人对声信号的安全认知模型构建及其应用*

雷 雨 ，吴 超 ，王 秉

(1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.中南大学安全理论创新与促进研究中心，湖南 长沙 410083)

0 引言

近年来，随着对安全信息的重视程度逐年加深，安全认知理论和应用也得到不断发展。在模型和理论研究方面，文献[1-2]从理论角度出发，归纳典型的认知模型，如信息处理模型、决策过程阶梯模型、通用认知模型和IDA模型等，促进认知模型的广泛应用。Chang等[3-4]建立IDAC模型和IDA动态响应模型，认为反应包括认知、心理和身体活动3个过程，为详细研究信息处理过程提供了理论依据；孙志强等[5]把人为差错和认知模型结合起来，在认知的各个过程中分析可能发生的差错种类；赵潮锋等[6]提出安全信息缺失的概念，并把安全信息缺失与事故结合起来，研究之间的联系；黄仁东等[7]从学科构建和完善的角度出发，对安全信息学核心原理进行研究，提出6条重要原理；王瑛等[8]在对事故连锁理论进行研究的基础上，提出“认知-约束”模型，认为事故致因与安全认知能力和安全约束有关；吴超[9]从安全认知过程提炼出安全认知通用模型，并进行推广和应用。另外，国内外也相继将安全认知模型应用在不同研究领域，如：研究影响安全驾驶[10]、个体操作认知[11]、社会心理学[12]。关伟[13]把理论模型应用于交通安全领域，分析驾驶员任务认知活动链，建立驾驶员对交通标志认知结构模型，认为认知过程分为5个阶段，包括：感知、传输、处理、记忆和执行阶段。

综上可知，安全认知是多学科综合的研究方向，模型和理论研究比较丰富，但是具体到声信号的安全认知模型研究较少。因此，本文以声信号为切入点，以安全认知通用模型为基础[9]，从信源载体的分类入手，以人为安全认知主体，选取声信号作为对象进行研究，具体分析声信号安全认知过程，建立声信号安全认知理论模型，旨在揭示声信号安全认知机理。

1 基本理论

人对声信号安全认知是指在声信号传递过程中，人对声信号安全信息接受、处理及其引起心理和行为反应的整体认知过程。人对声信号安全认知模型，主要研究人对声信号认知过程中的安全信息传递特点和规律，并在其传递规律的基础上，抽象出理论模型，为其他信号的安全认知研究提供参考，有利于完善安全认知理论领域的知识体系。

声信号安全认知的适用范围，包括以听觉作为主要或次要认知通道的认知场景。广义上来讲，复合认知场景中，只要存在声信号的安全认知，就适用声信号安全认知模型。本文主要研究以人为声信号安全认知主体的过程，对能够接收到声信号并作出安全认知的其他个体不做深入讨论。

1.1 声信号安全认知阶段

根据安全认知通用模型，认知过程被分为真信源、信源载体、信噪、安全感知信息、安全认知信息、安全响应动作和安全动作结果7个阶段[9]。因此，把声信号安全认知过程划分为6个阶段，如图1，以时间为逻辑顺序绘制。人对声信号的安全认知过程是外界和人体进行安全信息交流的过程，外界的安全信息刺激人体，人体对外界的安全信息进行认知。

从宏观角度来看，人对声信号安全信息的认知过程分为听觉形成、声波处理、安全决策、记忆、安全行动和安全反馈[8]。声信号安全认知的宏观过程中，听觉的形成是重要的一部分。从物理学角度研究，听觉形成分成3个阶段[14]，即声音的产生、传播和接收，是外界和人体声信号安全信息交互的过程。

安全反应包括安全心理和安全行为。安全心理是影响声信号安全认知的心理因素，比如对声信号安全信息的重视程度和注意力等；安全行动是在安全决策基础上的动作，影响下一级认知循环的初始状态，也就是一个安全反馈的过程。人对安全声信号认知的安全反馈，对应声音屏蔽的三个措施[15]，有三个途径。即在真声源处、传播过程中和人耳处，根据安全决策采取安全措施。动作结果影响声信号的安全工作状态，从而进行下一轮的人对安全声信号认知过程，形成环境、人和机器间的安全信息相互交换和动态响应过程。人的行动对声源的影响，可以通过减弱和消除声源等途径。

