戰(zhàn)斗機追蹤任務(wù)中聽覺告警信息呈現(xiàn)對注意力的影響研究

牛亞峰，吳夢麗，屈夢原，楊文駿

1.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189

2.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，陜西 西安 710000

隨著現(xiàn)代空中戰(zhàn)場信息化水平的提高，戰(zhàn)斗機飛行員面臨著瞬息萬變的空中態(tài)勢和多樣化的戰(zhàn)斗飛行任務(wù)[1-2]。其中，追蹤任務(wù)是常見的戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)模式任務(wù)，要求飛行員持續(xù)追蹤和監(jiān)測移動目標，并及時準確地修正飛機姿態(tài)和軌跡，任務(wù)完成質(zhì)量直接影響戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)能力[3]。然而任務(wù)中大量信息的處理對飛行員的認知負荷和操控能力提出了極高要求，其在注意力方面的研究意義越發(fā)成為戰(zhàn)斗機人機交互領(lǐng)域的重要課題之一。

聽覺通道是戰(zhàn)斗機追蹤任務(wù)中信息呈現(xiàn)方式之一，主要涉及領(lǐng)域包括聽覺信息編碼與認知、戰(zhàn)斗機飛行員注意力分配與轉(zhuǎn)移、聽覺認知特性與注意力等。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對以上方面進行了大量深入研究。

（1）戰(zhàn)斗機聽覺信息編碼與認知

在聽覺通道方面，研究者們主要致力于聽覺信息表征形式與參數(shù)的研究。Lucas 等[4]發(fā)現(xiàn)聽標和耳標在不同場合下適用性不同。Brewster[5]研究發(fā)現(xiàn)耳標有助于提高操作者的任務(wù)績效并降低交互過程的心理負荷。Boop等[6]發(fā)現(xiàn)，告警語速越快，飛行員的關(guān)注程度越高。Causse等[7]指出在戰(zhàn)斗機駕駛艙等多聽覺告警的復(fù)雜環(huán)境下，由目標音調(diào)數(shù)量與整體音調(diào)數(shù)量組成的聽覺負荷會對告警識別注意產(chǎn)生負面影響。Kim等[8]指出，立體聲音頻顯示可以在空間上將關(guān)鍵信息與非關(guān)鍵信息分離，多音頻顯示的空間屬性能夠有效地減少對音頻信息的注意和主觀負荷。

（2）戰(zhàn)斗機飛行員注意力分配與轉(zhuǎn)移

目前，學(xué)者們已經(jīng)提出多種飛行員注意力分配模型。Senders[9]引入了帶寬（BW）的概念，建立了第一個儀表監(jiān)視行為的量化模型。Wickens 等[10]探討了影響飛行員注意力分配行為的因素，如信息突顯性、努力、期望、價值、習(xí)慣和關(guān)聯(lián)，并建立了SEEV模型。在注意力分配方法方面，學(xué)者們也進行了多項研究。郭志等[11]針對飛行學(xué)員進近著陸階段的注意力分配和操作行為展開了分析，并提出了注意力分配和操縱行為的風(fēng)險識別與控制建議。Tsang 等[12]開展了離散聽覺響應(yīng)與視覺追蹤雙任務(wù)試驗，分析了空間兼容性對雙任務(wù)注意力分配的影響。

（3）聽覺認知特性與注意力

聽覺感知是對聲音存在及其基本特征的反應(yīng)，聽覺感知與刺激量的變化呈對數(shù)關(guān)系[13]。在復(fù)雜的聽覺環(huán)境中，通過集中注意力，被試者能夠忽略干擾信息和背景環(huán)境，專注于感興趣的信息，這種效應(yīng)被稱為“雞尾酒效應(yīng)”[14]。聽覺注意力受聲學(xué)顯著性特征以及空間和時間屬性的影響[15]，顯著性特征包括音頻、音調(diào)和強度，它們相互作用并引導(dǎo)注意力分配；空間屬性如一致性和方位也影響注意力選擇，聽覺注意力通過處理來自感覺皮層的預(yù)期目標刺激來運作[16]。此外，時間間隔在多刺激呈現(xiàn)時影響刺激識別和注意力分配，較短的間隔時間易受時間掩蔽效應(yīng)影響，較長的間隔時間可能導(dǎo)致時間錯誤。時間錯誤取決于間隔時間、刺激持續(xù)時間和屬性特征[17]。

