塔臺(tái)管制中情境意識(shí)與視覺搜索策略關(guān)系研究

靳慧斌， 呂 川， 朱國(guó)蕾

(1. 中國(guó)民航大學(xué) 運(yùn)用航空學(xué)院，天津 300300; 2. 中國(guó)民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院,天津 300300; 3. 中國(guó)民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院, 300300)

空中交通管制(air traffic controllers, ATC)是保障民航安全的重要一環(huán)，尤其是塔臺(tái)管制，飛行活動(dòng)總量不足區(qū)域管制的1/10，卻有高達(dá)29%的不安全事件發(fā)生在塔臺(tái)管制范圍內(nèi)[1]。為保障飛行安全，塔臺(tái)管制員要在資源有限情況下實(shí)時(shí)處理空地交互的各種動(dòng)態(tài)信息，并做出正確的管制決策，這要求其必須具備高效地視覺搜索策略。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空管不安全事件致因中約80%是人為差錯(cuò)[2]，情境意識(shí)(situation awareness, SA)是導(dǎo)致人為差錯(cuò)的關(guān)鍵因素[3-4]，信息獲取又是SA形成與保持最重要一環(huán)，而視覺搜索策略影響著信息獲取。因此，研究不同的SA水平下塔臺(tái)管制員視覺搜索策略，對(duì)保障空管安全運(yùn)行具有十分重要的作用。

視覺搜索是通過眼動(dòng)行為來搜尋目標(biāo)信息，并對(duì)信息進(jìn)行加工的過程[5-6]。目前能表征視覺搜索行為的眼動(dòng)指標(biāo)中，注視熵率值受到眾多學(xué)者青睞：在飛行研究領(lǐng)域，J.R.TOLE等[7]提出利用注視熵率值研究飛行員眼動(dòng)特性與工作負(fù)荷的關(guān)系；K.K.E.ELLIS[8]則分析了飛行員的掃視模式；張曉燕[9]研究了飛行員動(dòng)態(tài)視覺特性。在駕駛研究領(lǐng)域，S.BAO等[10]和F.SCHIEBER等[11]分別研究了不同駕齡和不同任務(wù)情境下駕駛員視覺搜索規(guī)律；彭金栓等[12]研究了不同熟練程度駕駛?cè)说囊曈X特性；成英等[13]則分析了U型路段轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)駕駛?cè)说囊曈X特性影響。

綜上所述，利用注視熵率值研究被試視覺搜索規(guī)律是有效的，且值得進(jìn)一步探究。因此，筆者搭建模擬塔臺(tái)管制試驗(yàn)平臺(tái)，利用3D-SART(sustained attention to response task, SART)量表[14]評(píng)價(jià)被試的SA，以注視熵率值和興趣區(qū)(air of interest, AOI)內(nèi)的注視點(diǎn)數(shù)作為眼動(dòng)指標(biāo)，分析不同SA水平的被試眼動(dòng)特征，探索其視覺搜索策略，以期為塔臺(tái)管制員選拔和培訓(xùn)提供重要參考。

1 注視熵率值算法

熵的概念最開始來源于熱力學(xué)，之后被引入飛行領(lǐng)域與駕駛領(lǐng)域，用來定量表征被試注視點(diǎn)分布與掃視模式。注視熵率值反映了被試視覺掃描的隨意性[15]。其定義如式(1)～(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：D為AOI的數(shù)量；E為離散變量蘊(yùn)含的熵信息；Txi指被試視點(diǎn)駐留在某個(gè)區(qū)域的平均注視時(shí)間；Pxi為某區(qū)域的注視概率；i為區(qū)域序號(hào)。

當(dāng)Pxi=1時(shí)，E=0，進(jìn)一步得到En=0，這表明當(dāng)前被試注視點(diǎn)僅停駐在某個(gè)興趣區(qū)域，未發(fā)生注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況，視角掃描靈活性最低。

將注視熵率值引入管制領(lǐng)域中，可表征被試的視覺搜索過程。注視熵率值大，表明管制員在管制過程中視覺掃描靈活性好，掃視幅度較大，搜索信息和捕獲信息能力較強(qiáng)。管制員注視點(diǎn)若能靈活轉(zhuǎn)移、分布更廣泛的話，則能夠擴(kuò)大管制員視覺搜索范圍，可更好地統(tǒng)籌全局，進(jìn)而有效避免潛在飛行沖突。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

