基于眼動數(shù)據的民航飛行學員運動推斷能力分析

王燕青, 李 瑞, 丁 冬

(1.中國民航大學飛行技術學院，天津 300300； 2.中國民航大學經濟與管理學院，天津 300300)

飛行學員在飛行訓練時，尤其是在目視飛行規(guī)則下，由于在空中沒有參照物[1]，因此需要對飛機運動狀態(tài)有很好的推斷能力。例如，穿云飛行后，飛行學員容易對當前飛機航向判斷失誤。進行小角度協(xié)調轉彎時，無法迅速判斷飛機是處于轉彎還是直線行駛狀態(tài)，這些現(xiàn)象發(fā)生所造成的后果是不堪設想的[2-4]。因此，為了提升飛行學員的運動推斷能力，提高飛行學員的養(yǎng)成率，有必要在初始選拔階段對飛行學員的運動推斷能力進行測試，篩選能力較強的飛行學員進行培養(yǎng)。

運動推斷能力(movement inference ability，MIA)是指人對視覺所感受到刺激元素的理解及在空間中物體改變運動軌跡時能夠及時做出準確判斷的視覺空間能力[5-6]。目前，對運動推斷能力的研究已有大量報道。游旭群等[7-9]提出負責表象運動推斷加工的子系統(tǒng)是一種具有相對穩(wěn)定可塑性較低的神經認知特性的系統(tǒng)。但視覺表象運動推斷本身具有先天性神經解剖特點，而且在整個認知加工子系統(tǒng)體系中負責加工的認知子系統(tǒng)占比極小，因此在加工過程的外在表現(xiàn)形式上使得運動推斷能力具有一定的可塑性[10]。雖然在大腦皮質聯(lián)合區(qū)各區(qū)之間尚未完全找到運動推斷能力相應的生理基礎，但運動判斷能力的可塑性已經得到了心理學研究的廣泛驗證。Kosslyn[11]提出運動推斷的心理認知加工是以高水平視覺加工系統(tǒng)作為認知基礎的；Mishkin等[12]的研究指出負責加工的顳葉中區(qū)還可以進行并行性認知加工；斯滕伯格提出加因素法用于評定認知加工效能，且該方法在后來的研究中應用較為廣泛[13]。

由于飛行學員在空中飛行，缺少參考物，其運動推斷能力是否可塑性較低，值得進一步探討；另外，飛機在巡航階段做直線運動時，飛行員對于云層的距離位置以及穿云飛行后對于航向的把握較為困難。飛機在地形復雜的機場環(huán)境下進近著陸時，有時需要做曲線運動去躲避山體等障礙物，飛行員對于障礙物的距離也較難判斷。而且由于飛行員的視覺局限性，其運動推斷能力是否存在差異，也有必要開展研究。因此，現(xiàn)以民航飛行學員為研究對象，基于維也納心理測試系統(tǒng)(Vienna psychological test system，VTS)實驗平臺，結合眼動儀來獲取被試眼動數(shù)據，以分析飛行學員的運動推斷能力與眼動特征的關系，以期為民航飛行學員選拔提供建議方案。

1 研究對象與實驗設備

1.1 研究對象

選取44名中國民航大學在校男性飛行學員，身體健康，均為右利手，視力或矯正視力正常。其中12名為接受過專業(yè)性訓練且有良好駕駛經驗的合格飛行學員，12名為已接受理論學習但無駕駛經驗的大三飛行學員，20名為從未接受任何訓練的大一飛行學員。

1.2 實驗設備

選用VTS心理測試系統(tǒng)和Tobii-X2-30型眼動儀。

2 實驗方法

2.1 實驗設計

自變量為經驗水平(大一、大三和大四飛行學員)和運動方式(勻速直線、變速曲線運動)，因變量為運動推斷能力和眼動特征。其中運動推斷能力可以通過測驗時長、時間偏差和距離偏差3項來反映，眼動特征可以通過平均掃視時間、平均注視時間、平均掃視距離、平均掃視速度4項指標0來反映。因此，該實驗采用3×2混合設計，其中經驗水平為組間變量，運動方式為組內變量。

2.2 實驗程序

實驗分為勻速直線和變速曲線運動兩組，每組8題，通過被試答題過程中的相關數(shù)據來反映運動推斷能力。兩組實驗均無時間限制且實驗中不會顯示小球運動軌跡。具體流程如下。