图1 人对声信号的安全认知过程Fig.1 The human safety cognitive process of sound signal

1.2 声信号安全认知的理论基础

声信号安全认知过程，是一个复杂的多学科交叉融合的过程。从学科基础角度分析，它不仅涉及信息科学下的信息论、物理学中的声学[16]、生物学中的认知心理学和感官生理学、安全科学技术中的安全人机学和安全信息工程，还包括认知和行为方面的科学等。对其进行分析，把声信号安全认知分解成多个词，每个词分别对应不同的学科，两两词组合又成为不同领域和学科的交叉和发展。声信号是客观的，认知是主观的，安全既是客观的又是主观的。图2表示声信号安全认知过程的理论基础，从“声信号”、“认知”和“安全”3个角度分别分析各自涉及的具体领域和学科，体现“声信号安全认知”研究领域是多种学科的交叉。

图2 声信号安全认知的理论基础Fig.2 Theoretical basis of acoustic signal safety cognition

2 模型建立

根据听觉形成[14]和人机工程的知识[17]，人对声信号的感知有一定的限定条件，如听觉阈值等。分析表明，对声音安全信息的准确认知需要满足很多条件，很难达到对所有需要声信号的完全精准的认知和判断。从产生的信号到最后接收、处理得到的信号，经过多级传递，由于传递过程中的种种干扰因素，往往差距比较大。而如果认知到的声信息是有偏差或者有误的，所作出的安全决策和判断就很难是科学合理的，即受到了安全信息的安全欺骗[9]。因此，对声信号安全认知的深入研究很有必要。

2.1 人对安全声信号认知模型

从信息流和思维流角度，根据人对安全声信号认知宏观过程和听觉形成过程，深入研究人对安全声信号认知的各个阶段，再以人对安全声信号认知过程为基础，结合物理学、认知心理学[18]，参考文献[9]的模型，抽象出人对安全声信号认知过程的故障分析模型，如图3所示。

图3 人对安全声信号认知过程的故障分析模型Fig.3 A fault analysis model for the human safety cognition process of acoustic signals

在信息认知过程中，每一个认知阶段都会存在信息不对称的现象。为了准确描述声信号认知过程每两级间安全信息的不对称现象，从声信号的变化角度刻画，并定义部分参量。需要被认知的声音称为真声源，其产生的声信号定义为声信号1；通过介质传播的声信号称为声信号2；人耳接收到的为声信号3；经过大脑复杂处理，并且安全决策依靠的声信号为声信号4。声信号i中不同数字的声信号表示由信息不对称产生的不同声信号，意味着不同阶段的声信号会发生不同程度的变化。干扰声音认知过程的因素，包括噪音和屏蔽2类。除真声源以外的声音称为噪音。安全行为反馈到“自然噪音”是自然中产生的干扰人对系统中声信号进行安全认知的声音，“人为噪音”是指人为产生的干扰人对系统中声信号进行安全认知的声音。自然噪音和人为噪音等因素也可能协同作用，出现“1+1>2”的干扰作用。除了噪音，把干扰声音认知的因素称为屏蔽；在声源、传播、人耳处都可能有声音减弱措施。另外，传播过程由于阻碍会发生绕射等，音量会逐渐减弱，还有人接收声信号时会对其进行筛选和注意力集中程度引起的对声信号的过滤，这些措施和现象都为屏蔽的表现形式。屏蔽的效果可以是部分阻挡声信号的传播，也可以是完全阻挡。

接收声信号安全信息后，很多因素会对安全判断处理产生作用，包括干扰因素和有益因素，会引起行为、心理的反应，刺激人的安全警觉，根据人的安全需求程度，影响人的安全反应时间。当声信号强度高、频率高，主体生理、心理状态正常，离声源距离近且干扰因素少，他人提供有效信息，其他感觉通道同时作用，注意力集中且重视程度高时，对认知起正向积极的影响，声信号安全信息传播促使人正确识别，快速反应。另外，安全心理对声信号的处理和决策会产生影响，比如安全意识高、安全需要强烈的人对声信号的安全认知能力强。

安全行为是安全信宿根据决策方案执行行动，会影响或改变系统安全状态，也可能不引起状态的改变；安全行为效果分为无影响、负面影响和正面影响。安全行为会对安全信源产生反馈效应，影响系统安全状态，使下一个声信号安全认知过程动态进行。

