徐明偉，金龍哲，田興華，魏祎璇，王麗君

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 西弗吉尼亞大學(xué)工業(yè)工程系，摩根墩 26505

受限空間是指通風(fēng)不良、容易造成有毒有害氣體積聚和缺氧的設(shè)備、設(shè)施和場所.受限空間職業(yè)危害因素很多，目前研究者關(guān)注較多的是受限空間的窒息[1]，中毒[2]，爆炸[3]，高溫[4]等方面的事故.但隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的不斷發(fā)展與進(jìn)步，受限空間內(nèi)作業(yè)人員從事視頻顯示終端（Visual display terminal，VDT）作業(yè)已經(jīng)非常普遍，比如，煤礦中的監(jiān)控硐室，輪船中的屏幕作業(yè)的船艙等.由于受限空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，視野相對(duì)狹窄，這種作業(yè)空間一般由于作業(yè)人員較少，容易忽略采光因素，而光照又是視覺疲勞的重要影響因素.相比正常環(huán)境，受限空間作業(yè)環(huán)境更為惡劣，在這種受限空間中進(jìn)行VDT作業(yè)，長時(shí)間觀看屏幕會(huì)導(dǎo)致眼睛的極度疲勞，繼而引發(fā)事故.由于VDT的自發(fā)光原理，即使在黑暗環(huán)境中作業(yè)人員依然能夠看清屏幕，因此，在實(shí)際VDT工作站中，人們對(duì)環(huán)境的光照更容易忽略.而光環(huán)境對(duì)VDT視覺疲勞有重要影響.據(jù)美國OSHA調(diào)查[5]顯示，船廠環(huán)境中受限空間損傷率是一般建筑業(yè)的兩倍.研究顯示[6]，在工作或娛樂中經(jīng)常使用屏幕的群體，有70%至90%的人會(huì)出現(xiàn)電腦視覺綜合癥（Computer vision syndrome，CVS）.綜上所述，受限空間的光照問題對(duì)職工的健康和安全生產(chǎn)有重要的影響，因此，對(duì)受限空間內(nèi)光照對(duì)作業(yè)人員的研究顯得尤為重要.

視覺疲勞的監(jiān)測方法主要分為主觀和客觀兩種[7].主觀評(píng)估方法通常采用主觀評(píng)價(jià)量表[8]方法對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的疲勞程度進(jìn)行初步定量分析[9]，該方法相對(duì)簡單，能夠明了的分析出疲勞與否，但易受個(gè)體差異和心理影響因素[10].隨著信息技術(shù)化的發(fā)展，人們也探索了眾多客觀評(píng)估視覺疲勞方法.孫立斌[11]利用閃光融合頻率（Critical flicker frequency，CFF）對(duì)航空管制員進(jìn)行視覺疲勞測試，建立了疲勞評(píng)價(jià)模型，但CFF容易受近視，散光和心率等因素影響[12].郭夢竹與李世武[13]用實(shí)車裝置研究駕駛員的視覺疲勞問題，構(gòu)建了駕駛員反應(yīng)時(shí)概率密度函數(shù)，但是反應(yīng)時(shí)測量誤差較大[14].近年來隨著腦科學(xué)的發(fā)展，腦電作為疲勞測試的手段也引起了不少人的關(guān)注[15-17]，腦電信號(hào)蘊(yùn)藏很多生理信息，但腦電測量要求較高，需要涂導(dǎo)電凝膠等，操作復(fù)雜.瞳孔直徑作為人眼的一部分，其調(diào)節(jié)機(jī)制[18]對(duì)于視覺狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立具有重要意義.疲勞狀態(tài)尤其是瞌睡狀態(tài)下瞳孔會(huì)有很大的變化，人們瞌睡時(shí)的瞳孔會(huì)減小，疲勞時(shí)瞳孔直徑有比較明顯的變化，而清醒人的瞳孔尺寸（穩(wěn)定光照下）保持相對(duì)穩(wěn)定[19].Koo等[20]在不同觀看條件下觀看兩個(gè)不同的視頻，監(jiān)測瞳孔直徑的變化，主觀疲勞明顯時(shí)，瞳孔直徑減小.因而，根據(jù)瞳孔變化的程度分析視覺疲勞水平是有價(jià)值的，經(jīng)綜合考究，本研究采用測量瞳孔直徑的方法.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)人員及器材

