眼動數據分析在飛行培訓中的應用研究

吳林

摘要：在飛行員進行全動模擬機訓練的過程中，采集眼動數據指標，收集飛行員的注視點、注視次序、注視時長等信息，分析比較在目視起落過程中不同個體的共性與差異。通過收集20位資深飛行員和20位初始學員的眼動數據，分析優秀飛行員在這個過程中注意力分配的方法，發現初始學員普遍存在的問題，總結出一套適用于進近著陸階段的注意力分配標準，用于改進對初始學員的培訓，能夠以可視化的方式給學員進行講解演示，并及時發現和糾正學員在注意力分配方面存在的問題，將對于提升飛行培訓的質量和效率具有明顯的作用。

Abstract： In the process of pilots' full-motion simulator training， this paper collects eye movement data indicators， collects the pilot's gaze point， gaze sequence， gaze duration and other information， analyzes and compares the commonalities and differences of different individuals in the process of visual take-off and landing. By collecting the eye movement data of 20 senior pilots and 20 initial students， it analyzes the method of attention distribution of outstanding pilots in this process， finds common problems of initial students， and summarizes a set of attention distribution standards applicable to the approach and landing phase to improve the training of the initial trainees. It can explain and demonstrate to the trainees in a visual way， and discover and correct the problems of the trainees in the distribution of attention in a timely manner， which will significantly improve the quality and efficiency of flight training.

關鍵詞：眼動數據分析;模擬機訓練;注意力分配;飛行培訓

Key words： eye movement data analysis;simulator training;attention distribution;flight training

中圖分類號：V328 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）25-0189-03

0 ?引言

近年來隨著民用航空運輸市場的快速增長，航空公司規模不斷擴大，飛行員的數量大幅增加，給民航訓練體系帶來了巨大的考驗。飛行員需要在復雜的環境下執行大量復雜的飛行任務，對飛行員心理和生理方面都提出更高的要求。所以，如何采用更加高效而合理的飛行訓練方式對飛行員進行有針對性的培訓，從而不斷提高飛行員的核心勝任能力，已經成為飛行培訓機構急需解決的問題。

全動模擬機訓練是飛行培訓中必不可少的一個環節，也是初始學員在飛行培訓機構中完成考核的最關鍵項目。傳統的飛行任務訓練模式主要是讓飛行員進行飛行操縱和特情處理的的重復性訓練，由于教員不能及時有效地觀察到學員的視線焦點，因此對飛行員的具體飛行習慣、注意力分配等方面缺乏有針對性的指導，使培訓質量和效率不能有效提升。

近些年來，國內外有一些研究機構，在地面固定訓練器上對少數飛行員進行過一些眼動數據分析研究，在飛行培訓領域的還沒有進行過在全動模擬機真實訓練環境下的大量樣本數據采集和分析;隨著高新技術的發展，眼動儀設備向著高精度和輕量化方向發展，使其能滿足全動模擬機訓練場景要求，能在真實訓練過程中進行數據采集而不影響飛行員操縱。通過收集分析優秀飛行員在全動模擬機訓練過程中注意力分配的方法，研究分析在目視起落過程中的注意力分配模型，用于對初始學員的培訓，以可視化的方式給學員進行演示和講解，發現和糾正學員進近著陸過程中對于注意力分配的問題，為進一步在各個飛行階段訓練中應用此種分析方法，從而有效提升培訓的質量和效率。

1 ?研究方法

1.1 被試人員

本項研究從在培訓機構進行全動模擬機訓練的飛行員中，隨機挑選了20位飛行教員和20位飛行學員，教員全部為具有15年以上航線飛行經驗的資深飛行員，學員為剛完成初始改裝訓練課程檢查（考試）任務的20位飛行員，將他們作為被試人員，每人在模擬機上進行了兩輪目視起落訓練，在訓練過程中用眼動儀設備采集了他們的眼動數據生成了80組分析樣本。

1.2 研究設備

研究設備中訓練設備是采用中國南方航空公司飛行培訓中心（珠海翔翼航空技術有限公司）的一臺波音737系列模擬機，該設備為獲得中國民航局（CAAC）資質審核認定的D級全動模擬機，可用于航空公司飛行員專業訓練和考試;眼動數據分析設備采用的是德國ERGONEERS公司生產的Dikablis Glass 3頭戴式眼動儀，該設備技術指標國際領先，追蹤精度為0.1～0.3°，采樣率為60Hz，場景攝像頭為高清攝像頭（分辨率1920×1080），采用輕量化設計，重量約49g，在數據采集過程中對飛行員操作基本無影響。

1.3 測試任務

測試過程中，被試人員每人進行兩輪目視起落訓練，在全動模擬機上完成標準操作;選取某平原機場，從跑道頭起飛后，要求飛行員按照標準程序進行目視起落，任務場景如圖1所示，圖中左側白色虛線表示實際飛行航跡，圖中右側表示完成本場落地任務過程中的剖面。

2 ?測試數據分析

2.1 數據信息分類

眼動儀采集的數據，重點觀察研究以下幾類信息：

①注視次數：用來反映所注視區域信息的重要程度，顯示區域的重要程度與被注視的次數成正比例關系。

②注視持續時間：反映了飛行員對于所注視區域信息的關注程度。

③注視點序列：即眼動軌跡數據，注視點在飛行員所需要的信息源輸出區域之間進行轉換。能夠用來衡量飛行員對于飛行任務所應該關注信息的熟練程度。

2.2 重要關注點

將采集的數據提取后，設計選取最有代表性的飛行階段數據進行對比，即進入進近階段對正跑道后，在無線電高度500英尺到飛機接地的過程（飛行時間為38秒到45秒左右），因為此階段對于飛機的控制最能體現飛行員的技能水平。

