單發(fā)失效情境下飛行員的注意分配行為分析

靳慧斌，胡占堯，于桂花

(1. 中國民航大學(xué) 通用航空學(xué)院，天津 300300； 2. 中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

0 引 言

發(fā)動機(jī)失效直接改變飛機(jī)動力構(gòu)成，其產(chǎn)生的阻力影響飛行姿態(tài)和機(jī)身穩(wěn)定性，從而增加飛行員的操控難度，是嚴(yán)重威脅飛行安全的特情之一。國際航空運(yùn)輸協(xié)會(international air transport association, IATA)的年度安全報(bào)告顯示[1]，根據(jù)事故分類技術(shù)組對2005—2018年的事故統(tǒng)計(jì)，在飛行過程中因飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障導(dǎo)致20起重大飛行事故，共造成176人死亡；據(jù)我國民航航空安全報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[2]，2008—2017年期間，空中停車是3種主要事故征候之一。發(fā)動機(jī)失效后，飛行員能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)特情并在短時(shí)間內(nèi)從眾多的飛行儀表中獲取有效的信息對于飛行姿態(tài)判斷和改出操作起著關(guān)鍵作用，也會導(dǎo)致完全不同的后果[3]。

發(fā)生特情時(shí)飛行員注意資源的合理分配有利于其飛行決策和后續(xù)操作，從而及時(shí)、有效改善飛行性能[4]。許多學(xué)者通過獲取并分析眼動數(shù)據(jù)，結(jié)合人的認(rèn)知和信息加工機(jī)理，構(gòu)建注意資源分配模型。S.M.DOANE等[5]構(gòu)建了用于解釋和預(yù)測飛行員視覺注意分配和操控動作的ADAPT模型，并根據(jù)飛行員的眼動數(shù)據(jù)和執(zhí)飛操作驗(yàn)證模型預(yù)測有效性，但是其實(shí)驗(yàn)所使用的儀表界面與現(xiàn)在的綜合顯示屏幕差異很大；L.ITTI等[6,7]從自下而上(bottom-up)的注意驅(qū)動機(jī)制考慮，根據(jù)信息突顯性構(gòu)建出適用于常見的刺激驅(qū)動且要求較為苛刻的視覺搜索模型，但該模型沒有考慮操作者經(jīng)驗(yàn)水平等因素對注意切換的影響；C.D.WICKENS等[8,9]認(rèn)為視覺信息的獲取受到引起注意信息的突顯性、注意力空間轉(zhuǎn)移所需的努力、視覺環(huán)境中有價(jià)值信息的期望和價(jià)值這4個(gè)因素的影響，以此為依據(jù)創(chuàng)建了SEEV模型；之后，C.D.WICKENS等[10]在SEEV模型基礎(chǔ)之上，考慮自下而上和自上而下(top-down)兩種注意驅(qū)動方式的影響因素提出了A-SA模型，模擬了在多任務(wù)環(huán)境下飛行員對飛機(jī)的控制，但S-SA模型也沒有討論在發(fā)生特情時(shí)操作者的注意轉(zhuǎn)移規(guī)律；吳旭等[11]在SEEV模型思想的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了綜合信息對象重要程度、發(fā)生概率、突顯性和努力等因素的注意力分配預(yù)測模型，通過統(tǒng)計(jì)被試監(jiān)視平視顯示器(HUD)的注視點(diǎn)分布數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，但對該模型在較高腦力負(fù)荷水平下的效度未進(jìn)行探討；之后，吳旭等[12]又在此模型的基礎(chǔ)上引入注意控制空間和資源分配空間的概念，發(fā)現(xiàn)高腦力負(fù)荷水平下自上而下的注意機(jī)制占主導(dǎo)作用，更多的注意資源被分配到高價(jià)值高期望區(qū)域；白杰等[13]基于SEEV模型對飛行員觀察HUD時(shí)的注意資源分配影響因素進(jìn)行了量化研究，其利用改進(jìn)的Itti模型量化突顯性因素、利用注意力側(cè)重點(diǎn)分析量化期望和價(jià)值因素，但未考慮由于平視顯示界面是半透明屏幕，被試當(dāng)時(shí)的注意對象可能是外景而并不是HUD。綜合而言，利用眼動工具研究飛行員的注意分配已成為常態(tài)，但國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)集中在常規(guī)飛行任務(wù)，對飛行特情中飛行員眼動行為特點(diǎn)的研究較為匱乏。因此，針對飛行過程中發(fā)動機(jī)失效造成后果的嚴(yán)重性，搭建模擬飛行平臺研究單發(fā)失效前后飛行員的注意分配對于減少飛行事故、提升飛行安全有重要意義。

