受限空间不同照度环境下VDT作业视觉疲劳

徐明伟，金龙哲，田兴华，魏祎璇，王丽君

1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 西弗吉尼亚大学工业工程系，摩根墩 26505

受限空间是指通风不良、容易造成有毒有害气体积聚和缺氧的设备、设施和场所.受限空间职业危害因素很多，目前研究者关注较多的是受限空间的窒息[1]，中毒[2]，爆炸[3]，高温[4]等方面的事故.但随着现代电子设备的不断发展与进步，受限空间内作业人员从事视频显示终端（Visual display terminal，VDT）作业已经非常普遍，比如，煤矿中的监控硐室，轮船中的屏幕作业的船舱等.由于受限空间结构复杂，视野相对狭窄，这种作业空间一般由于作业人员较少，容易忽略采光因素，而光照又是视觉疲劳的重要影响因素.相比正常环境，受限空间作业环境更为恶劣，在这种受限空间中进行VDT作业，长时间观看屏幕会导致眼睛的极度疲劳，继而引发事故.由于VDT的自发光原理，即使在黑暗环境中作业人员依然能够看清屏幕，因此，在实际VDT工作站中，人们对环境的光照更容易忽略.而光环境对VDT视觉疲劳有重要影响.据美国OSHA调查[5]显示，船厂环境中受限空间损伤率是一般建筑业的两倍.研究显示[6]，在工作或娱乐中经常使用屏幕的群体，有70%至90%的人会出现电脑视觉综合症（Computer vision syndrome，CVS）.综上所述，受限空间的光照问题对职工的健康和安全生产有重要的影响，因此，对受限空间内光照对作业人员的研究显得尤为重要.

视觉疲劳的监测方法主要分为主观和客观两种[7].主观评估方法通常采用主观评价量表[8]方法对整个实验过程的疲劳程度进行初步定量分析[9]，该方法相对简单，能够明了的分析出疲劳与否，但易受个体差异和心理影响因素[10].随着信息技术化的发展，人们也探索了众多客观评估视觉疲劳方法.孙立斌[11]利用闪光融合频率（Critical flicker frequency，CFF）对航空管制员进行视觉疲劳测试，建立了疲劳评价模型，但CFF容易受近视，散光和心率等因素影响[12].郭梦竹与李世武[13]用实车装置研究驾驶员的视觉疲劳问题，构建了驾驶员反应时概率密度函数，但是反应时测量误差较大[14].近年来随着脑科学的发展，脑电作为疲劳测试的手段也引起了不少人的关注[15-17]，脑电信号蕴藏很多生理信息，但脑电测量要求较高，需要涂导电凝胶等，操作复杂.瞳孔直径作为人眼的一部分，其调节机制[18]对于视觉状态评价标准的建立具有重要意义.疲劳状态尤其是瞌睡状态下瞳孔会有很大的变化，人们瞌睡时的瞳孔会减小，疲劳时瞳孔直径有比较明显的变化，而清醒人的瞳孔尺寸（稳定光照下）保持相对稳定[19].Koo等[20]在不同观看条件下观看两个不同的视频，监测瞳孔直径的变化，主观疲劳明显时，瞳孔直径减小.因而，根据瞳孔变化的程度分析视觉疲劳水平是有价值的，经综合考究，本研究采用测量瞳孔直径的方法.

1 实验设计

1.1 实验人员及器材

为尽可能减少个体差异性的影响，被试的视觉生理等状态进行严格挑选和控制，挑选视力水平正常、无佩戴眼镜的受试者.为尽可能减少自身身体状况影响，要求受试者在测试前7 d内未服用任何药物，实验前36 h内无剧烈运动，24 h内不允许饮酒，12 h内不允许饮用咖啡、功能性饮料.用心理压力分析仪（DH-600）挑选近期心理压力正常的受试人员.所选取人员的年龄、身高和体重相差较小.综上，所挑选受试者在一定程度上能代表受限空间作业人员.本实验共选择了24位符合上述实验要求的在校大学生作为受试人员，其中14名男生，10名女生.实验前对受限空间VDT作业进行调研，并对受试者进行培训，使其尽可能接近实际情况.其中受试者身体指标如表1.

