驾驶机舱LED灯光色温与人员警觉度关系仿真实验研究*

2019-08-13孙瑞山高路平

中国安全生产科学技术 2019年7期

孙瑞山，高路平，李康

(1.中国民航大学飞行技术学院，天津 300300；2.中国民航大学民航安全科学研究所，天津 300300)

0 引言

因为民航运输业全天候运营的特点，飞行员夜间执勤是极为普遍的现象。夜航执勤要求飞行员在人体生物节律低谷期执行着陆操作，是引起飞行员疲劳的主要原因[1]。生物节律低谷期下人员有着较为强烈的嗜睡感受，伴随着较差的注意力、反应时间、判断能力、情绪控制、操作绩效等，严重限制了飞行员对飞机的正常操作。有研究者对739名航线飞行员进行调查，调查结果显示59%飞行员报告疲劳致因为夜间飞行[2]。且有数据调查显示，2006—2016年共发生139起单通道航班事故，其中夜间航行引起的事故共51起，占36.69%；红眼航班相关的事故共26起，占18.7%[3]。同时，夜间航班执勤也会使飞行员产生较为严重的累积疲劳，累积的疲劳也会使飞行员对飞机的操控产生负面影响，若未进行有效缓解，则会严重威胁航班的安全运行。可见，夜间航行中飞行员警觉性的维持，对飞机的安全运行具有较强的现实意义。

LED灯因为在能耗、寿命、稳定性、抗震性等方面的优势，在民航新型客机，如A380、B787等机型驾驶机舱内的应用越来越多。不同色温LED灯光内光线成分有所不同，其具体通过调节红绿蓝三原色比例表现灯光色温，体现在高色温LED白灯光内含有较多的蓝光成分，即短波光线；低色温LED白光灯含有较多红光成分，即长波光线。而不同波长的光线对人员嗜睡感、疲劳感的产生有所影响，有研究发现，短波光线对人员的生物钟系统有干扰[4-5]，且446～483 nm的短波光线对褪黑激素的分泌有抑制作用[6]；有学者进一步分析得出，相对于555 nm光线，460 nm光线对生物节律相位位移、体温、心率变化都有影响[7]。国内关于光线色温的研究，大多集中于视觉疲劳缓解方面，而对具体色温光线下人员警觉度状况的研究较少，更没有涉及到驾驶机舱LED灯环境下人员警觉性状况。早先的研究表明，460 nm左右的蓝光对人员的生物节律相位位移有影响，可刺激提升人员的警觉性[8]。刘娜、王巍通过实验验证的方式，发现6 400 K冷白色光环境下人员平均视力最高，4 500 K中等色温程度下，人员视觉疲劳最轻[9]；杨勇针对公路隧道照明光源对疲劳度影响进行了研究，通过使用闪光融合频率仪，发现色温越高的白光LED对应的闪光融合频率越高，高压钠灯(黄色)下人员视觉效应最差[10]；王媛媛等通过比较3种色温环境下人眼视觉变化，得出以下结论：5 000 K色温环境下，人眼舒适性最高；6 500 K色温环境下，人眼疲劳度较高[11]。综述而言，探讨驾驶机舱内LED色温对人员警觉性影响，具有一定新颖性。

我国适航规章CCAR-25仅对民用飞机驾驶舱灯光色温设置进行了定性要求，而没有进行定量要求。我国军用标准及行业标准涉及驾驶舱色温的有：GJB 455-88、GJB 1394-92、GJB 2020-94、HB 5881-85、HB 5863-84等，以上标准大多制定于20世纪80～90年代，主要考虑飞行员驾驶过程中暗适应能力，而随着现代民航客机仪表系统的发展，客机普遍进行高空飞行，飞行员巡航过程中窗外环境观察的重要性降低，再加之LED灯发光色温原理与其他光源差异性，其在驾驶舱照明中灯光色温具体设置参数仍需细化探讨。

综合上述研究可知，光线可对嗜睡感产生抑制作用，主要表现在短波光线对人员警觉性促进方面。故本文猜想高色温LED灯光对人员警觉性具有一定提升作用，进而设置不同色温环境，并对此环境下人员警觉性的变化进行实验研究，以期为驾驶机舱照明灯光色温设置提供参考。

1 试验方法

1.1 实验场景

本实验选取仿真比例1∶1的A320模拟机作为实验场所。实验灯光置于模拟机顶灯位置，实验过程中2名被试者坐于正副驾位置，3名被试人员坐于后排自设位置，被试者环形排列，与实验灯光距离一致。

