關于黑洞錯覺中誤遠為近現象的機制研究

江 川，陳 濤，曹瑞丹，張作明

起飛和著陸階段盡管只占總飛行時間的4%，但是49%的致命事故卻發生于該階段[1]。進近和著陸階段發生的可控性飛行撞地（controlled flight into terrain，CFIT）事故或事故癥候可以分為三種類型：跑道入口附近或跑道前接地、以不安全下滑角度和速度接觸跑道、跑道遠端或場外接地，其中以第一種情況最為常見，夜間發生的可能性要比晝間高出3倍[2]。進近過程中，飛行員在目視情況下對目標距離、飛行速度、下滑角度三者之間的關系處理不當是導致CFIT發生的主要原因，但是其具體機制并不清楚。Gibb[3]認為該過程與一種視性錯覺-黑洞錯覺密切相關。黑洞錯覺（black hole illusion，BHI）是指在缺乏視覺參照物情況下飛行員感覺不到明顯的速度、高度變化，產生猶如在黑洞中飛行的錯覺，表現為對高度與距離的誤判。目前，對于目視進近距離低估現象與黑洞錯覺之間的關系尚不十分清楚[4]，筆者認為飛行員俯視角度可能是一個重要的影響因素。為驗證該假說，本研究建立黑洞錯覺環境，觀察俯視角度對距離判斷的影響。

1 對象與方法

1.1 對象 通過距離判斷練習和距離判斷測試的預實驗，篩選出5名在3次距離測試中準確率達到90%以上的健康青年志愿者。受試者均為男性，年齡29～33歲，平均（29.8±1.8）歲。雙眼矯正視力≥1.0；暗適應功能正常。受試者均被告知試驗相關事宜，簽署知情同意書。試驗數據在2021年2—3月采集完畢。

1.2 方法

1.2.1 問卷調查 通過文獻綜述以及與多機種（民航客機、運輸機、直升機等）飛行員展開多次座談交流了解夜間目視進近情況，制作飛行人員黑洞錯覺調查問卷并發放50份。通過剔除全部選項答案一致或缺漏項的問卷，最終收回38份有效問卷。

1.2.2 距離辨別測試 國際民航組織約定航空器著陸時的角度：在儀表著陸系統（instrument landing system，ILS）條件飛行時，飛機進近下滑角度為3°。理想的非精密進近剖面類似于ILS進近，執行一個恒定的3°下滑角。另外，飛機在最后進近階段需要保持一定仰角姿態，以空客320為例，保持2.5°的仰角。因而，在最后進近著陸階段，飛行員通常以5.5°俯視角度觀察跑道燈光和接地點。本研究利用調節弱光視標高度模擬5.5°俯視角度和0°的觀察組。

整個實驗在標準暗室中進行，實驗區域為長8 m、寬1 m的暗室通道。“E”形弱光視標7[4]置于滑車1上，光強度調整到1×10-2cd/m2，其高度可通過升降桿調整距離地面0.6、1.2 m；受試者坐在升降椅4上調節眼高為1.2 m，與視標位置在同一直線上，升降椅只能左右移動；滑車可沿直線運動并停止在距離受試者6、6.5、7、7.5、8 m處位置點；在受試者正前方距離0.5 m、高0.8 m位置放置另一弱光視標6，將光強度調整到1×10-3cd/m2。測試開始前，受試者戴眼罩在暗室環境中進行20 min的暗適應，在距離受試者5 m處用遮光布2遮擋遠處視覺場景，并且轉動座椅或者移動座椅位置以消除位置記憶；測試用計時器計時1 min，受試者需要與近處的弱光視標對準位置，再向前注視尋找遠處弱光視標，操作人員隨機在40～50 s之間拉開遮光布，計時停止受試者給出距離判斷值。利用自主研發的微光積分球光源5模擬滿月照度，光源置于距離被試5.5 m、水平偏左側0.3 m處的位置朝向氣球方向；直徑為0.3 m的黃色氣球作為參照物，并將其放置于距離地面0.9 m的透明支架上；參照物放置于弱光視標與受試者連線右側0.3 m處，與受試者距離6、7、8 m的位置。

在無參照物視覺環境，每位受試者在視標高低位置各進行9次測試，弱光視標距離受試者6.5、7、7.5 m，各出現3次，去除6、8 m兩個極端值的影響。按照隨機數表法將出現順序隨機排列。在有參照視覺環境，重復上述試驗。統計距離估計與實際距離差值d，當d≤－0.5 m計數為估值低，計算每名受試者各觀察組距離估值低的占比（概率）。

1.2.3 績效負荷測試 自制耳手應答器，在“耳手操作”干擾負荷下完成對準弱光視標與判斷距離任務。耳手應答器提示音間隔5 s報隨機兩位數的數字音，如12、20、32 等，每聽到報出的數字，受試者以兩位數數字的和是奇數還是偶數為依據，通過持在左、右手的應答器進行應答，左手應答奇數，右手應答偶數。應答器記錄反應應答時間。選用每位受試者有參照物組和無參照物組的中間4次距離評估測試的耳手應答數據作為統計對象，以去除耳手應答反應存在適應和疲勞因素的影響；每次距離評估測試時受試者應答11～13次，去除首尾各2次應答，保留中間應答反應時間作為統計數據，防止動作開始結束指示對應答反應的干擾。

1.3 統計學處理 應用SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析。無參照物環境下，采用配對t檢驗對俯視組與平視組的距離低估的概率進行比較。在5.5°俯視角度的條件下，采用配對t檢驗對有參照物組與無參照物組的距離低估的概率進行比較；采用t檢驗對有參照物、無參照物組的耳手應答器反應時間進行比較。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 夜間進近時對距離判斷的影響 在夜間能見度差的視覺環境下，飛行員目視進近采用的策略最多的是利用跑道燈光估計著陸點的距離。另外，飛行員也常利用跑道燈光估計地平線（表1）。飛行員夜間進近誤判類型以誤低為高、誤遠為近現象最為常見（表2）。

