駕駛機(jī)艙LED燈光色溫與人員警覺度關(guān)系仿真實驗研究*

孫瑞山，高路平，李 康

(1.中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300；2.中國民航大學(xué) 民航安全科學(xué)研究所，天津 300300)

0 引言

因為民航運(yùn)輸業(yè)全天候運(yùn)營的特點(diǎn)，飛行員夜間執(zhí)勤是極為普遍的現(xiàn)象。夜航執(zhí)勤要求飛行員在人體生物節(jié)律低谷期執(zhí)行著陸操作，是引起飛行員疲勞的主要原因[1]。生物節(jié)律低谷期下人員有著較為強(qiáng)烈的嗜睡感受，伴隨著較差的注意力、反應(yīng)時間、判斷能力、情緒控制、操作績效等，嚴(yán)重限制了飛行員對飛機(jī)的正常操作。有研究者對739名航線飛行員進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示59%飛行員報告疲勞致因為夜間飛行[2]。且有數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2006—2016年共發(fā)生139起單通道航班事故，其中夜間航行引起的事故共51起，占36.69%；紅眼航班相關(guān)的事故共26起，占18.7%[3]。同時，夜間航班執(zhí)勤也會使飛行員產(chǎn)生較為嚴(yán)重的累積疲勞，累積的疲勞也會使飛行員對飛機(jī)的操控產(chǎn)生負(fù)面影響，若未進(jìn)行有效緩解，則會嚴(yán)重威脅航班的安全運(yùn)行。可見，夜間航行中飛行員警覺性的維持，對飛機(jī)的安全運(yùn)行具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

LED燈因為在能耗、壽命、穩(wěn)定性、抗震性等方面的優(yōu)勢，在民航新型客機(jī)，如A380、B787等機(jī)型駕駛機(jī)艙內(nèi)的應(yīng)用越來越多。不同色溫LED燈光內(nèi)光線成分有所不同，其具體通過調(diào)節(jié)紅綠藍(lán)三原色比例表現(xiàn)燈光色溫，體現(xiàn)在高色溫LED白燈光內(nèi)含有較多的藍(lán)光成分，即短波光線；低色溫LED白光燈含有較多紅光成分，即長波光線。而不同波長的光線對人員嗜睡感、疲勞感的產(chǎn)生有所影響，有研究發(fā)現(xiàn)，短波光線對人員的生物鐘系統(tǒng)有干擾[4-5]，且446～483 nm的短波光線對褪黑激素的分泌有抑制作用[6]；有學(xué)者進(jìn)一步分析得出，相對于555 nm光線，460 nm光線對生物節(jié)律相位位移、體溫、心率變化都有影響[7]。國內(nèi)關(guān)于光線色溫的研究，大多集中于視覺疲勞緩解方面，而對具體色溫光線下人員警覺度狀況的研究較少，更沒有涉及到駕駛機(jī)艙LED燈環(huán)境下人員警覺性狀況。早先的研究表明，460 nm左右的藍(lán)光對人員的生物節(jié)律相位位移有影響，可刺激提升人員的警覺性[8]。劉娜、王巍通過實驗驗證的方式，發(fā)現(xiàn)6 400 K冷白色光環(huán)境下人員平均視力最高，4 500 K中等色溫程度下，人員視覺疲勞最輕[9]；楊勇針對公路隧道照明光源對疲勞度影響進(jìn)行了研究，通過使用閃光融合頻率儀，發(fā)現(xiàn)色溫越高的白光LED對應(yīng)的閃光融合頻率越高，高壓鈉燈(黃色)下人員視覺效應(yīng)最差[10]；王媛媛等通過比較3種色溫環(huán)境下人眼視覺變化，得出以下結(jié)論：5 000 K色溫環(huán)境下，人眼舒適性最高；6 500 K色溫環(huán)境下，人眼疲勞度較高[11]。綜述而言，探討駕駛機(jī)艙內(nèi)LED色溫對人員警覺性影響，具有一定新穎性。

