基于多目標追蹤任務的飛行員心理運動能力測評方法

邵鏗睿，吳建軍，張朝陽,汪磊

(中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300)

1 引言

飛行安全是民航業(yè)的生命線，飛行員作為飛行安全中的主體，是影響飛行安全的重要因素，其知識技能、生理心理素質(zhì)等職業(yè)品質(zhì)是確保民航安全運行平穩(wěn)可控的關(guān)鍵一環(huán)，是保證飛行安全的核心環(huán)節(jié)。在科技高速發(fā)展的驅(qū)動下，駕駛艙設(shè)備可靠性不斷提高，逐步轉(zhuǎn)變至智能化、自動化，而駕駛飛機已是一項復雜的認知任務，涉及飛行員的各種心理品質(zhì)因素。統(tǒng)計表明，約有70% 的飛行事故是人為因素導致的,而心理因素又構(gòu)成了人為因素的主要部分[1]。心理因素作為目前飛行事故中的突出問題，與飛行員的選拔、篩選、培訓以及人機界面的優(yōu)化等問題均存在著一定的聯(lián)系[2]。基于對飛行員在飛行活動中能力的需求，包括基本認知能力、心理運動能力、人格(心理健康)測評等在內(nèi)的心理選拔[3]始終是培養(yǎng)合格飛行員、保障飛行安全的必要環(huán)節(jié)。

國內(nèi)外很多研究表明，心理運動能力在飛行員執(zhí)行飛行任務中發(fā)揮著重要作用，與飛行中在駕駛艙中準確感知以及精細操作緊密相關(guān)，因此關(guān)系著整個飛行過程中的安全，是飛行員不可或缺的關(guān)鍵心理品質(zhì)，也是飛行員心理選拔的重要內(nèi)容[4]。心理運動能力(Psychomotor Ability)又譯“心理動作能力”，是指個體意識對軀體精細動作和動作協(xié)調(diào)的支配能力，是從感知到運動反應的過程及其相互協(xié)調(diào)活動的能力[5]。它包括感知活動、運動活動和兩者之間的協(xié)調(diào)，其基本特性涵蓋靈活性、準確性、協(xié)調(diào)性、反應速度和控制能力[6]。美國心理學家弗萊希曼(E.A.Fleishman)通過大量研究了11種基本心理運動要素，包括四肢活動協(xié)調(diào)、手臂運動速度、腕手速度、手指敏捷、臂手穩(wěn)定性、腕指速度、速度控制、定向反應、反應時、瞄準和準確控制[7]。基于以上心理運動要素構(gòu)成的心理運動測驗是飛行員心理選拔不可或缺的重要一環(huán)[8]。目前，國外對民航飛行員心理選拔，尤其是心理運動能力測評，已形成較為科學合理客觀全面的方法，如美國已從初始的儀器檢測法和飛行器模擬檢測法，逐漸實現(xiàn)心理運動能力測評計算機化并大規(guī)模應用[9]。相比較而言，國內(nèi)關(guān)于飛行員心理運動能力的考察和測評還不夠重視，經(jīng)查閱文獻顯示，僅有惠鐸鐸[10]以任務模式為切入點，通過設(shè)計相應的測驗程序，自行開發(fā)出一套側(cè)重于民航飛行員心理運動能力選拔的軟件系統(tǒng)，但這種測驗方式難以反映不同心理運動能力要素對測驗結(jié)果的重要性，而且一定程度上很難對心理運動能力作出全面準確的評估。

鑒于上述背景，本研究通過文獻歸納法對飛行員心理運動能力構(gòu)成要素進行理論分析并確立能力維度，基于飛行員心理運動能力維度的理論研究，選取多目標追蹤任務為實驗范式，設(shè)計飛行員心理運動能力測量方案并實現(xiàn)計算機化測評，通過應用測試展開項目分析并檢驗系統(tǒng)信度與效度，以驗證系統(tǒng)有效性，以期進一步加強飛行員心理運動能力測量的生態(tài)學效度，為合格飛行員的選拔和訓練提供科學有效的工具。

2 對象與方法

2.1 多目標追蹤任務設(shè)計

結(jié)合飛行員在執(zhí)行任務時需要處理大量相對運動的環(huán)境信息、對各類信息做到有效地處理加工的實際需求[11]，選取多目標追蹤任務為實驗范式設(shè)計飛行員心理運動能力測量方案。

