模拟进近着陆飞行学员眼动模式的研究

王庆敏，李科华，戴圣龙，刘秋红，姚永杰

(第二军医大学海军特色医学中心航空医学研究室,上海 200433)

1 引言

飞行驾驶是一种高技术、高负荷的操作作业，其依赖的信息来源通道有视觉通道和听觉通道等，大约有80%-90%的信息来自于视觉通道。视觉信息可以反映出人体生理和心理活动的变化。研究发现，视觉信息有效的人机交互和合理的注意力分配与作业绩效密切相关。因此如何提高飞行员的人机交互效率和明确其扫视行为及注意力分配特点是近些年来航空工效学的研究热点。

目前对注意力分配行为的研究方法主要有问卷调查法、视线跟踪法[1]、认知建模法及行为绩效测评法等[2-3]，其中视线追综法(又称眼动跟踪技术)是一种相对客观高效的检测方法，它是利用机械、电子、光学等各种检测手段获取受试者当前“视觉注意”的方向的技术。它广泛应用于人机交互、助老助残、车辆驾驶、人因分析、虚拟现实和军事等领域[4-6]。

Fitts等人于20世纪40年代末 首先将视觉跟踪、注意力分配检测技术引入航空领域，通过研究飞行员飞行仪表的扫视行为，奠定了经典的‘T型’仪表布局。随后，视觉跟踪技术广泛应用于国外航空领域，如研究飞行员的仪表扫视行为[7]、飞机座舱信息工效学优化[8]、情景意识测量及飞行训练等[9-10]，而国内航空领域此方面研究起步较晚[11-12]。本研究通过检测模拟飞行学员进近着陆任务情景下飞行学员的眼动数据，提取相关要素，通过分析其扫视行为获得其注意力分配规律，为后续的座舱界面信息优化及特定任务的飞行训练提供实验支撑。

2 对象与方法

2.1 实验对象

实验对象为10名飞行学员，可熟练完成各种模拟飞行任务。年龄为24-30岁，双眼裸眼视力都在1.0以上。

2.2 实验设备

实验设备包括飞行模拟器和视觉追踪系统。飞行模拟器的原型是某型飞机，具备模拟座舱、信息界面显示及操控系统，模拟器配合坐舱外多屏环形屏幕组成一套具有较高的沉浸感和仿真度模拟驾驶体验训练系统。该模拟器，能够将飞行学员常用的主要飞行参数，如航向、高度、速度、升降率、姿态等参数呈现在显示器上，视景系统由多块环屏呈现。

视觉追踪系统采用采用德国SMI 眼镜式视觉追踪设备，允许被试自由转动头部，采样频率为30 Hz，精度<0.5°。采用瞳孔角膜反射原理追踪采集被试的双眼眼动数据。场景摄像机可以对实验场景进行实时录制，对录制的场景视频进行回放就可以获得被试关注的兴趣区及视线变化规律。

2.3 试验任务

实验要求被试在目视仪表规则下完成一个完整模拟起降任务，包括起飞、一转弯、三边、180°转弯、着陆五个阶段。模拟进近着陆阶段包括180°转弯、着陆段两个阶段。

2.4 试验程序

任务开始前，向被试介绍整个试验背景及、流程及注意事项。然后让被试坐进座舱，佩戴眼镜，采用三点进行标定；标定成功后让被试适应5 min种后才开始正式试验。

2.5 统计方法

眼动数据均已均数和标准差来表示(M±SD)。实验眼动数据(包括注视点个数、平均注视时间及注视总时间)的统计分析采用SPSS 19.0软件进行统计及ANOVA分析，P<0.05表示差异显著，有统计学意义。

3 结果

3.1 各兴趣区注视点个数

3.1.1 模拟180°转弯阶段注视点个数

180°转弯时，被试主要关注的主要兴趣区有迎角指示器、着陆点、坡度及升降率(图1)。迎角指示器注视点个数明显高于其它兴趣区注视点个数(P<0.05); 关注着陆点、升降率及坡度的注视点个数无明显差异(P>0.05)，明显高于偏航距、航向、距离机场距离注视点个数(P<0.05)。偏航距、航向、距离机场距离注视点个数无明显差异(P>0.05)。