我國適航規(guī)章CCAR-25僅對民用飛機(jī)駕駛艙燈光色溫設(shè)置進(jìn)行了定性要求，而沒有進(jìn)行定量要求。我國軍用標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涉及駕駛艙色溫的有：GJB 455-88、GJB 1394-92、GJB 2020-94、HB 5881-85、HB 5863-84等，以上標(biāo)準(zhǔn)大多制定于20世紀(jì)80～90年代，主要考慮飛行員駕駛過程中暗適應(yīng)能力，而隨著現(xiàn)代民航客機(jī)儀表系統(tǒng)的發(fā)展，客機(jī)普遍進(jìn)行高空飛行，飛行員巡航過程中窗外環(huán)境觀察的重要性降低，再加之LED燈發(fā)光色溫原理與其他光源差異性，其在駕駛艙照明中燈光色溫具體設(shè)置參數(shù)仍需細(xì)化探討。

綜合上述研究可知，光線可對嗜睡感產(chǎn)生抑制作用，主要表現(xiàn)在短波光線對人員警覺性促進(jìn)方面。故本文猜想高色溫LED燈光對人員警覺性具有一定提升作用，進(jìn)而設(shè)置不同色溫環(huán)境，并對此環(huán)境下人員警覺性的變化進(jìn)行實驗研究，以期為駕駛機(jī)艙照明燈光色溫設(shè)置提供參考。

1 試驗方法

1.1 實驗場景

本實驗選取仿真比例1∶1的A320模擬機(jī)作為實驗場所。實驗燈光置于模擬機(jī)頂燈位置，實驗過程中2名被試者坐于正副駕位置，3名被試人員坐于后排自設(shè)位置，被試者環(huán)形排列，與實驗燈光距離一致。

根據(jù)GB/T 26189—2010《室內(nèi)工作場所的照明》中的照度標(biāo)準(zhǔn)(駕駛艙頂燈燈光亮度可調(diào))，有自行發(fā)光的場所照度為30～50 lux，考慮到飛行員機(jī)艙儀表燈光的影響，本實驗選取40 lux作為實驗室照度。

平均照度E計算公式為[12]：

(1)

式中：E表示照度，單位為lux；L為光通量，單位為lm；K為減光系數(shù)，取0.8；μ為利用系數(shù)，取0.9；S為照面面積，單位為m2；N為LED燈個數(shù)。

經(jīng)測量，駕駛機(jī)艙面積約為14.4 m2，根據(jù)式(1)，本實驗所需流明數(shù)為576 lm，而市面上可選購的LED燈珠光通量為80～100 lm/w，選用最大光通量即8w LED燈珠。

為評價試驗變量LED燈光色溫對人員警覺性的影響，實驗LED燈除色溫不同之外，其余規(guī)格均相同，3類實驗色溫分別為：2 500～2 700 K，3 000～3 200 K,6 000～6 500 K。同時被試人員節(jié)律類型要求近似，實驗時間段保持固定，且實驗過程中禁止外界光線照射，禁止人員聊天。

1.2 被試人員

本實驗共選取5名男性被試人員參與，年齡在24～27歲之間。要求各被試人員作息習(xí)慣近似，均不抽煙喝酒，且不存在色盲、色弱的現(xiàn)象。

1.3 測評工具

1)卡斯羅林嗜睡量表

卡斯羅林嗜睡量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)是一種基于困倦感受的測量量表，由Akerstedt和Gillberg提出[13]，采用1～9級評分，被試人員自評得分越高，主觀疲勞感受越嚴(yán)重，通過KSS量表可以衡量不同時刻的疲勞程度。

2)視覺舒適度評分量表

應(yīng)用自制視覺舒適度評分量表(Visual Comfortable Scale, VCS)對人員于燈光色溫下的視覺舒適度進(jìn)行評價，該量表為0～10計分方式，0分表示極度舒適，10分表示極度不舒適。

3)睡眠覺醒模式自評問卷

采用睡眠覺醒模式自評問卷(Morningness-Eveningness Questionaire, MEQ)量表對被試人員的睡眠覺醒模式進(jìn)行評價[14]，該量表共包含19個問題，每個問題記0～6分，總分范圍為16～86分，包含絕對夜晚型(16～30)、輕度夜晚型(31～41)、中間型(42～58)、輕度清晨型(59～69)、絕對清晨型(70～86)5種睡眠覺醒類型。

4)閃光融合頻率儀

閃光融合臨界頻率(Critical Flick Fusion Frequency, CFF)表征人眼對非連續(xù)光刺激時間分辨力，隨著被試者疲勞度的增加，人眼對閃爍視標(biāo)的可分辨頻率閾值呈下降的趨勢。1941年，西蒙生(E.Simonson)[15]首次利用CFF研究了化驗工作者的疲勞問題，發(fā)現(xiàn)在化驗工作8 h的過程中，閃光融合頻率有明顯的下降。此后，閃光融合臨界頻率常被用于對大腦中樞神經(jīng)疲勞程度進(jìn)行測試評價，本文采用閃光融合頻率儀對被試人員的疲勞度進(jìn)行客觀評價測量。

