譚維, 王文青, 汪磊, 張之洋, 邵鏗睿, 孫源

(1.中國民航大學安全科學與工程學院, 天津 300300; 2.民航航空公司人工智能重點實驗室, 天津 300300)

隨著對飛行員駕駛安全性和高效性等要求的不斷提高,加快對駕駛艙內系統(tǒng)的升級已然成為其重要發(fā)展途徑。飛行員在駕駛艙中獲取的信息除了來自電子儀表系統(tǒng)、操作面板、指示燈等,還包括在特定場景下需要查找的各類飛行手冊上的信息,如性能圖表、航圖、操作程序等。早期按法規(guī)要求必須配備的紙質版機載手冊質量大,使用周期短,修訂程序復雜,印刷和保存都需要一定的費用和空間,并且查找時間長、使用效率低?，F(xiàn)代駕駛艙大多使用電子飛行包內的電子文檔存儲格式的飛行手冊,電子化手冊解決了紙質版手冊的一部分問題,但查找具體操作程序依舊存在效率低、所需時間長、無法同時瀏覽不同頁面等缺點。隨著智能化駕駛技術的發(fā)展,從電子飛行包升級到交互系統(tǒng),其工作原理是通過與飛機各系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時交聯(lián),自動感知場景以便及時準確地顯示操作程序和建議等信息,減少飛行員信息搜索的時間,提高飛行操作效率,保證飛行安全。

交互系統(tǒng)作為智能化駕駛場景的新型手段,其工效學問題考慮不當?shù)脑?就會容易導致飛行差錯從而制約飛行安全[1]。視覺是人類獲取外界信息的一個重要渠道,80%～90%的信息都來自視覺通道。在實際飛行過程中,飛行員的中樞神經(jīng)和視覺器官始終處于注意力集中的緊張狀態(tài),同時還需要不斷進行信息的收集、整合、分析、判斷和決策等處理過程。研究表明[2],信息的接收-分析-處理過程是引起眼疲勞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞的主要因素。然而,駕駛艙內的大部分信息都是通過視覺呈現(xiàn)的,且超過75%的飛行員錯誤都與感知失誤有關[3]。因此,在進行飛機智能駕駛操作界面及自動化系統(tǒng)設計時應充分考慮飛行員的視覺認知特點[4]。

視覺搜索是一種復雜的認知過程,是人類獲取外界信息進行加工的一種重要方式[5]。目前,視覺搜索的研究主要集中在閱讀[6-7]、汽車駕駛[8-10]、界面可用性評估和設計[11-13]等領域。在航空領域也有開展相關研究。范曉麗等[14]研究了飛行員在實際飛行中監(jiān)視各種儀表信息的視覺搜索過程,得出不同水平的時間壓力和搜索難度對視覺搜索績效水平的影響具有顯著差異;Li等[15]通過眼動跟蹤技術研究了飛行員在與兩種不同設計的機組警報系統(tǒng)交互時的視覺掃描模式,得出集成設計優(yōu)于傳統(tǒng)設計,尤其體現(xiàn)在提供由視覺行為決定的準確指令方面;Yu等[16]使用特定的飛行模擬器和便攜式眼動跟蹤設備來捕獲飛行員在飛行操作期間的視覺掃描模式,得出將眼動跟蹤設備集成到模擬器中可能是提高飛行員情境意識訓練的一種有效方法,并且通過對視覺掃描模式和信息處理機制的深入理解,可提高飛行員飛行訓練的有效性;陳劍政等[17]研究了不同模擬光環(huán)境下不同視力者視覺搜索績效的差異,得出不同光環(huán)境對視力低于正常者的視覺搜索績效存在顯著影響;Lazaro等[18]研究了駕駛艙顯示器中的視覺復雜性對飛行員視覺搜索時間和準確性的影響,結果表明,視覺復雜性的增加導致了視覺搜索時間和目標檢測錯誤的增加;王燕青等[19]通過分析正常著陸和單發(fā)失效著陸兩個模擬場景中飛行學員搜索信息時的注視方式及其對團隊情境意識和績效的影響,發(fā)現(xiàn)在正常著陸場景下飛行學員應多關注駕駛艙外的情境,在單發(fā)失效場景下飛行學員應平均分配對駕駛艙內外景的注意力才能獲得較高的團隊情境意識,進而提高著陸績效。當前研究只是利用有限的視覺參數(shù)進行視覺搜索績效、掃描模式的研究,而沒有在接近真實飛行場景的環(huán)境中通過實驗深入分析其他視覺參數(shù)與視覺搜索特征及績效間的影響關系。

