林思遠(yuǎn)，胡榮錦，王艷軍

(1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106；2.國(guó)家空管飛行流量管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106)

1 引言

空中交通管制員(簡(jiǎn)稱“管制員”)的主要任務(wù)是為其管轄范圍(扇區(qū))內(nèi)的航空器提供空中交通管制服務(wù)，指揮航空器安全到達(dá)其目的地。與地面交通相比，空中交通具有速度快、計(jì)劃性和隨機(jī)性強(qiáng)等特征。管制員需要及時(shí)作出決策，解決航空器運(yùn)行之間的沖突，避免發(fā)生事故。自動(dòng)化系統(tǒng)在空中交通管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大大的提高了管制運(yùn)行效率的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。管制員作為系統(tǒng)中的決策者，通過眼動(dòng)行為獲取大量信息進(jìn)行決策。研究管制員的眼動(dòng)行為對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行安全和效率具有重要意義[1]。

眼睛是人類獲取外部信息最重要的通道。在過去的幾十年中，不同領(lǐng)域的研究者針對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)開展了大量的研究工作，例如，通過研究眼球運(yùn)動(dòng)檢查潛在的神經(jīng)認(rèn)知功能[2]。眼睛通過眼跳運(yùn)動(dòng)來掃描環(huán)境，并注視相關(guān)區(qū)域，從而為視覺信息的采樣提供支持[3]。注視的位置是由知覺、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)之間持續(xù)的相互作用決定的，這些相互作用促進(jìn)了相關(guān)信息的選擇和處理[4]。

在空管領(lǐng)域，眼動(dòng)追蹤常用于評(píng)估管制員的工作負(fù)荷、疲勞程度、視覺搜索。Ahlstrom[5]等人發(fā)現(xiàn)隨著飛機(jī)數(shù)量的增加，管制員工作負(fù)荷增加，眨眼持續(xù)時(shí)間減少，瞳孔直徑增加。Stasi[6]研究了眼跳速度與認(rèn)知之間的關(guān)系。Imants[7]等人發(fā)現(xiàn)在同一任務(wù)場(chǎng)景下，不同管制員的搜索策略不盡相同。Marchitto[8]等人研究了在沖突監(jiān)測(cè)任務(wù)中的管制員眼動(dòng)行為。Yoshida[9]等人發(fā)現(xiàn)航班標(biāo)牌顏色的顯著性會(huì)影響管制員的眼動(dòng)行為。靳慧斌[10]等人研究了管制員工作負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法和眼動(dòng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)疲勞的有效性。王燕青[11]等人發(fā)現(xiàn)不同流量下，管制員眼動(dòng)行為存在顯著性差異，同時(shí)新手管制員和專家管制員眼動(dòng)模式也存在差異。王超[12]等人發(fā)現(xiàn)管制員對(duì)進(jìn)場(chǎng)飛機(jī)和飛機(jī)標(biāo)牌的關(guān)注度較高。Wang[13]等人研究了不同管制級(jí)別管制員的眼動(dòng)行為差異。

雖然國(guó)內(nèi)外基于管制員眼動(dòng)行為的研究取得了一定的研究成果，但對(duì)于自動(dòng)化水平對(duì)管制員眼動(dòng)行為的影響研究甚少。本文將通過將自動(dòng)化系統(tǒng)分級(jí)，采集不同自動(dòng)化級(jí)別、不同管制場(chǎng)景下管制學(xué)員的眼動(dòng)行為數(shù)據(jù)，探討自動(dòng)化水平對(duì)管制員眼動(dòng)行為的影響。本研究對(duì)理解自動(dòng)化水平對(duì)人類執(zhí)行任務(wù)的影響，提高管制指揮效率和未來空管自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)都有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了采集眼動(dòng)行為數(shù)據(jù)，邀請(qǐng)了8名來自南京航空航天大學(xué)的管制專業(yè)的四年級(jí)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，包括5名男性，3名女性，年齡19-22歲。所有被試均自愿參與仿真實(shí)驗(yàn)，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)績(jī)效獲得一定的報(bào)酬。實(shí)驗(yàn)前一天晚，所有被試睡眠良好。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，所有被試情緒穩(wěn)定，沒有進(jìn)食咖啡等令人亢奮的食物。

