模擬航天器睡眠艙色彩環(huán)境對乘員情緒的影響研究

姚文豪，姚湘，許活鵬，周家慷，江奧

模擬航天器睡眠艙色彩環(huán)境對乘員情緒的影響研究

姚文豪，姚湘，許活鵬，周家慷，江奧

（湘潭大學(xué)，湖南 湘潭 411105）

研究不同情緒刺激下睡眠艙色彩環(huán)境對乘員情緒的影響規(guī)律。對30名受試者（男15人、女15人）分別進(jìn)行了中性、負(fù)性2種VR情緒影片的情緒誘發(fā)，之后在VR環(huán)境中進(jìn)行模擬睡眠艙色彩環(huán)境體驗，完成主觀情緒評價，同時采集受試者在色彩環(huán)境中體驗時的20通道腦電信號；對主觀情緒評價進(jìn)行方差分析，并對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理，分析α、β頻帶的腦電信號能量。主觀情緒評價顯示，在色彩環(huán)境舒適度上，不同色彩環(huán)境（冷色、暖色、無彩色）呈現(xiàn)顯著性差異（=0.000<0.05）；在情緒緩解度上，不同色彩環(huán)境（冷色、暖色、無彩色）呈現(xiàn)顯著性差異（=0.000<0.05）。腦電信號顯示，冷色環(huán)境下額葉區(qū)和頂葉區(qū)的α波左右腦葉平均功率比值最低，而暖色環(huán)境最高；冷色環(huán)境下顳葉區(qū)的β波左右腦葉平均功率比值最低，而暖色環(huán)境最高。在狹小、密閉的模擬航天器睡眠艙環(huán)境下，色彩環(huán)境對于受試者的情緒調(diào)節(jié)作用在生理狀態(tài)和心理感受上都能得到顯現(xiàn)，并且其主觀感受和客觀生理數(shù)據(jù)分析結(jié)果在一定程度上能夠達(dá)到擬合。其中藍(lán)色環(huán)境、綠色環(huán)境、白色環(huán)境主客觀值表征的情緒狀態(tài)最好，更能有效改善和形成良好的情緒狀態(tài)。最后經(jīng)模擬航天器睡眠艙色彩設(shè)計實踐，驗證了航天器睡眠艙色彩設(shè)計優(yōu)化策略的可行性及可靠性。

色彩環(huán)境；情緒緩解；腦電信號；主觀情緒評價；模擬航天器睡眠艙；航天員

睡眠是人類不可缺少的一種生理活動，與人體健康有著密切關(guān)系，良好的睡眠對于保持身心健康、認(rèn)知和工作表現(xiàn)至關(guān)重要。然而，相關(guān)研究表明睡眠一直是載人航天任務(wù)中普遍存在的問題[1-2]。在多次載人航天實踐的基礎(chǔ)上，中國越來越重視宇航員的在軌睡眠問題，并將其視為中長期航天中保持人類作業(yè)能力的關(guān)鍵因素之一[3]。NASA等航天組織針對未來長期的載人航天飛行，提出了睡眠艙的研究計劃，指出要從提高航天器的適居性方面展開研究，同時需要開展基礎(chǔ)生理以及航天特因環(huán)境對睡眠影響機(jī)制的研究，包括提高在軌睡眠環(huán)境的舒適度以及提供積極的情緒和心理支持等策略[4-5]。色彩設(shè)計是空間適居性設(shè)計的重要內(nèi)容，而且是情緒調(diào)節(jié)和心理干預(yù)的重要因素。因此，以色彩設(shè)計為載體，情緒為中介，系統(tǒng)性地開展睡眠艙色彩設(shè)計研究是載人航天器人機(jī)界面設(shè)計的重要課題。

1 色彩與情緒

情緒（Emotion）來源于拉丁文中的“movere”一詞，與動機(jī)（motivation）同源[6]。應(yīng)用心理學(xué)百科全書對情緒的定義是：情緒是發(fā)生在應(yīng)對特定的物理和社會應(yīng)激時，一種短暫的、有生物學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)知、主觀體驗、生理改變和社會交際的形式[7]。研究證明，睡前的情緒活動會影響當(dāng)晚的睡眠質(zhì)量，具體表現(xiàn)為不同睡眠階段以及睡眠微結(jié)構(gòu)會發(fā)生細(xì)微改變[8]。情緒與睡眠質(zhì)量關(guān)系的研究主要集中于負(fù)性情緒的影響，研究表明睡眠質(zhì)量與負(fù)性情緒呈顯著負(fù)相關(guān)，即隨著負(fù)性情緒的增加，睡眠質(zhì)量趨于下降；在積極情緒對睡眠質(zhì)量影響研究中發(fā)現(xiàn)，積極情緒對睡眠質(zhì)量也有直接的影響，積極的心理狀態(tài)能夠顯著地促進(jìn)睡眠質(zhì)量的提升[9]。情緒與睡眠質(zhì)量的影響是雙向的：情緒能夠顯著影響睡眠質(zhì)量，睡眠質(zhì)量又反作用于情緒[10]。因此，發(fā)揮情緒的調(diào)節(jié)作用，對形成良好睡眠具有重要意義。

