飛行學員注視方式對團隊情境意識的影響

王燕青, 周士琦, 劉超群

(中國民航大學飛行分校, 天津 300300)

在航空器運行過程中,飛行機組人為因素的缺陷是導致飛行事故的主要原因之一,其中飛行員情境意識(situational awareness,SA)對航空安全的保障起關鍵作用[1]。Endsley等[2]研究發現情境意識中76%的錯誤都與未注意到必要信息相關。視覺是飛行員獲取信息的重要渠道,尤其在飛行關鍵階段,飛行員良好的注視方式對提升其操作技能有幫助[3]。在進近著陸過程中,飛行員需要面對復雜的環境變化和操作程序,因此需要合理的注意力分配,許多學者通過眼動追蹤技術對此進行了研究。Reynal等[4]在全飛行模擬器的場景下對進近階段飛行員眼動數據進行了分析。Dehais等[5]分析了飛行員在進近階段和巡航階段飛機性能的變化和飛行員眼動模式的變化。白杰等[6]探索了飛行員分別使用平視顯示器和主飛行顯示器探測跑道入侵時眼動模式的差異。于桂花[7]對單發失效情境下飛行員的眼動行為進行分析,發現特情發生前后飛行員的操作績效和眼動指標的變化有顯著相關性關系。劉志方等[8]通過實驗驗證了眼動追蹤技術可在知覺層面上反映情境意識的內容和過程。馮傳宴等[9]研究了不同負荷條件下注意力分配策略對飛行員情境意識的影響,發現平均注視時間等眼動指標可以較好地表征情境意識。

飛行安全不僅取決于飛行員的個體情境意識,更重要的是,取決于作為一個整體的機組的團隊情境意識(team situational awareness, TSA)[10]。Endsley[11]認為團隊情境意識是團隊中成員的個體情境意識與團隊成員之間共享情境意識的綜合。Salmon等[12]在對團隊情境意識進行分析時提出可以利用共享心智模型(shared mind model, SMM),從團隊維度和任務維度出發,對團隊情境意識進行分析。國內學者石玉生等[13]在對團隊情境意識的分析中也表明可以使用共享心智模型,并從團隊維度和任務維度對團隊情境意識的進行測量,并形成了測量量表。基于此,本文將團隊情境意識定義為團隊中成員的個體情境意識(individual situational awareness, ISA)與團隊成員之間共享心智模型的綜合。

國內外學者對于眼動追蹤技術在情境意識的應用主要集中在飛行員的個體情境意識和績效的研究,較少研究其對團隊情境意識的影響。在多人制機組運行過程中,團隊情境意識的降低或喪失是導致機組失能的重要因素。目前傳統的飛行訓練重點是培養駕駛員的技能操作和個體情境意識的培養,缺少對團隊情境意識的訓練。尤其在進近著陸過程中,除了訓練飛行學員對駕駛艙內儀表參數變化和駕駛艙外部環境的注意力合理分配,還需關注駕駛艙內飛行學員間、飛行學員與教員間的配合,以提高其團隊情境意識,從而提高著陸績效。因此本文嘗試通過驗證進近著陸階段飛行學員的注視方式,分析其對團隊情境意識和績效的影響,找到進近著陸階段可以保持較好情境意識注視方式,為飛行學員的訓練提供理論依據。

1 實驗方案

1.1 被試

被試由中國民航大學具有一定飛行基礎知識,能夠完成各項飛行任務的40名飛行學員組成,分為20 組。被試兩兩自由組合,以避免因彼此間不熟悉而造成的溝通障礙。所有被試在進行正式實驗前均已在實驗環境中進行模擬操作訓練,熟悉和掌握了軟件的操作流程。