為探究發(fā)動機(jī)失效前后被試的注意分配規(guī)律，筆者利用中國民航大學(xué)朝陽飛行學(xué)院DA-42模擬機(jī)和Eyeso眼動儀等設(shè)備搭建模擬飛機(jī)單發(fā)失效實(shí)驗(yàn)平臺，召集飛行教員和學(xué)員參加實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)中采集的被試眼動數(shù)據(jù)，結(jié)合自上而下和自下而上兩種注意力的驅(qū)動模式進(jìn)行分析，挖掘優(yōu)秀飛行員有價(jià)值的注意分配經(jīng)驗(yàn)，為飛行員培訓(xùn)提出參考建議。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 被 試

實(shí)驗(yàn)共選取36名男性被試，均來自中國民航大學(xué)朝陽飛行學(xué)院，其中包括飛行教員18名，年齡分布在30～38周歲(平均年齡M=34.6, SD=2.17)，飛行時(shí)長大于2 000 h；包含飛行學(xué)員18名，年齡21～23周歲(平均年齡M=21.9, SD=0.78)，飛行時(shí)長為200～210 h，均已通過儀表飛行考試。所有被試視力或矯正視力大于1.0，允許戴隱形眼鏡進(jìn)行視力矯正。所有被試均具備DA-42模擬機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)，能夠獨(dú)立完成模擬飛行任務(wù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺

模擬實(shí)驗(yàn)平臺由以下4個(gè)部分組成：① Eyeso Glass眼動儀(頭戴式，通過紅外暗瞳捕捉眼球運(yùn)動，采樣率為100 fps，精度為0.08°，準(zhǔn)確度為0.5°)；② 鉆石雙星(Diamond DA-42 twin star，DA-42)模擬機(jī)，該模擬器可以模擬整個(gè)飛行階段，允許人們選擇符合實(shí)驗(yàn)要求的著陸機(jī)場和天氣條件，并通過了中國民航局的認(rèn)證；③ 螢石C6Tc 1080P云臺監(jiān)控器；④ 14英寸筆記本電腦(分辨率為1 366×768)。

1.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

每位被試在VOR儀表進(jìn)近場景下完成最后進(jìn)近飛行任務(wù)，實(shí)驗(yàn)選定朝陽機(jī)場為著陸機(jī)場。所有被試的初始模擬飛行狀態(tài)相同，以最后進(jìn)近定位點(diǎn)FAF為飛行起始位置，該點(diǎn)的飛行參數(shù)保持一致(高度為3 000英尺、速度為100節(jié)、航向?yàn)?79°)，進(jìn)近飛行至復(fù)飛點(diǎn)(MAPt)結(jié)束整個(gè)飛行任務(wù)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的左側(cè)發(fā)動機(jī)機(jī)械故障，被試未被提前告知。航線任務(wù)如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)航線

1.4 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)前，主試連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，檢查保證其工作正常。后續(xù)具體實(shí)驗(yàn)程序如下：

1)實(shí)驗(yàn)開始前向被試發(fā)放個(gè)人信息記錄表，由被試自行填寫。

2)主試調(diào)試模擬機(jī)，按照實(shí)驗(yàn)飛行剖面設(shè)置初始飛行參數(shù)。

3)被試進(jìn)入駕駛艙，在主試的協(xié)助下佩戴眼動設(shè)備，保證眼動儀佩戴的規(guī)范性和舒適性，并進(jìn)行校準(zhǔn)。

4)開始實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用眼動儀記錄被試的眼動數(shù)據(jù)。