為盡可能減少個(gè)體差異性的影響，被試的視覺生理等狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格挑選和控制，挑選視力水平正常、無佩戴眼鏡的受試者.為盡可能減少自身身體狀況影響，要求受試者在測試前7 d內(nèi)未服用任何藥物，實(shí)驗(yàn)前36 h內(nèi)無劇烈運(yùn)動(dòng)，24 h內(nèi)不允許飲酒，12 h內(nèi)不允許飲用咖啡、功能性飲料.用心理壓力分析儀（DH-600）挑選近期心理壓力正常的受試人員.所選取人員的年齡、身高和體重相差較小.綜上，所挑選受試者在一定程度上能代表受限空間作業(yè)人員.本實(shí)驗(yàn)共選擇了24位符合上述實(shí)驗(yàn)要求的在校大學(xué)生作為受試人員，其中14名男生，10名女生.實(shí)驗(yàn)前對(duì)受限空間VDT作業(yè)進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)受試者進(jìn)行培訓(xùn)，使其盡可能接近實(shí)際情況.其中受試者身體指標(biāo)如表1.

表1 受試者參數(shù)Table 1 Subject parameters

儀器：眼動(dòng)儀ASL Mobile Eye，采樣頻率30 Hz（美國 ASL Applied science laboratories）；ASL EVEVISIN分析軟件，錄像機(jī)：索尼GV-D1000E，RUM記錄器安裝單元，可調(diào)式眼鏡，可調(diào)節(jié)照度遙控?zé)鬗i.light遙控器，光度測量計(jì)，測量范圍 1～50000 μW·cm2，作業(yè)試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)備組成如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)主要儀器Fig.1 Main instruments of the experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

Lin等[21]在研究VDT工作站環(huán)境光照對(duì)視覺疲勞的影響時(shí)，設(shè)置了環(huán)境照度為20和340 lx.為開展在不同的照度光環(huán)境下的研究.Li等[22]研究煤礦井下低照度對(duì)安全行為的影響時(shí)，設(shè)置照度為 10，30，50，75和100 lx，推薦照度在 50 lx以上.Mashkoori等[23]在調(diào)研工作站光環(huán)境對(duì)人舒適性時(shí)，發(fā)現(xiàn)所調(diào)查的最高照度不超過580 lx.同時(shí)根據(jù)前期研究和調(diào)研，本次實(shí)驗(yàn)兼顧到高照度和低照度，設(shè)置在 50，100，200，300，400，550和700 lx共計(jì)7個(gè)照度梯度.在受限空間作業(yè)，進(jìn)入人眼的光主要是由兩部分構(gòu)成，一部分是由環(huán)境中燈光等光源提供，另一部分是由VDT發(fā)出的光.根據(jù)前人研究[21-23]環(huán)境光源影響程度較大，且本研究主要研究受限空間中環(huán)境光源對(duì)視覺影響，為此本實(shí)驗(yàn)將始終保持屏幕亮度恒定，選取正常亮度，將屏幕亮度設(shè)定為150 cd·m-2，設(shè)置的照度方法為用照度計(jì)測量人眼高度且沒有屏幕時(shí)的照度.暫且不考慮環(huán)境光源與VDT發(fā)光的交互作用，此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將為下一步深入研究奠定基礎(chǔ).

1.3 工作任務(wù)及流程設(shè)計(jì)

VDT文字輸入性工作是常見的用眼較多，且需要注意力集中的工作.因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)受試者VDT作業(yè)內(nèi)容為文字輸入工作，文字內(nèi)容為網(wǎng)上節(jié)選的優(yōu)秀文章合集，生僻字較少，打字難度適中.此處需要在實(shí)驗(yàn)前對(duì)每位受試者進(jìn)行眼動(dòng)儀使用進(jìn)行培訓(xùn).為保證實(shí)驗(yàn)效果，每人實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)階段為上午 9:30至 10:30，下午14:30至15:30，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在北京科技大學(xué)可移動(dòng)救生艙內(nèi)進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)室恒溫23 ℃，濕度40%～50%，實(shí)驗(yàn)場景如圖2.

圖2 實(shí)驗(yàn)場景布置示意圖Fig.2 Schematic of an experimental scene layout

2 結(jié)果

2.1 瞳孔直徑預(yù)處理

（1）歸一化處理.

