警觉性光环境对飞行认知任务表现的影响

2022-01-15陈彦蒿余隋怀初建杰寸文哲

北京航空航天大学学报 2021年12期

陈彦蒿，余隋怀，初建杰，寸文哲

（西北工业大学工业设计与人机工效工信部重点实验室，西安 710072）

光是人类最重要的环境影响因素之一，其对人们的行为、节律、睡眠、情绪及认知能力有强大的影响［1］。对光的反应研究最初是在警觉性相关的皮层下结构（下丘脑、脑干、丘脑）和边缘区（杏仁核和海马）观察到的，对大脑认知警觉性的发现提供了生理依据［2］。光不仅是提供视觉信息的传递媒介，还是构成非视觉功能的强大调节器，光包括提高警觉性和部分认知任务的表现，其作为大脑功能和认知的重要供给源。由此可见，光环境的质量将直接影响到作业任务的绩效及判断。Mills等［3］研究了不同色温的光照环境对工人的工作表现影响程度，表明了不同色温能够明显干预被试者的工作效率和幸福感；Xiao等［4］研究了光通量和光谱的变化，影响人类昼夜节律、警觉性和情绪的反应幅度，揭示了光对人类影响的非视觉效果。

近年来，适航安全性成为通航研究的重点，数据表明飞行事故及事故征候大多由人为失误导致［5］，长航时多任务作业下飞行员容易出现注意力分散、累积性疲劳，造成认知绩效降低，其中51.6%的重大事故发生在飞行员认知负荷较高的决策阶段［6］，因此研究者开始尝试通过调节照明系统的光环境来降低长航时飞行给飞行员带来的负面影响，使其维持航行中飞行员的警觉性和可靠性［7］。Motamedzadeh等［8］通过提高蓝白光源照明的色温，调节夜班工作的昼夜节律、减少嗜睡，并提高控制室夜班工作人员的认知能力；Scheuermaier等［9］研究表明富蓝白光与多色白光相比，更能改善客观警觉性和认知表现。这些研究表明，蓝光较其他单色或多色光可以更有效激活人类的非视觉反应，提高人体警觉度、任务表现和持续注意力等因素。

蓝光对于人类的昼夜节律很重要［10］，与增强人的情绪［11］和认知表现［12］有关，能够有效提高警觉度［13］，还在一定程度上对脑部认知功能以及情绪调控等方面有着积极的作用［14］。鲁玉红等［15］研究了3种不同峰值波长蓝光下的光生物节律效应，发现468 nm的单色蓝光对人体光生物节律影响最大；Alkozei等［16］将蓝光与琥珀光进行了对比研究，结果显示，蓝光对工作任务具有更快的反应时对嗜睡和疲劳有较好的抑制作用。这些研究结果均表明，富含蓝光的光源表现出更好的警觉干预性，因此开展以蓝光为核心主光色的富蓝多色光警觉性影响分析研究具有重要意义。通常单色蓝光由于其显色性，在飞机驾驶舱照明中鲜有使用，尤其是对长航时疲劳状态下，照明对复杂飞行任务的警醒影响程度关注较少。因此本文以蓝光为主光色基础上，引入其他波长的辅光色，探讨富蓝多色光对飞行任务的认知警觉性影响，经过2个阶段的飞行认知任务和主观评价实验分析，找到综合表现更好的飞机驾驶舱警觉性照明光环境。

1 警觉性认知任务设定

警觉性水平可以通过主客观任务测量来反映，如认知行为、主观反应、疲劳程度、响应时间以及自我报告的清醒程度［17］。在飞行过程中，飞行仪表中的信息呈现是飞行员在空中操作的重要参考和决策依据，也是能否成功完成飞行任务的关键，同时主辅任务测量法是脑力负荷评定方法中的重要测量方法，可以有效评估飞行员的生理心理储备［18］。由于飞行认知功能的复杂性和多维性，很难用单一评价方法对其进行全面评价。因此，本文联合应用以上2种具有典型任务特征的测量方法，用于飞行认知功能的综合评估，以任务反应时、正确率和量表分数为指标，获得实验光环境与飞行认知功能的关联影响关系。

1.1 飞行主辅任务设计

主辅任务测定是在主任务进行的同时，加入一个或多个额外作业，使被试者的认知剩余资源被占用，致使任务绩效受到影响，从而获得绩效随认知任务变化的敏感性［19］。长时间飞行会使飞行员绩效、机警水平降低，进而影响其认知功能，表现为个体记忆力水平下降、注意力不集中、逻辑思维水平减弱，因此将飞行驾驶作为测量的主任务，辅任务采用记忆复现和数学计算实验。记忆复现每组选取3个飞行参数指标词汇，实验开始后对被试者进行词汇信息传达，间隔空档时间后，进行某一数字的阶梯型递减计算，被试者要求依次报出逐级递减的计算结果，完成数学计算模块后，进行词汇信息的复述，记录测试的正确率及完成时间，飞行主辅任务的设计内容如表1所示。

