多模態(tài)神經(jīng)工程技術解碼熱應激下的態(tài)勢感知與工作負荷
極端濕熱環(huán)境如何“掏空”大腦？多模態(tài)神經(jīng)工程技術解碼熱應激下的態(tài)勢感知與工作負荷
引言/背景介紹
在工業(yè)5.0時代，生產(chǎn)系統(tǒng)高度強調(diào)“以人為中心”，操作員的認知可靠性成為保障復雜系統(tǒng)安全的關鍵。然而，在核電站等嚴苛工業(yè)環(huán)境下，操作員常面臨極端濕熱暴露導致的熱應激。這種環(huán)境壓力會顯著損害個體的認知與執(zhí)行功能，增加次生災害的發(fā)生風險。
雖然學術界已廣泛采用最大適應性模型（Maximal Adaptability Model）來描述人體績效與環(huán)境負荷之間的關系，即認為在一定范圍內(nèi)人體可通過資源調(diào)節(jié)維持績效穩(wěn)定。但現(xiàn)有研究多集中在濕球黑球溫度（Wet Bulb Globe Temperature, WBGT）低于35℃的常規(guī)熱環(huán)境，WBGT 是一種衡量熱負荷的綜合指標，反映了環(huán)境對人體熱平衡的影響。目前針對超過 35℃ WBGT的極端環(huán)境實證研究依然匱乏，且缺乏結合多維度生理測量手段來深度解析其底層生理—心理機制 (Physiological-psychological mechanism) 的系統(tǒng)性工作。
引言/背景介紹
在工業(yè)5.0時代，生產(chǎn)系統(tǒng)高度強調(diào)“以人為中心”，操作員的認知可靠性成為保障復雜系統(tǒng)安全的關鍵。然而，在核電站等嚴苛工業(yè)環(huán)境下，操作員常面臨極端濕熱暴露導致的熱應激。這種環(huán)境壓力會顯著損害個體的認知與執(zhí)行功能，增加次生災害的發(fā)生風險。
雖然學術界已廣泛采用最大適應性模型（Maximal Adaptability Model）來描述人體績效與環(huán)境負荷之間的關系，即認為在一定范圍內(nèi)人體可通過資源調(diào)節(jié)維持績效穩(wěn)定。但現(xiàn)有研究多集中在濕球黑球溫度（Wet Bulb Globe Temperature, WBGT）低于35℃的常規(guī)熱環(huán)境，WBGT 是一種衡量熱負荷的綜合指標，反映了環(huán)境對人體熱平衡的影響。目前針對超過 35℃ WBGT的極端環(huán)境實證研究依然匱乏，且缺乏結合多維度生理測量手段來深度解析其底層生理—心理機制 (Physiological-psychological mechanism) 的系統(tǒng)性工作。
文章信息
清華大學安全科學學院的研究團隊綜合運用心電圖（Electrocardiogram, ECG） 監(jiān)測心臟神經(jīng)活動、功能性近紅外光譜（Functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）評估前額葉能量代謝，以及眼動追蹤（Eye Tracking）技術分析視覺搜索策略，旨在探究極端濕熱環(huán)境對操作員高級認知功能的影響。這一探索不僅旨在驗證并擴展最大適應性模型，更為極端災害場景下的人員管理與應急響應提供了基于神經(jīng)工程學的科學決策依據(jù)。（論文題為：Operators’ cognitive performance under extreme hot-humid exposure and its physiological-psychological mechanism based on ECG, fNIRS, and Eye Tracking）
研究方法
研究人員采用了一種從宏觀到具體的多層級實驗方法，涵蓋模型層、任務層和數(shù)據(jù)層，旨在系統(tǒng)評估極端環(huán)境對操作員的影響。
圖1. 實驗概述。模型層總結了操作員所需的認知過程和典型能力。任務層級設定涵蓋模型層級中提及元素的基本任務。數(shù)據(jù)層尋求任務中的具體方法和指標，以量化表現(xiàn)、認知能力和生理活動，反映操作員的心理狀態(tài)
1. 被試
共有30名志愿者（16名女性和14名男性）參與了該實驗，年齡在20至39歲之間（平均年齡：26±5歲）。
2. 多維度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
