基于眼動跟蹤的飛行任務(wù)訓(xùn)練改進

胡翔，鞏立艷，周曉，陳嘉先

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于眼動跟蹤的飛行任務(wù)訓(xùn)練改進

胡翔，鞏立艷，周曉，陳嘉先

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

傳統(tǒng)飛行任務(wù)訓(xùn)練的模式，主要是單純的對飛行員進行相關(guān)飛行理論以及飛行任務(wù)的考核，但對飛行員的具體飛行習(xí)慣、注意力分配以及戰(zhàn)場意識等缺乏訓(xùn)練指導(dǎo)，從而導(dǎo)致飛行員在實際飛行任務(wù)中操作不流暢、注意力分配不合理和戰(zhàn)場意識不明確。為此，本文提出了基于眼動跟蹤的方式，對大量優(yōu)秀飛行員的飛行數(shù)據(jù)進行樣本采集，并結(jié)合具體的飛行任務(wù)，利用美國航空與航天管理局任務(wù)復(fù)合指數(shù)（NASA-TLX量表）對飛行任務(wù)中的注意力分配進行評價，統(tǒng)計得出相應(yīng)的注意力分配標(biāo)準(zhǔn)?？蓱?yīng)用于飛行任務(wù)的訓(xùn)練，以提高訓(xùn)練效能。

眼動跟蹤；NASA-TLX量表；注意力分配；訓(xùn)練效能

0 引言

隨著高新技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)斗機，戰(zhàn)斗機的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能不斷提高，作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中心站的一個結(jié)點，也就是Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness，美國洛克西德-馬丁公司將其解釋為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下的戰(zhàn)場意識，飛行員需要在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行大量復(fù)雜的飛行任務(wù)，將對飛行員生理或者是心理方面都提出更高的要求。采用合理的飛行訓(xùn)練方式對飛行員進行相關(guān)的培訓(xùn)，不斷提高飛行員的飛行技能水平及任務(wù)完成能力已經(jīng)成為研究熱點。

目前，在對飛行員的飛行任務(wù)訓(xùn)練過程中，大多采用的是與飛行任務(wù)相關(guān)的飛行理論教學(xué)，在此基礎(chǔ)上，進行篩選訓(xùn)練，如初級飛行、高級飛行及作戰(zhàn)飛機改裝訓(xùn)練等。然而，由于飛行任務(wù)的質(zhì)量評價方法一般只是對飛行動作以及任務(wù)完成結(jié)果進行分析，忽略了完成動作的過程中飛行員的注意力分配是否合理，導(dǎo)致在整個訓(xùn)練過程中可能引起飛行員生理或者心理上不必要的損傷，甚至影響到最終的培訓(xùn)效果，以至降低了優(yōu)秀飛行員的培養(yǎng)率。

近年來，為了提高飛行員的訓(xùn)練效能，飛行員訓(xùn)練的相關(guān)理論得到了完善，訓(xùn)練方法創(chuàng)新研究已經(jīng)成為了一個熱門的研究領(lǐng)域。尤其是從以人適應(yīng)機器到人效工程的研究，明確了飛行員作為飛行任務(wù)實施的主體地位，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用航空醫(yī)學(xué)以及心理學(xué)的研究方法，改善飛行員的任務(wù)環(huán)境，提高飛行員的自身素質(zhì)，從而增強飛行員執(zhí)行任務(wù)的能力。為此，引入飛行員的眼動跟蹤數(shù)據(jù)，獲得優(yōu)秀飛行員的注意力分配習(xí)慣，通過對相關(guān)飛行員主觀認知的調(diào)查，即采用美國航空與航天管理局任務(wù)復(fù)合指數(shù)（NASA-TLX量表）[1]的方法，獲取最優(yōu)的注意力分配結(jié)果，應(yīng)用于飛行員的全培訓(xùn)過程，有利于飛行員良好飛行習(xí)慣的形成，提高飛行訓(xùn)練效能。

1 眼動跟蹤

1.1 飛行員作業(yè)視覺域

飛行員作業(yè)時，雙眼的視覺作業(yè)域在中心視軸左、右94°，視平線上55°到56°、下65°到70°范圍，其中垂直面內(nèi)視野與視界如圖1所示。雙眼根據(jù)觀察任務(wù)的不同可分成如圖1所示子區(qū)。

圖1 眼睛在垂直與水平方向上的功效區(qū)

由此可以獲取所需眼動跟蹤視區(qū)范圍在垂直方向至少需要滿足僅頭部轉(zhuǎn)動時的中央視覺區(qū)，即-45°～+35°，而水平方向需保證涵蓋Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ視覺區(qū)，且由于雙眼的注視點基本保持一致，因此，水平必須保證-62°～62°。

