模擬進近著陸飛行學員眼動模式的研究

王慶敏，李科華，戴圣龍，劉秋紅，姚永杰

(第二軍醫大學海軍特色醫學中心航空醫學研究室,上海 200433)

1 引言

飛行駕駛是一種高技術、高負荷的操作作業，其依賴的信息來源通道有視覺通道和聽覺通道等，大約有80%-90%的信息來自于視覺通道。視覺信息可以反映出人體生理和心理活動的變化。研究發現，視覺信息有效的人機交互和合理的注意力分配與作業績效密切相關。因此如何提高飛行員的人機交互效率和明確其掃視行為及注意力分配特點是近些年來航空工效學的研究熱點。

目前對注意力分配行為的研究方法主要有問卷調查法、視線跟蹤法[1]、認知建模法及行為績效測評法等[2-3]，其中視線追綜法(又稱眼動跟蹤技術)是一種相對客觀高效的檢測方法，它是利用機械、電子、光學等各種檢測手段獲取受試者當前“視覺注意”的方向的技術。它廣泛應用于人機交互、助老助殘、車輛駕駛、人因分析、虛擬現實和軍事等領域[4-6]。

Fitts等人于20世紀40年代末 首先將視覺跟蹤、注意力分配檢測技術引入航空領域，通過研究飛行員飛行儀表的掃視行為，奠定了經典的‘T型’儀表布局。隨后，視覺跟蹤技術廣泛應用于國外航空領域，如研究飛行員的儀表掃視行為[7]、飛機座艙信息工效學優化[8]、情景意識測量及飛行訓練等[9-10]，而國內航空領域此方面研究起步較晚[11-12]。本研究通過檢測模擬飛行學員進近著陸任務情景下飛行學員的眼動數據，提取相關要素，通過分析其掃視行為獲得其注意力分配規律，為后續的座艙界面信息優化及特定任務的飛行訓練提供實驗支撐。

2 對象與方法

2.1 實驗對象

實驗對象為10名飛行學員，可熟練完成各種模擬飛行任務。年齡為24-30歲，雙眼裸眼視力都在1.0以上。

2.2 實驗設備

實驗設備包括飛行模擬器和視覺追蹤系統。飛行模擬器的原型是某型飛機，具備模擬座艙、信息界面顯示及操控系統，模擬器配合坐艙外多屏環形屏幕組成一套具有較高的沉浸感和仿真度模擬駕駛體驗訓練系統。該模擬器，能夠將飛行學員常用的主要飛行參數，如航向、高度、速度、升降率、姿態等參數呈現在顯示器上，視景系統由多塊環屏呈現。

視覺追蹤系統采用采用德國SMI 眼鏡式視覺追蹤設備，允許被試自由轉動頭部，采樣頻率為30 Hz，精度<0.5°。采用瞳孔角膜反射原理追蹤采集被試的雙眼眼動數據。場景攝像機可以對實驗場景進行實時錄制，對錄制的場景視頻進行回放就可以獲得被試關注的興趣區及視線變化規律。

2.3 試驗任務

實驗要求被試在目視儀表規則下完成一個完整模擬起降任務，包括起飛、一轉彎、三邊、180°轉彎、著陸五個階段。模擬進近著陸階段包括180°轉彎、著陸段兩個階段。

2.4 試驗程序

任務開始前，向被試介紹整個試驗背景及、流程及注意事項。然后讓被試坐進座艙，佩戴眼鏡，采用三點進行標定；標定成功后讓被試適應5 min種后才開始正式試驗。

2.5 統計方法

眼動數據均已均數和標準差來表示(M±SD)。實驗眼動數據(包括注視點個數、平均注視時間及注視總時間)的統計分析采用SPSS 19.0軟件進行統計及ANOVA分析，P<0.05表示差異顯著，有統計學意義。

3 結果

3.1 各興趣區注視點個數

3.1.1 模擬180°轉彎階段注視點個數

180°轉彎時，被試主要關注的主要興趣區有迎角指示器、著陸點、坡度及升降率(圖1)。迎角指示器注視點個數明顯高于其它興趣區注視點個數(P<0.05); 關注著陸點、升降率及坡度的注視點個數無明顯差異(P>0.05)，明顯高于偏航距、航向、距離機場距離注視點個數(P<0.05)。偏航距、航向、距離機場距離注視點個數無明顯差異(P>0.05)。