因此,現(xiàn)通過分析眼動數(shù)據(jù)來探究飛行員使用交互系統(tǒng)和電子手冊處置故障時的視覺搜索特征,構建視覺搜索績效評估模型探究飛行員視覺搜索績效水平,研究信息系統(tǒng)智能化程度的提高在復雜場景下能對飛行員工作績效產(chǎn)生的影響,以期為駕駛艙人機交互界面的設計、優(yōu)化及迭代提供參考,從而提高飛行員的安全操作水平,保證飛行安全。

1 實驗

1.1 被試人員

實驗招募20名航線飛行員作為被試,其中機長教員6名,機長4名,副駕駛10名,總飛行小時數(shù)2 000～18 000 h,平均飛行小時數(shù)(6 771.80±4 297.02) h。所有被試身體健康,無色盲色弱,視力、聽力均正常。

1.2 實驗條件

實驗在A320駕駛艙人機交互模擬仿真平臺上進行,如圖1所示,能模擬各類正常場景和非正常場景下駕駛艙內的實際狀態(tài)。被試在進行實驗操作過程中需全程佩戴Tobii Pro Glasses 2頭戴式眼動儀,以有效追蹤并采集被試視覺行為數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗場景及被試實際操作情況對眼動儀采集的數(shù)據(jù)進行興趣區(qū)(area of interest,AOI)劃分,最終劃定5個興趣區(qū)如圖1所示,即主飛行顯示(primary flight display, PFD)、導航顯示(navigation display, ND)、發(fā)動機/警告顯示(engine/warning display, E/WD)、系統(tǒng)顯示(system display,SD)、信息系統(tǒng)(交互系統(tǒng)/電子手冊)。

圖1 A320駕駛艙人機交互模擬仿真平臺及AOI劃分Fig.1 A320 cockpit human-computer interaction simulation platform and AOI division

1.3 實驗設計

實驗中被試分別使用兩種不同智能化等級的信息系統(tǒng)(交互系統(tǒng)和電子飛行包內的以文檔格式存儲的飛行手冊)來處置單發(fā)失效和襟翼卡阻兩個復雜故障場景。具體如下:設定飛機從廣州白云機場02L跑道起飛,離地后在爬升過程中一臺發(fā)動機失效(無損傷),被試先執(zhí)行飛機電子中央監(jiān)控(electronic centralized aircraft monitor,ECAM)操作程序,再執(zhí)行交互系統(tǒng)或電子手冊上的重新點火程序及操作建議,設置發(fā)動機重新點火成功。在返場的進近過程中,當襟翼設置到形態(tài)2時設置襟翼卡阻故障,被試按ECAM顯示保持安全速度,查閱SD提示信息,再執(zhí)行交互系統(tǒng)或電子手冊上的襟翼卡阻程序并查找相應性能數(shù)據(jù),最終帶著故障落地,實驗結束。實驗場景如圖2所示。

圖2 實驗場景路線圖Fig.2 Roadmap of the experimental scenario

為消除學習效應,被試按飛行員型別等級與飛行經(jīng)驗平均分配的原則分為兩組,一組10人先使用交互系統(tǒng)處置場景1即單發(fā)失效,再使用電子手冊處置場景2即襟翼卡阻;另一組10人先使用電子手冊處置場景1,再使用交互系統(tǒng)處置場景2。