目前，聽覺通道信息呈現(xiàn)和認知機制已具備相對完善的系統(tǒng)性研究，可有效地應(yīng)用于戰(zhàn)斗機人機界面系統(tǒng)研究中。在執(zhí)行飛行任務(wù)時，聽覺告警信息因其迫聽性和全方位性在其中發(fā)揮重要作用，但由于信息內(nèi)容和任務(wù)要求的差異，聽覺信息呈現(xiàn)方式與有限認知資源之間存在矛盾[18]，在駕駛艙內(nèi)有效獲取聽覺信息很大程度上取決于合理分配有限的注意力資源[19]，如果無法合理做好聽覺信息編碼和注意力分配可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的態(tài)勢感知能力表現(xiàn)，飛行員將無法及時準確地應(yīng)對各種狀況，導(dǎo)致軍事航空事故。因此，基于戰(zhàn)斗機追蹤任務(wù)的聽覺告警信息呈現(xiàn)與注意力的相關(guān)性研究對提升飛行員的態(tài)勢感知能力、提高聽覺通道信息處理效率，以及保障飛行任務(wù)的順利和安全具有重要意義。

本文旨在研究聽覺告警信息呈現(xiàn)與注意力分配轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系，并探討其在提高飛行員注意力表現(xiàn)和減輕認知和操作負擔(dān)方面的潛力。研究選取了戰(zhàn)斗機飛行任務(wù)中常見而重要的追蹤任務(wù)和告警反應(yīng)任務(wù)以進行試驗研究。試驗中主要考慮了聽覺告警信息中的聲音強度和預(yù)警間隔因素。聲音強度作為重要的聲學(xué)參數(shù)，已被證明會影響感知緊迫性，進而影響反應(yīng)與注意力[20-22]。而預(yù)警間隔會直接影響到人接收和響應(yīng)緊急信息的能力，既能作用于對刺激本身的識別，也能調(diào)節(jié)刺激帶來的影響，引導(dǎo)注意力[17，23]。本文基于雙任務(wù)試驗范式，通過操作績效在工效學(xué)試驗中的評估，對戰(zhàn)斗機追蹤-告警雙任務(wù)場景下的認知資源分配進行了定量和定性探討。本文旨在探索并提出優(yōu)化注意力分配轉(zhuǎn)移和提升注意力表現(xiàn)的聽覺告警信息呈現(xiàn)設(shè)計建議，以有效提高聽覺告警交互的效率和可靠性，對于增強飛行員在執(zhí)行戰(zhàn)斗機飛行任務(wù)時的態(tài)勢感知能力和飛行安全具有重要意義。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方法與目的

本文選取了戰(zhàn)斗機飛行任務(wù)中常見而重要的追蹤任務(wù)和告警反應(yīng)任務(wù)，并采用雙任務(wù)試驗范式，通過基于模擬飛行平臺的工效學(xué)試驗和主觀評價，比較不同預(yù)警間隔和不同聲音強度組合試驗條件下的任務(wù)績效與任務(wù)負荷。本文綜合分析追蹤任務(wù)與告警反應(yīng)任務(wù)的注意力表現(xiàn)，評估聽覺告警信息呈現(xiàn)對雙任務(wù)注意力表現(xiàn)的影響，并提出優(yōu)化聽覺注意力表現(xiàn)、提升飛行安全性的聽覺告警信息參數(shù)設(shè)置建議。

1.2 被試者

本試驗邀請了20 位被試者，右利手，年齡介于22～26歲，平均年齡為24.6歲，標準差為0.74。受試者具備矯正后正常視力（矯正度數(shù)在800°以下），無色盲色弱等易引起信息識別障礙的身體因素。受試者對戰(zhàn)斗機語音告警內(nèi)容有一定了解。根據(jù)G*Power 進行樣本量預(yù)估，本試驗采用雙因素被試內(nèi)設(shè)計，受試者數(shù)量達到并超過了統(tǒng)計檢驗力為0.8的數(shù)量要求下限。

1.3 試驗環(huán)境與試驗平臺搭建

1.3.1 試驗環(huán)境

本試驗在一個約15m2的人因工程實驗室進行，實驗室環(huán)境光線充足、明暗適中、安靜舒適，為受試者提供了良好的試驗條件。受試者被指示坐在模擬飛行座艙座椅上，顯示屏中心設(shè)置在受試者正常水平視線范圍內(nèi)，高度設(shè)置為920mm。屏幕中心與受試者眼點距離為890～950mm。受試者右手處設(shè)置飛行搖桿控制手動追蹤任務(wù)，左手處設(shè)置鍵盤按鍵進行告警反應(yīng)任務(wù)。試驗場景的配置如圖1所示。