模擬塔臺(tái)管制軟件和眼動(dòng)儀為試驗(yàn)平臺(tái)。眼動(dòng)儀采樣率為60 Hz，精度為0.5°。

2.2 被試

被試者為12名大四在校生，其中男生10人，女生2人，平均年齡21.58歲，標(biāo)準(zhǔn)差1.16歲，視力正常，無色盲色弱，右利手。另外，被試者均具有塔臺(tái)3月以上管制實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，可獨(dú)立完成塔臺(tái)管制工作。進(jìn)行試驗(yàn)之前，提前對(duì)被試者進(jìn)行模擬塔臺(tái)管制軟件使用培訓(xùn)，直至被試者能熟練使用模擬塔臺(tái)管制軟件。

2.3 試驗(yàn)過程

模擬塔臺(tái)管制所選機(jī)場(chǎng)為邁阿密機(jī)場(chǎng)，管制時(shí)間段選取08:00—08:30，所管制飛機(jī)數(shù)量為16架。

試驗(yàn)過程如下：① 對(duì)模擬塔臺(tái)管制軟件進(jìn)行管制任務(wù)設(shè)置：選擇邁阿密機(jī)場(chǎng)，選取管制時(shí)間段，設(shè)置管制難度等；② 指導(dǎo)被試者完成眼動(dòng)儀校準(zhǔn)工作，校準(zhǔn)完成進(jìn)入試驗(yàn)，眼動(dòng)儀同步記錄；③ 試驗(yàn)結(jié)束后，指導(dǎo)被試者完成3D-SART量表填寫，以測(cè)得被試SA分值。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)的自變量為被試者SA水平，因變量為注視熵率值與AOI注視點(diǎn)數(shù)。其中，注視熵率值與AOI注視點(diǎn)數(shù)通過眼動(dòng)儀原始數(shù)據(jù)計(jì)算得出；SA通過3D-SART量表來進(jìn)行評(píng)定。

3.1 3D-SART量表

SA主觀測(cè)量由3D-SART量表來實(shí)現(xiàn)，最早用于飛行員SA評(píng)價(jià)。SA計(jì)算通過利用3個(gè)維度對(duì)被試者進(jìn)行評(píng)分，各維度采用100分制。具體計(jì)算如式(4)[16]：

RSA=RSU-(RAD-RAS)

(4)

式中：RSA為SA評(píng)價(jià)；RSU為情境理解(situation under-stand)；RAD為注意資源需求(attention demand)；RAS為注意資源供給(attention supply)。

3.2 興趣區(qū)劃分(圖1)

如圖1，結(jié)合塔臺(tái)管制工作性質(zhì)及試驗(yàn)界面各區(qū)域功能，將模擬塔臺(tái)管制界面劃分為4個(gè)AOI：A代表區(qū)域?yàn)榭沼蚶走_(dá)監(jiān)視區(qū)；L代表區(qū)域?yàn)閳?chǎng)面監(jiān)視區(qū)；S代表區(qū)域?yàn)檫M(jìn)程單區(qū)；C代表區(qū)域?yàn)橹噶顧趨^(qū)。

圖1 AOI劃分Fig. 1 AOI partition

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)有2名被試者眼動(dòng)數(shù)據(jù)采樣率過低，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，筆者將其眼動(dòng)數(shù)據(jù)舍去，選取剩余10名被試者眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析處理。

依據(jù)被試者實(shí)際SA得分情況與其管制過程中出現(xiàn)的操作差錯(cuò)性質(zhì)，將被試者分為3組。一組是分值為70分以上且未發(fā)生差錯(cuò)的被試者，定為SA優(yōu)良組，共3人；一組是60～70分且沒有產(chǎn)生嚴(yán)重差錯(cuò)的被試者，定為SA中等組，共4人；最后一組是60分以下、且出現(xiàn)了會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果的沖突事件被試者，定為SA較差組，共3人。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 注視熵率值分析

3組被試者注視熵率值對(duì)比情況如圖2。

圖2 不同SA水平的注視熵率值比較Fig. 2 Comparison of the fixation entropy rate withdifferent level of SA

由圖2可知：被試者注視熵率值隨其SA水平提高而逐漸增大。通過計(jì)算，SA優(yōu)良組被試者的注視熵率值較中等組被試者提高了15.6%，SA中等組被試者注視熵率值和較差組被試者相比提高了25.9%，SA優(yōu)良組被試者注視熵率值和較差組被試者相比提高了37.5%。由此，可看出SA水平高被試者視角掃視靈活性遠(yuǎn)大于SA水平低的被試者。

進(jìn)一步以SA水平作為分類變量，以注視熵率值作為觀測(cè)變量進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明：這3組SA水平之間注視熵率值存在顯著差異(F=16.074，P=0.002<0.05)。

