作业休息制度和搜索区域移动速度对搜索绩效和视觉疲劳的影响

徐新然,于瑞峰,王向川

(清华大学 工业工程系，北京 100084)

1 引言

视觉搜索是在视觉环境中将特定对象或特征从视觉背景中找到或区分出来的认知任务[1]。其中，搜索者、搜索背景、搜索目标、搜索区域和搜索任务构成了视觉搜索的五个基本要素。以往的研究表明，搜索绩效受到信息特征、任务类型、搜索区域运动状态、目标显著性和外部环境等的影响，并且受到个体的视野、视觉敏锐度、视觉搜索策略等的影响[2-4]。

视觉疲劳是长时间的不当用眼之后产生的视觉效能降低的现象[5]。视觉疲劳人群的眼部通常没有病变，但严重的视觉疲劳不仅会导致工作效率降低、错误率升高、作业者工作满意度下降，甚至会引发眼部疾病，导致员工的高流动率[6]。大多数的视觉任务都会导致某种程度的视觉疲劳[7]。随着视觉显示终端(Video Display Terminals,VDT)的广泛使用，越来越多的视觉搜索任务是在VDT上完成的，使用者的视觉疲劳症状通常表现为两类：一类是与视觉调节相关的近距离视力模糊、远距离视力模糊以及难以从一个距离聚焦到另一个距离；另一类是与干眼有关的眼睛发炎、灼热、干涩、头痛、强光敏感、疲倦等不适症状[8-9]。视觉疲劳的测量方法分为主观测量法和客观测量法[10]。主观测量方法通常采用问卷获取被试的视觉疲劳主观感受[11]，常用的客观测量指标包括：双眼调节近点、眨眼率、闪光融合频率、瞳孔参数等[8,12-14]。其中闪光融合频率(Critical Flicker Frequency,CFF)是指当被试观察一个闪烁频率较低的光源的时候，人眼会有闪烁的感觉，当光源的闪烁频率逐渐升高，人眼感到光源融合为一个稳定光源时的最小频率。越大的CFF值代表着越低水平的视觉疲劳，反之疲劳程度越高[15-16]。CFF具有灵敏度高、测量方便等优点，并且CFF值相较于其他客观指标准确性更高。

视觉疲劳程度会随着作业时间的持续而逐渐加深[17]，通过作业和工间休息交替的方式可以缓解和消除视觉疲劳[9,12]。不同的作业休息时间安排方式对使用VDT作业的主观视觉疲劳影响显著。对于打字任务，当总作业和休息时间恒定时，频繁的短时作业休息方式引发的主观视觉疲劳感要显著低于不频繁的长时作业休息方式[18-19]。作业者自主安排作业休息制度、长时作业休息制度、短时作业休息制度等不同的作业休息制度对使用VDT进行数据录入任务、警觉任务和认知任务时的视觉疲劳和工作绩效均存在显著影响[20-21]。因此，通过建立合理的作业休息制度可以调节视觉任务的工作绩效和减轻视觉疲劳。以往的文献中研究了作业休息制度对使用VDT进行打字任务、心算任务、警觉任务和放射图像诊断任务时的绩效和疲劳的影响[19-22]，对于常见的VDT动态视觉搜索任务没有相关的结论。

针对于动态视觉搜索任务的显示移动速度对视觉搜索绩效的影响研究发现，移动速度在4°/s～6°/s区间时，搜索绩效相比于静态搜索有了显著的下降[23]。被试在进行动态视觉搜索任务时，CFF值会逐渐降低，降低的过程先快后慢，30 min之后基本趋于稳定，说明被试的视觉疲劳程度随作业时间的延长逐渐加深，疲劳的过程先快后慢，然后逐渐趋于稳定[24]。

综上所述，通过设置合理的作业休息制度和搜索区域移动速度可以调节作业者的视觉疲劳程度和搜索绩效。本研究将探究不同的作业休息制度、搜索区域移动速度及其交互对动态视觉搜索作业的搜索绩效和视觉疲劳的影响，为动态视觉搜索作业的劳动作业休息制度设计奠定坚实的科学基础。

2 方法

2.1 实验设计

采用二因子组内设计，组内因子包括作业休息制度和搜索区域移动速度。作业休息制度包括三个水平，分别为高频率、中频率和低频率的作业休息制度；搜索区域的移动速度包括两个水平，分别是低移速和高移速，低移速时搜索目标项和干扰项移动速度为2°/s，高移速时搜索目标项和干扰项移动速度为8°/s。因变量有三类，包括各个时间节点被试的CFF值、视觉疲劳主观评分和反应时间。作业休息制度设定为工作5.5 min、休息2 min，工作11 min、休息4 min和工作22 min、休息8 min，分别对应于高频率、中频率和低频率的作业休息制度。三种作业休息制度的总工作和总休息时长一样，分别是44 min和16 min。使用闪光融合频率作为反映被试视觉疲劳程度的客观生理参数。对视觉疲劳程度进行0到7的主观评分作为主观指标，其中一点也不疲劳为0分，特别疲劳为7分。