3.1.2 模拟着陆阶段注视点个数

模拟着陆阶段，被试主要关注的兴趣区迎角指示器、下滑线指示灯及对中跑道(图2)。三个兴趣区注视点个数无明显差异(P>0.05)。

3.2 注视时间百分比

3.2.1 模拟180°转弯阶段注视时间百分比

模拟180°转弯阶段，迎角指示器、着陆点、坡度及升降率注视总时间占总时间的前四位(图3)。关注迎角指示器注视总时间最长，和关注着陆点的注视总时间无明显差异(P>0.05)，明显高于其余兴趣区的注视总时间(P<0.05)。关注着陆点的注视总时间与迎角指示器、坡度的注视总时间无明显差异(P>0.05)，关注着陆点与其它兴趣区的注视总时间差异显著(P<0.05)；关注坡度、着陆点注视总时间无明显差异(P>0.05)，而与其它兴趣区注视总时间差异显著(P<0.05)；关注升降率注视总时间与偏航距、航向、距离机场距离注视总时间无显著差异(P>0.05)，而与其它兴趣区注视总时间差异明显(P<0.05);距离机场距离偏航距及航向注视总时间百分位居末三位，三者之间无显著性差异(P>0.05)。

3.2.2 模拟着陆阶段注视时间百分比

模拟着陆阶段，被试主要关注的兴趣区迎角指示器、下滑线指示灯及对中跑道(图4)。三个兴趣区注视时间百分比无明显差异(P>0.05)。

3.3 注视点的平均注视时间

3.3.1 模拟180°转弯阶段注视点的平均注视时间

模拟180°转弯阶段，各兴趣区注视点平均注视时间见图5，关注升降率、航向、距离机场距离的平均注视时间最短，三者之间无明显差异(P>0.05)。迎角指示器、偏航距、着陆点及坡度四个兴趣区平均注视时间无明显差异(P>0.05)，均明显长于升降率、航向、距离机场距离的平均注视时间(P<0.05)。

3.3.2 模拟着陆阶段注视点的平均注视时间

如图6所示，模拟着陆阶段，被试主要关注的兴趣区迎角指示器、下滑线指示灯及对中跑道(图4)。三个兴趣区平均注视时间无明显差异(P>0.05)。

3.4 着陆阶段瞳孔直径的大小

模拟进近着陆阶段瞳孔直径分析结果见图7，着陆阶段的瞳孔直径比180°转弯阶段被试的瞳孔直径明显增大(P<0.05)，统计学有显著性差异。

4 讨论

随着科技的飞速发展，飞机自动化程度的逐步提高和飞机座舱人机界面的设计日益优化，飞行员的视觉通道信息所占的比例逐渐增加。飞行员需要根据任务特异性对多个视觉信息源进行选择性注意以保证信息收集的准确性[13]。通过对视觉的跟踪，可以间接研究人的视觉感知和信息加工模式，最终可以获得人的认知模式[8-12]。

不同的飞行任务阶段，涉及的飞行参数不同，因此，被试关注的兴趣区信息也不同。本研究的进近着陆阶段包括了180°转弯和最后的着陆阶段。整个任务过程中，飞行学员通过与飞行座舱内外兴趣区信息的有效交互，将各种飞行参数调控在理想范围内。

兴趣区的注视点数目的差异可以间接提示各兴趣区各信息源的相对重要程度[14]。在180°转弯中，飞行学员关注频率较高的兴趣区信息包括迎角指示器、着陆点、坡度及升降率。通过高频率地关注迎角指示器信息源，被试可以动态掌握速度的变化情况；通过关注着陆点信息源，可了解着陆点的大体位置；通过关注坡度信息，飞行员可及时将坡度值调整在合理范围内，以保证转弯时的飞机姿态；飞行员通过频繁地获取飞机高度及升降率信息，及时纠偏，将其调整在可靠范围内，最终可以保证在改出时可以获得最优化的高度，从而有利于模拟着陆的成功。在模拟着陆阶段，被试关注迎角指示器、下滑线指示灯及对中跑道的注视点个数无明显差异，提示此阶段这三个兴趣区信息的重要程度相同。

