面向適人性的空間站光環(huán)境與人因照明研究

劉 博, 李天宇, 蘇 航, 張淞博, 楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)建筑學(xué)院, 深圳 518055)

1 引言

空間站中長期駐留的航天員會產(chǎn)生各種生理或心理的不適。20 世紀(jì)60 年代起,蘇聯(lián)對空間特殊環(huán)境對人影響進(jìn)行研究;NASA 也在發(fā)展載人航天的初期設(shè)立空間飛行環(huán)境中人的能力研究專項(xiàng)。中國載人航天任務(wù)正在從短期空間飛行向長期空間飛行跨越,對于空間站適人性的研究將成為后續(xù)航天任務(wù)順利實(shí)施的關(guān)鍵[1-2]。

失重環(huán)境下,由于體液頭向轉(zhuǎn)移,人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性會隨之發(fā)生不同程度的改變,這會對航天員操作設(shè)備、移動物體或自身移動時(shí)產(chǎn)生不利影響[2]。對航天員的認(rèn)知能力的研究發(fā)現(xiàn)[3-6],在重力環(huán)境改變的狀況下,感知-運(yùn)動功能與高級注意功能會受到較大干擾,航天員對信息的接受與加工能力會下降,出現(xiàn)如搜索行為減少、對視覺線索反應(yīng)時(shí)間延長及警覺性降低等現(xiàn)象。

在空間站艙內(nèi)光環(huán)境方面,NASA 從2015 年開始了一項(xiàng)名稱為“測試固態(tài)照明對策以改善國際空間站的晝夜節(jié)律適應(yīng)、睡眠和性能”的研究[7],該研究促進(jìn)了國際空間站中照明設(shè)備的更新以及節(jié)律照明等功能的實(shí)現(xiàn)。Jiang 等[8]、Lu等[9]也針對空間站內(nèi)光源的色彩、色溫對航天員主觀滿意度的影響進(jìn)行了模擬研究。但空間站中的光環(huán)境適人性與地面人居環(huán)境中的差異目前仍然缺乏比較可靠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

目前,空間站中的光環(huán)境研究是從建筑照明與光環(huán)境研究中發(fā)展而來[10-11],在建筑照明研究中已經(jīng)有大量的實(shí)證研究論證了照明對人體的警覺性[12]、認(rèn)知能力[13-14]和情緒[15-16]有顯著的非視覺生物效應(yīng)?？臻g站適人性的研究正在逐步走向細(xì)化領(lǐng)域,在載人航天中也可以利用光環(huán)境的各類積極效應(yīng)來調(diào)節(jié)航天員的感知、理解、判斷、決策、操作能力,并調(diào)動積極情緒,以應(yīng)對腦力疲勞或工作壓力,進(jìn)而降低人為失誤的發(fā)生,提高在軌期間安全。

本文以改善在軌空間站中的光環(huán)境適人性為目標(biāo),以光環(huán)境適人性指標(biāo)中4 項(xiàng)主要視覺作業(yè)績效指標(biāo)(視覺辨別力、距離感知、警覺度、主觀感受)為研究對象,探究光環(huán)境在模擬空間站場景與地面人居場景中的適人性差異。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采取了心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)與隨機(jī)對照組實(shí)驗(yàn)的方法,通過在專業(yè)的照明實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置不同的姿態(tài)、照度值以及色溫組合而成不同的測試場景,對不同視覺作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),量化并梳理各參數(shù)之間的影響關(guān)系。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)智能人因照明實(shí)驗(yàn)室(iLLab)內(nèi)進(jìn)行空間站光環(huán)境模擬。該實(shí)驗(yàn)室為封閉無窗暗室,可有效隔離其他光源干擾。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部其他環(huán)境指標(biāo)設(shè)置為溫度22 ～24 ℃,濕度40%～70%。實(shí)驗(yàn)環(huán)境由全通路多光譜LED 光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)、移動觀測面距離測量系統(tǒng)、反應(yīng)時(shí)間測試設(shè)備、績效測試設(shè)備和其他輔助設(shè)備組成,如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of the lab

在距離判斷任務(wù)中通常由被試者手動移動目標(biāo)物進(jìn)行距離估算,為了進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)中身體四肢對距離感知產(chǎn)生的影響同時(shí)擴(kuò)大可測試的距離尺度,在觀測面的移動方式上采用了通過無線遙控器控制目標(biāo)觀測面移動的方式。在反應(yīng)時(shí)間測試及績效測試任務(wù)中,為避免不同姿態(tài)肢體發(fā)力的差異,測試裝置包括電子觸控屏幕等均由支架固定在據(jù)被試者相同距離處。

