺激的主观感受[8]。根据情绪诱发理论，愉悦度和唤醒度均采用7分值评价。愉悦度得分越高，志愿者越愉悦，愉悦度得分越低，志愿者愉悦程度越低。唤醒度得分越高，志愿者的唤醒度越高，反之亦然。情绪的唤醒度与愉悦度评价是一种能有效验证情绪刺激效果的主观评价方法[9]。情绪评价结果如图4所示，经配对t检验分析，两种情绪视频刺激材料的唤醒度评价存在显著差异(t(319)=7.58，p<0.001)。经配对t检验发现两种类型情绪视频刺激的愉悦度评价存在显著差异(t(319)=15.71，p<0.001)。两种情绪视频材料能够有效诱发志愿者不同的情绪状态。

图4 不同情绪视频刺激的唤醒度与愉悦度评价Fig.4 The arousal rating and valence rating for different emotional video stimuli

3.2 监督任务绩效

监督任务的绩效指标为正确率(ACC)和平均反应时(RT)两个指标，其中ACC是指志愿者应对异常情况按下正确功能键的比率，RT是指志愿者应对异常情况做出反应的平均时间值。

3.2.1 监督任务ACC指标绩效

监督任务ACC变化趋势如图5所示。监督任务ACC绩效指标经2(情绪：负性vs中性)×4(任务负荷：四级任务负荷)双因素重复测量方差分析，发现四级任务负荷对监督任务ACC数据存在显著影响(F(3,57)=24.55，p<0.001，η2=0.56)，未发现情绪刺激对监督任务ACC数据存在显著影响(F(1,19)=0.85，p=0.34，η2=0.04)。不同任务负荷的监督任务ACC指标经Bonferroni post-hoc分析，结果如表1所示。

图5 任务负荷和情绪状态影响下的监督任务的ACC指标变化趋势Fig.5 The ACC of monitoring tasks under different workloads and emotional states

表1任务负荷对监督任务ACC绩效的Bonferronipost-hoc分析

Table1Bonferronipost-hocanalysisofACCperformanceinmonitoringtasks

TaskloadMeanStdTDfpLevel 1 vs Level 20.046950.084343.53390.001Level 1 vs Level 30.094710.111245.3839<0.001Level 1 vs Level 40.214940.183877.3939<0.001Level 2 vs Level 30.047760.134362.24390.03Level 2 vs Level 40.167990.190525.77390.001Level 3 vs Level 40.120230.207353.66390.001

交互效应检测表明情绪状态和任务负荷对监督任务的ACC指标存在显著交互效应(F(3,57)=3.1，p=0.034，η2=0.14)。两种情绪状态下监督任务的ACC绩效的配对t检验结果如表2所示。

表2不同情绪状态监督任务ACC绩效的配对t检验

Table2Thepairedt-testofACCinperformancemonitoringtasksunderdifferentemotionalstates

Monitoring taskneutral vs negativeMeanStdtdfpLevel-10.00630.05450.518190.61Level-20.01980.11980.741190.468Level-30.01460.14880.438190.667Level-4-0.09830.20292.16190.043

3.2.2 监督任务RT指标绩效

监督任务的RT指标变化趋势如图6所示。监督任务RT绩效指标经2(情绪：负性vs中性)×4(任务负荷：四级任务负荷)双因素重复测量方差分析，发现监督任务四级任务负荷对RT指标之间存在显著影响(F(3,57)=62.32，p<0.001，η2=0.76)，不同情绪状态下RT绩效指标存在显著影响(F(1,19)=0.01，p=0.98，η2=0.03)。交互效应检测表明任务负荷和情绪状态对监督任务的RT指标未存在显著交互效应(F(3,57)=2.06,p=0.11，η2=0.098)。

图6 任务负荷和情绪状态影响下的监督任务的RT指标变化趋势Fig.6 The RT of monitoring tasks under different workloads and emotional states