根據眼動數據注視時間、注視持續次數和注視點次序（如圖2）分析后發現，在此階段飛行過程中，飛行員視線主要關注點分為艙內儀表區和艙外視景區，艙內儀表區有如下幾個關注點：PFD速度、PFD下降率、PFD姿態、PFD坡度、ND航跡、油門（EICAS上N1值），艙外視景區主要關注點艙外跑道和PAPI燈。

下面分別進行單個教員和學員數據對比分析、教員群體與學員群體數據對比分析。

2.3 教員A和學員B數據對比分析

隨機選取一位教員A眼動數據，從無線電高度500英尺到接地，總時間45秒，將每100英尺高度分段，共分成5段數據進行分析，觀察分析其注視次序和注視時間的結果。根據數據得出，前4段，從500英尺到100英尺過程中，有效注視時間內（掃視及眨眼時間除外），對于艙內儀表注視時間為12.14秒，對于艙外視景注視時間為13.37秒;最后一段，從100英尺到接地過程中，全部注視時間用于觀察艙外視景。

另外，從20位學員中，根據考試員反饋的績效表現相對欠缺的學員中，隨機選取一位學員B的眼動數據進行分析，從無線電高度500英尺到接地，總時間42秒，同樣將其分成5段數據進行分析。根據眼動數據進行分析，從500英尺到接地過程中，有效注視時間內（掃視及眨眼時間除外），對于艙內儀表注視時間為0.85秒，對于艙外視景注視時間為21.26秒。

統計數據后發現，從100英尺到接地，教員A和學員B視線基本相同，都關注了艙外視景;統計從500英尺到100英尺數據，將教員A與學員B對于重要關注點的注視總次數與注視總時間進行統計（如表1）;同時將教員A與學員B的注視總時間分成艙內儀表和艙外視景兩部分進行對比（如圖3）。

通過對比發現當飛機從500英尺下降到100英尺過程中，教員A和學員B有如下幾點明顯不同：

①教員A在艙內和艙外注視時間基本相等，而學員B視線基本全集中在艙外;

②教員A在飛行過程中，視線在多個儀表數據和艙外視景之間多次來回切換，而學員B基本只盯著艙外;

③教員A在飛行過程中，觀察PAPI燈時基本只是掃視（因此有效注視時間為0），而學員B視線在跑道中心線和PAPI燈頻繁切換。

分別選取教員A和學員B在500英尺到100英尺過程生成眼動數據熱點圖，可以清晰地發現兩者的不同。我們設定在采樣周期內注視總時間超過1000毫秒的數據點定義為紅色樣本點，形成的熱點圖中教員A的視點相對點均勻地分布在艙內和艙外，學員B的視點明顯更多地集中在艙外（如圖4）。

分析總結：學員B在目視進近過程中，存在著注意力分配的問題，精力沒有合理分配在速度、下降率、坡度、航跡等儀表數據上，沒有意識到艙外為輔、艙內為主（看艙外只是檢測方向和跑道位置關系）的理念，導致在控制飛機穩定性上存在問題。

2.4 教員群體與學員群體數據對比分析

將全部20位教員和20位學員的數據進行統計平均值計算，關注選取從500英尺到100英尺數據，把教員與學員的注視總次數（如圖5）與注視總時間（如圖6）進行分析對比。

把視野區域分為艙內儀表區域和艙外視景區域時，進行數據統計和對比（如表2）。

通過教員群體與學員群體的對比，發現如下問題：

①教員群體在目視進近過程中，對于艙內和艙外注視時間基本相當;而學員群體對于艙外視景的注視時間偏多，反映出不能較好地分配自己的注意力，在飛行過程中不能及時有效收集艙內儀表信息，從而達到穩定控制飛機狀態的目的。

②教員群體在對于多個重要關注點的注視次數更多，能夠快速地收集各個關注點的信息并進行判斷，反映出對于飛機控制的熟練程度更高;學員群體需要在艙內儀表信息收集方面做更多的關注，加強訓練對于各個關鍵點的注意力分配。

3 ?結論與展望

在當前目視飛行規則下，飛行員需要通過視線收集外景的跑道以及飛機的高度、姿態、速度等的主要信息。由于進近過程時間短，景物變化快，對飛行員注視力要求高，成熟的飛行員視線能夠在主飛行儀表、發動機顯示和機組警告系統和艙外跑道之間快速準確地切換，達到穩定控制飛機的目的。

在以往的飛行培訓中，傳統訓練手段不能使教員及時有效地發現學員注意力分配存在的問題，從而及時進行指導;眼動儀在模擬機訓練中的應用，能有效地消除這個瓶頸。未來通過不斷完善眼動數據分析系統，采集飛行員的注視點、注視次序、注視時長等信息，收集分析優秀飛行員在這個過程中注意力分配的方法，通過大量樣本采集，整理出一套適用于各個飛行階段的注意力分配標準，用于對初始學員的培訓，能夠以可視化的方式給學員進行演示，并及時發現和糾正學員對于注意力分配的問題，將對于提升培訓的質量和效率具有明顯的作用。

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