面向特情的航线飞行员视觉注意分配研究_汪磊.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：汪磊，王朔，高杉，等 面向特情的航线飞行员视觉注意分配研究中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：面向特情的航线飞行员视觉注意分配研究汪 磊研究员，王 朔，高 杉，李 姝讲师，吴昌旭教授（中国民航大学 安全科学与工程学院，天津；中国民航大学 飞行分校，天津；清华大学 工业工程系，北京）中图分类号：文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金资助（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为降低飞行中人因事件的发生比例，保障飞行安全，面向进近过程中飞机发动机火警处置任务，开展模拟飞行试验，探究飞行特情中飞行员视觉注意分配情况；记录被试在 个兴趣区域（）的 项视觉注意分配指标，同时，记录试验中被试的决策行为和飞行绩效指标；结果显示，火警发生前后，飞行员被试在主飞行显示器（，即 ）上的 个视觉注意分配指标均显著高于其他；在火警前阶段，被试在主火警灯（即 ）的注视点数（）、注视时间（）、占比（）、占比（）和平均注视时间（）值显著低于导航显示器（，即 ）和发动机显示和机组警告系统（，即 ），而在火警阶段，的、和 显著高于 ；机长组被试在 上的、和 显著低于副驾驶组；机长组更多选择落地后执行火警记忆项目。研究结果表明：飞行特情中，飞行员的视觉注意分配仍服从驾驶导航交流系统管理任务优先规则；主火警灯故障会对飞行员的注意分配造成干扰；飞行经验可以改善飞行员的视觉注意分配。【关键词】飞行特情；航线飞行员；视觉注意分配；兴趣区域（）；飞行绩效 ，（，；，；，）：，（），（），（），（）（），（，）第 期汪磊等：面向特情的航线飞行员视觉注意分配研究 ，（）（，）（，），：；（）；引 言 随着飞机系统可靠性的不断提升，人的因素作为保障航空安全和效率的关键要素已被广泛认可，其中，飞行机组作为飞机的直接操纵者，其与飞行安全的关系得到较多关注。驾驶飞机涉及飞行员的一系列认知过程，注意资源分配在其中起着核心作用。有研究指出，机组注意分配问题已经成为飞行安全的重要影响因素。而且，飞机运行的环境是复杂的，飞行特情时有发生。面对飞行特情，机组除完成正常的驾驶任务外，还需处理其他特情相关的任务。由于注意资源的限制，作业任务的增多无疑对包括机组的注意分配提出了更高的要求。而且，特情作为典型的飞行应激源，能够诱发急性应激反应，甚至造成隧道视觉等问题，进一步干扰机组的注意分配。因此，研究飞行特情下航线飞行员的注意分配对于减少机组差错、切实提高我国民航的安全水平具有重要意义。人类依靠视觉获得 以上的外界信息，相应地，国内外学者也主要针对飞行任务中作业人员的视觉注意分配展开研究。柳忠起等结合眼动技术，定量分析了飞行员在爬升、平飞和降落 个阶段的注意分配情况，结果显示，个模拟任务阶段飞行员显示出了不同的扫视模式，在外景有更多的注视点数占比（，）、更多的注视时间占比（，）和更长的平均注视时间（，），认为眼动指标能够客观反映飞行员的注意分配情况；另外，还进一步探究了着陆任务中经验水平对于飞行人员注意分配的作用，研究结果表明：专家和新手的注意分配模式存在明显的差异，专家获取信息的来源较多，扫视幅度也较为宽广，而且专家在着陆过程中表现出的绩效更好，脑力负荷更低；等研究结果表明：与新手飞行员相比，专家飞行员在空对空机动飞行中平视显示器注视时间（，）更久，外景的 更短；等研究了飞行员在目视着陆过程中的眼动行为，发现专家飞行员对空速指示的注意多于新手飞行员，而对高度指示的注意少于新手飞行员。采用专家分组方式（机长副驾驶分组）展开研究，结果显示：机长和副驾驶在发动机失效情境下的视觉注意分配存在差异，而且机长的视觉搜寻模式效果更好。