警覺性光環(huán)境對飛行認知任務表現(xiàn)的影響

陳彥蒿，余隋懷，初建杰，寸文哲

（西北工業(yè)大學工業(yè)設計與人機工效工信部重點實驗室，西安 710072）

光是人類最重要的環(huán)境影響因素之一，其對人們的行為、節(jié)律、睡眠、情緒及認知能力有強大的影響［1］。對光的反應研究最初是在警覺性相關的皮層下結構（下丘腦、腦干、丘腦）和邊緣區(qū)（杏仁核和海馬）觀察到的，對大腦認知警覺性的發(fā)現(xiàn)提供了生理依據(jù)［2］。光不僅是提供視覺信息的傳遞媒介，還是構成非視覺功能的強大調節(jié)器，光包括提高警覺性和部分認知任務的表現(xiàn)，其作為大腦功能和認知的重要供給源。由此可見，光環(huán)境的質量將直接影響到作業(yè)任務的績效及判斷。Mills等［3］研究了不同色溫的光照環(huán)境對工人的工作表現(xiàn)影響程度，表明了不同色溫能夠明顯干預被試者的工作效率和幸福感；Xiao等［4］研究了光通量和光譜的變化，影響人類晝夜節(jié)律、警覺性和情緒的反應幅度，揭示了光對人類影響的非視覺效果。

近年來，適航安全性成為通航研究的重點，數(shù)據(jù)表明飛行事故及事故征候大多由人為失誤導致［5］，長航時多任務作業(yè)下飛行員容易出現(xiàn)注意力分散、累積性疲勞，造成認知績效降低，其中51.6%的重大事故發(fā)生在飛行員認知負荷較高的決策階段［6］，因此研究者開始嘗試通過調節(jié)照明系統(tǒng)的光環(huán)境來降低長航時飛行給飛行員帶來的負面影響，使其維持航行中飛行員的警覺性和可靠性［7］。Motamedzadeh等［8］通過提高藍白光源照明的色溫，調節(jié)夜班工作的晝夜節(jié)律、減少嗜睡，并提高控制室夜班工作人員的認知能力；Scheuermaier等［9］研究表明富藍白光與多色白光相比，更能改善客觀警覺性和認知表現(xiàn)。這些研究表明，藍光較其他單色或多色光可以更有效激活人類的非視覺反應，提高人體警覺度、任務表現(xiàn)和持續(xù)注意力等因素。

藍光對于人類的晝夜節(jié)律很重要［10］，與增強人的情緒［11］和認知表現(xiàn)［12］有關，能夠有效提高警覺度［13］，還在一定程度上對腦部認知功能以及情緒調控等方面有著積極的作用［14］。魯玉紅等［15］研究了3種不同峰值波長藍光下的光生物節(jié)律效應，發(fā)現(xiàn)468 nm的單色藍光對人體光生物節(jié)律影響最大；Alkozei等［16］將藍光與琥珀光進行了對比研究，結果顯示，藍光對工作任務具有更快的反應時對嗜睡和疲勞有較好的抑制作用。這些研究結果均表明，富含藍光的光源表現(xiàn)出更好的警覺干預性，因此開展以藍光為核心主光色的富藍多色光警覺性影響分析研究具有重要意義。通常單色藍光由于其顯色性，在飛機駕駛艙照明中鮮有使用，尤其是對長航時疲勞狀態(tài)下，照明對復雜飛行任務的警醒影響程度關注較少。因此本文以藍光為主光色基礎上，引入其他波長的輔光色，探討富藍多色光對飛行任務的認知警覺性影響，經(jīng)過2個階段的飛行認知任務和主觀評價實驗分析，找到綜合表現(xiàn)更好的飛機駕駛艙警覺性照明光環(huán)境。

1 警覺性認知任務設定

警覺性水平可以通過主客觀任務測量來反映，如認知行為、主觀反應、疲勞程度、響應時間以及自我報告的清醒程度［17］。在飛行過程中，飛行儀表中的信息呈現(xiàn)是飛行員在空中操作的重要參考和決策依據(jù)，也是能否成功完成飛行任務的關鍵，同時主輔任務測量法是腦力負荷評定方法中的重要測量方法，可以有效評估飛行員的生理心理儲備［18］。由于飛行認知功能的復雜性和多維性，很難用單一評價方法對其進行全面評價。因此，本文聯(lián)合應用以上2種具有典型任務特征的測量方法，用于飛行認知功能的綜合評估，以任務反應時、正確率和量表分數(shù)為指標，獲得實驗光環(huán)境與飛行認知功能的關聯(lián)影響關系。