為了盡可能模擬航天員在太空時(shí)所處的微重力狀態(tài),實(shí)驗(yàn)搭建了-6°的頭低位傾斜平臺[6],同時(shí)參照站立姿態(tài)時(shí)工作面與光源的相對關(guān)系,在平躺姿態(tài)及-6°頭低位姿態(tài)時(shí)將光源投射方向進(jìn)行調(diào)整,保持與工作面的垂直角度。不同姿態(tài)下的光環(huán)境均使用Thouslite LED Cube 來模擬在軌空間站中的照明光源,該設(shè)備具備在全光譜范圍內(nèi)光色任意可調(diào)的功能,而且可輔以Konica Minolta CL500A 光譜儀的閉環(huán)反饋通路實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)照度和色溫。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取

實(shí)驗(yàn)將選取3 種不同的實(shí)驗(yàn)姿態(tài)(站立姿態(tài)、平躺姿態(tài)及-6°頭低位臥床姿態(tài))和6 種照明條件作為研究的自變量,4 種適人性指標(biāo)(視覺辨別力、距離感知、主觀感受、警覺度)作為因變量。

6 種照明條件參數(shù)的選取參考CIE 照明標(biāo)準(zhǔn),選取包括3 種照度(75 lx-休息場景、300 lx-艙內(nèi)工作場景、750 lx-艙內(nèi)精密操作場景)和2種色溫(2700 K-暖白光、6500 K-冷白光)兩兩匹配組成的6 種照明條件。所選照度的測量位置為移動觀測面運(yùn)動范圍內(nèi)的平均照度。

3 種姿態(tài)與6 種照明條件共組成18 個實(shí)驗(yàn)場景,如表1 所示。實(shí)驗(yàn)前已多次用儀器測量將3 種姿態(tài)的光環(huán)境參數(shù)調(diào)整到一致,為避免不同照明設(shè)備導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。

表1 驗(yàn)照明場景參數(shù)和編號匯總Table 1 Lighting scene parameters and serial numbers

視覺辨別力測試以字母消除任務(wù)(Letter Cancellation Tasks,LCT)的方式進(jìn)行。LCT 測試中被試者被要求在隨機(jī)生成的大寫字母矩陣內(nèi)按照要求盡可能快而準(zhǔn)確地搜索到并選擇出指定的字母,實(shí)驗(yàn)中使用的字母矩陣使用隨機(jī)生成器生成。通過秒表記錄LCT 測試用時(shí),在所有試驗(yàn)結(jié)束后將對被試在每個照明場景下的錯誤次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

距離感知任務(wù)中設(shè)置3 組距離尺度參數(shù),分別為0.8 m(人體工程尺度),1.4 m(空間站小柱段半徑)及2.1 m(空間站大柱段半徑)。主觀感受評價(jià)由5 個條目構(gòu)成,分別為緊張的-輕松的、情形的-困倦的、激動的-平靜的、不適的-愜意的、猶豫的-自信的。每個評分條目均采用采用Likert 九點(diǎn)式的計(jì)分方式,其中0 代表程度中性、1 ～4(或-4 ～-1)為傾向于某一感受的程度得分。

警覺度測試通過反應(yīng)時(shí)間測試裝置進(jìn)行,測試內(nèi)容為連續(xù)點(diǎn)擊屏幕中隨機(jī)位置出現(xiàn)的靶標(biāo),通過記錄被試者準(zhǔn)確點(diǎn)擊靶標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間以收集不同姿態(tài)及照明環(huán)境下的視覺-運(yùn)動協(xié)調(diào)能力。測試界面如圖2 所示,左側(cè)為測試開始前的界面,當(dāng)連續(xù)點(diǎn)擊靶標(biāo)后軟件將會如右側(cè)所示自動顯示本次測試的反應(yīng)時(shí)間結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中電子屏幕亮度被設(shè)置恒定并在被試者進(jìn)行其他測試任務(wù)期間保持關(guān)閉。

圖2 反應(yīng)時(shí)間測試界面Fig.2 Reaction test screen

2.3 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)招募被試20 名(10 名男性和10 名女性),年齡18～30 歲,由深圳大學(xué)城本科生和研究生(碩士和博士)組成,均正常視力或經(jīng)過佩戴眼鏡后校正視力正常,無視覺疾病或功能障礙,身體狀況良好。

20 名被試在每種場景下都將完成4 項(xiàng)任務(wù):首先進(jìn)行字母消除任務(wù),由2 位實(shí)驗(yàn)員記錄任務(wù)完成的時(shí)間;其次為移動觀測面距離測量任務(wù),被試將被要求按照隨機(jī)的順序完成3 組距離尺度參數(shù)的主觀判斷,該任務(wù)過程中電機(jī)在移動時(shí)保持勻速且被試可以使用遙控器反復(fù)調(diào)整移動觀測面位置;第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)為主觀評價(jià)問卷的填寫;最后一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)為反應(yīng)時(shí)間測試,該項(xiàng)目數(shù)據(jù)將由設(shè)備自動生成并記錄。

