面向适人性的空间站光环境与人因照明研究

刘 博, 李天宇, 苏 航, 张淞博, 杨 彪

(哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院, 深圳 518055)

1 引言

空间站中长期驻留的航天员会产生各种生理或心理的不适。20 世纪60 年代起,苏联对空间特殊环境对人影响进行研究;NASA 也在发展载人航天的初期设立空间飞行环境中人的能力研究专项。中国载人航天任务正在从短期空间飞行向长期空间飞行跨越,对于空间站适人性的研究将成为后续航天任务顺利实施的关键[1-2]。

失重环境下,由于体液头向转移,人的运动学和动力学特性会随之发生不同程度的改变,这会对航天员操作设备、移动物体或自身移动时产生不利影响[2]。对航天员的认知能力的研究发现[3-6],在重力环境改变的状况下,感知-运动功能与高级注意功能会受到较大干扰,航天员对信息的接受与加工能力会下降,出现如搜索行为减少、对视觉线索反应时间延长及警觉性降低等现象。

在空间站舱内光环境方面,NASA 从2015 年开始了一项名称为“测试固态照明对策以改善国际空间站的昼夜节律适应、睡眠和性能”的研究[7],该研究促进了国际空间站中照明设备的更新以及节律照明等功能的实现。Jiang 等[8]、Lu等[9]也针对空间站内光源的色彩、色温对航天员主观满意度的影响进行了模拟研究。但空间站中的光环境适人性与地面人居环境中的差异目前仍然缺乏比较可靠的实验验证。

目前,空间站中的光环境研究是从建筑照明与光环境研究中发展而来[10-11],在建筑照明研究中已经有大量的实证研究论证了照明对人体的警觉性[12]、认知能力[13-14]和情绪[15-16]有显著的非视觉生物效应。空间站适人性的研究正在逐步走向细化领域,在载人航天中也可以利用光环境的各类积极效应来调节航天员的感知、理解、判断、决策、操作能力,并调动积极情绪,以应对脑力疲劳或工作压力,进而降低人为失误的发生,提高在轨期间安全。

本文以改善在轨空间站中的光环境适人性为目标,以光环境适人性指标中4 项主要视觉作业绩效指标(视觉辨别力、距离感知、警觉度、主观感受)为研究对象,探究光环境在模拟空间站场景与地面人居场景中的适人性差异。

2 实验设计

实验采取了心理物理学实验与随机对照组实验的方法,通过在专业的照明实验室中设置不同的姿态、照度值以及色温组合而成不同的测试场景,对不同视觉作业指标进行实验,量化并梳理各参数之间的影响关系。

2.1 实验环境搭建

实验在哈尔滨工业大学(深圳)智能人因照明实验室(iLLab)内进行空间站光环境模拟。该实验室为封闭无窗暗室,可有效隔离其他光源干扰。实验室内部其他环境指标设置为温度22 ～24 ℃,湿度40%～70%。实验环境由全通路多光谱LED 光源调节系统、移动观测面距离测量系统、反应时间测试设备、绩效测试设备和其他辅助设备组成,如图1 所示。

图1 实验室环境示意图Fig.1 Schematic diagram of the lab

在距离判断任务中通常由被试者手动移动目标物进行距离估算,为了进一步降低实验中身体四肢对距离感知产生的影响同时扩大可测试的距离尺度,在观测面的移动方式上采用了通过无线遥控器控制目标观测面移动的方式。在反应时间测试及绩效测试任务中,为避免不同姿态肢体发力的差异,测试装置包括电子触控屏幕等均由支架固定在据被试者相同距离处。

为了尽可能模拟航天员在太空时所处的微重力状态,实验搭建了-6°的头低位倾斜平台[6],同时参照站立姿态时工作面与光源的相对关系,在平躺姿态及-6°头低位姿态时将光源投射方向进行调整,保持与工作面的垂直角度。不同姿态下的光环境均使用Thouslite LED Cube 来模拟在轨空间站中的照明光源,该设备具备在全光谱范围内光色任意可调的功能,而且可辅以Konica Minolta CL500A 光谱仪的闭环反馈通路实时调节照度和色温。

2.2 实验参数选取

实验将选取3 种不同的实验姿态(站立姿态、平躺姿态及-6°头低位卧床姿态)和6 种照明条件作为研究的自变量,4 种适人性指标(视觉辨别力、距离感知、主观感受、警觉度)作为因变量。

6 种照明条件参数的选取参考CIE 照明标准,选取包括3 种照度(75 lx-休息场景、300 lx-舱内工作场景、750 lx-舱内精密操作场景)和2种色温(2700 K-暖白光、6500 K-冷白光)两两匹配组成的6 种照明条件。所选照度的测量位置为移动观测面运动范围内的平均照度。