表1 飞行主辅任务设计Table 1 Flight primary and secondary task design

1.2 信息检视任务设计

飞行数据信息检视任务作为飞行员的典型作业任务，对被试者的注意、反应能力及大脑的觉醒程度要求较高［20］，能全面反映飞行员长航时的作业特点，满足警觉性测试需求，故选取数据信息检视判定作为认知实验任务。根据适航条款及飞行手册结合实验任务目的，设置判读指标参数范围，评判仪表指针是否处于正常范围，进行仪表异常信息识别，当发现某信息出现异常时，根据培训内容作出响应，如图1所示。其仪表判读区间设定范围，如表2所示。

表2 仪表判读区间Table 2 Instrument interpretation interval

图1 仪表指针判定方案设计示例Fig.1 Design example of instrument pointer decision scheme

判读界面多信息下各数值是否处于正常范围，利用视觉搜索在多信息呈现界面中，迅速判定非正常范围内容并及时做出反应，此界面信息包括空速、横滚角、俯仰角、航向角及气压高度5种不同的飞行核心参数，如图2所示。实验中每张显示界面均存在一处数据信息异常，被试者根据实验培训内容快速进行判断并做出响应。其界面综合判读区间设定范围，如表3所示。

表3 界面综合判读区间Table 3 Interfacial comprehensive interpretation interval

图2 多信息界面判定方案设计示例Fig.2 Multi-information interface decision scheme design example

信息检视任务是对被试者处理各类信息的理解、分析、判断、推理、论证等综合思维加工能力的测量，是一项复杂的认知任务，需要投入更多的心理资源，因而更显著地体现出大脑认知的差异性。

2 主观综合评价模型构建

主观评价测量是指被试者完成操作任务后，根据相关定义和规则，对自身感受到的光环境警觉性进行表达。根据实验方案设定，初步通过文献研究确定与警觉性相关的量表条目，邀请专家进行相似性评分，从而对评分结果进行K-means聚类分析，将10项聚类的分群条目进行高度凝练与概括，得到包含10个方面的多维度警觉性自评指标N。通过熵权TOPSIS法［21］建立主观综合评价模型，得到各实验光环境下主观评价的偏好等级排序。

1）假定n个评价指标与m个待评价方案构成多目标决策矩阵X，其中xij为第i个待评价方案的第j个指标特征量，形成原始矩阵X ＝（xij）m×n：

运用min-max标准化处理，对原始数据进行线性变换，使计算值映射到0～1之间。转换函数如下：

根据相对贴近度所计算的数值基础上，可以得到各方案的主观优劣排序。当Ci接近于0时，表明该方案的主观综合评价较差，反之接近于1时，表明该方案主观综合评价较好。

3 实例分析

3.1 被试者选取

本次招募16名健康志愿者作为被试者，12名男性，4名女性，年龄在20～30岁之间，视力良好、身体健康，无家族遗传病及神经系统类疾病，他们提供了与飞行员相似的年龄范围和视力状况。所有被试者均具有正常的睡眠习惯及午休习惯，并在正式实验前一周内均保持正常的作息时间并避免服用咖啡及神经中枢类药物。

3.2 实验环境搭建

实验设备包括联想Think Station P410工作站，飞行仿真平台包括操控杆、脚舵和X-plane软件系统等，能够实现对飞机操控、外部视景获取等方面的模拟。实验呈现在24 in（1in（英寸）＝2.54 cm）的显示屏上，被试者距屏幕约500 mm，切视线尽量呈90°夹角，且显示界面中心与被试者的注视中心基本水平。通过E-Prime软件编制实验程序，用以呈现实验任务，被试者通过特定按键进行判断反应，软件自动记录其行为数据。整个实验过程在封闭的模拟舱室空间完成，为模拟实验环境与飞行环境的一致性，实验过程播放飞机驾驶舱舱音，大小为50 d B（A声级）。实验共分为4组照明光环境，所有光线在眼睛水平位置，尽可能保持照度50 lx，其光学参数如表4所示，光谱功率分布如图3所示，光环境1在色彩表现上为单色蓝光；光环境2为富蓝红光，光环境3为富蓝绿光，光环境4为富蓝白光。

