作業休息制度和搜索區域移動速度對搜索績效和視覺疲勞的影響

徐新然,于瑞峰,王向川

(清華大學 工業工程系，北京 100084)

1 引言

視覺搜索是在視覺環境中將特定對象或特征從視覺背景中找到或區分出來的認知任務[1]。其中，搜索者、搜索背景、搜索目標、搜索區域和搜索任務構成了視覺搜索的五個基本要素。以往的研究表明，搜索績效受到信息特征、任務類型、搜索區域運動狀態、目標顯著性和外部環境等的影響，并且受到個體的視野、視覺敏銳度、視覺搜索策略等的影響[2-4]。

視覺疲勞是長時間的不當用眼之后產生的視覺效能降低的現象[5]。視覺疲勞人群的眼部通常沒有病變，但嚴重的視覺疲勞不僅會導致工作效率降低、錯誤率升高、作業者工作滿意度下降，甚至會引發眼部疾病，導致員工的高流動率[6]。大多數的視覺任務都會導致某種程度的視覺疲勞[7]。隨著視覺顯示終端(Video Display Terminals,VDT)的廣泛使用，越來越多的視覺搜索任務是在VDT上完成的，使用者的視覺疲勞癥狀通常表現為兩類：一類是與視覺調節相關的近距離視力模糊、遠距離視力模糊以及難以從一個距離聚焦到另一個距離；另一類是與干眼有關的眼睛發炎、灼熱、干澀、頭痛、強光敏感、疲倦等不適癥狀[8-9]。視覺疲勞的測量方法分為主觀測量法和客觀測量法[10]。主觀測量方法通常采用問卷獲取被試的視覺疲勞主觀感受[11]，常用的客觀測量指標包括：雙眼調節近點、眨眼率、閃光融合頻率、瞳孔參數等[8,12-14]。其中閃光融合頻率(Critical Flicker Frequency,CFF)是指當被試觀察一個閃爍頻率較低的光源的時候，人眼會有閃爍的感覺，當光源的閃爍頻率逐漸升高，人眼感到光源融合為一個穩定光源時的最小頻率。越大的CFF值代表著越低水平的視覺疲勞，反之疲勞程度越高[15-16]。CFF具有靈敏度高、測量方便等優點，并且CFF值相較于其他客觀指標準確性更高。

視覺疲勞程度會隨著作業時間的持續而逐漸加深[17]，通過作業和工間休息交替的方式可以緩解和消除視覺疲勞[9,12]。不同的作業休息時間安排方式對使用VDT作業的主觀視覺疲勞影響顯著。對于打字任務，當總作業和休息時間恒定時，頻繁的短時作業休息方式引發的主觀視覺疲勞感要顯著低于不頻繁的長時作業休息方式[18-19]。作業者自主安排作業休息制度、長時作業休息制度、短時作業休息制度等不同的作業休息制度對使用VDT進行數據錄入任務、警覺任務和認知任務時的視覺疲勞和工作績效均存在顯著影響[20-21]。因此，通過建立合理的作業休息制度可以調節視覺任務的工作績效和減輕視覺疲勞。以往的文獻中研究了作業休息制度對使用VDT進行打字任務、心算任務、警覺任務和放射圖像診斷任務時的績效和疲勞的影響[19-22]，對于常見的VDT動態視覺搜索任務沒有相關的結論。

針對于動態視覺搜索任務的顯示移動速度對視覺搜索績效的影響研究發現，移動速度在4°/s～6°/s區間時，搜索績效相比于靜態搜索有了顯著的下降[23]。被試在進行動態視覺搜索任務時，CFF值會逐漸降低，降低的過程先快后慢，30 min之后基本趨于穩定，說明被試的視覺疲勞程度隨作業時間的延長逐漸加深，疲勞的過程先快后慢，然后逐漸趨于穩定[24]。