圖1 試驗場景Fig.1 Experimental scenario

1.3.2 軟硬件環(huán)境

本文的試驗平臺基于MATB-Ⅱ模擬飛行軟件系統(tǒng)進行搭建，并根據(jù)實際試驗需要改良優(yōu)化，主要包括追蹤任務(wù)模塊和告警反應(yīng)任務(wù)模塊。試驗開發(fā)軟件環(huán)境見表1。

表1 試驗開發(fā)的軟件環(huán)境Table 1 Software used in experimental development

本文所構(gòu)建的模擬飛行系統(tǒng)的硬件環(huán)境主要包括駕駛艙物理仿真環(huán)境座椅支架、高清顯示屏、有線降噪耳機、控制輸入飛行搖桿和控制輸入按鍵鍵盤。（1）駕駛艙物理仿真環(huán)境座椅支架為WEFLY模擬飛行座椅支架套裝，操作臺與座椅融為一體，顯示支架與飛行操作臺分開，方便進行視景距離和位置的調(diào)整。（2）高清顯示屏的屏幕尺寸27in（1in≈25.4mm）；最大物理分辨率為2560×1600；刷新率為60Hz；色域為100%DCI-P3；亮度級別設(shè)置并固定為450nit，以確保素材呈現(xiàn)靈敏無拖影，屏幕顯示效果清晰生動、亮度適中。屏幕安裝在模擬飛行座艙支架上，根據(jù)飛行員正常視野范圍和駕駛艙內(nèi)信息布局。（3）本文選用Logitech X52pro作為試驗任務(wù)的控制輸入飛行搖桿。該搖桿配備了中置雙彈簧全金屬中軸桿，具有較高的仿真模擬度。XY軸采用無接觸式霍爾磁感應(yīng)電位器，操作精度高，可以精確捕捉飛行員的控制輸入信息。（4）本文采用Sennheiser HD660S 立體聲耳機作為有線降噪耳機。該耳機的傳感器可以實現(xiàn)精確匹配公差在1dB左右，確保試驗聽覺刺激的顯示精度；可降噪，隔離被試者的聽覺環(huán)境，防止噪聲干擾。

1.4 試驗變量與試驗參數(shù)設(shè)計

1.4.1 試驗變量

（1） 自變量

本文采用的雙自變量分別為告警任務(wù)中的預(yù)警間隔（共兩種）和告警音聲音強度（共兩種）。具體的自變量設(shè)置見表2。

表2 自變量設(shè)置Table 2 Independent variable setting

（2） 因變量

本試驗的因變量包括追蹤任務(wù)的均方根追蹤誤差、聽覺告警反應(yīng)任務(wù)的反應(yīng)時和正確率，以及被試者對任務(wù)負荷的主觀評價。

1.4.2 參數(shù)設(shè)置（1） 聽覺告警信息表征形式

為排除視覺告警信息對試驗結(jié)果的干擾，本文僅采用聽覺通道進行告警信息呈現(xiàn)，呈現(xiàn)形式為“預(yù)警音頻+文字語音”。語音告警信息包括燃油不足、發(fā)現(xiàn)敵機、引擎故障和導(dǎo)彈發(fā)射4種。具體的音頻設(shè)計如圖2所示。

圖2 聽覺告警組成Fig.2 Composition of auditory alarm

（2） 預(yù)警音頻設(shè)置

預(yù)警音頻設(shè)置在聽覺告警刺激中對于引導(dǎo)注意力捕獲起到關(guān)鍵作用。研究表明，預(yù)警音的長度應(yīng)在0.35～0.55s范圍內(nèi)，美國空軍制定的標準要求預(yù)警音的時長至少為0.5s[24]。因此，本試驗中預(yù)警音的時長設(shè)為0.5s。預(yù)警間隔是指預(yù)警音結(jié)束到告警語音開始之間的時間長度，研究指出，預(yù)警間隔的取值范圍為0.3～0.65s[25]。本文選擇了600ms和300ms兩個水平進行預(yù)警音間隔時長研究。

（3） 語音告警設(shè)置

根據(jù)研究建議，語音告警選用普通話女中音進行錄制，句間隔時間為4～6 字/s，語速為0.3～0.65s，每句語音的字數(shù)不超過7個字[26]。

（4） 聲音強度

聽覺告警的聲音強度應(yīng)滿足在高噪聲環(huán)境下能夠正確感知，同時不能過大，否則會干擾飛行員的注意力，建議最大聲音強度為110dB，最小聲音強度為50dB，且相鄰告警信息之間的聲音強度相差不超過30dB[24]。故本文選擇60dB和90dB兩個水平對聲音強度進行研究。