這說明SA水平較高的管制員視覺掃描靈活性更好，掃視幅度更大，注視點(diǎn)分布更分散。即可掃描到更多的興趣區(qū)域，獲取更多的飛機(jī)實(shí)時(shí)信息。由于試驗(yàn)中所管制的飛機(jī)數(shù)量較多，時(shí)間緊迫，管制員注意資源有限，SA水平較高的管制員注視某區(qū)域時(shí)傾向于增加注意深度，一次注視便能獲取足夠信息，進(jìn)而可以較大掃視幅度注視下一個(gè)興趣區(qū)域，這樣可避免注意力收縮在較為狹窄的范圍內(nèi)。通過靈活地轉(zhuǎn)移注視點(diǎn)、提高掃視幅度可提高視覺搜索效率，從而做到在相同時(shí)間內(nèi)獲取更多興趣區(qū)的實(shí)時(shí)信息，有助于管制員及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在飛行沖突。這與相關(guān)研究結(jié)論一致[17-18]：SA水平高的管制員注視點(diǎn)分布更為分散，注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移更加頻繁，擁有更好的全局意識(shí)，能夠獲取更多的實(shí)時(shí)飛機(jī)信息，以避免飛行沖突，確保飛行安全。

4.2 AOI注視點(diǎn)數(shù)分析

AOI注視點(diǎn)數(shù)表征此區(qū)域重要度。3組被試各AOI平均注視點(diǎn)數(shù)情況如圖3。

圖3 不同SA水平的注視點(diǎn)數(shù)量比較Fig. 3 Comparison of the number of fixation point with differentlevel of SA

由圖3可知：SA水平高的被試者在A、L區(qū)注視點(diǎn)數(shù)量多于SA水平低的被試者；在S、C區(qū)注視點(diǎn)數(shù)量則低于SA水平低的被試。表1為不同SA水平被試者在各個(gè)區(qū)注視點(diǎn)數(shù)量的具體差異對(duì)比。由表1可以看出：SA優(yōu)良組與較差組被試者相比在A、L區(qū)注視點(diǎn)數(shù)量大幅度提高，而S、C區(qū)的注視點(diǎn)數(shù)量則大幅度下降，這說明SA水平高的被試者注意分配明顯不同于SA水平低的被試者。進(jìn)一步以SA水平作為分類變量，以各AOI注視點(diǎn)數(shù)作為觀測(cè)變量進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明：這3組被試者之間各AOI注視點(diǎn)數(shù)存在著顯著差異(FA=7.855，P=0.016<0.05；FL=46.206，P=0.000<0.05；FS=40.781，P=0.000<0.05；FC=23.671，P=0.001<0.05)。

表1 不同SA水平的被試者在各區(qū)注視點(diǎn)數(shù)量的提高(下降)百分比對(duì)比情況Table 1 Comparison of the percentage of increase/decrease of thenumber of fixation points of the tested subject with different level of SAin each district %

這說明SA水平高的管制員會(huì)將注意資源主要分配于空域、地面，以獲取更多空域和地面的信息，同時(shí)也有效結(jié)合進(jìn)程單，以避免起降航班沖突和盡量減少航班延誤；而SA水平低的管制員對(duì)空域信息關(guān)注過少，對(duì)進(jìn)程單及指令欄關(guān)注過多，導(dǎo)致其無法獲取足夠航班信息，這也是起降航班沖突的主要致因。

結(jié)合被試者的注視熵率值，可以發(fā)現(xiàn)SA水平高的管制員不僅會(huì)將注意資源主要分配于能獲取最多飛機(jī)信息、有效避免起降沖突的空域和地面區(qū)域，同時(shí)其掃視幅度大，注視點(diǎn)也能靈活轉(zhuǎn)移到進(jìn)程單區(qū)與指令欄，高效地視覺搜索效率使得管制員能更好地統(tǒng)籌全局；而SA水平低的管制員對(duì)進(jìn)程單及指令欄關(guān)注較多，對(duì)空域信息關(guān)注較少，且其視角靈活性很低，掃視幅度及范圍很小，無法實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)信息，失去了全局意識(shí)，不可避免地造成航班沖突。

5 結(jié) 論

筆者通過設(shè)計(jì)模擬塔臺(tái)管制試驗(yàn)，利用注視熵率值與AOI注視點(diǎn)數(shù)分析了不同SA水平塔臺(tái)管制員的視覺搜索策略，可得到以下結(jié)論：

1)SA水平高的塔臺(tái)管制員視覺搜索策略優(yōu)于SA水平低的管制員；

2)SA水平高的塔臺(tái)管制員注視點(diǎn)數(shù)主要分配于空域雷達(dá)監(jiān)視區(qū)和地面監(jiān)視區(qū)域，并能有效結(jié)合進(jìn)程單和指令欄；

3)SA水平高的塔臺(tái)管制員注視熵率值高于SA水平低的管制員，其注視轉(zhuǎn)換靈活性更好，掃視幅度更大，視覺搜索效率更高。