色彩是作為感知世界的自然屬性出現(xiàn)的，它幾乎會出現(xiàn)在日常生活中所能看見的任何物體上，是生活中必不可少的環(huán)境元素之一。環(huán)境色彩會對人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的運作效率以及人員的身心健康產(chǎn)生影響，因此也是人因工程研究的關(guān)鍵要素。

研究表明色彩會對人類的心理功能、生理狀態(tài)和行為表現(xiàn)等產(chǎn)生影響，如在工作環(huán)境中，暖色會使人心理上出現(xiàn)興奮、積極的情緒，冷色會使人心理上出現(xiàn)冷靜、壓抑等情緒[11]。環(huán)境色彩對人的影響主要與色彩的含義有關(guān)，在漫長的時間長河中，人類對色彩產(chǎn)生了各種聯(lián)想和感受，如情緒感、空間感、冷暖感、重量感、軟硬感等[12]。綠色可以喚起最積極的情緒反應(yīng)，并與放松、平靜和幸福相關(guān)，紅色環(huán)境被認(rèn)為是刺激和分散注意力的，與抑郁相關(guān)[13]。藍(lán)色和綠色環(huán)境下的感知體驗與幸福感相關(guān)，并對低刺激參與者具有減壓作用[14]，藍(lán)色環(huán)境還會使人產(chǎn)生昏昏欲睡的效果[15]。另一項研究則指出了不同色相會影響人的心率，如在紅色和黃色環(huán)境條件下會增加心率，藍(lán)色環(huán)境下會增加參與者的放松和平靜感[16]。在視覺復(fù)雜的紅色或彩色房間工作會使大腦進(jìn)入更興奮的狀態(tài)，導(dǎo)致心率減慢和超負(fù)荷[17]。綜上，工作環(huán)境中的色彩對人的情緒既會產(chǎn)生積極的影響，也會產(chǎn)生消極的影響[18-20]，在不同環(huán)境中合理地使用色彩可以使人員獲得積極的情緒狀態(tài)，對視覺工作能力產(chǎn)生積極影響，并增加舒適度[21-24]。

在載人航天任務(wù)中，航天員的睡眠時間和睡眠質(zhì)量會受到微重力、隔離、單調(diào)重復(fù)、高度警惕性工作負(fù)荷等因素的綜合影響，在這種特殊環(huán)境因素的影響下，航天員極其容易產(chǎn)生焦慮、抑郁、恐懼等各種負(fù)性情緒[25-27]。針對航天員在軌睡眠問題，吳斌等[4-5]人提出了７種太空飛行中睡眠障礙的對策，包括改善睡眠環(huán)境、設(shè)計合理的在軌“工作-休息”時間表、藥理學(xué)干預(yù)、光處理、心理支持、乘員選拔和培訓(xùn)、中醫(yī)藥等措施。而目前國內(nèi)外研究對于載人航天空間情緒適居性理論構(gòu)建，以及如何實現(xiàn)或調(diào)節(jié)情緒以滿足情緒適居性要求等方面鮮有涉獵。本研究從色彩設(shè)計角度出發(fā)，旨在通過模擬航天情緒刺激源，研究載人航天器睡眠艙不同色彩環(huán)境對乘員形成良好情緒的作用差異，構(gòu)建一種較為客觀的情緒適居性色彩評估方法，從而提高睡眠艙適居性，為乘員提供積極的心理對抗措施，并為睡眠艙等狹小、隔離密閉環(huán)境提供色彩設(shè)計參考。

2 研究程序與方法

在實驗情境中研究情緒，可以主要概括為３個方面：情緒誘發(fā)，情緒測量以及情緒分析。色彩與情緒的實驗方法可以認(rèn)為是情緒的測量方法，目前常用的情緒測量方式主要包含主觀體驗，生理測量以及行為測量3個層面[28-29]。本研究選用主觀體驗（主觀問卷）和生理測量（腦電信號）相結(jié)合的方式進(jìn)行情緒的測量與分析。此外，情緒誘發(fā)也是情緒實驗的重要內(nèi)容，實驗采用VR場景的形式進(jìn)行中性情緒和負(fù)性情緒的誘發(fā)[30]。

2.1 情緒誘發(fā)實驗

招募30名在校大學(xué)生，其中男生15人，女生15人，年齡為20～25歲，均為右利手，視力正常，無精神病史。所有受試者在進(jìn)行實驗之前均已簽署實驗知情同意書。參考Gross評定情緒影片片段的原則篩選實驗材料，共收集中性及負(fù)性情緒刺激片段各9段[31]，視頻平均長度為60 s～90 s[32]。

在正式開始實驗前，向受試者解釋實驗過程，隨后為其戴上VR頭盔，之后為受試者平復(fù)情緒（靜息3 min）。實驗共分為2組，每組9個試次，分別為：中性情緒刺激片段9個；負(fù)性情緒刺激片段9個。為防止不同情緒之間的干擾，中性刺激和負(fù)性刺激試次分別單獨依次進(jìn)行，組內(nèi)情緒刺激片段依次隨機(jī)出現(xiàn)。受試者觀看情緒刺激片段后，對該試次的情緒刺激進(jìn)行效價（Valence）和喚醒度（Arousal）的行為學(xué)評分，評分等級均為1～7，實驗流程見圖1。