1.5 試驗任務(wù)設(shè)置

本文采用雙任務(wù)試驗范式，主任務(wù)為追蹤任務(wù)，次任務(wù)為告警反應(yīng)任務(wù)，以下是兩項任務(wù)的詳細設(shè)置。

（1） 追蹤任務(wù)

要求被試者利用飛行搖桿控制一個不斷向外偏移的圓形目標物保持在虛線正方形內(nèi)，盡力使其與正中心光標重合，當目標物離開虛線框時顯示為紅色，否則為藍色。系統(tǒng)以20次/s的頻率對記錄試驗中目標物的坐標（x，y），并計算追蹤任務(wù)的均方根追蹤誤差（RMSTE）。每個試驗條件下，追蹤任務(wù)的平均RMSTE用于評估追蹤任務(wù)的注意力表現(xiàn)。

（2） 告警反應(yīng)任務(wù)

在告警反應(yīng)任務(wù)中，被試者被告知優(yōu)先保證主任務(wù)完成（即追蹤任務(wù)），其需注意可能呈現(xiàn)的4種告警信息，并根據(jù)語音內(nèi)容按下相應(yīng)的響應(yīng)按鍵（Z、X、C、V）。被試者需要在4000ms內(nèi)快速注意到告警信息并做出按鍵反應(yīng)，且要保證一定的正確率。如果被試者在4000ms 內(nèi)未能對出現(xiàn)的告警信息做出反應(yīng)，本次告警響應(yīng)被判定為失敗，并跳轉(zhuǎn)至下一試次；如果被試者在4000ms 內(nèi)做出了反應(yīng)，本次告警響應(yīng)被判定為成功，并跳轉(zhuǎn)至下一試次。

1.6 試驗程序

完成聽覺試驗素材和界面開發(fā)工作后，進行模擬飛行追蹤-告警任務(wù)試驗研究。為避免試驗結(jié)果受順序效應(yīng)影響，每次試驗中場景和整個試驗次序的安排經(jīng)過拉丁方平衡。每位被試者需要完成2（預(yù)警間隔）×2（聲音強度）×12（試次）=48 次告警任務(wù)。告警信號之間存在6～12s 的隨機間隔時間，每個試次包括告警響應(yīng)和間隔時間，總計約18s，完成所有試次大約需要15min。一個單獨試次的完整流程如圖3所示。

圖3 單試次試驗流程Fig.3 Single trial experimental process

在正式試驗前，進行模擬飛行場景的介紹和練習(xí)，向被試者說明追蹤和聽覺告警兩個任務(wù)場景，要求被試者學(xué)習(xí)理解聽覺告警信號的內(nèi)容以及相應(yīng)的按鍵操作，引導(dǎo)被試者正確地操作搖桿。根據(jù)被試者的熟練程度，重復(fù)進行2～3次練習(xí)，以確保被試者掌握試驗操作和流程。觀察練習(xí)過程并查看練習(xí)的試驗數(shù)據(jù)，當有60%的追蹤誤差小于設(shè)定值100px（即光標位于虛線區(qū)域的最大誤差值）且告警響應(yīng)正確率達到60%以上時，進入正式試驗。

試驗程序包括以下步驟：（1）屏幕中心顯示試驗指導(dǎo)語，指示被試者追蹤任務(wù)和告警反應(yīng)任務(wù)的目標和要求；（2）屏幕中心顯示十字標志，被試者需要將注意力集中在十字標志上，保持視線在屏幕中心位置；（3）追蹤任務(wù)界面開始呈現(xiàn)，按下“Enter”鍵啟動追蹤任務(wù)；（4）進行追蹤任務(wù)過程中，耳機中隨機播放4種聽覺告警信息之一，被試者需要根據(jù)告警信息完成告警反應(yīng)任務(wù)；（5）告警信息消失后，計時器歸零，完成一個試驗試次。在600～1500ms的隨機停留間隔后，進入下一試次的告警反應(yīng)任務(wù)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 正確率

本試驗共收集到20位被試者的960個試次的反應(yīng)時數(shù)據(jù)，對反應(yīng)時數(shù)據(jù)進行了異常值篩選后共收集到949 條有效數(shù)據(jù)，其中成功試次848次，失敗試次100次（錯誤試次33次、遺漏試次67次）。表3展示了不同聽覺信息編碼下的告警反應(yīng)任務(wù)正確率情況。

表3 不同聽覺信息編碼條件下的正確率Table 3 Accuracy under different auditory information encoding conditions