根据GB/T 26189—2010《室内工作场所的照明》中的照度标准(驾驶舱顶灯灯光亮度可调)，有自行发光的场所照度为30～50 lux，考虑到飞行员机舱仪表灯光的影响，本实验选取40 lux作为实验室照度。

平均照度E计算公式为[12]：

(1)

式中：E表示照度，单位为lux；L为光通量，单位为lm；K为减光系数，取0.8；μ为利用系数，取0.9；S为照面面积，单位为m2；N为LED灯个数。

经测量，驾驶机舱面积约为14.4 m2，根据式(1)，本实验所需流明数为576 lm，而市面上可选购的LED灯珠光通量为80～100 lm/w，选用最大光通量即8w LED灯珠。

为评价试验变量LED灯光色温对人员警觉性的影响，实验LED灯除色温不同之外，其余规格均相同，3类实验色温分别为：2 500～2 700 K，3 000～3 200 K,6 000～6 500 K。同时被试人员节律类型要求近似，实验时间段保持固定，且实验过程中禁止外界光线照射，禁止人员聊天。

1.2 被试人员

本实验共选取5名男性被试人员参与，年龄在24～27岁之间。要求各被试人员作息习惯近似，均不抽烟喝酒，且不存在色盲、色弱的现象。

1.3 测评工具

1)卡斯罗林嗜睡量表

卡斯罗林嗜睡量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)是一种基于困倦感受的测量量表，由Akerstedt和Gillberg提出[13]，采用1～9级评分，被试人员自评得分越高，主观疲劳感受越严重，通过KSS量表可以衡量不同时刻的疲劳程度。

2)视觉舒适度评分量表

应用自制视觉舒适度评分量表(Visual Comfortable Scale, VCS)对人员于灯光色温下的视觉舒适度进行评价，该量表为0～10计分方式，0分表示极度舒适，10分表示极度不舒适。

3)睡眠觉醒模式自评问卷

采用睡眠觉醒模式自评问卷(Morningness-Eveningness Questionaire, MEQ)量表对被试人员的睡眠觉醒模式进行评价[14]，该量表共包含19个问题，每个问题记0～6分，总分范围为16～86分，包含绝对夜晚型(16～30)、轻度夜晚型(31～41)、中间型(42～58)、轻度清晨型(59～69)、绝对清晨型(70～86)5种睡眠觉醒类型。

4)闪光融合频率仪

闪光融合临界频率(Critical Flick Fusion Frequency, CFF)表征人眼对非连续光刺激时间分辨力，随着被试者疲劳度的增加，人眼对闪烁视标的可分辨频率阈值呈下降的趋势。1941年，西蒙生(E.Simonson)[15]首次利用CFF研究了化验工作者的疲劳问题，发现在化验工作8 h的过程中，闪光融合频率有明显的下降。此后，闪光融合临界频率常被用于对大脑中枢神经疲劳程度进行测试评价，本文采用闪光融合频率仪对被试人员的疲劳度进行客观评价测量。

1.4 试验流程

本实验连续进行3 d，3 d内均在17:30～23:00时间段内进行，即人体生物节律下降阶段，此阶段内人员的警觉性下降，嗜睡感受逐渐上升[16]。实验过程中，被试人员每0.5 h填写1次KSS、VCS量表；每0.5 h采集1次闪光融合数据，具体实验安排如下：

1)实验开始前15 min内，被试人员座位确定，问卷及采集设备安置；

2)17:30进入对应的位置，并置于<8 lux的灯光环境下1 h；

3)18:30关闭灯光，被试人员在黑暗条件下适应1.5 h；

4)20:00打开实验室相应的灯光，第1天为3 000～3 200 K灯光；第2天为6 000～6 500 K灯光；第3天为2 500～2 700 K灯光；被试人员暴露于相应灯光下2 h；

5)22:00关闭LED灯，打开<8 lux灯，被试人员置于此灯光1 h；

6)于<8 lux灯光下，数据采集完毕后，即可结束实验。

2 实验结果

2.1 被试人员睡眠觉醒模式自评问卷结果分析

5名被试人员的MEQ量表得分汇总如表1所示，由表1可知，5名被试人员的睡眠觉醒模式得分均位于42～58分之间，即都属于中间型睡眠觉醒模式，生物节律类型近似，满足进行后续实验的要求。

