面向適人性的空間站光環(huán)境與人因照明研究

劉 博, 李天宇, 蘇 航, 張淞博, 楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院, 深圳 518055)

1 引言

空間站中長期駐留的航天員會產生各種生理或心理的不適。20 世紀60 年代起,蘇聯對空間特殊環(huán)境對人影響進行研究;NASA 也在發(fā)展載人航天的初期設立空間飛行環(huán)境中人的能力研究專項。中國載人航天任務正在從短期空間飛行向長期空間飛行跨越,對于空間站適人性的研究將成為后續(xù)航天任務順利實施的關鍵[1-2]。

失重環(huán)境下,由于體液頭向轉移,人的運動學和動力學特性會隨之發(fā)生不同程度的改變,這會對航天員操作設備、移動物體或自身移動時產生不利影響[2]。對航天員的認知能力的研究發(fā)現[3-6],在重力環(huán)境改變的狀況下,感知-運動功能與高級注意功能會受到較大干擾,航天員對信息的接受與加工能力會下降,出現如搜索行為減少、對視覺線索反應時間延長及警覺性降低等現象。

在空間站艙內光環(huán)境方面,NASA 從2015 年開始了一項名稱為“測試固態(tài)照明對策以改善國際空間站的晝夜節(jié)律適應、睡眠和性能”的研究[7],該研究促進了國際空間站中照明設備的更新以及節(jié)律照明等功能的實現。Jiang 等[8]、Lu等[9]也針對空間站內光源的色彩、色溫對航天員主觀滿意度的影響進行了模擬研究。但空間站中的光環(huán)境適人性與地面人居環(huán)境中的差異目前仍然缺乏比較可靠的實驗驗證。

目前,空間站中的光環(huán)境研究是從建筑照明與光環(huán)境研究中發(fā)展而來[10-11],在建筑照明研究中已經有大量的實證研究論證了照明對人體的警覺性[12]、認知能力[13-14]和情緒[15-16]有顯著的非視覺生物效應。空間站適人性的研究正在逐步走向細化領域,在載人航天中也可以利用光環(huán)境的各類積極效應來調節(jié)航天員的感知、理解、判斷、決策、操作能力,并調動積極情緒,以應對腦力疲勞或工作壓力,進而降低人為失誤的發(fā)生,提高在軌期間安全。

本文以改善在軌空間站中的光環(huán)境適人性為目標,以光環(huán)境適人性指標中4 項主要視覺作業(yè)績效指標(視覺辨別力、距離感知、警覺度、主觀感受)為研究對象,探究光環(huán)境在模擬空間站場景與地面人居場景中的適人性差異。

2 實驗設計

實驗采取了心理物理學實驗與隨機對照組實驗的方法,通過在專業(yè)的照明實驗室中設置不同的姿態(tài)、照度值以及色溫組合而成不同的測試場景,對不同視覺作業(yè)指標進行實驗,量化并梳理各參數之間的影響關系。

2.1 實驗環(huán)境搭建

實驗在哈爾濱工業(yè)大學(深圳)智能人因照明實驗室(iLLab)內進行空間站光環(huán)境模擬。該實驗室為封閉無窗暗室,可有效隔離其他光源干擾。實驗室內部其他環(huán)境指標設置為溫度22 ～24 ℃,濕度40%～70%。實驗環(huán)境由全通路多光譜LED 光源調節(jié)系統(tǒng)、移動觀測面距離測量系統(tǒng)、反應時間測試設備、績效測試設備和其他輔助設備組成,如圖1 所示。

圖1 實驗室環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of the lab

在距離判斷任務中通常由被試者手動移動目標物進行距離估算,為了進一步降低實驗中身體四肢對距離感知產生的影響同時擴大可測試的距離尺度,在觀測面的移動方式上采用了通過無線遙控器控制目標觀測面移動的方式。在反應時間測試及績效測試任務中,為避免不同姿態(tài)肢體發(fā)力的差異,測試裝置包括電子觸控屏幕等均由支架固定在據被試者相同距離處。