1.4 試驗流程

本實驗連續(xù)進(jìn)行3 d，3 d內(nèi)均在17:30～23:00時間段內(nèi)進(jìn)行，即人體生物節(jié)律下降階段，此階段內(nèi)人員的警覺性下降，嗜睡感受逐漸上升[16]。實驗過程中，被試人員每0.5 h填寫1次KSS、VCS量表；每0.5 h采集1次閃光融合數(shù)據(jù)，具體實驗安排如下：

1)實驗開始前15 min內(nèi)，被試人員座位確定，問卷及采集設(shè)備安置；

2)17:30進(jìn)入對應(yīng)的位置，并置于<8 lux的燈光環(huán)境下1 h；

3)18:30關(guān)閉燈光，被試人員在黑暗條件下適應(yīng)1.5 h；

4)20:00打開實驗室相應(yīng)的燈光，第1天為3 000～3 200 K燈光；第2天為6 000～6 500 K燈光；第3天為2 500～2 700 K燈光；被試人員暴露于相應(yīng)燈光下2 h；

5)22:00關(guān)閉LED燈，打開<8 lux燈，被試人員置于此燈光1 h；

6)于<8 lux燈光下，數(shù)據(jù)采集完畢后，即可結(jié)束實驗。

2 實驗結(jié)果

2.1 被試人員睡眠覺醒模式自評問卷結(jié)果分析

5名被試人員的MEQ量表得分匯總?cè)绫?所示，由表1可知，5名被試人員的睡眠覺醒模式得分均位于42～58分之間，即都屬于中間型睡眠覺醒模式，生物節(jié)律類型近似，滿足進(jìn)行后續(xù)實驗的要求。

2.2 被試人員主觀嗜睡感受測量結(jié)果分析

剔除實驗過程中突發(fā)的不可控變量對KSS量表得分影響，如：被試人員生理需求、被試人員偶然亢奮等，最終5名被試人員KSS量表得分均值隨時間變化趨勢如圖1所示，其中灰色陰影區(qū)為實驗燈光照射階段。通過對3種不同色溫下人員KSS得分進(jìn)行單因素方差分析，接受不同燈光色溫照射的人員KSS得分有顯著性差異(F(2,15)=3.450，P<0.05)，即不同色溫LED燈光對人員主的觀疲勞感受有影響：6 000～6 500 K色溫?zé)艄庀拢辉嚾藛T人均KSS得分最低，為4.85±1.69；2 500～2 700 K燈光色溫下，被試人員人均KSS得分最高，為5.42±1.91；3 000～3 200 K燈光色溫下，被試人員人均KSS得分為5.07±1.86。

表1 被試人員MEQ量表測量結(jié)果Table 1 Measurement results of MEQ scale on participants

圖1 被試人員KSS得分變化趨勢Fig.1 Variation trend for KSS scores of participants

結(jié)合圖1可做如下分析：1)相同燈光條件下，被試人員KSS得分整體隨時間呈上升趨勢；2)在打開實驗燈光后，被試人員KSS得分有較為明顯的下降(20:15)；3)在實驗燈光照射過程中及之后的一段時間內(nèi)，6 000～6 500 K LED燈光條件下人員KSS得分持續(xù)較低，3 000～32 00 K LED燈光條件下人員KSS得分高之，2 500～2 700 K燈光條件下人員KSS得分最高。

圖2所示為前后<8 lux照度下，即17:30～18:30與22:00～23:00 2個時間段內(nèi)被試人員KSS得分平均變化比。變化比公式如式(2)所示：

(2)

式中：Δ為變化比；Y1為原數(shù)值，Y2為Y1變化后數(shù)值。

圖2 前后<8 lux燈光下KSS得分平均變化比Fig.2 Average change ratio of KSS scores before and after <8 lux light

由圖2可知：1)經(jīng)過6 000～6 500 K LED燈光色溫照射后，人員KSS得分變化比最低；2)2 500～2 700 K LED燈光色溫照射后，人員KSS得分增長率最高；3)3 000～3 200 K LED燈光與2 500～2 700 K色溫LED燈光差別不大，KSS得分變化率居中。

