多模态神经工程技术解码热应激下的态势感知与工作负荷
2026-01-15 来源:本站 点击次数:179极端湿热环境如何“掏空”大脑？多模态神经工程技术解码热应激下的态势感知与工作负荷
引言/背景介绍
在工业5.0时代，生产系统高度强调“以人为中心”，操作员的认知可靠性成为保障复杂系统安全的关键。然而，在核电站等严苛工业环境下，操作员常面临极端湿热暴露导致的热应激。这种环境压力会显著损害个体的认知与执行功能，增加次生灾害的发生风险。
虽然学术界已广泛采用最大适应性模型（Maximal Adaptability Model）来描述人体绩效与环境负荷之间的关系，即认为在一定范围内人体可通过资源调节维持绩效稳定。但现有研究多集中在湿球黑球温度（Wet Bulb Globe Temperature, WBGT）低于35℃的常规热环境，WBGT 是一种衡量热负荷的综合指标，反映了环境对人体热平衡的影响。目前针对超过 35℃ WBGT的极端环境实证研究依然匮乏，且缺乏结合多维度生理测量手段来深度解析其底层生理—心理机制 (Physiological-psychological mechanism) 的系统性工作。
引言/背景介绍
在工业5.0时代，生产系统高度强调“以人为中心”，操作员的认知可靠性成为保障复杂系统安全的关键。然而，在核电站等严苛工业环境下，操作员常面临极端湿热暴露导致的热应激。这种环境压力会显著损害个体的认知与执行功能，增加次生灾害的发生风险。
虽然学术界已广泛采用最大适应性模型（Maximal Adaptability Model）来描述人体绩效与环境负荷之间的关系，即认为在一定范围内人体可通过资源调节维持绩效稳定。但现有研究多集中在湿球黑球温度（Wet Bulb Globe Temperature, WBGT）低于35℃的常规热环境，WBGT 是一种衡量热负荷的综合指标，反映了环境对人体热平衡的影响。目前针对超过 35℃ WBGT的极端环境实证研究依然匮乏，且缺乏结合多维度生理测量手段来深度解析其底层生理—心理机制 (Physiological-psychological mechanism) 的系统性工作。
文章信息
清华大学安全科学学院的研究团队综合运用心电图（Electrocardiogram, ECG） 监测心脏神经活动、功能性近红外光谱（Functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）评估前额叶能量代谢，以及眼动追踪（Eye Tracking）技术分析视觉搜索策略，旨在探究极端湿热环境对操作员高级认知功能的影响。这一探索不仅旨在验证并扩展最大适应性模型，更为极端灾害场景下的人员管理与应急响应提供了基于神经工程学的科学决策依据。（论文题为：Operators’ cognitive performance under extreme hot-humid exposure and its physiological-psychological mechanism based on ECG, fNIRS, and Eye Tracking）
研究方法
研究人员采用了一种从宏观到具体的多层级实验方法，涵盖模型层、任务层和数据层，旨在系统评估极端环境对操作员的影响。
图1. 实验概述。模型层总结了操作员所需的认知过程和典型能力。任务层级设定涵盖模型层级中提及元素的基本任务。数据层寻求任务中的具体方法和指标，以量化表现、认知能力和生理活动，反映操作员的心理状态
1. 被试
共有30名志愿者（16名女性和14名男性）参与了该实验，年龄在20至39岁之间（平均年龄：26±5岁）。
2. 多维度数据采集系统
为了深度解析操作员的生理—心理状态，研究组构建了集成化的监测系统（如图2所示）。在生理层面上，研究人员利用三导联心电图监测自主神经活动，采用8通道功能性近红外光谱测量前额叶皮层的能量代谢，并结合眼动追踪技术分析视觉搜索模式。在心理与绩效层面，研究人员应用态势感知全局评估技术 （Situation Awareness Global Assessment Technique, SAGAT）评估感知、理解、预测三个层级的态势感知能力；采用 NASA 任务负荷指数（NASA-TLX）量表从心理需求、生理需求、时间需求等六个维度评估工作负荷； 通过 2-back 任务评估工作记忆。通过上述多模态数据的同步采集，该研究得以从神经工程学视角审视极端湿热环境下操作员认知绩效的损益过程及其底层机理。
图2. 集成化的监测系统示意图
3. 实验环境设置
实验在恒温恒湿实验室中进行，实验室可调节温度范围为 20°C-80°C（精度 ±0.8°C），湿度范围为 30%-95%（精度 ±5%），工作空间尺寸为 6m×5m×4.7m，以模拟紧急情况下的高温高湿环境。
研究以湿球黑球温度（WBGT）为核心自变量，设置四组温湿度条件，具体参数如下：
表1. 4种工况设置
温度（Ta）和相对湿度（RH）：是实验中直接控制的环境基础参数，分别描述空气的冷热程度和水汽饱和程度，是独立可调节的变量。
WBGT（湿球黑球温度）：是基于 Ta、RH 等环境因素，结合辐射热、风速等影响（本实验中环境可控，主要耦合 Ta 和 RH）计算得出的综合指数，用于量化人体面临的实际热应激水平，是反映 “环境对人体热负荷” 的综合指标。