為了盡可能模擬航天員在太空時所處的微重力狀態(tài),實驗搭建了-6°的頭低位傾斜平臺[6],同時參照站立姿態(tài)時工作面與光源的相對關系,在平躺姿態(tài)及-6°頭低位姿態(tài)時將光源投射方向進行調整,保持與工作面的垂直角度。不同姿態(tài)下的光環(huán)境均使用Thouslite LED Cube 來模擬在軌空間站中的照明光源,該設備具備在全光譜范圍內光色任意可調的功能,而且可輔以Konica Minolta CL500A 光譜儀的閉環(huán)反饋通路實時調節(jié)照度和色溫。

2.2 實驗參數選取

實驗將選取3 種不同的實驗姿態(tài)(站立姿態(tài)、平躺姿態(tài)及-6°頭低位臥床姿態(tài))和6 種照明條件作為研究的自變量,4 種適人性指標(視覺辨別力、距離感知、主觀感受、警覺度)作為因變量。

6 種照明條件參數的選取參考CIE 照明標準,選取包括3 種照度(75 lx-休息場景、300 lx-艙內工作場景、750 lx-艙內精密操作場景)和2種色溫(2700 K-暖白光、6500 K-冷白光)兩兩匹配組成的6 種照明條件。所選照度的測量位置為移動觀測面運動范圍內的平均照度。

3 種姿態(tài)與6 種照明條件共組成18 個實驗場景,如表1 所示。實驗前已多次用儀器測量將3 種姿態(tài)的光環(huán)境參數調整到一致,為避免不同照明設備導致的實驗誤差。

表1 驗照明場景參數和編號匯總Table 1 Lighting scene parameters and serial numbers

視覺辨別力測試以字母消除任務(Letter Cancellation Tasks,LCT)的方式進行。LCT 測試中被試者被要求在隨機生成的大寫字母矩陣內按照要求盡可能快而準確地搜索到并選擇出指定的字母,實驗中使用的字母矩陣使用隨機生成器生成。通過秒表記錄LCT 測試用時,在所有試驗結束后將對被試在每個照明場景下的錯誤次數進行統(tǒng)計。

距離感知任務中設置3 組距離尺度參數,分別為0.8 m(人體工程尺度),1.4 m(空間站小柱段半徑)及2.1 m(空間站大柱段半徑)。主觀感受評價由5 個條目構成,分別為緊張的-輕松的、情形的-困倦的、激動的-平靜的、不適的-愜意的、猶豫的-自信的。每個評分條目均采用采用Likert 九點式的計分方式,其中0 代表程度中性、1 ～4(或-4 ～-1)為傾向于某一感受的程度得分。

警覺度測試通過反應時間測試裝置進行,測試內容為連續(xù)點擊屏幕中隨機位置出現的靶標,通過記錄被試者準確點擊靶標的響應時間以收集不同姿態(tài)及照明環(huán)境下的視覺-運動協調能力。測試界面如圖2 所示,左側為測試開始前的界面,當連續(xù)點擊靶標后軟件將會如右側所示自動顯示本次測試的反應時間結果。實驗中電子屏幕亮度被設置恒定并在被試者進行其他測試任務期間保持關閉。

圖2 反應時間測試界面Fig.2 Reaction test screen

2.3 實驗流程設計

實驗招募被試20 名(10 名男性和10 名女性),年齡18～30 歲,由深圳大學城本科生和研究生(碩士和博士)組成,均正常視力或經過佩戴眼鏡后校正視力正常,無視覺疾病或功能障礙,身體狀況良好。

20 名被試在每種場景下都將完成4 項任務:首先進行字母消除任務,由2 位實驗員記錄任務完成的時間;其次為移動觀測面距離測量任務,被試將被要求按照隨機的順序完成3 組距離尺度參數的主觀判斷,該任務過程中電機在移動時保持勻速且被試可以使用遙控器反復調整移動觀測面位置;第三項實驗任務為主觀評價問卷的填寫;最后一項實驗任務為反應時間測試,該項目數據將由設備自動生成并記錄。

實驗將會按照提前隨機分配(3 個姿態(tài)順序隨機、每個姿態(tài)內的照明條件順序隨機)的照明場景順序進行。站立與平躺姿態(tài)的實驗前有5 min 環(huán)境適應時間,頭低位姿態(tài)實驗前被試需保持10 min 的頭低位等待時間。全部18 個光環(huán)境實驗場景見圖3。