表1 受试者参数Table 1 Subject parameters

仪器：眼动仪ASL Mobile Eye，采样频率30 Hz（美国 ASL Applied science laboratories）；ASL EVEVISIN分析软件，录像机：索尼GV-D1000E，RUM记录器安装单元，可调式眼镜，可调节照度遥控灯Mi.light遥控器，光度测量计，测量范围 1～50000 μW·cm2，作业试验台，设备组成如图1所示.

图1 实验主要仪器Fig.1 Main instruments of the experiment

1.2 实验环境设置

Lin等[21]在研究VDT工作站环境光照对视觉疲劳的影响时，设置了环境照度为20和340 lx.为开展在不同的照度光环境下的研究.Li等[22]研究煤矿井下低照度对安全行为的影响时，设置照度为 10，30，50，75和100 lx，推荐照度在 50 lx以上.Mashkoori等[23]在调研工作站光环境对人舒适性时，发现所调查的最高照度不超过580 lx.同时根据前期研究和调研，本次实验兼顾到高照度和低照度，设置在 50，100，200，300，400，550和700 lx共计7个照度梯度.在受限空间作业，进入人眼的光主要是由两部分构成，一部分是由环境中灯光等光源提供，另一部分是由VDT发出的光.根据前人研究[21-23]环境光源影响程度较大，且本研究主要研究受限空间中环境光源对视觉影响，为此本实验将始终保持屏幕亮度恒定，选取正常亮度，将屏幕亮度设定为150 cd·m-2，设置的照度方法为用照度计测量人眼高度且没有屏幕时的照度.暂且不考虑环境光源与VDT发光的交互作用，此实验设计将为下一步深入研究奠定基础.

1.3 工作任务及流程设计

VDT文字输入性工作是常见的用眼较多，且需要注意力集中的工作.因此本实验设计受试者VDT作业内容为文字输入工作，文字内容为网上节选的优秀文章合集，生僻字较少，打字难度适中.此处需要在实验前对每位受试者进行眼动仪使用进行培训.为保证实验效果，每人实验重复3次实验，实验阶段为上午 9:30至 10:30，下午14:30至15:30，整个实验在北京科技大学可移动救生舱内进行.实验室恒温23 ℃，湿度40%～50%，实验场景如图2.

图2 实验场景布置示意图Fig.2 Schematic of an experimental scene layout

2 结果

2.1 瞳孔直径预处理

（1）归一化处理.

眼动仪的记录数据是以像素为结果记录的，像素和分辨率是有关联系的.因此在数据处理前需要将记录的瞳孔数据转化为以长度为单位的瞳孔直径（式（1）和（2））.

式中：dp，mm；r为眼动仪测得瞳孔半径，像素；L为录制视频画面像素的长度，像素；W为录制视频分辨率的宽度，像素.L=640像素，W=480像素.

（2）降噪处理.

ASL Mobile Eye采样频率为30 Hz，不同光照下，作业人员的视觉疲劳是一个渐进的过程，人眼在暗处或者明亮处对光的敏感度产生逐渐暗适应，明适应（Light adaptation）和暗适应（Dark adaptation），这个过程需要几秒完成[24-25]，研究发现，不自觉眨眼对瞳孔直径有明显影响[26]，因此为了排除眼睛明暗适应和眨眼干扰，必须进行降噪处理.

利用式（2）将瞳孔直径由像素单位转化为长度单位.Savitzky-Golay去噪是对移动平滑去噪的改进，滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度不变[27-28]，因此对其进行Savitzky-Golay卷积平滑降噪处理，过程如式（3）.

式中，xk.s为瞳孔直径平滑结果，mm；ω为设置窗口大小.

考虑到明暗适应时间，本研究选取1 min的瞳孔直径数据作为研究对象，因此平滑窗口宽度设置为60 s，数据降噪结果（部分展示）如图3所示.