綜上所述，通過設置合理的作業休息制度和搜索區域移動速度可以調節作業者的視覺疲勞程度和搜索績效。本研究將探究不同的作業休息制度、搜索區域移動速度及其交互對動態視覺搜索作業的搜索績效和視覺疲勞的影響，為動態視覺搜索作業的勞動作業休息制度設計奠定堅實的科學基礎。

2 方法

2.1 實驗設計

采用二因子組內設計，組內因子包括作業休息制度和搜索區域移動速度。作業休息制度包括三個水平，分別為高頻率、中頻率和低頻率的作業休息制度；搜索區域的移動速度包括兩個水平，分別是低移速和高移速，低移速時搜索目標項和干擾項移動速度為2°/s，高移速時搜索目標項和干擾項移動速度為8°/s。因變量有三類，包括各個時間節點被試的CFF值、視覺疲勞主觀評分和反應時間。作業休息制度設定為工作5.5 min、休息2 min，工作11 min、休息4 min和工作22 min、休息8 min，分別對應于高頻率、中頻率和低頻率的作業休息制度。三種作業休息制度的總工作和總休息時長一樣，分別是44 min和16 min。使用閃光融合頻率作為反映被試視覺疲勞程度的客觀生理參數。對視覺疲勞程度進行0到7的主觀評分作為主觀指標，其中一點也不疲勞為0分，特別疲勞為7分。

2.2 被試

本次實驗共招募15名實驗被試，其中男性11名，女性4名，所有的被試身體狀況良好，裸眼視力或矯正視力均在5.0以上，無色盲色弱。年齡最大35歲，最小22歲，平均年齡25.9歲，標準差為3.1。所有實驗被試之前沒有參加過類似實驗或者培訓的經驗。

2.3 實驗設備

實驗使用一臺聯想C560一體機顯示，屏幕尺寸23英寸，屏幕分辨率為1 920×1 080，屏幕比例為16∶9，刷新頻率為60 Hz。實驗任務通過動態視覺搜索的任務平臺來完成。實驗平臺采用實驗室自主開發的動態視覺搜索測量軟件TestSys，使用者可以自行調節搜索目標、干擾項、移動速度、搜索目標出現的位置等參數，程序自動記錄單次搜索任務過程中尋找到搜索目標所用的時長。實驗選取的視覺疲勞客觀生理測量參數為CFF，測量儀器為BD-II-118型閃光融合頻率計，光源顯示顏色為藍色。

2.4 實驗材料

實驗過程中的搜索區域為黑色背景(圖1)，搜索任務中的目標項和干擾項均勻分布在以屏幕中心為軸心，將整個搜索區域分成60列、21行的位置上，且目標項的位置不會出現在第6到14行之間的位置上。整個搜索區域中只同時出現一個搜索目標，其余的用干擾項填充。其中，搜索目標為字符O，顏色為白色，搜索干擾項為字符X，顏色為白色。在實驗過程中，搜索界面中的目標項和干擾項始終以同樣的角速度(2°/s或8°/s)從左至右勻速移動。當搜索目標從最右端消失時會從最左端重新出現直至實驗被試發現搜索目標為止，保持整個搜索區域中始終有且只有一個搜索目標存在的狀態。

2.5 實驗流程

2.5.1 實驗總體流程

實驗開始前，主試向被試介紹實驗目的，請被試閱讀知情同意書并簽字。主試向被試介紹CFF測量設備的使用方法，指導實驗被試進行CFF值測量，直到被試能夠快速進行兩次連續CFF值測量，且測得的數值相等，認為被試已經掌握了CFF測量的方法。主試向實驗被試演示動態視覺搜索任務平臺的使用方法，被試調整好實驗座椅，使眼睛平視屏幕中心，與顯示屏幕中心的水平距離保持在80 cm。被試進行10-15 min的練習，直到被試能夠熟練掌握軟件平臺的使用方法并能夠順暢的完成搜索任務，停止練習。休息10 min左右，重新測量CFF值，直到測得的CFF值與最初測得的CFF值相等，開始正式實驗。

