塔台管制中情境意识与视觉搜索策略关系研究

2019-01-15靳慧斌朱国蕾

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年1期

靳慧斌，吕川，朱国蕾

(1. 中国民航大学运用航空学院，天津 300300; 2. 中国民航大学中欧航空工程师学院,天津 300300; 3. 中国民航大学飞行技术学院, 300300)

空中交通管制(air traffic controllers, ATC)是保障民航安全的重要一环，尤其是塔台管制，飞行活动总量不足区域管制的1/10，却有高达29%的不安全事件发生在塔台管制范围内[1]。为保障飞行安全，塔台管制员要在资源有限情况下实时处理空地交互的各种动态信息，并做出正确的管制决策，这要求其必须具备高效地视觉搜索策略。据统计，空管不安全事件致因中约80%是人为差错[2]，情境意识(situation awareness, SA)是导致人为差错的关键因素[3-4]，信息获取又是SA形成与保持最重要一环，而视觉搜索策略影响着信息获取。因此，研究不同的SA水平下塔台管制员视觉搜索策略，对保障空管安全运行具有十分重要的作用。

视觉搜索是通过眼动行为来搜寻目标信息，并对信息进行加工的过程[5-6]。目前能表征视觉搜索行为的眼动指标中，注视熵率值受到众多学者青睐：在飞行研究领域，J.R.TOLE等[7]提出利用注视熵率值研究飞行员眼动特性与工作负荷的关系；K.K.E.ELLIS[8]则分析了飞行员的扫视模式；张晓燕[9]研究了飞行员动态视觉特性。在驾驶研究领域，S.BAO等[10]和F.SCHIEBER等[11]分别研究了不同驾龄和不同任务情境下驾驶员视觉搜索规律；彭金栓等[12]研究了不同熟练程度驾驶人的视觉特性；成英等[13]则分析了U型路段转向时对驾驶人的视觉特性影响。

综上所述，利用注视熵率值研究被试视觉搜索规律是有效的，且值得进一步探究。因此，笔者搭建模拟塔台管制试验平台，利用3D-SART(sustained attention to response task, SART)量表[14]评价被试的SA，以注视熵率值和兴趣区(air of interest, AOI)内的注视点数作为眼动指标，分析不同SA水平的被试眼动特征，探索其视觉搜索策略，以期为塔台管制员选拔和培训提供重要参考。

1 注视熵率值算法

熵的概念最开始来源于热力学，之后被引入飞行领域与驾驶领域，用来定量表征被试注视点分布与扫视模式。注视熵率值反映了被试视觉扫描的随意性[15]。其定义如式(1)～(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：D为AOI的数量；E为离散变量蕴含的熵信息；Txi指被试视点驻留在某个区域的平均注视时间；Pxi为某区域的注视概率；i为区域序号。

当Pxi=1时，E=0，进一步得到En=0，这表明当前被试注视点仅停驻在某个兴趣区域，未发生注视点转移情况，视角扫描灵活性最低。

将注视熵率值引入管制领域中，可表征被试的视觉搜索过程。注视熵率值大，表明管制员在管制过程中视觉扫描灵活性好，扫视幅度较大，搜索信息和捕获信息能力较强。管制员注视点若能灵活转移、分布更广泛的话，则能够扩大管制员视觉搜索范围，可更好地统筹全局，进而有效避免潜在飞行冲突。

2 试验设计

2.1 试验平台

模拟塔台管制软件和眼动仪为试验平台。眼动仪采样率为60 Hz，精度为0.5°。

2.2 被试

被试者为12名大四在校生，其中男生10人，女生2人，平均年龄21.58岁，标准差1.16岁，视力正常，无色盲色弱，右利手。另外，被试者均具有塔台3月以上管制实习经验，可独立完成塔台管制工作。进行试验之前，提前对被试者进行模拟塔台管制软件使用培训，直至被试者能熟练使用模拟塔台管制软件。

2.3 试验过程

模拟塔台管制所选机场为迈阿密机场，管制时间段选取08:00—08:30，所管制飞机数量为16架。

试验过程如下：① 对模拟塔台管制软件进行管制任务设置：选择迈阿密机场，选取管制时间段，设置管制难度等；② 指导被试者完成眼动仪校准工作，校准完成进入试验，眼动仪同步记录；③ 试验结束后，指导被试者完成3D-SART量表填写，以测得被试SA分值。

3 试验数据处理

本试验的自变量为被试者SA水平，因变量为注视熵率值与AOI注视点数。其中，注视熵率值与AOI注视点数通过眼动仪原始数据计算得出；SA通过3D-SART量表来进行评定。

3.1 3D-SART量表

SA主观测量由3D-SART量表来实现，最早用于飞行员SA评价。SA计算通过利用3个维度对被试者进行评分，各维度采用100分制。具体计算如式(4)[16]：

RSA=RSU-(RAD-RAS)

(4)

