速度知覺測試軟件的開發(fā)與應用

田 雨，陳善廣，王春慧，田志強，蔣 婷

（中國航天員科研訓練中心 人因工程重點實驗室，北京100094）

0 引 言

速度知覺是人的視覺感知與時間感知相結(jié)合的產(chǎn)物［1］。在汽車駕駛、體育運動等諸多領(lǐng)域中，參與者都需要對運動物體的速度進行知覺與估計。研究表明，速度知覺對駕駛安全、運動員表現(xiàn)都可能存在顯著的影響［2－7］。速度知覺測試方法可分為主觀測試、硬件儀器測試和軟件測試3種。主觀測試方法大都用在實際道路駕駛等場合中，硬件儀器測試與軟件測試則主要用在實驗室測量中。主觀測試通過詢問駕駛員的方式獲得駕駛員對速度的估計，同時記錄速度儀顯示的速度真值，兩者對照計算駕駛員速度估計偏差；硬件儀器測試與軟件測試原理相似，都是在特定界面上呈現(xiàn)物體運動，要求受試者判定物體運動速度，并根據(jù)對速度的判定進行適當?shù)姆磻?－7］。在實驗測量常用的兩種方式中，在計算機上開展的軟件測試相對于硬件儀器測試在靈活性、成本以及數(shù)據(jù)收集與處理等方面有著顯著的優(yōu)勢，是速度知覺測試的發(fā)展方向［8］。

飛行器空間交會對接根據(jù)其控制方式可分為自控交會對接與人控交會對接兩種。在國際上，美國較多采用的是人控交會對接，而蘇聯(lián)／俄羅斯則偏重于自控方式，未來發(fā)展趨勢是兩種控制方式相結(jié)合［8］。在載人航天器進行交會對接時，保留人工控制方式將可能發(fā)揮人思維決策能力強與靈活應變等優(yōu)點，提高對接成功率。通過人控交會對接專家對任務的分析，人對電視圖像中目標飛行器圖像在屏幕中移動速度的知覺與估計有可能影響控制時間、燃料消耗等人控交會對接任務績效。

鑒于當前速度知覺測試中軟件測試方法應用較少，已有測試軟件靈活性不足等問題，本文基于速度知覺測試心理學范式，利用C＋＋語言，設計開發(fā)了一款靈活穩(wěn)定的速度知覺測試軟件。利用所設計開發(fā)的速度知覺軟件，通過實驗設計與分析，本文對速度知覺能力是否影響人控交會對接任務績效這一問題進行了探討。

1 速度知覺測試軟件

1.1 功能設計

速度知覺軟件測試大都基于遮擋范式而進行設計的［1，7］。通過計算機軟件實現(xiàn)的遮擋范式一般在電腦屏幕上呈現(xiàn)物體的運動，物體運動方向、運動規(guī)律為事先設定，讓受試者判斷物體運動速度，并通過適當?shù)姆绞竭M行反應。從實現(xiàn)上將，就是在測試開始時，在屏幕上出現(xiàn)一個運動物體，物體運動一段后消失后，受試者需想象物體以同樣的規(guī)律運動，并在到達指定的目標終點或目標刻度線時進行按鍵操作，按鍵后物體重新出現(xiàn)作為反饋。為使得速度知覺測試具有穩(wěn)定性、通用性和可重復性等特點，本研究中將測試界面背景設定為白色，運動物體設定為一個灰色的圓形光點，光點運動軌跡規(guī)定為直線運動；而將物體的運動方向、運動方式（勻速、勻變速）、運動起點、初始速度等參數(shù)設計為可調(diào)，使得測試軟件在規(guī)范通用的同時具備足夠的靈活性。

