基于多目標追蹤任務的飛行員心理運動能力測評方法

邵鏗睿，吳建軍，張朝陽,汪磊

(中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300)

1 引言

飛行安全是民航業的生命線，飛行員作為飛行安全中的主體，是影響飛行安全的重要因素，其知識技能、生理心理素質等職業品質是確保民航安全運行平穩可控的關鍵一環，是保證飛行安全的核心環節。在科技高速發展的驅動下，駕駛艙設備可靠性不斷提高，逐步轉變至智能化、自動化，而駕駛飛機已是一項復雜的認知任務，涉及飛行員的各種心理品質因素。統計表明，約有70% 的飛行事故是人為因素導致的,而心理因素又構成了人為因素的主要部分[1]。心理因素作為目前飛行事故中的突出問題，與飛行員的選拔、篩選、培訓以及人機界面的優化等問題均存在著一定的聯系[2]。基于對飛行員在飛行活動中能力的需求，包括基本認知能力、心理運動能力、人格(心理健康)測評等在內的心理選拔[3]始終是培養合格飛行員、保障飛行安全的必要環節。

國內外很多研究表明，心理運動能力在飛行員執行飛行任務中發揮著重要作用，與飛行中在駕駛艙中準確感知以及精細操作緊密相關，因此關系著整個飛行過程中的安全，是飛行員不可或缺的關鍵心理品質，也是飛行員心理選拔的重要內容[4]。心理運動能力(Psychomotor Ability)又譯“心理動作能力”，是指個體意識對軀體精細動作和動作協調的支配能力，是從感知到運動反應的過程及其相互協調活動的能力[5]。它包括感知活動、運動活動和兩者之間的協調，其基本特性涵蓋靈活性、準確性、協調性、反應速度和控制能力[6]。美國心理學家弗萊希曼(E.A.Fleishman)通過大量研究了11種基本心理運動要素，包括四肢活動協調、手臂運動速度、腕手速度、手指敏捷、臂手穩定性、腕指速度、速度控制、定向反應、反應時、瞄準和準確控制[7]。基于以上心理運動要素構成的心理運動測驗是飛行員心理選拔不可或缺的重要一環[8]。目前，國外對民航飛行員心理選拔，尤其是心理運動能力測評，已形成較為科學合理客觀全面的方法，如美國已從初始的儀器檢測法和飛行器模擬檢測法，逐漸實現心理運動能力測評計算機化并大規模應用[9]。相比較而言，國內關于飛行員心理運動能力的考察和測評還不夠重視，經查閱文獻顯示，僅有惠鐸鐸[10]以任務模式為切入點，通過設計相應的測驗程序，自行開發出一套側重于民航飛行員心理運動能力選拔的軟件系統，但這種測驗方式難以反映不同心理運動能力要素對測驗結果的重要性，而且一定程度上很難對心理運動能力作出全面準確的評估。

鑒于上述背景，本研究通過文獻歸納法對飛行員心理運動能力構成要素進行理論分析并確立能力維度，基于飛行員心理運動能力維度的理論研究，選取多目標追蹤任務為實驗范式，設計飛行員心理運動能力測量方案并實現計算機化測評，通過應用測試展開項目分析并檢驗系統信度與效度，以驗證系統有效性，以期進一步加強飛行員心理運動能力測量的生態學效度，為合格飛行員的選拔和訓練提供科學有效的工具。

2 對象與方法

2.1 多目標追蹤任務設計

結合飛行員在執行任務時需要處理大量相對運動的環境信息、對各類信息做到有效地處理加工的實際需求[11]，選取多目標追蹤任務為實驗范式設計飛行員心理運動能力測量方案。

多目標追蹤任務范式(Multiple-object Tracking,MOT)[12]關注動態場景下復雜視覺信息的注意和知覺認知的加工進程，是研究并行的容量有限的注意機制和研究基于客體的注意機制比較常用的范式。典型的多目標追蹤實驗范式(如圖1所示)包括線索(t1、t2階段)、追蹤(t3階段)和反應(t4階段)三個階段[13]。相關研究表明，目標的數量(Oksama,2004年)、運動速度(Liu,Austen et al,2005年)是影響追蹤績效的關鍵因素[14]，因此本研究以數量、速度因素為變量進行組內任務設計。

圖1 典型的多目標追蹤實驗范式示例(Pylyshyn,2004年)

