劉志方　蘇　衡

(1.寧波大學心理學系暨研究所，寧波 315211；2.杭州空軍療養(yǎng)院，杭州 310007)

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航空環(huán)境中情境意識的個體差異和任務難度差異檢測：眼動測量技術的優(yōu)勢*

劉志方**蘇衡2

(1.寧波大學心理學系暨研究所，寧波 315211；2.杭州空軍療養(yǎng)院，杭州 310007)

研究包含兩項實驗分別探討情境意識眼動測量技術在檢驗個體差異和任務難度差異中的優(yōu)勢。實驗一采用情境意識評價技術和整體情境整體評價技術，測驗新手、專家組飛行員特技飛行時的情境意識差異，實驗二同樣采用上述測驗方法檢驗專家組飛行員在不同難度特技飛行時的情境意識差異，兩項實驗同時都監(jiān)測被試的眼動過程。結果發(fā)現(xiàn)，(1)情境意識評價技術結果不能反映個體差異，能反映任務難度差異；(2)情境整體評價技術結果能夠反映個體差異，不能反映任務難度差異；(3)經(jīng)驗和任務難度都影響飛行員的視覺取樣策略和編碼信息加工。眼動數(shù)據(jù)結果與情境整體評價技術的結果相互印證，可以確定眼動測量技術可測驗情境意識，且相對于其他方法，眼動測量方法有更為廣泛的差異敏感性。

情境意識主觀測量客觀測量眼動技術

1　引　言

情境意識是工程心理學領域內(nèi)的重要概念(Kaber,Perry,Segall,McClernon,& Prinzel,2006;Salmon et al.,2008)。在高需要、高危險的工作環(huán)境中，情境意識對操作者的決策和操作都有重要影響，而喪失情境意識將導致嚴重后果(Borghini,Astolfi,Vecchiato,Mattia,& Babiloni,2014;Endsley,1995a,1995b,2000;Klein,Calderwood,& Clinton-Cirocco,2010)。鑒于其重要性，學術界已經(jīng)開發(fā)出多種測量方法?？偟膩碚f，這些測量可以分為三類：主觀測量、客觀測量和認知過程測量(Salmon et al.,2009)，它們從不同角度、采用不同手段測量情境意識，它們各有其優(yōu)勢和不足，因而可能適用于不同情境和目的。有效測量手段必須有較高的區(qū)分度，也即是，它們必須對情境意識的差異性敏感；測驗也應該在最大程度上不改變認知過程和操作行為。系統(tǒng)對比考察各種測量方法的區(qū)分度特點，可以為有效使用它們提供參考。然而，目前此方面的研究尚少。

情境意識評價技術(situational awareness rating technique)是主觀測量方法中最為典型的代表，該測量技術要求操作者在完成一項任務后，對自己在操作過程中的心理體驗進行估計，其中包括的10個題目可被歸入注意需求、注意供應和情境理解三個維度(Taylor,1990；Endsley,1995b,Jones,2000)。證據(jù)表明，該測量技術能夠正向預測操作績效，可用來評估系統(tǒng)可用性，但它也常常因主觀性而遭受批評(Selcon & Taylor,1990)。情境整體評價技術(Situation Global Assessment Technique)則要求操作者迅速回答預先設置好的問題，操作者回答偏離實際情況程度即為情境意識質量(Endsley,1995b)。這種評估技術能保證測驗結果的客觀性，但由于其只能在模擬器環(huán)境中實施，從而限制了其適用范圍；由于不能排除操作者根據(jù)存儲在長時記憶中圖式、經(jīng)驗和心理模型做出回答的可能性，這項測量方法反映不同情境差異時可能會受到影響。

主觀測量方法檢驗操作者的事后體驗，而客觀測量則是直接收集記憶結果。因而上述兩類測量技術除了其各自優(yōu)勢外，它們也都有其不可逾越的局限，這歸根于它們都是“結果取向”的測量。認知過程測量方法可以彌補上述方法的局限，但是目前尚無成熟的情境意識過程的測量技術。眼動技術是一種非侵入式、實時客觀的監(jiān)測手段；鑒于注視變化能反映注意活動(Kramer,& McCarley,2003;Rayner,2009;Shinar,2008)，而注意和視覺搜索策略是情境意識的重要組成成分(Ratwani,McCurry,& Trafton,2010)，因而眼動技術極有潛質被發(fā)展成為檢驗情境意識認知過程的有效手段(Kramer,& McCarley,2003;Kowler,Anderson,Dosher,& Blaser,1995)。然而，構建情境意識過程的眼動測量方法，還需要進行大量的研究。其中最重要的工作是要檢驗該技術的區(qū)分度及其使用范圍問題。

從認知過程角度，情境意識可被定義為操作者對環(huán)境中的元素知覺，對環(huán)境的整體理解，以及對未來狀態(tài)的預測(Endsley 1995a,1995b,2015a,2015b;Salmon et al.,2008)。Wickens則根據(jù)內(nèi)容將情境意識劃分為：空間意識(對“與飛行器位置直接相關信息”的把握)、系統(tǒng)意識(對“飛行器自身狀態(tài)信息”的把握)和任務意識(在操作時，對“任務、操作步驟的管理、統(tǒng)籌和協(xié)調方面信息”的把握)，這三類情境意識內(nèi)容都會遵循上述認知過程的三階段假設(Wickens,2002)。由于注視基本反映注意位置，因而眼動數(shù)據(jù)能夠同時從過程和內(nèi)容兩個角度追蹤情境意識狀態(tài)。有人采用眼動技術測量民航飛行員遭遇飛機側油箱漏油特情時的眼動模式，結果發(fā)現(xiàn)，成功覺察特情的飛行員在相關區(qū)域內(nèi)注視比率明顯大于未成功發(fā)現(xiàn)特情的飛行員(Merwe,Dijk,& Zon,2012)，由此可見，情境意識的眼動測量方法在個體差異方面具有區(qū)分度。然而，該項技術是否同樣具有環(huán)境/任務差異方面的區(qū)分度，則還需要進一步的研究。