图3 瞳孔直径去噪后处理Fig.3 Post-processing of pupil diameter denoising

2.2 瞳孔直径随照度变化

瞳孔直径的变化与光照度具有很强的相关性，为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规律，将瞳孔直径随不同照度的变化进行统计.田会娟等研究表明[18]，不同性别之间的标准化瞳孔直径具有相同的变化趋势，因此将男女瞳孔直径取平均值.瞳孔直径与照度之间的关系如图4.可明显看到，随着照度的增强，瞳孔直径呈减小趋势.

图4 瞳孔直径随照度变化Fig.4 Changes in pupil diameter with illuminance

2.3 瞳孔直径随作业时间变化

Iskander等[29]利用瞳孔相对变化率来衡量瞳孔的变化，如式（4）.该方法减少了由于个体差异带来的影响，因此本研究在数据处理工程中选用瞳孔直径变化率来评判瞳孔直径变化.工作前几分钟可以认定为作业人员还未发生视觉疲劳，因此选择前5 min的瞳孔尺寸.同时，又考虑到因环境适应过程带来的干扰，剔除了前2 min的数据，本研究将第2～5 min的瞳孔直径取平均值.

式中：δdp,i为i时刻瞳孔直径变化率，%；为实验开始一段时间的瞳孔平均直径，mm，本实验取实验开始2～5 min平均瞳孔直径；p,i为i时刻平均瞳孔直径，mm.瞳孔直径变化率统计结果如图5.

图5 不同照度下瞳孔直径随作业时间变化Fig.5 Changes in pupil diameter with operating time under different illuminances

3 讨论

3.1 光照对瞳孔影响分析

瞳孔直径的扩张变化是通过虹膜扩张器肌肉，由交感神经系统支配[30].德国慕尼黑大学Pfleging等[31]认为，瞳孔直径也受认知任务的影响，当认知任务增大时，瞳孔直径变大，其变化范围大致在0.1～0.5 mm之间，但其导致的变化远远小于由于光照导致的变化.华盛顿大学的Binda等[32]在研究不同注视内容和不同光照时发现，照度对瞳孔直径的大小的影响远大于注视的内容，照度对瞳孔变化的影响是图片特征对瞳孔变化影响的3倍左右.因此本实验控制打字内容为文字，所以，实验内容引起的差异远远小于33%.因此，为探究在不同照度条件下瞳孔半径的变化规律，可以忽视认知（本研究中即为不同打字内容带来的差异）的影响因素，单独研究瞳孔随照度变化关系.Iskander等[29]在研究3D头盔景深与瞳孔关系变化时，分别用指数函数，直线，二次函数，三次函数进行拟合，发现指数函数的拟合度最好，因此，在此基础上结合数据特征，本研究增加第4种拟合方式，即幂函数拟合，拟合曲线和结果如图6和表2.

图6 不同照度下的瞳孔直径拟合结果Fig.6 Fitting results of pupil diameter under different illuminances

从图6和表2可以看出，随着照度增大，瞳孔直径总体呈减小趋势，4种函数拟合结果表明，幂函数拟合效果最好，调整系数R2达到0.9856.该拟合结果优于Iskander等[29]研究的指数函数.因此，对于瞳孔-照度关系时优选幂函数.同时，从图5可以看出在照度较低的环境中，瞳孔尺寸变化较剧烈.对优选的幂函数进行求导，结果如图7，在黑暗环境（照度＜100 lx）对瞳孔直径变化率的影响最大.