式中：RSA为SA评价；RSU为情境理解(situation under-stand)；RAD为注意资源需求(attention demand)；RAS为注意资源供给(attention supply)。

3.2 兴趣区划分(图1)

如图1，结合塔台管制工作性质及试验界面各区域功能，将模拟塔台管制界面划分为4个AOI：A代表区域为空域雷达监视区；L代表区域为场面监视区；S代表区域为进程单区；C代表区域为指令栏区。

图1 AOI划分Fig. 1 AOI partition

3.3 数据处理

数据处理过程中发现有2名被试者眼动数据采样率过低，为保证实验结果可靠性，笔者将其眼动数据舍去，选取剩余10名被试者眼动数据进行下一步分析处理。

依据被试者实际SA得分情况与其管制过程中出现的操作差错性质，将被试者分为3组。一组是分值为70分以上且未发生差错的被试者，定为SA优良组，共3人；一组是60～70分且没有产生严重差错的被试者，定为SA中等组，共4人；最后一组是60分以下、且出现了会产生严重后果的冲突事件被试者，定为SA较差组，共3人。

4 试验数据分析

4.1 注视熵率值分析

3组被试者注视熵率值对比情况如图2。

图2 不同SA水平的注视熵率值比较Fig. 2 Comparison of the fixation entropy rate withdifferent level of SA

由图2可知：被试者注视熵率值随其SA水平提高而逐渐增大。通过计算，SA优良组被试者的注视熵率值较中等组被试者提高了15.6%，SA中等组被试者注视熵率值和较差组被试者相比提高了25.9%，SA优良组被试者注视熵率值和较差组被试者相比提高了37.5%。由此，可看出SA水平高被试者视角扫视灵活性远大于SA水平低的被试者。

进一步以SA水平作为分类变量，以注视熵率值作为观测变量进行单因素方差分析，结果表明：这3组SA水平之间注视熵率值存在显著差异(F=16.074，P=0.002<0.05)。

这说明SA水平较高的管制员视觉扫描灵活性更好，扫视幅度更大，注视点分布更分散。即可扫描到更多的兴趣区域，获取更多的飞机实时信息。由于试验中所管制的飞机数量较多，时间紧迫，管制员注意资源有限，SA水平较高的管制员注视某区域时倾向于增加注意深度，一次注视便能获取足够信息，进而可以较大扫视幅度注视下一个兴趣区域，这样可避免注意力收缩在较为狭窄的范围内。通过灵活地转移注视点、提高扫视幅度可提高视觉搜索效率，从而做到在相同时间内获取更多兴趣区的实时信息，有助于管制员及时发现潜在飞行冲突。这与相关研究结论一致[17-18]：SA水平高的管制员注视点分布更为分散，注视点转移更加频繁，拥有更好的全局意识，能够获取更多的实时飞机信息，以避免飞行冲突，确保飞行安全。

4.2 AOI注视点数分析

AOI注视点数表征此区域重要度。3组被试各AOI平均注视点数情况如图3。

图3 不同SA水平的注视点数量比较Fig. 3 Comparison of the number of fixation point with differentlevel of SA

由图3可知：SA水平高的被试者在A、L区注视点数量多于SA水平低的被试者；在S、C区注视点数量则低于SA水平低的被试。表1为不同SA水平被试者在各个区注视点数量的具体差异对比。由表1可以看出：SA优良组与较差组被试者相比在A、L区注视点数量大幅度提高，而S、C区的注视点数量则大幅度下降，这说明SA水平高的被试者注意分配明显不同于SA水平低的被试者。进一步以SA水平作为分类变量，以各AOI注视点数作为观测变量进行单因素方差分析，结果表明：这3组被试者之间各AOI注视点数存在着显著差异(FA=7.855，P=0.016<0.05；FL=46.206，P=0.000<0.05；FS=40.781，P=0.000<0.05；FC=23.671，P=0.001<0.05)。

表1 不同SA水平的被试者在各区注视点数量的提高(下降)百分比对比情况Table 1 Comparison of the percentage of increase/decrease of thenumber of fixation points of the tested subject with different level of SAin each district %

这说明SA水平高的管制员会将注意资源主要分配于空域、地面，以获取更多空域和地面的信息，同时也有效结合进程单，以避免起降航班冲突和尽量减少航班延误；而SA水平低的管制员对空域信息关注过少，对进程单及指令栏关注过多，导致其无法获取足够航班信息，这也是起降航班冲突的主要致因。

结合被试者的注视熵率值，可以发现SA水平高的管制员不仅会将注意资源主要分配于能获取最多飞机信息、有效避免起降冲突的空域和地面区域，同时其扫视幅度大，注视点也能灵活转移到进程单区与指令栏，高效地视觉搜索效率使得管制员能更好地统筹全局；而SA水平低的管制员对进程单及指令栏关注较多，对空域信息关注较少，且其视角灵活性很低，扫视幅度及范围很小，无法实时获取飞机信息，失去了全局意识，不可避免地造成航班冲突。