根据监督任务绩效数据分析结果可以推断，监督任务志愿者的ACC指标和RT指标均随任务负荷增加而呈现绩效恶化趋势，具体表现为ACC下降和RT上升。情绪状态对任务的ACC指标和RT指标未存在显著影响。但情绪状态和任务负荷对ACC指标存在显著交互效应，四级任务负荷时中性情绪状态的ACC指标显著低于负性情绪状态。情绪状态对监督任务的RT指标存在显著影响，表现为中性情绪的RT指标显著高于负性情绪状态。

3.3 跟踪任务绩效

目标跟踪任务的绩效为系统正常时间比(TIR)，是x-y位置参数在任务规定范围内的时间比值，具体计算如公式(1)所示：

(1)

其中，N0代表x-y位置参数在任务规定范围内采样点数，Ntotal代表x-y位置参数的全部采样点数。

中性和负性情绪视频刺激的四种任务负荷跟踪任务的TIR指标变化趋势如图7所示。2(情绪：负性vs中性)×4(任务负荷：四级任务负荷)双因素重复测量方差分析可知，四级任务负荷之间对跟踪任务TIR绩效指标存在显著影响(F(3,57)=25.49，p<0.001，η2=0.57)，发现情绪刺激对跟踪任务TIR绩效存在显著影响(F(1,19)=5.71,p=0.027，η2=0.23)。交互效应检测表明任务负荷和情绪状态存在显著交互作用(F(3,57)=3.52,p=0.021，η2=0.15)。经成对检验Bonferroni post-hoc分析如表3所示。

图7 任务负荷和情绪状态影响下的跟踪任务的TIR指标变化趋势Fig.7 The TIR of tracking task under different taskload and emotional state

针对两种情绪因素状态的任务负荷进行单因素重复测量方差分析，中性情绪状态下四级任务负荷对跟踪任务存在显著影响(F(3,57)=8.74，p<0.001，η2=0.31)。负性情绪状态四级任务负荷对跟踪任务TIR存在显著影响(F(3,57)=19.64，p<0.001，η2=0.54)，跟踪任务TIR绩效受情绪状态影响的配对t检验结果如表4所示。

表3跟踪任务的任务负荷对TIR绩效的Bonferronipost-hoc分析

Table3Bonferronipost-hocanalysisofTIRperformanceintrackingtasks

WorkloadMeanStdTDfpLevel 1 vs Level 20.054080.090733.77390.001Level 1 vs Level 30.12690.148035.4239<0.001Level 1 vs Level 40.21040.170317.8139<0.001Level 2 vs Level 30.07280.157092.9339<0.001Level 2 vs Level 40.15630.17615.6239<0.001Level 3 vs Level 40.083550.195732.739<0.001

表4跟踪任务TIR绩效的配对t检验结果

Table4Pairedt-testofTIRperformanceintrackingtasks

Tracking taskneutral vs negativeMeanStdtdfpLevel-10.01490.44241.51190.148Level-2-0.01010.10110.44190.661Level-30.06070.20961.29190.21Level-40.13210.21082.8190.011

根据跟踪任务的TIR指标分析结果，可发现四级任务负荷时负性情绪的跟踪任务TIR指标显著低于中性情绪状态，情绪对跟踪任务绩效的影响与任务负荷密切相关。

3.4 主观量表

志愿者完成每组复杂任务之后填写NASA-TLX量表问卷。该量表由脑力需求、时间需求、体力需求、努力程度、挫折程度、绩效六项组成，每项均为10分值评价，可以有效评价操作者的工作负荷程度。每组任务的工作负荷主观评价值均为脑力需求、时间需求、体力需求、努力程度、挫折程度与绩效相反值相加组成。

3.4.1 监督任务的主观量表

监督任务的主观工作负荷评价经过2(情绪：负性vs中性)×4(任务负荷：四级任务负荷)双因素重复测量方差分析可知，四级任务负荷对受试者的主观工作负荷值存在显著影响(F(3,57)=14.43，p<0.001，η2=0.21)。情绪状态对志愿者主观工作负荷值未存在显著影响(F(1,19)=2.52，p=0.13，η2=0.12)。经Bonferroni post-hoc成对分析结果如表5所示。

表5监督任务的主观工作负荷评分的Bonferronipost-hoc分析

Table5Bonferronipost-hocanalysisofsubjectivementalworkloadratingofmonitoringtasks