2.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

(1)自動(dòng)化級(jí)別和流量劃分。目前暫無文獻(xiàn)對(duì)空管自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)。本文參考了Edwards[14]和陳志杰[15]對(duì)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的描述，設(shè)計(jì)了無自動(dòng)化、低自動(dòng)化與高自動(dòng)化三種場(chǎng)景，具體定義見表1。同時(shí)為了確定流量對(duì)管制員行為表現(xiàn)的影響，每個(gè)級(jí)別的自動(dòng)化條件下分別設(shè)置了大、中、小(8架、6架、3架)三種不同流量的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，低自動(dòng)化大流量實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景見圖1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景流量的不同，計(jì)算機(jī)從0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八個(gè)方向點(diǎn)隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)、6個(gè)點(diǎn)、8個(gè)點(diǎn)生成飛機(jī)，并隨機(jī)生成危險(xiǎn)區(qū)。三類自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中采用的實(shí)驗(yàn)態(tài)勢(shì)場(chǎng)景一致，存在飛行沖突，需要保持飛行間隔。

(2)管制任務(wù)。實(shí)驗(yàn)任務(wù)是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)確保飛機(jī)安全有序地飛行，飛機(jī)的飛行高度不能小于安全間隔并且飛機(jī)不能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。在無自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，管制員全權(quán)負(fù)責(zé)航空器安全，指揮控制飛機(jī)的運(yùn)行，沒有任何危險(xiǎn)告警裝置；在低自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，管制員全權(quán)負(fù)責(zé)航空器安全，指揮控制飛機(jī)的運(yùn)行，當(dāng)飛機(jī)距離危險(xiǎn)區(qū)太近或兩架飛機(jī)高度層<300米并且距離太近時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給予提示，相關(guān)飛機(jī)顏色會(huì)發(fā)生改變并且有報(bào)警聲音提示；在高自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，系統(tǒng)全權(quán)負(fù)責(zé)飛機(jī)安全，管制員只需要負(fù)責(zé)監(jiān)視航空器，不需要任何管制指揮操作，系統(tǒng)全權(quán)進(jìn)行指揮，當(dāng)飛機(jī)距離危險(xiǎn)區(qū)太近或兩架飛機(jī)高度層<300米并且距離太近時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給予提示，相關(guān)飛機(jī)顏色會(huì)發(fā)生改變并且有報(bào)警聲音提示。圖2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景。

表1 三種不同自動(dòng)化管制場(chǎng)景的定義

2.3 眼動(dòng)指標(biāo)的選取

本文主要分析管制員在不同自動(dòng)化場(chǎng)景下的兩種眼動(dòng)行為，即注視和眼跳。注視是指是指眼睛中央窩對(duì)準(zhǔn)某一物體的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過100毫秒的眼動(dòng)行為。眼跳是指上一次注視結(jié)束到下一次注視開始的這一過程。本文選取了6個(gè)眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行分析，其具體定義見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)選取的眼動(dòng)指標(biāo)

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次仿真實(shí)驗(yàn)通過使用Seeing Machines公司生產(chǎn)的faceLAB 5.0采集被試者眼動(dòng)數(shù)據(jù)，采樣頻率為60 Hz，實(shí)時(shí)追蹤眼動(dòng)位置延時(shí)為3 ms。實(shí)驗(yàn)流程如下：

(1)在實(shí)驗(yàn)開始前詢問被試相關(guān)情況，并告知此次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、操作與目的。