3.1.2 模擬著陸階段注視點個數

模擬著陸階段，被試主要關注的興趣區迎角指示器、下滑線指示燈及對中跑道(圖2)。三個興趣區注視點個數無明顯差異(P>0.05)。

3.2 注視時間百分比

3.2.1 模擬180°轉彎階段注視時間百分比

模擬180°轉彎階段，迎角指示器、著陸點、坡度及升降率注視總時間占總時間的前四位(圖3)。關注迎角指示器注視總時間最長，和關注著陸點的注視總時間無明顯差異(P>0.05)，明顯高于其余興趣區的注視總時間(P<0.05)。關注著陸點的注視總時間與迎角指示器、坡度的注視總時間無明顯差異(P>0.05)，關注著陸點與其它興趣區的注視總時間差異顯著(P<0.05)；關注坡度、著陸點注視總時間無明顯差異(P>0.05)，而與其它興趣區注視總時間差異顯著(P<0.05)；關注升降率注視總時間與偏航距、航向、距離機場距離注視總時間無顯著差異(P>0.05)，而與其它興趣區注視總時間差異明顯(P<0.05);距離機場距離偏航距及航向注視總時間百分位居末三位，三者之間無顯著性差異(P>0.05)。

3.2.2 模擬著陸階段注視時間百分比

模擬著陸階段，被試主要關注的興趣區迎角指示器、下滑線指示燈及對中跑道(圖4)。三個興趣區注視時間百分比無明顯差異(P>0.05)。

3.3 注視點的平均注視時間

3.3.1 模擬180°轉彎階段注視點的平均注視時間

模擬180°轉彎階段，各興趣區注視點平均注視時間見圖5，關注升降率、航向、距離機場距離的平均注視時間最短，三者之間無明顯差異(P>0.05)。迎角指示器、偏航距、著陸點及坡度四個興趣區平均注視時間無明顯差異(P>0.05)，均明顯長于升降率、航向、距離機場距離的平均注視時間(P<0.05)。

3.3.2 模擬著陸階段注視點的平均注視時間

如圖6所示，模擬著陸階段，被試主要關注的興趣區迎角指示器、下滑線指示燈及對中跑道(圖4)。三個興趣區平均注視時間無明顯差異(P>0.05)。

3.4 著陸階段瞳孔直徑的大小

模擬進近著陸階段瞳孔直徑分析結果見圖7，著陸階段的瞳孔直徑比180°轉彎階段被試的瞳孔直徑明顯增大(P<0.05)，統計學有顯著性差異。

4 討論

隨著科技的飛速發展，飛機自動化程度的逐步提高和飛機座艙人機界面的設計日益優化，飛行員的視覺通道信息所占的比例逐漸增加。飛行員需要根據任務特異性對多個視覺信息源進行選擇性注意以保證信息收集的準確性[13]。通過對視覺的跟蹤，可以間接研究人的視覺感知和信息加工模式，最終可以獲得人的認知模式[8-12]。

不同的飛行任務階段，涉及的飛行參數不同，因此，被試關注的興趣區信息也不同。本研究的進近著陸階段包括了180°轉彎和最后的著陸階段。整個任務過程中，飛行學員通過與飛行座艙內外興趣區信息的有效交互，將各種飛行參數調控在理想范圍內。

興趣區的注視點數目的差異可以間接提示各興趣區各信息源的相對重要程度[14]。在180°轉彎中，飛行學員關注頻率較高的興趣區信息包括迎角指示器、著陸點、坡度及升降率。通過高頻率地關注迎角指示器信息源，被試可以動態掌握速度的變化情況；通過關注著陸點信息源，可了解著陸點的大體位置；通過關注坡度信息，飛行員可及時將坡度值調整在合理范圍內，以保證轉彎時的飛機姿態；飛行員通過頻繁地獲取飛機高度及升降率信息，及時糾偏，將其調整在可靠范圍內，最終可以保證在改出時可以獲得最優化的高度，從而有利于模擬著陸的成功。在模擬著陸階段，被試關注迎角指示器、下滑線指示燈及對中跑道的注視點個數無明顯差異，提示此階段這三個興趣區信息的重要程度相同。

