30 天模拟 ICE 任务前后操作员对基于虚拟现实（VR）的认知与运动任务的工作负荷响应：一项多模态人因工程评估

《International Journal of Industrial Ergonomics》：Operator workload responses to a VR-based cognitive and motor task before and after a 30-day simulated ICE mission: A multimodal ergonomic assessment

　　

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  一项为期30天的模拟ICE研究追踪了操作者对虚拟现实认知和运动任务的反应。
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  Stroop任务表现显示出各测量窗口和VR任务阶段间最明显的行为差异。
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  EEG Delta频段反应显示出各皮层区域间最明显的校正后神经生理差异。
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  多模态评估揭示了不同的行为和神经生理反应模式。

引言

在隔离、封闭和极端（ICE）环境中工作的人员，如深空任务和极地探险（Ehmann等，2018），可能会经历长时间的感官刺激和社会互动的限制，同时还要应对持续的任务需求。这些条件可能会使认知功能面临风险，并可能影响执行控制、持续注意力和工作记忆（Palinkas，2000）。即使是这些能力的微小下降，也可能增加高风险环境中的操作错误风险，并可能影响任务安全和系统可靠性（Jacubowski等，2015）。因此，研究操作者认知负荷的变化并开发针对ICE环境的干预方法，对于保护专业职业群体的心理健康和任务表现至关重要，也是工业人因学和人体工程学中的重要问题（Olenick等，2025）。

为应对这一挑战，研究人员探索了传统干预措施，如心理训练和光疗（Oluwafemi等，2021；Li等，2024；Barros-Delben等，2020）。然而，这些方法受到ICE环境物理条件的限制。远距离通信延迟极大地限制了实时远程心理支持，而有限的有效载荷资源限制了复杂环境改造设备的使用（Palinkas和Suedfeld，2021；Pagnini，2024）。此外，一些干预措施主要使用预设方案，难以根据长时间任务期间生理和心理状态的变化进行调整。基于VR的认知和运动干预任务可以在有限的物理空间内提供标准化且可重复的多感官交互体验（Jiang等，2025）。这些任务可能为ICE环境中的干预需求提供了新的选择，但评估其实际效果对评估方法提出了新的要求。

ICE环境中的认知评估传统上依赖于主观问卷和任务表现测量（von Janczewski等，2022；Vanhove等，2016；Zihisire Muke等，2022）。然而，这些方法在反映操作者状态变化方面存在局限性。随着技术进步，神经生理测量越来越多地用于补充传统的主观和行为评估（Emami和Chau，2020；de Nobile等，2024；Zahabi等，2025；Pei等，2025）。脑电图（EEG）具有毫秒级时间分辨率，可以捕获与认知负荷相关的快速神经振荡变化，反映任务期间神经电活动的快速变化（Kouba等，2023）。功能性近红外光谱（fNIRS）通过血流动力学信号提供皮层活动的空间信息。它可以用于检查脑区活动及连接性的变化，并可在动态或复杂环境中一定程度上应用（Castelo等，2024；Galati等，2021）。神经人因学研究表明，神经生理测量可以提供超越任务表现和主观评分的操作者状态信息（Borghini等，2022）。因此，同时记录EEG和fNIRS可以在电生理和血流动力学两个层面检查封闭高需求操作期间操作者状态的变化，为多源工作负荷评估提供更丰富的测量基础。

总之，我们设计了一项纵向重复测量研究，将多模态神经生理测量与行为评估相结合。图1总结了实验设计和多模态数据采集方案。本研究的主要贡献如下。

（1）我们进行了一项为期30天的模拟ICE隔离研究。通过比较隔离前后操作者对同一VR认知和运动任务的反应，本研究为理解长时间禁闭期间认知反应和工作负荷的潜在阶段性变化提供了纵向依据。它还为考虑ICE操作不同阶段的操作者状态评估和任务设计提供了参考。

（2）我们采用了一种多模态评估方法，整合了主观问卷、认知表现、VR行为、EEG和fNIRS。该方法能够联合检查主观感知、行为表现、运动特征和神经生理反应。它为综合操作者状态评估以及封闭高需求操作中跨不同层次的证据链接提供了方法学基础。

（3）我们联合分析了EEG和fNIRS测量的神经活动和有效连接性，并进一步探索了它们与认知表现的关系，从而在电生理和血流动力学层面考察操作者状态的变化。该分析还为未来关于任务调度、工作负荷管理和个性化VR认知和运动任务设计的研究提供了依据。

章节摘要

ICE环境中的认知状态评估方法

评估ICE环境中的操作者认知状态对于任务表现和系统安全至关重要。传统方法主要依赖于主观问卷和任务表现测量。主观问卷通常使用标准化量表，如隔离和封闭环境问卷（ICE-Q）（Nicolas等，2019）和三权心理测量表（Blackadder-Weinstein等，2019）。任务表现测量使用客观行为数据，如任务

用户研究

整体实验流程如图2所示。

测量

图4展示了多模态数据测量的覆盖范围。为了明确测量设备和工具与所收集信息之间的对应关系，表2列出了本研究中使用的设备和工具及其对应的测量内容。

EEG结果

对于Stroop任务，两个测量窗口之间最明显的EEG平均幅值（WA）变化出现在Delta频段。在左枕区（LOL，$p=0.016$）、右枕区（ROL，$p=0.016$）、左中颞区（LMC，$p=0.031$）、左前额区（LPFC，$p=0.031$）和右前额区（RPFC，$p=0.047$），隔离后的Delta频段WA均低于隔离前，所有原始$p<0.05$值均小于0.05。经过BH-FDR校正后，左枕区、右枕区、左中颞区和左前额区区域的差异仍具有显著性。这四个结果的完整统计数据见表4。此外，隔离后的Theta频段WA低于

讨论

本研究关注封闭高需求工作系统中与长时间感觉单调和持续任务压力相关的操作者工作负荷。通过使用VR认知和运动任务和多模态神经生理评估，我们比较了隔离前和隔离后测量窗口中VR任务前和VR任务后阶段执行控制、持续注意力和工作记忆的变化。主要发现如下。首先，Stroop表现在各测量窗口间存在差异

结论

本研究采用纵向重复测量设计和多模态评估方法，结合认知任务、主观量表、VR运动行为、EEG和fNIRS，考察了为期30天的模拟ICE任务中隔离前和隔离后测量窗口中操作者的认知表现和神经生理反应。经多重比较校正后，最明显的变化集中在Stroop任务中。与隔离前测量窗口相比，

CRediT作者贡献声明

Jing Qu：撰写——初稿、可视化、方法论。Xiaoyi Zhou：资源、数据整理。Si Li：调查、数据整理。Kaili Yin：监督、调查。Junhang Ding：资源、调查。Xinyi Wang：撰写——初稿。Lingguo Bu：监督、资源、基金获取。Zhiping Dun：方法论、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本项目得到国家重点研发计划（2023YFC3604500）、国家自然科学基金（项目编号52205275）和山东省高校"青年创新团队计划"（2022KJ004）的支持。

Jing Qu|Xiaoyi Zhou|Si Li|Kaili Yin|Junhang Ding|Xinyi Wang|Lingguo Bu|Zhiping Dun