1.2 眼動跟蹤設(shè)備

眼動跟蹤設(shè)備按照跟蹤形式可以分為頭戴式或者非接觸式，按照工作原理則可以分為基于瞳孔角膜反射原理或者是基于固定標(biāo)志點的原理。國內(nèi)推出的眼動儀產(chǎn)品商品化進程緩慢，因此，國內(nèi)認知心理學(xué)、航空航天工效學(xué)以及產(chǎn)品設(shè)計等各領(lǐng)域研究中大多采用進口眼動儀，其中比較有代表性的眼動儀包括EyeLink系列眼動儀、H7型頭戴式眼動儀等，其性能指標(biāo)的對比與歸納詳見表1。

由于所處的測試環(huán)境因素的限制，需要選擇頭戴式的眼動跟蹤設(shè)備，且需要有足夠的視覺敏感區(qū)，以及足夠的采樣率，以滿足眼動數(shù)據(jù)的實時獲取。

1.3 眼動的基本方式及分析

1.3.1 眼動基本方式

眼動可以反映視覺信息的選擇模式，對于揭示注意力分配、認知加工的心理機制具有重要意義。眼動的基本方式包括注視（fixation）、眼跳（saceades）和追隨運動（Pursuit movement）。

1）注視：是將眼睛的中央窩對準(zhǔn)某一物體的時間超過100ms，在此期間被注視的物體成像在中央窩上，獲得充分的加工而形成清晰的像。注視并不意味著眼球的靜止，而是伴隨著細微的擾動。

表1 典型眼動儀的主要參數(shù)

2）眼跳：是注視點或者注視方位的突然跳變，而這種跳變往往是被試者無意識的行為。眼跳的速度非?？欤罡呖蛇_450°/s，且眼跳的幅度可以達到2分度到20度。

3）追隨運動：當(dāng)被觀察的物體與眼睛存在相對運動，為了保證眼睛總是注視這個物體，眼球會追隨物體的移動而移動，這種移動是在被試者主觀意愿下進行的有移動軌跡可循，需區(qū)別于眼跳。

1.3.2 眼動記錄參數(shù)分析

利用眼動儀進行認知心理學(xué)、生理學(xué)、人機功效學(xué)、計算機仿真技術(shù)研究[2]常用的資料和參數(shù)主要包括以下幾種。

1）總注視次數(shù)：用于衡量飛行員收集信息等的效率。注視次數(shù)越少，意味著飛行員的注意力分配效率越高，但需要考慮與任務(wù)的時間的反比關(guān)系。

2）注視次數(shù)：用來反映所注視區(qū)域信息的重要程度。顯示區(qū)域的重要程度與被注視的次數(shù)成正比例關(guān)系。

3）注視持續(xù)時間：反映了飛行員對于所注視區(qū)域信息提取的難易程度。持續(xù)時間越長往往意味著飛行員此時對于所要獲取的相關(guān)信息源目標(biāo)不明確程度越高。

4）注視點序列：注視點在飛行員所需要的信息源輸出區(qū)域之間進行轉(zhuǎn)換。能夠用來衡量飛行員對于飛行任務(wù)中所應(yīng)該關(guān)注信息的熟練程度，即合理的注意力分配規(guī)劃。

5）瞳孔大小與眨眼：瞳孔的大小與眨眼也是注意顯示界面信息的重要指標(biāo)?？梢耘c視景疊加表征飛行員此時所注意的信息量，也可以反映飛行員眼睛的疲勞程度或者是心理狀態(tài)。

2 飛行任務(wù)

飛機作為多任務(wù)航空器，同時是一個信息集合體，數(shù)據(jù)量大。根據(jù)飛行任務(wù)的不同，為飛行員提供的信息也將發(fā)生相應(yīng)的改變，為了能夠提高飛行員的訓(xùn)練效能，根據(jù)飛機本身的功能，結(jié)合飛行員的信息需求，對飛行信息按照具體的飛行階段或者任務(wù)狀態(tài)的信息需求進行整理。通過對飛行任務(wù)的分析，采用系統(tǒng)功能分析法對各系統(tǒng)的工作原理和功能進行研究。具體的分析流程見圖2。

圖2 飛行任務(wù)細化分析流程

2.1 飛行訓(xùn)練科目

飛行員在完成相關(guān)的理論培訓(xùn)之后，便需要在教練機上進行飛行課目訓(xùn)練，例如起落航線、特技、儀表、編隊、航行等基本飛行任務(wù)。飛行任務(wù)剖面的研究是用于飛行任務(wù)分析最常用的方法。圖3是一個典型的飛行剖面圖。