研究表明，專家和新手在知識結構上存在本質的差別，專家操作者通常采用圖式驅動(schema-driven)推理方式，其知覺模式、操作速度、記憶容量和圖式質量等顯著優(yōu)于新手操作者。已激活的圖式直接引導個體的探索與信息接受能力，情境意識就是圖式當前的具體狀態(tài)，專家能夠更好地利用圖式知識，而新手操作者常常采用表面的、淺層次的結構關系，因此前者的情境意識明顯高于后者(Federico,1995)?；谶@種考慮，實驗一采用“專家-新手”范式檢驗不同情境意識測量技術的個體差異的敏感性，以明確眼動測量技術的優(yōu)勢。與此同時，復雜系統(tǒng)操作中的情境意識過程中不可避免地涉及數(shù)據(jù)驅動加工，因此操作環(huán)境特點(比如，任務難度)也是影響情境意識的重要因素(Endsley,1995a,2000)，基于此考慮實驗二檢驗不同測量技術對專家飛行員情境意識的任務難度差異敏感性，以再次明確眼動測量技術的優(yōu)勢。

特技飛行是殲擊機成功躲避雷達、導彈，并擊落敵機的必要手段。這項技能的高低直接反映飛行員的能力，因而考察不同經(jīng)驗飛行員在特技飛行中的情境意識差異，可檢驗其測量方法對個體差異的敏感性。而檢驗不同難度特技飛行任務中的情境意識差異，可檢驗其測量技術方法對任務差異的敏感性。因而以殲擊機特技飛行任務為例，可以檢驗情境意識評價技術、整體情境評估技術和眼動測量技術對個體差異和任務難度差異的敏感性特點。情境意識評價技術和整體情境評估技術都是較為成熟的測量方法。然而，作為認知過程的測量方法，眼動測量技術對差異的敏感性特點，及其適用范圍，目前尚無相關研究。基于上述分析，本研究參考情境意識評價技術和整體情境評估技術的特點，探討情境意識眼動測量技術的優(yōu)勢特性。

2　實驗一：經(jīng)驗水平對殲擊機

特技飛行情境意識的影響

目的：在特技飛行任務中，檢驗情境意識評價技術、整體情境評估技術和眼動測量技術對個體差異的敏感性及其特點。

2.1實驗設計

實驗一為單因素被試間設計，兩組不同經(jīng)驗水平的被試(飛行員和空軍地勤戰(zhàn)士)參與實驗任務，要求他們做簡單特技飛行任務(大坡度盤旋飛行)。空軍地勤戰(zhàn)士為某空軍基地模擬器維護人員，所有戰(zhàn)士均能熟練駕駛模擬器做簡單特技飛行任務。

2.2被試

某空軍部隊基地的15名專業(yè)飛行員作為專家組被試(其飛行時間均超過3000小時，以下簡稱“專家”)參加實驗。為了保障專家組與新手組被試存在穩(wěn)定差異，選擇該空軍基地6名男性地勤戰(zhàn)士作為新手組被試(以下簡稱“新手”)，這些地勤戰(zhàn)士主要從事維護、調試等技術工作，以保障模擬器的正常運行，他們均能夠熟練駕駛模擬器戰(zhàn)機。由于從事該項工作的地勤戰(zhàn)士較少，且出于保密原則，不可能選擇和培養(yǎng)其他新手組被試，因此新手組被試只有6人。新手和專家組被試的視力或矯正視力正常，之前均未參加過類似的實驗。實驗結束后可獲得一件特定的禮物。

2.3實驗設備

實驗中使用的模擬器由某軍事科研單位設計生產(chǎn)，該模擬器能夠模擬相應的操作設備。眼動儀采用德國SMI公司生產(chǎn)的頭盔式眼動儀(HED型眼動儀)；該眼動儀的采樣率為200Hz；跟蹤空間分辨率為0.1°；凝視位置精度0.5°～1°；設備可跟蹤范圍為水平±30°，垂直±25°。

2.4實驗過程

每個被試單獨施測。被試進入模擬器座艙坐好后，主試口頭講述實驗任務指導語，實驗分為四個部分。第一部分要求被試自主操作模擬器飛行，主試不給予任何意見，這個部分的主要目的是要求被試熟練實驗任務。第二部分中，主試要求被試將飛機飛行至3000～5000米高空，然后做一個簡單特技飛行動作，其間主試隨機選擇一個時間點凍結模擬器(飛行模擬器處于靜止狀態(tài))，此時被試按照要求轉頭不能關注飛行儀表上呈現(xiàn)的任何信息，回憶回答凍結時的飛行參數(shù)，主試手動記錄被試的回答和模擬器上的實際參數(shù)。模擬器解凍后返回機場降落，第二部分結束。第三部分要求被試再次執(zhí)行第二部分的任務，此時主試將不再凍結飛行狀態(tài)，直到被試駕駛飛機返回機場著陸實驗結束，在此期間追蹤被試眼動數(shù)據(jù)。第四部分要求被試填寫回答情境意識評價技術問卷。