圖3 實驗場景Fig.3 Experiment scenarios

3 實驗結果與分析

將各項實驗數據結果匯總如表2 所示,本次實驗數據處理中選用獨立樣本t檢驗對總體樣本數據進行統(tǒng)計分析。

表2 各項適人性指標數據均值統(tǒng)計結果Table 2 Statistical results of human rating indicators

3.1 不同姿態(tài)對光環(huán)境適人性的影響

在視覺辨別力指標上各姿態(tài)間不存在顯著差異,以下將對存在顯著性差異(P＜0.05)的剩余3個指標進行進一步分析。

1)距離感知。如表3、圖4 所示為6 種照明條件下3 種姿態(tài)間距離感知的實驗數據統(tǒng)計結果,“站立-平躺”表示該列數據由站立與平躺姿態(tài)進行獨立t檢驗得出。可以看到在75 lx/2700 K 的照明條件下,平躺-頭低位在0.8 m 距離尺度的感知上存在顯著差異;在75 lx/6500 K 與300 lx/7500 K 的照明條件下,站立-平躺、站立-頭低位在0.8 m 的距離尺度的感知上存在顯著差異。同時,在75 lx/6500 K 的照明條件下,站立-頭低位在1.4 m 距離尺度上的感知也存在顯著差異。其他照明條件下3 種姿態(tài)的距離感知沒有顯著差異。

表3 不同姿態(tài)下距離感知數據統(tǒng)計分析Table 3 Statistical analysis of distance perception data in different postures

圖4 不同姿態(tài)距離感知差值對比Fig.4 Comparison of distance perception in different postures

2)主觀感受評價。如表4、圖5 所示為6 種照明條件下3 種姿態(tài)間的主觀感受困倦感與愜意感的實驗數據統(tǒng)計結果,其中在75 lx/6500 K 的照明條件下,站立-平躺均與站立-頭低位在愜意感上存在顯著差異,其它照明條件下3 種姿態(tài)的感覺沒有顯著差異。

表4 不同姿態(tài)下主觀評價數據統(tǒng)計分析Table 4 Statistical analysis of subjective evaluation data in different postures

圖5 不同姿態(tài)主觀感受評價對比Fig.5 Comparison of subjective perception in different postures

3)反應時間。表5 為6 種照明條件下3 種姿態(tài)間的反應時間數據統(tǒng)計分析,其中750 lx/2700 K與750 lx/6500 K 的照明條件下,站立-平躺在反應時間上存在顯著差異,其他照明條件下3 種姿態(tài)的反應時間沒有顯著差異。

表5 不同姿態(tài)下反應時間數據統(tǒng)計分析Table 5 Statistical analysis of reaction-time data in different postures單位:ms

3.2 不同照度對光環(huán)境適人性的影響

經過統(tǒng)計檢驗,不同色溫下各主觀評價無顯著差異,故只針對照度進行分類配對檢驗。由圖6、表6 所示可以看出在各實驗場景下不同照度間的主觀感受困倦感、愜意感及自信感的統(tǒng)計分析結果。

表6 不同照度主觀感受評價的配對檢驗結果Table 6 Results of paired tests forsubjectiveperceptionevaluationof differentillumination levels

圖6 3種照度條件下不同姿態(tài)主觀感受評價對比Fig.6 Co mparisonofsubjectiveperceptionsindifferentilluminations

站立姿態(tài)時,2700 K 色溫下的愜意感在75 lx的照度條件時與300 lx、750 lx 均有顯著差異,6500 K 色溫下的困倦感在75 lx 與750 lx 照度之間有顯著差異;平躺姿態(tài)時,2700 K 色溫下的自信感在75 lx 與300 lx 之間有顯著差異,6500 K色溫下的困倦感在75 lx 與750 lx 之間有顯著差異;在-6°頭低位姿態(tài)時,2700 K 色溫下困倦感在75 lx 與750 lx 之間有顯著差異,6500 K 色溫下的困倦感和愜意感在75 lx 照度條件時與300 lx、750 lx 均有顯著差異。

3.3 結果討論與分析

1)視覺分辨力:字母消除任務的用時及錯誤次數受姿態(tài)、照度及色溫的影響均不顯著。在模擬微重力狀態(tài)下視覺分辨力受光環(huán)境的影響的變化情況與站立狀態(tài)一致。