5)實(shí)驗(yàn)開始1 min左右設(shè)置左側(cè)發(fā)動機(jī)故障。

6)到復(fù)飛點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，之后換下一位被試，直到所有被試均完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)場景如圖2。

圖2 模擬單發(fā)失效實(shí)驗(yàn)場景

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 眼動數(shù)據(jù)篩選

導(dǎo)出被試在主飛行顯示器界面的眼動數(shù)據(jù)，依據(jù)眼動數(shù)據(jù)的置信度對眼動系統(tǒng)所記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。其主要目的是評判眼動數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠程度。置信度是利用瞳孔檢測算法對測量值可靠性的量化，通過0-1的數(shù)值來表示：置信度數(shù)值越大，數(shù)據(jù)可靠性越高；置信度等于1代表數(shù)據(jù)可靠性極高；置信度大于0.8代表數(shù)據(jù)可靠性較高。為保證眼動數(shù)據(jù)質(zhì)量，認(rèn)為同一被試的眼動數(shù)據(jù)，置信度小于0.8的數(shù)據(jù)占比小于80%時(shí)可靠性較低。統(tǒng)計(jì)每位被試的眼動數(shù)據(jù)，3號和21號被試的眼動數(shù)據(jù)置信度小于0.8的數(shù)據(jù)占比小于0.8%，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性舍棄該兩名被試的數(shù)據(jù)。

2.2 飛行數(shù)據(jù)處理

飛行過程中，記錄單發(fā)失效后被試反應(yīng)時(shí)間、被試處理發(fā)動機(jī)失效改出時(shí)間和飛行過程中航向變化最值，并依據(jù)提取的這3組飛行數(shù)據(jù)對被試績效進(jìn)行分組。單發(fā)失效后被試反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)飛行員對發(fā)動機(jī)故障的識別是否及時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短說明被試對故障識別早、處理快，績效較優(yōu)；失效改出時(shí)間反應(yīng)被試在單發(fā)失效情況下操控飛機(jī)的能力，改出時(shí)間短說明飛行績效優(yōu)；航向變化最值反應(yīng)該特情下機(jī)身姿態(tài)和飛行參數(shù)的穩(wěn)定性，航向變化最值小說明航向偏差小，績效更優(yōu)。

對這3個(gè)飛行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算被試反應(yīng)時(shí)間、失效改出時(shí)間以及航向變化最值的中位數(shù)，其值分別為1.992 s、29 s、28°。將3個(gè)參數(shù)均低于中位數(shù)的被試歸為績效優(yōu)組(A組)；將3個(gè)參數(shù)均高于中位數(shù)的歸為績效差組(B組)；有兩名被試無法按照上述分類方法分類，因此這兩名被試的數(shù)據(jù)不納入進(jìn)一步的討論。最終對篩選出的績效優(yōu)組和績效差組各16名被試的眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3 注視行為分析與討論

3.1 興趣區(qū)劃分

為研究被試在單發(fā)失效這一特情下對各個(gè)儀表參數(shù)的注視行為，根據(jù)儀表的功能對主飛行儀表顯示器劃分為以下6個(gè)興趣區(qū)域：a為空速指示器(airspeed indicator, ASI)；b為姿態(tài)引導(dǎo)指示器(attitude director indicator, ADI)；c為水平狀態(tài)指示器(horizontal situation indicator, HSI)；d為高度-垂直速度表(altimeter-vertical speed Indicator, ALT-VSI)(由于高度表和垂直速度表位置相鄰且一同反應(yīng)機(jī)身的高度及其變化，因此劃分在同一興趣區(qū)域)；e為發(fā)動機(jī)指示系統(tǒng)(engine indicator system, EIS)區(qū)域；f為其他區(qū)域(主飛行顯示器除a～e共5個(gè)區(qū)域外的區(qū)域部分)[14]，如圖3。