注視時間百分比是某興趣區域內的注視時間和所有興趣區注視時間之和的比值，代表了被試對各種信息源的關注程度[15]。注視時間百分比直接代表的是整個任務階段注意力分配的情況[16]。在180°轉彎階段，迎角指示器和著陸點信息源的注視時間百分比最大，坡度時間百分比次之，升降率注視時間百分比位居第四位。體現了被試者對興趣區域的關心程度及此興趣區信息獲取的難易程度。在著陸階段迎角指示器、下滑線指示燈及對中跑道三個興趣區注視時間百分比無明顯差異，提示三者的信息源關注程度相類似。在模擬180°轉彎中，被試主要依靠迎角指示器、姿態、高度及航向等座艙內儀表信息源來操控飛機的，同時依靠艙外著陸點信息來評估飛機與著陸點關系，整體形成飛機姿態、著陸點位置信息，進而根據這些信息調整操控飛機下滑。而在著陸階段，由于著陸時間短暫、要處理的信息源廣，被試處于高應激、高認知負荷的狀態，因此來不及詳細掃視獲取艙內其他儀表信息，主要通過是迎角指示器來控制飛機的速度，其余信息主要依靠外視景的對中跑道、機場下滑線指示燈光信息來間接獲取飛機姿態、高度等信息。著陸階段的外視景注意力百分比明顯高于180°轉彎外視景注意力百分比。

各興趣區的注視平均時間指該興趣區注視總時間和全部注視點的比值。在眼動追蹤研究領域，通常把持續時間超過100 ms的眼動稱之為注視。只有通過注視，才能將有效的視覺信息傳到大腦進行加工，形成認知。大多數的注視平均時間在100-1 000 ms之間。本研究中，180°轉彎信息源的平均注視時間在160-330 ms之間；而著陸階段信息源的平均注視時間在在330-420 ms之間。興趣區平均注視時間偏長，一方面反映了此興趣區信息較難提取，需要投入較大的認知努力，另一方面也說明此興趣區信息源豐富，需要較多的時間去獲取信息。這兩方面的因素均可導致興趣區注視平均時間延長，給被試增加了認知負荷。

研究表明，瞳孔大小與某些心理活動密切相關。負責拉伸虹膜的肌肉受大腦神經系統的調控[17]。在一定強度的腦力負荷下，瞳孔直徑大小與腦力負荷大小呈正比。本實驗中，著陸階段瞳孔直徑顯著高于180°轉彎階段瞳孔直徑的大小，提示著陸階段腦力負荷明顯高于180°轉彎階段的腦力負荷。

在不同的任務下，興趣區注視點數目的多少反映了信息源注意力切換的程度；注視平均時間反映了注意力在信息源上持續時間的長短；注視時間百分比反映了注意力在各信息源的分配情況。通過這些眼動指標的分析，就可以明確被試在興趣區之間及興趣區內注意力的切換、保持及分配。美空軍在降落階段的訓練時，要求飛行員重復地在跑道和速度表之間進行視覺掃視 。美空軍研究發現優秀飛行員的視覺策略可以用于指導其他飛行員的訓練。美空軍要求F16的15個訓練科目中，10個訓練科目中要求跟蹤檢測飛行員的視覺注意力分配[18]。俄軍也較早開展了軍事飛行員的儀表掃視策略的研究，建立了優秀飛行員的眼動范式，用于指導飛行學員的訓練。在美空軍訓練的降落階段，要求飛行員重復地在跑道和速度表之間進行視覺掃視。俄軍也較早開展了軍事飛行員的儀表掃視策略的研究，建立了優秀飛行員的眼動范式，用于指導飛行學員的訓練。

本實驗結果一方面可以為飛行學員特定飛行任務情景下注意力分配訓練提供范式支撐，也可以為座艙內外興趣區顯示界面提出工效學優化建議。后續研究需要進一步積累優秀被試的眼動數據，建立特定任務情景下的眼動范式，為飛行學員的注意力分配訓練規范化訓練和評估提供依據。