為了深度解析操作員的生理—心理狀態(tài)，研究組構建了集成化的監(jiān)測系統(tǒng)（如圖2所示）。在生理層面上，研究人員利用三導聯(lián)心電圖監(jiān)測自主神經(jīng)活動，采用8通道功能性近紅外光譜測量前額葉皮層的能量代謝，并結合眼動追蹤技術分析視覺搜索模式。在心理與績效層面，研究人員應用態(tài)勢感知全局評估技術 （Situation Awareness Global Assessment Technique, SAGAT）評估感知、理解、預測三個層級的態(tài)勢感知能力；采用 NASA 任務負荷指數(shù)（NASA-TLX）量表從心理需求、生理需求、時間需求等六個維度評估工作負荷； 通過 2-back 任務評估工作記憶。通過上述多模態(tài)數(shù)據(jù)的同步采集，該研究得以從神經(jīng)工程學視角審視極端濕熱環(huán)境下操作員認知績效的損益過程及其底層機理。
圖2. 集成化的監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
3. 實驗環(huán)境設置
實驗在恒溫恒濕實驗室中進行，實驗室可調(diào)節(jié)溫度范圍為 20°C-80°C（精度 ±0.8°C），濕度范圍為 30%-95%（精度 ±5%），工作空間尺寸為 6m×5m×4.7m，以模擬緊急情況下的高溫高濕環(huán)境。
研究以濕球黑球溫度（WBGT）為核心自變量，設置四組溫濕度條件，具體參數(shù)如下：
表1. 4種工況設置
溫度（Ta）和相對濕度（RH）：是實驗中直接控制的環(huán)境基礎參數(shù)，分別描述空氣的冷熱程度和水汽飽和程度，是獨立可調(diào)節(jié)的變量。
WBGT（濕球黑球溫度）：是基于 Ta、RH 等環(huán)境因素，結合輻射熱、風速等影響（本實驗中環(huán)境可控，主要耦合 Ta 和 RH）計算得出的綜合指數(shù)，用于量化人體面臨的實際熱應激水平，是反映 “環(huán)境對人體熱負荷” 的綜合指標。
4. 任務模擬與操作流程
研究者基于 MATLAB 開發(fā)了虛擬中央控制室軟件，模擬核電站典型的監(jiān)測、檢查、響應和溝通任務。實驗程序（圖3）包含基線靜息、三項主要的故障檢測與處理任務（如蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂 SGTR 等事故處理），以及后續(xù)的心理測量環(huán)節(jié)。被試在每組環(huán)境中暴露總時長約120分鐘，完成以上任務和測量。
圖3. 實驗程序示意圖
研究結果
研究結果揭示了極端濕熱暴露對認知功能的非線性影響，并驗證了其底層的生理—心理機理。
1. 任務績效與認知能力的非線性變化
統(tǒng)計結果顯示，操作員的任務表現(xiàn)隨環(huán)境惡化呈現(xiàn)出顯著差異（見圖4）。操作員在工況2（26.88 ℃ WBGT）下表現(xiàn)出最短的任務完成時間和最低的工作負荷，顯示出最佳的認知狀態(tài)。在工況3（31.92 ℃ WBGT）下，操作員在響應任務中的誤操作顯著增加，且態(tài)勢感知（Situation Awareness, SA）的理解力得分顯著下降，表明思維開始變得遲鈍。在工況4（36.81 ℃ WBGT）下，出現(xiàn)了一個出人意料的現(xiàn)象——簡單反應任務的完成速度顯著加快，但涉及高級認知功能的團隊溝通和工作記憶卻急劇受損。這反映出在極端熱應激下，人體由于應激反應產(chǎn)生的瞬時加速是以犧牲高級認知可靠性為代價的。
圖4. 箱形圖顯示了在工作表現(xiàn)、態(tài)勢感知、工作負載和工作記憶方面的結果
2. 自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)失效
心電圖及心率變異性（Heart Rate Variability, HRV）數(shù)據(jù)為這種績效變化提供了神經(jīng)生理學證據(jù)。隨著環(huán)境溫度升至工況 4（見圖5），操作員的心率顯著升高，而反映神經(jīng)調(diào)節(jié)能力的 RMSSD（相鄰RR間期差值的均方根）和 PNN50（相鄰RR間期差值超過50 ms的百分比）大幅下降。這表明極端濕熱會導致嚴重的心理壓力，使操作員處于不可持續(xù)的生理高負荷狀態(tài)。