方差分析（Analysis of Variance，簡稱ANOVA）是一種常用的統(tǒng)計方法，用于比較兩個或多個樣本均值之間的差異是否顯著。其中，統(tǒng)計量是方差分析的核心指標(biāo)之一。它是組間方差與組內(nèi)方差的比值。值越大，表示組間方差相對于組內(nèi)方差的差異越明顯，即不同組之間的均值差異較大。值是用于檢驗統(tǒng)計假設(shè)的概率指標(biāo)。在方差分析中，如果值小于事先設(shè)定的顯著性水平（通常為0.05），則認(rèn)為觀察到的差異在統(tǒng)計學(xué)上是顯著的，即認(rèn)為組間均值存在顯著差異。將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，對電影種類進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)不同電影種類對效價（=1511.309，=0.000<0.05）、喚醒度（=157.204，=0.000<0.05）均具有顯著性差異。

對中性情緒電影片段以及負(fù)性電影片段分別進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)中性電影對效價無顯著性差異（= 0.890，=0.535>0.05），負(fù)性電影對效價無顯著性差異（=1.746，=0.079>0.05）。中性電影對緩解度無顯著性差異（=1.885，=0.054>0.05），負(fù)性電影對緩解度無顯著性差異（=0.900，=0.526>0.05）。中性電影的效價評分為（=4.49，=0.66），喚醒度評分為（=5.27，=0.92），負(fù)性電影的效價評分為（=2.13，=0.82），喚醒度評分為（=6.10，=0.80），其中，代表平均值，代表標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)據(jù)評分結(jié)果見表1。

綜上分析，不同情緒電影種類存在顯著性差異，同類型電影不同片段之間無顯著性差異，即選取的影片片段能夠較好地激活受試者情緒，使受試者情緒狀態(tài)處于中性情緒/負(fù)性情緒中，可作為實驗的情緒誘發(fā)材料進(jìn)行試驗。

圖1 情緒誘發(fā)實驗流程

表1 兩種情緒材料的效價和喚醒度的評分結(jié)果

Tab.1 Scoring results of valence and arousal of two emotional materials

2.2 正式實驗

2.2.1 志愿者

招募35名在校大學(xué)生，男性18名，女性17名，年齡為20～25歲，所有受試者均為右利手，無心腦血管疾病及精神病史，視力和色覺都正常，并進(jìn)行了包括傾斜試驗在內(nèi)的身體檢查。在研究之前的一個星期，受試者避免過度飲酒、咖啡因、處方藥和吸煙。大約一半的參與者在早上（08：00—12：00）完成了測試，其余的受試者在晚上（18：00—22：00）完成了測試。在正式實驗前向受試者介紹實驗過程及注意事項，所有志愿者均簽署了實驗知情同意書。

2.2.2 色彩樣本

色彩樣本來源于網(wǎng)絡(luò)調(diào)研，通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲進(jìn)行色彩圖片爬取?？紤]睡眠艙空間密閉、隔離等特點，色彩圖片從各國際空間站睡眠艙、極地科考站睡眠艙、飛機(jī)高鐵睡眠艙以及9大房屋租賃網(wǎng)站（臥室色彩）等相似環(huán)境進(jìn)行檢索爬取。經(jīng)過篩選處理，最終得到500張色彩意向圖片[24]。參考PAMLER和SCHLOSS[33]選取顏色樣本的方法，將收集到的500 張色彩意向圖片按照最大色相比例進(jìn)行分類，分別為：紅色（R）、橙色（O）、黃色（Y）、綠色（G）、青色（C）、藍(lán)色（B）、紫色（P）以及灰色（GR）。

K-means算法是基于距離的聚類算法，是一種在給定的數(shù)據(jù)點集合中找到“K”個簇的優(yōu)化算法，其特點在于同一聚類的簇內(nèi)的對象相似度較高，不同聚類的簇內(nèi)的對象相似度較低。因此研究使用K-means算法對圖像像素點進(jìn)行聚類，以得到色彩圖片的主體顏色，代表明度，代表紅綠分量，代表黃藍(lán)分量，Hue代表色相色。顏色提取流程見圖2。

在Python中導(dǎo)入需要的相關(guān)庫（Pillow，Matplotlib，Numpy，Collections，Scikit-learn，Pandas，Webcolors，Math，Json，Argparse），構(gòu)造K-means聚類器進(jìn)行聚類，對于每幅圖像設(shè)定5個顏色簇，并將其作為該幅圖像的調(diào)色板，圖像顏色量化結(jié)果見圖3。

低飽和、高明度的色彩會使人感到更加放松、舒適?；诖嗽瓌t，在各色相中選取最低飽和度且最高明度的色彩，共計得到8種色彩樣本。此外，目前建筑空間大多采用純白色。由于色彩圖片及提取原因，純白色樣本未被提取，故增加一種純白色樣本，共計得到9種色彩樣本，見表2。

2.2.3 VR模擬環(huán)境搭建

這項研究以中國空間站核心艙睡眠區(qū)環(huán)境為原型，選取在軌航天器單獨艙段作為睡眠區(qū)，并參考相關(guān)國際空間站環(huán)境構(gòu)造及配置要求進(jìn)行空間創(chuàng)意方案構(gòu)建。

