王燕青, 周士琦, 劉超群
(中國(guó)民航大學(xué)飛行分校, 天津 300300)
在航空器運(yùn)行過(guò)程中,飛行機(jī)組人為因素的缺陷是導(dǎo)致飛行事故的主要原因之一,其中飛行員情境意識(shí)(situational awareness,SA)對(duì)航空安全的保障起關(guān)鍵作用[1]。Endsley等[2]研究發(fā)現(xiàn)情境意識(shí)中76%的錯(cuò)誤都與未注意到必要信息相關(guān)。視覺(jué)是飛行員獲取信息的重要渠道,尤其在飛行關(guān)鍵階段,飛行員良好的注視方式對(duì)提升其操作技能有幫助[3]。在進(jìn)近著陸過(guò)程中,飛行員需要面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境變化和操作程序,因此需要合理的注意力分配,許多學(xué)者通過(guò)眼動(dòng)追蹤技術(shù)對(duì)此進(jìn)行了研究。Reynal等[4]在全飛行模擬器的場(chǎng)景下對(duì)進(jìn)近階段飛行員眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。Dehais等[5]分析了飛行員在進(jìn)近階段和巡航階段飛機(jī)性能的變化和飛行員眼動(dòng)模式的變化。白杰等[6]探索了飛行員分別使用平視顯示器和主飛行顯示器探測(cè)跑道入侵時(shí)眼動(dòng)模式的差異。于桂花[7]對(duì)單發(fā)失效情境下飛行員的眼動(dòng)行為進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)特情發(fā)生前后飛行員的操作績(jī)效和眼動(dòng)指標(biāo)的變化有顯著相關(guān)性關(guān)系。劉志方等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了眼動(dòng)追蹤技術(shù)可在知覺(jué)層面上反映情境意識(shí)的內(nèi)容和過(guò)程。馮傳宴等[9]研究了不同負(fù)荷條件下注意力分配策略對(duì)飛行員情境意識(shí)的影響,發(fā)現(xiàn)平均注視時(shí)間等眼動(dòng)指標(biāo)可以較好地表征情境意識(shí)。
飛行安全不僅取決于飛行員的個(gè)體情境意識(shí),更重要的是,取決于作為一個(gè)整體的機(jī)組的團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)(team situational awareness, TSA)[10]。Endsley[11]認(rèn)為團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)是團(tuán)隊(duì)中成員的個(gè)體情境意識(shí)與團(tuán)隊(duì)成員之間共享情境意識(shí)的綜合。Salmon等[12]在對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)進(jìn)行分析時(shí)提出可以利用共享心智模型(shared mind model, SMM),從團(tuán)隊(duì)維度和任務(wù)維度出發(fā),對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)學(xué)者石玉生等[13]在對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)的分析中也表明可以使用共享心智模型,并從團(tuán)隊(duì)維度和任務(wù)維度對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)的進(jìn)行測(cè)量,并形成了測(cè)量量表?;诖?本文將團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)定義為團(tuán)隊(duì)中成員的個(gè)體情境意識(shí)(individual situational awareness, ISA)與團(tuán)隊(duì)成員之間共享心智模型的綜合。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于眼動(dòng)追蹤技術(shù)在情境意識(shí)的應(yīng)用主要集中在飛行員的個(gè)體情境意識(shí)和績(jī)效的研究,較少研究其對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)的影響。在多人制機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)的降低或喪失是導(dǎo)致機(jī)組失能的重要因素。目前傳統(tǒng)的飛行訓(xùn)練重點(diǎn)是培養(yǎng)駕駛員的技能操作和個(gè)體情境意識(shí)的培養(yǎng),缺少對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)的訓(xùn)練。尤其在進(jìn)近著陸過(guò)程中,除了訓(xùn)練飛行學(xué)員對(duì)駕駛艙內(nèi)儀表參數(shù)變化和駕駛艙外部環(huán)境的注意力合理分配,還需關(guān)注駕駛艙內(nèi)飛行學(xué)員間、飛行學(xué)員與教員間的配合,以提高其團(tuán)隊(duì)情境意識(shí),從而提高著陸績(jī)效。因此本文嘗試通過(guò)驗(yàn)證進(jìn)近著陸階段飛行學(xué)員的注視方式,分析其對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)和績(jī)效的影響,找到進(jìn)近著陸階段可以保持較好情境意識(shí)注視方式,為飛行學(xué)員的訓(xùn)練提供理論依據(jù)。
