HUD狀態(tài)下飛行員視覺注意資源分配機(jī)制研究*

郝紅勛，衛(wèi)宗敏

(1.中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院,天津 300300；2.中國民航管理干部學(xué)院 航空安全管理系,北京 100102)

0 引言

目前中國新一代民用飛機(jī)(如B787飛機(jī)、A380飛機(jī)和正在研制的C919飛機(jī))和新一代戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙普遍安裝和使用了HUD。在復(fù)雜的視覺狀況下，HUD提供附加的主飛行引導(dǎo)指示，以便飛行員能夠快速地評(píng)估飛機(jī)姿態(tài)、能量狀態(tài)及飛機(jī)所處位置，有助于增強(qiáng)飛行員在目視飛行和儀表飛行之間轉(zhuǎn)換的能力，從而減少飛行員在下視顯示器(Head-Down Display,HDD)和HUD之間的轉(zhuǎn)換負(fù)擔(dān)[1]。

然而科學(xué)研究與航空實(shí)踐均表明，使用HUD過程中也存在一些問題。如在特高難度任務(wù)(各類任務(wù)疊加)狀態(tài)下，HUD導(dǎo)致很窄的注意通道，飛行員可能專注于某一顯示符號(hào)，而中斷對低概率事件的符號(hào)掃視，從而限制了各類飛行員(如軍機(jī)飛行員[2]、民航運(yùn)輸機(jī)飛行員[3]、直升機(jī)飛行員[4]等)在飛行中對呈現(xiàn)在HUD上的各類符號(hào)的處理過程。此外，在飛行實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飛行員會(huì)以不同的注意通道處理2個(gè)信息源，并在飛行實(shí)驗(yàn)過程中逐漸注意HUD所顯示的信息而忽略或者減緩注意飛機(jī)外部的關(guān)鍵信息，如遠(yuǎn)前方正穿越跑道的飛機(jī)、跑道上的障礙物[2,5]。為飛行安全考慮，有必要對飛行員加工顯示符號(hào)與顯示符號(hào)之間及顯示符號(hào)與外界環(huán)境之間的視覺注意資源問題進(jìn)行研究。注意資源分配機(jī)制問題雙作業(yè)任務(wù)研究是有效的方法[6]。

ERP技術(shù)以其高時(shí)間分辨率(微秒～毫秒)及無損傷性成為近年來研究腦功能的重要工具之一[7]。大量的研究結(jié)果表明ERP成分中的P300與注意等認(rèn)知功能密切相關(guān)[8-10]。在ERP相關(guān)研究中，被試者在辨認(rèn)“靶刺激”時(shí)，頭皮記錄到潛伏期約300 ms的最大晚期正波為P300。通常情況下，P300的幅度較大且跨度范圍較寬，由稀少的、任務(wù)相關(guān)的刺激誘發(fā)，潛伏期一般在300 ms左右，有時(shí)更長，通常分布在中央頂區(qū)，且中線附近幅度最大[8]。

精心設(shè)計(jì)試驗(yàn)，模擬飛行試驗(yàn)中被試者完成不同飛行難度任務(wù)時(shí)，檢驗(yàn)由oddball模式下的視覺刺激任務(wù)(輔任務(wù))所誘發(fā)的P300是否會(huì)呈現(xiàn)出不同。在對飛行模擬實(shí)驗(yàn)中的主、輔任務(wù)進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過目標(biāo)信息數(shù)量及刷新頻率來控制被試者的高、低飛行難度水平，利用ERP結(jié)合行為實(shí)驗(yàn)對HUD狀態(tài)下飛行員視覺注意資源分配機(jī)制進(jìn)行研究。

1 方法

1.1 被試者

被試者為模擬飛行學(xué)員，共28名男性，年齡22～28歲，平均年齡25.8歲，視力或矯正視力在1.0以上，無色盲色弱，均為右利手。實(shí)驗(yàn)開始前，所有被試者均在飛行模擬器上接受完整的實(shí)驗(yàn)飛行任務(wù)培訓(xùn)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)要求的操作。