睡眠區(qū)被劃分為7個空間，其中6個空間為面積等大的睡眠艙，面積大約為3 m3，可供6人同時使用。每個艙室配備1個舷窗，受空間結(jié)構(gòu)因素影響并結(jié)合乘員居住環(huán)境面積因素，艙室內(nèi)部空間呈梯形。中間部分為走廊，是乘員公共活動空間。最終創(chuàng)意方案睡眠艙環(huán)境構(gòu)建，見圖4。

圖2 色彩聚類流程

圖3 K-means聚類色彩可視化

表2 環(huán)境色彩樣本

Tab.2 Environmental color samples

圖4 睡眠艙空間環(huán)境構(gòu)建

依據(jù)上述選定的顏色樣本，利用3D渲染軟件進(jìn)行場景附色渲染，構(gòu)建VR模擬睡眠艙環(huán)境，最終效果見圖5。

2.2.4 實驗流程

實驗在某大學(xué)虛擬仿真實驗室完成，實驗室具備電磁屏蔽條件，環(huán)境安靜封閉，溫度適宜。腦電信號采集設(shè)備使用QUICK-20干電極多導(dǎo)聯(lián)EEG系統(tǒng)，該設(shè)備采用國際標(biāo)準(zhǔn)的10～20布局，共23個電極位置（20通道+參考線+2個接地線）。公共參考點位于A1，通過耳夾電極獲取。

在正式實驗開始之前，向受試者解釋實驗過程及相關(guān)注意事項，隨后為盡可能模擬在軌航天環(huán)境中航天員的狀態(tài)，要求受試者進(jìn)行–6°頭低位臥床實驗[27]，約30 min，在此期間受試者需要平靜情緒。頭低位臥床活動結(jié)束后，為受試者戴上腦電設(shè)備、VR頭盔，隨后實驗正式開始。實驗過程需要受試者在實驗過程中保持相對安靜和靜止，為保證VR體驗沉浸感，實驗在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，見圖6。

圖5 睡眠艙色彩環(huán)境

正式實驗分為2組（中性組和負(fù)性組），每組9個試次，為防止不同情緒間的干擾，正性和負(fù)性試次單獨進(jìn)行。在每個試次中，受試者先觀看VR情緒誘發(fā)片段（預(yù)實驗中影片片段，60 s～90 s），隨后進(jìn)入VR模擬睡眠艙色彩環(huán)境體驗（30 s），體驗后進(jìn)行主觀問卷評價[34]。主觀評價結(jié)束后，試次之間會讓受試者休息并平復(fù)情緒，受試者休息好后繼續(xù)進(jìn)行下一試次的實驗，直到實驗結(jié)束。實驗的程序在Unity游戲引擎內(nèi)編寫，實驗流程見圖7。

2.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理

本實驗共有35位受試者參與，其中5位受試者在實驗過程中部分實驗數(shù)據(jù)未完整采集，因此最終得到30份受試者的主觀問卷評價和腦電數(shù)據(jù)，其中男性受試者和女性受試者各15位。

受試者在實驗過程中難免會受到來自環(huán)境或自身生理活動的干擾，導(dǎo)致腦電數(shù)據(jù)出現(xiàn)各種偽跡，因此需要對采集的腦電信號進(jìn)行預(yù)處理，包括降采樣、去除帶通濾波和空間濾波以及其他生理信號偽聲等。同時為定量分析受試者的腦電數(shù)據(jù)，還需將時域特征轉(zhuǎn)化為頻域特征，并導(dǎo)出不同頻段下的腦電波功率值，腦電信號數(shù)據(jù)在Brain Vision Analyzer 2.2軟件中進(jìn)行處理與分析。受試者的主觀問卷評價在IBM SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，分別對舒適度、緩解度進(jìn)行多因素方差分析，其中組內(nèi)因素為情緒狀態(tài)（中性情緒/負(fù)性情緒），色彩環(huán)境（紅/橙/黃/綠/青/藍(lán)/紫/灰/白），性別（男/女）。

2.2.6 分析方法

行為學(xué)評價指標(biāo)包括睡眠艙色彩環(huán)境對情緒的緩解度以及艙室色彩環(huán)境的舒適度。情緒緩解度是指作業(yè)人員在應(yīng)激狀態(tài)下，色彩環(huán)境對作業(yè)人員的情緒緩解程度，用以形容情緒改善水平[35-36]。色彩舒適度是指色彩環(huán)境所誘導(dǎo)產(chǎn)生的視覺舒適的主觀狀態(tài)，并且可以通過視覺感受轉(zhuǎn)化為一定程度的心理感受，用來描述對當(dāng)前色彩環(huán)境滿意的心理狀態(tài)[37-38]。研究量表采用7級李克特量表。對于舒適度，“1”代表非常不舒適，不舒適程度漸漸減輕，“4”代表中性，舒適程度漸漸增加，“7”代表非常舒適；對于緩解度，“1”代表非常不緩解，不緩解程度漸漸減輕，“4”代表中性，緩解程度漸漸增加，“7”代表非常緩解（中性情緒下代表積極情緒的增加）。