正式實驗開始后，按照3種不同的作業休息方式，在各時間節點分別測量被試的CFF值，并進行視覺疲勞主觀感受評分。在休息的過程中，被試不能使用電子顯示設備。

2.5.2 單次搜索任務流程

被試登陸實驗平臺，輸入用戶名，點擊開始實驗即進入搜索任務環節。每單次搜索任務開始之前，被試需要用鼠標點擊屏幕正中央的注視點開始任務。被試開始搜索任務，發現目標后，用鼠標左鍵點擊屏幕任意位置，實驗平臺跳轉到判定界面。被試根據搜索結果，判定目標是在屏幕的上方還是下方，如果由于鼠標誤點導致的沒有看到搜索目標則點擊不能看到，然后迅速點擊確定按鈕，進入下一輪搜索任務。

3 結果

3.1 搜索績效分析

3.1.1 反應時間描述性統計

反應時間的描述性統計結果顯示(表1)，在同一種作業休息制度下，低移速任務的反應時間總是<高移速任務的反應時間，說明移動速度為2°/s時的搜索績效好于移動速度為8°/s時的搜索績效。在同一移動速度下，隨著作業休息制度從高頻率-中頻率-低頻率變化，平均反應時間有上升趨勢，而且在低移速的搜索任務中這種趨勢更加明顯。說明不同的作業休息制度對視覺搜索績效有影響，休息頻率越高，搜索績效越好。

表1 反應時間描述性統計結果(單位：ms)

3.1.2 反應時間配對t檢驗

反應時間的配對t檢驗結果顯示(表2)，低移速-高頻率條件下的反應時間顯著低于其他5組，說明在低移速的搜索任務中采用高頻率的作業休息制度，能夠最大限度地提高搜索績效。

表2 反應時間配對t檢驗結果

3.1.3 反應時間雙因素方差分析

反應時間的雙因素方差分析結果顯示(表3)，作業休息制度的主效應(F=6.328,P= 0.003<0.01)、搜索目標移動速度的主效應(F=8.768,P=0.004<0.01)達到顯著性水平，移動速度和作業休息制度對搜索績效的交互效應(P= 0.123)不顯著。

表3 反應時間雙因素方差分析統計結果(單位：ms)

3.2 閃光融合頻率分析

3.2.1 閃光融合頻率t檢驗

將實驗過程中各個時間節點測得的CFF值減去實驗開始前的CFF值之后，對得到的工作結束時間節點和休息結束時間節點的ΔCFF進行t檢驗(表4、表5)。結果顯示，在6個實驗條件下，工作結束時間節點的ΔCFF和休息結束時間節點的ΔCFF均存在顯著性差異(p’s<0.05)。工作結束時的CFF值<休息結束時的CFF值，說明無論那種實驗組合，動態視覺搜索任務都會產生視覺疲勞，導致CFF值降低，并且無論哪種實驗組合，通過休息都會緩解視覺疲勞，使CFF值恢復。

表4 CFF值t檢驗(低移速)

表5 CFF值t檢驗(高移速)

3.2.2 閃光融合頻率雙因素方差分析

對工作結束時間節點和休息結束時間節點的ΔCFF分別進行雙因素方差分析，結果顯示，休息結束時間節點上，作業休息制度和移動速度的交互效應(P= 0.032 < 0.05)達到顯著性水平。工作結束時間節點上，移動速度的主效應(P= 0.072)和休息結束時間節點移動速度的主效應(P= 0.0585)邊緣顯著。說明在不同的作業休息制度下，不論在工作結束時或休息結束時，隨著移動速度的提高，CFF值都呈現下降的趨勢，疲勞程度有加深趨勢。在休息結束時間節點上，移動速度對疲勞程度的影響大小受到作業休息制度的調節。

