基于視覺工效的飛機內(nèi)部泛光照明標準優(yōu)化研究

張燕雯，張泉清，曾慶兵

(上海航空電器有限公司,上海 201101)

引言

飛機艙內(nèi)是機組工作人員的主要工作場所，而機組人員在執(zhí)行任務(wù)是大量的信息都依賴于視覺系統(tǒng)獲得，而艙內(nèi)的光環(huán)境是影響視覺信息呈現(xiàn)和認知的重要因素。已有研究表明，過低或過高的照度均會降低人的認知加工效率，并加重人眼視覺負荷[1,2]，影響工作績效。當前公司設(shè)計人員所依據(jù)的部分航標或國軍標照明標準由于編制年代久遠，一直未得到更新，所存在的不足日益凸顯[3]，大部分標準中對被照明區(qū)域只進行了大致劃分，且國內(nèi)外飛機內(nèi)部照明指標范圍的不一致[4,5]，給研發(fā)和設(shè)計人員的工作造成一定困擾；在一些現(xiàn)行的航標及國軍標中，部分指標僅提供被照明區(qū)域的最大值與最小值[6]，很難適應(yīng)近年來高頻次、長航時、全天候、極端飛行條件等任務(wù)出勤需要。現(xiàn)在的飛行任務(wù)不僅對績效的要求有提升同時也更加關(guān)注艙內(nèi)的舒適體驗，因此有必要開展相關(guān)研究，給出基于視覺工效的照明設(shè)計優(yōu)化指標。

1 研究方法

根據(jù)飛行過程中涉及的視覺任務(wù)和照明功能的分類，選取了儀表板泛光照明照度標準以及閱讀與書寫泛光照明照度標準進行研究，設(shè)計相應(yīng)的圖形和字符客觀辨識任務(wù)，結(jié)合主觀工作負荷評價和舒適度對偶比較評價進行實驗，研究飛機內(nèi)部泛光照明指標范圍內(nèi)照度對視覺工效的影響。

1.1 實驗對象

共選取15名(男：8，女：7)被試，年齡范圍23～29歲(平均年齡M=25.93，SD=1.75)，視力或矯正視力達到1.0以上，均為右利手，且無色盲色弱。

1.2 實驗環(huán)境

本實驗在自動調(diào)光實驗室進行(圖1)，該實驗室采用了ARRI SkyPanel系列LED燈具，出光0～100%可調(diào)，采用16 bit控制精度，支持65536個調(diào)光檔位,可調(diào)照度范圍0～50 000 lx，色溫2 800～10 000 K連續(xù)可調(diào),實驗時設(shè)置燈具光源色溫3 000 K，室內(nèi)溫度控制在25 ℃，濕度控制在40%～60%。

圖1 實驗環(huán)境與燈具設(shè)備Fig.1 Experimental environment and lighting equipment

2 實驗一

2.1 實驗設(shè)計

本實驗采用單因素被試內(nèi)設(shè)計，自變量為照度，梳理相關(guān)照明標準設(shè)定了20 lx、60 lx、90 lx、100 lx四個照度水平(工作面照度)作為儀表板泛光照明的實驗照度值，采用拉丁方排序呈現(xiàn)光環(huán)境給被試，因變量為視標辨識任務(wù)的辨識時間和正確率以及主觀評估分數(shù)。客觀任務(wù)選用黑色背景白色國際視標朗道環(huán)作為任務(wù)材料[7],儀表板包含儀表和顯示器，而現(xiàn)代駕駛艙更多采用綜合化、集成化電子顯示[8]，因此本實驗使用顯示器(亮度388.9 cd/m2)呈現(xiàn)實驗材料，觀測距離700 mm,材料如圖2所示，朗道環(huán)直徑5 mm,開口大小1 mm[9]，采用兩張朗道環(huán)圖片進行輪換。主觀評價采用NASA-TLX量表測量工作負荷，使用對偶比較評估舒適度，照度呈現(xiàn)順序在被試間進行ABA平衡。實驗時間段下午13:00—17:00。