TaskloadMeanStdTDfpLevel 1 vs Level 2-5.928.91-4.2139<0.001Level 1 vs Level 3-12.4714.32-6.0239<0.001Level 1 vs Level 4-21.0512.75-10.4339<0.001Level 2 vs Level 3-6.510.62-3.28390.002Level 2 vs Level 4-15.1213.34-7.1639<0.001Level 3 vs Level 4-8.5714.26-3.839<0.001

交互效应检测表明情绪状态和任务负荷对监督任务的主观量表评价不存在显著交互效应(F(3,57)=1.32,p=0.27，η2=0.065)。任务负荷和情绪状态影响下的志愿者主观工作负荷评价变化趋势如图8所示。

图8 监督任务的主观评价变化趋势 Fig.8 The subjective rating of monitoring tasks

根据监督任务的主观评价分析，监督任务志愿者的主观工作评价未受情绪状态影响，而受任务负荷影响。

3.4.2 跟踪任务的主观量表

跟踪任务的志愿者主观工作负荷评价经2(情绪：负性vs中性)×4(任务负荷：四级任务负荷)双因素重复测量方差分析，发现四级任务负荷主观工作负荷评价结果呈现显著性差异(F(3,57)=21.54，p<0.001，η2=0.54)，中性情绪和负性情绪状态对志愿者的主观工作负荷评价存在显著差异(F(1,19)=12.09，p=0.003，η2=0.38)。经成对检验Bonferroni post-hoc分析四级任务负荷对主观工作负荷评分结果如表6所示。交互效应检测表明情绪状态和任务负荷对跟踪任务的主观工作负荷评价未存在显著交互效应(F(3,57)=1.18，p=0.14，η2=0.09)。跟踪任务的志愿者主观工作负荷评价变化趋势如图9所示。

表6跟踪任务的主观工作负荷评分的Bonferronipost-hoc分析

Table6Bonferronipost-hocanalysisofsubjectivementalworkloadratingoftrackingtasks

WorkloadMeanStdTDfpLevel 1 vs Level 2-9.929.35-6.0639<0.001Level 1 vs Level 3-18.615.69-8.0139<0.001Level 1 vs Level 4-32.5311.5417.7939<0.001Level 2 vs Level 3-8.5512.23-4.4639<0.001Level 2 vs Level 4-22.5616.32-12.8839<0.001Level 3 vs Level 4-13.4114.85-7.0639<0.001

图9 跟踪任务的主观评价变化趋势Fig.9 The subjective rating of tracking tasks

跟踪任务主观工作负荷评分受情绪状态影响的配对t检验结果如表7所示。跟踪任务的主观工作负荷评价受到了情绪状态的显著影响。一至三级任务负荷的主观量表评价中，负性情绪状态的工作负荷评价显著高于中性情绪状态。

表7跟踪任务主观评价的配对t检验结果

Table7Thepairedt-testofsubjectivementalworkloadratingoftrackingtasksunderdifferentemotionalstates

Tracking taskneutral vs negativeMeanStdtdfpLevel-1-4.548.49-2.28190.038Level-2-1.9710.63-0.68190.50Level-3-10.7213.71-3.49190.002Level-4-4.7314.39-1.24190.229

4 讨论

基于MATB任务平台的监督任务与跟踪任务是两种典型的航天员在轨操作航天任务。研究设计四级任务负荷和两种情绪状态用于评估志愿者完成监督任务和跟踪任务的绩效。根据图5和图6所示，监督任务志愿者的ACC指标和RT指标均随任务负荷增加而呈现绩效恶化趋势，具体表现为ACC下降和RT上升。情绪状态对任务的ACC指标和RT指标未存在显著影响。但情绪状态和任务负荷对ACC指标存在显著交互效应，四级任务负荷时中性情绪状态的ACC指标显著低于负性情绪状态。情绪状态对监督任务RT指标存在，表现为中性情绪的RT指标显著高于负性情绪状态。图8所示的主观工作负荷评价变化趋势与统计分析表明志愿者的工作负荷水平随任务负荷增加而出现了显著升高，不同情绪状态下的主观工作负荷水平也未现显著差异。然而交互效应检测表明情绪状态和任务负荷对监督任务的ACC绩效存在显著交互效应，进一步的配对t检验表明监督任务四级任务负荷下，中性情绪状态下的ACC绩效显著高于负性状态，表明操作者执行较高任务负荷时的监督任务时受情绪状态影响。已有文献报告过负性情绪状态和氛围影响志愿者而导致工作记忆任务正确率下降的报道[10]。本研究发现四级任务负荷时的监督任务绩效存在相似效应，负面情绪状态会降低高任务负荷状态监督任务绩效。

