儀表飛行條件下飛行錯覺與儀表注視的相關分析

，， ， ，，鳴皋

飛行錯覺是飛行空間障礙最有代表性的表現，是導致飛行事故的重要原因之一[1-3]。研究報道，95.5%～100.0%的飛行員發生過飛行錯覺，且主要發生在復雜氣象飛行條件下[4]。飛行員在發生飛行錯覺后常出現程度不同的心理、生理反應，有的程度重、持續時間長、對操縱有嚴重影響且難以克服，甚至會發生飛行事故。因而對于飛行員的飛行錯覺進行測評具有極為重要的意義。

在復雜氣象飛行條件下，飛行員必須要借助飛行儀表飛行，此時儀表視覺能力非常重要[5]。目前的新式飛機中加載了平視顯示器，通過光學原件顯示圖形與字符提供飛行所需的基本信息，例如飛機的姿態、高度、航向、速度及垂直速度等，并且這些信息與艙外真實視景重疊，使得飛行員可以同時觀察艙外目標與儀表顯示，能減輕飛行員的負擔并縮短觀測時間，并且能使飛行員更快的從儀表飛行過渡到目視飛行。隨著機型的改進，平視顯示器的作用愈發突出，飛行員能從平視顯示器中獲得更多的信息[6]。但是目前對于飛行作業時飛行員在平視儀中掃視情況以及其與飛行錯覺的關系仍然鮮有研究。

本研究通過記錄飛行員儀表飛行時飛行錯覺情況、儀表掃視情況及眼動情況，通過偏相關分析，探討飛行員對平視儀的掃視能力與飛行錯覺水平的關系，并探究其眼動機理，為飛行錯覺對抗能力的檢測與訓練提供理論和試驗依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象 選取45名戰斗機現役男飛行員參加研究，受試者的年齡25～52(30.4±5.0)歲，飛行時長400～3 000 (903.8±457.6)h。飛行的機種為蘇-30、蘇-27、殲-11B等戰斗機。所有的受試者視力正常，無前庭系統和視覺系統的疾病歷史，均為右利手，自愿參與本次試驗。

1.2 飛行錯覺水平量表 《飛行錯覺水平量表》分為4個部分：第一部分由63道題組成，調查在易導致飛行錯覺的操作及外界條件下，飛行錯覺發生的頻率，包含前庭性錯覺、視覺性錯覺與前庭視覺性錯覺中大部分常見錯覺情況，該部分中包含4組測謊項目；第二部分由13道題組成，針對飛行員海上錯覺情況進行調查，研究飛行員海上錯覺水平；第三部分由9道題組成，為9種飛行錯覺形態發生頻率表，研究飛行員的總錯覺水平；第四部分由5道題組成，為飛行錯覺克服情況及伴發癥狀表，研究飛行員發生錯覺后的反應[7]。該量表具有較好的信、效度。

1.3 眼動儀 本研究使用的眼動追蹤設備為德國SMI(SensoMotoric Instruments)公司的遠程眼動追蹤儀，搭載目前最先進的高質量多功能眼動追蹤系統iViewX[8]。遠程眼動追蹤儀在實驗中采樣頻率為120 Hz。眼動追蹤組件左右兩邊各有1個紅外裝置，可以獲取被試的眼睛運動情況(實際為瞳孔運動情況)的圖像數據，經過iViewX系統基于非侵入性圖形圖像處理技術對其進行采集處理。

運用Begaze軟件對受試者眼動數據進行處理，提取出各項眼動指標。基于對感興趣區域的分析，本研究主要關注的平顯儀表為羅盤、速度表(即空速表)、升降速度表、高度表和地平儀這5個感興趣區域，選擇注視次數、平均每次注視時間、總的注視時間及掃視次數4個眼動指標進行分析。

1.4 試驗步驟 在眼動試驗前，受試者填寫《飛行錯覺水平量表》，隨后開展FA18平視顯示器儀表訓練，訓練時間約10 min。隨后，對眼動儀進行標定，減少飛行員在之后的試驗中發生頭部運動的可能性。在標定完之后開始正式試驗。

試驗中屏幕上首先出現1個紅色的“+”符號注視點(600 ms)，提醒受試者準備進入試驗。接著呈現1張儀表圖示(3 000 ms)。在圖示呈現的過程中，飛行員仔細記住顯示器上地平儀、高度表、速度表、升降速度表和羅盤這5個儀表的讀數，在圖示結束后通過按鍵A，B，C，D選出最接近儀表真實讀數的答案。一共有5張讀數不同的圖示，每張圖示僅呈現2次，圖示出現的順序為偽隨機(同一張圖示不會連續出現2次)，試驗流程圖見圖1。整個試驗過程中，眼動儀全程追蹤飛行員的眼動狀況，并實時采集相應的眼動參數。

2 結果

2.1 飛行錯覺水平量表結果 受試者總體飛行錯覺水平得分為(0.27±0.30)，飛行錯覺后反應得分為(0.58±1.05),飛行員儀表飛行錯覺水平與飛行錯覺后反應呈顯著正相關(r=0.620,P=0.000),圖2。