圖3 典型飛行剖面

以典型的飛行剖面為研究基礎(chǔ)，對于飛行任務(wù)所經(jīng)歷的階段采用飛行任務(wù)分解技術(shù)，將各階段分解為若干不可分割的子任務(wù)，根據(jù)任務(wù)之間的時序關(guān)系、邏輯關(guān)系確定飛行子任務(wù)之間的流程。如圖4所示。

圖4 任務(wù)分解示意

最終形成按照時序分布的子任務(wù)圖，以飛機起飛任務(wù)作為研究對象，對飛機起飛過程中飛行員各個階段所需要獲取的飛機信息進行羅列，如圖5所示。

2.2 相關(guān)任務(wù)注意力初始分配

在飛行員飛行任務(wù)完成的同時，將獲得大量的眼動跟蹤數(shù)據(jù)，除了能夠應(yīng)用1.3節(jié)中提到的眼動運動狀態(tài)定義以及分析方法之外，無法將眼動數(shù)據(jù)與飛行任務(wù)的子任務(wù)相互對應(yīng)。為了能夠讓獲取的大量眼動數(shù)據(jù)有更多的實際意義，需要知道在飛行任務(wù)的各個時刻飛行員所從事的具體操作以及視線所注視的相關(guān)感興趣區(qū)域。通過2.1小節(jié)已經(jīng)能夠?qū)⒊橄蟮娘w行任務(wù)細化到較為具體的子任務(wù)，然而，由于各個飛行員的個人習(xí)慣不同使得在完成每一個具體動作的時候注意力分配的方式可能不同，因此，為了獲得每個飛行員的注意力分配方式，可以采取多樣本采集的方法，通過調(diào)查問卷的形式進行初步的了解，形成對每個飛行員最初的注意力分配方式。

圖5 典型飛機起飛任務(wù)劃分圖

2.3 實驗獲取的注意力分配及分析

在獲取了飛行員對于飛行任務(wù)中每一個子任務(wù)所包含的各時刻視覺興趣區(qū)域項之后，結(jié)合在真實任務(wù)中的眼動數(shù)據(jù)，把眼動數(shù)據(jù)按照眼跳行為的發(fā)生進行時間區(qū)域劃分，與興趣區(qū)域項一一對應(yīng)。在一個子任務(wù)時間段內(nèi)將出現(xiàn)如圖6所示的注意力分配圖。

圖6 飛行員注意力分配示意

相應(yīng)的可以對進行實驗的所有飛行員的注意力分配圖進行統(tǒng)計。例如，a1、b1對應(yīng)的興趣區(qū)間為信息源X1，a2、b2對應(yīng)的信息源為X2，a3、b3對應(yīng)的信息源為x3，a4對應(yīng)的信息源為x4。每出現(xiàn)一次信息源xi(i=1,2,3...)對其出現(xiàn)的次數(shù)加1。設(shè)定一個閾值k，如果超過k次出現(xiàn)該信息源，則認為該信息源是必要的，否則放棄該信息源。

因為在子任務(wù)時間區(qū)間內(nèi)，看各個信息源的順序也可能由于個體差異而不同，為了確定一個標(biāo)準(zhǔn)則需要對所有信息源可能出現(xiàn)的時間順序進行排列。例如，有n個信息源，則可能出現(xiàn)A_n^n種排列方式，為了獲取最佳排列，同樣可以應(yīng)用統(tǒng)計的方法，選取其中排列出現(xiàn)次數(shù)較多的方案認定為標(biāo)準(zhǔn)注意力分配方案。

3 主觀誤差修正

即使同一個飛行員在不同的精神狀態(tài)下或者是不同架次時執(zhí)行相同的任務(wù)，每次任務(wù)的眼動數(shù)據(jù)也可能會出現(xiàn)偏差，因此，所獲取的注意力分配結(jié)果也存在一定的誤差，為了能夠修正由于飛行員自身內(nèi)在因素所引起的誤差，需要對飛行員完成飛行任務(wù)的相關(guān)情況加以分析。做一個假設(shè)，不同的飛行員都成功的完成了同一個飛行任務(wù)，但是每個飛行員都有不同的生理或者心理體驗，如果某飛行員對于這次任務(wù)的完成，無論是在腦力或者是體力方面感受到較其他飛行員更大的負荷，很可能因為這位飛行員的注意力分配方案更為不合理，因此，可以適當(dāng)?shù)慕档驮撐伙w行員的注意力分配方案在2.3小節(jié)中的統(tǒng)計權(quán)重。