打開速度知覺測試軟件即顯示背景界面，白色背景界面上有兩條相互垂直的灰色直線（將水平方向的直線記為X軸，豎直方向的直線記為Y軸），兩直線的交點為界面中心（記為原點）。在載入?yún)?shù)后，點擊開始鍵，將彈出測試者個人信息輸入界面。在輸入個人信息后測試開始，背景界面上將出現(xiàn)一個灰色的圓形光點（如圖1所示）。圓形光點在界面上做直線運動，圓形光點運動時間t秒后消失（t可設置），受試者需想象物體與消失前以同樣的規(guī)律運動，在估計光點到達目標點或目標刻線時按數(shù)字鍵0，受試者按下鍵后光點再次出現(xiàn)，界面上以數(shù)值的形式向受試者反饋距離線目標點或目標刻的位置偏差以及光點當前的運動速度（如圖2所示）。

1.2 參數(shù)設置

為方便操作，軟件參數(shù)列在一個文檔中，供實驗設計人員設置?？稍O置的參數(shù)包括全局變量參數(shù)和局部變量參數(shù)兩種。全局變量參數(shù)包括一組連續(xù)的多次測試中相鄰兩組測試的間隔時間（一般設為1s到3s），以及光點從出現(xiàn)在屏幕起到自動消失的時間。局部變量包括其光點運動方向、光點初始橫縱坐標位置、光點的初始速度以及加速度。其中光點運動方向有3種可選：從初始位置向原點運動，從初始位置向X軸運動（即豎直方向運動），從初始位置向Y軸運動（即水平方向運動）。光點初始橫縱坐標位置可選在屏幕內(nèi)的任意點，其單位為像素點。光點初始速度的單位為像素點／s；加速度的單位為像素點／s2，亦可進行設置。在實際設置中以上參數(shù)應配合設置才能達到測試目的。

1.3 速度知覺偏差計算

在速度知覺測試軟件中通過如下數(shù)學模型來計算速度估計偏差指標。

（1）計算光點從初始位置運動到目標點或目標線所需要的時間，記為T0。對于光點做勻速直線運動的情況，T0＝D0／V0，其中D0為光點初始位置到目標點或目標線的距離，V0為光點初始速度；對于勻加速或勻減速運動通過物理學方程V0T0＋aV20／2＝D0（滿足V20＋2aD0≥0時）反解得（出現(xiàn)的負根被舍棄）。

（2）記錄從光點出現(xiàn)在屏幕上并開始運動到受試者按下鍵的時間，記為T1。

（3）計算時間偏差Terror，Terror＝T0－T1。時間偏差大于零，表示受試者有低估運動速度的傾向，小于零則表示受試者有高估運動速度的傾向。

（4）計算時間偏差率Perror＝Terror／（T0－Tconst），其中Tconst為光點從出現(xiàn)在屏幕上到自動從屏幕上消失的時間，該參數(shù)為事先設定的全局變量。

在一次測試中一般設置參數(shù)不同的多組測試，最后將這些組測試的偏差時間的絕對值進行平均或?qū)⑵鋾r間偏差率的絕對值進行平均即為得到受試者的速度知覺偏差指標。受試者速度估計偏差越小，其速度知覺能力越強。

2 速度知覺測試軟件的應用

設計開發(fā)速度知覺測試軟件的一個直接應用目的是探索速度知覺能力是否影響人控交會對接任務績效。人控交會對接是一個較為復雜的人機交互任務，任務涉及到人的視知覺（包括運動感知）、表象加工、記憶、手動控制等諸多感知與認知要素。那么人的速度知覺在其中發(fā)揮了多大的作用，速度知覺能力是否顯著地影響人控交會對接任務績效呢？針對這一問題，本文開展了實驗研究。

2.1 被 試

選取中國航天員科研訓練中心16名科研工作者作為受試者。受試者全部為男性，右利手，矯正視力5.0以上。受試者年齡在27到42歲之間（年齡平均值為30.6，標準差為3.5）。

2.2 速度知覺測試實驗

通過預實驗發(fā)現(xiàn)光點做勻變速運動時人的速度知覺偏差在多次測試中波動較大；而光點做勻速運動時人的速度知覺偏差相對穩(wěn)定，且不同人的知覺偏差有顯著差異，即測試的穩(wěn)定性與敏感性均表現(xiàn)良好。因此選擇用不同方向、不同初始位置、不同初始速度的多組勻速直線運動模式來測量受試者的速度知覺能力。