不同頻率的腦電波代表了不同情緒的表征，許多神經(jīng)心理學(xué)研究報告都指出了腦電圖信號和情感之間的關(guān)聯(lián)性[39]。人類的大腦皮層被分為額葉、顳葉、頂葉和枕葉等部分，每個部分負(fù)責(zé)接收不同的信息。前額皮質(zhì)被認(rèn)為是情緒的中樞，前額皮層參與意識、情緒和動機(jī)的活動；顳葉部分則負(fù)責(zé)情感、語言、聽覺以及記憶的處理。

圖6 實驗環(huán)境

圖7 實驗流程

研究指出α頻帶的變化在兩個大腦半球造成的差異性表現(xiàn)常常與情感的產(chǎn)生有關(guān)，如右額葉的相對變化常表現(xiàn)為恐懼、厭惡等負(fù)面情緒或刺激的產(chǎn)生；而左額葉的相對變化與中性或者積極情緒的產(chǎn)生相關(guān)[40]。β波的變化也與效價有關(guān)，它與情緒的喚醒度更為密切。研究發(fā)現(xiàn)不同喚醒度刺激下各腦區(qū)的β波能量發(fā)生了變化，在較高的喚醒程度時大腦的顳葉β波能量明顯增加[41]。因此，在探討不同愉悅度與腦電信號的相關(guān)性時，可以將額葉區(qū)、頂葉區(qū)的α波波形視為主要的觀察目標(biāo)；在探討不同喚醒度與腦電信號的相關(guān)性時，可以將顳葉區(qū)的β波形視為主要的觀察目標(biāo)。

在情緒研究方面，通常用左、右大腦半球波形能量的差異性來表現(xiàn)不同的情感，從而提出了一個備受關(guān)注的大腦半球效價假設(shè)。這個假設(shè)表明，正性的、趨近的情緒在前額的左側(cè)起作用，而負(fù)性的、與退縮有關(guān)的情緒在右側(cè)的前額進(jìn)行處理[42-44]。由于腦的活動與波的能量成反比關(guān)系，波的能量越低，腦部的活動就越活躍，所以在積極情緒時，左額波的能量會下降，而消極情緒時右額波的能量會下降。因此通過分析額葉、頂葉α波的左右腦電平均功率值比值來對愉悅度做分析，通過分析顳葉區(qū)β波的左右腦電平均功率值比值來對喚醒度做分析[39]。

3 結(jié)果

3.1 主觀問卷評價結(jié)果

3.1.1 舒適度分析

對色彩環(huán)境、性別、情緒狀態(tài)3個自變量進(jìn)行多因素方差分析。在舒適度方面，不同的色彩環(huán)境（= 15.398，=0.000<0.05）有顯著性差異，其余自變量及各項之間的交互作用均無顯著性差異（>0.05）。

對色彩環(huán)境變量進(jìn)行事后比較，發(fā)現(xiàn)橙色環(huán)境相對于其他色彩環(huán)境均具有顯著性差異，且舒適度得分最低（=3.350，=0.144）；藍(lán)色環(huán)境相對于綠色和白色環(huán)境無顯著性差異，相對于其他色彩環(huán)境均表現(xiàn)出顯著性差異，且舒適度得分最高（=5.317，= 0.144）。各色彩環(huán)境對舒適度的均值影響，見圖8。

圖8 不同色彩環(huán)境下舒適度得分

將色彩環(huán)境按照暖色（紅色、橙色、黃色）、冷色（綠色、青色、藍(lán)色、紫色）、無彩色（灰色、白色）分類整理，對色彩環(huán)境進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)色彩環(huán)境（=16.210，=0.000<0.05）呈顯著性差異。對色彩環(huán)境進(jìn)行事后比較，發(fā)現(xiàn)暖色環(huán)境（=4.313，=0.077）對冷色環(huán)境（=4.929，=0.077）及無彩色環(huán)境（=4.708，=0.109）呈顯著性差異，且舒適度評分低于冷色環(huán)境和無彩色環(huán)境，冷色環(huán)境與無彩色環(huán)境之間無顯著差異。3種色彩環(huán)境得分，見圖9。

圖9 不同環(huán)境類別下舒適度得分

通過分析可知，不同色彩環(huán)境下受試人員的舒適度有顯著性差異，冷色和無彩色環(huán)境在舒適度評分上優(yōu)于暖色環(huán)境，其中藍(lán)色環(huán)境、白色環(huán)境以及綠色環(huán)境評分均達(dá)到5分以上，舒適性較好。不同性別以及不同情緒狀態(tài)對舒適度評分無影響。

3.1.2 緩解度分析

在緩解度評分上，不同的色彩環(huán)境（=15.925，=0.000<0.05）有顯著性差異；不同的情緒狀態(tài)（=5.756，=0.017<0.05）有顯著性差異；不同的性別（=5.125，=0.024<0.05）有顯著性差異。自變量之間的交互作用無顯著性差異（>0.05）。

