王慶敏，姚永杰，李科華，時粉周，劉秋紅

?

飛行員眼動追蹤與航空工效學(xué)的研究現(xiàn)狀

王慶敏，姚永杰，李科華，時粉周，劉秋紅

［關(guān)鍵詞］眼動追蹤;視覺跟蹤;航空

［作者單位］200433上海，海軍醫(yī)學(xué)研究所航空醫(yī)學(xué)研究室

眼睛是人重要的信息獲取通道，以飛機(jī)駕駛為例，飛行員總是通過感官從環(huán)境中獲取信息，其中視覺信息約占80%。眼睛可以反映出人體生理和心理的變化，對于眼動的研究被認(rèn)為是視覺信息加工研究中最有效的手段。通過對視覺的跟蹤，可以獲得人在觀察外景和相關(guān)信息時的掃視選擇和注視過程，從而研究人的視覺感知和信息加工模式，最終獲得人的認(rèn)知模式。在執(zhí)行不同任務(wù)的情景下，可對于不同位置、大小、顏色等目標(biāo)的眼動敏感度、延遲、反映速度等具體特性有深入細(xì)致的了解，并能夠反映人的疲勞、任務(wù)負(fù)荷程度等相關(guān)指標(biāo)。

1　眼動追蹤及其測量參數(shù)

眼動追蹤也稱為視覺追蹤技術(shù)［1］，是利用各種檢測手段獲取受試者當(dāng)前“視覺注意”的方向的技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、駕駛安全、人因分析和軍事等領(lǐng)域［2-5］。

眼睛有3種基本運(yùn)動形式:注視、跳動和平滑跟蹤運(yùn)動。正常的視覺觀察過程中，眼動表現(xiàn)為在被觀察目標(biāo)上一系列的停留以及停留點之間的飛速跳動。這些停留一般至少在100 ms以上才被稱為注視。絕大多數(shù)的信息只有在注視時才能獲得加工。用眼睛搜索觀察任何物體時，視線總是先在對象的一部分上停留片刻，注視以后又跳到另一部分上，再對新的部分進(jìn)行注視。眼睛在注視點之間的這種飛速跳動稱為眼跳動。運(yùn)動目標(biāo)的速度信息輸入到中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，眼睛為了追隨這個目標(biāo)將引起一種連續(xù)反饋的伺服運(yùn)動。視覺系統(tǒng)對目標(biāo)速度的檢測與反饋控制，在整個平滑跟隨過程中都是在進(jìn)行的，這稱為眼球的平滑跟蹤運(yùn)動。因此，人的視覺器官在對物體進(jìn)行觀察時，總是同時進(jìn)行多種形式的眼動，眼睛才能完成對象的瞄準(zhǔn)和連續(xù)動態(tài)觀察，從而保證清晰的視覺輸入。

當(dāng)前的眼動追蹤技術(shù)多是運(yùn)用紅外線捕捉角膜和角膜的反射原理，來記錄用戶的眼動軌跡、注視次數(shù)、注視時間、瞳孔大小變化、注視點序列等測量參數(shù)。

2　飛行員眼動追蹤與國內(nèi)航空工效的研究

國內(nèi)軍事航空領(lǐng)域的眼動研究起步較晚，研究也較少。北京航空航天大學(xué)柳忠起等［6］讓被試人員在飛行模擬器上完成了3個不同階段的模擬飛行任務(wù)，同時用眼動儀器記錄了被試者的眼動數(shù)據(jù)。結(jié)論表明視覺飛行模式下，戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員主要從外景獲取視覺信息，他們的大部分注意力都集中在外視景。該課題組還在模擬F-15戰(zhàn)斗機(jī)的環(huán)境下［7］，分別研究了飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)、降落階段操作者注視點分布、視覺注意力分配規(guī)律等參數(shù)，初步獲得了在不同的視覺興趣區(qū)域?qū)ψ⒁饬M(jìn)行分配和大腦的初步認(rèn)知加工過程及工作負(fù)荷，其研究對后續(xù)的飛行員的訓(xùn)練和座艙信息界面的優(yōu)化有重要的指導(dǎo)意義。西北工業(yè)大學(xué)通過眼動追蹤技術(shù)開展了飛機(jī)布局設(shè)計的相關(guān)研究。劉偉等在模擬器中進(jìn)行了飛行員掃視、操作績效及工作負(fù)荷的研究，任務(wù)為一次起落航線飛行。結(jié)果表明，與飛行學(xué)員相比，高級飛行員具有更頻繁的注視次數(shù)和更短的注視時間［8］。