3.1 腦力負荷測評方法

目前應(yīng)用得最為普遍的腦力負荷[3]測評方法是主觀測評法。指的是由飛行員陳述飛行過程中的腦力負荷體驗或者根據(jù)這種體驗對飛行作業(yè)項目進行過程排序、質(zhì)的分類或量的評估。主觀測評法多采用評價量表或調(diào)查問卷的形式。其中使用較為普遍的是由美國航空航天局開發(fā)的國家航空和航天管理局任務(wù)負荷指標(biāo)（national aeronautics and space administration-task load index，NASA-TLX），美國空軍開發(fā)的主觀性工作負荷評價技術(shù)（subjective work load assessment technique，SWAT）、全工作負荷量表（overall workload scale，OW）等。

其中，NASA-TLX量表與SWAT量表由于多維度特征可以更為精細的分析飛行員的完成任務(wù)特點，且評定效果與績效水平有良好的一致性，相對于WP量表更適合用于對飛行員腦力負荷的測評。而NASA-TLX量表較SWAT量表的優(yōu)勢在于對于低難度作業(yè)的腦力負荷評定更為敏感[4]，這與待測注意力分配標(biāo)準(zhǔn)的飛行員自身對于執(zhí)行任務(wù)的熟練度所導(dǎo)致的腦力負荷可能處于較低水平更為契合。因此選擇采用NASA-TLX量表測評被試的飛行員更為精確（表2）。

3.2 修正后的注意力分配標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計算法

通過對飛行員的腦力負荷的測評，可以獲取一個與每個飛行員相對應(yīng)的腦力負荷數(shù)值，以飛行員中取腦力負荷最低的飛行員的分數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，其他飛行員的注意力分配方案在進行2.3小節(jié)中的標(biāo)準(zhǔn)注意力分配統(tǒng)計的過程中權(quán)重不再相同，而是按照這個飛行員腦力負荷的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的比值作為該飛行員注意力分配方案在統(tǒng)計中的權(quán)重。可以更大程度的排除由于飛行員自身狀態(tài)不佳而影響到最終標(biāo)準(zhǔn)注意力分配方案的統(tǒng)計。算法流程如圖7所示。

表2 NASA-TLX量表評價指標(biāo)

圖7 注意力分配標(biāo)準(zhǔn)算法流程

4 結(jié)語

本文提出了一種基于眼動跟蹤的任務(wù)訓(xùn)練改進方法。首先對飛行任務(wù)進行細化，之后實時統(tǒng)計飛行員所注意的信息源，并且結(jié)合眼動儀所采集的眼動數(shù)據(jù)將飛行員實時的注意力分配方案形象的展示出來。最后考慮到飛行員自身的主觀因素對注意力分配方案的影響，采用NASA-TLX量表對飛行員飛行任務(wù)完成的效果進行評測，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的方法確定各個飛行員注意力分配方案所占的比重，最終統(tǒng)計得出該飛行任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)注意力分配方案。將其應(yīng)用于新飛行員的培訓(xùn)過程能夠提升飛行訓(xùn)練效能。目前本方法只是處于方法論階段，需要通過具體的過程化方案實施對其進行佐證，本方法論的主要意義在于提出了一種創(chuàng)新的飛行員訓(xùn)練方法，有利于飛行員養(yǎng)成良好的飛行習(xí)慣，以提高訓(xùn)練效能。

[1]TuovinenJ.Exploringmultidimensionalapproaches to the efficiency of instrctional conditions.Instructional Science，2004，32（1）：133-152.

[2]柳忠起，袁修干，劉偉，等.在模擬飛機降落過程中的眼動分析.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，28（6）：703-706.

[3]柳忠起，袁修干，劉濤，等.航空功效中的腦力負荷測量技術(shù).人類功效學(xué)，2003，9（2）：19-22.

[4]Rubio S，Diaz E，et al.Evaluation of subjective mental workload：A comparison of SWAT，NASA-TLX，andworkloadprofilemethods.AppliedPsychology，2004，53（1）：61-86.

>>>作者簡介

胡翔，1988年出生，男，2015年畢業(yè)于北京理工大學(xué)，碩士，現(xiàn)主要從事飛行員訓(xùn)練方法創(chuàng)新研究。

Improvement of Flight Mission Training Based on Eye Tracking

Hu Xiang,Gong Liyan,Zhou Xiao,Chen Jiaxian
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

The traditional mode of flight mission training mainly is to examine pilots for the relevant flying theory and flying mission simply,but there is no instruction for training of specific flying habits,attention distribution and awareness of battlefield.It somehow results in unsmooth operation in flight mission,irrational attention distribution and undetermined consciousness of battlefield.Therefore,this paper proposes a mode based on eye tracking,which samples the flying data from many excellent pilots,combines the specific flight mission and uses NASA-TLX(Task Load Index)to evaluate attention distribution in flight to mission to achieve the relevant attention distribution standard.It can be applied to flight mission training to improve training efficiency.

eye tracking;NASA-TLX(Task Load Index);attention distribution;training efficiency

2016-05-06）