2.5結果

全部數(shù)據(jù)用SPSS13.0進行分析；采用重復測量方差時，若數(shù)據(jù)不符合球型假設，采用校正法“Greenhouse-Geisser”選取F值的自由度和相關p值。本次實驗有三類因變量指標：(1)情境意識得分中包括三個子維度的得分，考慮到學術界對于如何計算情境意識評價技術的總分，尚未取得一致看法(Endsley,2000)，故本研究未提供其總分結果；(2)估計誤差數(shù)據(jù)(要求估計的10項飛行參數(shù)與當時實際飛行參數(shù)之差的絕對值)；(3)眼動數(shù)據(jù)，興趣區(qū)內(nèi)注視平均持續(xù)時間(興趣區(qū)域內(nèi)每個注視持續(xù)時間的均值)、興趣區(qū)內(nèi)總注視時間(興趣區(qū)域內(nèi)注視點持續(xù)時間次數(shù)之和)、興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽持續(xù)時間(每次進入興趣區(qū)域內(nèi)凝視時間的均值)、注視比率(興趣內(nèi)的總注視時間與整個任務的持續(xù)時間的比值)。詳細情況見后面的描述。

2.5.1主觀的情境意識評價技術測量結果

對不同組別受試在情境意識自評技術得分進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，新手組和專家組之間在情境意識各分維度得分都沒有顯著差異(Fs<0.25,ps>0.6)，各組被試得分的均值和標準差見下表1。

2.5.2客觀的情境整體評價技術測量結果

由于新手組成員能夠估計出各項參數(shù)的概率較低(能夠估計該參數(shù)的人數(shù)與該組總人數(shù)間比值)，而專家組成員能在較大比例上(90%以上)估計每項參數(shù)，因此將兩組被試能夠估計的各項飛行參數(shù)的比例作為客觀測量的因變量指標，由下圖1可見，新手組的估計百分比明顯低于專家組飛行員。

表1　新手和專家飛行員在簡單特技飛行中情境意識評價技術上得分的均值和標準差

注：括號內(nèi)為標準差，下同。

卡方檢驗顯示：對于速度，兩個組別被試的估計率都達到100%，兩組間差異不顯著；升降率估計的組別差異顯著χ2=9.775,p<0.01；俯仰角估計的組別差異顯著χ2=9.775,p<0.01；坡度估計的組別差異顯著χ2=9.775,p<0.01；坡度估計的組別差異顯著χ2=3.583,p<0.01；航向估計的組別差異邊緣顯著χ2=2.962,p=0.085；高度估計的組別差異不顯著，χ2=0.369,p=0.544；左發(fā)動機溫度(圖1中簡稱“左發(fā)溫度”)組別差異顯著χ2=9.631,p<0.01；右發(fā)動機溫度(圖1中簡稱“右發(fā)溫度”)估計的組別差異顯著χ2=9.631,p<0.01；左發(fā)動機轉速(圖1中簡稱“左發(fā)轉速”)估計的組別差異邊緣顯著χ2=2.946,p=0.086；右發(fā)動機轉速(圖1中簡稱“右發(fā)轉速”)估計的組別差異邊緣顯著χ2=2.946,p=0.086。

由上述分析可知，新手組被試對所有關乎系統(tǒng)意識方面的參數(shù)(各項發(fā)動機參數(shù))估計的比例都顯著小于專家組；新手組除了在兩項空間意識參數(shù)(高度和速度)上的估計與專家組沒有差異外，其他各項空間意識方面的參數(shù)估計比例都顯著小于專家組被試。

圖1簡單飛行任務中各組被試參數(shù)估計比例

2.5.3認知過程的眼動測量結果

飛行員可采用兩類視覺取樣策略獲取情境信息：自然信息(natural information)取樣策略和編碼信息(code information)取樣策略。前者是指，從艙外變化的環(huán)境中獲取情境信息，比如，通過地平線、艙外氣象變化，知覺當前的飛行高度和速度；后者是指通過閱讀艙內(nèi)儀表獲取情境信息(Prinzel III et al.,2004)。基于這個分析，眼動數(shù)據(jù)首先處理分析基于機艙內(nèi)和機艙外兩個興趣區(qū)域內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)能夠粗略地反映不同組別被試在視覺取樣策略中的差異。鑒于自然信息取樣策略只能獲得粗略有限信息，完美飛行必須依賴編碼信息取樣策略，我們隨后深入分析艙內(nèi)各個儀表興趣區(qū)域內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)。

2.5.3.1基于艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

被試可通過艙內(nèi)儀表或者艙外環(huán)境變化獲取情境意識。研究首先統(tǒng)計基于艙外和艙內(nèi)兩個興趣區(qū)域內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)，其中各項眼動指標均值和標準差見表2(由于“艙內(nèi)-艙外”興趣區(qū)劃分中整個視野被劃分成兩個區(qū)域，因而這部分眼動數(shù)據(jù)中未包含注視比率指標)。

表2　不同組別被試在簡單特技飛行任務中艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)域內(nèi)眼動指標

對上述變量進行2(組別：專家組、新手組)×2(興趣區(qū)：艙外興趣區(qū)、艙內(nèi)興趣區(qū))方差分析，結果如下：對于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時間，艙內(nèi)高于艙外達到邊緣顯著水平F(1,19)=6.187,p<0.05,η2=0.34；組別主效應不顯著F(1,19)=0.597,p=0.449；興趣區(qū)和組別的交互作用不顯著F(1,19)=0.179,p=0.677。對于興趣區(qū)內(nèi)總注視時間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,19)=7.599,p<0.05,η2=0.286；組別主效應不顯著F(1,19)=0.740,p=0.4；興趣區(qū)和組別的交互作用不顯著F(1,19)=2.766,p=0.113。對于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,19)=9.532，p<0.001,η2=0.334；組別主效應不顯著F(1,19)=1.714,p=0.206；興趣區(qū)和組別的交互作用不顯著F(1,19)=2.242,p=0.151。

