孫瑞山 汪 苧

(中國(guó)民航大學(xué)民航安全科學(xué)研究所，天津300300)

安全是民航永恒的主題，影響航空安全的因素涉及到人和技術(shù)以及政治、經(jīng)濟(jì)、科技、社會(huì)、環(huán)境等許多方面，其中人是最關(guān)鍵的因素.根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)分析，民機(jī)飛行事故中約有60% ～80%是由于機(jī)組原因造成的［1］.飛行員在操作飛機(jī)的過(guò)程中，需要處理大量信息情報(bào)，而信息的來(lái)源很大程度上依賴(lài)于視覺(jué)，約有80% ～90%是通過(guò)人眼獲得.由于人眼獲取信息具有直接性、自然性和雙向性等特點(diǎn)［2］，因此眼動(dòng)研究被認(rèn)為是人信息加工研究中最有效的手段.

國(guó)外將眼動(dòng)設(shè)備應(yīng)用于航空研究的記錄最早可追溯至1950年［3］，分別從工作負(fù)荷、情境認(rèn)知、航空人員選拔等方面進(jìn)行了廣泛而持續(xù)的研究.

文獻(xiàn)［4］通過(guò)攝像機(jī)記錄飛行員在飛機(jī)最后轉(zhuǎn)彎階段的視覺(jué)關(guān)注區(qū)域，根據(jù)飛行日志分析其飛行精度，發(fā)現(xiàn)視覺(jué)管理與潛在危險(xiǎn)方式轉(zhuǎn)彎之間的相關(guān)性.文獻(xiàn)［5］利用眼動(dòng)設(shè)備跟蹤飛行員的眼動(dòng)變化，記錄飛行經(jīng)驗(yàn)存在差異的飛行員在做出決策過(guò)程中的精度和時(shí)間，證明經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員在決策時(shí)用時(shí)較短、精度較高，且在故障模式下會(huì)更多地關(guān)注有用信息.文獻(xiàn)［6］利用眼動(dòng)設(shè)備在白天和夜晚兩種不同光照強(qiáng)度條件下進(jìn)行飛機(jī)著陸實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)飛行員在獲取艙外信息時(shí)可以利用余光而非完全通過(guò)注視模式，且在白天光照條件下，飛行員能夠獲取更多的艙外信息，從而降低了下滑道性能.文獻(xiàn)［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集眼動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)，利用行為、心理模型研究駕駛艙的自動(dòng)監(jiān)控策略，研究在驗(yàn)證前人成果的同時(shí)，證明監(jiān)控錯(cuò)誤是人機(jī)交互故障的主要因素.文獻(xiàn)［8－9］將視線(xiàn)跟蹤運(yùn)用到航空人才選拔中，以識(shí)別監(jiān)控操作的優(yōu)劣，研究表明識(shí)別準(zhǔn)確的監(jiān)控行為能夠改進(jìn)未來(lái)人才選拔程序.

我國(guó)在眼動(dòng)方面的研究起步較晚，最早開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末、80年代初，在民用航空領(lǐng)域的眼動(dòng)研究更為滯后.其中具有代表性的是:基于飛行員眼動(dòng)視域特征的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)［10－11］，航空人因工程領(lǐng)域眼動(dòng)研究［12－14］以及其它航空領(lǐng)域的眼動(dòng)研究［15］.本文以固定式飛行模擬器為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用非接觸式FaceLAB4.0眼動(dòng)儀作為眼動(dòng)跟蹤設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，簡(jiǎn)化飛行員獲取信息的目標(biāo)區(qū)域，并利用馬爾科夫鏈的數(shù)學(xué)分析方法對(duì)飛行員的視覺(jué)特征進(jìn)行研究.

1 駕駛艙眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建需要使用如下儀器設(shè)備:飛機(jī)駕駛艙人機(jī)交互仿真與測(cè)試系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“飛行模擬器”)和 FaceLAB4.0 眼動(dòng)儀［16］.

實(shí)驗(yàn)中的駕駛環(huán)境采用固定式飛行模擬器.該飛行模擬器包括系統(tǒng)控制臺(tái)、飛機(jī)仿真軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、飛機(jī)設(shè)備仿真件和外圍配套設(shè)備.整個(gè)系統(tǒng)提供了對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行各種設(shè)置的人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)真實(shí)飛機(jī)操縱的模擬.飛行中的外景圖像，通過(guò)系統(tǒng)自帶軟件和投影儀，播放到駕駛艙前方的屏幕上.