對不同預(yù)警間隔和聲音強度條件下的正確率數(shù)據(jù)進行S-W正態(tài)性檢驗，結(jié)果顯示在各條件下，正確率數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)顯著性（p<0.05），不符合正態(tài)分布，因此，我們采用了非參數(shù)的弗里德曼（Friedman）檢驗進行進一步分析，結(jié)果表明，聽覺參數(shù)組合條件對正確率有顯著影響（p=0.008<0.05）。

在4 種聽覺參數(shù)組合條件中，300ms 間隔和90dB 聲音強度組合條件下的平均正確率最低（85.46%±4.78%），而600ms 間隔和60dB 聲音強度組合條件下的正確率最高（90.23%±4.01%），具體的正確率統(tǒng)計情況如圖4所示。

圖4 不同聽覺信息編碼正確率Fig.4 Accuracy of encoding different auditory information

2.2 反應(yīng)時

本文中將反應(yīng)時定義為從聽覺語音信息開始呈現(xiàn)到按鍵響應(yīng)的時長，排除了預(yù)警音時長和間隔時長。對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除11 條異常數(shù)據(jù)，共收集到949 條有效數(shù)據(jù)。表4展示了被試者在每種聽覺信息呈現(xiàn)條件下的反應(yīng)時數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，箱線圖如圖5所示。結(jié)果顯示，在300ms間隔和60dB聲音強度條件下的告警任務(wù)反應(yīng)時最短，表現(xiàn)出最好的聽覺告警反應(yīng)任務(wù)績效。

表4 不同聽覺信息編碼下反應(yīng)時數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 4 Response time data statistics under different auditory information encoding

圖5 不同聽覺告警信息呈現(xiàn)下反應(yīng)時數(shù)據(jù)Fig.5 Response time data presented under different auditory warning information

對反應(yīng)時數(shù)據(jù)進行了正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗，各因素水平下的S-W統(tǒng)計值均滿足p>0.05，Levene齊性檢驗的p值也大于0.05，表明數(shù)據(jù)具有正態(tài)分布且符合方差齊性。開展重復(fù)測量方差分析，結(jié)果見表5。聲音強度因素的主效應(yīng)不顯著（F=2.012，p=0.156>0.05），而預(yù)警間隔因素的主效應(yīng)顯著（F=1295.781，p<0.001），并且聲音強度和間隔時間之間存在顯著的交互效應(yīng)（F=6.706，p=0.010<0.05）。通過聲音強度和預(yù)警間隔的反應(yīng)時均值對比折線圖可以看出，隨著聲音強度的增加，預(yù)警間隔的效應(yīng)降低，如圖6所示。

表5 告警反應(yīng)任務(wù)反應(yīng)時數(shù)據(jù)方差分析Table 5 Analysis on variance of response time data for alarm response tasks

圖6 聲音強度與預(yù)警間隔交互效應(yīng)輪廓圖Fig.6 Outline of the interaction effect between sound intensity and warning interval

2.3 均方根追蹤誤差

本文共收集到960 個均方根追蹤誤差數(shù)據(jù)，剔除超過均值±3個標準差的異常值，4種聽覺告警條件下的均方根追蹤誤差情況見表6，均方根追蹤誤差箱線圖如圖7所示。

表6 追蹤績效數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 6 Tracking performance data statistics

圖7 聽覺告警信息呈現(xiàn)下均方根追蹤誤差Fig.7 Root mean square tracking error under auditory alarm information presentation

對均方根追蹤誤差數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗，各組數(shù)據(jù)均通過了S-W 檢驗，p值均大于0.05，表明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。方差齊性檢驗的結(jié)果顯示p值為0.772，大于0.05，進一步證明了均方根誤差數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布且方差齊性。

表7 展示了主任務(wù)視覺手動追蹤任務(wù)的均方根誤差數(shù)據(jù)方差分析的結(jié)果。預(yù)警間隔時間的主效應(yīng)非常顯著（F=12.013，p<0.001），聲音強度的主效應(yīng)不顯著（F=3.415，p=0.068>0.05）。此外，聽覺告警信息編碼設(shè)計中預(yù)警間隔時間與聲音強度之間沒有顯著的二階效應(yīng)（F=0.488，p=0.486>0.05）。這些結(jié)果表明，預(yù)警間隔時間對主任務(wù)追蹤任務(wù)產(chǎn)生了顯著影響，而聲音強度對任務(wù)的干擾效應(yīng)不顯著。