(1)VTS系統(tǒng)中設置模擬飛行運動方式場景。

(2)被試坐于實驗屏幕前,調整座位和姿態(tài)。為保證眼動記錄的精確性，對眼動儀進行校準。校準完成后進入勻速直線運動實驗,被試進行答題，眼動儀自動同步記錄眼動數(shù)據。

(3)重復步驟(1)和步驟(2)開始進行變速曲線運動實驗。

3 勻速直線下的飛行數(shù)據分析

3.1 飛行績效指標分析

當飛機做勻速直線運動時，飛行學員MIA測試績效結果如表1所示。

表1 勻速直線運動下飛行學員MIA測試績效結果

注：表中數(shù)據均為平均值±標準差(M±SD)，下同。

對不同經驗水平的飛行學員的測試時長進行方差齊性檢驗，得F=0.553，P=0.579>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，測試時長為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，系統(tǒng)性學習和飛行訓練對該實驗測試時長有顯著影響(F=5.551，P<0.05)。LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)大一與大三被試的測試時長無顯著差異(P>0.05)，但大一被試測試時長顯著高于大四被試(P<0.05)，同時大三被試也顯著高于大四被試(P<0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的時間偏差進行方差齊性檢驗，得F=1.025，P=0.368>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，時間偏差為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，系統(tǒng)性學習和飛行訓練對該實驗時間偏差無顯著影響(F=0.108，P>0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的距離偏差進行方差齊性檢驗，得F=0.258，P=0.773>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，距離偏差為因變量，進行單因素方差分析，結果表明被試學習時間對該實驗距離偏差無顯著影響(F=0.163，P>0.05)。

3.2 眼動特征數(shù)據分析

當飛機做勻速直線運動時，飛行學員MIA測試眼動指標結果如表2所示。

表2 勻速直線運動下不同水平MIA測試眼動指標結果

對不同經驗水平的飛行學員的平均掃視時間進行方差齊性檢驗，得F=2.594，P=0.087>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均掃視時間為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均掃視時間無顯著影響(F=0.534，P>0.05)。

揚中市作為連接大江南北的交通樞紐，泰州長江公路大橋穿境而過，境內擁有三座夾江長江大橋，形成“一環(huán)兩縱、一島五橋”的大交通格局。全市擁有可開發(fā)深水岸線54千米，岸線利用后發(fā)優(yōu)勢十分明顯。便捷的交通對于揚中融入鎮(zhèn)江“金三角”戰(zhàn)略，實現(xiàn)與新區(qū)的跨江聯(lián)動發(fā)展具有積極意義。

對不同經驗水平的飛行學員的平均注視時間進行方差齊性檢驗，得F=0.367，P=0.695>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均注視時間為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均注視時間無顯著影響(F=0.260，P>0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的平均掃視距離進行方差齊性檢驗，得F=0.367，P=0.410>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均掃視距離為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均掃視距離有顯著影響(F=0.260，P<0.05)。LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)大一被試平均掃視距離與大三被試無顯著差異(P>0.05)，但卻顯著低于大四被試(P<0.05)。同時大三與大四被試間平均掃視距離也無顯著差異(P>0.05)，說明經過系統(tǒng)性學習、模擬飛行訓練和實際飛行訓練后對飛行學員的掃視距離有著較大的提高。

對不同經驗水平的飛行學員的平均掃視速度進行方差齊性檢驗，得F=30.415，P=0<0.05，不滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均掃視速度為因變量，進行非參數(shù)方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均掃視速度有顯著影響(χ2=24.274，P<0.05)。表明隨著理論知識以及飛行訓練的增加，飛行學員的掃視速度會有顯著提升。

3.3 飛行績效與眼動特征相關性分析

對上述得到的顯著眼動、績效指標進行相關性分析得到，測試時長與平均掃視距離、平均掃視速度均呈現(xiàn)負相關關系(表3)，在進行勻速直線運動時，大四被試因接受過系統(tǒng)性培養(yǎng)和嚴格飛行訓練，能夠做到快速且大幅度的掃視，對小球的勻速直線運動能做到較好理解，因此決斷時間和移動光標時間較快，而大一和大三被試的掃視速度與掃視距離較大四被試弱，因此在耗時上會多于大四被試。

表3 MIA(勻速直線)測試時長與眼動指標的相關性

注：*表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

綜上所述，勻速直線運動情況下，三組被試測試時長上的顯著差異，說明通過系統(tǒng)性學習和飛行訓練使得大四被試有著較強的運動推斷能力，能夠根據移動物體的運動軌跡快速判斷出觸及指定地點的時間及位置，可以有效降低飛行員穿云飛行后無法快速判斷航向的程度；平均掃視距離和平均掃視速度上的顯著差異，說明通過系統(tǒng)性學習和實際飛行訓練后的大四學員信息提取及預判能力較強，使得在飛行過程中能夠獲得更多的信息來進行正確的預判以有效應對方位感缺失等問題。