眼動(dòng)儀的記錄數(shù)據(jù)是以像素為結(jié)果記錄的，像素和分辨率是有關(guān)聯(lián)系的.因此在數(shù)據(jù)處理前需要將記錄的瞳孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以長度為單位的瞳孔直徑（式（1）和（2））.

式中：dp，mm；r為眼動(dòng)儀測得瞳孔半徑，像素；L為錄制視頻畫面像素的長度，像素；W為錄制視頻分辨率的寬度，像素.L=640像素，W=480像素.

（2）降噪處理.

ASL Mobile Eye采樣頻率為30 Hz，不同光照下，作業(yè)人員的視覺疲勞是一個(gè)漸進(jìn)的過程，人眼在暗處或者明亮處對(duì)光的敏感度產(chǎn)生逐漸暗適應(yīng)，明適應(yīng)（Light adaptation）和暗適應(yīng)（Dark adaptation），這個(gè)過程需要幾秒完成[24-25]，研究發(fā)現(xiàn)，不自覺眨眼對(duì)瞳孔直徑有明顯影響[26]，因此為了排除眼睛明暗適應(yīng)和眨眼干擾，必須進(jìn)行降噪處理.

利用式（2）將瞳孔直徑由像素單位轉(zhuǎn)化為長度單位.Savitzky-Golay去噪是對(duì)移動(dòng)平滑去噪的改進(jìn)，濾除噪聲的同時(shí)可以確保信號(hào)的形狀、寬度不變[27-28]，因此對(duì)其進(jìn)行Savitzky-Golay卷積平滑降噪處理，過程如式（3）.

式中，xk.s為瞳孔直徑平滑結(jié)果，mm；ω為設(shè)置窗口大小.

考慮到明暗適應(yīng)時(shí)間，本研究選取1 min的瞳孔直徑數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，因此平滑窗口寬度設(shè)置為60 s，數(shù)據(jù)降噪結(jié)果（部分展示）如圖3所示.

圖3 瞳孔直徑去噪后處理Fig.3 Post-processing of pupil diameter denoising

2.2 瞳孔直徑隨照度變化

瞳孔直徑的變化與光照度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，為探究在不同照度條件下瞳孔半徑的變化規(guī)律，將瞳孔直徑隨不同照度的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì).田會(huì)娟等研究表明[18]，不同性別之間的標(biāo)準(zhǔn)化瞳孔直徑具有相同的變化趨勢，因此將男女瞳孔直徑取平均值.瞳孔直徑與照度之間的關(guān)系如圖4.可明顯看到，隨著照度的增強(qiáng)，瞳孔直徑呈減小趨勢.

圖4 瞳孔直徑隨照度變化Fig.4 Changes in pupil diameter with illuminance

2.3 瞳孔直徑隨作業(yè)時(shí)間變化

Iskander等[29]利用瞳孔相對(duì)變化率來衡量瞳孔的變化，如式（4）.該方法減少了由于個(gè)體差異帶來的影響，因此本研究在數(shù)據(jù)處理工程中選用瞳孔直徑變化率來評(píng)判瞳孔直徑變化.工作前幾分鐘可以認(rèn)定為作業(yè)人員還未發(fā)生視覺疲勞，因此選擇前5 min的瞳孔尺寸.同時(shí)，又考慮到因環(huán)境適應(yīng)過程帶來的干擾，剔除了前2 min的數(shù)據(jù)，本研究將第2～5 min的瞳孔直徑取平均值.

式中：δdp,i為i時(shí)刻瞳孔直徑變化率，%；為實(shí)驗(yàn)開始一段時(shí)間的瞳孔平均直徑，mm，本實(shí)驗(yàn)取實(shí)驗(yàn)開始2～5 min平均瞳孔直徑；p,i為i時(shí)刻平均瞳孔直徑，mm.瞳孔直徑變化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5.

圖5 不同照度下瞳孔直徑隨作業(yè)時(shí)間變化Fig.5 Changes in pupil diameter with operating time under different illuminances