表7 RMSTE數(shù)據(jù)方差分析Table 7 Analysis on variance for RMSTE data

3 結(jié)果討論

本文旨在探究不同預(yù)警音間隔時長（300ms、600ms）和不同聽覺告警聲音強度（60dB、90dB）對主任務(wù)追蹤任務(wù)的均方根追蹤誤差以及告警反應(yīng)任務(wù)的反應(yīng)時和正確率的影響。在討論試驗結(jié)果時，從追蹤任務(wù)績效和告警任務(wù)績效兩個維度進行了分析，以推導(dǎo)關(guān)于聽覺通道告警信號呈現(xiàn)的設(shè)計建議。

首先，關(guān)于告警反應(yīng)任務(wù)的正確率，存在兩種類型的反應(yīng)失敗情況：錯誤反應(yīng)和反應(yīng)缺失（即遺漏）。符合預(yù)期的是，在90dB 條件下相比60dB 條件下更不容易出現(xiàn)反應(yīng)遺漏，而在短預(yù)警間隔300ms 條件下更容易出現(xiàn)錯誤按鍵反應(yīng)。根據(jù)聽覺先占理論，在多種信息通道同時接收任務(wù)信息時，由于聽覺的特殊性，人類更傾向于關(guān)注聽覺信息而忽略其他通道的信息，因此聽覺信息能夠更快地引起人類的注意力反應(yīng)[27]。增大告警音頻聲音強度能夠增強聽覺突顯性[21]，可能導(dǎo)致更強烈的聽覺先占效應(yīng)，占用更多的注意資源，更容易注意到聽覺信息，并迅速準確地對其做出反應(yīng)。然而，試驗結(jié)果顯示，高分貝告警的正確率較低，這與多資源理論相符，飛行員在處理雙任務(wù)時的認知資源有限，視覺追蹤任務(wù)和聽覺告警反應(yīng)任務(wù)相互干擾。高分貝短預(yù)警間隔（90dB、300ms）的告警信號產(chǎn)生更大的時間壓力和任務(wù)負荷，導(dǎo)致任務(wù)難度增加，影響了注意力資源的分配，從而降低了告警正確率。

其次，關(guān)于告警反應(yīng)任務(wù)的反應(yīng)時，聽覺告警信號的預(yù)警間隔時長對任務(wù)反應(yīng)時具有顯著影響。先前的研究表明，聽覺刺激的感知處理時間受到來自告警聲音特征的感知緊迫性的影響[28]，在本試驗中，較短預(yù)警間隔時間表現(xiàn)出更大的緊迫性，這與先前的研究理論一致。此外，聽覺刺激間的間隔時間能夠引導(dǎo)對多刺激的時間注意[17]，本試驗結(jié)果顯示，不同預(yù)警音水平下反應(yīng)時差異顯著，長間隔對告警信息注意產(chǎn)生負面影響，預(yù)警音間隔300ms 的告警信號的反應(yīng)時短于600ms，相差0.224s（12.99%），這表明，告警任務(wù)占用了更多的注意力資源，被試者可更快地注意到和反應(yīng)告警信號。

聲音強度因素被證實是引起緊迫性變化的聽覺參數(shù)設(shè)置[22]，然而，在本試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果中，聲音強度對反應(yīng)時的影響并不顯著，可能是由于音量被看作是引起用戶厭惡和憤怒的主觀聽覺信號因素[29]，分貝作為衡量主觀聲音強度的對數(shù)單位，與音量之間存在非線性正比關(guān)系，聲強增大可能導(dǎo)致用戶的主觀負荷感增加，進而分散注意力并轉(zhuǎn)移到其他任務(wù)場景中[30]，這種負面影響可能抵消了緊迫性的正面影響，此觀點可在主觀評價部分進行進一步分析，但需要通過聲音強度和預(yù)警間隔對反應(yīng)時的交互作用進一步驗證。

試驗結(jié)果顯示，預(yù)警音間隔縮短對反應(yīng)時產(chǎn)生的效應(yīng)隨著聲音強度增大而減少。低分貝短預(yù)警的告警信號反應(yīng)時最短，對告警的注意和反應(yīng)最快，而聲音強度產(chǎn)生的負面影響明顯高于正面影響，預(yù)計當預(yù)警間隔縮短至一定值時，反應(yīng)時間會增加，并在進一步縮短后趨于穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)下降。由于戰(zhàn)斗機告警信息的特殊性，預(yù)警間隔的設(shè)置范圍有限，進一步擴展間隔范圍的實際價值也可能有限。