實(shí)驗(yàn)將會按照提前隨機(jī)分配(3 個姿態(tài)順序隨機(jī)、每個姿態(tài)內(nèi)的照明條件順序隨機(jī))的照明場景順序進(jìn)行。站立與平躺姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)前有5 min 環(huán)境適應(yīng)時(shí)間,頭低位姿態(tài)實(shí)驗(yàn)前被試需保持10 min 的頭低位等待時(shí)間。全部18 個光環(huán)境實(shí)驗(yàn)場景見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)場景Fig.3 Experiment scenarios

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果匯總?cè)绫? 所示,本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中選用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對總體樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表2 各項(xiàng)適人性指標(biāo)數(shù)據(jù)均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of human rating indicators

3.1 不同姿態(tài)對光環(huán)境適人性的影響

在視覺辨別力指標(biāo)上各姿態(tài)間不存在顯著差異,以下將對存在顯著性差異(P＜0.05)的剩余3個指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1)距離感知。如表3、圖4 所示為6 種照明條件下3 種姿態(tài)間距離感知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,“站立-平躺”表示該列數(shù)據(jù)由站立與平躺姿態(tài)進(jìn)行獨(dú)立t檢驗(yàn)得出?？梢钥吹皆?5 lx/2700 K 的照明條件下,平躺-頭低位在0.8 m 距離尺度的感知上存在顯著差異;在75 lx/6500 K 與300 lx/7500 K 的照明條件下,站立-平躺、站立-頭低位在0.8 m 的距離尺度的感知上存在顯著差異。同時(shí),在75 lx/6500 K 的照明條件下,站立-頭低位在1.4 m 距離尺度上的感知也存在顯著差異。其他照明條件下3 種姿態(tài)的距離感知沒有顯著差異。

表3 不同姿態(tài)下距離感知數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis of distance perception data in different postures

圖4 不同姿態(tài)距離感知差值對比Fig.4 Comparison of distance perception in different postures

2)主觀感受評價(jià)。如表4、圖5 所示為6 種照明條件下3 種姿態(tài)間的主觀感受困倦感與愜意感的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,其中在75 lx/6500 K 的照明條件下,站立-平躺均與站立-頭低位在愜意感上存在顯著差異,其它照明條件下3 種姿態(tài)的感覺沒有顯著差異。

表4 不同姿態(tài)下主觀評價(jià)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of subjective evaluation data in different postures

圖5 不同姿態(tài)主觀感受評價(jià)對比Fig.5 Comparison of subjective perception in different postures

3)反應(yīng)時(shí)間。表5 為6 種照明條件下3 種姿態(tài)間的反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,其中750 lx/2700 K與750 lx/6500 K 的照明條件下,站立-平躺在反應(yīng)時(shí)間上存在顯著差異,其他照明條件下3 種姿態(tài)的反應(yīng)時(shí)間沒有顯著差異。

表5 不同姿態(tài)下反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 5 Statistical analysis of reaction-time data in different postures單位:ms

3.2 不同照度對光環(huán)境適人性的影響

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),不同色溫下各主觀評價(jià)無顯著差異,故只針對照度進(jìn)行分類配對檢驗(yàn)。由圖6、表6 所示可以看出在各實(shí)驗(yàn)場景下不同照度間的主觀感受困倦感、愜意感及自信感的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

表6 不同照度主觀感受評價(jià)的配對檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of paired tests forsubjectiveperceptionevaluationof differentillumination levels

圖6 3種照度條件下不同姿態(tài)主觀感受評價(jià)對比Fig.6 Co mparisonofsubjectiveperceptionsindifferentilluminations

站立姿態(tài)時(shí),2700 K 色溫下的愜意感在75 lx的照度條件時(shí)與300 lx、750 lx 均有顯著差異,6500 K 色溫下的困倦感在75 lx 與750 lx 照度之間有顯著差異;平躺姿態(tài)時(shí),2700 K 色溫下的自信感在75 lx 與300 lx 之間有顯著差異,6500 K色溫下的困倦感在75 lx 與750 lx 之間有顯著差異;在-6°頭低位姿態(tài)時(shí),2700 K 色溫下困倦感在75 lx 與750 lx 之間有顯著差異,6500 K 色溫下的困倦感和愜意感在75 lx 照度條件時(shí)與300 lx、750 lx 均有顯著差異。

3.3 結(jié)果討論與分析

1)視覺分辨力:字母消除任務(wù)的用時(shí)及錯誤次數(shù)受姿態(tài)、照度及色溫的影響均不顯著。在模擬微重力狀態(tài)下視覺分辨力受光環(huán)境的影響的變化情況與站立狀態(tài)一致。