由上述眼動數(shù)據(jù)結果可以發(fā)現(xiàn)，在簡單特技飛行任務中只有被試對艙內(nèi)信息的關注程度明顯高于對艙外的信息的關注程度，其中沒有發(fā)現(xiàn)組別差異，也沒有發(fā)現(xiàn)組別和興趣區(qū)域的交互作用。不過在總注視時間指標上不同組別被試間依然存在差異：艙外興趣區(qū)內(nèi)地勤人員總注視時間明顯多于飛行人員(p<0.05)，艙內(nèi)的總注視時間則是飛行人員明顯高于地勤人員(p<0.05)。這個結果提示，相對于專業(yè)飛行員，經(jīng)驗欠佳的新手組被試更加傾向于從艙外變化的環(huán)境中獲取信息。為澄清兩組被試處理信息過程的特點與差異，進一步分析艙內(nèi)儀表興趣區(qū)域上的眼動數(shù)據(jù)。

2.5.3.2基于不同儀表的興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

殲擊機飛行員主要通過升降率表、地平儀、發(fā)動機、高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表獲取飛行中的情境信息，這些儀表作為興趣區(qū)的眼動數(shù)據(jù)的均值和標準差見表3。

表3　新手、專家組飛行員在簡單特技飛行中艙內(nèi)各儀表區(qū)域的眼動指標和標準差

對上述變量進行2(組別：專家組、新手組)×7(興趣區(qū)：升降率表、地平儀、發(fā)動機、高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表)方差分析后發(fā)現(xiàn)：

對于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時間，興趣區(qū)主效應顯著F(3.036,57.485)=6.262,p<0.001,η2=0.248；組別主效應不顯著F(1,19)=0.596,p=0.49；興趣區(qū)和組別的交互作用主效應顯著F(3.036,57.485)=4.37,p<0.05,η2=0.187，簡單效應分析表明；專家組被試在發(fā)動機、高度表和航向表區(qū)域上的注視的平均持續(xù)時間顯著多于新手組(ps<0.05)，在其他儀表上平均注視時間差異不顯著(ps>0.05)。

對于興趣區(qū)內(nèi)總注視時間，興趣區(qū)主效應顯著F(1.929,36.656)=4.843,p<0.01,η2=0.203，主要表現(xiàn)在地平儀上總注視時間顯著大于升降率表、地平儀、發(fā)動機、高度表、平視儀表區(qū)和速度表上總注視時間(ps<0.05)，升降率表上總注視時間顯著少于平視儀表區(qū)域的總注視時間(p<0.05)，發(fā)動機上總注視時間顯著少于平視儀表區(qū)和速度表上總注視時間(ps<0.05)；組別主效應不顯著F(1,19)=1.493,p=0.237；興趣區(qū)和組別交互作用邊緣顯著F(1.929,36.656)=3.405,p=0.062,η2=0.138。簡單效應分析表明：專家組飛行員在平視儀表區(qū)域上的總注視時間顯著少于新手(p<0.05)，在其他儀表上平均注視時間差異不顯著(ps>0.05)。

對于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時間，興趣區(qū)主效應顯著F(3.401,64.621)=4.694,p<0.001,η2=0.198，主要表現(xiàn)在升降率上的平均瀏覽時間顯著低于地平儀和平視儀表上的平均瀏覽時間(ps<0.05)，地平儀上平均瀏覽時間顯著多于發(fā)動機和高度表(ps<0.05)，發(fā)動機上平均瀏覽時間顯著低于其他儀表(ps<0.05)；組別主效應不顯著F(1,19)=0.014,p=0.917；興趣區(qū)和組別交互作用顯著F(3.401,64.621)=7.903,p<0.001,η2=0.294，專家組飛行員在發(fā)動機航向表上的平均瀏覽時間顯著多于新手組(ps<0.05)，在平視儀表上的平均瀏覽時間卻顯著少于新手組(p<0.05)。

對于興趣區(qū)內(nèi)注視比率，興趣區(qū)主效應顯著F(2.133,40.536)=7.504,p<0.001,η2=0.283，主要表現(xiàn)在升降率的注視比率顯著低于地平儀、平視儀表和速度表(ps<0.05)，在地平儀上注視比率顯著高于其他儀表，對發(fā)動機上的注視比率顯著低于高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表；組別主效應不顯著F(1,19)=1.393,p=0.252；興趣區(qū)和組別的交互作用顯著F(2.133,40.536)=3.555,p<0.01,η2=0.158，專家組飛行員在發(fā)動機和航向表區(qū)域上的注視比率顯著多于新手組(ps<0.05)，在平視儀表上的注視比率顯著少于新手組(p<0.05)。

2.6討論

實驗一通過三種測量技術探討殲擊機簡單特技飛行中情境意識的組間差異。情境意識自測技術中沒有發(fā)現(xiàn)顯著的組間差異，說明該測量技術在區(qū)分個體之間差異上并不敏感，這應歸根于經(jīng)驗水平欠佳的飛行員并不能準確評估其對情境的把握程度(Endsley,1995)。整體情境評估技術的評估結果顯示，參數(shù)估計比例除在速度、高度指標上沒有發(fā)現(xiàn)組別差異外，其他指標上均發(fā)現(xiàn)組別效應。速度和高度反映戰(zhàn)機的空間意識，反映戰(zhàn)機的系統(tǒng)意識的所有參數(shù)估計都發(fā)現(xiàn)組間差異，這項結果意味著系統(tǒng)意識較之空間意識更難掌握。這種對情境意識內(nèi)容把握的全面性的組間差異可能與兩組被試在視覺取樣方面的差異有關。