3.3 主觀得分分析

3.3.1 主觀得分t檢驗

對工作結束時和休息結束時的主觀疲勞評分進行t檢驗(表6-表7)，結果顯示，在所有的實驗條件下，主觀疲勞評分在工作結束時和休息結束時都存在顯著性區別(p’s < 0.001)。工作結束時的主觀疲勞評分>休息結束時的主觀得分，這說明無論哪種實驗組合，動態視覺搜索任務都會產生視覺疲勞，使視覺疲勞主觀感受加強，并且無論哪種實驗組合，通過休息都會緩解視覺疲勞，使主觀疲勞感降低。主觀得分的變化趨勢和CFF值的變化趨勢一致。

表6 主觀得分t檢驗(低移速)

表7 主觀得分t檢驗(高移速)

3.3.2 主觀得分雙因素方差分析

對工作結束時間節點和休息結束時間節點測得的主觀得分分別進行雙因素方差分析(表8、表9)。工作結束時間節點的主觀得分雙因素方差分析結果顯示，移動速度和作業休息制度均對主觀疲勞感受有顯著影響(p’s < 0.001)。高移速時的主觀得分高于低移速時，低頻率的主觀得分>中頻率的主觀得分>高頻率的主觀得分，說明相比于低移動速度的任務，高移速任務使被試產生的疲勞感更強；作業休息制度高頻率時主觀疲勞感最弱、中頻率次之、低頻率最高。

表8 工作結束時主觀得分雙因素方差分析

休息結束時間節點的移動速度的主效應(p’s < 0.001)顯著，高移速任務的主觀疲勞評分高于低移速任務，說明經過休息之后，高移速搜索任務所帶來的疲勞感仍比低移速任務帶來的疲勞感強烈。而休息結束時的主觀得分與作業休息制度沒有顯著相關性(P= 0.096)。

表9 休息結束時主觀得分雙因素方差分析

4 討論

反應時間的統計結果顯示，移動速度為2°/s的低速動態視覺搜索任務的搜索績效好于移動速度為8°/s的高速動態視覺搜索任務，這一結論和以往的研究相一致[23]。作業休息制度對搜索績效有顯著影響，高頻率休息制度的搜索績效最好，低頻率休息制度的搜索績效最差。在低移速的搜索任務中采用高頻率的作業休息制度，能夠顯著提高搜索績效。

視覺疲勞的統計結果顯示，視覺搜索任務會帶來CFF值的降低和主觀疲勞程度的升高，通過休息則能夠顯著提升CFF值，并減少主觀疲勞。閃光融合頻率分析結果顯示，作業休息制度和移動速度對CFF值的影響都沒有達到顯著性水平，但是隨著移動速度由低速變為高速，CFF值呈現下降的趨勢，與之前的研究結論一致[24]。在休息結束時間節點上，移動速度對視覺疲勞的影響大小受到作業休息制度的調節。主觀疲勞分析結果顯示，在工作結束時間節點上，移動速度和作業休息制度對主觀疲勞的影響顯著。休息結束時，移動速度的影響仍然顯著。說明移動速度和作業休息制度都對視覺搜索作業的主觀疲勞感有影響，且即使經過休息恢復，移動速度的影響仍然顯著。休息結束時，作業休息制度對主觀疲勞的影響不顯著，說明無論哪一種作業休息制度的休息過程都能夠讓被試的主觀疲勞感有明顯的改善，因此休息之后不同的作業休息制度之間的差別不顯著。

5 結論

本文探究了動態視覺搜索任務中作業休息制度、搜索區域移動速度兩種因素對視覺疲勞和搜索績效的影響。實驗結果表明，移動速度對搜索績效、視覺疲勞主觀感受有顯著影響，閃光融合頻率值隨移動速度的升高有降低的趨勢。高移速的搜索任務相比于低移速的搜索任務疲勞程度更高，績效更差。作業休息制度對搜索績效、工作結束時的視覺疲勞主觀感受有顯著的影響。因此，在設計視覺搜索作業任務的時候，可以考慮采用高頻率的作業休息制度，并且適當降低搜索目標的移動速度，在提高搜索績效同時盡量減輕視覺疲勞。本研究結果可以補充視覺疲勞理論，對動態視覺搜索作業的勞動作業休息制度設計有指導意義。