表4 实验光源基本参数Table 4 Basic parameters of experimental light source

图3 实验光源光谱图Fig.3 Spectrogram of experimental light source

3.3 实验流程

“午饭后瞌睡”是大多数人在午饭后经历的一段昏昏欲睡的时期，这期间会导致警觉性的暂时下降，主观疲劳感明显，使其工作表现受到严重影响，这与长航时飞行中疲劳和警觉性丧失导致的不良判断具有一致性的趋势，且复杂认知活动和反应时任务对睡眠缺失最敏感［22］，因此选择剥夺午睡来设定认知疲劳情境，从而可以更好地发现光环境对警觉性的调节表现。在进食午饭后1 h进入实验环节，实验共分为3个模块，分别为飞行主辅任务模块（计算力及记忆力认知实验）、信息检视任务模块（判断力、寻错力及逻辑力认知实验）和主观综合评价模块（主观自评量表实验）。被试者进入实验环境后，先进行10 min的光环境适应，期间主试者讲解实验指导语，阐述实验流程，并安排被试者进行实验前练习，确保充分掌握实验方法，整个单次实验时长约30 min，单次实验结束后被试者于自然光环境下休息10 min进行下一次实验，实验整体流程如图4所示。每次实验的内容设定均不一样，但实验素材的难度和形式均保持高度一致性，均由同一测试库中随机抽取分配组成。

图4 实验流程测试顺序Fig.4 Experimental procedure and test sequence

3.3.1 计算、记忆力测试

在实验开始后，被试者进入X-plane软件内进行飞行驾驶操作，实验进行5 min后，由主试者向被试者传达3种飞行参数名称并要求被试者复述一遍且记下，如“空速、气压、航向”；随后5 min进入阶梯型递减计算，如要求被试者从99中减6，从所得的数再减6，如此循环得到5个答案即停止；实验进行15 min时，主试者向被试者询问3种参数名称，回答出的词语正确即可，顺序不做要求。记录被试者从第1次计算到第5次计算的作答时间和正确率，记忆力部分不做时间统计。

3.3.2 判断、寻错、逻辑力测试

进入E-Prime程序实验，分为3个部分：①每次屏幕出现3个仪表盘，被试者对3个仪表盘的读数进行判断，并按下非正常范围的仪表编号，敲击空格键结束此页面，进入下一次判读，其中包含单选或多选的混合判读，判读次数10次；②对综合显示界面的各参数范围进行判读，并利用视觉搜索寻找到非正常数值，按下相应的参数指标编号，同时系统自动进入下一次判读，判读次数5次；③对题目的题干进行阅读，然后根据问题选择正确的答案，答案选择完毕后，系统自动进入下一题。系统记录下被试者对每一题的作答时间和正确率。

3.3.3 主观自评量表

单次实验结束后，要求被试者填写自评量表，量表共分为10个自评指标，分别是警觉度、活跃度、清醒度、兴奋度、敏感度、专注度、响应度、舒适度、喜好度和愉悦度，自评等级采用1～5级评定标度，5表示完全符合，1表示完全不符合。

4 实验结果分析

在光环境实验中，反应时是指从刺激仪表界面呈现到被试者判读得到答案并作出反应的时间。正确率是指被试者确定判读后作出恰当的按键反应，且反应时处于一定标准范围内的正确试次占总试次的比率。本文在保证正确率的前提下，将更短的反应时作为更高的警觉度水平与更好的任务表现指标。

4.1 飞行主辅任务结果分析

对实验数据进行预处理，剔除错误反应数据，选用Kruskal-Wallis进行差异性检验，随后进行组间单因素方差分析，得到不同光环境下，计算力测试总反应时和总正确率之间存在显著差异（F（3，60）＝3.811，P＝0.014；F（3，60）＝25.498，P＝0），F为方差分析，检验结果的表达式F（组间自由度，组内自由度）＝具体数值。记忆力测试正确率之间不存在显著差异（F（3，60）＝0.232，P＞0.05），表明不同光环境对计算力有显著影响，而对记忆力无显著影响。计算力测试总反应时均值M和标准差SD分析结果如表5所示。计算力测试总反应时均值排序为：光环境3＞光环境2＞光环境4＞光环境1，单色蓝光下的反应时最短，表现出较高的警觉性和较好的任务表现，富蓝白光相较于红、绿光，警觉性更好仅弱于单色蓝光，但4组光环境在记忆力表现方面均无显著影响，说明不同光环境下对记忆力的主效应不明显，这与蓝光可以增强语义记忆能力的研究结果不一致，可能是由于本文对记忆力测试内容的设置过于简单，亦或许与照明的持续时间不足有关，无法更好地体现出蓝光的警觉性作用。