研究檢驗了兩組被試在視覺取樣策略方面的差異，結果發(fā)現(xiàn)，專業(yè)飛行員傾向于從艙內(nèi)儀表上獲取編碼性質的情境信息，而新手被試則更加傾向于從艙外環(huán)境獲取自然信息。戰(zhàn)機的高度、速度信息可以直接通過環(huán)境變化獲取，而與戰(zhàn)機自身狀態(tài)相關的系統(tǒng)信息則只能通過儀表獲得，因而兩組被試獲取情境信息的完備性有所差別。檢驗兩組被試處理編碼信息過程的特點與差異的分析顯示：平均注視時間、平均瀏覽時間和注視比率指標提示，經(jīng)驗豐富的飛行員對發(fā)動機信息處理得更加細致；平均瀏覽時間和注視比率指標顯示，經(jīng)驗豐富的飛行員較之前者更少依賴平視儀表提供的信息；平均注視時間、平均瀏覽時間的注視比率指標顯示，經(jīng)驗豐富的飛行員較之前者也能夠更加精細地處理航向信息。

對比眼動數(shù)據(jù)結果和整體情境意識測量結果，可以檢驗眼動技術測量情境意識過程的有效性。發(fā)動機興趣區(qū)域內(nèi)提供發(fā)動機運行狀態(tài)信息，它們是系統(tǒng)意識的組成成分，實驗發(fā)現(xiàn)，新手很少注視發(fā)動機興趣區(qū)域，這與他們在情境整體評價技術測量中不能有效估計發(fā)動機參數(shù)的操作表現(xiàn)直接相關。航向信息是空間意識的重要組成成分，眼動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，新手很少關注航向儀表，這與他們在情境整體評價技術測量中不能有效估計航向參數(shù)的操作表現(xiàn)直接相關。相對于其他儀表，平視儀表可讀性較高，除不能顯示發(fā)動機信息外，它能同時提供航向、速度、高度、俯仰角度、坡度和升降率信息(這些均為空間意識的組成成分)；但相對于主要提供這些信息的其他儀表而言，平視儀表提供的信息較為粗略。眼動數(shù)據(jù)顯示，相對于專家，新手偏重于參考平視儀表獲得編碼信息，不過參照情境整體評價技術的測驗結果可知，新手主要參照平視儀表有意識地獲取高度和速度信息。由此可見，眼動測驗結果能夠有效反映知覺層面上情境意識內(nèi)容。

3　實驗二：任務難度對殲擊機

特技飛行情境意識的影響

實驗一顯示，情境意識自測技術在反映個體間差異上不敏感，整體情境評估技術則從信息加工結果角度反映組間差異，眼動數(shù)據(jù)則能夠進一步揭示情境意識過程的組間差異。為進一步檢驗上述各項測量技術在區(qū)分任務難度上的敏感性，組織實驗二。實驗二通過檢驗專家組飛行員在高難度與低難度特技飛行任務中的情境意識差異，實現(xiàn)上述目的。

3.1實驗設計

實驗二為單因素被試內(nèi)設計，要求被試完成兩項難度不同的特技飛行任務：簡單特技飛行任務(大坡度盤旋飛行)和復雜特技飛行任務(“8”字形軌跡飛行)。

3.2被試

參與實驗一的專家組飛行員也參與實驗二，其中有兩名飛行員中途執(zhí)行任務，在完成簡單特技飛行任務后退出實驗，因此實驗二中有13名飛行員同時參與兩項難度不同的特技飛行任務。

3.3實驗設備和實驗過程

實驗設備與實驗一完全相同。實驗過程與實驗一大致相同。

3.4結果

實驗二的因變量指標和數(shù)據(jù)處理方法都與實驗一相同。

3.4.1主觀的情境意識評價技術測驗結果

不同難度任務中飛行員在情境意識量表的均值和標準差見下表4。對其進行重復測量F檢驗發(fā)現(xiàn)：注意需求維度上得分，簡單特技與復雜特技飛行差異不顯著F(1,12)=0.037,p=0.851。注意供應維度上得分，復雜特技顯著高于簡單特技飛行F(1,12)=8.006,p<0.05,η2=0.406。環(huán)境理解維度上得分，復雜特技飛行高于簡單特技飛行顯著F(1,12)=5.533,p<0.05,η2=0.308。

表4　專家組飛行員在簡單、復雜特技飛行中情境意識評價技術得分的均值和標準差

3.4.2客觀的情境整體評價技術測驗結果

飛行員幾乎能夠估計所有的參數(shù)，因此以估計偏差(估計值相對于實際參數(shù)值的偏離程度)作為整體情境評估技術的評估結果，表5呈現(xiàn)飛行員被試在簡單、復雜特技中估計偏差的均數(shù)和標準差。統(tǒng)計各項估計偏差發(fā)現(xiàn)，所有估計偏差的任務難度差異不顯著(ps<0.05)。

3.4.3認知過程的眼動測量結果

實驗二的眼動數(shù)據(jù)處理，同樣首先處理分析基于機艙內(nèi)和機艙外兩個興趣區(qū)域內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)，通過這個數(shù)據(jù)粗略反映任務難度對專家飛行員視覺取樣策略的影響。隨后深入分析艙內(nèi)各個儀表興趣區(qū)域內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)，細化上述影響。