2)距離感知:色溫與照度并不顯著改變距離的感知,但不同姿態(tài)間存在一定差異。0.8 m 尺度下,75 lx 時3 種姿態(tài)均呈現感知距離小于實際距離的現象,站立姿態(tài)在不同光環(huán)境下判斷誤差較為穩(wěn)定,但-6°頭低位姿態(tài)下的判斷隨著照度增加判斷誤差變得波動性增大,即距離感知恒常性受到影響;在1.4 m 距離尺度下,3 種姿態(tài)平均表現為感知距離大于實際距離,在300 lx 的照度時3 種姿態(tài)具有顯著差異,但在照度過低或達到一定亮度時3 種姿態(tài)的差異便不顯著。上述結果表明,在小尺度距離的感知上,通過增加照度來提高距離判斷準確性的照明設計策略在太空失重狀態(tài)下的運用方式有待優(yōu)化。

3)主觀感受評價:僅有在照度75 lx、色溫6500 K 的條件下,-6°頭低位姿態(tài)的主觀感受不適感才呈現為顯著高于其他2 個姿態(tài)。在照度方面,站立姿態(tài)下不適感隨著照度的提升而迅速減弱,但在-6°頭低位條件下不適感減弱的較慢。在光環(huán)境的清醒感/困倦感上,照度為75 lx 時-6°頭低位姿感覺較為清醒,但3 種姿態(tài)下困倦感都會隨著照度的增加而減小。

模擬失重狀態(tài)下的照明條件對人的主觀感受的影響與站立狀態(tài)下相比,影響趨勢是類似的,但是其影響的程度會出現差異。例如在通過照度、色溫來調節(jié)人的主觀感受不適感上,失重條件下效果將更不顯著,意味著在空間站內部的照明設計中將參數的變化范圍進一步擴大。

4)反應時間:站立姿態(tài)下在750 lx 的照度時,高色溫下反應時間較短,但平躺姿態(tài)和-6°頭低位姿態(tài)并沒有這種現象。在小于750 lx 的照度條件下3 種姿態(tài)間反應時間差異不顯著。在對反應能力的影響上,與站立姿態(tài)不同,模擬失重狀態(tài)下使用照明設計中常用的增加照度、調高色溫等手段并不能發(fā)揮出很好的增強作用。

在本研究中,站立姿態(tài)下的實驗結果符合現有的建筑照明實驗的研究結論,而在-6°頭低位模擬失重條件下所得結果的差異性則可以為空間站人因照明設計提供參考。例如,在多項主觀評價項目上發(fā)現了不同姿態(tài)間受光環(huán)境的影響存在差異,為航天員在睡眠艙內或空間站夜間照明參數調整優(yōu)化提供了參考。同時,本研究也對一些缺乏研究的假設做出了驗證,例如,不同的光環(huán)境下大尺度的距離感知在不同姿態(tài)間并沒有顯著性差異,間接證明了利用現有的照明條件在模擬微重力狀態(tài)下進行大尺度操作訓練是可行的。

在未來的微重力狀態(tài)下光環(huán)境適人性研究中,可設置更加貼近航天員真實在軌工作任務的測試項目,并增加300 lx 以下更精細的照度變化梯度以及引入動態(tài)節(jié)律照明等方法,進一步對在軌空間站的人因照明開展研究。

4 結論

本文探究了光環(huán)境適人性在模擬空間站場景與地球人居場景中的差異,研究表明,在微重力與地面2 種狀態(tài)下,光環(huán)境(照度、色溫)變化對視覺分辨力(字母消除任務的用時及錯誤率)無影響,而對距離感知、主觀感受、反應時間的影響均存在顯著性差異。

1) 較短距離(0.8 m)時,與正常站立狀態(tài)相比,微重力狀態(tài)高照度下的距離感知恒常性較差;

2)較高照度(750 lx)時,與正常站立狀態(tài)相比,微重力狀態(tài)下反應時間不受色溫變化的影響;

3)較低色溫(2700 K)時,與正常站立狀態(tài)相比,微重力狀態(tài)下環(huán)境照度的變化(75 lx/300 lx/750 lx)引起的不適感變化幅度更小。