一种飞行模拟机模拟器病诱发定量分析方法研究_丁永晖.pdf

长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE第 23 卷第 1 期2023 年 3 月Vol.23 No.1Mar.2023-13-DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2023.01.004一种飞行模拟机模拟器病诱发定量分析方法研究丁永晖，王林（上海华模科技有限公司，上海200000）摘要：模拟器病作为飞行模拟机中常见症状，主要体现为头晕、恶心等不适症状，给飞行员训练带来负面影响。目前，对 D 级飞行模拟机的模拟器病的定量分析及诱因研究不充分，多以主观感受评价飞行模拟机不适感受，或基于传统模拟器病调查问卷，对于 D 级模拟机不完全适用。基于此提出一种改进的问卷调查，实现对 D 级模拟机模拟器病诱发的定量分析，将主观不适感受转化为定量指标，基于多人多次的足量数据分析，验证所提方法的有效性。关键词：模拟器病；问卷调查；飞行模拟机中图分类号：TP391.9文献标识码：B文章编号：1671-9654(2023)01-0013-03Research of Quantitative Analysis Method for Flight Simulator Sickness InductionDING Yong-hui,WANG Lin(China Simulation Sciences Company,Shanghai 200000)Abstract:Simulator sickness is common in training of flight simulators,and pilots can not concentrate on training due to dizziness,nausea and other uncomfortable symptoms.There are not enough researches on quantitative analysis for flight simulator sickness induction,and the discomfort of flight simulators is mostly evaluated by subjective feelings,or based on the traditional simulator sickness questionnaire,which is not entirely suitable for Level D flight simulators.Based on this,the paper proposes an improved questionnaire,which focuses on quantitative analysis of flight simulator sickness induction and turns subjective feelings into quantitative data.Therefore,it verifies the effectiveness of the proposed method based on sufficient data analysis.Key words:simulator sickness;questionnaire;flight simulator收稿日期：2022-05-05作者简介：丁永晖（1992），男，江苏常州人，工程师，工程硕士，研究方向为图像处理、智能制造。飞行模拟机通过飞机运动系统、视景系统、声音系统等为飞行训练人员提供逼真的训练环境，D 级模拟机作为国际民航组织规定的最高等级飞行训练设备，可对飞机座舱内的情况进行真实复现，模拟真实的驾驶环境及各类特殊情况，是训练民航飞行员时所需的必要设备。近年来，国产大飞机进入快速发展阶段，国内也涌现出大批相关公司，研制了不同型号的 D 级飞行模拟机。飞行训练人员在模拟机使用过程中，或多或少出现不适感，这些不适感被称为模拟器病（Simulator Sickness，简称 SS）。有效缓解飞行训练人员模拟器病症状是D 级模拟机开发研制过程中不可或缺的一部分。模拟器病与晕动症1，2症状相似，但引发机理不同，晕动症主要发生在坐车、坐船等颠簸刺激下，前庭系统被刺激后带来血压下降、呕吐、眼球震颤等现象，属于一种人体正常调节，但对于不同个体而言感受不同，症状轻重也不一致，严格意义上不属于病症，而模拟器病则是在晕动症基础上，由模拟器装备的视觉系统、运动系统等额外带来的恶心不适感受。原理上不同，但训练人员在感知上难以界定，在分析及优化模拟器病问题时，两者有较大程度的重叠。-14-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷模拟器病的研究3，4从美国军用飞行模拟器使用过程中发现，到后期不断深入，最终主要形成Simulator Sickness Questionnaire(简称 SSQ)的方式，将主观不适感受量化成多条关键性指标，文献 5将此问卷应用到虚拟现实场景，并通过采集受试者数据，分析后进行 SSQ 中各条目负荷计算，总问卷的置信度达到 0.76，在此基础上，标准的 SSQ 调查问卷对于虚拟现实、模拟器等虚拟设备具有普适性，但针对性不足，如问卷中打嗝、胃部不适等条目在D 级模拟机中并不常见，因此本文以 A320 D 级模拟机为测试设备优化问卷中条目，选取多名飞行学员及飞行教员为测试者，将单人不同场景多次测试数据作为样本数据，进行各条目调整，提高问卷置信度，量化 D 级飞行模拟机模拟器病主观感受。1 样本采集本文测试设备为 A320 D 级飞行模拟机，测试对象为15 名飞行学员、5 名飞行教员，测试条目分为整体不适、疲倦、头痛、眼睛疲劳、聚焦困难、唾液分泌增加、出汗、恶心、注意力难以集中、头胀、视线模糊、眩晕（睁眼）、眩晕（闭眼）、视线虚晃、胃部不适、打嗝共16 项，每项根据实际感受 010 分打分。