3　飛行員眼動追蹤與國外航空工效的研究

3．1眼動追蹤用于座艙儀表布局的評估及飛行員注意力分配的研究Merchant等［9］通過飛行模擬器，利用眼動追蹤技術(shù)從3種信息顯示儀表中評估、選擇最優(yōu)化的合成視覺信息系統(tǒng)(synthetic vision information system，SVIS)，3種信息顯示條件如下:(1)常規(guī)主飛行顯示器(primary flight display，PFD)+導(dǎo)航顯示器(ND)，(2)包含綜合視景系統(tǒng)(SVISPFD +ND)，(3)常規(guī)主飛行顯示器+外景顯示，試驗中同時用NASA TLX技術(shù)來評估受試者的腦力負(fù)荷。研究結(jié)果表明飛行員常規(guī)的視覺掃視方式并沒有被這種先進(jìn)的合成視覺信息系統(tǒng)所干擾，相反，受試飛行員的注視的節(jié)奏有所放松，提示這種先進(jìn)的合成視覺信息系統(tǒng)可以裝備到座艙信息顯示系統(tǒng)。

Flemisch等研制了一種適合于飛行模擬器上的caSBAro系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以分析受試者的頭動和眼動數(shù)據(jù)。實驗中檢測了6名軍事飛行員的視覺注意力分配特點。受試者執(zhí)行兩種任務(wù)，一種是高頻率的跟蹤任務(wù)，另一種是低頻率的航行任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)在模擬的飛行任務(wù)中，飛行員的視覺掃視途徑呈經(jīng)典的“T”形，飛行員將近56%的注意力分配到窗外［10］。

Anders等［10］在柏林大學(xué)的空客A330飛行模擬器上研究了進(jìn)近著陸階段優(yōu)秀飛行員的視覺注意特點。研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)近著陸階段，從飛機(jī)在云層到飛機(jī)跑道可以看到這一階段，主飛行顯示器上的信息是最重要的，40%的信息來自于主飛行顯示器(PFD)。其中主飛行顯示儀表的注視點主要集中在與飛行相關(guān)的參數(shù)，如速度表，水平儀表和高度表。而飛行員在改變航向時PFD上的累計注視時間很少，因為導(dǎo)航顯示器提供了一個更好的水平情景中的信息。

Graeber等［11］研究了在不同可見度情況下，使用電子移動地圖EMM(electronic moving map)時，飛行員的視覺注意力特點。研究結(jié)果表明，在低可見度或高可見度的任務(wù)中，使用電子移動地圖沒有對飛行員的視覺注意力分配產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著可見度的變差，飛行員花更多的注意力在艙外，而更少的注意力在EMM上，但沒有影響飛行員的飛行操作?？梢娫诓煌目梢姸热蝿?wù)中，飛行員只把電子移動地圖作為航行的第二幫助信息使用。

美國空軍學(xué)院Kasarkist等［12］利用飛行模擬器測量了7個熟練飛行員和l0個學(xué)員的飛機(jī)模擬降落過程。試驗中用眼動儀記錄了他們操縱過程中的掃視行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)熟練飛行員總的注視點數(shù)目較多，注視停留時間較短，在空速表上比飛行學(xué)員有著更多的注視點，而在高度表上的注視點較少。結(jié)果表明熟練飛行員有更簡潔清晰的掃視模式，視覺注意力在跑道和空速度表之間轉(zhuǎn)移，而新手的掃視模式比較復(fù)雜，注意力還在跑道上周圍連續(xù)地注視。這表明熟練飛行員和學(xué)員在掃視上存在差異，這種明確的掃視模式同其優(yōu)秀的著陸績效相關(guān)。