3 討論

3.1 光照對(duì)瞳孔影響分析

瞳孔直徑的擴(kuò)張變化是通過虹膜擴(kuò)張器肌肉，由交感神經(jīng)系統(tǒng)支配[30].德國慕尼黑大學(xué)Pfleging等[31]認(rèn)為，瞳孔直徑也受認(rèn)知任務(wù)的影響，當(dāng)認(rèn)知任務(wù)增大時(shí)，瞳孔直徑變大，其變化范圍大致在0.1～0.5 mm之間，但其導(dǎo)致的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由于光照導(dǎo)致的變化.華盛頓大學(xué)的Binda等[32]在研究不同注視內(nèi)容和不同光照時(shí)發(fā)現(xiàn)，照度對(duì)瞳孔直徑的大小的影響遠(yuǎn)大于注視的內(nèi)容，照度對(duì)瞳孔變化的影響是圖片特征對(duì)瞳孔變化影響的3倍左右.因此本實(shí)驗(yàn)控制打字內(nèi)容為文字，所以，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引起的差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于33%.因此，為探究在不同照度條件下瞳孔半徑的變化規(guī)律，可以忽視認(rèn)知（本研究中即為不同打字內(nèi)容帶來的差異）的影響因素，單獨(dú)研究瞳孔隨照度變化關(guān)系.Iskander等[29]在研究3D頭盔景深與瞳孔關(guān)系變化時(shí)，分別用指數(shù)函數(shù)，直線，二次函數(shù)，三次函數(shù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)的擬合度最好，因此，在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)特征，本研究增加第4種擬合方式，即冪函數(shù)擬合，擬合曲線和結(jié)果如圖6和表2.

圖6 不同照度下的瞳孔直徑擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of pupil diameter under different illuminances

從圖6和表2可以看出，隨著照度增大，瞳孔直徑總體呈減小趨勢，4種函數(shù)擬合結(jié)果表明，冪函數(shù)擬合效果最好，調(diào)整系數(shù)R2達(dá)到0.9856.該擬合結(jié)果優(yōu)于Iskander等[29]研究的指數(shù)函數(shù).因此，對(duì)于瞳孔-照度關(guān)系時(shí)優(yōu)選冪函數(shù).同時(shí)，從圖5可以看出在照度較低的環(huán)境中，瞳孔尺寸變化較劇烈.對(duì)優(yōu)選的冪函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，結(jié)果如圖7，在黑暗環(huán)境（照度＜100 lx）對(duì)瞳孔直徑變化率的影響最大.

3.2 作業(yè)時(shí)間對(duì)瞳孔直徑影響分析

根據(jù)前期研究成果[33]，在受限空間300 lx左右照度條件比較適宜，因此以300 lx環(huán)境為參照，分別作出低于300 lx照度和高于300 lx照度下的曲線圖（如圖5）.從圖5可以看出，在照度為300 lx時(shí)，瞳孔直徑變化浮動(dòng)最小，這與田會(huì)娟等[18]研究：被試者處于視覺舒適狀態(tài)下瞳孔直徑相對(duì)變化量為-2.14%～2.14%，基本保持一致.康奈爾大學(xué)的Tseng，Costa和賓夕法尼亞州立大學(xué)的Abdullah共同研究發(fā)現(xiàn)[34]，當(dāng)人們處于警覺狀態(tài)時(shí)，交感神經(jīng)控制系統(tǒng)會(huì)使瞳孔放大，以便更容易獲取信息，當(dāng)人們昏昏欲睡時(shí)，或者警覺度下降時(shí)副交感神經(jīng)會(huì)導(dǎo)致瞳孔收縮.又有研究[35]發(fā)現(xiàn)，即使在恒定光照情況下，瞳孔直徑不是恒定不變的，會(huì)震蕩，但是震蕩幅度不同.因此，可以用瞳孔直徑震蕩變化中的下降趨勢來判定視覺疲勞.從圖6可知，在不同光照下瞳孔直徑均出現(xiàn)不同程度的震蕩，在VDT作業(yè)后期，瞳孔直徑均出現(xiàn)下降趨勢.高照度（400，550和700 lx）環(huán)境下瞳孔直徑變化率在-12%～8%之間浮動(dòng).在VDT作業(yè)后期，高照度環(huán)境下瞳孔直徑減小的程度700 lx＞500 lx＞400 lx，因此可以推測，在300～700 lx之間，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，作業(yè)人員視覺疲勞發(fā)生的程度也會(huì)增加.低照度（50，100和200 lx）環(huán)境下瞳孔直徑變化率在-8%～4%之間浮動(dòng).在VDT作業(yè)后期，低照度環(huán)境下瞳孔直徑減小的程度50 lx＞100 lx＞200 lx，可以推測，在50～300 lx之間，隨著光照強(qiáng)度的減弱，作業(yè)人員視覺疲勞發(fā)生的程度也會(huì)增加.據(jù)上述分析知，不同的光照強(qiáng)度對(duì)視覺疲勞有不同的影響，在照度為300 lx附近視覺疲勞發(fā)生程度較低，在較亮（550和700 lx），或者較暗光照條件下（50和100 lx）均容易發(fā)生疲勞.