被試由中國(guó)民航大學(xué)具有一定飛行基礎(chǔ)知識(shí),能夠完成各項(xiàng)飛行任務(wù)的40名飛行學(xué)員組成,分為20 組。被試兩兩自由組合,以避免因彼此間不熟悉而造成的溝通障礙。所有被試在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)前均已在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練,熟悉和掌握了軟件的操作流程。
采用模擬飛行軟件Flight Simulator,該軟件能夠比較真實(shí)地模擬著陸的基本操作,通過(guò)專業(yè)的插件進(jìn)行雙屏鏈接,模擬雙人機(jī)組展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。采用的兩臺(tái)同型號(hào)Tobii X2-30眼動(dòng)儀記錄被試的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。其精度為5°,采樣頻率為30 Hz,在40~90 cm范圍內(nèi)能夠有效測(cè)量被試的各項(xiàng)眼動(dòng)指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每臺(tái)眼動(dòng)儀分別測(cè)量模擬飛行過(guò)程中飛行學(xué)員的眼動(dòng)指標(biāo)。采用ErgoLAB軟件,采集并分析飛行機(jī)組成員的眼動(dòng)指標(biāo)。利用該軟件可以統(tǒng)計(jì)被試在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注視點(diǎn),同時(shí)該軟件支持劃分興趣區(qū)域,可以按照不同的興趣區(qū)對(duì)被試在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行分析。
ISA測(cè)量采用SAGAT[14]方法,通過(guò)認(rèn)知任務(wù)分析方法確定ISA測(cè)量問(wèn)卷內(nèi)容,主要包括被試對(duì)于某一時(shí)間點(diǎn)情境的感知、理解及預(yù)測(cè)3個(gè)層面的內(nèi)容,具體如表1所示。將被試填寫(xiě)的ISA問(wèn)卷與模擬的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的各項(xiàng)信息進(jìn)行對(duì)比,若被試選擇的答案與模擬情境相一致,則得一分,否則不得分,以此得出被試的ISA得分。
表1 ISA測(cè)量問(wèn)卷題目
SMM測(cè)量采用Salmon等[12]所提出的SMM測(cè)量量表并根據(jù)進(jìn)近著陸任務(wù)改編而成,該量表包括團(tuán)隊(duì)維度及任務(wù)維度兩個(gè)層面,其中團(tuán)隊(duì)維度主要是指團(tuán)隊(duì)成員之間的溝通交流及協(xié)作等過(guò)程,而任務(wù)維度主要是指完成任務(wù)需要的策略和知識(shí)等,SMM測(cè)量問(wèn)卷的具體內(nèi)容如表2所示,利用李克特7點(diǎn)量表來(lái)進(jìn)行測(cè)量。在每次分實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求模擬機(jī)組兩名被試立即填寫(xiě)SMM測(cè)量問(wèn)卷。
表2 SMM問(wèn)卷題目
采用 2×3 的混合設(shè)計(jì)。自變量包括:①著陸場(chǎng)景,為了驗(yàn)證飛行學(xué)員的團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)在不同著陸場(chǎng)景下的有效性是否存在差異,所以將著陸場(chǎng)景分為正常著陸場(chǎng)景和單發(fā)失效著陸場(chǎng)景兩個(gè)水平;②注視方式,注視點(diǎn)個(gè)數(shù)可以反映被試在任務(wù)過(guò)程中對(duì)于深層次信息提取的能力的高低,某一區(qū)域注視點(diǎn)個(gè)數(shù)越多,則說(shuō)明被試對(duì)于此區(qū)域關(guān)注度越高,越能夠提取到更多的有用信息[15-16]。由于不同被試組完成著陸的時(shí)間不同,不能直接利用注視點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)表征被試組成員對(duì)于外景及內(nèi)景儀表區(qū)的關(guān)注度,因此本實(shí)驗(yàn)采用被試組在任務(wù)過(guò)程中的外景興趣區(qū)和儀表興趣區(qū)的注視點(diǎn)占比來(lái)反映被試組成員對(duì)于不同區(qū)域信息的關(guān)注度,因此,將依據(jù)注視點(diǎn)占比,將注視方式分為關(guān)注外景、關(guān)注儀表和關(guān)注外-內(nèi)景三個(gè)水平。