Schriver等［13］通過驗證注意力與操作的關(guān)系來檢驗優(yōu)秀飛行人員和飛行學(xué)員在決策上存在的差異。14個優(yōu)秀飛行員和14個飛行學(xué)員在模擬機(jī)上進(jìn)行模擬飛行，同時檢測他們的眼動指標(biāo)。結(jié)果顯示，優(yōu)秀飛行員決策的速度和準(zhǔn)確度普遍高于飛行學(xué)員;注意力的集中程度與飛行員做出決策的速度和準(zhǔn)確度有很大的關(guān)系，注意力越集中，其決策速度和準(zhǔn)確度越高。

Wetzel等［14］在3種飛行模擬器中研究了飛行員的視覺掃視路徑。研究目的是明確優(yōu)秀飛行員有效的視覺策略是否能夠提高訓(xùn)練效果。同時也比較了F16優(yōu)秀飛行員和飛行學(xué)員的注意力分配的差異。研究發(fā)現(xiàn)兩個群體之間確實存在差異，優(yōu)秀飛行員的視覺策略可以用于指導(dǎo)其他飛行員的訓(xùn)練。隨后，Wetzel等還在18個月的時間里研究了訓(xùn)練過程中的視覺注意特點，同時也為研制、優(yōu)化適用于F16上的視覺測量裝置打下了基礎(chǔ)，實驗中研究了F16飛行員的視覺注意特點。在近7個月的使用期后，問卷調(diào)查結(jié)果表明90%的飛行教員認(rèn)為在技術(shù)性訓(xùn)練中進(jìn)行跟蹤飛行員的視覺注意力是非常有益的，82%的飛行教員認(rèn)為在眼動追蹤提高了模擬飛行訓(xùn)練任務(wù)的質(zhì)量，特別是在緊急任務(wù)的訓(xùn)練中效果非常明顯。調(diào)查問卷顯示100%飛行教員認(rèn)為視覺檢測裝置在飛行初期的訓(xùn)練中非常有用，一些不好的視覺注意習(xí)慣可以較早地得到糾正，該結(jié)果最終促進(jìn)了視覺測量裝置在F16上的配備及推廣。后來在F16的15個訓(xùn)練科目中，10個訓(xùn)練科目中要求跟蹤檢測飛行員的視覺注意力分配。

俄軍也較早開展了軍事飛行員的儀表掃視策略的研究，建立了優(yōu)秀飛行員的眼動范式，用于指導(dǎo)飛行學(xué)員的訓(xùn)練。

德國馬克斯普朗克生物控制學(xué)研究所與韓國高麗大學(xué)聯(lián)合開展了一項有關(guān)新飛行學(xué)員視覺掃描模式與操作表現(xiàn)之間關(guān)系的研究。實驗中使用固定式直升機(jī)飛行模擬器和遙測式眼動追蹤設(shè)備檢測飛行學(xué)員的儀表掃描模式。研究發(fā)現(xiàn)，在模擬飛行中表現(xiàn)較好學(xué)員對關(guān)鍵儀表有一定的選擇性。根據(jù)實驗結(jié)果，研究者建議在訓(xùn)練中教員應(yīng)對飛行學(xué)員的掃描模式進(jìn)行指導(dǎo)，同行要優(yōu)化儀表盤的設(shè)計、將重要的參數(shù)放在中央的位置顯示等。

上述研究表明，眼動信息與飛行員的飛行績效密切相關(guān)，眼動指標(biāo)可以用于評估飛行員的操作績效。經(jīng)驗豐富的飛行員會花費(fèi)更少的時間找到相關(guān)信息，而新飛行員則相反，其注意力會在某些區(qū)域滯留較長的時間。有經(jīng)驗的飛行員與新飛行員眼動的最大不同是收集重要信息的數(shù)量不同。有經(jīng)驗的飛行員有更多的固定信息，而且每個固定信息點持續(xù)相同的時間，獲得的信息更翔實。因此，如果用經(jīng)驗豐富飛行員的掃描策略去培養(yǎng)新飛行員，會大大提高新飛行員的作業(yè)績效。同樣，也可以根據(jù)飛行員的注意力參數(shù)，來評判座艙儀表的布局是否合理。