根据标准模拟器病问卷，16个条目可以分为三个维度，详细如下：恶心：整体不适、唾液分泌增加、出汗、恶心、注意力难以集中、胃部不适、打嗝；动眼：整体不适、头痛、疲倦、眼睛疲劳、聚焦困难、注意力难以集中、视线模糊；定向障碍：聚焦困难、恶心、头胀、视线模糊、眩晕（睁眼）、眩晕（闭眼）、视线虚晃。标准问卷中 16 个条目，在样本数据采集过程中发现打嗝几乎没有提及，同时根据训练人员反馈，本文在标准问卷条目基础上增加 3 项，条目如下：条目 17：画面亮度均衡感；条目 18：视景画面清晰感；条目 19：操作迟滞感（操作时视景画面以及运动反馈感受）。附加条目同样以 010 分打分，本文设计的四组基本测试场景如下：场景一：飞机从机场廊桥位置推出，推出后滑行至起飞位；场景二：飞机从起飞位起飞，并在机场附近盘旋进行俯仰滚转等操作；场景三：飞机在空中盘旋后通过五边进近，完成飞机着陆；场景四：飞机着陆后由滑行道一直滑行至廊桥位置。以上四组测试场景选取平原机场（如上海虹桥）和丘陵机场（如北京首都机场）各一个，分别开启运动系统和不开启运动系统进行测试，即每次完整测试包含 16 组测试内容，每组测试过程不低于 5 分钟，详细测试科目见表 1。表 1 测试科目表序号测试内容序号测试内容1平原机场无运动系统场景一9丘陵机场无运动系统场景一2平原机场无运动系统场景二10丘陵机场无运动系统场景二3平原机场无运动系统场景三11丘陵机场无运动系统场景三4平原机场无运动系统场景四12丘陵机场无运动系统场景四5平原机场有运动系统场景一13丘陵机场有运动系统场景一6平原机场有运动系统场景二14丘陵机场有运动系统场景二7平原机场有运动系统场景三15丘陵机场有运动系统场景三8平原机场有运动系统场景四16丘陵机场有运动系统场景四为保证测试样本有效性，单测试者每天完成4 组测试（即完整的 4 组基本场景测试），8 天共完成 32 组测试，即 2 次完整测试。样本数据采集主要流程如下：15 名飞行学员和 5 名飞行教员，每两名为一队，共计 10 队测试组；基本测试场景分为四组：从廊桥推出到起飞、盘旋、着陆、滑行至廊桥位置。每队测试人员对于基本测试场景，每次测试通过选择是否开启运动系统、平原或丘陵机场，完成四组基本场景的测试并针对测试场景分别填写 4 张测试问卷。每队测试人员每天完成一次测试（4张问卷），4 天完成表 1 中所有测试科目并完成问卷填写，8天完成 2 次完整测试。完成样本数据后进行数据分析及量化。2 样本分析前文中 20 名测试人员，每人 32 份测试样本，共计 640 份测试样本，首先分析标准的问卷调查条目，将其中 320 份测试样本采用 SPSS 中的主成-15-丁永晖，等：一种飞行模拟机模拟器病诱发定量分析方法研究第 1 期分分析法进行探索因子分析，将剩余 320 份数据通过 AMOS 中的极大似然法进行探索因子验证，得出当前样本置信度。根据软件计算，KMO 适当性检验值为 0.81，p0.001,符合因子分析条件，共提取出 3 个因子，累计方差贡献率 65.6%，取负荷大于 0.3 的条目作为有效条目，因子负荷如表 2。表 2 标准版问卷因子负荷表因子 1因子 2因子 3条目负荷条目负荷条目负荷1.整体不适0.66 2.疲倦0.74 5.聚焦困难0.546.唾液分泌增加0.56 3.头痛0.75 8.恶心0.477.出汗0.47 4.眼睛疲劳0.86 10.头胀0.328.恶心0.67 5.聚焦困难0.5311.视 线 模糊0.309.注意力难以集中0.43 11.视线模糊0.4512.眩晕(睁眼)0.6915.胃部不适0.3713.眩晕(闭眼)0.66验证性因子分析时，卡方自由度为 1.35，REMSEA 为 0.041，GFI 为 0.92，CFI 为 0.93，IFI为 0.93，提取因子有效。问卷总信度为 0.77，三个因子单一信度分别为 0.61、0.72 和 0.67。去除打嗝条目，并增加画面亮度均衡感、视景画面清晰感、操作迟滞感三个条目，重复上述操作对问卷进行数据分析，KMO 适当性检验值为0.89，p0.001，符合因子分析条件，共提取出 3个因子，累计方差贡献率 71.3%，取负荷大于 0.3的条目作为有效条目，因子负荷如表 3。表 3 本文标准问卷因子负荷表因子 1因子 2因子 3条目负荷条目负荷条目负荷1.整体不适0.67 2.疲倦0.74 5.聚焦困难0.576.唾液分泌增加0.56 3.头痛0.77 8.恶心0.527.出汗0.46 4.眼睛疲劳0.86 10.头胀0.368.恶心0.64 5.聚焦困难0.55 11.视线模糊0.329.注意力难以集中0.43 11.视线模糊0.4612.眩 晕(睁眼)0.7015.胃部不适0.3613.眩 晕(闭眼)0.6717.画面亮度均衡感0.3218.视景画面清晰感0.4018.视景画面清晰感0.3319.操作迟滞感 0.66验证性因子分析时，卡方自由度为 1.03，REMSEA 为 0.033，GFI 为 0.95，CFI 为 0.95，IFI为 0.94，提取因子有效。问卷总信度为 0.85，三个因子单一信度分别为 0.78、0.72 和 0.76。3 试验及结论本文提出的基于调查问卷的模拟器病定量分析方法在原有问卷 16 个条目基础上，增加画面亮度均衡感、视景画面清晰感、操作迟滞感三个问卷条目，并通过样本数据验证了新增条目可显著提高问卷置信度，根据改进后问卷三个因子贡献率，归一化后分别乘以各条目负荷，如条目在多个因子中存在，则叠加各因子中的权重，得出最终各条目所占权重，步骤总结如下：1)针对 D 级飞行模拟机，设计测试场景及测试科目；2)改进传统模拟器调查问卷，针对 D 级飞行模拟机增加画面亮度均衡感、视景画面清晰感、操作迟滞感条目，选取测试对象，并开展测试；3)样本数据分析，确保样本有效性对问卷进行降维处理并提取出样本中因子，验证因子有效