3 种姿态与6 种照明条件共组成18 个实验场景,如表1 所示。实验前已多次用仪器测量将3 种姿态的光环境参数调整到一致,为避免不同照明设备导致的实验误差。

表1 验照明场景参数和编号汇总Table 1 Lighting scene parameters and serial numbers

视觉辨别力测试以字母消除任务(Letter Cancellation Tasks,LCT)的方式进行。LCT 测试中被试者被要求在随机生成的大写字母矩阵内按照要求尽可能快而准确地搜索到并选择出指定的字母,实验中使用的字母矩阵使用随机生成器生成。通过秒表记录LCT 测试用时,在所有试验结束后将对被试在每个照明场景下的错误次数进行统计。

距离感知任务中设置3 组距离尺度参数,分别为0.8 m(人体工程尺度),1.4 m(空间站小柱段半径)及2.1 m(空间站大柱段半径)。主观感受评价由5 个条目构成,分别为紧张的-轻松的、情形的-困倦的、激动的-平静的、不适的-惬意的、犹豫的-自信的。每个评分条目均采用采用Likert 九点式的计分方式,其中0 代表程度中性、1 ～4(或-4 ～-1)为倾向于某一感受的程度得分。

警觉度测试通过反应时间测试装置进行,测试内容为连续点击屏幕中随机位置出现的靶标,通过记录被试者准确点击靶标的响应时间以收集不同姿态及照明环境下的视觉-运动协调能力。测试界面如图2 所示,左侧为测试开始前的界面,当连续点击靶标后软件将会如右侧所示自动显示本次测试的反应时间结果。实验中电子屏幕亮度被设置恒定并在被试者进行其他测试任务期间保持关闭。

图2 反应时间测试界面Fig.2 Reaction test screen

2.3 实验流程设计

实验招募被试20 名(10 名男性和10 名女性),年龄18～30 岁,由深圳大学城本科生和研究生(硕士和博士)组成,均正常视力或经过佩戴眼镜后校正视力正常,无视觉疾病或功能障碍,身体状况良好。

20 名被试在每种场景下都将完成4 项任务:首先进行字母消除任务,由2 位实验员记录任务完成的时间;其次为移动观测面距离测量任务,被试将被要求按照随机的顺序完成3 组距离尺度参数的主观判断,该任务过程中电机在移动时保持匀速且被试可以使用遥控器反复调整移动观测面位置;第三项实验任务为主观评价问卷的填写;最后一项实验任务为反应时间测试,该项目数据将由设备自动生成并记录。

实验将会按照提前随机分配(3 个姿态顺序随机、每个姿态内的照明条件顺序随机)的照明场景顺序进行。站立与平躺姿态的实验前有5 min 环境适应时间,头低位姿态实验前被试需保持10 min 的头低位等待时间。全部18 个光环境实验场景见图3。

图3 实验场景Fig.3 Experiment scenarios

3 实验结果与分析

将各项实验数据结果汇总如表2 所示,本次实验数据处理中选用独立样本t检验对总体样本数据进行统计分析。

表2 各项适人性指标数据均值统计结果Table 2 Statistical results of human rating indicators

3.1 不同姿态对光环境适人性的影响

在视觉辨别力指标上各姿态间不存在显著差异,以下将对存在显著性差异(P＜0.05)的剩余3个指标进行进一步分析。

1)距离感知。如表3、图4 所示为6 种照明条件下3 种姿态间距离感知的实验数据统计结果,“站立-平躺”表示该列数据由站立与平躺姿态进行独立t检验得出。可以看到在75 lx/2700 K 的照明条件下,平躺-头低位在0.8 m 距离尺度的感知上存在显著差异;在75 lx/6500 K 与300 lx/7500 K 的照明条件下,站立-平躺、站立-头低位在0.8 m 的距离尺度的感知上存在显著差异。同时,在75 lx/6500 K 的照明条件下,站立-头低位在1.4 m 距离尺度上的感知也存在显著差异。其他照明条件下3 种姿态的距离感知没有显著差异。

表3 不同姿态下距离感知数据统计分析Table 3 Statistical analysis of distance perception data in different postures

图4 不同姿态距离感知差值对比Fig.4 Comparison of distance perception in different postures

2)主观感受评价。如表4、图5 所示为6 种照明条件下3 种姿态间的主观感受困倦感与惬意感的实验数据统计结果,其中在75 lx/6500 K 的照明条件下,站立-平躺均与站立-头低位在惬意感上存在显著差异,其它照明条件下3 种姿态的感觉没有显著差异。

表4 不同姿态下主观评价数据统计分析Table 4 Statistical analysis of subjective evaluation data in different postures

图5 不同姿态主观感受评价对比Fig.5 Comparison of subjective perception in different postures

3)反应时间。表5 为6 种照明条件下3 种姿态间的反应时间数据统计分析,其中750 lx/2700 K与750 lx/6500 K 的照明条件下,站立-平躺在反应时间上存在显著差异,其他照明条件下3 种姿态的反应时间没有显著差异。

表5 不同姿态下反应时间数据统计分析Table 5 Statistical analysis of reaction-time data in different postures单位:ms

