眼動儀對提升基礎模擬飛行能力的量化研究

李 瑩

（中國民航大學安全科學與工程學院 天津 300300）

0 引言

通過模擬飛行訓練最大程度地提升學員的飛行技能是一個關注重點。多自由度的飛行模擬器的應用[1]以及移動學習平臺、虛擬仿真技術和模擬飛行教學的結合[2]是訓練的新思路。此外，基于眼動跟蹤開發(fā)出智能技術評估訓練水平和優(yōu)化訓練過程[3]。但相關領域對于提升模擬飛行訓練的研究仍然較少。

在航空領域，眼動儀主要用于研究飛行員的注意分配、認知負荷等領域，如對不同飛行階段的腦力負荷和注意分配負荷的研究[4]。關于使用眼動儀優(yōu)化模擬飛行訓練的研究較少。相對于其他視景，飛行員要注意更長時間來充分獲取儀表部分的豐富信息[5]。早期的研究將眼動數(shù)據(jù)與飛行模擬設備聯(lián)系起來得出操作人員績效上的差異[6]。此外，利用眼動技術可以開發(fā)模擬飛行訓練過程中輔助注意分配的軟件[7]，優(yōu)化儀表布局設計[8]。飛行績效方面，專家和新手的眼動模式和飛行績效有顯著差異[9]；飛行績效優(yōu)劣的被試也有顯著不同的眼動情況[10]。

因此，本實驗將眼動儀應用于飛行模擬訓練的地面滑跑、直線飛行和轉彎爬升3個階段，并理論假設如下：若眼動儀輔助訓練對模擬飛行能力有提升，實驗組績效應顯著優(yōu)于對照組的績效。

1 方 法

本實驗采用隨機實驗組控制組設計，實驗時長2h，其他控制條件相同。指導人員根據(jù)實驗組的眼動軌跡講評指導，對控制組按照傳統(tǒng)模擬飛行教學的飛行后講評，最后比較實驗組與對照組的績效。

1.1 被試

被試為50名已經(jīng)完成了理論學習的男性飛行學員，平均年齡19歲。要求所有被試在進行實驗前 24h內(nèi)保證充足睡眠、不服用酒精及可能影響實驗操作的藥物。指導人員為已經(jīng)完成飛行實訓的學員。

1.2 儀器和材料

眼動儀：tobii 4C。

模擬飛行設備：模擬訓練器elite pi135。

選取的機型：塞斯納172。

數(shù)據(jù)提?。篋IGIMIZER，從飛行截圖提取高度、角度等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析：SPSS。

2 實驗原理與實施

使用眼動儀后，指導者可以根據(jù)屏幕中實時顯示的“白色氣泡”（圖1）來了解被試的注意情況，提出針對性的指導建議。

圖1 眼動顯示圖Fig.1 Indication of eye movement

2.1 地面滑跑

讓被試進行地面滑跑階段的訓練。此階段的飛行績效反映在：①離地速度，速度值接近標準60節(jié)則表示飛行績效良好；②地面滑跑時間，若對各項數(shù)據(jù)掌握良好且飛行軌跡保持穩(wěn)定，將在較短的時間 起飛。

2.2 轉彎爬升

讓被試進行五邊飛行中的一邊轉二邊的左轉彎爬升過程，左轉彎爬升90°。飛機應保持恒定的速度、航跡和升降率，操作者要同時注意轉彎坡度、升降速率、高度表、速度表和轉彎側滑儀、轉彎側滑儀小球的指示蹬舵。若此時注意力分配不當，將可能出現(xiàn)高度偏差和航向偏差。

提取參數(shù)：起始轉彎點速度、起始轉彎點高度、轉彎終點高度、轉彎終點速度。

起始轉彎速度與轉彎終點速度的差值的絕對值與起始轉彎高度與轉彎終點高度的差值的絕對值越小，表明操作者的飛行績效越好。

2.3 直線飛行

選取直線飛行中的直線爬升階段進行實驗，保持速度和航向不變，被試需注意姿態(tài)儀、速度儀、高度儀、航向儀。

提取參數(shù)：最遠偏離距離、最大速度偏差。兩者值越小，說明飛行績效越好。

3 結 果

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)結果Tab.1 Statistics of three groups

地面滑跑組：實驗組的離地速度更接近標準起飛速度，且兩組差異顯著；實驗組的滑跑時間更短，但未達到顯著差異水平?？梢哉J為眼動儀對于地面滑跑訓練的效果有一定提升作用。

直線飛行組：實驗組的最大速度偏差和最遠偏移距離顯著更小。可以認為眼動儀對直線飛行訓練的效果有一定提升作用。

轉彎爬升組：實驗組的速度偏差和高度偏差顯著更小?？梢哉J為眼動儀對于轉彎爬升訓練的效果有一定提升作用。

4 討 論

地面滑跑和直線飛行階段對注意分配要求較低，因而被試可以同時兼顧眼動儀的顯示以修正操作狀態(tài)。轉彎爬升階段注意分配較復雜，但是眼動儀仍然體現(xiàn)出了一定的提升效果，這可能與注視點能幫助學員更好地獲得復雜情境中的有效注視策略有關。

本實驗的不足：

①數(shù)據(jù)處理的局限性，對軌跡截圖的數(shù)據(jù)進行手動提取可能導致偏差。

②被試的局限性，本實驗的被試是完成了飛行理論學習的學員，很難預測其在真實飛行場景中的訓練效果。

③實驗場景的局限性，實驗場景限于單電腦屏幕的模擬機，只能顯示部分視景，與真實飛行場景還有一定差異。

④實驗數(shù)據(jù)的局限性，本實驗未對具體的眼動特征數(shù)據(jù)進行進一步分析。

5 結論

眼動儀對于提升基礎模擬飛行能力有一定效果，對改進模擬飛行訓練方式提供了新的思路與途徑。在注意力分配較簡單的科目中，被試的注意力主要集中于少數(shù)幾個儀表與窗外視景，可以兼顧眼動顯示與教練的指導命令，提高飛行績效；在注意力分配復雜的科目中，被試需要同時注意多個復雜的儀表與窗外視景，眼動的指示可以幫助學員更好地定位自己的視點，從而更好地集中注意力在重要的復雜儀表中。

該實驗若將學員在模擬飛行操作時的眼動特征數(shù)據(jù)細化分析，可能會得到更為深入的結果；限于科目數(shù)比較少，建議繼續(xù)研究在下降轉彎、直線下降、目視進近等階段的差異，對眼動儀在飛行訓練中的價值進一步深入研究。