表5　專家組飛行員被試在簡單、復雜特技中估計偏差的均數(shù)和標準差

3.4.3.1基于艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

基于艙外、艙內(nèi)興趣劃分的眼動指標的均值和標準差見表6。

表6　專家組飛行員被試在簡單、復雜特技飛行任務中艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)域內(nèi)眼動指標

對上述變量進行2(任務難度：簡單特技飛行、復雜特技飛行)×2(興趣區(qū)：艙外、艙內(nèi))方差分析后發(fā)現(xiàn)：對于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,12)=8.558,p<0.05,η2=0.379；任務類型主效應不顯著F(1,12)=1.265,p=0.283；任務難度和興趣區(qū)交互作用不顯著F(1,12)=0.504,p=0.49。對于興趣區(qū)內(nèi)總注視時間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,12)=8.639,p<0.05,η2=0.419；復雜特技飛行多于簡單特技飛行任務邊緣顯著F(1,12)=3.418,p=0.089,η2=0.222；任務難度和興趣區(qū)交互作用不顯著F(1,12)=0.471,p=0.505。對于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時間，艙內(nèi)顯著多于艙外F(1,12)=13.668,p<0.001,η2=0.532；復雜特技飛行少于簡單特技飛行任務邊緣顯著F(1,12)=3.436,p=0.089,η2=0.223；任務難度和興趣區(qū)交互作用邊緣顯著F(1,12)=3.947,p=0.07,η2=0.247，簡單特技飛行時對艙內(nèi)、外平均瀏覽時間的差異程度甚于復雜特技飛行任務。

實驗一發(fā)現(xiàn)專家飛行員主要采用重點關注艙內(nèi)信息的視覺取樣策略。實驗二并沒有在總的注視時間指標上發(fā)現(xiàn)任務難度與興趣區(qū)間交互作用，但兩個變量間交互作用在平均瀏覽時間指標上達到邊緣顯著水平。平均瀏覽時間反映注意轉換和視覺取樣轉換的速度問題，因而這個結果說明，對于同批被試而言，任務難度也影響視覺取樣策略問題。同樣，為細化上述影響繼續(xù)分析艙內(nèi)儀表興趣區(qū)域內(nèi)的眼動數(shù)據(jù)。

3.4.3.2基于不同儀表的興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

復雜特技飛行任務中，艙內(nèi)各儀表興趣區(qū)內(nèi)眼動數(shù)據(jù)均值和標準差見表7。

對上述變量進行2(任務難度：簡單特技飛行、復雜特技飛行)×7(興趣區(qū)：升降率表、地平儀、發(fā)動機、高度表、航向表、平視儀表和速度表)方差分析發(fā)現(xiàn)：

對于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時間，簡單特技飛行低于復雜特技飛行邊緣顯著F(1,12)=4.023,p=0.068,η2=0.273；興趣區(qū)域主效應顯著F(3.013,36.161)=4.511,p<0.05,η2=0.251，地平儀上顯著大于升降率表、發(fā)動機表、高度表和速度表，發(fā)動機少于航向表(ps<0.05)；任務類型和興趣區(qū)間交互作用顯著F(3.013,36.161)=3.129,p<0.05,η2=0.207，簡單效應分析顯示，復雜特技飛行導致升降率表、地平儀表和平視儀上平均注視時間變多(ps<0.05)，但卻導致航向表上平均注視時間變少(p<0.05)。

表7　專家組飛行員在簡單、復雜特技飛行任務中艙內(nèi)各表區(qū)域的眼動指標和標準差

對于興趣區(qū)內(nèi)總注視時間，任務類型主效應不顯著F(1,12)=0.177,p=0.738；興趣區(qū)主效應顯著F(2.335,28.018)=11.476,p<0.001,η2=0.489，事后檢驗顯示，升降率表顯著少于高度表和航向表(ps<0.05)，地平儀顯著大于升降率表、發(fā)動機表、高度表和速度表，發(fā)動機顯著少于高度表和航向表(ps<0.05)；任務類型和興趣區(qū)域的交互作用邊緣顯著F(1.956,23.468)=2.74,p=0.086,η2=0.186，簡單效應分析顯示，復雜特技飛行導致航向表上總注視時間減少(p<0.05)，其他儀表上總注視時間則不受任務難度影響(ps>0.05)。

對于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽持續(xù)時間，簡單特技飛行低于復雜特技飛行達到邊緣顯著水平F(1,12)=4.093,p=0.066,η2=0.254；興趣區(qū)主效應顯著F(2.771,33.247)=4.883,p<0.001,η2=0.287，事后檢驗顯示，地平儀顯著大于升降率表、發(fā)動機表、高度表、平視儀表和速度表(ps<0.05)，發(fā)動機表顯著少于航向表(p<0.05)；任務類型和興趣區(qū)域的交互作用不顯著F(2.67,32.034)=1.28,p=0.277。

對于興趣區(qū)內(nèi)注視比率，任務類型主效應不顯著F(1,12)=0.285,p=0.603；興趣區(qū)域主效應顯著F(1.843,22.111)=13.953,p<0.001,η2=0.538，事后檢驗顯示地平儀顯著大于升降率表、發(fā)動機、高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表(ps<0.05)，升降率表和發(fā)動機表顯著少于高度表和航向表(ps<0.05)；任務類型和興趣區(qū)間交互作用不顯著F(2.793,33.521)=0.875,p=0.517。

