江 川，陳 濤，曹瑞丹，張作明

起飛和著陸階段盡管只占總飛行時(shí)間的4%，但是49%的致命事故卻發(fā)生于該階段[1]。進(jìn)近和著陸階段發(fā)生的可控性飛行撞地（controlled flight into terrain，CFIT）事故或事故癥候可以分為三種類型：跑道入口附近或跑道前接地、以不安全下滑角度和速度接觸跑道、跑道遠(yuǎn)端或場外接地，其中以第一種情況最為常見，夜間發(fā)生的可能性要比晝間高出3倍[2]。進(jìn)近過程中，飛行員在目視情況下對目標(biāo)距離、飛行速度、下滑角度三者之間的關(guān)系處理不當(dāng)是導(dǎo)致CFIT發(fā)生的主要原因，但是其具體機(jī)制并不清楚。Gibb[3]認(rèn)為該過程與一種視性錯(cuò)覺-黑洞錯(cuò)覺密切相關(guān)。黑洞錯(cuò)覺（black hole illusion，BHI）是指在缺乏視覺參照物情況下飛行員感覺不到明顯的速度、高度變化，產(chǎn)生猶如在黑洞中飛行的錯(cuò)覺，表現(xiàn)為對高度與距離的誤判。目前，對于目視進(jìn)近距離低估現(xiàn)象與黑洞錯(cuò)覺之間的關(guān)系尚不十分清楚[4]，筆者認(rèn)為飛行員俯視角度可能是一個(gè)重要的影響因素。為驗(yàn)證該假說，本研究建立黑洞錯(cuò)覺環(huán)境，觀察俯視角度對距離判斷的影響。

1 對象與方法

1.1 對象 通過距離判斷練習(xí)和距離判斷測試的預(yù)實(shí)驗(yàn)，篩選出5名在3次距離測試中準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上的健康青年志愿者。受試者均為男性，年齡29～33歲，平均（29.8±1.8）歲。雙眼矯正視力≥1.0；暗適應(yīng)功能正常。受試者均被告知試驗(yàn)相關(guān)事宜，簽署知情同意書。試驗(yàn)數(shù)據(jù)在2021年2—3月采集完畢。

1.2 方法

1.2.1 問卷調(diào)查 通過文獻(xiàn)綜述以及與多機(jī)種（民航客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)等）飛行員展開多次座談交流了解夜間目視進(jìn)近情況，制作飛行人員黑洞錯(cuò)覺調(diào)查問卷并發(fā)放50份。通過剔除全部選項(xiàng)答案一致或缺漏項(xiàng)的問卷，最終收回38份有效問卷。

1.2.2 距離辨別測試 國際民航組織約定航空器著陸時(shí)的角度：在儀表著陸系統(tǒng)（instrument landing system，ILS）條件飛行時(shí)，飛機(jī)進(jìn)近下滑角度為3°。理想的非精密進(jìn)近剖面類似于ILS進(jìn)近，執(zhí)行一個(gè)恒定的3°下滑角。另外，飛機(jī)在最后進(jìn)近階段需要保持一定仰角姿態(tài)，以空客320為例，保持2.5°的仰角。因而，在最后進(jìn)近著陸階段，飛行員通常以5.5°俯視角度觀察跑道燈光和接地點(diǎn)。本研究利用調(diào)節(jié)弱光視標(biāo)高度模擬5.5°俯視角度和0°的觀察組。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)暗室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚L8 m、寬1 m的暗室通道?！癊”形弱光視標(biāo)7[4]置于滑車1上，光強(qiáng)度調(diào)整到1×10-2cd/m2，其高度可通過升降桿調(diào)整距離地面0.6、1.2 m；受試者坐在升降椅4上調(diào)節(jié)眼高為1.2 m，與視標(biāo)位置在同一直線上，升降椅只能左右移動；滑車可沿直線運(yùn)動并停止在距離受試者6、6.5、7、7.5、8 m處位置點(diǎn)；在受試者正前方距離0.5 m、高0.8 m位置放置另一弱光視標(biāo)6，將光強(qiáng)度調(diào)整到1×10-3cd/m2。測試開始前，受試者戴眼罩在暗室環(huán)境中進(jìn)行20 min的暗適應(yīng)，在距離受試者5 m處用遮光布2遮擋遠(yuǎn)處視覺場景，并且轉(zhuǎn)動座椅或者移動座椅位置以消除位置記憶；測試用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)1 min，受試者需要與近處的弱光視標(biāo)對準(zhǔn)位置，再向前注視尋找遠(yuǎn)處弱光視標(biāo)，操作人員隨機(jī)在40～50 s之間拉開遮光布，計(jì)時(shí)停止受試者給出距離判斷值。利用自主研發(fā)的微光積分球光源5模擬滿月照度，光源置于距離被試5.5 m、水平偏左側(cè)0.3 m處的位置朝向氣球方向；直徑為0.3 m的黃色氣球作為參照物，并將其放置于距離地面0.9 m的透明支架上；參照物放置于弱光視標(biāo)與受試者連線右側(cè)0.3 m處，與受試者距離6、7、8 m的位置。