通過文獻調(diào)研、專家咨詢與預實驗測試，確定了如下一組參數(shù)來進行速度知覺測試：光點做勻速直線運動，運動的目標點均為原點。全部測試中運動方向共8個（如圖3所示），每個方向進行三組測試，每組測試中的起點位置分為近距離點、中距離點、遠距離點3種，初始速度分低速、中速與高速3種。光點在屏幕上從第一次出現(xiàn)開始運動到自動消失的時間為5s，相鄰兩組測試間隔2s。

在正式測試中，受試者首先閱讀實驗指導，明確實驗規(guī)則與流程。然后打開速度知覺軟件進行8組練習。之后進入設定的24組參數(shù)的測試，軟件自動記錄和保存測試結(jié)果。

2.3 模擬人控交會對接實驗

基于地面人控交會對接模擬仿真平臺［9］，開展了模擬人控交會對接實驗，獲取了每名受試者10次交會對接實驗績效數(shù)據(jù)。

圖3 速度知覺測試中設置的光點8個運動方向

在人控交會對接任務中，如果出現(xiàn)突發(fā)情況，飛船系統(tǒng)將可能無法提供或無法精確地提供兩飛行器之間的相對運動參數(shù)信息。本研究中設計的模擬交會對接實驗模擬的正是無參數(shù)信息顯示，僅有視覺成像系統(tǒng)圖像顯示時的人控交會對接。在這種情況下受試者需要根據(jù)視覺成像系統(tǒng)顯示的目標飛行器圖像來感知和判斷追蹤飛行器與目標飛行器的相對位置與姿態(tài)偏差以及相對運動狀態(tài)，并通過操縱控制手柄進行控制。受試者用一只手控制平移手柄，調(diào)節(jié)兩飛船沿三軸六方向（上下，左右，前后）的相對位移偏差 ；用另一只手控制姿態(tài)手柄，調(diào)節(jié)兩飛船的相對滾轉(zhuǎn)（左右向旋轉(zhuǎn)）、俯仰（前端上下）、偏航（向左右擺）角度偏差［11］。

為保證受試者掌握人控交會對接任務基本技能，對受試者進行了5個科目的培訓，這些培訓分為理論培訓與實際對接練習與指導兩類。理論培訓中，交會對接任務專家向受試者介紹任務概況、控制原理、控制基本策略、任務要求、對接成功的標準等。實際對接練習在中國航天員科研訓練中心交會對接模擬器上進行。受試者執(zhí)行多種初始狀態(tài)的對接練習，其中在兩個科目的培訓中受試者需要連續(xù)對接成功3次方能結(jié)束該科目的培訓。5個科目的累積培訓時間約6.25小時。正式試驗中受試者的對接成功率平均超過0.9，說明培訓是比較充分的。

在培訓完成后一周內(nèi)，受試者在模擬器內(nèi)進行兩組正式的對接任務測試，每組測試中受試者完成1次練習之后進行5次正式的模擬交會對接實驗。10次對接實驗任務難度水平相近。實驗中軟件系統(tǒng)自動記錄受試者的控制時間、燃料消耗、對接精度等各類績效數(shù)據(jù)。

2.4 速度知覺測試與人控交會對接績效的關(guān)聯(lián)

2.4.1 速度知覺能力指標

將速度知覺測試中測得的同一名受試者在24組正式測試中的時間偏差的絕對值進行平均得到其速度知覺能力指標，該指標越小，速度知覺能力越強。

2.4.2 人控交會對接任務績效指標

基于Jiang等人對人控交會對接績效指標體系的研究［10］，構(gòu)建出圖4所示的指標體系來評價受試者的人控交會對接任務績效。體系中頂層指標為對接精度績效指標與對接過程績效指標兩大類；對接精度底層指標包括對接時刻的滾轉(zhuǎn)角偏差、俯仰角偏差、偏航角角偏差以及平移偏差；對接過程底層指標包括對接全程的控制時間、燃料消耗、累積偏差（累積滾轉(zhuǎn)角偏差、累積俯仰角偏差、累積偏航角偏差、累積平移偏差）。

