HUD狀態下飛行員視覺注意資源分配機制研究*

郝紅勛，衛宗敏

(1.中國民航大學 飛行技術學院,天津 300300；2.中國民航管理干部學院 航空安全管理系,北京 100102)

0 引言

目前中國新一代民用飛機(如B787飛機、A380飛機和正在研制的C919飛機)和新一代戰斗機駕駛艙普遍安裝和使用了HUD。在復雜的視覺狀況下，HUD提供附加的主飛行引導指示，以便飛行員能夠快速地評估飛機姿態、能量狀態及飛機所處位置，有助于增強飛行員在目視飛行和儀表飛行之間轉換的能力，從而減少飛行員在下視顯示器(Head-Down Display,HDD)和HUD之間的轉換負擔[1]。

然而科學研究與航空實踐均表明，使用HUD過程中也存在一些問題。如在特高難度任務(各類任務疊加)狀態下，HUD導致很窄的注意通道，飛行員可能專注于某一顯示符號，而中斷對低概率事件的符號掃視，從而限制了各類飛行員(如軍機飛行員[2]、民航運輸機飛行員[3]、直升機飛行員[4]等)在飛行中對呈現在HUD上的各類符號的處理過程。此外，在飛行實驗中發現，飛行員會以不同的注意通道處理2個信息源，并在飛行實驗過程中逐漸注意HUD所顯示的信息而忽略或者減緩注意飛機外部的關鍵信息，如遠前方正穿越跑道的飛機、跑道上的障礙物[2,5]。為飛行安全考慮，有必要對飛行員加工顯示符號與顯示符號之間及顯示符號與外界環境之間的視覺注意資源問題進行研究。注意資源分配機制問題雙作業任務研究是有效的方法[6]。

ERP技術以其高時間分辨率(微秒～毫秒)及無損傷性成為近年來研究腦功能的重要工具之一[7]。大量的研究結果表明ERP成分中的P300與注意等認知功能密切相關[8-10]。在ERP相關研究中，被試者在辨認“靶刺激”時，頭皮記錄到潛伏期約300 ms的最大晚期正波為P300。通常情況下，P300的幅度較大且跨度范圍較寬，由稀少的、任務相關的刺激誘發，潛伏期一般在300 ms左右，有時更長，通常分布在中央頂區，且中線附近幅度最大[8]。

精心設計試驗，模擬飛行試驗中被試者完成不同飛行難度任務時，檢驗由oddball模式下的視覺刺激任務(輔任務)所誘發的P300是否會呈現出不同。在對飛行模擬實驗中的主、輔任務進行細致設計的基礎上，通過目標信息數量及刷新頻率來控制被試者的高、低飛行難度水平，利用ERP結合行為實驗對HUD狀態下飛行員視覺注意資源分配機制進行研究。

1 方法

1.1 被試者

被試者為模擬飛行學員，共28名男性，年齡22～28歲，平均年齡25.8歲，視力或矯正視力在1.0以上，無色盲色弱，均為右利手。實驗開始前，所有被試者均在飛行模擬器上接受完整的實驗飛行任務培訓，熟練掌握實驗要求的操作。

采用組間對照研究，將被試者平均分成2組，每組14人，分別參加高飛行難度實驗和低飛行難度實驗。高飛行難度實驗組需同步監視6個儀表信息，低飛行難度實驗組需同步監視3個儀表信息，輔任務的組間實驗參數設置則完全相同。

1.2 飛行模擬實驗任務設計

被試者需要在飛行模擬器上完成完整的動態飛行過程，1次實驗約830 s。在實驗的過程中，要求被試者監視HUD仿真模型上所呈現的目標信息狀態，被試者需要完成對異常信息的識別、判斷及響應操作。

對于模擬顯示的6個飛行儀表信息，被試者需要在實驗前記憶6個信息的異常范圍，實驗過程中，被試者監控相關儀表信息，異常呈現時，按指定鍵進行響應。

用E-Prime編程在實驗界面所顯示的儀表信息上設置隨機異常，這些異常信息隨機出現在實驗過程中，并在呈現短暫的時間間隔后消失，在1次飛行過程中，每個儀表出現的隨機擾動信息總數相同且同時間內出現的擾動信息不超過1個。異常信息在被試者響應(含正確響應、錯誤響應)后恢復正常，如被試者未響應，擾動信息結束呈現后，自動恢復正常。

實驗通過設定HUD中待響應飛行信息的參數來控制被試者的飛行難度水平：在高飛行難度下，需要被試者保持監視的目標信息數量為6個，信息異常狀態的平均呈現時間與間隔時間分別為0.6，1 s；在低飛行難度下，目標信息數量為3個，信息異常狀態的平均呈現時間與間隔時間均設定為1 s。