圖3 興趣區(qū)劃分示意

在上述劃分興趣區(qū)的基礎(chǔ)上，對A、B兩組被試在左發(fā)失效前、失效后對各個(gè)興趣區(qū)的眼動注視數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選用興趣區(qū)注視頻率來對注意分配進(jìn)行討論。

3.2 興趣區(qū)注視頻率分析

注視頻率為總的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)與實(shí)驗(yàn)總時(shí)長的比值，與操作人員信息獲取和加工效率成正比[15,16]。以左發(fā)失效為節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)失效前后兩組被試的總注視頻率均值，如圖4。根據(jù)T檢驗(yàn)的結(jié)果，單發(fā)失效后，兩組被試注視頻率均顯著增加，且發(fā)動機(jī)失效前后A組被試總注視點(diǎn)頻率均顯著大于B組被試。B組雖然增加了總注視頻率但仍小于A組被試，說明總體上來看，兩組被試的經(jīng)驗(yàn)水平是有一定差距的，也說明注視頻率能反映操作水平高低。

圖4 被試的總注視點(diǎn)頻率均值

興趣區(qū)注視頻率是指每秒在某一特定AOI的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)。根據(jù)記錄的每位被試的眼動數(shù)據(jù)，以左發(fā)失效時(shí)刻為節(jié)點(diǎn)，處理統(tǒng)計(jì)A、B兩組被試時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后各個(gè)興趣區(qū)域注視頻率，并進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 單發(fā)失效前后興趣區(qū)注視頻率對比

結(jié)合配對樣本T檢驗(yàn)和圖5可知：左發(fā)失效后的飛行階段績效優(yōu)(A組)和績效差(B組)兩組被試在姿態(tài)引導(dǎo)指示器(ADI)區(qū)域、水平狀態(tài)指示器(HSI)區(qū)域、發(fā)動機(jī)指示系統(tǒng)區(qū)域(EIS)和其他區(qū)域等4個(gè)興趣區(qū)的注視頻率均呈現(xiàn)增加趨勢；對比發(fā)現(xiàn)，A組被試在發(fā)動機(jī)指示系統(tǒng)區(qū)域(EIS)和其他區(qū)域的注視頻率增加趨勢顯著高于B組被試。A組被試在空速指示器(ASI)區(qū)域和高度-垂直速度表(ALT-VSI)區(qū)域的注視頻率均呈減小趨勢但并不顯著；B組被試在空速指示器(ASI)區(qū)域和高度-垂直速度表(ALT-VSI)區(qū)域的注視頻率呈顯著減小趨勢。

兩組被試在左發(fā)失效后對姿態(tài)指示器(ADI)區(qū)域和水平狀態(tài)指示器(HSI)區(qū)域的注視頻率均顯著增加，可能是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)失效后飛機(jī)出現(xiàn)姿態(tài)翻轉(zhuǎn)、航向驟變，被試首先要控制好飛機(jī)姿態(tài)，調(diào)整正確的飛行航向，并需持續(xù)蹬舵配合操縱駕駛桿來時(shí)刻保持飛機(jī)的姿態(tài)與航向，因此對姿態(tài)和航向的注視頻率均顯著增加[14]。與此同時(shí)，受上述原因以及區(qū)域面積比較小的影響，兩組被試對空速指示器(ASI)區(qū)域和高度-垂直速度表(ALT-VSI)區(qū)域的關(guān)注均呈下降趨勢。