采用組間對照研究，將被試者平均分成2組，每組14人，分別參加高飛行難度實(shí)驗(yàn)和低飛行難度實(shí)驗(yàn)。高飛行難度實(shí)驗(yàn)組需同步監(jiān)視6個(gè)儀表信息，低飛行難度實(shí)驗(yàn)組需同步監(jiān)視3個(gè)儀表信息，輔任務(wù)的組間實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置則完全相同。

1.2 飛行模擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)

被試者需要在飛行模擬器上完成完整的動(dòng)態(tài)飛行過程，1次實(shí)驗(yàn)約830 s。在實(shí)驗(yàn)的過程中，要求被試者監(jiān)視HUD仿真模型上所呈現(xiàn)的目標(biāo)信息狀態(tài)，被試者需要完成對異常信息的識(shí)別、判斷及響應(yīng)操作。

對于模擬顯示的6個(gè)飛行儀表信息，被試者需要在實(shí)驗(yàn)前記憶6個(gè)信息的異常范圍，實(shí)驗(yàn)過程中，被試者監(jiān)控相關(guān)儀表信息，異常呈現(xiàn)時(shí)，按指定鍵進(jìn)行響應(yīng)。

用E-Prime編程在實(shí)驗(yàn)界面所顯示的儀表信息上設(shè)置隨機(jī)異常，這些異常信息隨機(jī)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中，并在呈現(xiàn)短暫的時(shí)間間隔后消失，在1次飛行過程中，每個(gè)儀表出現(xiàn)的隨機(jī)擾動(dòng)信息總數(shù)相同且同時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的擾動(dòng)信息不超過1個(gè)。異常信息在被試者響應(yīng)(含正確響應(yīng)、錯(cuò)誤響應(yīng))后恢復(fù)正常，如被試者未響應(yīng)，擾動(dòng)信息結(jié)束呈現(xiàn)后，自動(dòng)恢復(fù)正常。

實(shí)驗(yàn)通過設(shè)定HUD中待響應(yīng)飛行信息的參數(shù)來控制被試者的飛行難度水平：在高飛行難度下，需要被試者保持監(jiān)視的目標(biāo)信息數(shù)量為6個(gè)，信息異常狀態(tài)的平均呈現(xiàn)時(shí)間與間隔時(shí)間分別為0.6，1 s；在低飛行難度下，目標(biāo)信息數(shù)量為3個(gè)，信息異常狀態(tài)的平均呈現(xiàn)時(shí)間與間隔時(shí)間均設(shè)定為1 s。

1.3 oddball 任務(wù)

在實(shí)驗(yàn)中，HUD的視景部分呈現(xiàn)出oddball模式下的光信號(hào)(包括紅光和綠光)，如圖1所示。完整的刺激序列含400個(gè)光信號(hào)，設(shè)定紅光信號(hào)為靶刺激(呈現(xiàn)概率為20%)；綠光信號(hào)為非靶刺激(呈現(xiàn)概率為80%)。2種刺激呈現(xiàn)時(shí)間均設(shè)定為0.5 s，刺激間隔為1.5 s。要求被試者對紅光信號(hào)進(jìn)行按鍵反應(yīng)，忽略綠光信號(hào)。

圖1 HUD視景中的oddball模式光信號(hào)Fig.1 Optical signal of oddball mode in HUD scene

1.4 ERP數(shù)據(jù)記錄與分析

采用Neuroscan Neuamps系統(tǒng)記錄30個(gè)導(dǎo)腦電信號(hào)(F7，F(xiàn)T7，T3，TP7，T5；FP1，F(xiàn)3，F(xiàn)C3，C3，P3，O1；FZ，F(xiàn)CZ，CZ，CPZ，PZ，OZ；FP2，F(xiàn)4，F(xiàn)C4，C4，P4，O2；F8，F(xiàn)T8，T4，TP8，T6；M1，M2)。電極位置則按照普遍采用的10-10電極系統(tǒng)正確放置。