1.3 oddball 任務

在實驗中，HUD的視景部分呈現出oddball模式下的光信號(包括紅光和綠光)，如圖1所示。完整的刺激序列含400個光信號，設定紅光信號為靶刺激(呈現概率為20%)；綠光信號為非靶刺激(呈現概率為80%)。2種刺激呈現時間均設定為0.5 s，刺激間隔為1.5 s。要求被試者對紅光信號進行按鍵反應，忽略綠光信號。

圖1 HUD視景中的oddball模式光信號Fig.1 Optical signal of oddball mode in HUD scene

1.4 ERP數據記錄與分析

采用Neuroscan Neuamps系統記錄30個導腦電信號(F7，FT7，T3，TP7，T5；FP1，F3，FC3，C3，P3，O1；FZ，FCZ，CZ，CPZ，PZ，OZ；FP2，F4，FC4，C4，P4，O2；F8，FT8，T4，TP8，T6；M1，M2)。電極位置則按照普遍采用的10-10電極系統正確放置。

以鼻尖為參考，前額接地，同時記錄水平和垂直眼電。電極與皮膚接觸阻抗小于5 kΩ，記錄帶寬為0.05～100 Hz，采樣率為1 000 Hz/導。分析時程為1.3 s，含刺激前的0.2 s為基線矯正，波幅大于±100 μν視為偽跡，直接剔除。

對高、低飛行任務下，紅色靶刺激誘發的EEG(腦電圖)分類疊加，可得到靶刺激誘發的ERP。排除眼電偽跡，分析時程為1.5 s，其中刺激前0.2 s進行基線校正，剔除波幅大于±100 μV的腦電數據，得到高飛行任務與低飛行任務下的P300(300～500 ms)波形。

1.5 行為學數據記錄與分析

用E-Prime對被試的正確率和反應時間做初步統計，計算機將自動記錄被試完成飛行任務及界面作業任務的績效(包括正確響應、遺漏響應及錯誤響應)和響應時間(自目標出現至反應的間隔時間)作為評價指標。采用SPSS 17.0 統計軟件對行為數據進行重復測量方差分析。

2 實驗結果及分析

對正確反應的靶刺激和非靶刺激的誘發電位分別進行疊加平均。采用SPSS 17.0 統計軟件對ERP波形的測量指標進行重復測量方差分析，分析ERP數據的實驗條件(飛行任務高/低)和電極位置2個因素。

2.1 行為學數據結果

被試者在高、低飛行難度下對主飛行任務及輔飛行任務的正確率和反應時間如表1所示。單因素重復測量方差分析表明，對于主飛行任務而言，飛行難度對正確操作率(F(1，13)=8.25，P=0.012<0.05)及反應時間(F(1,13)=46.394，P=0.000<0.05)的影響顯著；對于輔飛行任務而言，飛行難度對正確操作率(F(1，13)=12.015，P=0.004<0.05)及反應時間(F(1，13)=43.794，P=0.000<0.05)的影響顯著。

2.2 ERP數據

300～800 ms的腦電壓地形圖如圖2～3所示。根據圖2～3對300～800 ms的時間窗內的P300平均波幅進行統計分析。

表1 高、低飛行難度下的正確操作率及反應時Table 1 Correct operation rate and reaction time under high and low flight difficulties

圖2 高飛行任務腦電圖Fig.2 Electroencephalogram under high flight mission conditions

圖3 低飛行任務腦電圖Fig.3 Electroencephalogram under low flight mission conditions

對P300不同腦區(左、中、右)幅值所進行重復測量的方差分析表明，左、中、右3個不同腦區飛行難度的主效應顯著(F(1,13)=8.994；P=0.01<0.05；η2=0.409)，具體表現為高飛行任務下P300波幅(13.453±1.143 μV)顯著高于低飛行難度下(7.790±1.695 μV)。

腦區的主效應顯著(F(4,52)=14.779；P=0.032<0.05)，呈現出右側腦區電壓優勢，具體表現為中線(11.045±1.212 μV)的波幅顯著高于左側腦區(9.852±1.040 μV)，右側腦區(10.967±1.128 μV)的波幅臨界高于左側腦區(9.852±1.040 μV)。

電極的主效應顯著(F(2,26)=3.922；P=0.000<0.05)，具體表現為額區、額中央區、中央區電極位置的P300波幅為(8.990±1.128 μV)，(9.137±1.107 μV)，(9.879±1.056 μV)，顯著低于中央頂區(11.427±1.223 μV)和頂區(13.672±1.387 μV)電極位置。統計結果顯示沒有交互效應達到顯著性水平(P>0.05)。

2.3 ERP與行為學的相關性分析

為了驗證作業績效與P300成分之間的相關程度，選取F3，FZ，F4；FC3，FCZ，FC4；C3，CZ，C4；CP3，CPZ，CP4；P3，PZ，P4 15個電極，對其幅值和反應時間進行相關性分析。