1.2 實驗工具

采用模擬飛行軟件Flight Simulator,該軟件能夠比較真實地模擬著陸的基本操作,通過專業的插件進行雙屏鏈接,模擬雙人機組展開實驗。采用的兩臺同型號Tobii X2-30眼動儀記錄被試的眼動數據。其精度為5°,采樣頻率為30 Hz,在40～90 cm范圍內能夠有效測量被試的各項眼動指標。在實驗過程中每臺眼動儀分別測量模擬飛行過程中飛行學員的眼動指標。采用ErgoLAB軟件,采集并分析飛行機組成員的眼動指標。利用該軟件可以統計被試在實驗過程中的注視點,同時該軟件支持劃分興趣區域,可以按照不同的興趣區對被試在實驗過程中的注視點個數進行分析。

ISA測量采用SAGAT[14]方法,通過認知任務分析方法確定ISA測量問卷內容,主要包括被試對于某一時間點情境的感知、理解及預測3個層面的內容,具體如表1所示。將被試填寫的ISA問卷與模擬的實驗場景中的各項信息進行對比,若被試選擇的答案與模擬情境相一致,則得一分,否則不得分,以此得出被試的ISA得分。

表1 ISA測量問卷題目

SMM測量采用Salmon等[12]所提出的SMM測量量表并根據進近著陸任務改編而成,該量表包括團隊維度及任務維度兩個層面,其中團隊維度主要是指團隊成員之間的溝通交流及協作等過程,而任務維度主要是指完成任務需要的策略和知識等,SMM測量問卷的具體內容如表2所示,利用李克特7點量表來進行測量。在每次分實驗結束后要求模擬機組兩名被試立即填寫SMM測量問卷。

表2 SMM問卷題目

1.3 實驗設計

采用 2×3 的混合設計。自變量包括:①著陸場景,為了驗證飛行學員的團隊情境意識在不同著陸場景下的有效性是否存在差異,所以將著陸場景分為正常著陸場景和單發失效著陸場景兩個水平；②注視方式,注視點個數可以反映被試在任務過程中對于深層次信息提取的能力的高低,某一區域注視點個數越多,則說明被試對于此區域關注度越高,越能夠提取到更多的有用信息[15-16]。由于不同被試組完成著陸的時間不同,不能直接利用注視點個數來表征被試組成員對于外景及內景儀表區的關注度,因此本實驗采用被試組在任務過程中的外景興趣區和儀表興趣區的注視點占比來反映被試組成員對于不同區域信息的關注度,因此,將依據注視點占比,將注視方式分為關注外景、關注儀表和關注外-內景三個水平。

因變量包括:①團隊情境意識,以個體情境意識和共享心智綜合表征被試分組的團隊情境意識；②著陸績效,根據飛行手冊對被試在進近著陸過程中飛機的接地時的標準距離、載荷、仰角等因素與參考標準[2 500 ft(1 ft=304.8 mm)、1.4 g(g為重力加速度),5.0°]的差值進行綜合評估[17],模擬飛行軟件自動給出被試的操作績效得分(100分制),將其作為著陸績效得分。

1.4 實驗程序

為保障實驗的順利進行,被試在正式實驗前需要進行模擬訓練,直到能夠完全掌握模擬軟件；同時向被試講解測量量表的填寫方法,待被試完全理解后開始正式實驗。

被試組分別模擬正常場景和單發失效場景下的著陸飛行。由于實驗中要利用眼動儀分別采集每個被試組內兩名被試的眼動數據,因此在實驗正式開始之前要進行瞳孔校準操作。眼動儀校準完成后,由主試開啟飛行模擬軟件,兩名被試開始模擬著陸實驗。兩名被試分別模擬機組的操縱飛行員和監控飛行員,共同操作模擬機完成進近著陸過程,在一定高度飛機自動駕駛斷開后,要求被試機組接手模擬機的控制,共同駕駛模擬機完成近進著陸任務。實驗的任務目標是要求模擬機盡可能地以標準的距離、載荷及仰角接地并停穩。在實驗過程中暫停測量被試的ISA；在實驗結束后要求被試立刻填寫SMM測量問卷。

每個被試組兩名被試按照以上順序分別進行正常狀態下的進近著陸和模擬單發失效下的進近著陸兩次實驗,實驗結束后按照被試編號和不同任務難度條件對數據進行分別保存。實驗過程中對每個被試組的近進著陸過程進行錄像。