3.2 不同照度对光环境适人性的影响

经过统计检验,不同色温下各主观评价无显著差异,故只针对照度进行分类配对检验。由图6、表6 所示可以看出在各实验场景下不同照度间的主观感受困倦感、惬意感及自信感的统计分析结果。

表6 不同照度主观感受评价的配对检验结果Table 6 Results of paired tests forsubjectiveperceptionevaluationof differentillumination levels

图6 3种照度条件下不同姿态主观感受评价对比Fig.6 Co mparisonofsubjectiveperceptionsindifferentilluminations

站立姿态时,2700 K 色温下的惬意感在75 lx的照度条件时与300 lx、750 lx 均有显著差异,6500 K 色温下的困倦感在75 lx 与750 lx 照度之间有显著差异;平躺姿态时,2700 K 色温下的自信感在75 lx 与300 lx 之间有显著差异,6500 K色温下的困倦感在75 lx 与750 lx 之间有显著差异;在-6°头低位姿态时,2700 K 色温下困倦感在75 lx 与750 lx 之间有显著差异,6500 K 色温下的困倦感和惬意感在75 lx 照度条件时与300 lx、750 lx 均有显著差异。

3.3 结果讨论与分析

1)视觉分辨力:字母消除任务的用时及错误次数受姿态、照度及色温的影响均不显著。在模拟微重力状态下视觉分辨力受光环境的影响的变化情况与站立状态一致。

2)距离感知:色温与照度并不显著改变距离的感知,但不同姿态间存在一定差异。0.8 m 尺度下,75 lx 时3 种姿态均呈现感知距离小于实际距离的现象,站立姿态在不同光环境下判断误差较为稳定,但-6°头低位姿态下的判断随着照度增加判断误差变得波动性增大,即距离感知恒常性受到影响;在1.4 m 距离尺度下,3 种姿态平均表现为感知距离大于实际距离,在300 lx 的照度时3 种姿态具有显著差异,但在照度过低或达到一定亮度时3 种姿态的差异便不显著。上述结果表明,在小尺度距离的感知上,通过增加照度来提高距离判断准确性的照明设计策略在太空失重状态下的运用方式有待优化。

3)主观感受评价:仅有在照度75 lx、色温6500 K 的条件下,-6°头低位姿态的主观感受不适感才呈现为显著高于其他2 个姿态。在照度方面,站立姿态下不适感随着照度的提升而迅速减弱,但在-6°头低位条件下不适感减弱的较慢。在光环境的清醒感/困倦感上,照度为75 lx 时-6°头低位姿感觉较为清醒,但3 种姿态下困倦感都会随着照度的增加而减小。

模拟失重状态下的照明条件对人的主观感受的影响与站立状态下相比,影响趋势是类似的,但是其影响的程度会出现差异。例如在通过照度、色温来调节人的主观感受不适感上,失重条件下效果将更不显著,意味着在空间站内部的照明设计中将参数的变化范围进一步扩大。

4)反应时间:站立姿态下在750 lx 的照度时,高色温下反应时间较短,但平躺姿态和-6°头低位姿态并没有这种现象。在小于750 lx 的照度条件下3 种姿态间反应时间差异不显著。在对反应能力的影响上,与站立姿态不同,模拟失重状态下使用照明设计中常用的增加照度、调高色温等手段并不能发挥出很好的增强作用。

在本研究中,站立姿态下的实验结果符合现有的建筑照明实验的研究结论,而在-6°头低位模拟失重条件下所得结果的差异性则可以为空间站人因照明设计提供参考。例如,在多项主观评价项目上发现了不同姿态间受光环境的影响存在差异,为航天员在睡眠舱内或空间站夜间照明参数调整优化提供了参考。同时,本研究也对一些缺乏研究的假设做出了验证,例如,不同的光环境下大尺度的距离感知在不同姿态间并没有显著性差异,间接证明了利用现有的照明条件在模拟微重力状态下进行大尺度操作训练是可行的。

在未来的微重力状态下光环境适人性研究中,可设置更加贴近航天员真实在轨工作任务的测试项目,并增加300 lx 以下更精细的照度变化梯度以及引入动态节律照明等方法,进一步对在轨空间站的人因照明开展研究。

4 结论

本文探究了光环境适人性在模拟空间站场景与地球人居场景中的差异,研究表明,在微重力与地面2 种状态下,光环境(照度、色温)变化对视觉分辨力(字母消除任务的用时及错误率)无影响,而对距离感知、主观感受、反应时间的影响均存在显著性差异。

1) 较短距离(0.8 m)时,与正常站立状态相比,微重力状态高照度下的距离感知恒常性较差;

2)较高照度(750 lx)时,与正常站立状态相比,微重力状态下反应时间不受色温变化的影响;

3)较低色温(2700 K)时,与正常站立状态相比,微重力状态下环境照度的变化(75 lx/300 lx/750 lx)引起的不适感变化幅度更小。