表1 夜間能見度差的情況下目視進近策略（n=38）

表2 夜間進近著陸過程對高度和距離誤判（n=38）

2.2 俯視角度對距離判斷的影響 在無參照物視覺環境下，對距離的判斷有一定的離散型，各組均有估值過高或過低的情況。但是從總體上看，俯視（5.5°）組距離估值近的百分比較大，與平視組比較距離近估的趨勢較明顯。在無參照物的情況下，平視組（組1）與俯視組（組2）之間比較距離近估的概率差異具有統計學意義（P＜0.05）。而當有參照物存在時，可以明顯地改善對距離的判斷，俯視組（組3）距離近估的趨勢消失（表3）。

表3 注視角度、參照物對距離估值影響的比較

2.3 參照物環境的變化對績效負荷的影響 有參照物的視覺環境耳手應答時間小于無參照物視覺環境（P＜0.05）（表4）。

表4 距離判斷測試中無參照物組與有參照物組績效應答反應時間

3 討論

在目視進近或者儀表進近的目視飛行階段中，飛行員最常見的接地方法是瞄準跑道上理想的主輪接地點，然后調整五邊下滑軌跡[5]。若瞄準點在一定程度和方向上偏出著陸點，下滑軌跡將會出現偏差。瞄準點在飛行方向上著陸點的遠端，飛機可能會沖出跑道；瞄準點在飛行方向上著陸點的近端，飛機可能會在跑道外提前接地。本次問卷調查結果顯示，絕大多數飛行員在夜間能見度差的情況下目視進近會利用跑道燈光估計著陸點的距離，而對于瞄準點的距離估計與飛行員的視知覺關系密切。人眼對地面觀察而得到的空間信息具有潛在不可靠性，特別是在視覺線索缺失的情況下，飛行員會產生錯誤的視覺感知而導致對高度/距離的錯誤判斷，影響進近著陸的穩定與安全。

黑洞錯覺的研究多聚焦于高度過估問題，飛行員高估下滑路徑，因此采用較低的進場方式[3]。Robinso等[6]發現飛行員在缺少視覺線索的情況下會根據平行跑道邊緣光的明顯會聚點錯誤地估計了地平線的位置，這種誤解可能會導致飛行員采用低空飛行路徑。此外，給定高度相關的進近下滑角與到跑道的距離成反比，飛行員低估距離的傾向也會發生下滑路徑（glide path overestimation，GPO），可有助于解釋黑洞錯覺現象。注意到民航可控性撞地事故頻發[7]，在人為因素的原因后可能有視性錯覺原因，在無法看清跑道參照物的情況下，跑道燈光作為飛行員判斷著陸點距離的重要方法，低估了著陸點距離可能會造成飛機提前接地的危險。在城市長隧道也發生類似的現象，隧道進口為下坡，駕駛員在坡道上行駛時容易產生錯覺，低估所處路段真實坡度（距離），在進入隧道前未減速至安全值易造成追尾[8]。Nicholson和Stewart[9]通過計算機模擬實驗驗證了照度對距離估計的準確性起著重要作用，受試者明顯低估了夜間的距離。

本研究發現在暗室通道內俯視目標有明顯距離低估趨勢，而平視目標沒有低估趨勢，表明俯視目標是引起距離近估的主要原因。在預實驗中驗證了在標準暗室環境中俯視角度越大對于距離的低估趨勢越明顯和低估程度越大[10-11]。這種現象可能與眼的調節有關，林仲賢和孫秀如[10]認為，與正視條件相比較，視線傾斜會引起距離判斷準確性明顯降低；這種現象的主要原因是眼肌調節發生變化，睫狀肌緊張度增加，以及視疲勞。視線傾斜引起眼外肌調節量增加的現象與隱斜視類似，為了克服眼外肌功能不平衡引起的眼位偏斜，患者需要用融合儲備力進行調節。如有飛行員發生隱斜時，因目測距離不準導致著陸時易動作過猛或沖出跑道[11]。周柳[12]認為，在黑暗中，觀察者將目標物定位于與眼睛連線和一個隱性曲面的交點上引起對距離判斷的固有偏差。由于實際地表不可見，視覺系統自動地調用固有偏差，來作為建構知覺空間的參照系。

在夜間最后進近著陸過程中，視覺線索缺少的環境和多任務的需要，可能會對任務負荷產生影響。本試驗發現，在無參照物的視覺環境下耳手反應時間延長，表明視覺認知負荷對注意力分配產生干擾影響多任務操作的能力。在夜間條件下，雖然飛行員能夠看到正在接近的跑道燈光，但由于光線不足，所有地面特征，如樹木、道路、湖泊等都不可見。相比較白晝視覺認知負荷明顯增加，飛行員可能會出現注意力分配不當，可能導致飛行員忽視或在必要儀器的監控方面表現不佳[3]。

飛行員始終是駕駛艙的操作主體，即使在導航技術不斷進步的情況下，仍然會受BHI這種危險的視性錯覺影響。Sipes和Lessard[13]調查了79%的有經驗的飛行員教員在一定程度上經歷過BHI。目視信息準確是飛行員能夠安全著陸的前提，而因著陸環境的影響，飛行員會產生距離的誤判。若飛行員依舊選擇目視參考，而不是堅信儀表，就會出現錯誤的判斷，影響進近著陸的穩定與安全。本研究通過在黑暗的視覺環境下，一定的俯視角度會引起視覺距離認知降低的趨勢，可為BHI現象飛行員產生GPO現象提供了理論依據。