在無參照物視覺環(huán)境，每位受試者在視標(biāo)高低位置各進(jìn)行9次測試，弱光視標(biāo)距離受試者6.5、7、7.5 m，各出現(xiàn)3次，去除6、8 m兩個(gè)極端值的影響。按照隨機(jī)數(shù)表法將出現(xiàn)順序隨機(jī)排列。在有參照視覺環(huán)境，重復(fù)上述試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)距離估計(jì)與實(shí)際距離差值d，當(dāng)d≤－0.5 m計(jì)數(shù)為估值低，計(jì)算每名受試者各觀察組距離估值低的占比（概率）。

1.2.3 績效負(fù)荷測試 自制耳手應(yīng)答器，在“耳手操作”干擾負(fù)荷下完成對準(zhǔn)弱光視標(biāo)與判斷距離任務(wù)。耳手應(yīng)答器提示音間隔5 s報(bào)隨機(jī)兩位數(shù)的數(shù)字音，如12、20、32 等，每聽到報(bào)出的數(shù)字，受試者以兩位數(shù)數(shù)字的和是奇數(shù)還是偶數(shù)為依據(jù)，通過持在左、右手的應(yīng)答器進(jìn)行應(yīng)答，左手應(yīng)答奇數(shù)，右手應(yīng)答偶數(shù)。應(yīng)答器記錄反應(yīng)應(yīng)答時(shí)間。選用每位受試者有參照物組和無參照物組的中間4次距離評估測試的耳手應(yīng)答數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)對象，以去除耳手應(yīng)答反應(yīng)存在適應(yīng)和疲勞因素的影響；每次距離評估測試時(shí)受試者應(yīng)答11～13次，去除首尾各2次應(yīng)答，保留中間應(yīng)答反應(yīng)時(shí)間作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，防止動作開始結(jié)束指示對應(yīng)答反應(yīng)的干擾。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。無參照物環(huán)境下，采用配對t檢驗(yàn)對俯視組與平視組的距離低估的概率進(jìn)行比較。在5.5°俯視角度的條件下，采用配對t檢驗(yàn)對有參照物組與無參照物組的距離低估的概率進(jìn)行比較；采用t檢驗(yàn)對有參照物、無參照物組的耳手應(yīng)答器反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行比較。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 夜間進(jìn)近時(shí)對距離判斷的影響 在夜間能見度差的視覺環(huán)境下，飛行員目視進(jìn)近采用的策略最多的是利用跑道燈光估計(jì)著陸點(diǎn)的距離。另外，飛行員也常利用跑道燈光估計(jì)地平線（表1）。飛行員夜間進(jìn)近誤判類型以誤低為高、誤遠(yuǎn)為近現(xiàn)象最為常見（表2）。

表1 夜間能見度差的情況下目視進(jìn)近策略（n=38）

表2 夜間進(jìn)近著陸過程對高度和距離誤判（n=38）

2.2 俯視角度對距離判斷的影響 在無參照物視覺環(huán)境下，對距離的判斷有一定的離散型，各組均有估值過高或過低的情況。但是從總體上看，俯視（5.5°）組距離估值近的百分比較大，與平視組比較距離近估的趨勢較明顯。在無參照物的情況下，平視組（組1）與俯視組（組2）之間比較距離近估的概率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。而當(dāng)有參照物存在時(shí)，可以明顯地改善對距離的判斷，俯視組（組3）距離近估的趨勢消失（表3）。

表3 注視角度、參照物對距離估值影響的比較

2.3 參照物環(huán)境的變化對績效負(fù)荷的影響 有參照物的視覺環(huán)境耳手應(yīng)答時(shí)間小于無參照物視覺環(huán)境（P＜0.05）（表4）。

表4 距離判斷測試中無參照物組與有參照物組績效應(yīng)答反應(yīng)時(shí)間

3 討論

在目視進(jìn)近或者儀表進(jìn)近的目視飛行階段中，飛行員最常見的接地方法是瞄準(zhǔn)跑道上理想的主輪接地點(diǎn)，然后調(diào)整五邊下滑軌跡[5]。若瞄準(zhǔn)點(diǎn)在一定程度和方向上偏出著陸點(diǎn)，下滑軌跡將會出現(xiàn)偏差。瞄準(zhǔn)點(diǎn)在飛行方向上著陸點(diǎn)的遠(yuǎn)端，飛機(jī)可能會沖出跑道；瞄準(zhǔn)點(diǎn)在飛行方向上著陸點(diǎn)的近端，飛機(jī)可能會在跑道外提前接地。本次問卷調(diào)查結(jié)果顯示，絕大多數(shù)飛行員在夜間能見度差的情況下目視進(jìn)近會利用跑道燈光估計(jì)著陸點(diǎn)的距離，而對于瞄準(zhǔn)點(diǎn)的距離估計(jì)與飛行員的視知覺關(guān)系密切。人眼對地面觀察而得到的空間信息具有潛在不可靠性，特別是在視覺線索缺失的情況下，飛行員會產(chǎn)生錯(cuò)誤的視覺感知而導(dǎo)致對高度/距離的錯(cuò)誤判斷，影響進(jìn)近著陸的穩(wěn)定與安全。

