基于认知科学的煤矿安全可视化管理效应研究

发布时间：2018-11-14 08:57

【摘要】：视觉作为人的最重要感觉,主导着人的认知,影响着人的思维和判断。人类80%以上的信息来自于视觉,65%的人是视觉学习者,而人脑50%的功能与图像处理相关,与文字信息相比大脑对图像信息的处理过程更简单,处理速度更快,因此,人类在视觉和图的认知方面具有得天独厚的优势。正是基于上述优势,可视化的思想、技术、方式应运而生,而且,可视化与各行业的结合已经成为今后研究和应用的发展趋势。煤矿安全管理是煤炭企业管理的核心环节和根本保证,得到了各级管理者的高度重视。为了提升煤矿安全管理水平,各类信息技术被应用到该领域中,研发了多种煤矿安全管理系统。随着信息系统的应用以及煤矿自动化程度的提高,煤矿积累了大量的数据和信息,为了有效的利用和表达这些数据信息,需要将其转化为图形或图像,以便于人类利用自身的视觉优势高效、准确的认知数据信息,因此,出现了煤矿安全可视化管理的理念,并基于该理念研发了方式多样的煤矿安全可视化管理系统。由于可视化表达方式层出不穷,煤矿安全可视化管理系统的展现也让人眼花缭乱。为了更好的引导可视化的应用,必须深入研究各种可视化方式之间的差别,讨论可视化的相关影响因素,科学的衡量可视化对于各类用户的效果。然而,当前可视化管理的研究尚处于起步阶段,缺乏相关的理论和方法,因此,本文受到国家自然科学基金面上项目“基于数据挖掘的煤矿安全可视化管理模型及图元体系研究”(基金编号:61471362)资助,基于认知科学的理论和方法,重点围绕着该项目中的“展示可视化”内容进行研究。按照“提出问题、分析问题、解决问题、给出建议”的思路,将论文分为7章。具体研究内容如下:第1章:绪论。本章首先分析了煤矿安全可视化管理效应的研究背景,指出可视化是煤矿安全管理系统发展的必然趋势,从而引出了可视化管理效应研究的必要性。其次,通过对国内外可视化管理、煤矿安全可视化、煤矿安全可视化管理效应的研究现状分析,发现缺乏针对煤矿安全可视化管理效应的理论研究,无法科学、有效的测度可视化管理效应。由此,提出了煤矿安全可视化管理效应需要研究的问题,阐明了本文的研究目标和意义,分析了文本的主要研究内容以及采用的相关方法,形成了本文的技术路线。第2章:文献综述。本章针对煤矿安全可视化管理效应的主要问题,从可视化、认知科学与可视化的关系、煤矿安全管理评价三个方面进行相关文献的研究。为煤矿安全可视化管理效应的产生机理研究、衡量指标构建、影响因素实验、测度模型形成等提供了理论基础。通过文献研究,了解了拟研究问题的相关进展,同时也发现了当前研究存在的不足,为本文后续研究提供借鉴。第3章:理论框架研究。本章探索了煤矿安全可视化管理效应的理论体系。首先,分析了煤矿安全可视化管理效应的相关概念,介绍了煤矿安全可视化管理的定义、特征和要素,从效应的概念出发,引出了管理效应的定义和内容,进而引出了煤矿安全可视化管理效应的概念,提出了煤矿安全可视化管理效应的层阶模型,按作用对象将效应划分为主体效应、客体效应和组织效应;其次,从可视化主体、内容和方式三个方面,系统分析了煤矿安全可视化管理效应的具体影响因素,为后续实验因素的筛选奠定基础;然后,从四个方面解释了煤矿安全可视化管理效应的产生及作用机理,提出了煤矿安全可视化管理效应的过程模型和结构模型;最后,形成了煤矿安全可视化管理效应的理论体系,提出了本文所要研究的三个关键问题。第4章:指标体系研究。本章构建了煤矿安全可视化管理效应的指标体系。