1.1 飛行主輔任務設計

主輔任務測定是在主任務進行的同時，加入一個或多個額外作業(yè)，使被試者的認知剩余資源被占用，致使任務績效受到影響，從而獲得績效隨認知任務變化的敏感性［19］。長時間飛行會使飛行員績效、機警水平降低，進而影響其認知功能，表現(xiàn)為個體記憶力水平下降、注意力不集中、邏輯思維水平減弱，因此將飛行駕駛作為測量的主任務，輔任務采用記憶復現(xiàn)和數(shù)學計算實驗。記憶復現(xiàn)每組選取3個飛行參數(shù)指標詞匯，實驗開始后對被試者進行詞匯信息傳達，間隔空檔時間后，進行某一數(shù)字的階梯型遞減計算，被試者要求依次報出逐級遞減的計算結果，完成數(shù)學計算模塊后，進行詞匯信息的復述，記錄測試的正確率及完成時間，飛行主輔任務的設計內容如表1所示。

表1 飛行主輔任務設計Table 1 Flight primary and secondary task design

1.2 信息檢視任務設計

飛行數(shù)據(jù)信息檢視任務作為飛行員的典型作業(yè)任務，對被試者的注意、反應能力及大腦的覺醒程度要求較高［20］，能全面反映飛行員長航時的作業(yè)特點，滿足警覺性測試需求，故選取數(shù)據(jù)信息檢視判定作為認知實驗任務。根據(jù)適航條款及飛行手冊結合實驗任務目的，設置判讀指標參數(shù)范圍，評判儀表指針是否處于正常范圍，進行儀表異常信息識別，當發(fā)現(xiàn)某信息出現(xiàn)異常時，根據(jù)培訓內容作出響應，如圖1所示。其儀表判讀區(qū)間設定范圍，如表2所示。

表2 儀表判讀區(qū)間Table 2 Instrument interpretation interval

圖1 儀表指針判定方案設計示例Fig.1 Design example of instrument pointer decision scheme

判讀界面多信息下各數(shù)值是否處于正常范圍，利用視覺搜索在多信息呈現(xiàn)界面中，迅速判定非正常范圍內容并及時做出反應，此界面信息包括空速、橫滾角、俯仰角、航向角及氣壓高度5種不同的飛行核心參數(shù)，如圖2所示。實驗中每張顯示界面均存在一處數(shù)據(jù)信息異常，被試者根據(jù)實驗培訓內容快速進行判斷并做出響應。其界面綜合判讀區(qū)間設定范圍，如表3所示。

表3 界面綜合判讀區(qū)間Table 3 Interfacial comprehensive interpretation interval

圖2 多信息界面判定方案設計示例Fig.2 Multi-information interface decision scheme design example

信息檢視任務是對被試者處理各類信息的理解、分析、判斷、推理、論證等綜合思維加工能力的測量，是一項復雜的認知任務，需要投入更多的心理資源，因而更顯著地體現(xiàn)出大腦認知的差異性。

2 主觀綜合評價模型構建

主觀評價測量是指被試者完成操作任務后，根據(jù)相關定義和規(guī)則，對自身感受到的光環(huán)境警覺性進行表達。根據(jù)實驗方案設定，初步通過文獻研究確定與警覺性相關的量表條目，邀請專家進行相似性評分，從而對評分結果進行K-means聚類分析，將10項聚類的分群條目進行高度凝練與概括，得到包含10個方面的多維度警覺性自評指標N。通過熵權TOPSIS法［21］建立主觀綜合評價模型，得到各實驗光環(huán)境下主觀評價的偏好等級排序。

1）假定n個評價指標與m個待評價方案構成多目標決策矩陣X，其中xij為第i個待評價方案的第j個指標特征量，形成原始矩陣X ＝（xij）m×n：

運用min-max標準化處理，對原始數(shù)據(jù)進行線性變換，使計算值映射到0～1之間。轉換函數(shù)如下：

根據(jù)相對貼近度所計算的數(shù)值基礎上，可以得到各方案的主觀優(yōu)劣排序。當Ci接近于0時，表明該方案的主觀綜合評價較差，反之接近于1時，表明該方案主觀綜合評價較好。

3 實例分析

3.1 被試者選取

本次招募16名健康志愿者作為被試者，12名男性，4名女性，年齡在20～30歲之間，視力良好、身體健康，無家族遺傳病及神經(jīng)系統(tǒng)類疾病，他們提供了與飛行員相似的年齡范圍和視力狀況。所有被試者均具有正常的睡眠習慣及午休習慣，并在正式實驗前一周內均保持正常的作息時間并避免服用咖啡及神經(jīng)中樞類藥物。

