不同室内热环境和照度水平对下午昼夜节律低谷期间情境意识的影响

《Building and Environment》：Effects of Different Indoor Thermal Environment and Illuminance Levels on Situation Awareness During the Afternoon Circadian Trough

　　

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  通过受控实验系统地探索了下午昼夜节律低谷期间光热耦合效应对情境意识（SA）的影响。
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  确定预测平均投票（PMV）= –0.35和700 lx为最大化人类情境意识表现的光热最优参数。
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  揭示了由照度和温度变化引起的心率变异性（HRV）降低的不同神经生理机制。
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  验证了眼球运动指标作为连接光热环境与认知能力的可靠生理中介变量。
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  发现主观情境意识评分无法反映高温条件下高照度的不利影响。

引言

室内环境质量（IEQ）是影响建筑物使用者身心健康、生产效率和认知表现的关键决定因素。IEQ涵盖核心维度，包括热舒适性[[1], [2], [3], [4], [5]]、室内空气质量（IAQ）[3,5,6]、视觉舒适性[1,5,6]和声舒适性[1,5,6]，其受多个建筑系统间交互作用的影响，主要包括建筑围护结构、暖通空调系统和照明系统。这些系统共同塑造了室内环境的物理舒适性，并显著影响在其中工作的人员的警觉性、决策能力和任务表现。在现代建筑中，特别是需要高操作员表现标准的关键任务环境，如控制室、调度中心和空中交通管制塔，IEQ优化对于提高运行安全和效率至关重要。

除IEQ外，昼夜节律低谷对运营安全和效率的影响也不容忽视。下午时段是继午夜之后昼夜节律周期中的第二个谷底。受内源性生物钟和睡眠稳态的综合作用影响[7,8]，个体会出现警觉性、认知表现和皮质醇水平的周期性下降。这些变化显著削弱了持续监控和决策能力，从而增加了疲劳相关的安全风险。

当前关于IEQ的研究一致表明，室内热环境和照度对工作绩效具有显著影响。虽然热舒适性研究通常采用环境温度作为主要自变量，但服装热阻、体力活动水平、空气温度、平均辐射温度、空气流速和湿度等因素也会影响受试者表现[9]。因此，预测平均投票（PMV）能够对多种室内环境的热感觉进行全面评估，被广泛应用于环境标准的制定中[10,11]。Kosonen和Tan[12]认为，只有过暖的工作环境会对工作效率和主观环境评价产生负面影响。这一观点得到许多学者的支持[13,14]，但现有文献中也报告了矛盾的发现[15]。此外，多项研究证实温度与表现之间存在倒U型曲线关系[16]。值得注意的是，个体热感觉受行为习惯、气候条件、地域特征和文化因素的影响[17]。尽管相关研究中观察到一致的总体趋势，但这些因素导致关于最优温度设置的研究结果存在不一致。在室内照明条件方面，照度是核心组成部分和关键指标。一些研究者提出300 lx的照度水平在工作效率和能耗之间实现了最优平衡[18]，而其他研究建议这一平衡点位于500 lx[[19], [20], [21]]。此外，多项实证研究表明，当照度超过500 lx时，工作效率可进一步提升[22]。在控制室环境中，操作人员需要持续处理复杂信息并做出快速准确的决策，情境意识（SA）作为高风险决策的基本认知基础[[23], [24], [25]]，至关重要。诸如负责飞机位置预测的空中交通管制员[[26], [27], [28]]，以及负责监控系统状态和报警信号的电力系统控制中心和核电站控制室操作员[29,30]等职业，均要求高水平的SA。越来越多的研究验证了采用眼动追踪数据进行SA评估的可行性，核心指标包括注视率、注视次数、停留时间和停留次数[[31], [32], [33]]。此外，现有研究证实心率变异性（HRV）[34]和心率（HR）[35]可有效反映个体SA水平。眼动追踪指标主要通过表征注意资源的分配来影响SA。作为反映自主神经系统（ANS）功能的关键生理指标，HRV和HR表征了交感神经系统和副交感神经系统之间的平衡，以及它们调节对环境应激反应的能力，从而进一步影响SA。

当前探索室内热环境和照度对人类工作表现影响的研究主要集中在认知任务，如学习[16]、记忆[[36], [37], [38]]和阅读[39,40]。然而，这些任务并不能全面代表个体的SA能力。此外，现有研究表明IEQ的变化会影响与SA密切相关的生理指标[31,35,41]。尽管如此，仍有大量系统性研究直接考察室内光热条件与SA之间的关系，凸显了人机工程与环境人体工程学交叉领域中的关键研究空白。

本研究旨在通过受控实验系统地调查照度和热条件对SA能力的交互影响。通过对多维数据的广泛分析，本研究力求阐明室内热环境和照度与SA之间的内在联系，并确定此类环境的最优条件，特别是在控制室等SA水平至关重要的场景中。在这些场景中，人员需要整合SA的感知、理解和预测三个层级来有效执行任务。因此，具体探索工作环境如何影响SA能力是至关重要的。

章节摘要

实验室描述

为考察热条件和照明对SA的联合效应，本实验在上海海洋大学浦东校区沪城环路校区一个经过精心控制的实验室中进行。实验室的尺寸约为5.0 m × 3.6 m。虽然天花板上装有常规照明灯具，但在整个实验过程中均处于关闭状态。室内温度由大金中央

心率变异性与心率

表1和图4展示了显著性检验和事后分析的结果。在由心电图导出的生理指标中，心率（HR）、pNN50、SDNN和RMSSD均受照度和室内热环境的显著影响（p<0.05）。然而，这些指标均未观察到显著的交互效应。

眼球运动指标

表2和图5展示了显著性检验和事后分析的结果。关于从眼

室内热环境和照度对主观评分的影响

本研究的发现表明，随着照度水平的升高，参与者的主观警觉性显著增加，这与其他研究报告的结果一致[66,67]。这表明主观警觉性对照度水平的变化高度敏感。此外，本研究表明，低照度（300 lx）结合微热热条件（PMV=1）的环境显著损害了参与者维持警觉性的能力

结论

针对所识别的知识空白——即当前IEQ研究中缺乏将耦合热环境与照度直接关联到SA的证据——本研究采用受控实验设计，针对下午昼夜节律谷底作为时间窗口，系统调查了不同PMV-照度组合对参与者SA表现的影响。结果证实了热条件与照度对SA存在显著的交互效应，

作者贡献声明

陈崇明：写作——审阅与编辑。吴金有：写作——初稿撰写。周晓怡：写作——审阅与编辑。林燕丹：写作——审阅与编辑。王芳：写作——审阅与编辑。

陈崇明|吴金有|周晓怡|林燕丹|王芳