基于眼動(dòng)數(shù)據(jù)的民航飛行學(xué)員運(yùn)動(dòng)推斷能力分析

王燕青, 李 瑞, 丁 冬

(1.中國(guó)民航大學(xué)飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300； 2.中國(guó)民航大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300300)

飛行學(xué)員在飛行訓(xùn)練時(shí)，尤其是在目視飛行規(guī)則下，由于在空中沒(méi)有參照物[1]，因此需要對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很好的推斷能力。例如，穿云飛行后，飛行學(xué)員容易對(duì)當(dāng)前飛機(jī)航向判斷失誤。進(jìn)行小角度協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎時(shí)，無(wú)法迅速判斷飛機(jī)是處于轉(zhuǎn)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(shè)想的[2-4]。因此，為了提升飛行學(xué)員的運(yùn)動(dòng)推斷能力，提高飛行學(xué)員的養(yǎng)成率，有必要在初始選拔階段對(duì)飛行學(xué)員的運(yùn)動(dòng)推斷能力進(jìn)行測(cè)試，篩選能力較強(qiáng)的飛行學(xué)員進(jìn)行培養(yǎng)。

運(yùn)動(dòng)推斷能力(movement inference ability，MIA)是指人對(duì)視覺(jué)所感受到刺激元素的理解及在空間中物體改變運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)能夠及時(shí)做出準(zhǔn)確判斷的視覺(jué)空間能力[5-6]。目前，對(duì)運(yùn)動(dòng)推斷能力的研究已有大量報(bào)道。游旭群等[7-9]提出負(fù)責(zé)表象運(yùn)動(dòng)推斷加工的子系統(tǒng)是一種具有相對(duì)穩(wěn)定可塑性較低的神經(jīng)認(rèn)知特性的系統(tǒng)。但視覺(jué)表象運(yùn)動(dòng)推斷本身具有先天性神經(jīng)解剖特點(diǎn)，而且在整個(gè)認(rèn)知加工子系統(tǒng)體系中負(fù)責(zé)加工的認(rèn)知子系統(tǒng)占比極小，因此在加工過(guò)程的外在表現(xiàn)形式上使得運(yùn)動(dòng)推斷能力具有一定的可塑性[10]。雖然在大腦皮質(zhì)聯(lián)合區(qū)各區(qū)之間尚未完全找到運(yùn)動(dòng)推斷能力相應(yīng)的生理基礎(chǔ)，但運(yùn)動(dòng)判斷能力的可塑性已經(jīng)得到了心理學(xué)研究的廣泛驗(yàn)證。Kosslyn[11]提出運(yùn)動(dòng)推斷的心理認(rèn)知加工是以高水平視覺(jué)加工系統(tǒng)作為認(rèn)知基礎(chǔ)的；Mishkin等[12]的研究指出負(fù)責(zé)加工的顳葉中區(qū)還可以進(jìn)行并行性認(rèn)知加工；斯滕伯格提出加因素法用于評(píng)定認(rèn)知加工效能，且該方法在后來(lái)的研究中應(yīng)用較為廣泛[13]。

由于飛行學(xué)員在空中飛行，缺少參考物，其運(yùn)動(dòng)推斷能力是否可塑性較低，值得進(jìn)一步探討；另外，飛機(jī)在巡航階段做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行員對(duì)于云層的距離位置以及穿云飛行后對(duì)于航向的把握較為困難。飛機(jī)在地形復(fù)雜的機(jī)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)近著陸時(shí)，有時(shí)需要做曲線運(yùn)動(dòng)去躲避山體等障礙物，飛行員對(duì)于障礙物的距離也較難判斷。而且由于飛行員的視覺(jué)局限性，其運(yùn)動(dòng)推斷能力是否存在差異，也有必要開(kāi)展研究。因此，現(xiàn)以民航飛行學(xué)員為研究對(duì)象，基于維也納心理測(cè)試系統(tǒng)(Vienna psychological test system，VTS)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合眼動(dòng)儀來(lái)獲取被試眼動(dòng)數(shù)據(jù)，以分析飛行學(xué)員的運(yùn)動(dòng)推斷能力與眼動(dòng)特征的關(guān)系，以期為民航飛行學(xué)員選拔提供建議方案。