2 數據處理

2.1 TSA指標的描述統計

Nonose等[18]指出,可以直接計算團隊成員的個體情境意識的均值以表征團隊中的ISA,因此取兩名被試組成員的ISA得分的平均值作為團隊的ISA指標得分。SMM采用問卷測量,需對被試組成員的回答一致性進行檢驗,結果表明SMM的Rwg系數為0.74>0.7,因此可以對SMM問卷結果進行均值處理。正常著陸場景和單發失效場景下的飛行學員的ISA、SMM及其著陸績效得分情況如表3所示。隨著任務難度的增加,被試組ISA、SMM、著陸績效得分均呈現下降趨勢。被試組在不同任務難度條件下的ISA、SMM和著陸績效之間的關系需要進一步分析。

表3 不同著陸場景下飛行機組TSA和著陸績效

2.2 視覺興趣區劃分與分組

利用ErgoLAB眼動分析軟件對模擬飛行界面進行興趣區域劃分。在進近著陸過程中,飛行員通過艙內儀表能夠獲取飛機的各項性能數據；近地外景環境中的燈光、地面建筑、標識等可以為飛行員提供交通環境信息[19],實驗室環境中將模擬飛行界面劃分為外景區域以及內景儀表區域,計算被試著陸過程中的注點占比。

根據注視點占比的不同將注視方式分為三組:A組為絕大多數注視點集中于外景,而過少關注儀表；B組為注視點在外景和儀表之間分布較為均勻；C組為絕大多數注視點集中于儀表,而較少關注外部環境。表4為不同著陸場景下各組被試的注視點占比情況。為驗證被試分組的合理性,對不同著陸場景下不同被試組的注視點占比進行方差齊性檢驗,結果均滿足方差齊性,因此進行單因素方差分析,其結果為不論是在正常著陸場景下,還是在單發失效場景下,A、B、C三組的注視點占比均存在顯著性差異(F=30.961,P<0.05;F=30.253,P<0.05)。

表4 不同分組的注視點占比百分比數據

3 結果與討論

3.1 正常著陸場景下不同注視方式的飛行學員團隊情境意識分析

將飛行學員的注視點占比分別與其ISA、SMM進行Spearman相關分析,其相關系數分別為0.697和0.945(P值均小于0.01),因此,在正常著陸場景下,飛行學員的注視點占比與TSA存在顯著的正相關。

如圖1所示,在正常著陸過程中,飛行學員對駕駛艙外環境關注較高時,每個飛行學員的ISA得分較高,SMM得分較高,從而獲得了較高的著陸績效。隨著對駕駛艙外環境注視點的減少,被試組的TSA和著陸績效隨之減少。當被試組較少關注外部環境時,其著陸績效大幅降低。

圖1 正常著陸場景下不同注視方式的TSA和著陸績效

進一步以注視方式為自變量,分別以ISA、SMM為因變量,進行單因素方差分析,得出三種注視方式下的ISA和SMM均存在顯著差異(F=5.323,P<0.01;F=18.472,P<0.01)。因此不同的注視方式對ISA和SMM有顯著影響。

上述分析結果表明,在正常著陸階段,飛行學員對于外景關注較高、內景儀表關注較低的被試組具有較高的ISA和SMM。注視點占比較多的地方反映了被試對該區域信息的關心和注意程度。結合飛行操作程序可知,在執行正常著陸任務時,飛行學員需要較少的注意力通過內景儀表提取飛機高度、姿態、速度等信息,需要較多的注意力從外景獲取機場跑道和環境相關信息,從而能夠掌握飛機的整體狀態,獲得較高的ISA和SMM,進而獲得較高的操作績效。反之,若在執行正常著陸過程中,飛行學員過多的關注儀表信息而忽略了對于外景信息的關注,則其ISA及SMM都會明顯降低,最終導致著陸績效的降低。

3.2 單發失效場景下不同注視方式的飛行機組團隊情境意識分析

發動機失效是造成事故征候的三大事件之一[20]。在發動機失效后,飛行員能否快速、準確地獲取有效的飛行信息,對事件的處理至關重要[21]。因此,通過模擬單發失效場景,對飛行學員的注視方式與團隊情境意識間的關系進行分析。