圖2 實驗材料Fig.2 Experimental materials

2.2 實驗結(jié)果

表1和表2分別統(tǒng)計了不同照度下被試完成朗道環(huán)辨識任務(wù)的平均時間和平均準確率，經(jīng)過單因素重復(fù)方差分析可知不同照度下被試的辨別時間有顯著差異(F=12.979，Sig=0.009<0.05)，事后多重比較發(fā)現(xiàn)被試在20 lx和60 lx兩種光照下完成朗道環(huán)辨識任務(wù)所用的時間沒有顯著差異，但是顯著快于90 lx和100 lx時。被試在不同照度下的平均辨別準確率均達到95%以上，沒有表現(xiàn)出顯著差異(F=0.214，Sig=0.886>0.05)。

表1 不同照度下被試的辨別時間

表2 不同照度下被試的辨別準確率

被試的視覺辨識績效權(quán)衡了速度和準確率，用辨識準確率×(辨識個數(shù)/辨識時間)得到，如表3所示。

表3 不同照度下被試的辨別任務(wù)績效

由表3可知，不同照度下被試的視覺任務(wù)績效差異顯著(F=7.086，Sig=0.001<0.05)，事后多重比較可知，20 lx和60 lx光照環(huán)境相比被試的視覺任務(wù)績效差異不顯著，但是顯著高于90 lx、100 lx光照環(huán)境。

表4是使用NASA-TLX量表對被試進行工作負荷主觀評估結(jié)果，對NASA-TLX得分進行方差分析可知被試在不同照度下的工作負荷沒有顯著差異(F=0.444，Sig=0.723>0.05)。

表4 不同照度下被試的工作負荷得分

表5則是使用對偶比較讓被試評估飛行員使用儀表板場景下四種光照環(huán)境舒適度等級。經(jīng)過標準化分數(shù)轉(zhuǎn)換，四種照度的舒適程度等級如下：60 lx>90 lx>100 lx>20 lx。

表5 不同照度被試的對偶比較結(jié)果

3 實驗二

3.1 實驗設(shè)計

本實驗自變量以相關(guān)照明標準規(guī)定的閱讀和書寫照度范圍及推薦值為實驗數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)燈具使作業(yè)面照度滿足215 lx、300 lx、450 lx、600 lx四檔作為實驗照度值，采用拉丁方順序呈現(xiàn)光照環(huán)境。因變量以紙質(zhì)安非莫夫表校字作業(yè)的完成時間、錯誤率、IMC(index of mental capacity)腦力工作指數(shù)以及主觀評價結(jié)果為指標[10]。實驗時間段下午13:00-17:00。主觀評價方法和量表工具與實驗一相同，客觀任務(wù)采用的安非莫夫表由8個字母(A、B、C、E、H、K、N、X)各150次隨機排列。被試調(diào)整舒適坐姿，眼位距離約300 mm,紙質(zhì)材料置于桌面，字母高度約2.6 mm,字母間距1 mm,該條件下被試能夠看清字母，保證被試辨識字母時不受視力的影響。

3.2 實驗結(jié)果

表6是被試完成校字任務(wù)的平均時間，通過SPSS重復(fù)方差分析可知被試在不同照度下完成校字任務(wù)所用時間差異顯著(F=12.924，Sig=0.009<0.05)，事后多重比較發(fā)現(xiàn)450 lx時被試完成任務(wù)明顯慢于其他三種照度環(huán)境。

表6 不同照度下被試的完成時間

表7是不同照度下被試完成校字任務(wù)的錯誤率，通過通過SPSS重復(fù)方差分析可知不同照度下被試校字錯誤率差異顯著(F=4.093，Sig=0.012<0.05),事后多重比較分析215 lx和600 lx兩種照度條件下被試的校字錯誤率無顯著差異，但都明顯低于300 lx和450 lx下的校字錯誤率。

表7 不同照度下被試的校字錯誤率

表8是被試在不同照度下的腦力工作能力指數(shù)IMC分數(shù)，通過單因素重復(fù)方差分析發(fā)現(xiàn)四種照度條件下被試的安非莫夫表校字任務(wù)的腦力工作能力指數(shù)差異顯著(F=22.935,Sig=0.000<0.05)，IMC腦力工作能力指數(shù)越高辨識績效越好，因此600 lx和215 lx兩種照度下被試的校字績效差異不顯著，但兩者都高于300 lx和450 lx時的校字績效。