1 研究對(duì)象與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 研究對(duì)象

選取44名中國(guó)民航大學(xué)在校男性飛行學(xué)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(guò)專業(yè)性訓(xùn)練且有良好駕駛經(jīng)驗(yàn)的合格飛行學(xué)員，12名為已接受理論學(xué)習(xí)但無(wú)駕駛經(jīng)驗(yàn)的大三飛行學(xué)員，20名為從未接受任何訓(xùn)練的大一飛行學(xué)員。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選用VTS心理測(cè)試系統(tǒng)和Tobii-X2-30型眼動(dòng)儀。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

自變量為經(jīng)驗(yàn)水平(大一、大三和大四飛行學(xué)員)和運(yùn)動(dòng)方式(勻速直線、變速曲線運(yùn)動(dòng))，因變量為運(yùn)動(dòng)推斷能力和眼動(dòng)特征。其中運(yùn)動(dòng)推斷能力可以通過(guò)測(cè)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間偏差和距離偏差3項(xiàng)來(lái)反映，眼動(dòng)特征可以通過(guò)平均掃視時(shí)間、平均注視時(shí)間、平均掃視距離、平均掃視速度4項(xiàng)指標(biāo)0來(lái)反映。因此，該實(shí)驗(yàn)采用3×2混合設(shè)計(jì)，其中經(jīng)驗(yàn)水平為組間變量，運(yùn)動(dòng)方式為組內(nèi)變量。

2.2 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)分為勻速直線和變速曲線運(yùn)動(dòng)兩組，每組8題，通過(guò)被試答題過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)反映運(yùn)動(dòng)推斷能力。兩組實(shí)驗(yàn)均無(wú)時(shí)間限制且實(shí)驗(yàn)中不會(huì)顯示小球運(yùn)動(dòng)軌跡。具體流程如下。

(1)VTS系統(tǒng)中設(shè)置模擬飛行運(yùn)動(dòng)方式場(chǎng)景。

(2)被試坐于實(shí)驗(yàn)屏幕前,調(diào)整座位和姿態(tài)。為保證眼動(dòng)記錄的精確性，對(duì)眼動(dòng)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后進(jìn)入勻速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),被試進(jìn)行答題，眼動(dòng)儀自動(dòng)同步記錄眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

(3)重復(fù)步驟(1)和步驟(2)開(kāi)始進(jìn)行變速曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

3 勻速直線下的飛行數(shù)據(jù)分析

3.1 飛行績(jī)效指標(biāo)分析

當(dāng)飛機(jī)做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行學(xué)員MIA測(cè)試績(jī)效結(jié)果如表1所示。

表1 勻速直線運(yùn)動(dòng)下飛行學(xué)員MIA測(cè)試績(jī)效結(jié)果

注：表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(M±SD)，下同。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.553，P=0.579>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和飛行訓(xùn)練對(duì)該實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)有顯著影響(F=5.551，P<0.05)。LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大一與大三被試的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)無(wú)顯著差異(P>0.05)，但大一被試測(cè)試時(shí)長(zhǎng)顯著高于大四被試(P<0.05)，同時(shí)大三被試也顯著高于大四被試(P<0.05)。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的時(shí)間偏差進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=1.025，P=0.368>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，時(shí)間偏差為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和飛行訓(xùn)練對(duì)該實(shí)驗(yàn)時(shí)間偏差無(wú)顯著影響(F=0.108，P>0.05)。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的距離偏差進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.258，P=0.773>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，距離偏差為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)距離偏差無(wú)顯著影響(F=0.163，P>0.05)。

3.2 眼動(dòng)特征數(shù)據(jù)分析

當(dāng)飛機(jī)做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行學(xué)員MIA測(cè)試眼動(dòng)指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 勻速直線運(yùn)動(dòng)下不同水平MIA測(cè)試眼動(dòng)指標(biāo)結(jié)果