3．2眼動追蹤用于飛行員腦力負(fù)荷的評估常規(guī)的檢測腦力負(fù)荷的方法有主觀評價、行為學(xué)檢測及生理指標(biāo)的檢測。主觀評價和生理學(xué)檢測指標(biāo)反映了工作負(fù)荷的一些信息，但是對機(jī)體的認(rèn)知情況反映較少。而行為學(xué)檢測從多維地反映了機(jī)體操作績效，其中包括認(rèn)知情況。與腦力負(fù)荷相關(guān)的眼動指標(biāo)包括眨眼頻率、眨眼間期的長短、瞳孔直徑大小、注視數(shù)目及注視持續(xù)時間、跳動時間的長短及跳動速度等。

Nocera等［15］在模擬器上利用眼動追蹤技術(shù)，利用視覺的空間分布指標(biāo)(spatial dispersion indice)來分析專業(yè)飛行員腦力負(fù)荷的變化，同時采用NASA-TLX量表作為主觀腦力負(fù)荷的評價指標(biāo)。實驗中采用一種最近鄰居指標(biāo)的分析方法(the nearest neighbor index)來分析眼動的注視指標(biāo)，NASATLX主觀分析和該方法分析的眼動指標(biāo)結(jié)果吻合，即表明腦力負(fù)荷在起飛和降落階段最高，在爬升和下降階段處于第二位，在巡航階段最低。說明該分析方法可以將眼動指標(biāo)與腦力負(fù)荷的變化相對應(yīng)起來。

臺灣國家國防大學(xué)在模擬器上研究了軍事飛行員在模擬飛行過程中，分析了飛行員眼動與工作負(fù)荷之間的關(guān)系。試驗中采用NASA-TLX了解執(zhí)行任務(wù)重的腦力負(fù)荷的大小。比較了有經(jīng)驗的飛行員和新手之間的差異。實驗結(jié)果表明瞳孔直徑大小、注視總時間及注視點的總數(shù)目均可以很好地反映腦力負(fù)荷的大小。工作負(fù)荷越大，瞳孔直徑越大;腦力負(fù)荷越大，平均注視時間越小。有經(jīng)驗的飛行員和新手之間的這些眼動指標(biāo)存在明顯差異。該試驗表明眼動指標(biāo)可以很好地反映飛行員的工作負(fù)荷、認(rèn)知狀態(tài)和操作績效。

歐洲航管組織在空中交通管制實時模擬訓(xùn)練設(shè)備中使用遙測式眼動追蹤系統(tǒng)，對交通管制人員的工作負(fù)荷進(jìn)行評估，研究認(rèn)為空中交通管制是非常復(fù)雜的腦力工作過程，在模擬訓(xùn)練設(shè)備中使用遙測式眼動追蹤系統(tǒng)能夠更深入地了解交通管制人員的工作負(fù)荷，從而進(jìn)一步對所空中交通管制系統(tǒng)進(jìn)行評估和改進(jìn)，通過系統(tǒng)整合、人員調(diào)整來減少空中交通管制人員的工作負(fù)荷?？捎糜诳罩薪煌ü苤迫藛T工作負(fù)荷評價的眼動指標(biāo)包括:注視情況、興趣區(qū)(AOI)、凝視時間、總注視時間、首次到達(dá)目標(biāo)興趣區(qū)時間以及感興趣區(qū)域總凝視時間。

3．3眼動追蹤用語飛行員疲勞的評估飛行疲勞仍是造成航空事故的主要原因之一。因此，各軍種都投入了大量的資源對作業(yè)人員的疲勞管理和緩解疲勞的方法進(jìn)行了研究。許多眼動指標(biāo)均可反應(yīng)飛行中人員出現(xiàn)疲勞或注意力分散的情況(如瞳孔的大小等)，利用眼動追蹤系統(tǒng)對飛行人員作業(yè)時的眼動特征進(jìn)行評估，能用于飛行疲勞的預(yù)測和監(jiān)測。