3.2 實驗環(huán)境搭建

實驗設備包括聯(lián)想Think Station P410工作站，飛行仿真平臺包括操控桿、腳舵和X-plane軟件系統(tǒng)等，能夠實現(xiàn)對飛機操控、外部視景獲取等方面的模擬。實驗呈現(xiàn)在24 in（1in（英寸）＝2.54 cm）的顯示屏上，被試者距屏幕約500 mm，切視線盡量呈90°夾角，且顯示界面中心與被試者的注視中心基本水平。通過E-Prime軟件編制實驗程序，用以呈現(xiàn)實驗任務，被試者通過特定按鍵進行判斷反應，軟件自動記錄其行為數(shù)據(jù)。整個實驗過程在封閉的模擬艙室空間完成，為模擬實驗環(huán)境與飛行環(huán)境的一致性，實驗過程播放飛機駕駛艙艙音，大小為50 d B（A聲級）。實驗共分為4組照明光環(huán)境，所有光線在眼睛水平位置，盡可能保持照度50 lx，其光學參數(shù)如表4所示，光譜功率分布如圖3所示，光環(huán)境1在色彩表現(xiàn)上為單色藍光；光環(huán)境2為富藍紅光，光環(huán)境3為富藍綠光，光環(huán)境4為富藍白光。

表4 實驗光源基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of experimental light source

圖3 實驗光源光譜圖Fig.3 Spectrogram of experimental light source

3.3 實驗流程

“午飯后瞌睡”是大多數(shù)人在午飯后經(jīng)歷的一段昏昏欲睡的時期，這期間會導致警覺性的暫時下降，主觀疲勞感明顯，使其工作表現(xiàn)受到嚴重影響，這與長航時飛行中疲勞和警覺性喪失導致的不良判斷具有一致性的趨勢，且復雜認知活動和反應時任務對睡眠缺失最敏感［22］，因此選擇剝奪午睡來設定認知疲勞情境，從而可以更好地發(fā)現(xiàn)光環(huán)境對警覺性的調節(jié)表現(xiàn)。在進食午飯后1 h進入實驗環(huán)節(jié)，實驗共分為3個模塊，分別為飛行主輔任務模塊（計算力及記憶力認知實驗）、信息檢視任務模塊（判斷力、尋錯力及邏輯力認知實驗）和主觀綜合評價模塊（主觀自評量表實驗）。被試者進入實驗環(huán)境后，先進行10 min的光環(huán)境適應，期間主試者講解實驗指導語，闡述實驗流程，并安排被試者進行實驗前練習，確保充分掌握實驗方法，整個單次實驗時長約30 min，單次實驗結束后被試者于自然光環(huán)境下休息10 min進行下一次實驗，實驗整體流程如圖4所示。每次實驗的內容設定均不一樣，但實驗素材的難度和形式均保持高度一致性，均由同一測試庫中隨機抽取分配組成。

圖4 實驗流程測試順序Fig.4 Experimental procedure and test sequence

3.3.1 計算、記憶力測試

在實驗開始后，被試者進入X-plane軟件內進行飛行駕駛操作，實驗進行5 min后，由主試者向被試者傳達3種飛行參數(shù)名稱并要求被試者復述一遍且記下，如“空速、氣壓、航向”；隨后5 min進入階梯型遞減計算，如要求被試者從99中減6，從所得的數(shù)再減6，如此循環(huán)得到5個答案即停止；實驗進行15 min時，主試者向被試者詢問3種參數(shù)名稱，回答出的詞語正確即可，順序不做要求。記錄被試者從第1次計算到第5次計算的作答時間和正確率，記憶力部分不做時間統(tǒng)計。

3.3.2 判斷、尋錯、邏輯力測試

進入E-Prime程序實驗，分為3個部分：①每次屏幕出現(xiàn)3個儀表盤，被試者對3個儀表盤的讀數(shù)進行判斷，并按下非正常范圍的儀表編號，敲擊空格鍵結束此頁面，進入下一次判讀，其中包含單選或多選的混合判讀，判讀次數(shù)10次；②對綜合顯示界面的各參數(shù)范圍進行判讀，并利用視覺搜索尋找到非正常數(shù)值，按下相應的參數(shù)指標編號，同時系統(tǒng)自動進入下一次判讀，判讀次數(shù)5次；③對題目的題干進行閱讀，然后根據(jù)問題選擇正確的答案，答案選擇完畢后，系統(tǒng)自動進入下一題。系統(tǒng)記錄下被試者對每一題的作答時間和正確率。