(2)被試坐在屏目前，適宜地調(diào)整座椅至本人舒適。

(3)實(shí)驗(yàn)開始前測(cè)試眼動(dòng)儀，并進(jìn)行管制員眼動(dòng)校準(zhǔn)。

(4)根據(jù)無自動(dòng)化、低自動(dòng)化和高自動(dòng)化的順序依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)程度的自動(dòng)化均設(shè)置了小、中、大三組不同流量的實(shí)驗(yàn)，被試者一共需要進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)(3×3)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景時(shí)長(zhǎng)為7 min，即需要參加63 min的實(shí)驗(yàn)。

(5)所有試驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

為了區(qū)分原始數(shù)據(jù)的注視與掃視點(diǎn)，本文采用Krassanakis[16]等人的眼動(dòng)注視識(shí)別算法。本文對(duì)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊次性分析，文中顯著性水平分為兩個(gè)等級(jí)，為*P<0.1和**P<0.05。

3 結(jié)果

本文對(duì)被試注視和眼跳的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析與討論。圖3為不同自動(dòng)化場(chǎng)景和不同流量情況下管制員相關(guān)眼動(dòng)參數(shù)的變化。表3為無自動(dòng)化與高自動(dòng)化中大流量與小流量場(chǎng)景的眼動(dòng)數(shù)據(jù)差異。

表3 無自動(dòng)化與高自動(dòng)化場(chǎng)景眼動(dòng)數(shù)據(jù)差異

注：*P<0.1，**P<0.05。

3.1 注視持續(xù)時(shí)間

圖3(A)反映了不同自動(dòng)化水平和不同流量下注視持續(xù)時(shí)間的變化。根據(jù)表3可知，大流量下無自動(dòng)化和高自動(dòng)化場(chǎng)景中管制員注視持續(xù)時(shí)間存在顯著性差異(F=6.664,P=0.023)，而小流量下沒有顯著性差異(F=1.319,P=0.724)。

3.2 注視點(diǎn)個(gè)數(shù)

圖3(B)反映了不同自動(dòng)化水平和不同流量下注視點(diǎn)數(shù)量的變化。圖4反映了管制員在一次實(shí)驗(yàn)中注視點(diǎn)的分布。根據(jù)表3可知，大流量下(F=1.080,P=0.926)和小流量下 (F=2.895,P=0.184)無自動(dòng)化和高自動(dòng)化場(chǎng)景中管制員注視點(diǎn)的個(gè)數(shù)都不存在顯著性差異。

3.3 注視熵

熵的概念最初來源于物理學(xué)，后被引入信息領(lǐng)域，用以描述系統(tǒng)的混亂程度。Shannon[17]提出的熵計(jì)算公式為：

(1)

式中pi表示注視數(shù)據(jù)落在位置i的概率。注視熵反映了管制員注視點(diǎn)的分布狀況，該值越大說明注視范圍越大，注視越混亂。為了計(jì)算注視熵，我們將實(shí)驗(yàn)屏幕離散為1 296個(gè)小單位(按照眼動(dòng)儀采集的屏幕范圍大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)屏幕的分辨率，每40劃分為一小段，共48×27個(gè)小單位)，計(jì)算每一個(gè)小單位被注視的概率。

圖3(C)反映了不同自動(dòng)化水平和不同流量下注視熵的變化，圖5為實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)小單位被管制員注視到的頻率的典型注視分布圖。根據(jù)表3可知，大流量下無自動(dòng)化和高自動(dòng)化場(chǎng)景下管制員注視熵存在顯著性差異(F=5.371,P=0.041)小流量下也存在差異(F=4.020,P=0.086)。

3.4 條件熵

雖然熵與給定隨機(jī)變量的不確定性有關(guān)，但自然界中的大多數(shù)過程都不是完全隨機(jī)的或完全可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)具有隨機(jī)性和依賴性。在這種情況下，給定系統(tǒng)的輸出可能影響下一個(gè)輸入的選擇，從而使以下輸入依賴于前一個(gè)輸出。這些過程中的統(tǒng)計(jì)特性可以用1階至n階馬爾可夫矩陣來近似[17]，其中零階或平穩(wěn)分布表示每個(gè)狀態(tài)被占據(jù)的總體概率，而轉(zhuǎn)移分布表示從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的變化率。因此根據(jù)平穩(wěn)分布給定先驗(yàn)狀態(tài)的條件熵(Conditional Entropy)進(jìn)行加權(quán)，公式為：