以安全信息认知通用模型为基础[9]，声信号1为安全信源，选取的人为安全信宿，噪音和屏蔽为安全信噪。声音的认知经过4种声信号、3个客体、6级失真、6个失真率、3种屏蔽、2处噪音。声信号在传递过程中存在不同程度的失真，导致每个阶段的声信号都不同，形成了4种声信号。传递经过3个不同客体，由声源到介质再到人体。每2种声信号传递之间存在1个误差，即为一级失真，传递过程中一共有3级失真，对应3个失真率。屏蔽1为真声源处的屏蔽，如真声源处设置防护罩；屏蔽2为传播过程的屏蔽，如隔音墙的设置；屏蔽3为人耳处的屏蔽，如次声波、超声波、传播距离过长等的屏蔽，也包括人对声信号的筛选和过滤。噪音为真声源处和传播过程中的噪音，真声源处的噪音和真声源一起传播，传播过程中的噪音直接被人耳接收。声信号4与安全决策、安全决策与安全行为、安全行为与安全反馈效果之间，也有3级失真，对应3个失真率。

2.2 模型内涵

人对安全声信号认知模型有以下5点内涵。

1)声信号传播过程中，无效或错误安全信息量会增加，同时，真声源的安全信息量呈现逐渐减少的趋势。假设第i个声信号对应的精准安全信息量为Ii，则I1≥I2≥I3≥I4。

2)对声音的正确认知，前提条件是主体经过培训和宣传教育，了解各种不同声信号安全信息所表示的具体含义，并储存在记忆系统中。并且，处理声信号4、安全决策过程都与记忆系统有相互的安全信息交流。首先，记忆系统储存接收和处理到的安全信息，再调用记忆系统中相关信息与其进行比对，参考记忆系统中存储的安全决策经验进行安全决策，最后把安全决策结果存入记忆系统中，形成一个记忆提取与储存的动态过程。

3)安全决策与安全行为、行为安全效果间也可能存在偏差，可能是有效安全决策对应无效行为，或者无效安全行为效果。其他感觉通道、他人决策和行动也可能会影响主体的安全决策和判断，可能是正面影响，可能是负面影响，也可能没有影响。

4)通过模型分析，可以清楚表达人对安全声信号认知过程，从而理清认知故障的环节，进一步对声信号安全信息进行有效性评价，最后对安全信息故障严重环节进行设计和研究。

5)本模型表达的是1个主体对1个客体的安全认知，可以扩展到其他情况。当人同时对几个真声源进行认知，即形成1个人对几个安全认知模型嵌套的串联形式，只是认知的主体一样，安全认知之间也可能有轻微影响，模型间相关程度低。同样的，几个人对同1真声源进行认知，即形成几个人对1个安全认知模型嵌套的并联形式，人与人的安全心理状态、判断、决策和行为都可能会相互影响，模型间相关程度高。而现实情况往往是多个人对有交叉的多个真声源进行认知，这就形成复杂的层层嵌套模型。

3 模型应用

3.1 解决策略

根据上文建立的人对安全声信号认知模型，对影响人对安全声信号认知的因素进行分析。对声信号安全信息的认知，受生理因素(特别是听力能力)、心理因素(如注意力集中程度等)、安全主体的安全素养(如人的安全经验背景等)、环境(如其他声音的干扰)、声信号特性(如音调高低起伏、频率快慢、与声源的距离)等的影响。针对影响人对安全声信号认知的因素，提出相应的安全策略。

机器设备中的故障诊断发展日益成熟，将其引入心理行为领域中的安全认知，使声信号的认知故障诊断和处理更科学、有效。人对安全声信号认知故障诊断，是指对人对安全声信号认知过程中出现的安全认知信息过度失真状态，进行检测、分析和处理的过程[19]。

把系统工程的知识引入进来，定义安全认知故障相关参量。安全认知故障的检测、分析和处理统称为安全认知故障的诊断[19]。在人对安全声信号认知模型的基础上，提出故障分析的步骤。故障处理的3种方法包括：针对安全认知客体，提高声信号安全信息透明度、可视化程度；针对传递过程，减少噪音、屏障、等干扰因素，加强有效信息；针对安全认知主体，提高人的声信号安全认知能力、安全执行能力、安全认知心理能力等。

另外，声信号的安全认知故障诊断可以引入其他系统工程的方法，进行定性、定量的分析，具体可以研究安全认知故障的判断指标、诊断方法、维修措施等。

3.2 具体场景应用

为了对安全声信号认知模型和诊断步骤进行准确认识，对具体的安全信息传达过程进行比较准确的分析，根据上文建立的模型，对声信号选取具体典型的信源，以湖北省宜昌市当阳市马店矸石发电有限责任公司“8·11”重大高压蒸汽管道裂爆事故[20]为例建模分析。