3.3.3 主觀自評量表

單次實驗結束后，要求被試者填寫自評量表，量表共分為10個自評指標，分別是警覺度、活躍度、清醒度、興奮度、敏感度、專注度、響應度、舒適度、喜好度和愉悅度，自評等級采用1～5級評定標度，5表示完全符合，1表示完全不符合。

4 實驗結果分析

在光環(huán)境實驗中，反應時是指從刺激儀表界面呈現(xiàn)到被試者判讀得到答案并作出反應的時間。正確率是指被試者確定判讀后作出恰當?shù)陌存I反應，且反應時處于一定標準范圍內的正確試次占總試次的比率。本文在保證正確率的前提下，將更短的反應時作為更高的警覺度水平與更好的任務表現(xiàn)指標。

4.1 飛行主輔任務結果分析

對實驗數(shù)據(jù)進行預處理，剔除錯誤反應數(shù)據(jù)，選用Kruskal-Wallis進行差異性檢驗，隨后進行組間單因素方差分析，得到不同光環(huán)境下，計算力測試總反應時和總正確率之間存在顯著差異（F（3，60）＝3.811，P＝0.014；F（3，60）＝25.498，P＝0），F(xiàn)為方差分析，檢驗結果的表達式F（組間自由度，組內自由度）＝具體數(shù)值。記憶力測試正確率之間不存在顯著差異（F（3，60）＝0.232，P＞0.05），表明不同光環(huán)境對計算力有顯著影響，而對記憶力無顯著影響。計算力測試總反應時均值M和標準差SD分析結果如表5所示。計算力測試總反應時均值排序為：光環(huán)境3＞光環(huán)境2＞光環(huán)境4＞光環(huán)境1，單色藍光下的反應時最短，表現(xiàn)出較高的警覺性和較好的任務表現(xiàn)，富藍白光相較于紅、綠光，警覺性更好僅弱于單色藍光，但4組光環(huán)境在記憶力表現(xiàn)方面均無顯著影響，說明不同光環(huán)境下對記憶力的主效應不明顯，這與藍光可以增強語義記憶能力的研究結果不一致，可能是由于本文對記憶力測試內容的設置過于簡單，亦或許與照明的持續(xù)時間不足有關，無法更好地體現(xiàn)出藍光的警覺性作用。

表5 計算力測試實驗分析結果Table 5 Experimental analysis results of calculation ability test

對計算力測試的每道題進行均值與標準差計算，各組光環(huán)境下，反應時隨著時間的增長而逐漸上升，實驗進行到光環(huán)境3時，計算力單次題目反應時已出現(xiàn)最大峰值，表明被試者呈現(xiàn)出嚴重的認知疲勞，隨后光環(huán)境4呈下降趨勢，如圖5所示，表明富藍白光在警覺性方面效應明顯，能夠加快被試者的計算力反應時間。計算力測試總正確率均值排序為：光環(huán)境1＞光環(huán)境4＞光環(huán)境2＞光環(huán)境3，如圖6所示，表明計算力測試反應時與正確率在警覺性影響方面呈一致性趨勢，富藍白光與單色藍光對提高被試者的警覺性效應顯著。

圖5 計算力測試題目反應時Fig.5 Response time of calculation ability test questions

圖6 計算力測試總正確率Fig.6 Total accuracy of calculation ability test

4.2 信息檢視任務結果分析

不同光環(huán)境下，信息檢視任務總正確率和總反應時存在顯著差異（F（3，60）＝6.991，P＜0.05；F（3，60）＝13.883，P＜0.05），通過單因素方差對3個模塊進行分析，得到不同的光環(huán)境下，判斷力的反應時及正確率、尋錯力反應時、邏輯力正確率之間存在顯著差異（F＝8.119，P＜0.05；F＝31.7，P＜0.05；F＝8.821，P＜0.05；F＝25.026，P＜0.05；F＝6.991，P＜0.05；F＝13.883，P＜0.05），而尋錯力正確率、邏輯力反應時不存在顯著差異（F＝0.347，P＝0.792；F＝2.697，P＝0.054）。信息檢視測試分項模塊反應時、總反應時均值M和標準差SD分析結果如表6所示?？偡磻獣r均值排序為：光環(huán)境2＞光環(huán)境3＞光環(huán)境4＞光環(huán)境1，顯示單色藍光對提高警覺性表現(xiàn)仍為最好。