此外，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩組被試均在姿態(tài)引導(dǎo)指示器(ADI)區(qū)域和水平狀態(tài)指示器(HSI)區(qū)域有最大的注視頻率，并占到總注視頻率的60%以上，其中B組被試占比(0.672)比A組被試占比(0.615)還大，然而B組被試的總注視頻率卻小于A組，說明B組被試相對過于關(guān)注飛機(jī)姿態(tài)和航向，可能是因?yàn)锽組被試操縱飛機(jī)的能力欠缺，在穩(wěn)定飛行狀態(tài)需要更加頻繁地注視這兩個(gè)區(qū)域。與B組被試相比，A組被試在左發(fā)失效后發(fā)現(xiàn)了姿態(tài)引導(dǎo)指示器(ADI)區(qū)域和水平狀態(tài)指示器(HSI)區(qū)域內(nèi)參數(shù)的異常變化從而增加了關(guān)注，同時(shí)也適當(dāng)增加了對發(fā)動機(jī)狀態(tài)指示系統(tǒng)和操縱界面的注視，雖然減小了對空速指示器(ASI)區(qū)域和高度-垂直速度表(ALT-VSI)區(qū)域的注視頻率，但是仍能維持對空速指示器(ASI)區(qū)域和高度-垂直速度表(ALT-VSI)區(qū)域的基本注視。

注意是由自上而下的知識驅(qū)動(認(rèn)知突顯性)和自下而上的刺激驅(qū)動(感覺突顯性)兩種注意模式共同作用。利用認(rèn)知突顯性和感覺突顯性兩種注意模式分析上述現(xiàn)象的可能原因：A組被試經(jīng)歷較多的飛行小時(shí)數(shù)，其對駕駛艙操縱設(shè)備的熟悉程度、操作行為的熟練程度高，能快速下達(dá)完成穩(wěn)定機(jī)身狀態(tài)的操縱執(zhí)行指令，時(shí)間上取得了優(yōu)勢，另外經(jīng)訪問得知，A組被試相比于B組被試對單發(fā)失效的處置程序熟悉程度更高，自上而下的知識驅(qū)動機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位，思維和決策、執(zhí)行過程依靠記憶提取趨于自動化、程序化的，因此可實(shí)現(xiàn)注意分配的主動調(diào)節(jié)；針對B組被試處置單發(fā)失效的時(shí)間較長這一現(xiàn)象，可能原因是機(jī)身姿態(tài)、航向變化等外界刺激發(fā)揮顯著作用形成的注意模式由感覺突顯性主導(dǎo)，使其在獲取飛機(jī)側(cè)滑和偏轉(zhuǎn)等信息過程中占據(jù)了更高比例的注意資源，B組被試相比于A組被試對單發(fā)失效處置程序熟練程度較低，最終導(dǎo)致B組被試的注意資源分配不合理。

建議被試在對所有儀表保持基本注視時(shí)，若發(fā)現(xiàn)飛行姿態(tài)等參數(shù)的異常變化并判斷出發(fā)動機(jī)失效后，應(yīng)該適當(dāng)提高對發(fā)動機(jī)指示系統(tǒng)區(qū)域的注意，不應(yīng)過分關(guān)注于飛行姿態(tài)和航向的變化，提高故障判斷能力與飛機(jī)操縱能力；判斷出發(fā)動機(jī)故障后，應(yīng)立即執(zhí)行相關(guān)檢查程序和發(fā)動機(jī)重啟程序，提高對發(fā)動機(jī)失效改出程序的熟練度。

4 結(jié)論與展望

研究結(jié)論如下：

1)左發(fā)失效后績效優(yōu)組被試不僅增加了對失效改出有關(guān)鍵作用的興趣區(qū)域的關(guān)注度，同時(shí)還能維持對其他區(qū)域的基本注視，注意資源分配合理。

2)績效差組對姿態(tài)引導(dǎo)指示器(ADI)和水平狀態(tài)指示器(HSI)區(qū)域的注視頻率相對過高，而對關(guān)鍵的發(fā)動機(jī)指示系統(tǒng)區(qū)域和操縱界面沒有給予足夠的關(guān)注，表明其對失效改出的程序和操作不熟練。

未來的研究方向在于探討被試眼動行為與實(shí)時(shí)注意資源分配之間的關(guān)系。如果能掌握飛行學(xué)員實(shí)時(shí)的注意分配便可在其訓(xùn)練時(shí)直接對其錯(cuò)誤的注視習(xí)慣給予校正，幫助其養(yǎng)成高效的信息獲取能力。