2.2 測評系統的研制

基于飛行員駕駛特征以及操作行為分析，測評系統的研制主要以飛行認知能力為基礎[15]，在測試維度設定上更多涉及飛行認知能力，而非具體的11種心理運動基礎要素。經過文獻調研[16-18]，最終形成4個心理運動能力測試維度，包括眼手協調能力、雙手協調能力，注意分配能力和速度判斷能力，如圖2所示。

圖2 心理運動能力測試維度

其中，眼手協調能力定義為基于視覺信息導向而產生的、指向目標手部的精細動作協調能力[11]。雙手協調能力是指在完成任務過程中，機體在調節雙手與綜合身體各個部分活動在時間和空間中相互配合，合理有效地完成動作的能力，它是一種綜合性的能力，主要考察速度控制、平衡協調等素質[19]。注意分配能力是指心理活動在同一時間內，把注意分配到兩種或兩種以上不同的對象與活動上的能力，注意分配能力是完成復雜工作的重要條件。對于飛行員而言，駕駛飛機需要高度依賴視覺信息的有效獲取和注意力的合理分配，注意分配能力可作為衡量其飛行技能的關鍵指標之一[20]。速度判斷能力屬于運動心理學(運動知覺)中涉及的速度知覺，是個體對客體不斷發生速度變化的感知能力，同時也是個體的視覺感知和時間感知相結合的產物[21]。

依據節1.1所述的多目標追蹤任務范式，設計“飛行員心理運動能力測評系統”。各維度能力測評過程界面如圖3所示。

圖3 系統測評過程界面

2.3 研究對象

招募飛行學員、模擬飛行隊隊員作為系統應用測試對象，共計男性54名，均為右利手，年齡集中18-25歲(平均值M=19.72,標準差SD=1.188)。

2.4 測評工具與實施程序

測評工具為研究者研發的基于多目標追蹤任務范式的 “飛行員心理運動能力測評系統”，具體包括4個測試模塊：眼手協調能力測試，雙手協調能力測試，注意分配能力測試，速度判斷能力測試，外接設備為圖馬斯特(TCA)飛行搖桿一對。完成全部測試時間大約60 min，測試結束后所有數據均保存至系統日志。正式測試前，首先對被試講解測試任務內容及流程規范，然后進行所有能力項目的模擬測試，待完全熟悉所有測試任務內容后開始正式測試。具體測試方案如表1所示。

表1 心理運動能力測試項目簡介

2.5 統計學分析

應用SPSS 25.0軟件對各項能力測試數據進行統計分析。采用描述性統計、信度檢驗、效度檢驗、項目分析等方法進行統計學檢驗，P<0.05為差異具有統計學意義。

3 結果

3.1 描述性統計

依據測評程序，對54名被試依次進行各項能力測試，采用四分位法[22]剔除個別項目存在的異常值，統計結果如表2所示，針對各能力測量項目，根據不同參數的組內設計進行分組，測試結果表明各項目參數組內間相比較，均具有顯著差異。

表2 描述性統計結果

3.2 信度檢驗

在信度檢驗中，所有被試完成“飛行員心理運動能力測評系統”中4個能力維度下根據參數設置進行組內設計的分組測試，采用計算克倫巴赫α系數和斯皮爾曼分半法的方法反映測試項目內部一致性程度。分半信度通過將測試項目按照奇偶分組的方法，計算奇數序列組和偶數序列組測試結果之間的相關，并根據分半測試的相關系數計算得出該測試項目的信度。

4個能力測試模塊相關指標的克倫巴赫α系數介于0.67～0.89之間，分半信度系數在介于0.82～0.95之間，滿足心理測量學可接受范圍，說明各項指標具有良好的內部一致性信度。結果如表3所示。

表3 飛行員心理運動能力測評系統信度指標

3.3 測量項目分析

測量項目分析主要包含兩個指標：項目難度、項目區分度，兩指標共同影響并決定系統各能力測量項目的鑒別性。

項目難度(P)表征的是測試項目的難易程度，指標范圍介于0～1之間。具體計算方法如公式(1)。

(1)

式中：X表示該項目平均分；W表示該項目最高分。

項目區分度(D)表征的是項目能否區分測試高分者與低分者有效性的度量。D值越高，說明越能有效區分，通常認為區分度D=0.30或高于0.30的項目是可接受的。區分度D介于0～1之間。具體計算方法如公式(2)。

D=PL-PH

(2)