在單發失效場景下,將飛行學員的注視點占比分別與飛行學員ISA、SMM進行Spearman相關分析,其相關系數分別為0.505和0.523(p值均小于0.05)因此,在單發失效場景下,飛行學員的注視點占比與其團隊情境意識仍然存在顯著的正相關。

如圖2所示,在單發失效場景中,當飛行學員對駕駛艙內外注視點占比相同時具有較高的ISA和SMM得分,其團隊情境意識較高,從而有較高的著陸績效。對外景關注較少內景儀表關注較多時其每個成員的ISA和SMM都處于較低水平,其團隊情境意識較低,從而有較低的著陸績效。

圖2 單發失效場景下不同注視方式的TSA和著陸績效

以注視方式為自變量,以ISA和SMM為因變量,進行單因素方差分析,得出三種注視方式下的ISA和SMM均存在著顯著差異(F=13.896,P<0.01;F=7.477,P<0.01)。結果表明,單發失效場景下,不同注視方式對團隊情境意識有顯著影響。單發失效后,飛機會出現航向突變、速度丟失、高度丟失、姿態偏差等現象,各儀表參數變化顯著,被試需要頻繁注視各儀表參數從而掌握飛機當前的狀態并作出準確的判斷和相應的動作,因此飛行學員需增加對儀表的關注以獲取需要的信息,但不能因此而忽視對外景的關注。

為進一步明確不同注視方式的被試的TSA、ISA和SMM差異,進行LSD檢驗,單發失效場景下ISA得分順序為:B組>A組>C組；SMM得分順序為:B組>A組>C組。因此,在單發失效場景下著陸,被試組成員不僅需要對外景區給予足夠多的關注,同時也需要對內景儀表區給予足夠的關注以提取相關信息,只有這樣,被試組成員才能夠獲得較高的ISA及SMM得,如圖2所示；反之,若在單發失效場景下機組成員僅僅只付出較多的精力關注外景區忽視單發失效場景或僅僅在內景儀表區付出較多精力尋找單發失效的產生原因并嘗試改出單發失效,被試組成員都會因為信息提取的不足而使得ISA及SMM得分較低。

3.3 飛行學員團隊情境意識與著陸績效的回歸分析

上述分析發現飛行學員的TSA與其著陸績效之間存在顯著正相關,因此,以飛行學員的ISA和SMM為自變量,著陸績效為因變量,分別進行正常著陸場景下和單發失效場景下的二元線性回歸分析,結果如表5和表6所示。

表5 正常著陸場景下TSA與著陸績效回歸分析結果

表6 單發失效場景下TSA與著陸績效回歸分析結果

由表5和表6可知,飛行學員的ISA 和SMM的回歸作用均顯著,即飛行學員的ISA和SMM可以顯著正向預測其著陸績效,即在正常著陸場景下,飛行學員的TSA可以解釋著陸績效71.6%的變異量；在單發失效場景下,飛行學員的TSA可以解釋著陸績效94.5%的變異量。進一步對比正常和單發失效兩種場景下的結果發現,單發失效場景下ISA和SMM對著陸績效的回歸方程擬合度更好,說明在著陸階段,如果發生諸如單失效等特情時,飛行學員需要提高TSA,從而能夠更大程度地提高著陸績效。

4 結 論

(1)不論是正常著陸場景還是單發失效場景下,飛行學員的注視點占比與其TSA的2個測量指標ISA和SMM間均存在不同程度的顯著的正相關關系；通過對飛行學員的TSA與其著陸績效進行線性回歸分析,說明飛行學員的TSA越好,其著陸績效越高。

(2)在正常著陸場景下,飛行學員應多加關注駕駛艙外的情境,從而可以提高其TSA,進行提高其著陸績效。

(3)在單發失效場景下,飛行學員應不僅關注駕駛艙外的情境,還要關注駕駛艙內儀表參數的變化,平均分配對駕駛艙內外景的注意力才能獲得較高的TSA,安全地完成著陸。