黑洞錯(cuò)覺的研究多聚焦于高度過估問題，飛行員高估下滑路徑，因此采用較低的進(jìn)場方式[3]。Robinso等[6]發(fā)現(xiàn)飛行員在缺少視覺線索的情況下會根據(jù)平行跑道邊緣光的明顯會聚點(diǎn)錯(cuò)誤地估計(jì)了地平線的位置，這種誤解可能會導(dǎo)致飛行員采用低空飛行路徑。此外，給定高度相關(guān)的進(jìn)近下滑角與到跑道的距離成反比，飛行員低估距離的傾向也會發(fā)生下滑路徑（glide path overestimation，GPO），可有助于解釋黑洞錯(cuò)覺現(xiàn)象。注意到民航可控性撞地事故頻發(fā)[7]，在人為因素的原因后可能有視性錯(cuò)覺原因，在無法看清跑道參照物的情況下，跑道燈光作為飛行員判斷著陸點(diǎn)距離的重要方法，低估了著陸點(diǎn)距離可能會造成飛機(jī)提前接地的危險(xiǎn)。在城市長隧道也發(fā)生類似的現(xiàn)象，隧道進(jìn)口為下坡，駕駛員在坡道上行駛時(shí)容易產(chǎn)生錯(cuò)覺，低估所處路段真實(shí)坡度（距離），在進(jìn)入隧道前未減速至安全值易造成追尾[8]。Nicholson和Stewart[9]通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了照度對距離估計(jì)的準(zhǔn)確性起著重要作用，受試者明顯低估了夜間的距離。

本研究發(fā)現(xiàn)在暗室通道內(nèi)俯視目標(biāo)有明顯距離低估趨勢，而平視目標(biāo)沒有低估趨勢，表明俯視目標(biāo)是引起距離近估的主要原因。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了在標(biāo)準(zhǔn)暗室環(huán)境中俯視角度越大對于距離的低估趨勢越明顯和低估程度越大[10-11]。這種現(xiàn)象可能與眼的調(diào)節(jié)有關(guān)，林仲賢和孫秀如[10]認(rèn)為，與正視條件相比較，視線傾斜會引起距離判斷準(zhǔn)確性明顯降低；這種現(xiàn)象的主要原因是眼肌調(diào)節(jié)發(fā)生變化，睫狀肌緊張度增加，以及視疲勞。視線傾斜引起眼外肌調(diào)節(jié)量增加的現(xiàn)象與隱斜視類似，為了克服眼外肌功能不平衡引起的眼位偏斜，患者需要用融合儲備力進(jìn)行調(diào)節(jié)。如有飛行員發(fā)生隱斜時(shí)，因目測距離不準(zhǔn)導(dǎo)致著陸時(shí)易動作過猛或沖出跑道[11]。周柳[12]認(rèn)為，在黑暗中，觀察者將目標(biāo)物定位于與眼睛連線和一個(gè)隱性曲面的交點(diǎn)上引起對距離判斷的固有偏差。由于實(shí)際地表不可見，視覺系統(tǒng)自動地調(diào)用固有偏差，來作為建構(gòu)知覺空間的參照系。

在夜間最后進(jìn)近著陸過程中，視覺線索缺少的環(huán)境和多任務(wù)的需要，可能會對任務(wù)負(fù)荷產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在無參照物的視覺環(huán)境下耳手反應(yīng)時(shí)間延長，表明視覺認(rèn)知負(fù)荷對注意力分配產(chǎn)生干擾影響多任務(wù)操作的能力。在夜間條件下，雖然飛行員能夠看到正在接近的跑道燈光，但由于光線不足，所有地面特征，如樹木、道路、湖泊等都不可見。相比較白晝視覺認(rèn)知負(fù)荷明顯增加，飛行員可能會出現(xiàn)注意力分配不當(dāng)，可能導(dǎo)致飛行員忽視或在必要儀器的監(jiān)控方面表現(xiàn)不佳[3]。

飛行員始終是駕駛艙的操作主體，即使在導(dǎo)航技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，仍然會受BHI這種危險(xiǎn)的視性錯(cuò)覺影響。Sipes和Lessard[13]調(diào)查了79%的有經(jīng)驗(yàn)的飛行員教員在一定程度上經(jīng)歷過BHI。目視信息準(zhǔn)確是飛行員能夠安全著陸的前提，而因著陸環(huán)境的影響，飛行員會產(chǎn)生距離的誤判。若飛行員依舊選擇目視參考，而不是堅(jiān)信儀表，就會出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷，影響進(jìn)近著陸的穩(wěn)定與安全。本研究通過在黑暗的視覺環(huán)境下，一定的俯視角度會引起視覺距離認(rèn)知降低的趨勢，可為BHI現(xiàn)象飛行員產(chǎn)生GPO現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。