式中：PL表示“假設被試群體是低分組(即得分最低的27%)時計算出的難度值”，PH表示“假設被試群體是高分組(即得分最高的27%)時計算出的難度值”。

由于各能力測量項目最終輸出任務績效指標的度量和單位不同，需要對統計數據進行標準化處理，采用離差標準化(min-max標準化)進行歸一化處理，最終所有指標映射于[0,1]之間。具體包括正向指標標準化和逆向指標標準化，本系統各項目輸出績效指標中，正向指標包括：眼手協調能力-持續追蹤時間；雙手協調能力-任務正確率；注意分配能力-任務正確覺察率。逆向指標包括：雙手協調能力-任務完成時間；速度判斷能力-判斷距離偏差。

正向指標(指標值越大越好的“效益型”指標)標準化：

Y正=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：X表示指標原始值，Xmax表示原始值中最大值，Xmin表示原始值中最小值。

逆向指標(指標值越小越好的“成本型”指標)標準化：

Y逆=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中：X表示指標原始值，Xmax表示原始值中最大值，Xmin表示原始值中最小值。

所有測量項目績效指標經過離差標準化處理后，將被試在個各項目上的得分由高到低排序，選取得分最高的27%作為高分組，得分最低的27%作為低分組，采用獨立樣本t檢驗法求出顯著性水平(α=0.05)的項目決斷值(Critical Ratio,CR)和顯著性差異p值，分別計算高分組、低分組在各項目的平均得分及最高得分，通過公式1求出項目難度、公式2求出項目區分度。結果表明：各項目難度適中，區分度良好。具體結果見表4。

表4 項目分析

結果顯示，各項目能力參數分組的區分度，均置于0.32-0.40之間，依據美國心理學者伊貝爾(L.Ebel)通過測量學研究，制定的項目鑒別指數與評價標準[22](D<0.19時，鑒別度差，不予應用；D>0.20，<0.29時，鑒別度較好，仍需完善；D>0.30，<0.39之間時，鑒別度良好，適當修改；D>0.40時，鑒別度很好，予以應用)，因此本系統各測量項目具備較好鑒別效果，能將不同心理運動能力的被試進行區別，滿足心理測量學要求。

3.4 效度檢驗

采用重復測量方差分析方法對各測量項目內容效度進行檢驗，P<0.05認為差異具有統計學意義。

(1)眼手協調能力測評結果檢驗

根據四分位法分析顯示存在1組異常值數據，剔除后保留有效數據53組。對持續追蹤時間進行重復測量方差分析。圖4為不同速度、數量條件下持續追蹤時間的描述統計結果。結果表明，持續追蹤時間滿足球形假設(P>0.05)，速度與數量交互作用顯著F(2,51)=16.136(P<0.05)，η2=0.237。因此無需進行主效應檢驗，對速度分組和數量分組進行單獨效應的檢驗。

圖4 平均持續追蹤時間(N=53)

以上結果表明，目標物運動速度和干擾物數量與眼手協調能力績效之間呈負相關關系，運動速度和數量的增加會對眼手協調能力績效產生抑制作用。

(2)雙手協調能力測評結果檢驗

根據四分位法分析顯示存在4組異常值數據，剔除后保留有效數據50組。對任務完成時間進行重復測量方差分析。圖5為不同速度、數量條件下任務完成時間的描述統計結果。結果表明，任務完成時間滿足球形假設(P>0.05)，速度與數量交互作用不顯著F(2,48)=1.182(P=0.282)，η2=0.024。因此需進行主效應檢驗，檢驗結果顯示主效應顯著：速度F(1,49)=30.557(P<0.05)，η2=0.384；數量F(1,49)=98.58(P<0.05)，η2=0.668。

圖5 平均任務完成時間(N=50)

對任務正確率進行重復測量方差分析。圖6為不同速度、數量條件下任務正確率的描述統計結果。結果表明，任務正確率滿足球形假設(P>0.05)，速度與數量交互作用不顯著F(2,48)=0.000144(P=0.99)，η2=0.000003。因此需進行主效應檢驗，檢驗結果顯示主效應顯著：速度F(1,49)= 8.724(P<0.05)，η2=0.151；數量F(1,49)=20.713(P<0.05)，η2=0.297。

圖6 平均任務正確率(N=50)

以上結果表明，目標物運動速度與干擾物數量雖然交互作用不顯著，但仍對雙手協調能力任務完成時間和任務正確率有影響，運動速度和干擾物數量的增加會對追蹤績效產生抑制作用。

(3)注意分配能力測評結果檢驗

根據四分位法分析顯示存在6組異常值數據，剔除后保留有效數據48組。對任務正確覺察率進行重復測量方差分析。圖7為不同數量水平條件下任務正確覺察率的描述統計結果。結果表明，數量因素主效應顯著：數量F(2,46)=8.513(P<0.05)，η2=0.27。即目標物數量對注意分配能力有影響，數量的增加會對追蹤績效產生抑制作用。