最后，在追蹤任務(wù)的表現(xiàn)方面，試驗結(jié)果顯示聽覺信息編碼中的預(yù)警間隔時長對追蹤任務(wù)的績效有顯著影響。長預(yù)警間隔下的追蹤誤差更小，長預(yù)警間隔下的反應(yīng)時更長，要求的反應(yīng)速度較慢，因此對主任務(wù)影響相對較小，此結(jié)果驗證了多資源理論，即預(yù)警間隔影響了聽覺告警任務(wù)與追蹤任務(wù)間的注意力資源競爭，短預(yù)警間隔會加劇對追蹤任務(wù)的干擾。在告警信號預(yù)警音設(shè)計中，一方面，適度延長預(yù)警音間隔時間能夠有助于減輕聽覺先占的特性，有效改善告警對追蹤任務(wù)的干擾，減少對追蹤任務(wù)的注意力分散，提升注意表現(xiàn)，特別適用于對追蹤任務(wù)精度要求較高、優(yōu)先級較高的場景任務(wù)；另一方面，適度縮短預(yù)警間隔能夠提升對告警信息的注意，并加快對告警的反應(yīng)，300ms預(yù)警間隔與600ms預(yù)警間隔之間的追蹤誤差相差6.07px（13.09%）。

聲音強度對追蹤任務(wù)的績效表現(xiàn)無顯著影響，與聲音強度在告警反應(yīng)方面的影響表現(xiàn)一致。聲音強度已經(jīng)被證實能夠增加突顯性并增強對聽覺信息的緊迫性[22]，然而，在本試驗的研究結(jié)果中并沒有驗證這一觀點。我們推測，在試驗環(huán)境中，高分貝聲音的突顯性并不能引起注意力的變化，模擬試驗可能覆蓋了對告警信號“危險”的感知，但在實際飛行應(yīng)用時也許會存在差異。

4 主觀評價

前文行為試驗得到了關(guān)于追蹤-告警反應(yīng)雙任務(wù)試驗范式下追蹤任務(wù)的均方根追蹤誤差、聽覺告警反應(yīng)任務(wù)的反應(yīng)時和正確率的結(jié)果，為了進一步驗證結(jié)果的有效性，在試驗結(jié)束后，讓每一個被試者對試驗任務(wù)進行了腦力負荷的主觀評價，主要運用NASA-TLX量表開展。

4.1 NASA-TLX任務(wù)負荷量表

NASA-TLX量表是由美國國家航空航天局（NASA）的人類工效學(xué)專家開發(fā)，用于評估航天員在執(zhí)行任務(wù)時的認知和情感負荷，該量表包含6 個維度的評價：心理需求、體力需求、績效表現(xiàn)、時間需求、努力程度和受挫程度[31]。NASA-TLX量表在人因研究中具有重要影響，其對各種試驗操作水平上的工作負荷評估相對敏感，且具有良好的信效度[32]，已成為航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的評價方法之一。

應(yīng)用NASA-TLX 量表進行主觀評價主要分為兩步：（1）被試者完成每個階段試驗任務(wù)后，針對每個維度選擇與自身主觀感受最相符的評分值；（2）被試者對各個維度進行兩兩比對，從中選擇與工作負荷更相關(guān)的維度，得到各維度的排序。

4.2 主觀評價結(jié)果

基于被試者對6個指標選項與總負荷相關(guān)的程度的排序，獲得NASA-TLX 各維度的權(quán)重，結(jié)合每個選項的評分值，計算出每個被試者的總體任務(wù)負荷指數(shù)，結(jié)果見表8。

表8 NASA-TLX樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 8 NASA-TLX sample data statistics

對主觀負荷數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗，統(tǒng)計結(jié)果顯示p=0.353>0.05，p=0.826>0.05，說明NASATLX 主觀負荷數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布并滿足方差齊性。基于這些數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果進行方差分析，研究不同聽覺信息編碼設(shè)計對主觀負荷的影響情況。采用LSD 分析方法研究兩個自變量對主觀負荷值的主效應(yīng)和交互效應(yīng)，方差分析結(jié)果見表9。聽覺告警中預(yù)警音間隔時長未呈現(xiàn)出顯著差異（F=0.311，p=0.955>0.05）；聽覺告警聲音強度的主效應(yīng)顯著（F=1357.510，p<0.001），表明聲音強度設(shè)置對被試者的主觀負荷體驗有顯著影響；預(yù)警音間隔時長與聲音強度間不存在二階效應(yīng)，因為其未出現(xiàn)顯著差異（F=0.006，p=0.940>0.05）。

表9 NASA-TLX數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果Table 9 NASA-TLX data variance analysis results