上述研究尚存在以下不足：较多关注飞行人员在正常飞行任务中的视觉注意分配，鲜有探讨飞行特情中的注意分配，缺少正常任务阶段与特情阶段的对比，难以归纳出飞行特情下的注意分配特点。多采用专家新手分组方式探究经验水平对视觉注意分配的作用，鲜有研究采用专家分组方式探究不同飞行经验水平的专家飞行员（如教员机长、机长、副驾驶）注意分配的差异。多关注飞行经验对注意分配和飞行绩效的影响，而决策作为信息加工的重要环节，却未得到应有的重视。鉴于此，笔者拟招募航线飞行员为被试，使用专家分组方法，基于五级飞行训练器开展模拟飞行试验，综合分析飞行特情发生前后不同经验水平的飞行员的视觉注意分配、决策以及飞行绩效的差异，以期降低飞行特情的影响。方 法.被 试 招募 名航线飞行员作为被试，均为男性，年龄在 岁（均值为.，标准差为.），执飞机型均为，飞行数在 （均值为 .，标准差为 .）。所有被试身体健康状况良好，右利手，视力、听力正常。中国安全科学学报第卷年.试验设备 采用 五级飞行训练器开展模拟飞行试验。飞行训练器由高逼真模拟驾驶舱和教员控制台构成，其外景和内景如图 所示。模拟驾驶舱内部构造与 飞机相似，能够提供真实度高的飞行操作和视景平台。教员控制台可以控制模拟驾驶舱，主要包括选择机场和跑道，改变飞机起始位置，调整重量、油量和配平，设置不同天气状况，触发飞机故障等功能。教员控制台的录屏功能可以记录飞机主飞行显示器（，）的飞行参数，用于飞行绩效评价。图 飞行训练器 模拟飞行过程中，被试佩戴头戴式眼动仪，用于实时采集眼动数据，眼动仪采样频率为 。试验准备阶段，通过 点校表校准眼动仪。眼动数据采集完成后通过人机环境同步云平台进行数据分析和处理。同时，采用高清摄像头记录被试在试验中的行为反应。.试验场景设计 试验设计为一架 飞机进近过程遭遇左发动机火警，场景如图 所示。初始条件为：飞机位于首都国际机场 跑道五边约.处，离地高度（，）约 .，空速.，磁航向，仪表气象条件：计划实施 类盲降进近着陆，飞机燃油量不满足复飞要求。要求被试在试验开始时使用自动驾驶模式，当飞机到达约.时，断开自动驾驶改为人工操纵。试验过程中，当飞机到达约.时，主试通过教员台触发左发动机火警，断开自动驾驶，并将主火警灯设定为失效。在该设定下，火警铃声无法通过按压主火警灯清除，只能通过火警铃切断电门清除。被试驾驶飞机完成着陆或建立复飞后，试验结束。.试验变量设计 自变量为飞行经验和任务阶段，因变量为视觉图 飞行场景 注意分配、飞行决策和飞行绩效。.自变量设计 ）飞行经验。采用专家分组方法，同时参考、等对飞行经验的分组，将飞行经验分为机长和副驾驶 个水平。其中，机长组 人，总飞行（.），副驾驶组 人，总飞行（.）。）任务阶段。将任务阶段分为火警前和火警中 个阶段，各持续 。.因变量设计 ）视觉注意分配。在驾驶舱内部定义 个兴趣区域（，），其中，为主火警灯，为，为导航显示器（，），为发动机显示和机组警告系统（，）。选取各个 对应的指标注视点数（，）、和，作为视觉注意分配指标。其中，指个体在某一 内产生的注视点的数目，指个体注视某一 区域的总时长，指某一 内的 占全部 的占比，指个体注视某一 区域的 占总 的占比，指个体在某一 区域内 与 的比值。布局如图 所示。图 布局 ）飞行决策。被试所在航空公司的标准操作程序手册要求仪表进近条件低于.第 期汪磊等：面向特情的航线飞行员视觉注意分配研究出现发动机火警，机组可继续进近，落地后停住飞机，执行火警记忆项目。火警记忆项目包括关闭受影响发动机的推力手柄、切断受影响发动机的启动手柄和拉出受影响发动机的火警电门手柄并转动到停止位等操作。这 种操作会造成飞机推力不对称，增加被试驾驶飞机的难度。被试需要针对火警进行决策。选取被试在空中是否关闭左发推力手柄、是否切断左发推力手柄和是否拉出左发火警电门手柄并转动到停止位作为决策行为指标。试验中若被试作出以上 种操作的一种或几种，则认为其在空中执行了火警记忆项目。根据公司标准操作程序手册，选择落地后执行火警记忆项目更安全。）飞行绩效。根据被试所在航空公司实行的波音系列机型飞行品质监控项目与标准，选取偏离下滑道 个点及以上的时长、偏离航向道 个点及以上的时长和是否触发近地告警系统的下沉率警告作为此次飞行绩效的评价指标，若被试触发下沉率警告则记为，反之，记为。