3.5討論

實驗二在殲擊機特技飛行環(huán)境中，檢驗三種情境意識測量技術對任務難度差異的敏感度。結果發(fā)現(xiàn)，情境意識自測技術中供應和理解維度的得分都可見顯著的任務難度效應，這個結果意味主觀測量方法在區(qū)分任務難度上敏感。整體情境評估技術的結果則顯示，飛行員對各項飛行參數(shù)估計的差異不受任務難度的影響，導致這個現(xiàn)象的重要原因是，飛行員主要根據(jù)存儲在其長時記憶中的信息，回答整體情境評估技術中呈現(xiàn)的問題，而非主要根據(jù)當時的實際的情境意識狀態(tài)做出回答。

實驗二同樣首先基于“艙內(nèi)-艙外”粗略興趣區(qū)劃分考察特技飛行難度對專家飛行員視覺取樣策略的影響，結果發(fā)現(xiàn)，特技飛行難度在每次視覺取樣轉換的速度上影響視覺取樣策略；也即是，隨著難度增加，專家飛行員增加對每次艙外視覺取樣時間，與此同時減少每次艙內(nèi)儀表視覺取樣的時間(見表7中興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時間指標)。艙內(nèi)各個儀表上眼動數(shù)據(jù)顯示，任務難度并沒有影響儀表區(qū)內(nèi)的平均瀏覽時間(任務難度與興趣區(qū)交互作用不顯著)；任務難度增加導致航向表上的平均注視時間和總注視時間減少；說明對航向信息加工最容易受到任務難度的影響，當任務變難時專家飛行員會損失部分航向信息以保證飛行安全。

4　總討論

研究探討了三種常見情境意識測量方法的區(qū)分度問題。情境意識自測技術作為常用的主觀測量方法，其主要優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟與非侵入性(Salmon et al.,2008;Endsley,1995b,2015b)。本研究采用兩項實驗分別檢驗該技術對個體差異、任務難度差異的敏感性。實驗一發(fā)現(xiàn)，這種測量方法不能區(qū)分高經(jīng)驗組和低經(jīng)驗組飛行員的情境意識差異，導致此結果的根本原因在于，該測驗技術是要求被試以其自身體驗為參照評估題目，由于人類的認知局限(不能知曉自己并不知道的事情)，因而其在衡量個體差異方面不足(Endsley,1995b,2015b)。實驗二發(fā)現(xiàn)，情境意識自測技術中“注意供應”和“環(huán)境理解”維度上的題目能夠反映任務難度差異，說明對于同一批被試而言，該技術可以衡量不同條件下情境意識的相對區(qū)別，這與以往的研究結論一致(Selcon & Taylor,1990;Endsley,1995b)，因而這項測驗技術在評估人機界面、訓練方案等可以采用被試內(nèi)部比較得到結論的實踐中有實用價值。

整體情境評估技術作為一種客觀測量方法，同樣具有操作簡單、經(jīng)濟與非侵入性等主要優(yōu)點(Salmon et al.,2008;Endsley,1995b,2015b)。該技術可同時評估知覺、理解和預測方面的信息質量。由于眼動測量技術并不擅長反映理解和預測層面上的認知過程，本研究的主要目的在于檢驗采用眼動追蹤技術檢測情境意識知覺層面上認知過程的有效性及其優(yōu)勢特點，根據(jù)這個目的，實施整體情境評估技術時，只收集知覺層面的結果。

綜合兩項實驗結果可見，整體情境評估技術測驗僅對個體差異敏感；對任務難度差異不敏感。導致此結果的原因應該主要存在于其測驗流程中。這項技術給被試呈現(xiàn)一系列問題，將被試的回答與實際情境進行對比得出分數(shù)。這種測驗方式不能排除被試根據(jù)主要依靠存儲在長時記憶中的結構性信息(比如圖式、心理模型等)回答其中問題的可能性(Endsley,1995b,2015b)。本質上講，航空環(huán)境中的情境意識是飛行員基于其經(jīng)驗圖式(或心理模式)收集、處理環(huán)境信息過程，因而采用整體情境評估技術獲得的結果可能同時反映操作者圖式(或心理模式)質量以及當前的情境認知狀態(tài)，也可能僅反映操作者圖式(或心理模式)質量。鑒于穩(wěn)定的證據(jù)表明，新手和專家操作者的圖式(或心理模式)存在質的區(qū)別，而兩項實驗發(fā)現(xiàn)，整體情境評估技術可反映組間差異，卻不能反映任務難度差異，說明該項測驗實質上檢測了操作者的圖式(或心理模式)質量(這顯然也是一種靜態(tài)的情境意識)，并非測量當時當?shù)氐那榫骋庾R過程。由此可見，整體情境評估技術在區(qū)分個體差異，評價選拔領域有重要參考價值。

除了各自有其獨立的優(yōu)勢外，上述兩種情境意識的測量技術都有其明顯不足，導致其局限的根本原因在，情境意識自測技術和整體情境評估技術都不是針對情境意識本身的實時直接測量，前者測驗當事人的主觀體驗，后者則測量情境意識的加工結果，這導致它們不能真實地反映當時當?shù)氐那榫骋庾R。視覺搜索策略和編碼信息加工都是情境意識的重要組成成分(Ratwani et al.,2010;Kramer,& McCarley,2003;Kowler et al.,1995)。鑒于注視持續(xù)時間反映個體對注視客體的知覺加工過程(Rayner,2009)，而飛行員的眼動模式實質上是在其內(nèi)心圖式(或心理模型)引導下的注意轉換、視覺信息搜索與處理的過程(Kramer,& McCarley,2003;Shinar,2008;Federico,1995)，因而檢驗經(jīng)驗和任務難度對視覺搜索取樣策略和編碼性信息加工的影響模式，可為建立情境意識的過程測量方法提供參考。本研究在考察“反映上述兩類認知過程”眼動指標對個體差異和任務難度差異的敏感性基礎上，檢驗情境意識眼動測量技術的特點及其優(yōu)勢。這項工作可彌補情境意識自測技術和整體情境評估技術中的不足，利于完善航空環(huán)境中的情境意識測量體系。