(2)

在這種情況下，H是已知x的先驗(yàn)狀態(tài)的不確定性。式中pi表示穩(wěn)態(tài)分布，P(i,j)表示從注視點(diǎn)i轉(zhuǎn)移至注視點(diǎn)j的概率。這個(gè)方程的值大于0，熵越大，表示的有序度越低，因此狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換模式就越難預(yù)測(cè)和復(fù)雜。本文同樣將屏幕離散為1152個(gè)小單位計(jì)算條件熵。

圖3(D)反映了不同自動(dòng)化水平和不同流量下條件熵的變化。根據(jù)表3可知，大流量下無自動(dòng)化與高自動(dòng)化場(chǎng)景中管制員條件熵不存在顯著性差異(F=1.697,P=0.502)小流量下存在差異(F=4.397,P=0.069)。

3.5 眼跳持續(xù)時(shí)間

眼跳持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短能夠反映搜索效率的高低。圖3(E)反映了不同自動(dòng)化水平和不同流量下眼跳持續(xù)時(shí)間的變化。根據(jù)表3可知，大流量下不同自動(dòng)化場(chǎng)景中管制員眼跳持續(xù)時(shí)間存在顯著性差異(F=9.472,P=0.008)，小流量下不存在差異(F=1.189,P=0.825)。

3.6 平均眼跳速度

圖3(F)反映了不同自動(dòng)化水平和不同流量下平均眼跳速度的變化。根據(jù)表3可知，大流量下(F=1.064,P=0.937)和小流量下(F=2.613,P=0.228)無自動(dòng)化場(chǎng)和高自動(dòng)化景中管制員的平均眼跳速度不存在顯著性差異。

4 討論

注視持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短能夠反映被試信息處理的難易程度，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，說明信息獲取與處理的難度越大。注視持續(xù)時(shí)間隨著自動(dòng)化水平的提升而降低，說明了相較于無自動(dòng)化與低自動(dòng)化場(chǎng)景，在高自動(dòng)化場(chǎng)景下，管制員處理信息更加容易，系統(tǒng)對(duì)管制員的幫助較大。這可能跟管制員職責(zé)的改變有關(guān)，由于在高自動(dòng)化場(chǎng)景下，系統(tǒng)能夠完成所有操作，管制員僅需監(jiān)視系統(tǒng)，由于不需要全權(quán)指揮，管制員獲取信息的態(tài)度更加隨意，不需要長(zhǎng)時(shí)間集中注意，故注視持續(xù)時(shí)間較短。注視點(diǎn)個(gè)數(shù)與自動(dòng)化水平的關(guān)系不明顯。在無自動(dòng)化與低自動(dòng)化中，注視點(diǎn)的個(gè)數(shù)隨著交通流量的增加而增加；而在高度自動(dòng)化場(chǎng)景中，這一趨勢(shì)發(fā)生了改變，中流量場(chǎng)景注視點(diǎn)個(gè)數(shù)相較于低流場(chǎng)景注視點(diǎn)個(gè)數(shù)更少，這可能是由于管制員改變了搜索策略。

注視熵反應(yīng)了管制員注視分布情況，注視分布越廣，注視熵越高，注視越混亂。交通流量越大管制員的注視時(shí)間越長(zhǎng)，需要關(guān)注的飛機(jī)就越多，故注視熵相應(yīng)地增高。無自動(dòng)化或低自動(dòng)化的注視熵與高自動(dòng)化差別較大。這可能是由于在高度自動(dòng)化場(chǎng)景下，管制員只需要監(jiān)視飛機(jī)，而無自動(dòng)化、低自動(dòng)化場(chǎng)景下，管制員要控制飛機(jī)，所以不可避免地需要注視到屏幕的功能區(qū)，所需的注視范圍更廣。條件熵同樣反應(yīng)管制員注視分布情況，但其考察了注視行為的規(guī)律性。總體上隨著流量的增大而減小，高自動(dòng)化場(chǎng)景下的條件熵比無自動(dòng)化、低自動(dòng)化更大，這說明了高自動(dòng)化場(chǎng)景下管制員的注視行為沒有規(guī)律性。