首先,分析了煤矿安全可视化管理效应指标体系的构建目的、意义和原则,概括了指标体系构建的思路,并且初步提出了指标体系的内容框架;其次,针对主体效应指标,从认知角度提出了认知时间、认知准确率、认知负荷和认知频率4个指标,从反馈角度提出了决策时间、决策准确率和心理负荷3个指标,通过眼动实验对认知负荷和心理负荷指标进行了筛选,并且验证了各指标的一致性;再次,从人、物和环境三个方面初选了客体效应的衡量指标;然后,从组织损失和组织变革两个方面初选了组织效应的衡量指标,并且采用问卷调研和因子分析的方法,从初选的客体效应指标和组织效应指标中提取出了具有概括性的4个客体效应指标和3个组织效应指标;最后,形成了煤矿安全可视化管理效应的指标体系,并且初步分析了各阶段指标之间的关系。第5章:影响因素研究。本章通过实验研究了三方面因素对于煤矿安全可视化管理效应的影响。首先,在对煤矿安全可视化管理影响因素筛选的基础上,构建了煤矿安全可视化管理的影响因素分析模型,基于图形与图像的理论,形成了煤矿安全可视化管理效应影响因素实验框架,介绍了本章采用的实验设计方法和分析方法;其次,针对人的不安全行为、物的不安全状态和不良的作业环境三方面煤矿安全可视化内容,开展了煤矿安全影像可视化实验,主要研究了表达实时状况和细节信息的照片、漫画、视频和虚拟现实4种可视化方式在展示煤矿安全内容时的差异;然后,针对煤矿安全可视化信息和知识两类可视化内容,开展了煤矿安全图形可视化实验,验证了适合每类内容的不同可视化方式之间的差异性,研究可视化内容的对象数量和可视化方式的空间属性对于可视化管理效果的影响;最后,汇总了实验结果,总体上讨论煤矿安全影像和图形可视化实验的结果,得出了煤矿安全可视化管理效应影响因素研究的基本结论。第6章:测度及优化研究。本章提出了煤矿安全可视化管理效应的测度模型和方法,给出了优化建议。首先,针对煤矿安全可视化管理主体效应开展了认知指标到反馈指标的路径分析,明确了煤矿安全可视化管理主体效应的认知指标与反馈指标之间的关系;其次,采用ABC行为分析实现了煤矿安全可视化管理主体效应到客体效应的转化,采用专家打分法实现了煤矿安全可视化管理主客体效应到组织效应的转化;再次,基于煤矿安全可视化管理主体效应指标、客体效应指标和组织效应指标之间的关系,分别构建了煤矿安全可视化管理主体效应、客体效应和组织效应的测度模型,并且引入了TOPSIS法衡量煤矿安全可视化管理效应;然后,基于实验采集的一组数据,分别应用本文提出的各阶段效应的测度模型和TOPSIS法对三个阶段的效应进行测度,并对结果进行了分析和讨论;最后,从可视化内容、方式和主体三个方面提出了煤矿安全可视化管理效应的优化策略。第7章:结论与展望。本章总结了本文的主要结论和创新点,指出了研究的不足,并明确了改进的方向。本文的主要创新点如下:1)提出了煤矿安全可视化管理效应的内涵和影响因素,阐释了煤矿安全可视化管理效应的产生机理,提出了煤矿安全可视化管理效应的层阶模型、过程模型和结构模型。2)提出、筛选和验证了煤矿安全可视化管理的主体效应指标、客体效应指标和组织效应指标,构建了煤矿安全可视化管理效应的指标体系。3)开展煤矿安全可视化管理眼动实验,揭示了可视化内容、可视化主体、可视化方式三方面因素对于煤矿安全可视化管理效应的影响。4)探索了煤矿安全可视化管理主体效应指标、客体效应指标和组织效应指标之间的关系,分别构建和验证了煤矿安全可视化管理主体效应、客体效应和组织效应的测度模型,同时提出了适用于衡量各级效应的TOPSIS方法,给出了煤矿安全可视化管理效应的优化策略。综上,煤矿安全可视化管理效应研究是对可视化技术、方式、方法在煤矿安全管理中的应用效果进行衡量,该研究是煤矿安全可视化管理理论的重要组成部分,对于可视化的推广和应用具有指导作用。文章以认知科学为基础,采用眼动实验、统计分析、行为分析、数据建模等方法,研究了煤矿安全可视化管理效应的基本概念、产生机理和影响因素,提出了煤矿安全可视化管理效应的测度指标、模型和方法,并给出了改进优化策略,对于煤矿安全可视化管理的发展和应用具有一定的理论和实践意义。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD79

【参考文献】