以鼻尖為參考，前額接地，同時(shí)記錄水平和垂直眼電。電極與皮膚接觸阻抗小于5 kΩ，記錄帶寬為0.05～100 Hz，采樣率為1 000 Hz/導(dǎo)。分析時(shí)程為1.3 s，含刺激前的0.2 s為基線矯正，波幅大于±100 μν視為偽跡，直接剔除。

對高、低飛行任務(wù)下，紅色靶刺激誘發(fā)的EEG(腦電圖)分類疊加，可得到靶刺激誘發(fā)的ERP。排除眼電偽跡，分析時(shí)程為1.5 s，其中刺激前0.2 s進(jìn)行基線校正，剔除波幅大于±100 μV的腦電數(shù)據(jù)，得到高飛行任務(wù)與低飛行任務(wù)下的P300(300～500 ms)波形。

1.5 行為學(xué)數(shù)據(jù)記錄與分析

用E-Prime對被試的正確率和反應(yīng)時(shí)間做初步統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)記錄被試完成飛行任務(wù)及界面作業(yè)任務(wù)的績效(包括正確響應(yīng)、遺漏響應(yīng)及錯(cuò)誤響應(yīng))和響應(yīng)時(shí)間(自目標(biāo)出現(xiàn)至反應(yīng)的間隔時(shí)間)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件對行為數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對正確反應(yīng)的靶刺激和非靶刺激的誘發(fā)電位分別進(jìn)行疊加平均。采用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件對ERP波形的測量指標(biāo)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析，分析ERP數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件(飛行任務(wù)高/低)和電極位置2個(gè)因素。

2.1 行為學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果

被試者在高、低飛行難度下對主飛行任務(wù)及輔飛行任務(wù)的正確率和反應(yīng)時(shí)間如表1所示。單因素重復(fù)測量方差分析表明，對于主飛行任務(wù)而言，飛行難度對正確操作率(F(1，13)=8.25，P=0.012<0.05)及反應(yīng)時(shí)間(F(1,13)=46.394，P=0.000<0.05)的影響顯著；對于輔飛行任務(wù)而言，飛行難度對正確操作率(F(1，13)=12.015，P=0.004<0.05)及反應(yīng)時(shí)間(F(1，13)=43.794，P=0.000<0.05)的影響顯著。

2.2 ERP數(shù)據(jù)

300～800 ms的腦電壓地形圖如圖2～3所示。根據(jù)圖2～3對300～800 ms的時(shí)間窗內(nèi)的P300平均波幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 高、低飛行難度下的正確操作率及反應(yīng)時(shí)Table 1 Correct operation rate and reaction time under high and low flight difficulties

圖2 高飛行任務(wù)腦電圖Fig.2 Electroencephalogram under high flight mission conditions

圖3 低飛行任務(wù)腦電圖Fig.3 Electroencephalogram under low flight mission conditions

對P300不同腦區(qū)(左、中、右)幅值所進(jìn)行重復(fù)測量的方差分析表明，左、中、右3個(gè)不同腦區(qū)飛行難度的主效應(yīng)顯著(F(1,13)=8.994；P=0.01<0.05；η2=0.409)，具體表現(xiàn)為高飛行任務(wù)下P300波幅(13.453±1.143 μV)顯著高于低飛行難度下(7.790±1.695 μV)。

腦區(qū)的主效應(yīng)顯著(F(4,52)=14.779；P=0.032<0.05)，呈現(xiàn)出右側(cè)腦區(qū)電壓優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為中線(11.045±1.212 μV)的波幅顯著高于左側(cè)腦區(qū)(9.852±1.040 μV)，右側(cè)腦區(qū)(10.967±1.128 μV)的波幅臨界高于左側(cè)腦區(qū)(9.852±1.040 μV)。