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理

研究以信息系統(tǒng)類別為自變量,以視覺搜索特性為因變量設計實驗,通過分析眼動數(shù)據(jù)[14-20],從視覺搜索特征和視覺搜索績效水平兩方面來對飛行員的視覺搜索特性展開研究。同時,根據(jù)劃定的AOI選取了5個眼動指標來研究飛行員使用交互系統(tǒng)和電子手冊處置故障時的視覺搜索特性[21-28],分別為:注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)、注視次數(shù)占比、總訪問持續(xù)時間。

研究選取被試處置故障時的完整過程作為研究階段,所有統(tǒng)計分析均使用SPSS 25.0,P<0.05表示存在統(tǒng)計學差異,對數(shù)據(jù)進行Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗,符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行獨立樣本t檢驗,反之采用非參數(shù)統(tǒng)計方法曼-惠特尼U檢驗。

2 結果分析與討論

2.1 統(tǒng)計分析

對被試在單發(fā)失效和襟翼卡阻兩個場景下分別使用不同信息系統(tǒng)的眼動指標進行統(tǒng)計分析,其結果如圖3和圖4所示。兩個故障處理的重點有所差異,可體現(xiàn)飛機不同故障下飛行員注意力分配的差異。場景1單發(fā)失效需要飛行員關注飛行參數(shù)和發(fā)動機狀態(tài)變化(信息分布在PFD、ND、E/WD和SD上),同時還要按照標準操作程序處置(信息分布在E/WD、SD和信息系統(tǒng)上)。場景2襟翼卡阻需要飛行員花大量精力在著陸性能計算、操作程序閱讀(信息分布在E/WD、SD和信息系統(tǒng)上)和襟翼狀態(tài)參數(shù)獲取上(信息分布在PFD、ND、E/WD和SD上)。

*表示P<0.05;**表示P<0.01

*表示P<0.05;**表示P<0.01

對場景1單發(fā)失效的AOI眼動數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),使用交互系統(tǒng)在PFD的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)、注視次數(shù)占比和總訪問持續(xù)時間均大于使用電子手冊的,在E/WD、信息系統(tǒng)均小于使用電子手冊的,在ND、SD大小接近。差異性分析發(fā)現(xiàn),被試在使用不同信息系統(tǒng)處置場景1時,PFD的注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)占比差異顯著(P<0.05),E/WD的注視總持續(xù)時間、總訪問持續(xù)時間差異顯著(P<0.05),信息系統(tǒng)的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比和注視次數(shù)差異顯著(P<0.05),注視次數(shù)占比和總訪問持續(xù)時間差異特別顯著(P<0.01)。

對場景2襟翼卡阻的實驗數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),使用交互系統(tǒng)在PFD的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)和總訪問持續(xù)時間均小于電子手冊,在信息系統(tǒng)的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)、注視次數(shù)占比和總訪問持續(xù)時間均小于電子手冊,在E/WD的注視總持續(xù)時間占比和注視次數(shù)占比均大于電子手冊,其他AOI大小接近。差異性分析發(fā)現(xiàn),被試在使用不同信息系統(tǒng)處置場景2時,SD的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)、注視次數(shù)占比和總訪問持續(xù)時間差異顯著(P<0.05),信息系統(tǒng)的注視總持續(xù)時間占比和注視次數(shù)占比差異顯著(P<0.05),注視總持續(xù)時間、注視次數(shù)和總訪問持續(xù)時間差異特別顯著(P<0.01)。

2.2 視覺搜索績效分析

研究表明[18,29-31],視覺搜索績效主要通過視覺搜索所花費的時間和搜索準確度來量化反映。根據(jù)飛行員執(zhí)行飛行任務時對速度和效率的高要求,對飛行員視覺搜索績效研究主要從搜索速度和搜索效率兩方面展開分析。根據(jù)實驗采集的眼動數(shù)據(jù)確定視覺搜索績效評估指標,并建立視覺搜索績效評估模型[32],確定了用搜索速度(用S表示)和搜索效率(用A表示)來表征飛行員視覺搜索績效水平。

注視總持續(xù)時間(用D表示)可以反映人認知過程的困難程度,即數(shù)值越大表示被試確認目標的時間越長,認知越困難,因此,將搜索速度S定義為某個興趣區(qū)注視總持續(xù)時間的倒數(shù)[33],表達式為

