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(fù)雜系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。然而，在核電站等嚴苛工業(yè)環(huán)境下，操作員常面臨濕熱暴露導(dǎo)致的熱應(yīng)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(zāi)害的發(fā)生風險。

雖然學術(shù)界已廣泛采用適應(yīng)性模型（Maximal Adaptability Model）來描述人體績效與環(huán)境負荷之間的關(guān)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的環(huán)境實證研究依然匱乏，且缺乏結(jié)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。

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(shù)分析視覺搜索策略，旨在探究濕熱環(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適應(yīng)性模型，更為災(zāi)害場景下的人員管理與應(yīng)急響應(yīng)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(wù)層和數(shù)據(jù)層，旨在系統(tǒng)評估環(huán)境對操作員的影響。

圖1. 實驗概述。模型層總結(jié)了操作員所需的認知過程和典型能力。任務(wù)層級設(shè)定涵蓋模型層級中提及元素的基本任務(wù)。數(shù)據(jù)層尋求任務(wù)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(gòu)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(dǎo)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(jié)合眼動追蹤技術(shù)分析視覺搜索模式。在心理與績效層面，研究人員應(yīng)用態(tài)勢感知全局評估技術(shù) （Situation Awareness Global Assessment Technique, SAGAT）評估感知、理解、預(yù)測三個層級的態(tài)勢感知能力；采用 NASA 任務(wù)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(wù)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(shè)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(shè)置四組溫濕度條件，具體參數(shù)如下：

表1. 4種工況設(shè)置

溫度（Ta）和相對濕度（RH）：是實驗中直接控制的環(huán)境基礎(chǔ)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(jié)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(yīng)激水平，是反映 “環(huán)境對人體熱負荷" 的綜合指標。

4. 任務(wù)模擬與操作流程

研究者基于 MATLAB 開發(fā)了虛擬控制室軟件，模擬核電站典型的監(jiān)測、檢查、響應(yīng)和溝通任務(wù)。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(wù)（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(wù)和測量。

圖3. 實驗程序示意圖

研究結(jié)果揭示了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(wù)績效與認知能力的非線性變化

統(tǒng)計結(jié)果顯示，操作員的任務(wù)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(wù)完成時間和的工作負荷，顯示出佳的認知狀態(tài)。在工況3（31.92 ℃ WBGT）下，操作員在響應(yīng)任務(wù)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(yīng)任務(wù)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。這反映出在端熱應(yīng)激下，人體由于應(yīng)激反應(yīng)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(jié)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。這表明濕熱會導(dǎo)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(jié)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(wù)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(wù)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(jié)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(wù)的興趣區(qū)（AOI）設(shè)置；第 2-5 行：對應(yīng)工況 1-4；第 1-3 列：主要任務(wù) 1（故障檢測任務(wù)）的興趣頁；第 4-6 列：主要任務(wù) 2（故障檢測任務(wù)）的興趣頁；第 7-8 列：主要任務(wù) 3（操作任務(wù)）的興趣頁；第 9 列：2-back 任務(wù)

圖8. 工況4下，操作員的瞳孔直徑顯著增大（第二列）

本研究通過多模態(tài)生理—心理測量手段，系統(tǒng)揭示了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)佳；隨熱應(yīng)激增至 31.92°C WBGT，認知資源因補償機制大量消耗，導(dǎo)致理解力受損及錯誤率上升；而在超過 35°C WBGT 的環(huán)境下，雖然應(yīng)激反應(yīng)誘發(fā)了簡單任務(wù)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)成功驗證并擴展了大適應(yīng)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(yīng)急管理及人員篩選提供了關(guān)鍵的神經(jīng)工程學證據(jù)。

圖9. 修正后的適應(yīng)性模型

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