表5 计算力测试实验分析结果Table 5 Experimental analysis results of calculation ability test

对计算力测试的每道题进行均值与标准差计算，各组光环境下，反应时随着时间的增长而逐渐上升，实验进行到光环境3时，计算力单次题目反应时已出现最大峰值，表明被试者呈现出严重的认知疲劳，随后光环境4呈下降趋势，如图5所示，表明富蓝白光在警觉性方面效应明显，能够加快被试者的计算力反应时间。计算力测试总正确率均值排序为：光环境1＞光环境4＞光环境2＞光环境3，如图6所示，表明计算力测试反应时与正确率在警觉性影响方面呈一致性趋势，富蓝白光与单色蓝光对提高被试者的警觉性效应显著。

图5 计算力测试题目反应时Fig.5 Response time of calculation ability test questions

图6 计算力测试总正确率Fig.6 Total accuracy of calculation ability test

4.2 信息检视任务结果分析

不同光环境下，信息检视任务总正确率和总反应时存在显著差异（F（3，60）＝6.991，P＜0.05；F（3，60）＝13.883，P＜0.05），通过单因素方差对3个模块进行分析，得到不同的光环境下，判断力的反应时及正确率、寻错力反应时、逻辑力正确率之间存在显著差异（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），而寻错力正确率、逻辑力反应时不存在显著差异（F＝0.347，P＝0.792；F＝2.697，P＝0.054）。信息检视测试分项模块反应时、总反应时均值M和标准差SD分析结果如表6所示。总反应时均值排序为：光环境2＞光环境3＞光环境4＞光环境1，显示单色蓝光对提高警觉性表现仍为最好。

表6 信息检视测试结果Table 6 Information inspection of test results

对信息检视测试的每道题进行均值与标准差计算，判断力和寻错力部分4组光环境反应时表现效应明显，逻辑力每题间的显著性效应不强，如图7所示。总正确率均值排序为：光环境4＞光环境1＞光环境2＞光环境3，如图8所示，单色蓝光在正确率方面较富蓝白光有所下降，但仍高于另外2组，可能由于单色蓝光对提高警觉性具有强激性效果，容易产生疲劳，增强效应短暂、持久性差，这与目前的研究结果趋于一致。

图7 信息检视题目反应时Fig.7 Response time of information inspection questions

图8 信息检视总正确率Fig.8 Total accuracy of information inspection

将4组逻辑力测试总反应时用箱图做离散化处理，如图9所示。4组数据的趋势呈同一水平，但各组反应时的异常值明显，可能逻辑力测试存在较高认知难度，光的非视觉效应影响不再显著。

图9 逻辑力总反应时离散化结果Fig.9 Results of discretization for total response time of logic abilities

4.3 主观综合评价结果分析

通过差异性分析结果表明，不同光环境下，警觉度N1、活跃度N2、清醒度N3、兴奋度N4、响应度N7、舒适度N8、喜好度N9、愉悦度N10之间存在显著差异（P＜0.05），而敏感度N5、专注度N6之间不存在显著差异（P＞0.05）。

主观评价指标均值结果如图10所示。兴奋度富蓝红光强于其他光色，可能与日常认知习惯相关，单色蓝光的专注度最差，表明情绪积极性提高可能会对任务的投入性减轻，同样舒适度、喜好度最差，表明持续性刺激情况下会降低主体的主观舒适性，这2项中富蓝白光表现最好，体现出了与认知主体的主观喜好相契合。富蓝红光在愉悦度上评价最高，结果可能与色彩心理相关，这与Laszewska等［23］研究结果相一致。富蓝绿光综合主观表现最差，在警觉性方面，主观感受性不强，这与Lockley等［24］得出555 nm绿光对主观嗜睡等级及脑电EEG没有显著影响的研究结果相似。

图10 主观评价指标结果Fig.10 Subjective evaluation index results

主观综合评价方面，运用认知熵得到各指标权重，对初始决策评价矩阵加权标准化后，得到实验光环境的主观评价最优解和最劣解，如表7所示。

表7 指标权重及最优、最劣解Table 7 Index weight and the positive and negative ideal solutions

根据各实验光环境与理想解的相对贴近度，可得到实验光环境的综合排序，如表8所示。根据相对贴近度C可知：光环境4＞光环境1＞光环境2＞光环境3，综合评价最高的为富蓝白光。客观警觉性和主观评价结果不一致，这与Zhou等［25］研究得出认知主体的主观感受和客观行为有一定差异具有一致性。从结果可以看出，单色蓝光的主观评价结果并不如富蓝白光，可能是单色蓝光在环境氛围表现上不如富蓝白光显得温和舒适，单色蓝光通常表现出更为人造、照度更为强烈，这进一步支持了研究结果应用于舱室光环境照明的实用性。