多目標追蹤任務范式(Multiple-object Tracking,MOT)[12]關(guān)注動態(tài)場景下復雜視覺信息的注意和知覺認知的加工進程，是研究并行的容量有限的注意機制和研究基于客體的注意機制比較常用的范式。典型的多目標追蹤實驗范式(如圖1所示)包括線索(t1、t2階段)、追蹤(t3階段)和反應(t4階段)三個階段[13]。相關(guān)研究表明，目標的數(shù)量(Oksama,2004年)、運動速度(Liu,Austen et al,2005年)是影響追蹤績效的關(guān)鍵因素[14]，因此本研究以數(shù)量、速度因素為變量進行組內(nèi)任務設(shè)計。

圖1 典型的多目標追蹤實驗范式示例(Pylyshyn,2004年)

2.2 測評系統(tǒng)的研制

基于飛行員駕駛特征以及操作行為分析，測評系統(tǒng)的研制主要以飛行認知能力為基礎(chǔ)[15]，在測試維度設(shè)定上更多涉及飛行認知能力，而非具體的11種心理運動基礎(chǔ)要素。經(jīng)過文獻調(diào)研[16-18]，最終形成4個心理運動能力測試維度，包括眼手協(xié)調(diào)能力、雙手協(xié)調(diào)能力，注意分配能力和速度判斷能力，如圖2所示。

圖2 心理運動能力測試維度

其中，眼手協(xié)調(diào)能力定義為基于視覺信息導向而產(chǎn)生的、指向目標手部的精細動作協(xié)調(diào)能力[11]。雙手協(xié)調(diào)能力是指在完成任務過程中，機體在調(diào)節(jié)雙手與綜合身體各個部分活動在時間和空間中相互配合，合理有效地完成動作的能力，它是一種綜合性的能力，主要考察速度控制、平衡協(xié)調(diào)等素質(zhì)[19]。注意分配能力是指心理活動在同一時間內(nèi)，把注意分配到兩種或兩種以上不同的對象與活動上的能力，注意分配能力是完成復雜工作的重要條件。對于飛行員而言，駕駛飛機需要高度依賴視覺信息的有效獲取和注意力的合理分配，注意分配能力可作為衡量其飛行技能的關(guān)鍵指標之一[20]。速度判斷能力屬于運動心理學(運動知覺)中涉及的速度知覺，是個體對客體不斷發(fā)生速度變化的感知能力，同時也是個體的視覺感知和時間感知相結(jié)合的產(chǎn)物[21]。

依據(jù)節(jié)1.1所述的多目標追蹤任務范式，設(shè)計“飛行員心理運動能力測評系統(tǒng)”。各維度能力測評過程界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測評過程界面

2.3 研究對象

招募飛行學員、模擬飛行隊隊員作為系統(tǒng)應用測試對象，共計男性54名，均為右利手，年齡集中18-25歲(平均值M=19.72,標準差SD=1.188)。

2.4 測評工具與實施程序

測評工具為研究者研發(fā)的基于多目標追蹤任務范式的 “飛行員心理運動能力測評系統(tǒng)”，具體包括4個測試模塊：眼手協(xié)調(diào)能力測試，雙手協(xié)調(diào)能力測試，注意分配能力測試，速度判斷能力測試，外接設(shè)備為圖馬斯特(TCA)飛行搖桿一對。完成全部測試時間大約60 min，測試結(jié)束后所有數(shù)據(jù)均保存至系統(tǒng)日志。正式測試前，首先對被試講解測試任務內(nèi)容及流程規(guī)范，然后進行所有能力項目的模擬測試，待完全熟悉所有測試任務內(nèi)容后開始正式測試。具體測試方案如表1所示。

表1 心理運動能力測試項目簡介

2.5 統(tǒng)計學分析

應用SPSS 25.0軟件對各項能力測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用描述性統(tǒng)計、信度檢驗、效度檢驗、項目分析等方法進行統(tǒng)計學檢驗，P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