2.2 被试人员主观嗜睡感受测量结果分析

剔除实验过程中突发的不可控变量对KSS量表得分影响，如：被试人员生理需求、被试人员偶然亢奋等，最终5名被试人员KSS量表得分均值随时间变化趋势如图1所示，其中灰色阴影区为实验灯光照射阶段。通过对3种不同色温下人员KSS得分进行单因素方差分析，接受不同灯光色温照射的人员KSS得分有显著性差异(F(2,15)=3.450，P<0.05)，即不同色温LED灯光对人员主的观疲劳感受有影响：6 000～6 500 K色温灯光下，被试人员人均KSS得分最低，为4.85±1.69；2 500～2 700 K灯光色温下，被试人员人均KSS得分最高，为5.42±1.91；3 000～3 200 K灯光色温下，被试人员人均KSS得分为5.07±1.86。

表1 被试人员MEQ量表测量结果Table 1 Measurement results of MEQ scale on participants

图1 被试人员KSS得分变化趋势Fig.1 Variation trend for KSS scores of participants

结合图1可做如下分析：1)相同灯光条件下，被试人员KSS得分整体随时间呈上升趋势；2)在打开实验灯光后，被试人员KSS得分有较为明显的下降(20:15)；3)在实验灯光照射过程中及之后的一段时间内，6 000～6 500 K LED灯光条件下人员KSS得分持续较低，3 000～32 00 K LED灯光条件下人员KSS得分高之，2 500～2 700 K灯光条件下人员KSS得分最高。

图2所示为前后<8 lux照度下，即17:30～18:30与22:00～23:00 2个时间段内被试人员KSS得分平均变化比。变化比公式如式(2)所示：

(2)

式中：Δ为变化比；Y1为原数值，Y2为Y1变化后数值。

图2 前后<8 lux灯光下KSS得分平均变化比Fig.2 Average change ratio of KSS scores before and after <8 lux light

由图2可知：1)经过6 000～6 500 K LED灯光色温照射后，人员KSS得分变化比最低；2)2 500～2 700 K LED灯光色温照射后，人员KSS得分增长率最高；3)3 000～3 200 K LED灯光与2 500～2 700 K色温LED灯光差别不大，KSS得分变化率居中。

2.3 被试人员客观警觉度测量结果分析

剔除受实验过程中不可控变量影响较大的数据，5名被试人员闪光融合频率测量结果的变化趋势如图3所示，且通过单因素方差分析，接受不同灯光色温照射后，人员CFF测量值有显著性差异(F(2,15)=6.51，P<0.01)，可知：1)实验过程中，被试人员CFF测量结果整体呈下降趋势；2)在接受实验灯光照射后，被试人员CFF结果有明显提升；3)接受6 000～6 500 K色温LED灯光照射后，被试人员CFF得分最高；接受2 500～2 700 K色温LED灯光照射后，被试人员CFF结果最低；接受3 000～3 200 K色温LED灯光照射后，被试人员CFF结果居中。

图3 被试人员闪光融合临界频率变化趋势Fig.3 Variation trend for CFF of participants

被试人员前后在<8 lux照度灯光下，CFF结果下降率如图4所示，可知：1)2 500～2 700 K LED灯光下，被试人员CFF下降率最高；2)3 000～3 200 K LED灯光下，被试人员CFF下降率居中；3)6 000～6 500 K LED灯光下，被试人员CFF下降率最低。

图4 前后<8 lux灯光照度下CFF测量结果变化比Fig.4 Change ratio of CFF measurement results before and after <8 lux light illuminance

2.4 被试人员视觉舒适度测量结果分析

视觉舒适量表分为10分计量，1分表示极度舒适，10分表示极不舒适，分值越高，舒适程度越低。通过单因素方差分析，3种不同灯光下被试人员视觉舒适度有显著性差异(F(2,15)=4.56，P<0.05)。由图5所示可知：1)被试人员在实验测量时间段内，视觉舒适度整体得分呈上升趋势；2)经过灯光照射后，被试人员在6 000～6 500 K LED色温下，视觉舒适度得分最低，视觉舒适程度较高；3)在2 500～2 700 K灯光色温照射下，被试人员视觉舒适度得分最高，视觉舒适度最差。

图5 被试人员视觉舒适度变化Fig.5 Variation trend for visual comfort of participants

如图6所示，被试人员于灯光照射阶段内(20:00～22:00)，2 500～2 700 K灯光下，视觉舒适度得分最高；6 000～6 500 K灯光色温下，视觉舒适度得分最低；根据图7所示，在3 000～3 200 K灯光色温下，人员视觉舒适度下降率最高；在6 000～6 500 K灯光色温下，人员视觉舒适度下降率最低；在2 500～2 700 K灯光色温下，人员视觉舒适度下降率居中。