圖5. 箱線圖展示了心電圖（ECG）特征的顯著結果，紅線代表平均值
3. 前額葉能量代謝與功能連接特征
通過fNIRS對前額葉皮層的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)（圖6），在工況2到工況3的范圍內(nèi)，前額葉皮層的激活通道增多，這被認為是一種補償機制，即操作員需要投入更多的認知資源來對抗疲勞和困倦。在極端工況4下，雖然前額葉皮層的激活受限，但功能連接（Functional Connectivity, FC）強度顯著增強。這種腦區(qū)間的協(xié)同性增強解釋了為何簡單任務績效會有所提升，但這種高耗能狀態(tài)受限于物理耐受極限，無法長久維持。
圖6. 不同條件與任務下的前額葉皮層（PFC）激活圖。紅色圓圈代表有效激活通道（β 值顯著異于 0）
4. 視覺搜索模式與注意力分配
眼動追蹤結果直觀展示了注意力分配的惡化（見圖7）。在適宜環(huán)境下（工況 2），操作員表現(xiàn)出更精確的視覺搜索策略和更大的掃視角度。進入極端環(huán)境（工況 4）后，視覺搜索區(qū)域變得雜亂且無序，瞳孔直徑顯著增大，反映了極高的心理努力和注意力分散（見圖7和圖8）。
圖7. 熱力圖。第 1 行：各任務的興趣區(qū)（AOI）設置；第 2-5 行：對應工況 1-4；第 1-3 列：主要任務 1（故障檢測任務）的興趣頁；第 4-6 列：主要任務 2（故障檢測任務）的興趣頁；第 7-8 列：主要任務 3（操作任務）的興趣頁；第 9 列：2-back 任務
圖8. 工況4下，操作員的瞳孔直徑顯著增大（第二列）
總結與討論
本研究通過多模態(tài)生理—心理測量手段，系統(tǒng)揭示了極端濕熱暴露下操作員認知績效的演變規(guī)律及其底層機理。研究發(fā)現(xiàn)，操作員的績效隨環(huán)境負荷呈現(xiàn)顯著的階段性特征：在 26.88°C WBGT的適宜環(huán)境下，操作員憑借高效的前額葉皮層激活表現(xiàn)最佳；隨熱應激增至 31.92°C WBGT，認知資源因補償機制大量消耗，導致理解力受損及錯誤率上升；而在超過 35°C WBGT 的極端環(huán)境下，雖然應激反應誘發(fā)了簡單任務績效的短暫提升，但涉及態(tài)勢感知與團隊溝通的高級認知功能卻急劇崩潰。這一發(fā)現(xiàn)成功驗證并擴展了最大適應性模型，將其適用邊界延伸至人類耐受極限邊緣，為工業(yè) 5.0 時代下核電應急管理及人員篩選提供了關鍵的神經(jīng)工程學證據(jù)。
圖9. 修正后的最大適應性模型
原文鏈接
Zhang, Y., Jia, M., Li, M., Wang, J., Hu, X., Xu, Z., & Chen, T. (2024). Operators' cognitive performance under extreme hot-humid exposure and its physiological-psychological mechanism based on ECG, fNIRS, and Eye Tracking. arXiv preprint arXiv:2403.00020.
https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.00020
研究團隊介紹
本文的研究團隊是來自清華大學安全科學學院的陳濤研究員團隊，本研究得到了中國核電工程有限公司國家核電安全技術與設備重點實驗室（編號 K-A2021.402）和中國國家自然科學基金（編號 72374118、72304165、72204136 號）的支持。
關于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內(nèi)外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.00020
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本文的研究團隊是來自清華大學安全科學學院的陳濤研究員團隊，本研究得到了中國核電工程有限公司國家核電安全技術與設備重點實驗室（編號 K-A2021.402）和中國國家自然科學基金（編號 72374118、72304165、72204136 號）的支持。
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