跟踪任务是MATB多任务平台子任务，模拟航天任务中的靶标追踪类型任务，任务绩效可用TIR指标描述，代表志愿者的任务正常时间占总体任务时间比值。实验数据分析表明跟踪任务的绩效随任务负荷增加而呈现下降趋势，统计检验发现不同任务负荷之间的TIR指标存在显著差异，证明四级任务负荷的绩效具有可分性。统计检验结果表明情绪状态对志愿者的TIR指标和工作负荷水平产生了显著影响，负性情绪状态下的跟踪任务TIR指标显著低于中性情绪状态的趋势，负性情绪状态四级任务负荷的TIR绩效显著低于中性情绪状态。同时，负性情绪状态下跟踪任务的工作负荷水平显著高于中性情绪状态，经表7的配对t检验也表明在三四级任务下负性情绪状态的主观工作负荷评分显著高于中性情绪状态。负性情绪状态导致跟踪任务的工作负荷水平升高和较高任务负荷状态的绩效下降。

跟踪任务和监督任务的绩效均随任务负荷增加而下降，但是负性情绪状态对二者的影响却不同。多项关于工作记忆任务[5]、驾驶任务以及MATB任务[7]的研究均报道了负性情绪状态降低操作者的任务绩效的案例。上述研究的情绪诱发方法并不统一，分别采用了语义情绪诱发、图片情绪诱发和视频情绪诱发方法，情绪诱发阶段也不同。本研究中采用了视频情绪诱发方法在任务开始前诱发特定情绪状态，表1结果表明负性情绪状态显著降低了三、四级任务负荷了跟踪任务的绩效水平，表2结果表明负性情绪状态显著提高了跟踪任务的志愿者工作负荷水平。负性情绪状态对跟踪任务的绩效影响与前述若干研究相类似，但监督任务却不相同，可能需要从任务类型的特点去解释。

一方面，志愿者完成监督任务时更倾向于提高自己的警觉性水平来满足任务监督需求，认知过程涉及感知、决策等过程[11]，但不需要调动记忆资源，而工作记忆任务和模拟驾驶任务等任务涉及记忆认知过程，负性情绪状态可能会作用于记忆认知加工过程而导致不愿意去回忆某些任务信息，例如负性图片。图7和监督任务的主观脑力负荷评价也表明，负性情绪状态并没有显著提高脑力负荷水平，表明监督任务对情绪状态变化不敏感。另一方面，相较于监督任务，跟踪任务不仅仅涉及感知、注意力以及决策等认知过程，还涉及更多的信息加工，需要明确靶标方位、移动方向以及力度等，认知过程更加复杂，更易受情绪状态的影响。图9和表1所示志愿者主观评价的脑力负荷水平也说明负性情绪状态下跟踪任务脑力负荷显著高于中性情绪状态。因此，负性情绪状态会对认知过程复杂的任务绩效产生更加显著的影响。

两种情绪状态下监督任务和跟踪任务的任务绩效和主观工作负荷水平评价变化表明，情绪状态对任务绩效的影响与情绪类型相关联，涉及认知活动越复杂的任务受情绪状态的影响强度更高。航天员在轨操作者的任务包括机械臂遥操作[12]、手控交会对接任务以及舱内维修任务，均是涉及较复杂认知环节的实际任务，易受到负性情绪状态的影响，但是具体任务的绩效受负性情绪状态的影响规律并无公开报告。因此，有必要进一步分解航天实际任务环节，考虑不同环节和任务负荷受负性情绪状态的影响，对负性情绪状态变化敏感的任务环节或任务负荷水平要采取情绪应对措施避免任务绩效下降，防止出现飞行事故。