眼动数据分析在飞行培训中的应用研究
时间：2021-01-28 22:01:33 来源：达达文档网 本文已影响 人 
吴林
摘要：在飞行员进行全动模拟机训练的过程中，采集眼动数据指标，收集飞行员的注视点、注视次序、注视时长等信息，分析比较在目视起落过程中不同个体的共性与差异。通过收集20位资深飞行员和20位初始学员的眼动数据，分析优秀飞行员在这个过程中注意力分配的方法，发现初始学员普遍存在的问题，总结出一套适用于进近着陆阶段的注意力分配标准，用于改进对初始学员的培训，能够以可视化的方式给学员进行讲解演示，并及时发现和纠正学员在注意力分配方面存在的问题，将对于提升飞行培训的质量和效率具有明显的作用。
Abstract：
In the process of pilots" full-motion simulator training， this paper collects eye movement data indicators， collects the pilot"s gaze point， gaze sequence， gaze duration and other information， analyzes and compares the commonalities and differences of different individuals in the process of visual take-off and landing. By collecting the eye movement data of 20 senior pilots and 20 initial students， it analyzes the method of attention distribution of outstanding pilots in this process， finds common problems of initial students， and summarizes a set of attention distribution standards applicable to the approach and landing phase to improve the training of the initial trainees. It can explain and demonstrate to the trainees in a visual way， and discover and correct the problems of the trainees in the distribution of attention in a timely manner， which will significantly improve the quality and efficiency of flight training.
關键词：眼动数据分析;模拟机训练;注意力分配;飞行培训
Key words：
eye movement data analysis;simulator training;attention distribution;flight training
中图分类号：V328 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）25-0189-03
0 引言
近年来随着民用航空运输市场的快速增长，航空公司规模不断扩大，飞行员的数量大幅增加，给民航训练体系带来了巨大的考验。飞行员需要在复杂的环境下执行大量复杂的飞行任务，对飞行员心理和生理方面都提出更高的要求。所以，如何采用更加高效而合理的飞行训练方式对飞行员进行有针对性的培训，从而不断提高飞行员的核心胜任能力，已经成为飞行培训机构急需解决的问题。
全动模拟机训练是飞行培训中必不可少的一个环节，也是初始学员在飞行培训机构中完成考核的最关键项目。传统的飞行任务训练模式主要是让飞行员进行飞行操纵和特情处理的的重复性训练，由于教员不能及时有效地观察到学员的视线焦点，因此对飞行员的具体飞行习惯、注意力分配等方面缺乏有针对性的指导，使培训质量和效率不能有效提升。
近些年来，国内外有一些研究机构，在地面固定训练器上对少数飞行员进行过一些眼动数据分析研究，在飞行培训领域的还没有进行过在全动模拟机真实训练环境下的大量样本数据采集和分析;随着高新技术的发展，眼动仪设备向着高精度和轻量化方向发展，使其能满足全动模拟机训练场景要求，能在真实训练过程中进行数据采集而不影响飞行员操纵。通过收集分析优秀飞行员在全动模拟机训练过程中注意力分配的方法，研究分析在目视起落过程中的注意力分配模型，用于对初始学员的培训，以可视化的方式给学员进行演示和讲解，发现和纠正学员进近着陆过程中对于注意力分配的问题，为进一步在各个飞行阶段训练中应用此种分析方法，从而有效提升培训的质量和效率。