根据下式分别归一化处理评价指标：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）再根据下式计算飞行绩效：（）（）式中：为下滑道绩效得分，无量纲；为偏离下滑道 个点及以上时长，；为航向道绩效得分，无量纲；为偏离航向道 个点及以上的时长，；为下沉率警告绩效得分，无量纲；为是否触发下沉率警告，无量纲；为飞行绩效，无量纲。由于试验中飞机的燃油余量不满足复飞要求，因此，若被试选择复飞则表明他们主动结束此次试验，同时，绩效记为。.试验程序 每个被试均独立完成模拟飞行试验。被试到达试验场地后，首先阅读试验介绍，签署知情同意书并填写人口统计学问卷。在正式试验开始前，主试为被试佩戴眼动仪，每位被试至少进行 次模拟飞行训练以熟悉、适应飞行训练器和眼动仪。为降低被试对飞行意外事件的预期，训练场景设定为正常起落航线和进近着陆，训练期间不设定飞行特情。之后，正式试验开始，大约持续 。.数据预处理 采用眼动分析模块处理原始的眼动数据，可以得到 个注意分配指标数据。通过教员台的录屏功能可以得到飞行绩效的 个指标数据，通过分析录像得到飞行决策数据。其中，名被试在处置完火警后遭遇操纵杆液压失效（非主试设计），后续的飞行绩效和眼动数据受到干扰，因此，该被试的飞行绩效和眼动数据未被用于统计分析。.统计分析方法 采用 .统计学分析测量指标，统计检验均采用.置信度。对于视觉注意分配模式指标，采用夏皮洛威尔克检验分析其正态性。若所有指标满足正态分布，采用重复测量方差分析任务阶段、飞行经验与 对因变量的交互效应与主效应；反之，则建立广义线性混合模型进行数据分析。采用费希尔精确检验分析飞行经验对飞行决策的作用。对于飞行绩效指标，采用夏皮洛威尔克检验分析其正态性：对于满足正态分布的指标采用独立样本 检验；对于不满足正态性的指标，采用非参数统计方法曼惠特尼 检验。结 果.视觉注意分配指标 ）采用夏皮洛威尔克检验视觉注意分配指标，结果显示，存在注意分配指标的分布不满足正态性（.）。因此，建立广义线性混合模型对比分析火警特情发生前后不同经验水平的飞行员被试在 个 注意分配指标的差异，如图 所示。由图 可知：飞任务阶段、飞行经验与 的交互作用以及飞行经验与任务阶段的交互作用对所有注意分配指标均不显著（.）。）任务阶段与 的交互作用在（，）.，.）、（，）.，.）、（，）.，.）、（，）.，.）和（，）.，.）上均显著。）成对比较发现，被试在火警前和火警中阶段在 的、和 值均显著高于其他（.）。被试在火警前阶段，在 的、和 值均显著低于 与（.），而在火警中阶段，的、值均显著高于 （.），与中国安全科学学报第卷年 不存在显著差异（.）。被试在火警前阶段，在 的、和 值与 阶段不存在显著差异（.），而在火警中阶段，的、和 值显著高于（.）。图 视觉注意分配指标 ）飞行经验与 的交互效应。在（，）.，.）、（，）.，.）、（，）.，.）和（，）.，.）上均显著。）成对比较发现，机长组在 的、和 均显著低于副驾驶组（.），在 的、和 均显著高于副驾驶组（.），在 和 的、和 与副驾驶组不存在显著差异（.）。.飞行决策指标 采用费希尔精确检验分析飞行经验对飞行决策指标的作用，结果见表。由表 可知：副驾驶组比机长组更多地选择在空中执行火警记忆项目（.）。表 费希尔精确检验结果 变量指标机长组副驾驶组费希尔精确检验 空中执行火警记忆项目是否.飞行绩效指标统 计 火 警 发 生 的 飞 行 绩 效 指 标 数 值，按照式（）式（）进行计算。由于试验设计限定飞机燃油量，对于 名选择复飞的被试，其绩效被记为。采用夏皮洛威尔克检验飞行绩效，发现其分布不满足正态性（.），因此，采用非参数统计方法曼惠特尼 检验分析飞行经验对飞行绩效的作用，结果见表。机长组的飞行绩效与副驾驶组不存在显著差异（.，.）。表 曼惠尼特 检验结果 变量机长组副驾驶组曼惠尼特 检验飞行绩效.（.）.（.）.讨 论 ）飞行员被试在火警前与火警中