2.3 被試人員客觀警覺度測量結(jié)果分析

剔除受實驗過程中不可控變量影響較大的數(shù)據(jù)，5名被試人員閃光融合頻率測量結(jié)果的變化趨勢如圖3所示，且通過單因素方差分析，接受不同燈光色溫照射后，人員CFF測量值有顯著性差異(F(2,15)=6.51，P<0.01)，可知：1)實驗過程中，被試人員CFF測量結(jié)果整體呈下降趨勢；2)在接受實驗燈光照射后，被試人員CFF結(jié)果有明顯提升；3)接受6 000～6 500 K色溫LED燈光照射后，被試人員CFF得分最高；接受2 500～2 700 K色溫LED燈光照射后，被試人員CFF結(jié)果最低；接受3 000～3 200 K色溫LED燈光照射后，被試人員CFF結(jié)果居中。

圖3 被試人員閃光融合臨界頻率變化趨勢Fig.3 Variation trend for CFF of participants

被試人員前后在<8 lux照度燈光下，CFF結(jié)果下降率如圖4所示，可知：1)2 500～2 700 K LED燈光下，被試人員CFF下降率最高；2)3 000～3 200 K LED燈光下，被試人員CFF下降率居中；3)6 000～6 500 K LED燈光下，被試人員CFF下降率最低。

圖4 前后<8 lux燈光照度下CFF測量結(jié)果變化比Fig.4 Change ratio of CFF measurement results before and after <8 lux light illuminance

2.4 被試人員視覺舒適度測量結(jié)果分析

視覺舒適量表分為10分計量，1分表示極度舒適，10分表示極不舒適，分值越高，舒適程度越低。通過單因素方差分析，3種不同燈光下被試人員視覺舒適度有顯著性差異(F(2,15)=4.56，P<0.05)。由圖5所示可知：1)被試人員在實驗測量時間段內(nèi)，視覺舒適度整體得分呈上升趨勢；2)經(jīng)過燈光照射后，被試人員在6 000～6 500 K LED色溫下，視覺舒適度得分最低，視覺舒適程度較高；3)在2 500～2 700 K燈光色溫照射下，被試人員視覺舒適度得分最高，視覺舒適度最差。

圖5 被試人員視覺舒適度變化Fig.5 Variation trend for visual comfort of participants

如圖6所示，被試人員于燈光照射階段內(nèi)(20:00～22:00)，2 500～2 700 K燈光下，視覺舒適度得分最高；6 000～6 500 K燈光色溫下，視覺舒適度得分最低；根據(jù)圖7所示，在3 000～3 200 K燈光色溫下，人員視覺舒適度下降率最高；在6 000～6 500 K燈光色溫下，人員視覺舒適度下降率最低；在2 500～2 700 K燈光色溫下，人員視覺舒適度下降率居中。

圖6 3種不同色溫LED燈光下被試人員視覺舒適度平均得分Fig.6 Average scores of visual comfort for participants under three LED lights with different color temperatures

圖7 前后<8 lux燈光照度下視覺舒適度測量結(jié)果變化比Fig.7 Change ratio of visual comfort measurement results before and after <8 lux light illuminance

3 結(jié)論

1)不同LED燈光色溫對人員主觀嗜睡感受有著不同的影響：經(jīng)過高色溫LED燈光源照射后人員主觀嗜睡感受上升率較低；經(jīng)過較低色溫光源照射后人員的主觀嗜睡感受上升率相對較高。

2)被試人員客觀疲勞程度在不同LED燈光下也有著較明顯的差異，高色溫光源下人員的疲勞感受增長率最低，低色溫光源下人員的疲勞感受前后增長率最高。

3)高色溫光源下被試人員的視覺舒適度較高，且有著較低的視覺舒適度變化；低色溫光源下人員的視覺舒適度最低，且視覺舒適度變化率較高。

4)飛行員在夜間巡航過程中，需要長時間對飛行儀表進(jìn)行監(jiān)控，存在一定工作負(fù)荷，而本實驗在進(jìn)行過程中，被試人員缺少工作負(fù)荷設(shè)置，故與實際情況存在一定差異，后續(xù)研究可在實驗中添加工作任務(wù)，提升實驗的仿真度。

5)根據(jù)實驗結(jié)果，可通過提高駕駛艙頂燈照明色溫，來維持飛行員在夜間巡航過程中的警覺性，降低飛行員在飛行過程中的困倦感受，對駕駛艙照明環(huán)境人機(jī)工效學(xué)設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。