視線(xiàn)跟蹤設(shè)備采用澳大利亞Seeing machine公司生產(chǎn)的FaceLAB4.0眼動(dòng)儀.該眼動(dòng)儀是一個(gè)紅外攝像系統(tǒng)，采用非接觸式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉的3D建模，極大地減少了測(cè)量?jī)x器對(duì)人的干擾，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了實(shí)時(shí)的視線(xiàn)跟蹤.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇普通在校研究生(男性，年齡為23～28歲)作為實(shí)驗(yàn)被試，被試的視力或矯正視力正常.在實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備階段，被試需在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境中進(jìn)行5 h的飛行操作訓(xùn)練，熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)測(cè)試證實(shí)能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù).

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，建立每位被試的頭部模型(the head model).要求被試完成在同一機(jī)場(chǎng)相同氣象環(huán)境下(晴朗的白天)的飛機(jī)起飛任務(wù)，每次實(shí)驗(yàn)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)從飛機(jī)對(duì)正跑道沿著跑道中心線(xiàn)起飛滑跑開(kāi)始記錄，直到飛機(jī)高度表顯示已爬升至300英尺高度.具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖

2 眼動(dòng)建模及視覺(jué)區(qū)域劃分

2.1 眼動(dòng)設(shè)備建模

FaceLAB 4.0眼動(dòng)儀首先要建立場(chǎng)景模型，場(chǎng)景模型是標(biāo)定眼動(dòng)儀、被觀測(cè)物體與測(cè)試對(duì)象之間的相對(duì)位置關(guān)系，也就是建立了基于眼動(dòng)儀的坐標(biāo)系.

而后，建立每位被試的頭部模型(如圖2所示).通過(guò)標(biāo)定面部特征點(diǎn)，眼動(dòng)儀可以實(shí)時(shí)跟蹤頭部、眼睛與視線(xiàn)的狀態(tài).

圖2 頭部模型示意圖

最后，確立世界模型(The World Model).世界模型(如圖3所示)是FaceLAB 4.0的重要改進(jìn)，允許使用者運(yùn)用球體、平面等模擬外部可視場(chǎng)景，世界模型確立被觀測(cè)物體在全局坐標(biāo)系中的大小與位置.世界模型標(biāo)定的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到能否準(zhǔn)確捕捉到被試的注視目標(biāo)物.

圖3 世界模型示意圖

2.2 模擬飛行中的視覺(jué)區(qū)域劃分

飛行員視覺(jué)注視區(qū)域的劃分，是研究飛行員注意力分配和注視狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式的基礎(chǔ)和前提.視野平面機(jī)械劃分法將視野平面機(jī)械地劃分為幾部分，落在各部分的注視點(diǎn)即為該區(qū)域內(nèi)的注視目標(biāo)［17］.

飛行員在飛機(jī)操作過(guò)程中，通過(guò)艙內(nèi)儀表能夠獲取飛機(jī)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù).在近地環(huán)境中，地面的標(biāo)識(shí)、燈光、人員、車(chē)輛、環(huán)境能夠?yàn)轱w行員提供周?chē)慕煌ōh(huán)境信息.在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，為了簡(jiǎn)化飛行員的視野和注視目標(biāo)，將飛行員的視野平面按照艙內(nèi)、艙外以及這之外的區(qū)域劃分為3個(gè)視覺(jué)區(qū)，分別記為:前窗艙外景區(qū)(1區(qū))、艙內(nèi)儀表區(qū)(2區(qū))、其他視覺(jué)區(qū)(3區(qū)).實(shí)驗(yàn)中被試的視野區(qū)域劃分如圖4所示.

圖4 被試的視野區(qū)域劃分圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理與方法分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

每一次測(cè)試，F(xiàn)aceLAB 4.0眼動(dòng)儀會(huì)自動(dòng)采集被試的眼動(dòng)參數(shù).依據(jù)Data Analysis程序，一次實(shí)驗(yàn)完成后可以導(dǎo)出5個(gè)數(shù)據(jù)表，分別是:世界數(shù)據(jù)表(World Data)、特征圖像數(shù)據(jù)表(Image Features)、時(shí)間數(shù)據(jù)表(Timing Data)、眼睛數(shù)據(jù)表(Eyes Data)和頭部數(shù)據(jù)表(Head Data).世界數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)被觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo);特征圖像數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)頭部、眼部和瞳孔分別在攝像機(jī)A和B中的坐標(biāo);時(shí)間數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)幀數(shù)與時(shí)間的關(guān)系;眼睛數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)注視、眼跳、瞳孔等信息;頭部數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)頭部在全局坐標(biāo)系中的位置、角度等信息.