因變量包括:①團(tuán)隊(duì)情境意識(shí),以個(gè)體情境意識(shí)和共享心智綜合表征被試分組的團(tuán)隊(duì)情境意識(shí);②著陸績(jī)效,根據(jù)飛行手冊(cè)對(duì)被試在進(jìn)近著陸過(guò)程中飛機(jī)的接地時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)距離、載荷、仰角等因素與參考標(biāo)準(zhǔn)[2 500 ft(1 ft=304.8 mm)、1.4 g(g為重力加速度),5.0°]的差值進(jìn)行綜合評(píng)估[17],模擬飛行軟件自動(dòng)給出被試的操作績(jī)效得分(100分制),將其作為著陸績(jī)效得分。
為保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行,被試在正式實(shí)驗(yàn)前需要進(jìn)行模擬訓(xùn)練,直到能夠完全掌握模擬軟件;同時(shí)向被試講解測(cè)量量表的填寫(xiě)方法,待被試完全理解后開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)。
被試組分別模擬正常場(chǎng)景和單發(fā)失效場(chǎng)景下的著陸飛行。由于實(shí)驗(yàn)中要利用眼動(dòng)儀分別采集每個(gè)被試組內(nèi)兩名被試的眼動(dòng)數(shù)據(jù),因此在實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始之前要進(jìn)行瞳孔校準(zhǔn)操作。眼動(dòng)儀校準(zhǔn)完成后,由主試開(kāi)啟飛行模擬軟件,兩名被試開(kāi)始模擬著陸實(shí)驗(yàn)。兩名被試分別模擬機(jī)組的操縱飛行員和監(jiān)控飛行員,共同操作模擬機(jī)完成進(jìn)近著陸過(guò)程,在一定高度飛機(jī)自動(dòng)駕駛斷開(kāi)后,要求被試機(jī)組接手模擬機(jī)的控制,共同駕駛模擬機(jī)完成近進(jìn)著陸任務(wù)。實(shí)驗(yàn)的任務(wù)目標(biāo)是要求模擬機(jī)盡可能地以標(biāo)準(zhǔn)的距離、載荷及仰角接地并停穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中暫停測(cè)量被試的ISA;在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求被試立刻填寫(xiě)SMM測(cè)量問(wèn)卷。
每個(gè)被試組兩名被試按照以上順序分別進(jìn)行正常狀態(tài)下的進(jìn)近著陸和模擬單發(fā)失效下的進(jìn)近著陸兩次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后按照被試編號(hào)和不同任務(wù)難度條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分別保存。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每個(gè)被試組的近進(jìn)著陸過(guò)程進(jìn)行錄像。
Nonose等[18]指出,可以直接計(jì)算團(tuán)隊(duì)成員的個(gè)體情境意識(shí)的均值以表征團(tuán)隊(duì)中的ISA,因此取兩名被試組成員的ISA得分的平均值作為團(tuán)隊(duì)的ISA指標(biāo)得分。SMM采用問(wèn)卷測(cè)量,需對(duì)被試組成員的回答一致性進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明SMM的Rwg系數(shù)為0.74>0.7,因此可以對(duì)SMM問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行均值處理。正常著陸場(chǎng)景和單發(fā)失效場(chǎng)景下的飛行學(xué)員的ISA、SMM及其著陸績(jī)效得分情況如表3所示。隨著任務(wù)難度的增加,被試組ISA、SMM、著陸績(jī)效得分均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。被試組在不同任務(wù)難度條件下的ISA、SMM和著陸績(jī)效之間的關(guān)系需要進(jìn)一步分析。
表3 不同著陸場(chǎng)景下飛行機(jī)組TSA和著陸績(jī)效