選取幅度最大的FZ電極，相關分析結果表明：FZ幅值與反應時間相關性顯著(r=-0.560，P=0.002<0.01)；FZ潛伏期與反應時相關性不顯著(r=0.257，P=0.186>0.05)。

3 討論

3.1 行為績效討論

行為學績效數據表明，被試者在高、低任務難度下的作業績效差異顯著。在高飛行難度下，被試者對HUD上異常信息的正確操作率降低，且反應時間延長。HUD上異常信息的多少影響飛行員的作業績效。這一結果與相關學者在其他領域的研究結果一致[11-13]，說明被試者的行為學績效水平與任務的難易程度呈正相關而與任務的種類無關。

研究結果吻合了總體任務資源理論[14]，即知覺負荷能在感知加工階段通過影響注意力資源的分配，在高飛行難度任務下，被試者需要同時監視的信息量增多，平均分配在每個信息上的注意力資源減少，從而導致正確操作率的下降；且隨著信息量的增加，被試者對單個信息的注視頻率降低，故反應時間延長。這從另一個側面說明使用主任務測量和輔任務測量結合的雙作業任務方法對于研究在HUD上的注意資源分配問題是可靠的。

3.2 ERP結果討論

ERP數據表明，被試者在高、低飛行任務難度下由HUD上呈現的視覺oddball輔任務所誘發的P300波幅差異顯著。具體表現為：隨著主任務難度的增加，由輔任務所誘發的P300的波幅顯著降低。這一結果與前人在其他領域的研究結果一致[13,15-16]。統計數據分析結果表明，隨著主任務難度的增加，主輔任務的作業績效均顯著下降，即在HUD狀態下的飛行任務中，雙任務作業的結果隨主任務難度的增加輔任務所誘發的P300的波幅顯著降低，被試者對異常信息的正確探測率顯著下降。

ERP與行為學績效的相關性分析結果表明，P300波幅與正確探測率呈正相關。因此認為P300的波幅受HUD狀態下的注意資源分配的影響，P300波幅降低意味著被試者剩余注意資源的減少。這一結果有效地支撐了TGR(總體任務資源理論)，即被試所擁有的注意資源是一定的，當主任務難度增加時，由于被試加工這些異常信息所需的注意資源增多，從而導致用于處理輔任務的剩余注意資源減少。

ERP數據表明，被試者在高、低任務難度下由HUD上呈現的視覺oddball輔任務所誘發的P300潛伏期差異顯著。具體表現為高任務難度下，P300的潛伏期顯著延長。在高任務難度下，更多的注意資源被用于儀表監視主任務，從而導致被試者對輔任務所分配的注意資源減少，而注意資源的減少直接導致被試者對輔任務(光信號的辨認)的處理速度減慢。

3.3 HUD狀態下飛行員視覺注意資源分配機制

為探討HUD狀態下飛行員視覺注意資源分配機制問題，綜合采用行為學和腦科學方法中的ERP方法，在飛行模擬實驗條件下開展研究。綜合ERP和行為學的實驗及計算結果，同時結合傳統的注意資源理論[17]，認為HUD狀態下飛行員的注意資源分配機制符合一般規律。具體機制為：

1)飛行員并行監控多項儀表信息，其績效會下降并非由監控任務自身的干擾所引起的，而是完成該任務所需的注意資源超過了飛行員的注意資源，只要監控任務不超過飛行員的總體注意資源，飛行員就可以并行完成多項任務；

2)當需要監控的飛行信息超過飛行員本身擁有的注意資源總和時，飛行員試圖同時做更多的監控任務，那么第1項監控任務的績效將會降低；

3)飛行員的注意資源分配是靈活的，可以改變并適應不同飛行監控任務的需要。

3.4 研究的意義及局限性

結合本研究所提出的HUD狀態下飛行員視覺注意資源分配機制，在飛行員養成培訓中，可以采用飛行模擬機和多飛行儀表狀態，有針對性地擴充飛行員注意資源訓練，如在儀表飛行訓練中，加強飛行員的儀表快速認讀能力訓練和多儀表快速掃視能力訓練等。而檢驗訓練效果時，可同時借鑒本研究所提出的P300波幅和行為學績效指標。

因飛行任務的復雜性和飛行員的個性具有一定的不確定性，相關研究也指出在注意機制尚未完全明確之前，多種理論的存在仍然具有很強的學術價值[18]，故該理論仍有待進一步深入驗證和通過飛行實踐的檢驗。

4 結論

1)使用主任務測量和輔任務測量結合的雙作業任務方法對研究HUD上的注意資源分配問題是可靠的。

2)HUD上呈現的異常信息數量影響飛行員的作業績效，在高任務難度下，被試者對HUD上異常信息的正確操作率降低，且反應時間延長。

3)ERP的P300成分可以用來研究HUD狀態下的注意資源分配問題。雙作業任務下，P300的波幅與HUD上注意資源分配的多少呈正相關。