本研究中的視覺(jué)狀態(tài)指:是否注視;如果注視，則收集注視目標(biāo)物序號(hào).在模擬飛行實(shí)驗(yàn)中，被試的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)往往會(huì)因受到疲勞、眨眼等因素的干擾而存在非注視點(diǎn)數(shù)據(jù).根據(jù)眼動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄類(lèi)型，從眼睛的閉合度、雙眼閉合置信度、注視質(zhì)量、眨眼、掃視、PERCLOS值等方面建立注視狀態(tài)判斷條件，只有在同時(shí)滿(mǎn)足所有判斷條件的情況下，記錄的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)才是最后用于實(shí)驗(yàn)分析的注視點(diǎn)數(shù)據(jù).注視狀態(tài)判斷條件如表1所示.

表1 注視狀態(tài)判斷條件

3.2 馬爾科夫鏈建模

根據(jù)上述判斷條件，篩選出高質(zhì)量注視點(diǎn)數(shù)據(jù)，并收集最終用于分析的注視目標(biāo)物序號(hào).結(jié)合注視基本理論中最小注視持續(xù)時(shí)間的規(guī)定，對(duì)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取.本文所使用的眼動(dòng)儀采樣頻率為60 Hz，在給定最小注視持續(xù)時(shí)間t=100 ms的條件下，對(duì)同一目標(biāo)物序號(hào)連續(xù)記錄6次，才達(dá)到最小持續(xù)時(shí)間.因此，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，規(guī)定連續(xù)6幀以上記錄到同一注視目標(biāo)物記為一次注視狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄其注視目標(biāo)物序號(hào).

注視目標(biāo)物序號(hào)在世界模型建立時(shí)確定，由輸出數(shù)據(jù)表中GAZE_OBJ_INDEX體現(xiàn).飛行員視野平面劃分為前窗艙外景區(qū)(1區(qū))、艙內(nèi)儀表區(qū)(2區(qū))、其他視覺(jué)區(qū)(3區(qū))，依次對(duì)應(yīng)目標(biāo)物序號(hào)輸出值1，2，－1.

假設(shè)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)(每一幀)，被試的注視狀態(tài)只有一種.且由于數(shù)據(jù)采集的間隔很短，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)處理后得到的注視狀態(tài)數(shù)據(jù)是一種離散時(shí)間隨機(jī)變量序列.此序列無(wú)后效性，是離散時(shí)間的馬爾科夫鏈［18］.于是，可以得到如下馬爾科夫鏈.

其中，D為注視狀態(tài)的馬爾科夫鏈;t為時(shí)間點(diǎn);T為時(shí)間點(diǎn)集合.

圖5所示為狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖，K為注視狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，則

或者表示為

其中，pij為狀態(tài)i到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移概率:

馬爾科夫鏈D在t時(shí)刻的一步轉(zhuǎn)移概率，不僅與i，j有關(guān)，且與時(shí)刻t有關(guān).

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)數(shù)據(jù)處理后的高質(zhì)量注視狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.1區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的前窗艙外景區(qū).如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于1區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況的概率值如表2所示.

表2 當(dāng)前注視點(diǎn)為1區(qū)的一步狀態(tài)概率分布

表2數(shù)據(jù)顯示，如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于1區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)仍然位于1區(qū)域的概率(p11)最大，平均達(dá)到96.84%.說(shuō)明被試觀察前窗艙外景區(qū)域時(shí)，絕大多數(shù)情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過(guò)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行一次長(zhǎng)時(shí)間的注視.下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到2和3區(qū)域的概率都很小，說(shuō)明被試在觀察前窗艙外景區(qū)域時(shí)，非常專(zhuān)注，對(duì)其他的視覺(jué)區(qū)域幾乎不關(guān)注.

2區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的艙內(nèi)儀表區(qū).如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于2區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況的概率值如表3所示.