電極的主效應(yīng)顯著(F(2,26)=3.922；P=0.000<0.05)，具體表現(xiàn)為額區(qū)、額中央?yún)^(qū)、中央?yún)^(qū)電極位置的P300波幅為(8.990±1.128 μV)，(9.137±1.107 μV)，(9.879±1.056 μV)，顯著低于中央頂區(qū)(11.427±1.223 μV)和頂區(qū)(13.672±1.387 μV)電極位置。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示沒有交互效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。

2.3 ERP與行為學(xué)的相關(guān)性分析

為了驗(yàn)證作業(yè)績效與P300成分之間的相關(guān)程度，選取F3，F(xiàn)Z，F(xiàn)4；FC3，F(xiàn)CZ，F(xiàn)C4；C3，CZ，C4；CP3，CPZ，CP4；P3，PZ，P4 15個(gè)電極，對其幅值和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析。

選取幅度最大的FZ電極，相關(guān)分析結(jié)果表明：FZ幅值與反應(yīng)時(shí)間相關(guān)性顯著(r=-0.560，P=0.002<0.01)；FZ潛伏期與反應(yīng)時(shí)相關(guān)性不顯著(r=0.257，P=0.186>0.05)。

3 討論

3.1 行為績效討論

行為學(xué)績效數(shù)據(jù)表明，被試者在高、低任務(wù)難度下的作業(yè)績效差異顯著。在高飛行難度下，被試者對HUD上異常信息的正確操作率降低，且反應(yīng)時(shí)間延長。HUD上異常信息的多少影響飛行員的作業(yè)績效。這一結(jié)果與相關(guān)學(xué)者在其他領(lǐng)域的研究結(jié)果一致[11-13]，說明被試者的行為學(xué)績效水平與任務(wù)的難易程度呈正相關(guān)而與任務(wù)的種類無關(guān)。

研究結(jié)果吻合了總體任務(wù)資源理論[14]，即知覺負(fù)荷能在感知加工階段通過影響注意力資源的分配，在高飛行難度任務(wù)下，被試者需要同時(shí)監(jiān)視的信息量增多，平均分配在每個(gè)信息上的注意力資源減少，從而導(dǎo)致正確操作率的下降；且隨著信息量的增加，被試者對單個(gè)信息的注視頻率降低，故反應(yīng)時(shí)間延長。這從另一個(gè)側(cè)面說明使用主任務(wù)測量和輔任務(wù)測量結(jié)合的雙作業(yè)任務(wù)方法對于研究在HUD上的注意資源分配問題是可靠的。

3.2 ERP結(jié)果討論

ERP數(shù)據(jù)表明，被試者在高、低飛行任務(wù)難度下由HUD上呈現(xiàn)的視覺oddball輔任務(wù)所誘發(fā)的P300波幅差異顯著。具體表現(xiàn)為：隨著主任務(wù)難度的增加，由輔任務(wù)所誘發(fā)的P300的波幅顯著降低。這一結(jié)果與前人在其他領(lǐng)域的研究結(jié)果一致[13,15-16]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，隨著主任務(wù)難度的增加，主輔任務(wù)的作業(yè)績效均顯著下降，即在HUD狀態(tài)下的飛行任務(wù)中，雙任務(wù)作業(yè)的結(jié)果隨主任務(wù)難度的增加輔任務(wù)所誘發(fā)的P300的波幅顯著降低，被試者對異常信息的正確探測率顯著下降。

ERP與行為學(xué)績效的相關(guān)性分析結(jié)果表明，P300波幅與正確探測率呈正相關(guān)。因此認(rèn)為P300的波幅受HUD狀態(tài)下的注意資源分配的影響，P300波幅降低意味著被試者剩余注意資源的減少。這一結(jié)果有效地支撐了TGR(總體任務(wù)資源理論)，即被試所擁有的注意資源是一定的，當(dāng)主任務(wù)難度增加時(shí)，由于被試加工這些異常信息所需的注意資源增多，從而導(dǎo)致用于處理輔任務(wù)的剩余注意資源減少。