2.2 被试

本次实验共招募15名实验被试，其中男性11名，女性4名，所有的被试身体状况良好，裸眼视力或矫正视力均在5.0以上，无色盲色弱。年龄最大35岁，最小22岁，平均年龄25.9岁，标准差为3.1。所有实验被试之前没有参加过类似实验或者培训的经验。

2.3 实验设备

实验使用一台联想C560一体机显示，屏幕尺寸23英寸，屏幕分辨率为1 920×1 080，屏幕比例为16∶9，刷新频率为60 Hz。实验任务通过动态视觉搜索的任务平台来完成。实验平台采用实验室自主开发的动态视觉搜索测量软件TestSys，使用者可以自行调节搜索目标、干扰项、移动速度、搜索目标出现的位置等参数，程序自动记录单次搜索任务过程中寻找到搜索目标所用的时长。实验选取的视觉疲劳客观生理测量参数为CFF，测量仪器为BD-II-118型闪光融合频率计，光源显示颜色为蓝色。

2.4 实验材料

实验过程中的搜索区域为黑色背景(图1)，搜索任务中的目标项和干扰项均匀分布在以屏幕中心为轴心，将整个搜索区域分成60列、21行的位置上，且目标项的位置不会出现在第6到14行之间的位置上。整个搜索区域中只同时出现一个搜索目标，其余的用干扰项填充。其中，搜索目标为字符O，颜色为白色，搜索干扰项为字符X，颜色为白色。在实验过程中，搜索界面中的目标项和干扰项始终以同样的角速度(2°/s或8°/s)从左至右匀速移动。当搜索目标从最右端消失时会从最左端重新出现直至实验被试发现搜索目标为止，保持整个搜索区域中始终有且只有一个搜索目标存在的状态。

2.5 实验流程

2.5.1 实验总体流程

实验开始前，主试向被试介绍实验目的，请被试阅读知情同意书并签字。主试向被试介绍CFF测量设备的使用方法，指导实验被试进行CFF值测量，直到被试能够快速进行两次连续CFF值测量，且测得的数值相等，认为被试已经掌握了CFF测量的方法。主试向实验被试演示动态视觉搜索任务平台的使用方法，被试调整好实验座椅，使眼睛平视屏幕中心，与显示屏幕中心的水平距离保持在80 cm。被试进行10-15 min的练习，直到被试能够熟练掌握软件平台的使用方法并能够顺畅的完成搜索任务，停止练习。休息10 min左右，重新测量CFF值，直到测得的CFF值与最初测得的CFF值相等，开始正式实验。

正式实验开始后，按照3种不同的作业休息方式，在各时间节点分别测量被试的CFF值，并进行视觉疲劳主观感受评分。在休息的过程中，被试不能使用电子显示设备。

2.5.2 单次搜索任务流程

被试登陆实验平台，输入用户名，点击开始实验即进入搜索任务环节。每单次搜索任务开始之前，被试需要用鼠标点击屏幕正中央的注视点开始任务。被试开始搜索任务，发现目标后，用鼠标左键点击屏幕任意位置，实验平台跳转到判定界面。被试根据搜索结果，判定目标是在屏幕的上方还是下方，如果由于鼠标误点导致的没有看到搜索目标则点击不能看到，然后迅速点击确定按钮，进入下一轮搜索任务。

3 结果

3.1 搜索绩效分析

3.1.1 反应时间描述性统计

反应时间的描述性统计结果显示(表1)，在同一种作业休息制度下，低移速任务的反应时间总是<高移速任务的反应时间，说明移动速度为2°/s时的搜索绩效好于移动速度为8°/s时的搜索绩效。在同一移动速度下，随着作业休息制度从高频率-中频率-低频率变化，平均反应时间有上升趋势，而且在低移速的搜索任务中这种趋势更加明显。说明不同的作业休息制度对视觉搜索绩效有影响，休息频率越高，搜索绩效越好。

表1 反应时间描述性统计结果(单位：ms)

3.1.2 反应时间配对t检验

反应时间的配对t检验结果显示(表2)，低移速-高频率条件下的反应时间显著低于其他5组，说明在低移速的搜索任务中采用高频率的作业休息制度，能够最大限度地提高搜索绩效。

表2 反应时间配对t检验结果

3.1.3 反应时间双因素方差分析

反应时间的双因素方差分析结果显示(表3)，作业休息制度的主效应(F=6.328,P= 0.003<0.01)、搜索目标移动速度的主效应(F=8.768,P=0.004<0.01)达到显著性水平，移动速度和作业休息制度对搜索绩效的交互效应(P= 0.123)不显著。

表3 反应时间双因素方差分析统计结果(单位：ms)

3.2 闪光融合频率分析

3.2.1 闪光融合频率t检验

将实验过程中各个时间节点测得的CFF值减去实验开始前的CFF值之后，对得到的工作结束时间节点和休息结束时间节点的ΔCFF进行t检验(表4、表5)。结果显示，在6个实验条件下，工作结束时间节点的ΔCFF和休息结束时间节点的ΔCFF均存在显著性差异(p’s<0.05)。工作结束时的CFF值<休息结束时的CFF值，说明无论那种实验组合，动态视觉搜索任务都会产生视觉疲劳，导致CFF值降低，并且无论哪种实验组合，通过休息都会缓解视觉疲劳，使CFF值恢复。