表3 當(dāng)前注視點(diǎn)為2區(qū)的一步狀態(tài)概率分布

表3數(shù)據(jù)顯示，如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于2區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)仍位于2區(qū)域的概率(p22)最大，平均達(dá)到92.58%.說(shuō)明被試觀察艙內(nèi)儀表區(qū)時(shí)，因該區(qū)域信息豐富，絕大多數(shù)情況下不能在一次注視中就獲取足夠的信息，需要通過(guò)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行一次長(zhǎng)時(shí)間的注視.下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到1和3區(qū)域的概率都很小，說(shuō)明被試在觀察艙內(nèi)儀表區(qū)域時(shí)，非常專(zhuān)注，對(duì)其他的視覺(jué)區(qū)域幾乎不關(guān)注.

3區(qū)域是實(shí)驗(yàn)中劃分的其他視覺(jué)區(qū).此時(shí)被試主要觀察艙內(nèi)儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)以外的視覺(jué)區(qū)域.當(dāng)被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于3區(qū)域時(shí)，下一個(gè)注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況的概率值如表4所示.

表4 當(dāng)前注視點(diǎn)為3區(qū)的一步狀態(tài)概率分布

表4中的數(shù)據(jù)顯示，如果被試當(dāng)前注視點(diǎn)位于3區(qū)域，下一個(gè)注視點(diǎn)位于3個(gè)視覺(jué)區(qū)域的概率均值大致相近.說(shuō)明被試在觀察其他區(qū)域時(shí)，會(huì)同時(shí)關(guān)注艙內(nèi)儀表區(qū)和艙外景區(qū).

當(dāng)前注視點(diǎn)為3區(qū)時(shí)，不同飛行員之間的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率相差較大.這是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試在3區(qū)的注意力分配較少，加之在實(shí)驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)注視這一視覺(jué)狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，并按照最小注視持續(xù)時(shí)間t=100 ms對(duì)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)做提取，這樣處理后的數(shù)據(jù)在使用馬爾科夫鏈分析方法進(jìn)行分析時(shí)，3區(qū)的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)非常有限，單個(gè)注視點(diǎn)數(shù)據(jù)就會(huì)對(duì)總體產(chǎn)生顯著影響.

通過(guò)對(duì)一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布情況的分析，認(rèn)為被試在觀察艙內(nèi)儀表區(qū)和前窗艙外景區(qū)時(shí)，由于視覺(jué)區(qū)內(nèi)信息豐富，短時(shí)間注視無(wú)法獲得足夠信息，往往需要長(zhǎng)時(shí)間的注視;被試的視覺(jué)注意力在其他視覺(jué)區(qū)時(shí)，由于該區(qū)域信息量少，在一次注視狀態(tài)中就能獲取該區(qū)的全部有效信息，因此視覺(jué)注意力在下一時(shí)刻向各視覺(jué)區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率大致相近;被試在飛行模擬實(shí)驗(yàn)中觀察視覺(jué)區(qū)獲取信息時(shí)，注意力相對(duì)較為集中.

飛行員在飛機(jī)起飛、爬升過(guò)程中，需要獲得大量的信息，觀察艙內(nèi)儀表區(qū)能夠獲得速度、爬升率、航向、飛行高度等數(shù)據(jù)，觀察艙外景區(qū)可以確保起飛過(guò)程中飛機(jī)始終對(duì)正跑道，獲得跑道上的交通情況、障礙物等各項(xiàng)有效信息.這些實(shí)際情況也從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果中得到驗(yàn)證.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

以固定式飛行模擬器和非接觸式眼動(dòng)儀(FaceLAB4.0)構(gòu)建了在模擬飛行過(guò)程中測(cè)試飛行員視覺(jué)特征的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).實(shí)驗(yàn)中使用的眼動(dòng)設(shè)備能夠精確標(biāo)定面部視覺(jué)特征點(diǎn)、標(biāo)注注視物體，建立每位被試的頭部模型和世界模型，使眼動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)更精確、更有效.該設(shè)備相比于其他眼動(dòng)追蹤設(shè)備，因其非接觸式的特點(diǎn)對(duì)被試干擾少、測(cè)試精度高而更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì).眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中被試下一個(gè)注視點(diǎn)所處的位置，只依賴(lài)于當(dāng)前的注視點(diǎn)位置，而與此前注視點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)，因此采用馬爾可夫鏈的方法分析被試的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)具有可行性.本文搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及使用的數(shù)學(xué)分析方法，是一種研究飛行員飛行過(guò)程中視覺(jué)注視變化的有效手段.

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