《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Understanding and modeling perceived cognitive and physical strain dynamics for planning-oriented human–robot collaboration in prefabricated construction
编辑推荐：
•动态模型量化了人机协作过程中的认知和身体负荷。•工作阶段和休息阶段的负荷累积和恢复情况存在差异。•混合效应模型能够捕捉群体趋势和个体差异。•人机协作会增加工作期间的认知负荷。•这些模型支持以人为中心的任务规划和工休优化。引言预制建筑已成为通过将大量建筑活动从不确定的现场环境转移
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动态模型量化了人机协作过程中的认知和身体负荷。
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工作阶段和休息阶段的负荷累积和恢复情况存在差异。
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混合效应模型能够捕捉群体趋势和个体差异。
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人机协作会增加工作期间的认知负荷。
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这些模型支持以人为中心的任务规划和工休优化。
引言
预制建筑已成为通过将大量建筑活动从不确定的现场环境转移到更标准化的工厂环境中来提高生产力、质量和进度可靠性的重要方法[1]。在这些环境中，预制部件或模块通常通过重复和顺序的工作流程制造，然后运输到现场进行组装。这些工作流程通常涉及材料处理、框架搭建、固定和检测，生产效率取决于协调良好的任务排序、资源分配和进度控制[2]。为了进一步提高生产力、灵活性和安全性，人们越来越多地将协作机器人和人机团队应用于预制建筑中，结合了机器人的精确性和重复性以及人类的适应性[3]。
因此，人机协作（HRC）的任务分配和调度对于维持生产流程、减少延误以及在预制建筑系统中平衡生产力和工人福祉至关重要[4]。传统的规划和调度模型通常通过固定的处理时间[5]或转换参数[6]来表示人类的执行情况。尽管这些表示方法支持可行的协调，但它们并未明确描述在不同工作和休息状态下工人感知状态的变化。实际上，工人在检测或监控任务中可能会经历逐渐增加的认知负担，在重复的手动操作中则会经历逐渐增加的身体负担。如果这些负担持续存在较长时间，可能会导致疲劳和随后绩效下降。因此，表示这种时间变化可以帮助做出同时考虑工作流程性能和工人状况的规划决策。
关于建筑机器人和HRC的先验研究已经探讨了多个以人为中心的主题，包括适应性协作[7]、人类状态感知[8]以及以人为主导的框架[4]。这些研究表明，人们越来越认识到人为因素对于安全有效的HRC至关重要。规划研究也从不静态的认知、身体和人体工程学指标发展为分析性疲劳-恢复模型[9]、工作-休息调度[10]、基于观察的重新分配[11]以及疲劳预测的在线更新[12]。然而，在这些方法中，预定义的模型结构和拟合的系数在应用之前仍可能需要针对具体任务进行评估。
认知资源理论，包括多资源理论，早已认识到持续的任务需求会引发竞争性的资源需求，从而导致逐步加重的负荷和与疲劳相关的结果[13]。在本研究中，感知到的负荷指的是工人对任务需求的自我报告的认知和身体努力。疲劳被视为与持续努力和资源消耗相关的长期结果，而恢复则指在休息期间感知到的负荷减少。这里要研究的实证问题是，通过预制建筑HRC工作流程中的重复工作-休息观察来描述独立的认知和身体负荷轨迹。这样的观察有助于比较候选的时间形式，根据测量到的休息阶段轨迹评估恢复情况，并估计实验效应和个体间差异。现有的状态检测、分析规划和系数更新方法提供了重要基础，但它们本身并不能识别本研究中考察的自我报告负荷过程的功能形式。
将感知到的认知和身体负荷视为时间依赖的工人状态，本研究开发了一种以规划为导向的建模方法，以实证描述预制建筑HRC中它们随阶段变化的轨迹。首先，本研究提供了一个基于实验的协议，能够重复观察代表性HRC工作流程中的负荷累积和恢复情况。其次，它实证评估了线性和指数功能形式以及混合效应结构，以描述在仅有人类参与和协作条件下感知到的认知和身体负荷如何随时间演变。第三，它探讨了所得到的特定于上下文的候选模型如何为未来以人为中心的任务分配、调度和工作-休息规划研究提供信息。通过实证研究重复工作-休息条件下的感知负荷动态，这项工作将重复的人类因素测量与未来具有人机感知能力的HRC规划模型的数据要求联系起来。
章节片段
文献综述
本节首先回顾了预制建筑中HRC的应用和规划需求，随后介绍了现有的人为因素和人类状态表示方法、感知负荷和恢复的理论基础以及相应的测量方法。最后，本文指出了本研究要解决的研究空白和目标。
方法论
本节描述了用于表征感知认知和身体负荷动态的实验和分析方法。它介绍了实验协议、参与者招募和数据收集，以及用于功能形式比较和混合效应建模的多阶段分析。
结果
本节分三个阶段呈现了实证建模结果：功能形式比较、负荷动态的群体水平表征以及个体间和实验效应的混合效应建模。结果分别报告了工作阶段和休息阶段的感知认知和身体负荷。
讨论
本节结合人类状态动态解释了研究结果及其对HRC研究的意义。它讨论了理论和实际意义、模型可识别实验的方法学考虑，以及研究的局限性和未来研究的方向。
结论
本文研究了预制建筑环境中HRC中人类状态变量的时间动态，重点关注认知和身体负荷在工作期间如何累积以及在休息期间如何恢复。通过结合重复的工作-休息实验协议和统计建模，结果表明，感知到的负荷表现出明显的阶段依赖行为，在身体和认知维度以及协作模式下有不同的累积和恢复动态。
CRediT作者贡献声明
王一凡：写作 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。肖波：写作 - 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、概念化。Shane T. Mueller：监督、软件、资源管理、方法论、调查、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究由密歇根理工大学的GLRC/ICC快速种子基金项目资助。本研究中进行的人类受试者实验已经经过了密歇根理工大学机构审查委员会（IRB）的审查和批准，批准协议编号为IRB-2024-90。所有涉及人类参与者的实验程序均按照批准的协议进行。
王一凡|肖波|Shane T. Mueller
