王嬈芬， 顧幸生， 陳 敏

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620； 2.華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

操作員的電生理信號種類繁多[1～11]，如腦電信號、心電信號、眼電(electrooculogram,EOG)信號等，與其他生理信號相比，眼電信號具有幅值高、容易檢測和干擾少等優(yōu)點[12,13]。同時，研究表明，由于中樞神經(jīng)會控制面部表情，影響眼睛的活動，因此，操作員眼電信號的變化可以反映視覺需求、疲勞和其他操作條件等。眼電信號的特征包括：眨眼頻率、眨眼頻率變化率、眨眼幅度、閉眼時間等。當(dāng)操作員專注于某項任務(wù)時，眼睛會集中在某一點，可能導(dǎo)致眨眼率降低。文獻(xiàn)[14]分析了駕駛員的眼電特征，當(dāng)駕駛員疲勞時，眼瞼下垂、眨眼幅度減少，而眨眼頻率更高，閉眼時間更長。目前對眼電信號的研究主要集中在時域分析上，分析了心理狀態(tài)與眨眼率、眨眼變化率、眨眼幅度等特征的關(guān)系。而關(guān)于眼電信號的能量分布與心理狀態(tài)之間關(guān)系的研究較少。

本文采用小波變換分析方法[15]，分析了操作員的眼電信號，從頻域角度研究了不同頻段的相對能量與操作者疲勞、焦慮和努力程度的關(guān)系，提取了具有顯著性的眼電頻域特征。

1 數(shù)據(jù)采集實驗

實驗采用密閉艙空氣管理系統(tǒng)[16,17](automation-enhanced cabin air management system，Auto-CAMS)模擬了航空器中的生命支撐系統(tǒng),該系統(tǒng)有4個子系統(tǒng)，對應(yīng)大氣條件的4個關(guān)鍵參數(shù)，包括艙內(nèi)氧氣濃度、二氧化碳濃度、溫度和壓力。4個子系統(tǒng)可以由被試人員手動操作控制對應(yīng)的參數(shù)在正常范圍內(nèi)，也可以自動運行。通過改變由被試人員手動控制的子系統(tǒng)個數(shù)，可以產(chǎn)生不同的操作員任務(wù)負(fù)荷，從而使得操作員的精神負(fù)荷隨之改變。

實驗前，每位被試人員進(jìn)行了超過7 h的手動控制任務(wù)的訓(xùn)練，模擬實驗過程，開展了5 h的訓(xùn)練。經(jīng)過訓(xùn)練后，被試人員都能夠熟練地操作Auto-CAMS。6位健康被試(SA～SF)參與了本實驗，每人進(jìn)行了3次實驗。

實驗設(shè)計期望在實驗過程中，被試的心理負(fù)荷隨著實驗的進(jìn)展逐步增加再慢慢降低。實驗分8個階段，共100 min，實驗范式如圖1所示。C1和C8階段為5 min的基準(zhǔn)測試階段，被試的任務(wù)是監(jiān)視Auto-CAMS的運行。C2～C7為常規(guī)控制階段，分別需要被試手動控制的子系統(tǒng)個數(shù)為1，3，4，4，3，1，每階段15 min。從C2～C4階段，任務(wù)負(fù)荷逐漸增大，從C5～C7階段，任務(wù)負(fù)荷逐漸減小。為了避免生理影響，每人的3次實驗在不同天的同一時間段進(jìn)行 (SA1, SA2, SA3)。

圖1 實驗范式

實驗采集的數(shù)據(jù)包括：眼電數(shù)據(jù)和主觀心理負(fù)荷數(shù)據(jù)。眼電數(shù)據(jù)通過放置在被試右眼眼球正上及正下位置的電極采集，采集的是被試的垂直眼電信號，包含與被試心理負(fù)荷相關(guān)的眨眼、眼動等信息。實驗采用視覺模擬尺度(visual analogue scale)方法記錄主觀心理負(fù)荷度量數(shù)據(jù)，主觀度量變量為0～100之間的值。每階段實驗結(jié)束后，被試都要進(jìn)行1次主觀心理負(fù)荷記錄，包括疲勞程度、焦慮程度和努力程度。