圖2 總體飛行錯覺水平與飛行錯覺后反應相關圖

2.2 儀表掃視結果 受試者儀表掃視反應時間及儀表判讀反應正確率見圖3、圖4。其中高度表的掃視反應時間最長(5 326.68±1 835.12) ms，地平儀的掃視正確率最高(0.61±0.21)。

圖3 不同儀表判讀反應時間

圖4 不同儀表判讀反應正確率

2.3 眼動參數與飛行總錯覺水平的相關性分析 飛行員儀表飛行錯覺水平與升降速表平均注視時間(r=0.372,P=0.014；圖5)呈正相關；與高度表反應正確率(r=-0.304,P=0.047；圖6)、地平儀反應正確率(r=-0.311,P=0.042；圖7)呈現負相關。

圖5 總體飛行錯覺水平與升降速度表平均注視時間相關圖

圖6 總體飛行錯覺水平與高度表反應正確率相關圖

圖7 總體飛行錯覺水平與地平儀反應正確率相關圖

3 討論

飛行員空間定向障礙(spatial disorientation，SD)對抗能力的測評方法中，問卷調查由于其主觀性過強，并不適用于除科研之外的條件。在招飛、停飛、復飛等檢測中，飛行員基于一定的目的可能并不會如實填寫，這種情況下就需要探究一種客觀準確又有針對性的評測方法。但是，問卷調查法可以從各方面全面評價飛行員的錯覺水平，并且也已經建立起比較成熟的計算公式，因而在本次研究中選用《飛行錯覺水平量表》作為飛行員SD對抗能力的評測方法。本研究表明，錯覺水平與飛行錯覺后反應呈明顯相關關系，表明該量表對于飛行錯覺的篩查有較好的輔助作用。

對不同機種空軍飛行員飛行錯覺后反應的分析研究表明，殲擊機飛行員的飛行錯覺后反應得分為(0.26±0.29)[9]，得分的均值與方差之間比較接近。本研究的總飛行錯覺水平與飛行錯覺后反應水平的均值與方差之間同樣比較接近，這表明本次試驗結果與之前研究的整體趨勢比較接近。

對受試者飛行錯覺水平與飛行錯覺后反應得分進行相關性分析，兩者的相關系數為0.620，雙側顯著性P<0.01，可知飛行總錯覺水平得分與飛行錯覺后反應得分成顯著正相關性，即飛行錯覺水平得分越高，飛行錯覺后飛行反應得分越高。而飛行錯覺水平得分越高，表明飛機駕駛員越容易出現SD；飛行錯覺發生后飛行反應得分越高，表明其受SD的影響越大，飛行對抗能力越差。飛行錯覺水平得分與飛行錯覺后反應得分的正相關性表明它們在評測飛行員SD對抗能力上的一致性，對抗能力越差的飛行員越容易發生飛行錯覺，并且越難從飛行錯覺中擺脫，飛行錯覺對其飛行的影響也越大。

研究結果表明，飛行員的儀表判讀能力與飛行員飛行錯覺總水平之間存在一定的相關性，但這種聯系并不是簡單的線性關系[10-11]。基于各個儀表的判讀結果說明，總飛行錯覺水平與高度表反應正確率、地平儀反應正確率呈顯著負相關性，與升降速度表的注視時間呈正相關性，這與飛行員的儀表掃視能力密切相關。正確率與反應時間是評價個體掃視能力及認知的重要行為學參數，正確率越高、反應時間越短則表明個體掃視能力越好。從平均反應時間、高度表反應正確率、地平儀反應正確率這3個參數來說，SD對抗能力越差，儀表判讀的正確率越高，儀表判讀的所需時間越短，飛行員儀表判讀能力越好。這也說明了儀表掃視能力與飛行錯覺對抗能力之間的關系。

在飛行初期，新手飛行員由于缺乏相應的技術訓練，對儀表的認知加工水平不高，因而儀表掃視能力較低，并會在很大程度上影響飛行能力[12-14]。但是在進行專業化的訓練之后，飛行員已經形成了信息快速加工的處理能力，根據任務的重要性合理進行注意力分配。在這種情況下，掃視成績的訓練已經不足以說明問題，需要進一步探究出現這種狀況的眼動機制。

研究結果表明地平儀注視次數對總飛行錯覺水平起決定性的影響，并且地平儀注視次數與總飛行錯覺水平顯著正相關。地平儀可以反應飛機的飛行姿態，對實際飛行至關重要，也是飛行員重點關注的區域，但是在實際飛行中需要采用合理的視覺搜索模式進行地平儀參數的獲取。研究表明，注視點的數目與搜索的效率成反比，地平儀的注視次數多則表明受試者在進行搜索的時候效率低。由此可推測，飛行錯覺水平高的受試者可能視覺搜索效率較低。

本研究初步提出了總飛行錯覺水平與儀表判讀及注意力分配之間的關系，為飛行員SD對抗能力的檢測提供了一定的參考依據。對于飛行員的儀表掃視能力訓練，針對SD對抗能力，為了訓練的有效性，不僅應該考慮飛行員的快速認知加工能力與決策能力，還應該考慮飛行員的視覺搜索水平，特別是對于地平儀的處理，探究合適的視覺搜索模式，減少對儀表的注視次數，提高每一次注視的效率，既能確保掃視的正確率，又能減少錯覺發生的可能性。