表2 不同函數(shù)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of different functions

圖7 不同照度下的瞳孔直徑變化率Fig.7 Rate of change of pupil diameter under different illuminances

根據(jù)研究[36]，在恒定光照情況下，瞳孔直徑不是恒定不變的，會(huì)震蕩，但是震蕩幅度不同.因此，可以使用瞳孔直徑的波動(dòng)程度反映其疲勞程度.本研究使用窗口化的標(biāo)準(zhǔn)差判斷其震蕩程度，將窗口設(shè)為5 min，統(tǒng)計(jì)連續(xù)5 min內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差，如式（5）和（6）.

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差，%；xi為i時(shí)刻的瞳孔變化率，%；，μ為連續(xù)5 min內(nèi)瞳孔變化率的均值，%.

圖8 不同照度下的瞳孔隨時(shí)間震蕩程度.（a）50 lx；（b）100 lx；（c）200 lx；（d）300 lx；（e）400 lx；（f）550 lx；（g）700 lxFig.8 Degree of pupil shock over time under different illuminances: (a) 50 lx; (b) 100 lx; (c) 200 lx; (d) 300 lx; (e) 400 lx; (f) 550 lx; (g) 700 lx

由圖8可知，在不同照度條件下，瞳孔震蕩程度σ在作業(yè)過程中都出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，其中在不同的時(shí)刻出現(xiàn)了峰值，據(jù)研究[36]可以將其疲勞程度關(guān)鍵點(diǎn)[37]，其出現(xiàn)的時(shí)刻可以作為判斷疲勞出現(xiàn)的關(guān)鍵時(shí)刻，對(duì)峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3.

表3 σ 峰值出現(xiàn)時(shí)刻Table 3 Time of appearance of σ peak min

由表3可知，低照度下的σ峰值出現(xiàn)時(shí)間總體早于高照度下σ峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，300 lx照度下σ峰值出現(xiàn)的時(shí)刻最晚，由此表明，弱光照下對(duì)視覺造成的疲勞程度大于強(qiáng)光照下造成的疲勞，據(jù)此分析，在受限空間內(nèi)作業(yè)應(yīng)避免照度過低的情況出現(xiàn)，以減緩視覺疲勞的發(fā)生.據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以大致判斷出發(fā)生明顯疲勞的時(shí)間節(jié)點(diǎn).因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，σ峰值作為疲勞發(fā)生變化的重要節(jié)點(diǎn)，推薦在受限空間內(nèi)進(jìn)行VDT作業(yè)的工作人員在σ峰值出現(xiàn)前適當(dāng)?shù)姆潘尚菹?，減緩視覺疲勞的發(fā)生.作出不同照度下VDT作業(yè)疲勞曲線如圖9所示，以此對(duì)受限空間內(nèi)VDT作業(yè)休息時(shí)間進(jìn)行指導(dǎo).

圖9 照度-疲勞曲線Fig.9 Illuminance-fatigue curve

4 結(jié)論

（1）隨著照度增大，瞳孔直徑總體呈減小趨勢，瞳孔-照度變化規(guī)律符合冪函數(shù).

（2）照度400，550和700 lx環(huán)境下瞳孔直徑變化率在-12%～8%之間浮動(dòng)，在300～700 lx之間，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，作業(yè)人員視覺疲勞發(fā)生的程度也會(huì)增加，低照度50，100和200 lx環(huán)境下瞳孔直徑變化率在-8%～4%之間浮動(dòng).在50～300 lx之間，隨著光照強(qiáng)度的減弱，作業(yè)人員視覺疲勞發(fā)生的程度也會(huì)增加.

（3）使用窗口化的瞳孔直徑標(biāo)準(zhǔn)差判斷其震蕩程度，低照度下的σ峰值出現(xiàn)時(shí)間早于高照度下σ峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，300 lx照度下σ峰值出現(xiàn)的時(shí)刻最晚，弱光照下對(duì)視覺造成的疲勞程度大于強(qiáng)光照下造成的疲勞，σ峰值作為疲勞發(fā)生變化的重要節(jié)點(diǎn)，以此對(duì)疲勞的出現(xiàn)作出判斷.