关于黑洞错觉中误远为近现象的机制研究

江 川，陈 涛，曹瑞丹，张作明

起飞和着陆阶段尽管只占总飞行时间的4%，但是49%的致命事故却发生于该阶段[1]。进近和着陆阶段发生的可控性飞行撞地（controlled flight into terrain，CFIT）事故或事故症候可以分为三种类型：跑道入口附近或跑道前接地、以不安全下滑角度和速度接触跑道、跑道远端或场外接地，其中以第一种情况最为常见，夜间发生的可能性要比昼间高出3倍[2]。进近过程中，飞行员在目视情况下对目标距离、飞行速度、下滑角度三者之间的关系处理不当是导致CFIT发生的主要原因，但是其具体机制并不清楚。Gibb[3]认为该过程与一种视性错觉-黑洞错觉密切相关。黑洞错觉（black hole illusion，BHI）是指在缺乏视觉参照物情况下飞行员感觉不到明显的速度、高度变化，产生犹如在黑洞中飞行的错觉，表现为对高度与距离的误判。目前，对于目视进近距离低估现象与黑洞错觉之间的关系尚不十分清楚[4]，笔者认为飞行员俯视角度可能是一个重要的影响因素。为验证该假说，本研究建立黑洞错觉环境，观察俯视角度对距离判断的影响。

1 对象与方法

1.1 对象 通过距离判断练习和距离判断测试的预实验，筛选出5名在3次距离测试中准确率达到90%以上的健康青年志愿者。受试者均为男性，年龄29～33岁，平均（29.8±1.8）岁。双眼矫正视力≥1.0；暗适应功能正常。受试者均被告知试验相关事宜，签署知情同意书。试验数据在2021年2—3月采集完毕。

1.2 方法

1.2.1 问卷调查 通过文献综述以及与多机种（民航客机、运输机、直升机等）飞行员展开多次座谈交流了解夜间目视进近情况，制作飞行人员黑洞错觉调查问卷并发放50份。通过剔除全部选项答案一致或缺漏项的问卷，最终收回38份有效问卷。

1.2.2 距离辨别测试 国际民航组织约定航空器着陆时的角度：在仪表着陆系统（instrument landing system，ILS）条件飞行时，飞机进近下滑角度为3°。理想的非精密进近剖面类似于ILS进近，执行一个恒定的3°下滑角。另外，飞机在最后进近阶段需要保持一定仰角姿态，以空客320为例，保持2.5°的仰角。因而，在最后进近着陆阶段，飞行员通常以5.5°俯视角度观察跑道灯光和接地点。本研究利用调节弱光视标高度模拟5.5°俯视角度和0°的观察组。

整个实验在标准暗室中进行，实验区域为长8 m、宽1 m的暗室通道。“E”形弱光视标7[4]置于滑车1上，光强度调整到1×10-2cd/m2，其高度可通过升降杆调整距离地面0.6、1.2 m；受试者坐在升降椅4上调节眼高为1.2 m，与视标位置在同一直线上，升降椅只能左右移动；滑车可沿直线运动并停止在距离受试者6、6.5、7、7.5、8 m处位置点；在受试者正前方距离0.5 m、高0.8 m位置放置另一弱光视标6，将光强度调整到1×10-3cd/m2。测试开始前，受试者戴眼罩在暗室环境中进行20 min的暗适应，在距离受试者5 m处用遮光布2遮挡远处视觉场景，并且转动座椅或者移动座椅位置以消除位置记忆；测试用计时器计时1 min，受试者需要与近处的弱光视标对准位置，再向前注视寻找远处弱光视标，操作人员随机在40～50 s之间拉开遮光布，计时停止受试者给出距离判断值。利用自主研发的微光积分球光源5模拟满月照度，光源置于距离被试5.5 m、水平偏左侧0.3 m处的位置朝向气球方向；直径为0.3 m的黄色气球作为参照物，并将其放置于距离地面0.9 m的透明支架上；参照物放置于弱光视标与受试者连线右侧0.3 m处，与受试者距离6、7、8 m的位置。

在无参照物视觉环境，每位受试者在视标高低位置各进行9次测试，弱光视标距离受试者6.5、7、7.5 m，各出现3次，去除6、8 m两个极端值的影响。按照随机数表法将出现顺序随机排列。在有参照视觉环境，重复上述试验。统计距离估计与实际距离差值d，当d≤－0.5 m计数为估值低，计算每名受试者各观察组距离估值低的占比（概率）。

1.2.3 绩效负荷测试 自制耳手应答器，在“耳手操作”干扰负荷下完成对准弱光视标与判断距离任务。耳手应答器提示音间隔5 s报随机两位数的数字音，如12、20、32 等，每听到报出的数字，受试者以两位数数字的和是奇数还是偶数为依据，通过持在左、右手的应答器进行应答，左手应答奇数，右手应答偶数。应答器记录反应应答时间。选用每位受试者有参照物组和无参照物组的中间4次距离评估测试的耳手应答数据作为统计对象，以去除耳手应答反应存在适应和疲劳因素的影响；每次距离评估测试时受试者应答11～13次，去除首尾各2次应答，保留中间应答反应时间作为统计数据，防止动作开始结束指示对应答反应的干扰。

1.3 统计学处理 应用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析。无参照物环境下，采用配对t检验对俯视组与平视组的距离低估的概率进行比较。在5.5°俯视角度的条件下，采用配对t检验对有参照物组与无参照物组的距离低估的概率进行比较；采用t检验对有参照物、无参照物组的耳手应答器反应时间进行比较。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 夜间进近时对距离判断的影响 在夜间能见度差的视觉环境下，飞行员目视进近采用的策略最多的是利用跑道灯光估计着陆点的距离。另外，飞行员也常利用跑道灯光估计地平线（表1）。飞行员夜间进近误判类型以误低为高、误远为近现象最为常见（表2）。