3.2 作业时间对瞳孔直径影响分析

根据前期研究成果[33]，在受限空间300 lx左右照度条件比较适宜，因此以300 lx环境为参照，分别作出低于300 lx照度和高于300 lx照度下的曲线图（如图5）.从图5可以看出，在照度为300 lx时，瞳孔直径变化浮动最小，这与田会娟等[18]研究：被试者处于视觉舒适状态下瞳孔直径相对变化量为-2.14%～2.14%，基本保持一致.康奈尔大学的Tseng，Costa和宾夕法尼亚州立大学的Abdullah共同研究发现[34]，当人们处于警觉状态时，交感神经控制系统会使瞳孔放大，以便更容易获取信息，当人们昏昏欲睡时，或者警觉度下降时副交感神经会导致瞳孔收缩.又有研究[35]发现，即使在恒定光照情况下，瞳孔直径不是恒定不变的，会震荡，但是震荡幅度不同.因此，可以用瞳孔直径震荡变化中的下降趋势来判定视觉疲劳.从图6可知，在不同光照下瞳孔直径均出现不同程度的震荡，在VDT作业后期，瞳孔直径均出现下降趋势.高照度（400，550和700 lx）环境下瞳孔直径变化率在-12%～8%之间浮动.在VDT作业后期，高照度环境下瞳孔直径减小的程度700 lx＞500 lx＞400 lx，因此可以推测，在300～700 lx之间，随着光照强度的增强，作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加.低照度（50，100和200 lx）环境下瞳孔直径变化率在-8%～4%之间浮动.在VDT作业后期，低照度环境下瞳孔直径减小的程度50 lx＞100 lx＞200 lx，可以推测，在50～300 lx之间，随着光照强度的减弱，作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加.据上述分析知，不同的光照强度对视觉疲劳有不同的影响，在照度为300 lx附近视觉疲劳发生程度较低，在较亮（550和700 lx），或者较暗光照条件下（50和100 lx）均容易发生疲劳.

表2 不同函数拟合结果Table 2 Fitting results of different functions

图7 不同照度下的瞳孔直径变化率Fig.7 Rate of change of pupil diameter under different illuminances

根据研究[36]，在恒定光照情况下，瞳孔直径不是恒定不变的，会震荡，但是震荡幅度不同.因此，可以使用瞳孔直径的波动程度反映其疲劳程度.本研究使用窗口化的标准差判断其震荡程度，将窗口设为5 min，统计连续5 min内的标准差，如式（5）和（6）.

式中：σ为标准差，%；xi为i时刻的瞳孔变化率，%；，μ为连续5 min内瞳孔变化率的均值，%.

图8 不同照度下的瞳孔随时间震荡程度.（a）50 lx；（b）100 lx；（c）200 lx；（d）300 lx；（e）400 lx；（f）550 lx；（g）700 lxFig.8 Degree of pupil shock over time under different illuminances: (a) 50 lx; (b) 100 lx; (c) 200 lx; (d) 300 lx; (e) 400 lx; (f) 550 lx; (g) 700 lx

由图8可知，在不同照度条件下，瞳孔震荡程度σ在作业过程中都出现了明显的波动，其中在不同的时刻出现了峰值，据研究[36]可以将其疲劳程度关键点[37]，其出现的时刻可以作为判断疲劳出现的关键时刻，对峰值进行统计，结果如表3.

表3 σ 峰值出现时刻Table 3 Time of appearance of σ peak min

由表3可知，低照度下的σ峰值出现时间总体早于高照度下σ峰值出现的时刻，300 lx照度下σ峰值出现的时刻最晚，由此表明，弱光照下对视觉造成的疲劳程度大于强光照下造成的疲劳，据此分析，在受限空间内作业应避免照度过低的情况出现，以减缓视觉疲劳的发生.据本实验结果可以大致判断出发生明显疲劳的时间节点.因此，根据实验结果，σ峰值作为疲劳发生变化的重要节点，推荐在受限空间内进行VDT作业的工作人员在σ峰值出现前适当的放松休息，减缓视觉疲劳的发生.作出不同照度下VDT作业疲劳曲线如图9所示，以此对受限空间内VDT作业休息时间进行指导.

图9 照度-疲劳曲线Fig.9 Illuminance-fatigue curve

4 结论

（1）随着照度增大，瞳孔直径总体呈减小趋势，瞳孔-照度变化规律符合幂函数.

（2）照度400，550和700 lx环境下瞳孔直径变化率在-12%～8%之间浮动，在300～700 lx之间，随着光照强度的增强，作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加，低照度50，100和200 lx环境下瞳孔直径变化率在-8%～4%之间浮动.在50～300 lx之间，随着光照强度的减弱，作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加.

（3）使用窗口化的瞳孔直径标准差判断其震荡程度，低照度下的σ峰值出现时间早于高照度下σ峰值出现的时刻，300 lx照度下σ峰值出现的时刻最晚，弱光照下对视觉造成的疲劳程度大于强光照下造成的疲劳，σ峰值作为疲劳发生变化的重要节点，以此对疲劳的出现作出判断.