通過對兩種聲音強度和兩種預(yù)警音間隔時長的評分數(shù)據(jù)繪制箱線圖，如圖8所示，可發(fā)現(xiàn)主觀負荷值在聲音強度較高的聽覺告警任務(wù)下更高。

4.3 主觀評價結(jié)果討論

任務(wù)負荷主觀評價結(jié)果顯示，90dB條件下的負荷分值顯著高于60dB條件下的分值（7.53分），這與績效試驗結(jié)果中的預(yù)測分析一致。聲音強度增大可能會提升緊迫感，從而極大地增加了主觀負荷，但緊迫感提升同時也會帶來對聲音的快速注意；另外高分貝產(chǎn)生的厭惡感可能會增加用戶主觀負荷體驗[33]，也許會使得注意力分散轉(zhuǎn)移到其他任務(wù)場景，可見緊迫感和厭惡感這兩個因素可能對注意力產(chǎn)生相互抵消效應(yīng)。

預(yù)警間隔時長（300ms 和600ms）對主觀任務(wù)負荷的影響不顯著，但在績效方面，預(yù)警間隔時間對追蹤任務(wù)和告警任務(wù)的績效有影響，這與相關(guān)研究中負荷量水平對注意力表現(xiàn)的影響有所不同[33]，可以推測，預(yù)警間隔對注意力的影響主要基于時間方面的引導(dǎo)，并沒有產(chǎn)生負荷差異。

主觀評價結(jié)果表明，在預(yù)警間隔時間較長（600ms）條件下，產(chǎn)生的任務(wù)負荷略小于預(yù)警間隔時間較短（300ms）條件下的任務(wù)負荷；90dB聲音強度和預(yù)警間隔為300ms的聽覺信息編碼組合帶來最大的任務(wù)負荷體驗，并且顯著高于其他三種信息編碼組合條件下的任務(wù)負荷評分，這些結(jié)果對于不同告警場景下的信息編碼設(shè)計具有一定的借鑒意義。

5 總結(jié)與展望

5.1 研究結(jié)論

本文綜合分析了聲音強度和預(yù)警間隔這兩個因素對追蹤任務(wù)和告警反應(yīng)任務(wù)的績效數(shù)據(jù)和主觀評價結(jié)果，并結(jié)合注意力相關(guān)理論進行了深入分析。得出以下關(guān)于聲音強度和預(yù)警間隔的結(jié)論和設(shè)計參考：（1）在特定聲音強度和預(yù)警間隔水平下，聽覺告警信息對視覺任務(wù)的注意有干擾作用；（2）在300ms 的預(yù)警間隔下，注意力反應(yīng)較快；而在600ms 的預(yù)警間隔下，追蹤任務(wù)表現(xiàn)較優(yōu)；（3）基于正確率和主觀負荷評價結(jié)果，推薦采用60dB的聽覺信息編碼參數(shù)設(shè)置。

本文通過工效學(xué)試驗和主觀評價等方法，探究了聲音強度和預(yù)警間隔對告警反應(yīng)任務(wù)和追蹤任務(wù)的注意力表現(xiàn)和資源分配的影響，并提出了設(shè)計建議，然而，本文還存在以下不足之處：選擇的聽覺告警任務(wù)的難度相對較低，僅涉及簡單的按鍵響應(yīng)消除。而實際飛行任務(wù)中的告警情況更為復(fù)雜，對響應(yīng)操作的要求更高。因此，需要進一步研究，將在簡單任務(wù)告警場景下的研究成果推廣應(yīng)用到復(fù)雜任務(wù)的告警。

5.2 研究展望

在未來的研究中，可以從以下幾個方面進行考慮：

（1）戰(zhàn)斗機任務(wù)場景中的告警干擾在不同的告警級別和實際飛行情況下會有較大差異，不同的告警級別可能需要使用不同的信息呈現(xiàn)通道，如視覺、聽覺和觸覺，需要進一步研究在這些不同通道之間的認知資源分配競爭情況。

（2）注意力研究目前主要集中在信息呈現(xiàn)方式上，注意力分配研究在新型交互方式上有更多的應(yīng)用可能性，需要進一步探討使用聽覺作為控制輸入是否會影響其他任務(wù)的注意力資源分配。

（3）戰(zhàn)斗機任務(wù)場景和信息呈現(xiàn)方式多樣，本文中使用了追蹤任務(wù)和告警任務(wù)的場景信息，但實際飛行任務(wù)涉及的場景眾多，如起飛、降落、爬升、空-空攻擊等，不同場景接收的信息內(nèi)容也不相同，信息編碼可能會對注意力分配策略產(chǎn)生一定影響。