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均掃視時(shí)間進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=2.594，P=0.087>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均掃視時(shí)間為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均掃視時(shí)間無(wú)顯著影響(F=0.534，P>0.05)。

揚(yáng)中市作為連接大江南北的交通樞紐，泰州長(zhǎng)江公路大橋穿境而過(guò)，境內(nèi)擁有三座夾江長(zhǎng)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(kāi)發(fā)深水岸線54千米，岸線利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)十分明顯。便捷的交通對(duì)于揚(yáng)中融入鎮(zhèn)江“金三角”戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)與新區(qū)的跨江聯(lián)動(dòng)發(fā)展具有積極意義。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均注視時(shí)間進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.367，P=0.695>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均注視時(shí)間為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均注視時(shí)間無(wú)顯著影響(F=0.260，P>0.05)。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均掃視距離進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.367，P=0.410>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均掃視距離為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均掃視距離有顯著影響(F=0.260，P<0.05)。LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大一被試平均掃視距離與大三被試無(wú)顯著差異(P>0.05)，但卻顯著低于大四被試(P<0.05)。同時(shí)大三與大四被試間平均掃視距離也無(wú)顯著差異(P>0.05)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)、模擬飛行訓(xùn)練和實(shí)際飛行訓(xùn)練后對(duì)飛行學(xué)員的掃視距離有著較大的提高。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均掃視速度進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=30.415，P=0<0.05，不滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均掃視速度為因變量，進(jìn)行非參數(shù)方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)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(shí)以及飛行訓(xùn)練的增加，飛行學(xué)員的掃視速度會(huì)有顯著提升。

3.3 飛行績(jī)效與眼動(dòng)特征相關(guān)性分析

對(duì)上述得到的顯著眼動(dòng)、績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析得到，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)與平均掃視距離、平均掃視速度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)，在進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，大四被試因接受過(guò)系統(tǒng)性培養(yǎng)和嚴(yán)格飛行訓(xùn)練，能夠做到快速且大幅度的掃視，對(duì)小球的勻速直線運(yùn)動(dòng)能做到較好理解，因此決斷時(shí)間和移動(dòng)光標(biāo)時(shí)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(shí)上會(huì)多于大四被試。

表3 MIA(勻速直線)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)與眼動(dòng)指標(biāo)的相關(guān)性

注：*表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

綜上所述，勻速直線運(yùn)動(dòng)情況下，三組被試測(cè)試時(shí)長(zhǎng)上的顯著差異，說(shuō)明通過(guò)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和飛行訓(xùn)練使得大四被試有著較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)推斷能力，能夠根據(jù)移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡快速判斷出觸及指定地點(diǎn)的時(shí)間及位置，可以有效降低飛行員穿云飛行后無(wú)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(shuō)明通過(guò)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和實(shí)際飛行訓(xùn)練后的大四學(xué)員信息提取及預(yù)判能力較強(qiáng)，使得在飛行過(guò)程中能夠獲得更多的信息來(lái)進(jìn)行正確的預(yù)判以有效應(yīng)對(duì)方位感缺失等問(wèn)題。

4 變速曲線飛行下的數(shù)據(jù)分析

4.1 飛行績(jī)效指標(biāo)分析

當(dāng)飛機(jī)做變速曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行學(xué)員MIA測(cè)試績(jī)效結(jié)果如表4所示。

表4 變速曲線運(yùn)動(dòng)下飛行學(xué)員MIA測(cè)試績(jī)效結(jié)果

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的時(shí)間偏差進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=2.496，P=0.095>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，時(shí)間偏差為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)時(shí)間偏差有顯著影響(F=4.823，P<0.05)。LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大一與大三被試的時(shí)間偏差無(wú)顯著差異(P>0.05)，而大一、大三分別與大四被試的時(shí)間偏差存在顯著差異(P<0.05)。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的距離偏差進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=3.008，P=0.060>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，距離偏差為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)距離偏差有顯著影響(F=3.105，P<0.05)。LSD事后檢驗(yàn)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(wú)顯著差異(P>0.05)。