4. 任务模拟与操作流程
研究者基于 MATLAB 开发了虚拟中央控制室软件，模拟核电站典型的监测、检查、响应和沟通任务。实验程序（图3）包含基线静息、三项主要的故障检测与处理任务（如蒸汽发生器传热管破裂 SGTR 等事故处理），以及后续的心理测量环节。被试在每组环境中暴露总时长约120分钟，完成以上任务和测量。
图3. 实验程序示意图
研究结果
研究结果揭示了极端湿热暴露对认知功能的非线性影响，并验证了其底层的生理—心理机理。
1. 任务绩效与认知能力的非线性变化
统计结果显示，操作员的任务表现随环境恶化呈现出显著差异（见图4）。操作员在工况2（26.88 ℃ WBGT）下表现出最短的任务完成时间和最低的工作负荷，显示出最佳的认知状态。在工况3（31.92 ℃ WBGT）下，操作员在响应任务中的误操作显著增加，且态势感知（Situation Awareness, SA）的理解力得分显著下降，表明思维开始变得迟钝。在工况4（36.81 ℃ WBGT）下，出现了一个出人意料的现象——简单反应任务的完成速度显著加快，但涉及高级认知功能的团队沟通和工作记忆却急剧受损。这反映出在极端热应激下，人体由于应激反应产生的瞬时加速是以牺牲高级认知可靠性为代价的。
图4. 箱形图显示了在工作表现、态势感知、工作负载和工作记忆方面的结果
2. 自主神经系统的调节失效
心电图及心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）数据为这种绩效变化提供了神经生理学证据。随着环境温度升至工况 4（见图5），操作员的心率显著升高，而反映神经调节能力的 RMSSD（相邻RR间期差值的均方根）和 PNN50（相邻RR间期差值超过50 ms的百分比）大幅下降。这表明极端湿热会导致严重的心理压力，使操作员处于不可持续的生理高负荷状态。
图5. 箱线图展示了心电图（ECG）特征的显著结果，红线代表平均值
3. 前额叶能量代谢与功能连接特征
通过fNIRS对前额叶皮层的监测发现（图6），在工况2到工况3的范围内，前额叶皮层的激活通道增多，这被认为是一种补偿机制，即操作员需要投入更多的认知资源来对抗疲劳和困倦。在极端工况4下，虽然前额叶皮层的激活受限，但功能连接（Functional Connectivity, FC）强度显著增强。这种脑区间的协同性增强解释了为何简单任务绩效会有所提升，但这种高耗能状态受限于物理耐受极限，无法长久维持。
图6. 不同条件与任务下的前额叶皮层（PFC）激活图。红色圆圈代表有效激活通道（β 值显著异于 0）
4. 视觉搜索模式与注意力分配
眼动追踪结果直观展示了注意力分配的恶化（见图7）。在适宜环境下（工况 2），操作员表现出更精确的视觉搜索策略和更大的扫视角度。进入极端环境（工况 4）后，视觉搜索区域变得杂乱且无序，瞳孔直径显著增大，反映了极高的心理努力和注意力分散（见图7和图8）。
图7. 热力图。第 1 行：各任务的兴趣区（AOI）设置；第 2-5 行：对应工况 1-4；第 1-3 列：主要任务 1（故障检测任务）的兴趣页；第 4-6 列：主要任务 2（故障检测任务）的兴趣页；第 7-8 列：主要任务 3（操作任务）的兴趣页；第 9 列：2-back 任务
图8. 工况4下，操作员的瞳孔直径显著增大（第二列）
总结与讨论
本研究通过多模态生理—心理测量手段，系统揭示了极端湿热暴露下操作员认知绩效的演变规律及其底层机理。研究发现，操作员的绩效随环境负荷呈现显著的阶段性特征：在 26.88°C WBGT的适宜环境下，操作员凭借高效的前额叶皮层激活表现最佳；随热应激增至 31.92°C WBGT，认知资源因补偿机制大量消耗，导致理解力受损及错误率上升；而在超过 35°C WBGT 的极端环境下，虽然应激反应诱发了简单任务绩效的短暂提升，但涉及态势感知与团队沟通的高级认知功能却急剧崩溃。这一发现成功验证并扩展了最大适应性模型，将其适用边界延伸至人类耐受极限边缘，为工业 5.0 时代下核电应急管理及人员筛选提供了关键的神经工程学证据。
图9. 修正后的最大适应性模型
原文链接
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
研究团队介绍
本文的研究团队是来自清华大学安全科学学院的陈涛研究员团队，本研究得到了中国核电工程有限公司国家核电安全技术与设备重点实验室（编号 K-A2021.402）和中国国家自然科学基金（编号 72374118、72304165、72204136 号）的支持。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.00020
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本文的研究团队是来自清华大学安全科学学院的陈涛研究员团队，本研究得到了中国核电工程有限公司国家核电安全技术与设备重点实验室（编号 K-A2021.402）和中国国家自然科学基金（编号 72374118、72304165、72204136 号）的支持。
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