對于視覺取樣策略而言，新手組飛行員的視覺取樣策略與專家組存在本質的區(qū)別，前者更加傾向于從艙外環(huán)境中獲取粗糙、直觀的自然性信息，而后者則偏重從艙內(nèi)儀表上獲取精細的編碼性信息(Prinzel III et al.,2004)。導致上述差異的主要原因在于，專家所具有的高度結構化的經(jīng)驗(比如圖式或心理模型)能夠引導其精細、高效率地從艙內(nèi)儀表收集并處理關于當前飛行參數(shù)的信息；而新手組被試的結構化經(jīng)驗較差，由于缺乏高度結構化知識經(jīng)驗的引導作用，他們只能從艙外變化的環(huán)境中獲取表面的、淺層次的結構關系。實驗二發(fā)現(xiàn)，任務變難也會改變專家組飛行員的視覺取樣策略，每個視覺取樣周期中(從艙外取樣開始到艙內(nèi)取樣結束的一段時間內(nèi))專家組增加對艙外視覺取樣時間，同時減少艙內(nèi)視覺取樣的時間?？紤]到對于專家飛行員而言，其內(nèi)心的結構性經(jīng)驗是個穩(wěn)定的因素，因而任務難度對視覺取樣周期的影響實質上反映了環(huán)境因素對當時當前情境意識過程的影響作用。由此可見，相對于情境意識自測技術和整體情境意識測量技術，眼動數(shù)據(jù)能夠反映上述視覺取樣策略在不同經(jīng)驗水平被試間和不同操作環(huán)境之間的差異，這是情境意識眼動測量技術的優(yōu)勢之一。

對于編碼性信息加工特點而言，專家組對發(fā)動機表、航向表投入的注視時間與注意資源較多，這意味著專家飛行員能夠顧及加工該儀表提供的相關信息。整體情境評估技術結果提示，新手組不能成功報告系統(tǒng)意識方面的飛行參數(shù)(關于發(fā)動機的相關參數(shù))，對航向參數(shù)的估計新手組也顯著差于專家組。從這個角度講，基于儀表興趣區(qū)域眼動數(shù)據(jù)結果與整體情境評估技術結果相互印證，相互支持。兩組被試眼動模式的另一差異在于，新手組主要依賴于平視儀表獲取編碼性信息，鑒于該儀表能夠同時提供多項空間信息，而整體情境評估技術結果中速度和高度兩個參數(shù)的估計沒有組間差異，說明新手組飛行員通過平視儀表獲取的信息有限。眼動模式受到被試結構化經(jīng)驗的引導，兩組被試接受的任務完全相同，因此被試對艙內(nèi)儀表信息加工模式不同，應主要歸根于兩組被試的結構性經(jīng)驗的差異，可見眼動技術可監(jiān)測被試結構化經(jīng)驗差異(這是種靜態(tài)的情境意識)。實驗二發(fā)現(xiàn)，隨著特技飛行任務難度增大，專家飛行員會采用減少對航向表關注/加工的策略完成任務，說明操作環(huán)境對當時當?shù)鼐幋a信息加工層面上情境意識過程的影響也能在眼動指標中有所反映。由此可見，相對于其他測量手段，眼動技術在區(qū)分編碼信息加工層面的認知過程差異方面也有優(yōu)勢。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗和任務難度不僅影響視覺取樣策略，也影響編碼信息處理過程，說明情境意識眼動測量技術可在整體和細節(jié)上反映個體差異和任務難度差異，因而相對于其他測量方法，該測量技術有較高的區(qū)分度，其優(yōu)勢非常明顯。當然，構建完整的、能監(jiān)測理解、預測層面的情境意識的眼動技術還需深入研究。

5　結　論

情境意識評價技術不能反映個體差異，但能反映任務難度差異；情境整體評價技術能夠反映個體差異，但不能反映任務難度差異；眼動測量方法則在整體視覺取樣策略和細致的編碼信息加工兩方面，都能夠反映個體差異和任務難度差異；眼動追蹤技術可在知覺層面上反映情境意識的內(nèi)容和過程。

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Abstract

With two experiments,the present study examined the sensitive advantages of eye tracking situation awareness method compared with two other measures,such as Situational Awareness Rating Technique (SART),Situation Global Assessment Technique (SGAT).The first experiment checked the individual differences,and the second checked the task difficulty differences.Results are three-folded.First,SART was not sensitive in distinguishing SA differences between experts and novices,but sensitive to task difficulty.Second,SAGAT was sensitive to individual differences,but not sensitive to task difficulty.Third,there were group differences between experts and novices in both visual sampling strategy and coding information procession,and there were also task differences in both of visual sampling strategy and coding information procession.Given that,the results from eye movement and SAGAT confirmed each other,and it is reasoned to conclude that eye movement data can track the situation awareness in the aviation working environment.Thus,the results suggest that eye movement measurement of situation awareness is sensitive both to individual and task differences.

Exploring the Individual and Task Difficulty Difference of Situation Awareness in Aviation Working Environment:The Advantages of Eye Tracking Method

LIU Zhi-fang1SU Heng2

(1.Department of Psychology,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Hospital of China Air Force Hangzhou,Hangzhou 310007,China)

situation awareness,subjective techniques,objective techniques,eye movements

空后勤課題(DKJ09L036)。

B849

A

1006-6020(2016)-01-0012-14

**通信作者：劉志方,E-mail:lzhf2008@163.com。