4.2 眼動(dòng)特征數(shù)據(jù)分析

當(dāng)飛機(jī)變速曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行學(xué)員MIA眼動(dòng)指標(biāo)結(jié)果如表5所示。

表5 變速曲線運(yùn)動(dòng)下不同水平MIA測(cè)試眼動(dòng)指標(biāo)結(jié)果

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均掃視時(shí)間進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=1.000，P=0.377>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均掃視時(shí)間為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均掃視時(shí)間有顯著影響(F=3.639，P<0.05)。LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大一與大四被試平均掃視時(shí)間存在顯著差異(P<0.05)。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均注視時(shí)間進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.436，P=649>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均注視時(shí)間為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均注視時(shí)間無(wú)顯著影響(F=0.532，P>0.05)。

對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均掃視距離進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.784，P=0.463>0.05，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均掃視距離為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均掃視距離有顯著影響(F=12.271，P<0.05)。LSD事后檢驗(yàn)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(duì)不同經(jīng)驗(yàn)水平的飛行學(xué)員的平均掃視速度進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得F=0.820，P=0.447>0.055，滿足方差分析條件。進(jìn)一步以經(jīng)驗(yàn)水平為自變量，平均掃視速度為因變量，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，被試學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)平均掃視速度無(wú)顯著影響(F=0.034，P>0.05)。

4.3 飛行績(jī)效與眼動(dòng)特征相關(guān)性分析

對(duì)所得的顯著眼動(dòng)、績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)分析可知，測(cè)試時(shí)間偏差、距離偏差與平均掃視時(shí)間和平均掃視距離相關(guān)性較弱(表6)。在做變速曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行學(xué)員對(duì)移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡判斷能力無(wú)較大差別，說(shuō)明提高運(yùn)動(dòng)推斷能力難度后，三組飛行學(xué)員對(duì)于移動(dòng)物體到達(dá)指定地點(diǎn)的時(shí)間和位置把握程度難度較大。

表6 MIA(變速曲線)測(cè)試時(shí)間偏差、距離偏差與眼動(dòng)指標(biāo)的相關(guān)性

綜上所述，變速曲線運(yùn)動(dòng)情況下，三組被試時(shí)間偏差、距離偏差上的顯著性差異，說(shuō)明經(jīng)過(guò)飛行訓(xùn)練后的飛行學(xué)員對(duì)時(shí)間預(yù)判能力有著較大的提升，對(duì)距離的把控程度較好，使得飛行員在小角度轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠準(zhǔn)確判斷飛行狀態(tài)。三組被試的平均掃視時(shí)間和平均掃視距離顯著差異不大，說(shuō)明雖然飛行訓(xùn)練對(duì)被試的時(shí)間和距離判斷能力有所增強(qiáng)，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(shì)消失。

5 結(jié)論

(1)在勻速直線運(yùn)動(dòng)上，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和嚴(yán)格飛行訓(xùn)練能夠使飛行學(xué)員的信息提取及預(yù)判能力得到提高進(jìn)而使得其運(yùn)動(dòng)推斷能力得到提升。

(2)在變速曲線運(yùn)動(dòng)上，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和嚴(yán)格飛行訓(xùn)練能夠使飛行學(xué)員對(duì)時(shí)間預(yù)判及距離的把控程度得到增強(qiáng)進(jìn)而使得運(yùn)動(dòng)推斷能力得到提高。

(3)在現(xiàn)有的生理體檢和心理測(cè)試選拔基礎(chǔ)上增加飛行學(xué)員運(yùn)動(dòng)推斷能力選拔，在能力測(cè)試環(huán)節(jié)加入眼動(dòng)技術(shù)，結(jié)合相關(guān)顯著眼動(dòng)指標(biāo)(平均掃視距離、平均掃視速度)進(jìn)行飛行學(xué)員的選拔，同時(shí)應(yīng)用于飛行學(xué)員后期訓(xùn)練成績(jī)的評(píng)定環(huán)節(jié)。