3 結(jié)果

3.1 描述性統(tǒng)計

依據(jù)測評程序，對54名被試依次進行各項能力測試，采用四分位法[22]剔除個別項目存在的異常值，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，針對各能力測量項目，根據(jù)不同參數(shù)的組內(nèi)設(shè)計進行分組，測試結(jié)果表明各項目參數(shù)組內(nèi)間相比較，均具有顯著差異。

表2 描述性統(tǒng)計結(jié)果

3.2 信度檢驗

在信度檢驗中，所有被試完成“飛行員心理運動能力測評系統(tǒng)”中4個能力維度下根據(jù)參數(shù)設(shè)置進行組內(nèi)設(shè)計的分組測試，采用計算克倫巴赫α系數(shù)和斯皮爾曼分半法的方法反映測試項目內(nèi)部一致性程度。分半信度通過將測試項目按照奇偶分組的方法，計算奇數(shù)序列組和偶數(shù)序列組測試結(jié)果之間的相關(guān)，并根據(jù)分半測試的相關(guān)系數(shù)計算得出該測試項目的信度。

4個能力測試模塊相關(guān)指標的克倫巴赫α系數(shù)介于0.67～0.89之間，分半信度系數(shù)在介于0.82～0.95之間，滿足心理測量學可接受范圍，說明各項指標具有良好的內(nèi)部一致性信度。結(jié)果如表3所示。

表3 飛行員心理運動能力測評系統(tǒng)信度指標

3.3 測量項目分析

測量項目分析主要包含兩個指標：項目難度、項目區(qū)分度，兩指標共同影響并決定系統(tǒng)各能力測量項目的鑒別性。

項目難度(P)表征的是測試項目的難易程度，指標范圍介于0～1之間。具體計算方法如公式(1)。

(1)

式中：X表示該項目平均分；W表示該項目最高分。

項目區(qū)分度(D)表征的是項目能否區(qū)分測試高分者與低分者有效性的度量。D值越高，說明越能有效區(qū)分，通常認為區(qū)分度D=0.30或高于0.30的項目是可接受的。區(qū)分度D介于0～1之間。具體計算方法如公式(2)。

D=PL-PH

(2)

式中：PL表示“假設(shè)被試群體是低分組(即得分最低的27%)時計算出的難度值”，PH表示“假設(shè)被試群體是高分組(即得分最高的27%)時計算出的難度值”。

由于各能力測量項目最終輸出任務績效指標的度量和單位不同，需要對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行標準化處理，采用離差標準化(min-max標準化)進行歸一化處理，最終所有指標映射于[0,1]之間。具體包括正向指標標準化和逆向指標標準化，本系統(tǒng)各項目輸出績效指標中，正向指標包括：眼手協(xié)調(diào)能力-持續(xù)追蹤時間；雙手協(xié)調(diào)能力-任務正確率；注意分配能力-任務正確覺察率。逆向指標包括：雙手協(xié)調(diào)能力-任務完成時間；速度判斷能力-判斷距離偏差。

正向指標(指標值越大越好的“效益型”指標)標準化：

Y正=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：X表示指標原始值，Xmax表示原始值中最大值，Xmin表示原始值中最小值。

逆向指標(指標值越小越好的“成本型”指標)標準化：

Y逆=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中：X表示指標原始值，Xmax表示原始值中最大值，Xmin表示原始值中最小值。

所有測量項目績效指標經(jīng)過離差標準化處理后，將被試在個各項目上的得分由高到低排序，選取得分最高的27%作為高分組，得分最低的27%作為低分組，采用獨立樣本t檢驗法求出顯著性水平(α=0.05)的項目決斷值(Critical Ratio,CR)和顯著性差異p值，分別計算高分組、低分組在各項目的平均得分及最高得分，通過公式1求出項目難度、公式2求出項目區(qū)分度。結(jié)果表明：各項目難度適中，區(qū)分度良好。具體結(jié)果見表4。

表4 項目分析

結(jié)果顯示，各項目能力參數(shù)分組的區(qū)分度，均置于0.32-0.40之間，依據(jù)美國心理學者伊貝爾(L.Ebel)通過測量學研究，制定的項目鑒別指數(shù)與評價標準[22](D<0.19時，鑒別度差，不予應用；D>0.20，<0.29時，鑒別度較好，仍需完善；D>0.30，<0.39之間時，鑒別度良好，適當修改；D>0.40時，鑒別度很好，予以應用)，因此本系統(tǒng)各測量項目具備較好鑒別效果，能將不同心理運動能力的被試進行區(qū)別，滿足心理測量學要求。