表6 信息檢視測試結果Table 6 Information inspection of test results

對信息檢視測試的每道題進行均值與標準差計算，判斷力和尋錯力部分4組光環(huán)境反應時表現(xiàn)效應明顯，邏輯力每題間的顯著性效應不強，如圖7所示?？傉_率均值排序為：光環(huán)境4＞光環(huán)境1＞光環(huán)境2＞光環(huán)境3，如圖8所示，單色藍光在正確率方面較富藍白光有所下降，但仍高于另外2組，可能由于單色藍光對提高警覺性具有強激性效果，容易產(chǎn)生疲勞，增強效應短暫、持久性差，這與目前的研究結果趨于一致。

圖7 信息檢視題目反應時Fig.7 Response time of information inspection questions

圖8 信息檢視總正確率Fig.8 Total accuracy of information inspection

將4組邏輯力測試總反應時用箱圖做離散化處理，如圖9所示。4組數(shù)據(jù)的趨勢呈同一水平，但各組反應時的異常值明顯，可能邏輯力測試存在較高認知難度，光的非視覺效應影響不再顯著。

圖9 邏輯力總反應時離散化結果Fig.9 Results of discretization for total response time of logic abilities

4.3 主觀綜合評價結果分析

通過差異性分析結果表明，不同光環(huán)境下，警覺度N1、活躍度N2、清醒度N3、興奮度N4、響應度N7、舒適度N8、喜好度N9、愉悅度N10之間存在顯著差異（P＜0.05），而敏感度N5、專注度N6之間不存在顯著差異（P＞0.05）。

主觀評價指標均值結果如圖10所示。興奮度富藍紅光強于其他光色，可能與日常認知習慣相關，單色藍光的專注度最差，表明情緒積極性提高可能會對任務的投入性減輕，同樣舒適度、喜好度最差，表明持續(xù)性刺激情況下會降低主體的主觀舒適性，這2項中富藍白光表現(xiàn)最好，體現(xiàn)出了與認知主體的主觀喜好相契合。富藍紅光在愉悅度上評價最高，結果可能與色彩心理相關，這與Laszewska等［23］研究結果相一致。富藍綠光綜合主觀表現(xiàn)最差，在警覺性方面，主觀感受性不強，這與Lockley等［24］得出555 nm綠光對主觀嗜睡等級及腦電EEG沒有顯著影響的研究結果相似。

圖10 主觀評價指標結果Fig.10 Subjective evaluation index results

主觀綜合評價方面，運用認知熵得到各指標權重，對初始決策評價矩陣加權標準化后，得到實驗光環(huán)境的主觀評價最優(yōu)解和最劣解，如表7所示。

表7 指標權重及最優(yōu)、最劣解Table 7 Index weight and the positive and negative ideal solutions

根據(jù)各實驗光環(huán)境與理想解的相對貼近度，可得到實驗光環(huán)境的綜合排序，如表8所示。根據(jù)相對貼近度C可知：光環(huán)境4＞光環(huán)境1＞光環(huán)境2＞光環(huán)境3，綜合評價最高的為富藍白光。客觀警覺性和主觀評價結果不一致，這與Zhou等［25］研究得出認知主體的主觀感受和客觀行為有一定差異具有一致性。從結果可以看出，單色藍光的主觀評價結果并不如富藍白光，可能是單色藍光在環(huán)境氛圍表現(xiàn)上不如富藍白光顯得溫和舒適，單色藍光通常表現(xiàn)出更為人造、照度更為強烈，這進一步支持了研究結果應用于艙室光環(huán)境照明的實用性。

表8 綜合排序Table 8 Comprehensive ranking

5 結 論

通過改善單波長藍光光源的光譜組成，可以引起不同的警覺性效應、認知績效、視覺舒適性和情緒反應。

1）飛行主輔任務模塊，單色藍光在計算力警覺性方面明顯高于其他組，4組富藍光色對記憶力均無顯著影響。

2）信息檢視任務模塊，單色藍光反應時最短，富藍白光與其差距很小，正確率方面富藍白光高于單色藍光及其他富藍光色，單色藍光警覺性雖強，但易造成認知疲勞，富藍白光持續(xù)性更好。但對于高難度認知任務，光影響效應不再顯著。

3）富藍白光的主觀綜合評價高于其他富藍光色，更契合主觀心理需求，結合客觀認知結果，與單色藍光的警覺性影響效應基本持平，可進一步挖掘富藍白光在飛行任務非視覺功能方面的表現(xiàn)。

4）光環(huán)境的警覺性效應仍受時間梯度的影響。