在緩解度評分上，對不同的情緒狀態(tài)進(jìn)行事后比較，中性情緒較負(fù)性情緒均值差值為（=–0.237，=0.099）；對不同的性別進(jìn)行事后比較，男生較女生均值差值為（=–0.223，=0.099）。其中，MD代表平均差。對色彩環(huán)境進(jìn)行事后比較分析，發(fā)現(xiàn)橙色環(huán)境相對于其他色彩環(huán)境均具有顯著性差異，藍(lán)色環(huán)境相對于綠色和白色環(huán)境無顯著性差異，相對于其他色彩環(huán)境均表現(xiàn)出顯著性差異，且舒適度得分最高（=5.367，=0.156）。各色彩環(huán)境對緩解度的均值影響，見圖10。

將色彩環(huán)境按照暖色（紅色、橙色、黃色）、冷色（綠色、青色、藍(lán)色、紫色）、無彩色（灰色、白色）分類整理，對色彩環(huán)境進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)色彩環(huán)境（=19.442，=0.000<0.05）呈顯著性差異。對色彩環(huán)境進(jìn)行事后比較，發(fā)現(xiàn)暖色環(huán)境（=4.150，=0.083）對冷色環(huán)境（=4.879，=0.083）及無彩色環(huán)境（=4.617，=0.118）呈顯著性差異，且緩解度評分低于冷色環(huán)境和無彩色環(huán)境，冷色環(huán)境與無彩色環(huán)境之間無顯著差異。3種色彩環(huán)境得分，見圖11。

圖10 不同色彩環(huán)境下緩解度得分

圖11 不同環(huán)境類別下緩解度得分

通過分析可知，不同色彩環(huán)境、不同情緒狀態(tài)、不同性別間受試人員的緩解度均有顯著性差異，冷色和無彩色環(huán)境在緩解度評分上優(yōu)于暖色環(huán)境，其中藍(lán)色環(huán)境、白色環(huán)境以及綠色環(huán)境緩解度評分均達(dá)到5分以上，緩解度較好。

3.2 腦電數(shù)據(jù)結(jié)果

3.2.1 α波平均功率值對比

在中性情緒下，男性以及女性的額葉區(qū)冷色環(huán)境功率比值最?。?0.65，=0.108），無彩色環(huán)境次之（=0.66，=0.083），暖色環(huán)境（=0.72，=0.11）最高；男性以及女性的頂葉區(qū)無彩色環(huán)境（=0.72，=0.055）功率比值最小，冷色環(huán)境（=0.81，= 0.14）次之，暖色環(huán)境（=0.88，=0.09）最大。

在藍(lán)色環(huán)境下，男性及女性的額葉及頂葉區(qū)腦電功率比值最低，愉悅性最好，白色環(huán)境次之。中性情緒下不同色彩環(huán)境左右腦區(qū)α波相對腦電功率比值，見圖12。

圖12 中性情緒下不同色彩環(huán)境α波相對腦電功率比值

在負(fù)性情緒下，男性以及女性的額葉區(qū)冷色環(huán)境（=0.78，=0.09）功率比值最小，無彩色環(huán)境次之（=0.69，=0.06），暖色環(huán)境（=0.77，=0.04）最高；男性以及女性的頂葉區(qū)冷色環(huán)境（=0.86，=0.094）功率比值最小，無彩色環(huán)境（=0.99，= 0.10）次之，暖色環(huán)境（=1.08，=0.142）最大。

在藍(lán)色環(huán)境下，男性及女性的額葉及頂葉腦電功率比值最低，愉悅性最好，白色、綠色環(huán)境次之。負(fù)性情緒下不同色彩環(huán)境左右腦區(qū)α波相對腦電功率比值，見圖13。

圖13 負(fù)性情緒下不同色彩環(huán)境α波相對腦電功率比值

3.2.2 β波平均功率值對比

在中性情緒下，男性以及女性的顳葉區(qū)冷色環(huán)境（=0.73，=0.139）功率比值最小，無彩色環(huán)境（=0.77，=0.114）次之，暖色環(huán)境（=0.85，=0.12）最高。

在藍(lán)色及綠色環(huán)境下，男性及女性的額葉及顳葉區(qū)腦電功率比值最低，喚醒度最好，白色環(huán)境次之。中性情緒下不同色彩環(huán)境左右腦區(qū)β波相對腦電功率比值，見圖14。

在負(fù)性情緒下，男性以及女性的顳葉區(qū)冷色環(huán)境（=0.78，=0.179）功率比值最小，無彩色環(huán)境（=0.80，=0.20）次之，暖色環(huán)境（=0.90，=0.143）最高。

圖14 中性情緒下不同色彩環(huán)境β波相對腦電功率比值

在藍(lán)色環(huán)境下，男性及女性的額葉及顳葉區(qū)腦電功率比值最低，喚醒度最好，白色、綠色環(huán)境次之。負(fù)性情緒下不同色彩環(huán)境左右腦區(qū)β波相對腦電功率比值，見圖15。

圖15 負(fù)性情緒下不同色彩環(huán)境β波相對腦電功率比值

3.2.3 討論

通過對受試者的行為學(xué)指標(biāo)和腦電信號分析可知，主觀情緒評價和客觀腦電信號分析結(jié)果在一定程度上能夠達(dá)到擬合：受試者腦電信號表征的愉悅度和喚醒度越高，其在睡眠艙室色彩環(huán)境中感受到的情緒緩解度和視覺舒適度越高，即色彩環(huán)境對于受試者的情緒調(diào)節(jié)在生理狀態(tài)和心理感受上都具有一定作用。