注视时间百分比是某兴趣区域内的注视时间和所有兴趣区注视时间之和的比值，代表了被试对各种信息源的关注程度[15]。注视时间百分比直接代表的是整个任务阶段注意力分配的情况[16]。在180°转弯阶段，迎角指示器和着陆点信息源的注视时间百分比最大，坡度时间百分比次之，升降率注视时间百分比位居第四位。体现了被试者对兴趣区域的关心程度及此兴趣区信息获取的难易程度。在着陆阶段迎角指示器、下滑线指示灯及对中跑道三个兴趣区注视时间百分比无明显差异，提示三者的信息源关注程度相类似。在模拟180°转弯中，被试主要依靠迎角指示器、姿态、高度及航向等座舱内仪表信息源来操控飞机的，同时依靠舱外着陆点信息来评估飞机与着陆点关系，整体形成飞机姿态、着陆点位置信息，进而根据这些信息调整操控飞机下滑。而在着陆阶段，由于着陆时间短暂、要处理的信息源广，被试处于高应激、高认知负荷的状态，因此来不及详细扫视获取舱内其他仪表信息，主要通过是迎角指示器来控制飞机的速度，其余信息主要依靠外视景的对中跑道、机场下滑线指示灯光信息来间接获取飞机姿态、高度等信息。着陆阶段的外视景注意力百分比明显高于180°转弯外视景注意力百分比。

各兴趣区的注视平均时间指该兴趣区注视总时间和全部注视点的比值。在眼动追踪研究领域，通常把持续时间超过100 ms的眼动称之为注视。只有通过注视，才能将有效的视觉信息传到大脑进行加工，形成认知。大多数的注视平均时间在100-1 000 ms之间。本研究中，180°转弯信息源的平均注视时间在160-330 ms之间；而着陆阶段信息源的平均注视时间在在330-420 ms之间。兴趣区平均注视时间偏长，一方面反映了此兴趣区信息较难提取，需要投入较大的认知努力，另一方面也说明此兴趣区信息源丰富，需要较多的时间去获取信息。这两方面的因素均可导致兴趣区注视平均时间延长，给被试增加了认知负荷。

研究表明，瞳孔大小与某些心理活动密切相关。负责拉伸虹膜的肌肉受大脑神经系统的调控[17]。在一定强度的脑力负荷下，瞳孔直径大小与脑力负荷大小呈正比。本实验中，着陆阶段瞳孔直径显著高于180°转弯阶段瞳孔直径的大小，提示着陆阶段脑力负荷明显高于180°转弯阶段的脑力负荷。

在不同的任务下，兴趣区注视点数目的多少反映了信息源注意力切换的程度；注视平均时间反映了注意力在信息源上持续时间的长短；注视时间百分比反映了注意力在各信息源的分配情况。通过这些眼动指标的分析，就可以明确被试在兴趣区之间及兴趣区内注意力的切换、保持及分配。美空军在降落阶段的训练时，要求飞行员重复地在跑道和速度表之间进行视觉扫视 。美空军研究发现优秀飞行员的视觉策略可以用于指导其他飞行员的训练。美空军要求F16的15个训练科目中，10个训练科目中要求跟踪检测飞行员的视觉注意力分配[18]。俄军也较早开展了军事飞行员的仪表扫视策略的研究，建立了优秀飞行员的眼动范式，用于指导飞行学员的训练。在美空军训练的降落阶段，要求飞行员重复地在跑道和速度表之间进行视觉扫视。俄军也较早开展了军事飞行员的仪表扫视策略的研究，建立了优秀飞行员的眼动范式，用于指导飞行学员的训练。

本实验结果一方面可以为飞行学员特定飞行任务情景下注意力分配训练提供范式支撑，也可以为座舱内外兴趣区显示界面提出工效学优化建议。后续研究需要进一步积累优秀被试的眼动数据，建立特定任务情景下的眼动范式，为飞行学员的注意力分配训练规范化训练和评估提供依据。