3.4 效度檢驗

采用重復測量方差分析方法對各測量項目內(nèi)容效度進行檢驗，P<0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義。

(1)眼手協(xié)調(diào)能力測評結(jié)果檢驗

根據(jù)四分位法分析顯示存在1組異常值數(shù)據(jù)，剔除后保留有效數(shù)據(jù)53組。對持續(xù)追蹤時間進行重復測量方差分析。圖4為不同速度、數(shù)量條件下持續(xù)追蹤時間的描述統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，持續(xù)追蹤時間滿足球形假設(shè)(P>0.05)，速度與數(shù)量交互作用顯著F(2,51)=16.136(P<0.05)，η2=0.237。因此無需進行主效應檢驗，對速度分組和數(shù)量分組進行單獨效應的檢驗。

圖4 平均持續(xù)追蹤時間(N=53)

以上結(jié)果表明，目標物運動速度和干擾物數(shù)量與眼手協(xié)調(diào)能力績效之間呈負相關(guān)關(guān)系，運動速度和數(shù)量的增加會對眼手協(xié)調(diào)能力績效產(chǎn)生抑制作用。

(2)雙手協(xié)調(diào)能力測評結(jié)果檢驗

根據(jù)四分位法分析顯示存在4組異常值數(shù)據(jù)，剔除后保留有效數(shù)據(jù)50組。對任務完成時間進行重復測量方差分析。圖5為不同速度、數(shù)量條件下任務完成時間的描述統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，任務完成時間滿足球形假設(shè)(P>0.05)，速度與數(shù)量交互作用不顯著F(2,48)=1.182(P=0.282)，η2=0.024。因此需進行主效應檢驗，檢驗結(jié)果顯示主效應顯著：速度F(1,49)=30.557(P<0.05)，η2=0.384；數(shù)量F(1,49)=98.58(P<0.05)，η2=0.668。

圖5 平均任務完成時間(N=50)

對任務正確率進行重復測量方差分析。圖6為不同速度、數(shù)量條件下任務正確率的描述統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，任務正確率滿足球形假設(shè)(P>0.05)，速度與數(shù)量交互作用不顯著F(2,48)=0.000144(P=0.99)，η2=0.000003。因此需進行主效應檢驗，檢驗結(jié)果顯示主效應顯著：速度F(1,49)= 8.724(P<0.05)，η2=0.151；數(shù)量F(1,49)=20.713(P<0.05)，η2=0.297。

圖6 平均任務正確率(N=50)

以上結(jié)果表明，目標物運動速度與干擾物數(shù)量雖然交互作用不顯著，但仍對雙手協(xié)調(diào)能力任務完成時間和任務正確率有影響，運動速度和干擾物數(shù)量的增加會對追蹤績效產(chǎn)生抑制作用。

(3)注意分配能力測評結(jié)果檢驗

根據(jù)四分位法分析顯示存在6組異常值數(shù)據(jù)，剔除后保留有效數(shù)據(jù)48組。對任務正確覺察率進行重復測量方差分析。圖7為不同數(shù)量水平條件下任務正確覺察率的描述統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，數(shù)量因素主效應顯著：數(shù)量F(2,46)=8.513(P<0.05)，η2=0.27。即目標物數(shù)量對注意分配能力有影響，數(shù)量的增加會對追蹤績效產(chǎn)生抑制作用。

圖7 平均任務正確覺察率(N=48)

(4)速度判斷能力測評結(jié)果檢驗

根據(jù)四分位法分析顯示存在1組異常值數(shù)據(jù)，剔除后保留有效數(shù)據(jù)53組。對判斷距離偏差進行重復測量方差分析。圖8為不同速度差異水平條件下距離偏差的描述統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，速度因素主效應顯著：速度F(1,52)=6.449(P<0.05)，η2=0.11。即速度差異對速度判斷能力有影響，速度差異的增加會對速度判斷能力產(chǎn)生抑制作用。

圖8 平均距離偏差(N=53)