在中性情緒狀態(tài)下，冷色環(huán)境和無彩色環(huán)境在主客觀表征值上整體優(yōu)于暖色環(huán)境，其中藍(lán)色、白色、綠色環(huán)境相較于其他色彩環(huán)境，主客觀值表征的情緒狀態(tài)更好，更能有效保持或形成良好的情緒狀態(tài)；在負(fù)性情緒狀態(tài)下，冷色環(huán)境和無彩色環(huán)境在主客觀表征值上整體優(yōu)于暖色環(huán)境，其中藍(lán)色、白色、綠色環(huán)境相較于其他色彩環(huán)境，主客觀值表征的情緒狀態(tài)更好，更能有效改善其負(fù)性情緒狀態(tài)。

暖色系色彩往往會給人前進(jìn)、膨脹的感受，冷色系色彩則給人后退、收縮的感受，例如在狹小的艙室空間中涂上淺藍(lán)色會顯得空間更為寬敞[45]。有多項研究表明色彩中的藍(lán)、綠色能夠使人感到舒適、放松、冷靜和涼爽，能夠在一定程度上緩解焦慮水平[46-50]，而橙色、黃色則會刺激情緒，使人興奮[51]。在另一項空間站衛(wèi)生區(qū)情緒適居性的色彩設(shè)計研究中，暖白色被認(rèn)為是生理信號反應(yīng)最優(yōu)的色彩數(shù)據(jù)[52]。

上述研究結(jié)論與本文的實驗結(jié)果是相似的，因此，在狹小、密閉的睡眠艙環(huán)境下，藍(lán)色、綠色、白色的色彩環(huán)境適居性較好，能夠緩解乘員的負(fù)性情緒或形成一個良好的情緒狀態(tài)，可作為航天器睡眠艙環(huán)境色彩進(jìn)行設(shè)計與搭配。

4 設(shè)計實踐

4.1 載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計優(yōu)化策略

載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計的優(yōu)化策略是在航天任務(wù)需求下，通過實驗?zāi)M航天環(huán)境情緒刺激源，從生理信號和主觀感受2個方面綜合分析得出適合航天器睡眠艙的色彩環(huán)境，并將其作為載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計的依據(jù)。艙室類色彩設(shè)計方法一般從一般性原則開展，通過分析自身特點，為睡眠艙色彩設(shè)計提供指導(dǎo)意見。研究將實驗得到的理論色彩與航天器睡眠艙色彩設(shè)計原則有機(jī)結(jié)合，從而保證設(shè)計的有效性與可靠性。載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計優(yōu)化策略，見圖16。

本次設(shè)計實踐案例以載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計為例，將文中實驗結(jié)果應(yīng)用于睡眠艙設(shè)計中，案例選取冷色環(huán)境中的藍(lán)色環(huán)境以及無彩色環(huán)境中的白色環(huán)境對色彩設(shè)計優(yōu)化策略進(jìn)行驗證。

4.2 載人航天器睡眠空間方案設(shè)備布局

在進(jìn)行載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計時，由于設(shè)備空間布局的不同，其呈現(xiàn)的視覺效果也會有所差異，因此需要考慮環(huán)境配置要素。因此，為保障乘員健康生活，有效休息，載人航天器睡眠艙應(yīng)具備以下基本功能：滿足基本的照明需求；應(yīng)設(shè)睡眠休息區(qū)，保證寢具設(shè)施完善；應(yīng)設(shè)收納區(qū)，能夠?qū)σ挛?、私人物品以及電子娛樂設(shè)備進(jìn)行存儲和收納；在睡眠時能夠接收緊急通知，并且具備通信功能；具備為電子娛樂設(shè)備提供能源和相關(guān)信息的保障功能[53]。

在進(jìn)行空間布局方案構(gòu)建時，應(yīng)考慮色彩設(shè)計布局形式。由于載人航天器睡眠艙面積較小，空間狹窄，因此在進(jìn)行空間布局設(shè)計時，應(yīng)盡可能使空間劃分更為整體，從而使色彩更加連貫，營造大空間感覺。同時由于睡眠艙整體功能以睡眠、休息為主，因此應(yīng)避免過多裝飾性元素的設(shè)計，減少環(huán)境色彩對乘員不必要的情緒影響。最終空間方案布局，見圖17。

圖16 載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計優(yōu)化策略

圖17 載人航天器睡眠艙空間方案設(shè)備布局

4.3 載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計方案

載人航天器睡眠艙色彩方案主要為乘員提供積極的情緒支持以及舒適的睡眠環(huán)境，從而保證乘員的生理和心理健康。將實驗取得的理論色彩應(yīng)用于睡眠艙環(huán)境中，并結(jié)合睡眠艙色彩設(shè)計原則進(jìn)行深入和優(yōu)化。睡眠艙色彩設(shè)計應(yīng)保證色彩協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)的色彩不會刺激人的視覺感官，可以讓乘員在視覺和思維活動上感到舒適、愜意。睡眠艙較為狹小，色彩應(yīng)發(fā)揮其面積或體積的視覺調(diào)整作用，使用統(tǒng)一性色彩，擴(kuò)大視覺空間。此外，在確定整體環(huán)境色調(diào)之后，應(yīng)在統(tǒng)一的色彩空間中尋找變化，豐富色彩層次，如增加一些暖色、對比色、重色的使用。最終色彩方案，見圖18。