圖7 平均任務正確覺察率(N=48)

(4)速度判斷能力測評結果檢驗

根據四分位法分析顯示存在1組異常值數據，剔除后保留有效數據53組。對判斷距離偏差進行重復測量方差分析。圖8為不同速度差異水平條件下距離偏差的描述統計結果。結果表明，速度因素主效應顯著：速度F(1,52)=6.449(P<0.05)，η2=0.11。即速度差異對速度判斷能力有影響，速度差異的增加會對速度判斷能力產生抑制作用。

圖8 平均距離偏差(N=53)

4 討論

本研究進行了多項信度檢驗，克倫巴赫系數和分半信度指標均滿足心理測量學可接受范圍。國內外用于飛行員心理評估的測試信度在0.65～0.95范圍內[23]，而本系統各項能力測試均在0.67以上，說明本系統具有良好的穩定性。在用四分位法對異常數據剔除后，采用重復測量方差分析法進行內容效度檢驗，結果顯示各項目測試過程中，不同參數組間差異顯著，說明測試具有一定的有效性。采用鑒別指數法對各測量內容進行項目分析，結果顯示具備較好鑒別效果，說明通過系統測評，能區分測試對象間不同心理運動能力水平。良好的信度指標、效度指標和鑒別指數指標表明本測評系統具有良好的穩定性、一致性和有效性。

研究發現多目標追蹤任務過程中存在抑制與干擾作用，測評對象在不同數量、速度的目標物/干擾物條件下，追蹤績效具有顯著差異。具體來說，目標物運動速度與干擾物數量與眼手協調能力績效之間呈負相關關系，即對眼手協調能力產生抑制作用，這與雷寰宇[11]、Oksama L[24]和Liu G等人的研究結果一致。此項目能夠選拔出更高素質的飛行員，且通過訓練能夠提升飛行員手眼協調以及多目標追蹤的能力，在飛行時能夠兼顧各儀表，并及時發現異常情況；雖然目標物運動速度與干擾物數量交互作用不顯著(F(2,48)=1.182(P=0.282)，η2=0.024)，但主動檢驗的結果表明以上指標仍對雙手協調能力測試項目的任務完成時間和任務正確率有影響，進行此測試項目的訓練能夠提高飛行員在目標物速度快、干擾物多情況下的雙手協調能力，確保在飛行中遇到緊急情況或故障，飛行員也能快速、準確地處理特情。

注意分配能力測評結果檢驗中，與郝炳瑕研究所得的結果類似，數量的增加會對注意分配能力產生抑制作用。注意分配能力是影響飛行操作績效的關鍵因素，進行此項目的訓練能夠有效提高飛行員的注意分配能力，從而提高其飛行操作績效；速度判斷能力測評結果檢驗中，速度因素主效應顯著(F(1,52)=6.449(P<0.05)，η2=0.11)，即速度差異的增加會抑制人的速度判斷能力。對于飛行員而言，面對各種突發狀況時，需要對飛機的狀態做出準確的判斷，良好的速度判斷能力對飛行安全有積極的作用，此項測試能夠很好地對飛行員的速度判斷能力進行訓練，從而保證飛行員能夠敏銳地感知飛機的速度變化，確保飛行安全。

另外，當采用雙任務范式將目標與非目標作為整體對象進行追蹤時(如注意分配能力測試)，這種基于物體的注意加工策略使目標和非目標的判斷時間明顯增長，對目標追蹤和分心物都起到一定的干擾作用。但本研究仍然存在不足之處，此次實驗中測試對象的樣本量不夠大，無法建立常模進行比較分析，后續研究還需擴大樣本量，以便建立穩定的常模樣本數據。

5 小結

(1)通過對飛行員駕駛行為及操作需求分析，采用文獻歸納法確定包括眼手協調能力、雙手協調能力、注意分配能力、速度判斷能力等4項基本能力的飛行員心理運動能力指標，基于多目標追蹤任務范式設計飛行員心理運動能力測評方案，此方案能夠較完整、合理地測評飛行員心理運動能力水平。

(2)研究并實現基于多目標追蹤任務范式的飛行員心理運動能力測評系統。通過信度檢驗、內容效度檢驗和項目分析對系統的有效性驗證，結果表明各項指標均符合心理測量學要求，本系統可用于對飛行員心理運動能力開展評估并進行針對化訓練。