表4 CFF值t检验(低移速)

表5 CFF值t检验(高移速)

3.2.2 闪光融合频率双因素方差分析

对工作结束时间节点和休息结束时间节点的ΔCFF分别进行双因素方差分析，结果显示，休息结束时间节点上，作业休息制度和移动速度的交互效应(P= 0.032 < 0.05)达到显著性水平。工作结束时间节点上，移动速度的主效应(P= 0.072)和休息结束时间节点移动速度的主效应(P= 0.0585)边缘显著。说明在不同的作业休息制度下，不论在工作结束时或休息结束时，随着移动速度的提高，CFF值都呈现下降的趋势，疲劳程度有加深趋势。在休息结束时间节点上，移动速度对疲劳程度的影响大小受到作业休息制度的调节。

3.3 主观得分分析

3.3.1 主观得分t检验

对工作结束时和休息结束时的主观疲劳评分进行t检验(表6-表7)，结果显示，在所有的实验条件下，主观疲劳评分在工作结束时和休息结束时都存在显著性区别(p’s < 0.001)。工作结束时的主观疲劳评分>休息结束时的主观得分，这说明无论哪种实验组合，动态视觉搜索任务都会产生视觉疲劳，使视觉疲劳主观感受加强，并且无论哪种实验组合，通过休息都会缓解视觉疲劳，使主观疲劳感降低。主观得分的变化趋势和CFF值的变化趋势一致。

表6 主观得分t检验(低移速)

表7 主观得分t检验(高移速)

3.3.2 主观得分双因素方差分析

对工作结束时间节点和休息结束时间节点测得的主观得分分别进行双因素方差分析(表8、表9)。工作结束时间节点的主观得分双因素方差分析结果显示，移动速度和作业休息制度均对主观疲劳感受有显著影响(p’s < 0.001)。高移速时的主观得分高于低移速时，低频率的主观得分>中频率的主观得分>高频率的主观得分，说明相比于低移动速度的任务，高移速任务使被试产生的疲劳感更强；作业休息制度高频率时主观疲劳感最弱、中频率次之、低频率最高。

表8 工作结束时主观得分双因素方差分析

休息结束时间节点的移动速度的主效应(p’s < 0.001)显著，高移速任务的主观疲劳评分高于低移速任务，说明经过休息之后，高移速搜索任务所带来的疲劳感仍比低移速任务带来的疲劳感强烈。而休息结束时的主观得分与作业休息制度没有显著相关性(P= 0.096)。

表9 休息结束时主观得分双因素方差分析

4 讨论

反应时间的统计结果显示，移动速度为2°/s的低速动态视觉搜索任务的搜索绩效好于移动速度为8°/s的高速动态视觉搜索任务，这一结论和以往的研究相一致[23]。作业休息制度对搜索绩效有显著影响，高频率休息制度的搜索绩效最好，低频率休息制度的搜索绩效最差。在低移速的搜索任务中采用高频率的作业休息制度，能够显著提高搜索绩效。

视觉疲劳的统计结果显示，视觉搜索任务会带来CFF值的降低和主观疲劳程度的升高，通过休息则能够显著提升CFF值，并减少主观疲劳。闪光融合频率分析结果显示，作业休息制度和移动速度对CFF值的影响都没有达到显著性水平，但是随着移动速度由低速变为高速，CFF值呈现下降的趋势，与之前的研究结论一致[24]。在休息结束时间节点上，移动速度对视觉疲劳的影响大小受到作业休息制度的调节。主观疲劳分析结果显示，在工作结束时间节点上，移动速度和作业休息制度对主观疲劳的影响显著。休息结束时，移动速度的影响仍然显著。说明移动速度和作业休息制度都对视觉搜索作业的主观疲劳感有影响，且即使经过休息恢复，移动速度的影响仍然显著。休息结束时，作业休息制度对主观疲劳的影响不显著，说明无论哪一种作业休息制度的休息过程都能够让被试的主观疲劳感有明显的改善，因此休息之后不同的作业休息制度之间的差别不显著。

5 结论

本文探究了动态视觉搜索任务中作业休息制度、搜索区域移动速度两种因素对视觉疲劳和搜索绩效的影响。实验结果表明，移动速度对搜索绩效、视觉疲劳主观感受有显著影响，闪光融合频率值随移动速度的升高有降低的趋势。高移速的搜索任务相比于低移速的搜索任务疲劳程度更高，绩效更差。作业休息制度对搜索绩效、工作结束时的视觉疲劳主观感受有显著的影响。因此，在设计视觉搜索作业任务的时候，可以考虑采用高频率的作业休息制度，并且适当降低搜索目标的移动速度，在提高搜索绩效同时尽量减轻视觉疲劳。本研究结果可以补充视觉疲劳理论，对动态视觉搜索作业的劳动作业休息制度设计有指导意义。