S=D-1

(1)

由式(1)可知,被試認知越困難,注視總持續(xù)時間D越長,視覺搜索速度S越小。

被試在進行目標搜索的過程中,若對當前注視點的信息獲取不足則會重返上一個注視點來重新獲取信息,這種行為被稱為回溯注視。這些回溯注視點的產(chǎn)生會導致總訪問持續(xù)時間(用V表示)大于注視總持續(xù)時間,且隨著回溯注視點的增多,總訪問持續(xù)時間增多[22]。因此,將搜索效率A定義為某個興趣區(qū)總訪問持續(xù)時間V與注視總持續(xù)時間D的比值[32],表達式為

(2)

由式(2)可知,當A>1時,有回溯現(xiàn)象發(fā)生,且A越大,表明視覺搜索效率越低。

對實驗采集的眼動數(shù)據(jù)進行整理、計算,可得被試在單發(fā)失效、襟翼卡阻兩個場景下分別使用交互系統(tǒng)和電子手冊的視覺搜索績效評估模型的評價結果如圖5和圖6所示。

圖5 單發(fā)失效下的視覺搜索績效結果Fig.5 Visual search performance results under engine failure

圖6 襟翼卡阻下的視覺搜索績效結果Fig.6 Visual search performance results under flap locked

可以看出,單發(fā)失效下,在E/WD、SD和信息系統(tǒng)3個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索速度大于電子手冊,在PFD和ND上,使用交互系統(tǒng)的搜索速度小于電子手冊。

單發(fā)失效下,在5個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索效率均高于電子手冊,且在PFD處最高。

襟翼卡阻下,在5個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索速度均大于電子手冊,且在ND處最大。

襟翼卡阻下,除在信息系統(tǒng)這個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索效率低于電子手冊,其他4個AOI的搜索效率均高于電子手冊,且在SD處最高。

2.3 討論

通過對比分析眼動數(shù)據(jù)來探究飛行員使用交互系統(tǒng)和電子手冊在處置單發(fā)失效和襟翼卡阻時的視覺搜索特性。實驗結果表明飛行員使用不同信息系統(tǒng)處置故障時的視覺搜索特性存在顯著差異,具體表現(xiàn)為:使用交互系統(tǒng)有效減少了飛行員處置單發(fā)失效時在E/WD(判斷故障與系統(tǒng)狀態(tài))、處置襟翼卡阻時在SD(執(zhí)行帶故障的進近操作程序)及處置兩種故障時在信息系統(tǒng)(執(zhí)行故障處置程序)的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)、注視次數(shù)占比和總訪問持續(xù)時間。使用交互系統(tǒng)對飛行員處置單發(fā)失效時對信息系統(tǒng)的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比和注視次數(shù)影響顯著(P<0.05),對總訪問持續(xù)時間和注視次數(shù)占比影響特別顯著(P<0.01);在處置襟翼卡阻時對信息系統(tǒng)的注視總持續(xù)時間占比和注視次數(shù)占比影響顯著(P<0.05),對總訪問持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間和注視次數(shù)影響特別顯著(P<0.01)。結果還發(fā)現(xiàn)使用電子手冊處置故障在信息系統(tǒng)的標準差較大,且比使用交互系統(tǒng)的大。一方面,因為使用電子手冊處置故障需要飛行員在執(zhí)行程序的同時對當前系統(tǒng)狀態(tài)進行判斷,再做出相應決策,缺少了交互系統(tǒng)的智能決策功能;另一方面,由于不同飛行員的決策水平與思考時間有所差異,飛行員注視電子手冊的時間反映了他們的決策時間,故飛行員使用電子手冊處置故障在信息系統(tǒng)的標準差偏大。