具体场景描述：8 月 11 日 9点左右，锅炉运行人员肖学华发现2号锅炉事故喷嘴附近有泄漏声音且温度比平时高，但保温层未拆除无法确定泄漏点具体位置。随后漏点声音变大，保温棉已吹开，现场工作人员开始把现场情况逐层上报。4小时之后，2号锅炉主蒸汽管道蒸汽泄漏更加明显且伴随高频啸叫声。14时49分事故发生，华强化工集团和矸石发电公司无任何负责人发出停炉指令，2号锅炉一直处于运行状态。事故造成除氧间、煤仓间墙体、楼板部分破损，高压蒸汽瞬间冲击集中控制室，造成重大人员伤亡、设备损毁[20]。

表1 安全声信号认知的故障诊断步骤Table 1 Diagnosis steps of sound signal safety cognition fault

根据人对安全声信号认知故障的步骤，对上述实例进行声信号安全信息故障诊断。

1)建立“8·11”重大高压蒸汽管道裂爆事故的声信号安全认知模型，以锅炉运行人员肖学华为安全信宿，2号锅炉事故喷嘴产生的泄漏声音为安全信源，在传播媒介渠道中[21]，安全信噪主要有厂房的机械噪音等，如图4所示，并进行人对安全声信号认知故障检测。由于出现险情之后，虽然认识到危险出现，但该公司并未采取应急措施，故真声源与安全认知实施不一致且偏差较大，即声信号认知过程存在安全认知故障。

图4 “8·11”重大高压蒸汽管道裂爆事故的声信号安全认知模型Fig.4 Sound safety cognitive model of “8·11” major explosion accident due to high-pressure steam pipe burst

2)分析安全认知故障原因、阶段，从建立的模型可以看出，问题出在主体身上，安全主体以及其他厂区人员对危险情况不作为。也就是说，由于安全信宿的安全动作错误引发的事故，这种情况下就认为是安全执行阶段失误。

3)对认知故障环节进行处理的直接手段是从故障阶段入手，在实例中，针对安全主体采取安全策略。为了提高主体的人对安全声信号认知能力，对主体进行声信号安全认知训练和教育，对锅炉声音变化与安全状态的变化有较高的敏锐度，提高安全认知素质和能力；主体在做安全决策和执行时，应该明确执行策略，并提高执行能力。同时，间接手段是对安全客体和传播过程采取措施，针对安全认知客体，加强锅炉的安全信息透明度，对锅炉声音变化提供检测装置，并安装防护设备。在声音传播过程中，缩短上报阶段，增强有效信息率，从而提高执行效率。

4)为了对故障诊断的效果进行评估，以及对人对安全声信号认知情况进行动态监控，可以进入一个新循环。

通过具体实例可知，人对安全声信号认知存在信息不对称现象，信息不对称现象体现在人不知道系统会不会发生事故、何时发生事故以及事故后果如何，可能会引起安全决策和行为错误，从而导致安全事故。而声信号的安全认知故障诊断可以有效提高安全认知效率，减少事故发生。另外，声信号的安全认知应该着眼于声信号，但并不局限于声信号，与其他通道的结合是未来研究的方向。

本文的理论意义在于提炼出人对声信号的安全认知模型，通过模型明确认知过程，科学合理地提出改进和优化安全信息认知，减少因人对声信号认知偏差所产生的事故，也为其他信号模型的认知提出奠定基础；从实践意义角度来说，通过提炼出的声信号安全认知模型，有利于实际生产生活中员工对安全状态有更深刻的认识，有利于人员安全意识和安全素质的提高。

4 结论

1)所构建人对安全声信号认知模型表明，主体对声信号安全认知过程存在安全信息不对称现象，安全信息传递过程中，无效或错误安全信息量会不断增加，同时真声源的有效安全信息量会不断减少。

2)通过所构建的模型得知，模型对安全认知故障的诊断有较大作用，对其他信号的安全认知模型的建立有参考和意义。人对安全声信号认知模型是一个基于声音信息流的逻辑顺序流程图，通过模型可以分析问题环节和原因，进而提出人对安全声信号认知的改善措施。

3)影响人对安全声信号认知的主要因素包括生理因素、心理因素、主体的安全素养、环境、声信号特性等，可从客体、传播过程、主体3个方面着手提高人对安全声信号认知效率。

4)在模型的基础上，提出故障诊断的3个步骤，监控人对安全声信号认知故障的出现，从而达到减少事故发生、提高系统安全的目的。

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