4.4 設(shè)計評價

在進(jìn)行色彩設(shè)計評價時，采用專家評價法，邀請5名航天色彩和人因工程領(lǐng)域的專家以及5名相關(guān)專業(yè)研究人員對設(shè)計方案進(jìn)行評估。評價過程以VR模擬睡眠艙色彩環(huán)境的體驗展開，之后進(jìn)行問卷調(diào)查，問卷等級為7分制，問卷評價指標(biāo)為色彩環(huán)境的情緒適居性以及舒適性。采用模糊綜合評價法對方案進(jìn)行量化，并由專家賦予權(quán)重集：情緒適居性（0.6）；舒適性（0.4），最終結(jié)果見表7。

根據(jù)模糊綜合評價法的結(jié)果來看，2種色彩方案的綜合得分都接近6分，評價結(jié)果較優(yōu)，驗證了色彩設(shè)計優(yōu)化策略的可靠性與可行性。

圖18 載人航天器睡眠艙色彩方案

表3 色彩方案評價結(jié)果

Tab.3 Evaluation results of color scheme

5 結(jié)語

睡眠問題正逐漸成為航空航天醫(yī)學(xué)一個新的研究前沿，針對未來長期的載人航天飛行任務(wù)，保證乘員良好的睡眠和休息對于順利完成飛行任務(wù)具有重要意義。本文通過實驗分析了載人航天器虛擬睡眠艙色彩環(huán)境對乘員的情緒影響，得出了適合航天特因環(huán)境的睡眠艙環(huán)境色彩，并提出了一種載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計的優(yōu)化策略，最后經(jīng)設(shè)計實踐對載人航天器睡眠艙色彩設(shè)計優(yōu)化策略進(jìn)行了驗證。研究為促進(jìn)航天員適應(yīng)太空環(huán)境，提高環(huán)境舒適性以及處理情緒相關(guān)問題提供了策略支持，對狹小、隔離密閉等相似環(huán)境的色彩設(shè)計也具有一定參考價值。

由于受客觀條件限制，研究仍有一些不足之處，如：實驗過程中所模擬的載人航天器睡眠艙環(huán)境距真實環(huán)境還有一定差距；實驗人員的身體素質(zhì)與心理特征相較于航天員之間存在一定差異；受實驗時長和色彩樣本限制，研究只分析了中性情緒和負(fù)性情緒下的乘員情緒影響變化，缺少正性情緒下的影響研究。因此，在后續(xù)研究中將把這些因素考慮在內(nèi)，優(yōu)化和完善課題研究。

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Effect of Color Environment in Simulated Spacecraft Sleeping Capsule on Crew Emotion

YAO Wen-hao, YAO Xiang, XU Huo-peng, ZHOU Jia-kang, JIANG Ao

(Xiangtan University, Hunan Xiangtan 411105, China)

The work aims to study the effect of color environment in sleeping capsule on crew emotion under different emotional stimuli. 30 subjects (15 men and 15 women) were respectively induced by neutral and negative VR emotional films, and then experienced the color environment of the simulated sleeping capsule by VR technology to complete the subjective emotional evaluation. 20 channel EEG signals of subjects experiencing the color environment were collected. Variance analysis was carried out on subjective emotion evaluation, and EEG signals were preprocessed to analyze the EEG signal energy of α and β frequency bands. Subjective emotional evaluation showed that: in terms of color environment comfort, different color environments (cold color, warm color, colorless) showed significant differences (=0.000<0.05); and in terms of emotional relief, different color environments (cold color, warm color, colorless) showed significant differences (=0.000<0.05). EEG signal displayed: The average power ratio of left and right lobe of inferior frontal lobe and parietal lobe under α wave was the lowest in cold color environment, and the highest in warm color environment. The average power ratio of left lobe and right lobe in inferior frontal lobe under β wave was the lowest in cold color environment and the highest in warm color environment. In the narrow and closed simulated spacecraft sleeping capsule environment, the emotional regulation of the color environment on the subjects can be reflected in their physiological state and psychological feelings, and their subjective feelings and objective physiological data analysis results can be fitted to a certain extent. Among them, the subjective and objective values of blue environment, green environment and white environment are the best, which can effectively improve and form a good emotional state. Finally, the feasibility and reliability of the optimization strategy for the color design of the spacecraft sleeping capsule are verified through the simulation of the color design practice of the spacecraft sleepingcapsule.

color environment; emotional relief; EEG signal; subjective emotional evaluation; simulated spacecraft sleepingcapsule; astronaut

TB472

A

1001-3563(2023)14-0060-13

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.006

2023–02–16

國家社會科學(xué)基金藝術(shù)學(xué)一般項目（20BG115）；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目（21B0110）

姚文豪（1998—），男，碩士生。

姚湘（1982—），男，博士。

責(zé)任編輯：藍(lán)英僑