4 變速曲線飛行下的數(shù)據分析

4.1 飛行績效指標分析

當飛機做變速曲線運動時，飛行學員MIA測試績效結果如表4所示。

表4 變速曲線運動下飛行學員MIA測試績效結果

對不同經驗水平的飛行學員的時間偏差進行方差齊性檢驗，得F=2.496，P=0.095>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，時間偏差為因變量，進行單因素方差分析，結果表明被試學習時間對該實驗時間偏差有顯著影響(F=4.823，P<0.05)。LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)大一與大三被試的時間偏差無顯著差異(P>0.05)，而大一、大三分別與大四被試的時間偏差存在顯著差異(P<0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的距離偏差進行方差齊性檢驗，得F=3.008，P=0.060>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，距離偏差為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗距離偏差有顯著影響(F=3.105，P<0.05)。LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)大一被試的距離偏差顯著高于大三被試(P<0.05)，且顯著高于大四被試(P<0.05)，但大三與大四被試間的距離偏差并無顯著差異(P>0.05)。

4.2 眼動特征數(shù)據分析

當飛機變速曲線運動時，飛行學員MIA眼動指標結果如表5所示。

表5 變速曲線運動下不同水平MIA測試眼動指標結果

對不同經驗水平的飛行學員的平均掃視時間進行方差齊性檢驗，得F=1.000，P=0.377>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均掃視時間為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均掃視時間有顯著影響(F=3.639，P<0.05)。LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)大一與大四被試平均掃視時間存在顯著差異(P<0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的平均注視時間進行方差齊性檢驗，得F=0.436，P=649>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均注視時間為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均注視時間無顯著影響(F=0.532，P>0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的平均掃視距離進行方差齊性檢驗，得F=0.784，P=0.463>0.05，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均掃視距離為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均掃視距離有顯著影響(F=12.271，P<0.05)。LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)大一與大三被試的平均掃視距離有顯著差異(P<0.05)，大一和大四被試的平均掃視距離也有顯著差異(P<0.05)。

對不同經驗水平的飛行學員的平均掃視速度進行方差齊性檢驗，得F=0.820，P=0.447>0.055，滿足方差分析條件。進一步以經驗水平為自變量，平均掃視速度為因變量，進行單因素方差分析，結果表明，被試學習時間對該實驗平均掃視速度無顯著影響(F=0.034，P>0.05)。

4.3 飛行績效與眼動特征相關性分析

對所得的顯著眼動、績效指標進行相關性檢驗分析可知，測試時間偏差、距離偏差與平均掃視時間和平均掃視距離相關性較弱(表6)。在做變速曲線運動時，飛行學員對移動物體運動軌跡判斷能力無較大差別，說明提高運動推斷能力難度后，三組飛行學員對于移動物體到達指定地點的時間和位置把握程度難度較大。

表6 MIA(變速曲線)測試時間偏差、距離偏差與眼動指標的相關性

綜上所述，變速曲線運動情況下，三組被試時間偏差、距離偏差上的顯著性差異，說明經過飛行訓練后的飛行學員對時間預判能力有著較大的提升，對距離的把控程度較好，使得飛行員在小角度轉彎時能夠準確判斷飛行狀態(tài)。三組被試的平均掃視時間和平均掃視距離顯著差異不大，說明雖然飛行訓練對被試的時間和距離判斷能力有所增強，但隨著判斷難度的增加三組被試的平均掃視距離差異性變化不大，且掃視速度上大三和大四被試的優(yōu)勢消失。

5 結論

(1)在勻速直線運動上，系統(tǒng)性學習和嚴格飛行訓練能夠使飛行學員的信息提取及預判能力得到提高進而使得其運動推斷能力得到提升。

(2)在變速曲線運動上，系統(tǒng)性學習和嚴格飛行訓練能夠使飛行學員對時間預判及距離的把控程度得到增強進而使得運動推斷能力得到提高。

(3)在現(xiàn)有的生理體檢和心理測試選拔基礎上增加飛行學員運動推斷能力選拔，在能力測試環(huán)節(jié)加入眼動技術，結合相關顯著眼動指標(平均掃視距離、平均掃視速度)進行飛行學員的選拔，同時應用于飛行學員后期訓練成績的評定環(huán)節(jié)。