表8 不同照度下被試的校字績效

用SPSS對NASA-TLX量表得分(如表9)進行重復(fù)測量方差分析，不同照度環(huán)境下被試完成任務(wù)的工作負荷差異不顯著(F=0.131，Sig=0.878>0.05)。

表9 不同照度下被試的工作負荷

表10是被試對不同照度環(huán)境進行對偶比較的結(jié)果。經(jīng)過標準分數(shù)轉(zhuǎn)化，舒適程度等級如下：300 lx>450 lx >215 lx >600 lx。

表10 不同照度對偶比較結(jié)果

4 討論

本實驗參考HB 6491-91《飛機內(nèi)部照明設(shè)備通用標準》、SAE ARP 1161A 《商用飛機駕駛艙照明》、GJB-2873-97《軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準則》等相關(guān)照明標準范圍作為研究數(shù)據(jù)，從視覺辨識任務(wù)和主觀評估兩方面探究了不同光照環(huán)境對視覺工效的影響。實驗中采用拉丁方排序呈現(xiàn)光照環(huán)境適當?shù)窒擞捎诒辉噧?nèi)設(shè)計帶來的順序效應(yīng)和練習(xí)效應(yīng)，對偶比較評估中也采用被試間ABA平衡抵消順序效應(yīng)。實驗在靜暗實驗室中完成，有效控制了溫度、濕度、噪聲、震動等其他因素的干擾。實驗一的辨識任務(wù)使用兩張國際視標朗道環(huán)圖片進行輪換，以防被試由于計算得出朗道環(huán)個數(shù)，提高了實驗結(jié)果的可靠性。

從實驗一結(jié)果可以看出，光環(huán)境對視覺任務(wù)績效有顯著影響。辨識時間上，100 lx>90 lx>60 lx>20 lx，可能是由于光環(huán)境越暗顯示器屏幕越清晰，使得被試完成任務(wù)較快。四種照度環(huán)境下辨識準確率差異以及工作負荷差異并不顯著，可能是由于辨識任務(wù)難度不高，對所有被試而言難度是一致的，且可能通過被試的意志努力克服了照度引起的準確率差異。從視覺績效來看，20 lx和60 lx差異并不明顯，但相比于90 lx和100 lx有顯著提高。由于實驗照取值范圍跨度較小，采用對偶比較法可提高實驗結(jié)果的敏感性，從主觀評估結(jié)果看，舒適程度評估得分60 lx>90 lx>100 lx>20 lx,被試傾向于選擇照度范圍的中間值，該結(jié)果和預(yù)期一致。綜合而言，60 lx的光照下任務(wù)績效沒有出現(xiàn)顯著下降，而此時的視覺主觀感受較好，因此對比之下該照度視覺工效最優(yōu)，既保證了任務(wù)績效同時也滿足了舒適性需求。

實驗二中也沒有發(fā)現(xiàn)不同照度對被試的主觀工作負荷產(chǎn)生影響，可能是由于紙質(zhì)作業(yè)的難度較低且照度范圍較小，沒有引起被試明顯的主觀工作負荷差異。照度水平對被試完成安非莫夫表的校字績效和主觀舒適度有一定的影響。從校字績效來看，600 lx和215 lx的光環(huán)境中被試表現(xiàn)均較好，完成時間較少，錯誤率較低,IMC指數(shù)較高。215 lx時的校字績效較好可能是由于被試通過意志努力克服了低光照帶來的影響。但是主觀評價結(jié)果顯示被試在舒適度傾向上300 lx>450 lx>215 lx>600 lx。本實驗中績效表現(xiàn)最佳的光照和主觀舒適度傾向的光照并不一致，需在后續(xù)研究中進行更深入的生理心理研究。

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明不同光照環(huán)境對被試的視覺任務(wù)績效和主觀感受產(chǎn)生了顯著影響，經(jīng)過視覺工效綜合評估，本實驗中儀表板泛光照明60 lx的照度環(huán)境較其他照度而言較佳，針對飛機內(nèi)部儀表板泛光照

明設(shè)計不宜過亮和過暗，飛行員在使用時也應(yīng)調(diào)節(jié)至合適照度，以達到高效、舒適、安全的操作目的。機組人員閱讀和書寫的泛光照明設(shè)計照度考慮推薦215 lx，保證視覺績效的同時也考慮主觀舒適度。