眼动仪对提升基础模拟飞行能力的量化研究

李 莹

（中国民航大学安全科学与工程学院 天津 300300）

0 引言

通过模拟飞行训练最大程度地提升学员的飞行技能是一个关注重点。多自由度的飞行模拟器的应用[1]以及移动学习平台、虚拟仿真技术和模拟飞行教学的结合[2]是训练的新思路。此外，基于眼动跟踪开发出智能技术评估训练水平和优化训练过程[3]。但相关领域对于提升模拟飞行训练的研究仍然较少。

在航空领域，眼动仪主要用于研究飞行员的注意分配、认知负荷等领域，如对不同飞行阶段的脑力负荷和注意分配负荷的研究[4]。关于使用眼动仪优化模拟飞行训练的研究较少。相对于其他视景，飞行员要注意更长时间来充分获取仪表部分的丰富信息[5]。早期的研究将眼动数据与飞行模拟设备联系起来得出操作人员绩效上的差异[6]。此外，利用眼动技术可以开发模拟飞行训练过程中辅助注意分配的软件[7]，优化仪表布局设计[8]。飞行绩效方面，专家和新手的眼动模式和飞行绩效有显著差异[9]；飞行绩效优劣的被试也有显著不同的眼动情况[10]。

因此，本实验将眼动仪应用于飞行模拟训练的地面滑跑、直线飞行和转弯爬升3个阶段，并理论假设如下：若眼动仪辅助训练对模拟飞行能力有提升，实验组绩效应显著优于对照组的绩效。

1 方 法

本实验采用随机实验组控制组设计，实验时长2h，其他控制条件相同。指导人员根据实验组的眼动轨迹讲评指导，对控制组按照传统模拟飞行教学的飞行后讲评，最后比较实验组与对照组的绩效。

1.1 被试

被试为50名已经完成了理论学习的男性飞行学员，平均年龄19岁。要求所有被试在进行实验前 24h内保证充足睡眠、不服用酒精及可能影响实验操作的药物。指导人员为已经完成飞行实训的学员。

1.2 仪器和材料

眼动仪：tobii 4C。

模拟飞行设备：模拟训练器elite pi135。

选取的机型：塞斯纳172。

数据提取：DIGIMIZER，从飞行截图提取高度、角度等数据。

数据分析：SPSS。

2 实验原理与实施

使用眼动仪后，指导者可以根据屏幕中实时显示的“白色气泡”（图1）来了解被试的注意情况，提出针对性的指导建议。

图1 眼动显示图Fig.1 Indication of eye movement

2.1 地面滑跑

让被试进行地面滑跑阶段的训练。此阶段的飞行绩效反映在：①离地速度，速度值接近标准60节则表示飞行绩效良好；②地面滑跑时间，若对各项数据掌握良好且飞行轨迹保持稳定，将在较短的时间 起飞。

2.2 转弯爬升

让被试进行五边飞行中的一边转二边的左转弯爬升过程，左转弯爬升90°。飞机应保持恒定的速度、航迹和升降率，操作者要同时注意转弯坡度、升降速率、高度表、速度表和转弯侧滑仪、转弯侧滑仪小球的指示蹬舵。若此时注意力分配不当，将可能出现高度偏差和航向偏差。

提取参数：起始转弯点速度、起始转弯点高度、转弯终点高度、转弯终点速度。

起始转弯速度与转弯终点速度的差值的绝对值与起始转弯高度与转弯终点高度的差值的绝对值越小，表明操作者的飞行绩效越好。

2.3 直线飞行

选取直线飞行中的直线爬升阶段进行实验，保持速度和航向不变，被试需注意姿态仪、速度仪、高度仪、航向仪。

提取参数：最远偏离距离、最大速度偏差。两者值越小，说明飞行绩效越好。

3 结 果

实验数据如表1所示。

表1 数据结果Tab.1 Statistics of three groups

地面滑跑组：实验组的离地速度更接近标准起飞速度，且两组差异显著；实验组的滑跑时间更短，但未达到显著差异水平。可以认为眼动仪对于地面滑跑训练的效果有一定提升作用。

直线飞行组：实验组的最大速度偏差和最远偏移距离显著更小。可以认为眼动仪对直线飞行训练的效果有一定提升作用。

转弯爬升组：实验组的速度偏差和高度偏差显著更小。可以认为眼动仪对于转弯爬升训练的效果有一定提升作用。

4 讨 论

地面滑跑和直线飞行阶段对注意分配要求较低，因而被试可以同时兼顾眼动仪的显示以修正操作状态。转弯爬升阶段注意分配较复杂，但是眼动仪仍然体现出了一定的提升效果，这可能与注视点能帮助学员更好地获得复杂情境中的有效注视策略有关。

本实验的不足：

①数据处理的局限性，对轨迹截图的数据进行手动提取可能导致偏差。

②被试的局限性，本实验的被试是完成了飞行理论学习的学员，很难预测其在真实飞行场景中的训练效果。

③实验场景的局限性，实验场景限于单电脑屏幕的模拟机，只能显示部分视景，与真实飞行场景还有一定差异。

④实验数据的局限性，本实验未对具体的眼动特征数据进行进一步分析。

5 结论

眼动仪对于提升基础模拟飞行能力有一定效果，对改进模拟飞行训练方式提供了新的思路与途径。在注意力分配较简单的科目中，被试的注意力主要集中于少数几个仪表与窗外视景，可以兼顾眼动显示与教练的指导命令，提高飞行绩效；在注意力分配复杂的科目中，被试需要同时注意多个复杂的仪表与窗外视景，眼动的指示可以帮助学员更好地定位自己的视点，从而更好地集中注意力在重要的复杂仪表中。

该实验若将学员在模拟飞行操作时的眼动特征数据细化分析，可能会得到更为深入的结果；限于科目数比较少，建议继续研究在下降转弯、直线下降、目视进近等阶段的差异，对眼动仪在飞行训练中的价值进一步深入研究。