本文發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：熵都是用于描述系統(tǒng)的混亂程度，相較于高度自動(dòng)化場(chǎng)景，無度自動(dòng)化和低自動(dòng)化場(chǎng)景有著更高的注視熵，條件熵卻更低。這可能是由于在無自動(dòng)化、低自動(dòng)化場(chǎng)景下，管制員觀察完相應(yīng)的飛機(jī)后，隨之會(huì)對(duì)該飛機(jī)下達(dá)相關(guān)指令，從而注視到相應(yīng)的功能區(qū)；而在高自動(dòng)化場(chǎng)景下管制員觀察完相應(yīng)的飛機(jī)以后，會(huì)無規(guī)律地觀察下一架飛機(jī)。綜上，在無自動(dòng)化和低自動(dòng)化場(chǎng)景下管制員的注視范圍雖然廣，但注視呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，注視熵較大，條件熵較?。欢诟咦詣?dòng)化場(chǎng)景下管制員的注視范圍雖小，但不能很好地體現(xiàn)注視的規(guī)律性，故注視熵較小，條件熵較大。

眼跳持續(xù)時(shí)間隨著自動(dòng)化水平的提升而升高，這與注視持續(xù)時(shí)間成負(fù)相關(guān)關(guān)系，由于實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)是不變的，注視持續(xù)時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致掃視持續(xù)時(shí)間的減少。平均眼跳速度隨著交通流量的增加而增加，隨著自動(dòng)化程度的增加而減少。這可能是由于實(shí)驗(yàn)中飛機(jī)架次的數(shù)量決定屏幕飛機(jī)的密度，飛機(jī)架次越多，眼跳轉(zhuǎn)移的距離就越短，平均眼跳速度就會(huì)相應(yīng)地減少。自動(dòng)化程度的增加導(dǎo)致平均眼跳速度減少的原因主要是在高自動(dòng)化場(chǎng)景下管制員不須全權(quán)管制航空器，不須注意到功能區(qū)，而在人機(jī)交互界面上，功能區(qū)離屏幕航空器較遠(yuǎn)，能夠產(chǎn)生較大的眼跳速度。

綜上，自動(dòng)化程度的改變能夠較大的影響管制員的眼動(dòng)行為，在未來的管制設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和管制員培訓(xùn)環(huán)節(jié)需要充分考慮這一改變。

5 結(jié)論

本文研究了不同自動(dòng)化場(chǎng)景下管制員的眼動(dòng)行為，得到以下主要結(jié)論：

(1)無論何種自動(dòng)化程度下，管制員的注視持續(xù)時(shí)間、注視熵和平均眼跳速度隨著流量的增大而增大，眼跳持續(xù)時(shí)間隨著流量的增大而減小；綜合三種自動(dòng)化，注視點(diǎn)個(gè)數(shù)也隨著流量的增大而增大，但在高自動(dòng)化中表現(xiàn)不明顯，條件熵隨著流量的增大而增大，但在低、高自動(dòng)化中表現(xiàn)不明顯。

(2)高自動(dòng)化試驗(yàn)場(chǎng)景下管制員會(huì)有更短的注視持續(xù)時(shí)間，更低的注視熵，更高的條件熵，更長(zhǎng)的眼跳持續(xù)時(shí)間和更慢的平均眼跳速度。

(3)雖然注視熵和條件熵都是用于描述注視的混亂程度，但他們的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與無自動(dòng)化、低自動(dòng)化場(chǎng)景相比，高自動(dòng)化下管制員擁有更低的注視熵和更高的條件熵。

(4)在未來空管系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造需要充分考慮管制員職責(zé)的變化導(dǎo)致管制員行為所發(fā)生的變化。