ERP數(shù)據(jù)表明，被試者在高、低任務(wù)難度下由HUD上呈現(xiàn)的視覺oddball輔任務(wù)所誘發(fā)的P300潛伏期差異顯著。具體表現(xiàn)為高任務(wù)難度下，P300的潛伏期顯著延長。在高任務(wù)難度下，更多的注意資源被用于儀表監(jiān)視主任務(wù)，從而導(dǎo)致被試者對輔任務(wù)所分配的注意資源減少，而注意資源的減少直接導(dǎo)致被試者對輔任務(wù)(光信號(hào)的辨認(rèn))的處理速度減慢。

3.3 HUD狀態(tài)下飛行員視覺注意資源分配機(jī)制

為探討HUD狀態(tài)下飛行員視覺注意資源分配機(jī)制問題，綜合采用行為學(xué)和腦科學(xué)方法中的ERP方法，在飛行模擬實(shí)驗(yàn)條件下開展研究。綜合ERP和行為學(xué)的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)的注意資源理論[17]，認(rèn)為HUD狀態(tài)下飛行員的注意資源分配機(jī)制符合一般規(guī)律。具體機(jī)制為：

1)飛行員并行監(jiān)控多項(xiàng)儀表信息，其績效會(huì)下降并非由監(jiān)控任務(wù)自身的干擾所引起的，而是完成該任務(wù)所需的注意資源超過了飛行員的注意資源，只要監(jiān)控任務(wù)不超過飛行員的總體注意資源，飛行員就可以并行完成多項(xiàng)任務(wù)；

2)當(dāng)需要監(jiān)控的飛行信息超過飛行員本身擁有的注意資源總和時(shí)，飛行員試圖同時(shí)做更多的監(jiān)控任務(wù)，那么第1項(xiàng)監(jiān)控任務(wù)的績效將會(huì)降低；

3)飛行員的注意資源分配是靈活的，可以改變并適應(yīng)不同飛行監(jiān)控任務(wù)的需要。

3.4 研究的意義及局限性

結(jié)合本研究所提出的HUD狀態(tài)下飛行員視覺注意資源分配機(jī)制，在飛行員養(yǎng)成培訓(xùn)中，可以采用飛行模擬機(jī)和多飛行儀表狀態(tài)，有針對性地?cái)U(kuò)充飛行員注意資源訓(xùn)練，如在儀表飛行訓(xùn)練中，加強(qiáng)飛行員的儀表快速認(rèn)讀能力訓(xùn)練和多儀表快速掃視能力訓(xùn)練等。而檢驗(yàn)訓(xùn)練效果時(shí)，可同時(shí)借鑒本研究所提出的P300波幅和行為學(xué)績效指標(biāo)。

因飛行任務(wù)的復(fù)雜性和飛行員的個(gè)性具有一定的不確定性，相關(guān)研究也指出在注意機(jī)制尚未完全明確之前，多種理論的存在仍然具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)價(jià)值[18]，故該理論仍有待進(jìn)一步深入驗(yàn)證和通過飛行實(shí)踐的檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

1)使用主任務(wù)測量和輔任務(wù)測量結(jié)合的雙作業(yè)任務(wù)方法對研究HUD上的注意資源分配問題是可靠的。

2)HUD上呈現(xiàn)的異常信息數(shù)量影響飛行員的作業(yè)績效，在高任務(wù)難度下，被試者對HUD上異常信息的正確操作率降低，且反應(yīng)時(shí)間延長。

3)ERP的P300成分可以用來研究HUD狀態(tài)下的注意資源分配問題。雙作業(yè)任務(wù)下，P300的波幅與HUD上注意資源分配的多少呈正相關(guān)。