Kotval等[21]研究指出注視持續(xù)時間的長短可以反映提取信息的難度,注視點的數(shù)量可以反映AOI的重要性。Hornof等[23]發(fā)現(xiàn),注視次數(shù)、注視持續(xù)時間不僅能夠反映視覺搜索效率,還能夠有效反映視覺搜索策略,即采取更系統(tǒng)的視覺搜索模式需要更少的重訪次數(shù)和注視時間。實驗結果發(fā)現(xiàn)使用兩種信息系統(tǒng)在復雜飛行場景中的注視總持續(xù)時間和注視次數(shù)均在信息系統(tǒng)最大,其次是E/WD,這表明信息系統(tǒng)和E/WD上的信息是飛行員處置故障的重要信息來源,與實際情況相一致。結果表明,使用交互系統(tǒng)能夠有效降低飛行員搜索和提取信息的難度,提高視覺搜索效率,同時還促使飛行員采取更系統(tǒng)的視覺搜索策略,有利于快速處置故障,保證飛行安全。

不同的故障屬性及飛行情境決定了飛行員的視覺搜索特征。在場景1單發(fā)失效中,使用交互系統(tǒng)在PFD(顯示主要飛行參數(shù))、ND(顯示導航信息)處的注視總持續(xù)時間、注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)、注視次數(shù)占比和總訪問持續(xù)時間均大于電子手冊;在場景2襟翼卡阻中,使用交互系統(tǒng)在E/WD(警告信息及排故程序)的注視總持續(xù)時間占比、注視次數(shù)占比均大于電子手冊。在故障處置過程中,提示信息量的增加會降低飛行員的搜索績效,如使用交互系統(tǒng)處置單發(fā)失效時在PFD和ND處的搜索速度,處置襟翼卡阻時在信息系統(tǒng)的搜索效率均小于電子手冊。結合實際情況分析,單發(fā)失效發(fā)生在起飛后爬升階段,飛行員主要從PFD獲取相關飛行參數(shù)以保證關鍵階段飛行操縱的穩(wěn)定性;襟翼卡阻發(fā)生在進近階段,飛行員需要從E/WD上獲取故障信息及進近性能數(shù)據(jù),從而執(zhí)行操作程序與著陸評估,保證飛行安全。

研究還基于眼動數(shù)據(jù)建立了視覺搜索績效評估模型,該模型指出使用交互系統(tǒng)能夠有效提高被試處置故障的視覺搜索績效水平?；诖私Y論并結合Beck等[34]、Moacdieh等[35]在駕駛艙顯示界面視覺復雜性方面的研究,發(fā)現(xiàn)視覺復雜性越高導致搜索時間越長和錯誤率越高。而使用交互系統(tǒng)能有效提高視覺搜索速度和效率,即交互系統(tǒng)能有效提高視覺搜索績效水平,降低駕駛艙顯示系統(tǒng)的視覺復雜性,幫助被試快速找到目標信息并處置故障,保證飛行安全。

3 結論

(1) 使用交互系統(tǒng)顯著減少了飛行員在處置單發(fā)失效時E/WD、襟翼卡阻時SD以及在處置兩個故障時信息系統(tǒng)的注視總持續(xù)時間和總訪問持續(xù)時間。

(2) 使用交互系統(tǒng)能夠縮短飛行員決策和判斷的時間;起飛后單發(fā)失效場景下飛行員在E/WD、SD和信息系統(tǒng)3個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索速度大于電子手冊,在PFD和ND上使用交互系統(tǒng)的搜索速度小于電子手冊。進近過程中襟翼卡阻場景下飛行員在5個AOI上使用交互系統(tǒng)的搜索速度均大于電子手冊,且在ND處最大。

(3) 使用交互系統(tǒng)能有效提高飛行員在處置單發(fā)失效和襟翼卡阻故障時的視覺搜索效率。起飛后單發(fā)失效場景下飛行員在5個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索效率均高于電子手冊,且在PFD處最高。進近過程中襟翼卡阻場景下,除在信息系統(tǒng)這個AOI上,使用交互系統(tǒng)的搜索效率低于電子手冊,其他4個AOI的搜索效率均高于電子手冊,且在SD處最高。

(4) 研究結果表明信息系統(tǒng)智能化程度的提高在復雜場景下能對飛行員工作績效產(chǎn)生正效應,可為駕駛艙人機交互界面的設計、優(yōu)化及迭代提供理論參考,保證飛行安全。