圖4 模擬人控交會對接任務績效指標體系

對選取的底層指標進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，累積平移偏差績效指標與累積偏航偏差的相關(guān)性達到了0.81，與控制時間的相關(guān)性達到了0.65，且均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05，n＝160）。這表明該指標與其它指標的獨立性較差，因此在績效綜合評價時予以剔除。剔除累積平移偏差這一指標后，任意兩底層指標之間的相關(guān)性不超過0.6，本文從充分利用各類績效數(shù)據(jù)的角度出發(fā)不再剔除其它績效指標。

實驗中，軟件系統(tǒng)自動計算和記錄指標體系中的底層指標（累積偏差通過對偏差的絕對值隨時間積分而得）。指標綜合時利用熵值法（entropy method）［11－12］對底層指標進行綜合得到對接精度綜合績效指標與對接過程綜合績效指標。熵值法可以解決底層指標單位不一致無法直接綜合的問題，且可以充分利用數(shù)據(jù)包含的信息來合理區(qū)分受試者綜合績效優(yōu)劣。

2.4.3 相關(guān)分析

在進行相關(guān)分析前首先檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布特征，通過SPSS 14.0中的K－S正態(tài)分布檢驗，受試者的速度知覺能力指標與人控交會對接任務各績效指標均能通過正態(tài)分布檢驗，這說明兩類測試都沒有出現(xiàn)天花板效應或地板效應，這是相關(guān)分析的前提。接著計算了16名受試者的速度知覺能力指標與人控交會對接任務各類績效指標的Pearson相關(guān)系數(shù)，見表1和表2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受試者速度知覺能力指標與所有的對接績效指標均呈正相關(guān)，其中與部分對接過程績效指標的相關(guān)性達到了顯著性水平。這表明速度知覺能力可能顯著地影響著人控交會對接過程績效。雖然，速度知覺能力指標與所有對接精度績效指標的相關(guān)性均未達到顯著水平，但正相關(guān)的趨勢表明速度知覺能力也極有可能影響著人控交會對接任務的對接精度。

表1 速度知覺與人控交會對接績效的相關(guān)系數(shù)

表2 速度知覺與人控交會對接精度的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

在正式測試中，16人速度知覺測試結(jié)果能通過K－S正態(tài)分布檢驗，測試數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征。這表明速度知覺測試具有良好的敏感性，可有效區(qū)分人的速度知覺能力。

速度知覺能力指標與人控交會對接任務部分績效表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性，這表明速度知覺能力在人控交會對接任務中很可能發(fā)揮著重要作用。

速度知覺能力與人控交會對接任務部分過程績效表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性，而與所有對接精度績效指標沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。這可能是兩方面原因造成的：①在對接末段，兩飛行器相對運動速度往往被控制得非常小，此時影響對接精度的主要是末段之前的控制好壞以及最終的精細調(diào)節(jié)能力，速度知覺對精度影響可能較??；②對接末段受試者對精度追求上有分化。這種分化及由此導致的末段控制策略的差別可能直接影響其對接精度，而末段控制策略對全過程的控制時間、累積偏差等過程指標影響較小。也就是說對接精度可能不僅受人的速度知覺等認知能力的影響，還受到控制策略、主觀自我要求等因素影響。

4 結(jié)束語

本文介紹了一款速度知覺軟件的設計開發(fā)及應用實例。通過軟件來測量速度知覺等認知能力的方法具有靈活性好、成本低等優(yōu)勢，是目前基本認知能力測量的發(fā)展趨勢。

在人的認知能力測試中，由于人與人的個體差異，以及人的狀態(tài)起伏，反復多次測試必不可少。在進行參數(shù)設置等前期準備中，專家意見以及一定量的預實驗十分必要。

人的基本認知能力測試可廣泛應用在人員選拔與針對性培訓中，對于降低認知失誤風險，提高任務成功率與可靠性意義重大。

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