利用ErgoLAB眼動(dòng)分析軟件對(duì)模擬飛行界面進(jìn)行興趣區(qū)域劃分。在進(jìn)近著陸過(guò)程中,飛行員通過(guò)艙內(nèi)儀表能夠獲取飛機(jī)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù);近地外景環(huán)境中的燈光、地面建筑、標(biāo)識(shí)等可以為飛行員提供交通環(huán)境信息[19],實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中將模擬飛行界面劃分為外景區(qū)域以及內(nèi)景儀表區(qū)域,計(jì)算被試著陸過(guò)程中的注點(diǎn)占比。
根據(jù)注視點(diǎn)占比的不同將注視方式分為三組:A組為絕大多數(shù)注視點(diǎn)集中于外景,而過(guò)少關(guān)注儀表;B組為注視點(diǎn)在外景和儀表之間分布較為均勻;C組為絕大多數(shù)注視點(diǎn)集中于儀表,而較少關(guān)注外部環(huán)境。表4為不同著陸場(chǎng)景下各組被試的注視點(diǎn)占比情況。為驗(yàn)證被試分組的合理性,對(duì)不同著陸場(chǎng)景下不同被試組的注視點(diǎn)占比進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn),結(jié)果均滿足方差齊性,因此進(jìn)行單因素方差分析,其結(jié)果為不論是在正常著陸場(chǎng)景下,還是在單發(fā)失效場(chǎng)景下,A、B、C三組的注視點(diǎn)占比均存在顯著性差異(F=30.961,P<0.05;F=30.253,P<0.05)。
表4 不同分組的注視點(diǎn)占比百分比數(shù)據(jù)
將飛行學(xué)員的注視點(diǎn)占比分別與其ISA、SMM進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,其相關(guān)系數(shù)分別為0.697和0.945(P值均小于0.01),因此,在正常著陸場(chǎng)景下,飛行學(xué)員的注視點(diǎn)占比與TSA存在顯著的正相關(guān)。
如圖1所示,在正常著陸過(guò)程中,飛行學(xué)員對(duì)駕駛艙外環(huán)境關(guān)注較高時(shí),每個(gè)飛行學(xué)員的ISA得分較高,SMM得分較高,從而獲得了較高的著陸績(jī)效。隨著對(duì)駕駛艙外環(huán)境注視點(diǎn)的減少,被試組的TSA和著陸績(jī)效隨之減少。當(dāng)被試組較少關(guān)注外部環(huán)境時(shí),其著陸績(jī)效大幅降低。
圖1 正常著陸場(chǎng)景下不同注視方式的TSA和著陸績(jī)效
進(jìn)一步以注視方式為自變量,分別以ISA、SMM為因變量,進(jìn)行單因素方差分析,得出三種注視方式下的ISA和SMM均存在顯著差異(F=5.323,P<0.01;F=18.472,P<0.01)。因此不同的注視方式對(duì)ISA和SMM有顯著影響。
上述分析結(jié)果表明,在正常著陸階段,飛行學(xué)員對(duì)于外景關(guān)注較高、內(nèi)景儀表關(guān)注較低的被試組具有較高的ISA和SMM。注視點(diǎn)占比較多的地方反映了被試對(duì)該區(qū)域信息的關(guān)心和注意程度。結(jié)合飛行操作程序可知,在執(zhí)行正常著陸任務(wù)時(shí),飛行學(xué)員需要較少的注意力通過(guò)內(nèi)景儀表提取飛機(jī)高度、姿態(tài)、速度等信息,需要較多的注意力從外景獲取機(jī)場(chǎng)跑道和環(huán)境相關(guān)信息,從而能夠掌握飛機(jī)的整體狀態(tài),獲得較高的ISA和SMM,進(jìn)而獲得較高的操作績(jī)效。反之,若在執(zhí)行正常著陸過(guò)程中,飛行學(xué)員過(guò)多的關(guān)注儀表信息而忽略了對(duì)于外景信息的關(guān)注,則其ISA及SMM都會(huì)明顯降低,最終導(dǎo)致著陸績(jī)效的降低。
發(fā)動(dòng)機(jī)失效是造成事故征候的三大事件之一[20]。在發(fā)動(dòng)機(jī)失效后,飛行員能否快速、準(zhǔn)確地獲取有效的飛行信息,對(duì)事件的處理至關(guān)重要[21]。因此,通過(guò)模擬單發(fā)失效場(chǎng)景,對(duì)飛行學(xué)員的注視方式與團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析。
在單發(fā)失效場(chǎng)景下,將飛行學(xué)員的注視點(diǎn)占比分別與飛行學(xué)員ISA、SMM進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,其相關(guān)系數(shù)分別為0.505和0.523(p值均小于0.05)因此,在單發(fā)失效場(chǎng)景下,飛行學(xué)員的注視點(diǎn)占比與其團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)仍然存在顯著的正相關(guān)。