4 討論

本研究進行了多項信度檢驗，克倫巴赫系數(shù)和分半信度指標均滿足心理測量學可接受范圍。國內(nèi)外用于飛行員心理評估的測試信度在0.65～0.95范圍內(nèi)[23]，而本系統(tǒng)各項能力測試均在0.67以上，說明本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。在用四分位法對異常數(shù)據(jù)剔除后，采用重復測量方差分析法進行內(nèi)容效度檢驗，結(jié)果顯示各項目測試過程中，不同參數(shù)組間差異顯著，說明測試具有一定的有效性。采用鑒別指數(shù)法對各測量內(nèi)容進行項目分析，結(jié)果顯示具備較好鑒別效果，說明通過系統(tǒng)測評，能區(qū)分測試對象間不同心理運動能力水平。良好的信度指標、效度指標和鑒別指數(shù)指標表明本測評系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、一致性和有效性。

研究發(fā)現(xiàn)多目標追蹤任務過程中存在抑制與干擾作用，測評對象在不同數(shù)量、速度的目標物/干擾物條件下，追蹤績效具有顯著差異。具體來說，目標物運動速度與干擾物數(shù)量與眼手協(xié)調(diào)能力績效之間呈負相關(guān)關(guān)系，即對眼手協(xié)調(diào)能力產(chǎn)生抑制作用，這與雷寰宇[11]、Oksama L[24]和Liu G等人的研究結(jié)果一致。此項目能夠選拔出更高素質(zhì)的飛行員，且通過訓練能夠提升飛行員手眼協(xié)調(diào)以及多目標追蹤的能力，在飛行時能夠兼顧各儀表，并及時發(fā)現(xiàn)異常情況；雖然目標物運動速度與干擾物數(shù)量交互作用不顯著(F(2,48)=1.182(P=0.282)，η2=0.024)，但主動檢驗的結(jié)果表明以上指標仍對雙手協(xié)調(diào)能力測試項目的任務完成時間和任務正確率有影響，進行此測試項目的訓練能夠提高飛行員在目標物速度快、干擾物多情況下的雙手協(xié)調(diào)能力，確保在飛行中遇到緊急情況或故障，飛行員也能快速、準確地處理特情。

注意分配能力測評結(jié)果檢驗中，與郝炳瑕研究所得的結(jié)果類似，數(shù)量的增加會對注意分配能力產(chǎn)生抑制作用。注意分配能力是影響飛行操作績效的關(guān)鍵因素，進行此項目的訓練能夠有效提高飛行員的注意分配能力，從而提高其飛行操作績效；速度判斷能力測評結(jié)果檢驗中，速度因素主效應顯著(F(1,52)=6.449(P<0.05)，η2=0.11)，即速度差異的增加會抑制人的速度判斷能力。對于飛行員而言，面對各種突發(fā)狀況時，需要對飛機的狀態(tài)做出準確的判斷，良好的速度判斷能力對飛行安全有積極的作用，此項測試能夠很好地對飛行員的速度判斷能力進行訓練，從而保證飛行員能夠敏銳地感知飛機的速度變化，確保飛行安全。

另外，當采用雙任務范式將目標與非目標作為整體對象進行追蹤時(如注意分配能力測試)，這種基于物體的注意加工策略使目標和非目標的判斷時間明顯增長，對目標追蹤和分心物都起到一定的干擾作用。但本研究仍然存在不足之處，此次實驗中測試對象的樣本量不夠大，無法建立常模進行比較分析，后續(xù)研究還需擴大樣本量，以便建立穩(wěn)定的常模樣本數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)

(1)通過對飛行員駕駛行為及操作需求分析，采用文獻歸納法確定包括眼手協(xié)調(diào)能力、雙手協(xié)調(diào)能力、注意分配能力、速度判斷能力等4項基本能力的飛行員心理運動能力指標，基于多目標追蹤任務范式設(shè)計飛行員心理運動能力測評方案，此方案能夠較完整、合理地測評飛行員心理運動能力水平。

(2)研究并實現(xiàn)基于多目標追蹤任務范式的飛行員心理運動能力測評系統(tǒng)。通過信度檢驗、內(nèi)容效度檢驗和項目分析對系統(tǒng)的有效性驗證，結(jié)果表明各項指標均符合心理測量學要求，本系統(tǒng)可用于對飛行員心理運動能力開展評估并進行針對化訓練。