2)距離感知:色溫與照度并不顯著改變距離的感知,但不同姿態(tài)間存在一定差異。0.8 m 尺度下,75 lx 時(shí)3 種姿態(tài)均呈現(xiàn)感知距離小于實(shí)際距離的現(xiàn)象,站立姿態(tài)在不同光環(huán)境下判斷誤差較為穩(wěn)定,但-6°頭低位姿態(tài)下的判斷隨著照度增加判斷誤差變得波動性增大,即距離感知恒常性受到影響;在1.4 m 距離尺度下,3 種姿態(tài)平均表現(xiàn)為感知距離大于實(shí)際距離,在300 lx 的照度時(shí)3 種姿態(tài)具有顯著差異,但在照度過低或達(dá)到一定亮度時(shí)3 種姿態(tài)的差異便不顯著。上述結(jié)果表明,在小尺度距離的感知上,通過增加照度來提高距離判斷準(zhǔn)確性的照明設(shè)計(jì)策略在太空失重狀態(tài)下的運(yùn)用方式有待優(yōu)化。

3)主觀感受評價(jià):僅有在照度75 lx、色溫6500 K 的條件下,-6°頭低位姿態(tài)的主觀感受不適感才呈現(xiàn)為顯著高于其他2 個姿態(tài)。在照度方面,站立姿態(tài)下不適感隨著照度的提升而迅速減弱,但在-6°頭低位條件下不適感減弱的較慢。在光環(huán)境的清醒感/困倦感上,照度為75 lx 時(shí)-6°頭低位姿感覺較為清醒,但3 種姿態(tài)下困倦感都會隨著照度的增加而減小。

模擬失重狀態(tài)下的照明條件對人的主觀感受的影響與站立狀態(tài)下相比,影響趨勢是類似的,但是其影響的程度會出現(xiàn)差異。例如在通過照度、色溫來調(diào)節(jié)人的主觀感受不適感上,失重條件下效果將更不顯著,意味著在空間站內(nèi)部的照明設(shè)計(jì)中將參數(shù)的變化范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

4)反應(yīng)時(shí)間:站立姿態(tài)下在750 lx 的照度時(shí),高色溫下反應(yīng)時(shí)間較短,但平躺姿態(tài)和-6°頭低位姿態(tài)并沒有這種現(xiàn)象。在小于750 lx 的照度條件下3 種姿態(tài)間反應(yīng)時(shí)間差異不顯著。在對反應(yīng)能力的影響上,與站立姿態(tài)不同,模擬失重狀態(tài)下使用照明設(shè)計(jì)中常用的增加照度、調(diào)高色溫等手段并不能發(fā)揮出很好的增強(qiáng)作用。

在本研究中,站立姿態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合現(xiàn)有的建筑照明實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)論,而在-6°頭低位模擬失重條件下所得結(jié)果的差異性則可以為空間站人因照明設(shè)計(jì)提供參考。例如,在多項(xiàng)主觀評價(jià)項(xiàng)目上發(fā)現(xiàn)了不同姿態(tài)間受光環(huán)境的影響存在差異,為航天員在睡眠艙內(nèi)或空間站夜間照明參數(shù)調(diào)整優(yōu)化提供了參考。同時(shí),本研究也對一些缺乏研究的假設(shè)做出了驗(yàn)證,例如,不同的光環(huán)境下大尺度的距離感知在不同姿態(tài)間并沒有顯著性差異,間接證明了利用現(xiàn)有的照明條件在模擬微重力狀態(tài)下進(jìn)行大尺度操作訓(xùn)練是可行的。

在未來的微重力狀態(tài)下光環(huán)境適人性研究中,可設(shè)置更加貼近航天員真實(shí)在軌工作任務(wù)的測試項(xiàng)目,并增加300 lx 以下更精細(xì)的照度變化梯度以及引入動態(tài)節(jié)律照明等方法,進(jìn)一步對在軌空間站的人因照明開展研究。

4 結(jié)論

本文探究了光環(huán)境適人性在模擬空間站場景與地球人居場景中的差異,研究表明,在微重力與地面2 種狀態(tài)下,光環(huán)境(照度、色溫)變化對視覺分辨力(字母消除任務(wù)的用時(shí)及錯誤率)無影響,而對距離感知、主觀感受、反應(yīng)時(shí)間的影響均存在顯著性差異。

1) 較短距離(0.8 m)時(shí),與正常站立狀態(tài)相比,微重力狀態(tài)高照度下的距離感知恒常性較差;

2)較高照度(750 lx)時(shí),與正常站立狀態(tài)相比,微重力狀態(tài)下反應(yīng)時(shí)間不受色溫變化的影響;

3)較低色溫(2700 K)時(shí),與正常站立狀態(tài)相比,微重力狀態(tài)下環(huán)境照度的變化(75 lx/300 lx/750 lx)引起的不適感變化幅度更小。