Morris等［16］在模擬飛行條件下，執(zhí)行不同任務(wù)時的眼動指標(biāo)。同時檢測了發(fā)現(xiàn)眨眼幅度(blink amplitude)，眨眼率(blink rate)，長閉眼率(long-closure rate)及掃視率(saccade rate)這幾個指標(biāo)來反映受試者的疲勞狀態(tài)。研究結(jié)果表明在飛行操作任務(wù)中，這幾個眼動指標(biāo)反應(yīng)飛行疲勞的敏感性依次降低。而straight和level任務(wù)中，長閉眼率和眨眼幅度與疲勞相關(guān)度最高。

Van Orden等［17］的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由于困倦、警覺性降低及任務(wù)時間的時增加導(dǎo)致的操作績效改變時，人體的眼動指標(biāo)，如眨眼、注視及瞳孔直徑大小也隨之發(fā)生變化。他們發(fā)現(xiàn)注視頻率是由于任務(wù)導(dǎo)致的困倦和疲勞的一個更好的眼動指標(biāo)。

3．4眼動追蹤技術(shù)用于視野(FOV)需求的研究美國空軍基地在C-130飛行模擬器上做了試驗，把眼動追蹤設(shè)備應(yīng)用到視野要求的研究。實驗使用2種不同的視野條件，利用有經(jīng)驗的飛行員在2個不同的路線上進(jìn)行了低空投彈任務(wù)。結(jié)果顯示在全視野和有限視野的條件下，飛行員的視覺行為明顯不同。具體體現(xiàn)在花費(fèi)在儀表、前窗、左窗的時間百分比不同。眼動數(shù)據(jù)表明，在有限視野條件下，飛行員更多地使用前窗和儀表，而對左邊的窗口較少使用;在全視野條件下，飛行員很少使用前窗和儀表來獲取信息，卻較多地使用左窗獲得信息。

Dixon等還在F-15模擬器上研究視野的需求。他們以了15個飛行教員為研究對象，觀察在執(zhí)行飛行任務(wù)時，飛行員對視野中的哪些部分利用最多。結(jié)果表明前窗、左上窗及右上窗飛行員利用最多，飛行員利用這些途徑獲取視覺信息。

3．5眼動追蹤技術(shù)作為情景意識預(yù)測的評估情景意識就是飛行員對未知狀況的預(yù)測。Stern等［18］研究發(fā)現(xiàn)飛行員在做預(yù)測時導(dǎo)致了心率的下降、眨眼受抑制，或者當(dāng)受試者不能抑制眨眼時，眨眼的時間比正常情況下短。他們發(fā)現(xiàn)受試者在執(zhí)行操作時，如果刺激的位置及時間可以預(yù)測，眼動的一些指標(biāo)如預(yù)期掃視潛伏期、目標(biāo)掃視潛伏期及眨眼潛伏期都會發(fā)生變化。因此，這些指標(biāo)可以用于預(yù)判飛行員是否有良好的情景意識。

總之，飛行駕駛是一個復(fù)雜的任務(wù)過程，國外在飛行員的眼動追蹤研究起步較早，廣泛應(yīng)用于座艙優(yōu)化、飛行員注意力規(guī)律分析、不同任務(wù)的腦力負(fù)荷的評估、座艙視野的優(yōu)化及飛行員情景意識的預(yù)測等方面，在民航及軍事航空領(lǐng)域已經(jīng)初步形成了一套相對完善的航空工效學(xué)研究和評價體系。而國內(nèi)航空工效領(lǐng)域的眼動追蹤研究尚處于摸索階段，沒有形成相應(yīng)的系統(tǒng)研究理論和體系。隨著研究的深入和新技術(shù)的出現(xiàn)，眼動追蹤技術(shù)在在航空工效學(xué)的人因素研究領(lǐng)域方面，將有著廣泛的應(yīng)用前景和無法估量的應(yīng)用價值。

［參考文獻(xiàn)］

［1］史為民，王慶敏，劉秋紅，等．視覺跟蹤技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展［J］．海軍醫(yī)學(xué)雜志，2014，35(1):72-74．DOI:10．3969/j．issn．1009-0754．2014．01．030．