表1 夜间能见度差的情况下目视进近策略（n=38）

表2 夜间进近着陆过程对高度和距离误判（n=38）

2.2 俯视角度对距离判断的影响 在无参照物视觉环境下，对距离的判断有一定的离散型，各组均有估值过高或过低的情况。但是从总体上看，俯视（5.5°）组距离估值近的百分比较大，与平视组比较距离近估的趋势较明显。在无参照物的情况下，平视组（组1）与俯视组（组2）之间比较距离近估的概率差异具有统计学意义（P＜0.05）。而当有参照物存在时，可以明显地改善对距离的判断，俯视组（组3）距离近估的趋势消失（表3）。

表3 注视角度、参照物对距离估值影响的比较

2.3 参照物环境的变化对绩效负荷的影响 有参照物的视觉环境耳手应答时间小于无参照物视觉环境（P＜0.05）（表4）。

表4 距离判断测试中无参照物组与有参照物组绩效应答反应时间

3 讨论

在目视进近或者仪表进近的目视飞行阶段中，飞行员最常见的接地方法是瞄准跑道上理想的主轮接地点，然后调整五边下滑轨迹[5]。若瞄准点在一定程度和方向上偏出着陆点，下滑轨迹将会出现偏差。瞄准点在飞行方向上着陆点的远端，飞机可能会冲出跑道；瞄准点在飞行方向上着陆点的近端，飞机可能会在跑道外提前接地。本次问卷调查结果显示，绝大多数飞行员在夜间能见度差的情况下目视进近会利用跑道灯光估计着陆点的距离，而对于瞄准点的距离估计与飞行员的视知觉关系密切。人眼对地面观察而得到的空间信息具有潜在不可靠性，特别是在视觉线索缺失的情况下，飞行员会产生错误的视觉感知而导致对高度/距离的错误判断，影响进近着陆的稳定与安全。

黑洞错觉的研究多聚焦于高度过估问题，飞行员高估下滑路径，因此采用较低的进场方式[3]。Robinso等[6]发现飞行员在缺少视觉线索的情况下会根据平行跑道边缘光的明显会聚点错误地估计了地平线的位置，这种误解可能会导致飞行员采用低空飞行路径。此外，给定高度相关的进近下滑角与到跑道的距离成反比，飞行员低估距离的倾向也会发生下滑路径（glide path overestimation，GPO），可有助于解释黑洞错觉现象。注意到民航可控性撞地事故频发[7]，在人为因素的原因后可能有视性错觉原因，在无法看清跑道参照物的情况下，跑道灯光作为飞行员判断着陆点距离的重要方法，低估了着陆点距离可能会造成飞机提前接地的危险。在城市长隧道也发生类似的现象，隧道进口为下坡，驾驶员在坡道上行驶时容易产生错觉，低估所处路段真实坡度（距离），在进入隧道前未减速至安全值易造成追尾[8]。Nicholson和Stewart[9]通过计算机模拟实验验证了照度对距离估计的准确性起着重要作用，受试者明显低估了夜间的距离。

本研究发现在暗室通道内俯视目标有明显距离低估趋势，而平视目标没有低估趋势，表明俯视目标是引起距离近估的主要原因。在预实验中验证了在标准暗室环境中俯视角度越大对于距离的低估趋势越明显和低估程度越大[10-11]。这种现象可能与眼的调节有关，林仲贤和孙秀如[10]认为，与正视条件相比较，视线倾斜会引起距离判断准确性明显降低；这种现象的主要原因是眼肌调节发生变化，睫状肌紧张度增加，以及视疲劳。视线倾斜引起眼外肌调节量增加的现象与隐斜视类似，为了克服眼外肌功能不平衡引起的眼位偏斜，患者需要用融合储备力进行调节。如有飞行员发生隐斜时，因目测距离不准导致着陆时易动作过猛或冲出跑道[11]。周柳[12]认为，在黑暗中，观察者将目标物定位于与眼睛连线和一个隐性曲面的交点上引起对距离判断的固有偏差。由于实际地表不可见，视觉系统自动地调用固有偏差，来作为建构知觉空间的参照系。

在夜间最后进近着陆过程中，视觉线索缺少的环境和多任务的需要，可能会对任务负荷产生影响。本试验发现，在无参照物的视觉环境下耳手反应时间延长，表明视觉认知负荷对注意力分配产生干扰影响多任务操作的能力。在夜间条件下，虽然飞行员能够看到正在接近的跑道灯光，但由于光线不足，所有地面特征，如树木、道路、湖泊等都不可见。相比较白昼视觉认知负荷明显增加，飞行员可能会出现注意力分配不当，可能导致飞行员忽视或在必要仪器的监控方面表现不佳[3]。

飞行员始终是驾驶舱的操作主体，即使在导航技术不断进步的情况下，仍然会受BHI这种危险的视性错觉影响。Sipes和Lessard[13]调查了79%的有经验的飞行员教员在一定程度上经历过BHI。目视信息准确是飞行员能够安全着陆的前提，而因着陆环境的影响，飞行员会产生距离的误判。若飞行员依旧选择目视参考，而不是坚信仪表，就会出现错误的判断，影响进近着陆的稳定与安全。本研究通过在黑暗的视觉环境下，一定的俯视角度会引起视觉距离认知降低的趋势，可为BHI现象飞行员产生GPO现象提供了理论依据。