如圖2所示,在單發(fā)失效場(chǎng)景中,當(dāng)飛行學(xué)員對(duì)駕駛艙內(nèi)外注視點(diǎn)占比相同時(shí)具有較高的ISA和SMM得分,其團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)較高,從而有較高的著陸績(jī)效。對(duì)外景關(guān)注較少內(nèi)景儀表關(guān)注較多時(shí)其每個(gè)成員的ISA和SMM都處于較低水平,其團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)較低,從而有較低的著陸績(jī)效。
圖2 單發(fā)失效場(chǎng)景下不同注視方式的TSA和著陸績(jī)效
以注視方式為自變量,以ISA和SMM為因變量,進(jìn)行單因素方差分析,得出三種注視方式下的ISA和SMM均存在著顯著差異(F=13.896,P<0.01;F=7.477,P<0.01)。結(jié)果表明,單發(fā)失效場(chǎng)景下,不同注視方式對(duì)團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)有顯著影響。單發(fā)失效后,飛機(jī)會(huì)出現(xiàn)航向突變、速度丟失、高度丟失、姿態(tài)偏差等現(xiàn)象,各儀表參數(shù)變化顯著,被試需要頻繁注視各儀表參數(shù)從而掌握飛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)并作出準(zhǔn)確的判斷和相應(yīng)的動(dòng)作,因此飛行學(xué)員需增加對(duì)儀表的關(guān)注以獲取需要的信息,但不能因此而忽視對(duì)外景的關(guān)注。
為進(jìn)一步明確不同注視方式的被試的TSA、ISA和SMM差異,進(jìn)行LSD檢驗(yàn),單發(fā)失效場(chǎng)景下ISA得分順序?yàn)?B組>A組>C組;SMM得分順序?yàn)?B組>A組>C組。因此,在單發(fā)失效場(chǎng)景下著陸,被試組成員不僅需要對(duì)外景區(qū)給予足夠多的關(guān)注,同時(shí)也需要對(duì)內(nèi)景儀表區(qū)給予足夠的關(guān)注以提取相關(guān)信息,只有這樣,被試組成員才能夠獲得較高的ISA及SMM得,如圖2所示;反之,若在單發(fā)失效場(chǎng)景下機(jī)組成員僅僅只付出較多的精力關(guān)注外景區(qū)忽視單發(fā)失效場(chǎng)景或僅僅在內(nèi)景儀表區(qū)付出較多精力尋找單發(fā)失效的產(chǎn)生原因并嘗試改出單發(fā)失效,被試組成員都會(huì)因?yàn)樾畔⑻崛〉牟蛔愣沟肐SA及SMM得分較低。
上述分析發(fā)現(xiàn)飛行學(xué)員的TSA與其著陸績(jī)效之間存在顯著正相關(guān),因此,以飛行學(xué)員的ISA和SMM為自變量,著陸績(jī)效為因變量,分別進(jìn)行正常著陸場(chǎng)景下和單發(fā)失效場(chǎng)景下的二元線性回歸分析,結(jié)果如表5和表6所示。
表5 正常著陸場(chǎng)景下TSA與著陸績(jī)效回歸分析結(jié)果
表6 單發(fā)失效場(chǎng)景下TSA與著陸績(jī)效回歸分析結(jié)果
由表5和表6可知,飛行學(xué)員的ISA 和SMM的回歸作用均顯著,即飛行學(xué)員的ISA和SMM可以顯著正向預(yù)測(cè)其著陸績(jī)效,即在正常著陸場(chǎng)景下,飛行學(xué)員的TSA可以解釋著陸績(jī)效71.6%的變異量;在單發(fā)失效場(chǎng)景下,飛行學(xué)員的TSA可以解釋著陸績(jī)效94.5%的變異量。進(jìn)一步對(duì)比正常和單發(fā)失效兩種場(chǎng)景下的結(jié)果發(fā)現(xiàn),單發(fā)失效場(chǎng)景下ISA和SMM對(duì)著陸績(jī)效的回歸方程擬合度更好,說(shuō)明在著陸階段,如果發(fā)生諸如單失效等特情時(shí),飛行學(xué)員需要提高TSA,從而能夠更大程度地提高著陸績(jī)效。
(1)不論是正常著陸場(chǎng)景還是單發(fā)失效場(chǎng)景下,飛行學(xué)員的注視點(diǎn)占比與其TSA的2個(gè)測(cè)量指標(biāo)ISA和SMM間均存在不同程度的顯著的正相關(guān)關(guān)系;通過(guò)對(duì)飛行學(xué)員的TSA與其著陸績(jī)效進(jìn)行線性回歸分析,說(shuō)明飛行學(xué)員的TSA越好,其著陸績(jī)效越高。
(2)在正常著陸場(chǎng)景下,飛行學(xué)員應(yīng)多加關(guān)注駕駛艙外的情境,從而可以提高其TSA,進(jìn)行提高其著陸績(jī)效。
(3)在單發(fā)失效場(chǎng)景下,飛行學(xué)員應(yīng)不僅關(guān)注駕駛艙外的情境,還要關(guān)注駕駛艙內(nèi)儀表參數(shù)的變化,平均分配對(duì)駕駛艙內(nèi)外景的注意力才能獲得較高的TSA,安全地完成著陸。