2 眼電信號處理結(jié)果與分析

2.1 眼電信號的小波分析結(jié)果

本文在對比了haar，sym4，coif4，db4，db5等母小波的分析結(jié)果后，選用db4母小波分解眼電信號，既保證信號不失真，又能夠提取眼電信號中的有效特征信息。

實驗中，眼電信號的采樣頻率為500 Hz。眼電信號屬于低頻信號，眼電信號中的主要成分集中在100 Hz以內(nèi)，且眨眼信息的有效頻率成分集中在0～10 Hz內(nèi)，為了有效獲取眨眼信號的特征信息，選擇了對眼電信號進(jìn)行10層小波分解。D1～D10和A10的頻率范圍如表1所示。

2.2 特征提取

表1 各層頻率范圍

圖2給出了各子頻段的相對能量分布情況，可以看出，眼電信號的能量主要集中在D6～D10以及A10頻段，眼電信號D6～D10以及A10頻段的相對能量可能跟操作員的心理狀態(tài)有關(guān)，因此，選取D6～D10以及A10頻段的相對能量做進(jìn)一步的分析。圖3給出了被試SA1在實驗過程中D6～D10以及頻段相對能量隨實驗階段進(jìn)展的變化情況。圖4給出了SA1的心理狀態(tài)的主觀度量變化情況。

圖2 各子頻段的相對能量分布(被試SA，C1階段)

圖3 8個階段D6～D10及A10頻段相對能量分布

圖4 8個階段操作員心理負(fù)荷的主觀評價

2.3 相關(guān)性分析

采用相關(guān)性分析來定量衡量眼電信號特征與操作員心理負(fù)荷的相互關(guān)系。本文以被試每階段的主觀心理度量作為操作員實際的心理負(fù)荷，分析了被試D6～D10，A10頻段相對能量與疲勞、焦慮、努力程度的相關(guān)性。表2給出了被試SA1的D6～D10，A10頻段相對能量與被試心理負(fù)荷主觀測量之間的相關(guān)系數(shù)，可以明顯看出D6和D9頻段相對能量與操作員努力程度相關(guān)，A10的相對能量與操作員焦慮相關(guān)。

表2 眼電信號特征與疲勞、焦慮及努力程度的相關(guān)性(SA1)

對所有被試的眼電信號進(jìn)行了分析。圖5～圖7分別給出了D6～D10，A10頻段相對能量與操作員疲勞、焦慮和努力程度的相關(guān)性。

圖5 眼電信號特征與操作員疲勞的相關(guān)性

圖6 眼電信號特征與操作員焦慮的相關(guān)性

圖7 眼電信號特征與操作員努力程度的相關(guān)性

依照圖5～圖7的相關(guān)性分析結(jié)果，本文選取了各被試眼電特征中分別與疲勞、焦慮和努力程度最相關(guān)的2個特征，并將結(jié)果總結(jié)，如表3?？梢钥闯?，對于被試SA而言，D6和D9的相對能量可以作為疲勞、焦慮和努力程度的顯著性指標(biāo)。而對于被試SC而言，D6和D10的相對能量是候選指標(biāo)。但對被試SD而言，D9的相對能量可以作為疲勞、焦慮和努力程度的顯著性指標(biāo)，而D6的相對能量可以作為焦慮和努力程度的衡量指標(biāo)。綜合所有被試的分析結(jié)果來看，D7(3.91～7.81 Hz)的相對能量更能夠反映操作員疲勞的變化，D6(7.81～15.63Hz)和D9(0.98～1.95 Hz)的相對能量與操作員焦慮和努力程度更相關(guān)。以上結(jié)果表明，通過小波變換提取出來的眼電特征能夠反映操作員心理負(fù)荷的變化情況。本文結(jié)果可以用于將來對操作員心理負(fù)荷狀態(tài)的估計。

表3 每位被試的顯著性指標(biāo)

3 結(jié)束語

本文采用小波變換方法分析了操作員的眼電信號，提出了與操作員疲勞、焦慮和努力程度顯著相關(guān)的眼電特征。實驗結(jié)果表明：D6，D7和D9頻段的相對能量能夠顯著反映操作員心理負(fù)荷的變化。未來將采用眼電特征建立有效的模型，估計操作員的心理負(fù)荷。