基于NIRS和EEG的轻型装配作业的中断效应与策略研究

摘要

随着社会经济水平的不断提升，消费者对产品的个性化需求日益增加，大规模定制化和日益激烈的竞争，迫使企业需要采用多产品混流生产来提高市场响应能力。混流生产要求作业者长期处于多任务处理状态，生产过程中随机扰动较多，使得作业者的操作绩效经常面临工作中断的影响。同时，在轻型装配作业中，零部件体积小，差异化程度低，作业者在零部件识别、拿取、定位和装配时需要高度集中注意力，工作中断除了对操作绩效有所干扰外，还会造成作业者的注意力转移，而重新恢复到先前工作任务中需要消耗更多的认知资源，作业者容易产生注意力无法集中和认知负荷较高等现象，导致人因失误和安全事故的发生概率增加，不利于企业可持续高效生产。但在以往轻型装配作业的中断效应研究和管理策略制定中，主要关注的是作业者操作绩效的损失程度，对作业者的注意资源需求和认知负荷等生理状态以及背后的神经影响机制还需要进一步深入研究。 因此，本研究在前期实地调研和查阅相关文献的基础上，采用乐高模型代表电子产品、仪器仪表、控制装置和挠性线路装配等轻型装配作业。在实验室环境下真实还原了企业生产实际，设计了中断复杂度（简单；复杂）×相似性（相似；不相似）的乐高模型模拟轻型装配实验。实验室研究具有实验变量和生产条件易于控制、优化和改善方案便于验证的优点。通过现场记录、录像机等方法记录20名作业者的操作绩效、错误率指标，并利用NIRS设备采集、监测其左右脑前额叶含氧血红蛋白生理数据及其变化，利用EEG设备采集、监测其FZ，F3，F4，CZ，C3，C4，PZ，P3，P4处脑电信号数据及其变化。 通过采集的中断各阶段前额叶血氧变化和不同脑区的脑电变化数据，与时间、错误率等行为学数据相结合，分析了中断效应下不同阶段的认知负荷、注意资源需求和操作绩效的变化，研究发现中断任务的相似性与认知负荷、注意资源需求均存在显著效应，不相似中断任务会导致作业者认知负荷和注意资源需求增加，并导致中断后作业者的操作绩效下降。研究揭示了轻型装配作业中断效应的操作绩效、认知负荷和注意资源需求的变化规律和内在影响机理，并证明了目的记忆理论、认知负荷理论中关于中断机理、工作记忆存储、心理资源分配等的假设。 在此基础上，本研究给出了综合考虑操作绩效、错误率、认知负荷和注意资源需求的中断处理优先级排序：复杂不相似＞复杂相似＞简单不相似＞简单相似。并提出了中断训练恢复策略，对轻型装配企业的时间计划安排、岗前中断培训、恢复休息制度和岗位轮换制度给出了相关管理对策和建议。考虑到不同员工异质化特征，本研究提出了利用象限图区分不同类型的作业者，进行人岗匹配的作业者异质化管理策略。最后，本研究提出了认知负荷嵌入的中断管理机制，对中断的识别和时机选择给出了相关建议和措施，以期指导轻型装配企业管理者合理制定中断管理策略，提高企业生产效率，降低作业者认知负荷和注意资源需求，实现企业可持续高效率生产。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 问题的提出背景和意义

1.2 国内外研究综述

1.2.1 中断对操作绩效和认知负荷的影响

1.2.2 中断复杂度、相似性对操作绩效和认知负荷的影响

1.2.3 装配作业中的作业者认知研究

1.2.4 中断管理策略和应对措施研究

1.3 研究内容、方法和技术路线图

1.3.1 研究内容及框架

1.3.2 研究思路

1.3.3 研究方法

1.4 本文的创新点

1.5 本章小结

第2章 相关理论基础

2.1 相关概念

2.1.1 轻型装配作业

2.1.2 工作中断

2.1.3 认知负荷

2.2 理论基础

2.2.1 目标记忆理论

2.2.2 行为调节理论

2.2.3 认知负荷理论

2.3 本章小结

第3章 轻型装配作业的中断实验设计与数据分析

3.1 轻型装配作业的中断实验设计

3.1.1 实验目的

3.1.2 实验被试

3.1.3 实验材料

3.1.4 实验环境与平台

3.1.5 实验设备

3.1.6 实验流程

3.1.7 实验指标

3.2 实验数据分析方法及过程

3.2.1 行为学数据分析方法及过程

3.2.2 NIRS、EEG数据分析方法及过程

3.3 本章小结

第4章 中断效应的近红外、脑电和行为数据分析

4.1 行为学数据分析

4.1.1 平均装配时间

4.1.2 恢复延迟时间

4.1.3 错误率

4.2 NIRS数据分析

4.2.1 左右脑前额叶O2Hb浓度变化趋势分析

4.2.2 左右脑前额叶O2Hb浓度阶段分析

4.3 EEG数据分析

4.3.1 基于中断阶段和脑区的Alpha波数据分析

4.3.2 基于中断阶段和脑区的Theta波数据分析

4.4 本章小结

第5章 中断实验讨论与考虑认知负荷的中断管理策略

5.1 中断实验分析结果讨论

5.1.1 行为学数据分析结果讨论

5.1.2 NIRS数据分析结果讨论

5.1.3 EEG数据分析结果讨论

5.1.4 综合分析与讨论

5.2 中断管理策略与应对措施

5.2.1 中断处理优先级策略

5.2.2 中断训练恢复策略及效果对比

5.2.3 作业者异质化管理策略及效果对比

5.2.4 认知负荷嵌入的中断管理机制及效果对比

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