［2］盧姍姍，王慶敏，姚永杰，等．視覺追綜技術(shù)在國外軍事航空領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］．飛機(jī)設(shè)計，2015，35(3):61-64．

［3］Wu X，Wanyan X，Zhuang D．Pilot's visual attention allocation modeling under fatigue．Technol Health Care［J］．2015，suppl 2: S373-81．DOI:10．3233/THC-150794．PMID:26410504．

［4］Hasse C，Bruder C．Eye-trackingmeasurements and their link to a normativemodel ofmonitoring behaviour［J］．Ergonomics．2015，58 (3):355-367．DOI:10．1080/00140139．2014．967310．PMID:25396282．

［5］Wanyan X，Zhuang D，Zhang H．Improving pilotmentalworkload evaluation with combined measures［J］．Biomed Mater Eng．2014，24(6):2283-2290．DOI:10．3233/BME-141041．PMID:25226928．

［6］柳忠起，袁修干，劉偉，等．飛行員注意力分配的定量測量方法［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，32(5):518-520．

［7］柳忠起，袁修干，劉偉，等．模擬飛機(jī)著陸飛行中專家和新手眼動行為的對比［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2009，22(5): 358-361．

［8］劉偉，袁修干，柳忠起，等．飛行員掃視、操作績效及工作負(fù)荷的實驗研究［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2005，4:292-296．

［9］Merchant S，Schnell T，Vogl，et al．Assessing pilot performance in flight decks equipped with synthetic vision information systems ［R］．Tech Report，2001，Rockwell Collins．

［10］Anders G．Pilot's Attention Allocation during Approach and Landing–Eye and Head-Tracking Research in an A330 Full Flight Simulator［C］．Presentation at the 11th International Symposium on Aviation Psychology，2001，Columbus，OH，USA．

［11］Graeber DA，Andre AD．Assessing visual attention of pilots while using electronic moving maps for taxing［C］．Proceedings of the tenth symposium on aviation psychology，1999:2791-2796．Columbus，Ohio:Ohio State University．

［12］Kasarsjus P，Stehwien J，Hickox A，et al．Anthony A．Comparison of expert and novice scan behaviors during VFR flight［C］．Presented at the11th International Symposium on Aviation Psychology，2001:1-6．

［13］Schriver AT，Morrow DG，Wickens CD，et al．Expertise differences in attentional strategies related to pilot decisionmaking［J］．Human Factors，2008，50(6):864-878．PMID:19292010［Pubmed-indexedforMEDLINE］．DOI:10．1518/001872008X374974．

［14］Wetzel PA，Krueger G，Anderson G，et al．An Eye Tracking System for Analysis of Pilots'Scan Paths［R］．AIAA Technical library;CASIHC A03/MF A01，Report Number AD-A326750;AL/HR-TR-1996-0145;NIPS-97-37957，1996．

［15］Nocera FD，CamilliM，TerenziM．A Random Glance at the Flight Deck:Pilots’Scanning Strategies and the Real-Time Assessment of MentalWorkload［J］．JCogn Eng Decision Making，2007，1(3): 271-285．DOI:10．1518/155534307X255627．

［16］Morris TL，Miller JC．Electrooculographic and performance indices of fatigue during simulated flight［J］．Biol Psychol，1996，42:343-360．PMID:8652752［Pubmed–indexed for MEDLINE］．DOI: 10．1016/0301-0511(95)05166-X

［17］Van Orden KF，Jung TP．Makeig S．Eye activity correlates of fatigue during a visual tracking task［C］．Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting．1998，42(15): 1122-1126．DOI:10．1177/154193129804201514

［18］Stern JA，Boyer DJ，Schroeder DJ，et al．Blinks，Saccades;and Fixation Pauses During Vigilance Task Performance:2:Gender and Time of Day［R］．AIAA Technical Library;CASIHC A03/MF A01，Report Number AD-A307024;DTFA02-91-C-91056; DOT/FAA/AM-96/9，1996．

(本文編輯:張陣陣)

(收稿日期:2015－05－01)

［基金項目］軍隊武器裝備項目(編號:13A502)

［中圖分類號］R851

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［DOI］10．3969/j．issn．1009－0754．2016．01．035