1 研究方法
1.1 被试人员
本项研究从在培训机构进行全动模拟机训练的飞行员中，随机挑选了20位飞行教员和20位飞行学员，教员全部为具有15年以上航线飞行经验的资深飞行员，学员为刚完成初始改装训练课程检查（考试）任务的20位飞行员，将他们作为被试人员，每人在模拟机上进行了两轮目视起落训练，在训练过程中用眼动仪设备采集了他们的眼动数据生成了80组分析样本。
1.2 研究设备
研究设备中训练设备是采用中国南方航空公司飞行培训中心（珠海翔翼航空技术有限公司）的一台波音737系列模拟机，该设备为获得中国民航局（CAAC）资质审核认定的D级全动模拟机，可用于航空公司飞行员专业训练和考试;眼动数据分析设备采用的是德国ERGONEERS公司生产的Dikablis Glass 3头戴式眼动仪，该设备技术指标国际领先，追踪精度为0.1～0.3°，采样率为60Hz，场景摄像头为高清摄像头（分辨率1920×1080），采用轻量化设计，重量约49g，在数据采集过程中对飞行员操作基本无影响。
1.3 测试任务
测试过程中，被试人员每人进行两轮目视起落训练，在全动模拟机上完成标准操作;选取某平原机场，从跑道头起飞后，要求飞行员按照标准程序进行目视起落，任务场景如图1所示，图中左侧白色虚线表示实际飞行航迹，图中右侧表示完成本场落地任务过程中的剖面。
2 测试数据分析
2.1 数据信息分类
眼动仪采集的数据，重点观察研究以下几类信息：
①注视次数：用来反映所注视区域信息的重要程度，显示区域的重要程度与被注视的次数成正比例关系。
②注视持续时间：反映了飞行员对于所注视区域信息的关注程度。
③注视点序列：即眼动轨迹数据，注视点在飞行员所需要的信息源輸出区域之间进行转换。能够用来衡量飞行员对于飞行任务所应该关注信息的熟练程度。
2.2 重要关注点
将采集的数据提取后，设计选取最有代表性的飞行阶段数据进行对比，即进入进近阶段对正跑道后，在无线电高度500英尺到飞机接地的过程（飞行时间为38秒到45秒左右），因为此阶段对于飞机的控制最能体现飞行员的技能水平。
根据眼动数据注视时间、注视持续次数和注视点次序（如图2）分析后发现，在此阶段飞行过程中，飞行员视线主要关注点分为舱内仪表区和舱外视景区，舱内仪表区有如下几个关注点：PFD速度、PFD下降率、PFD姿态、PFD坡度、ND航迹、油门（EICAS上N1值），舱外视景区主要关注点舱外跑道和PAPI灯。
下面分别进行单个教员和学员数据对比分析、教员群体与学员群体数据对比分析。
2.3 教员A和学员B数据对比分析
随机选取一位教员A眼动数据，从无线电高度500英尺到接地，总时间45秒，将每100英尺高度分段，共分成5段数据进行分析，观察分析其注视次序和注视时间的结果。根据数据得出，前4段，从500英尺到100英尺过程中，有效注视时间内（扫视及眨眼时间除外），对于舱内仪表注视时间为12.14秒，对于舱外视景注视时间为13.37秒;最后一段，从100英尺到接地过程中，全部注视时间用于观察舱外视景。
另外，从20位学员中，根据考试员反馈的绩效表现相对欠缺的学员中，随机选取一位学员B的眼动数据进行分析，从无线电高度500英尺到接地，总时间42秒，同样将其分成5段数据进行分析。根据眼动数据进行分析，从500英尺到接地过程中，有效注视时间内（扫视及眨眼时间除外），对于舱内仪表注视时间为0.85秒，对于舱外视景注视时间为21.26秒。
统计数据后发现，从100英尺到接地，教员A和学员B视线基本相同，都关注了舱外视景;统计从500英尺到100英尺数据，将教员A与学员B对于重要关注点的注视总次数与注视总时间进行统计（如表1）;同时将教员A与学员B的注视总时间分成舱内仪表和舱外视景两部分进行对比（如图3）。
通过对比发现当飞机从500英尺下降到100英尺过程中，教员A和学员B有如下几点明显不同：
①教员A在舱内和舱外注视时间基本相等，而学员B视线基本全集中在舱外;
②教员A在飞行过程中，视线在多个仪表数据和舱外视景之间多次来回切换，而学员B基本只盯着舱外;
③教员A在飞行过程中，观察PAPI灯时基本只是扫视（因此有效注视时间为0），而学员B视线在跑道中心线和PAPI灯频繁切换。
分别选取教员A和学员B在500英尺到100英尺过程生成眼动数据热点图，可以清晰地发现两者的不同。我们设定在采样周期内注视总时间超过1000毫秒的数据点定义为红色样本点，形成的热点图中教员A的视点相对点均匀地分布在舱内和舱外，学员B的视点明显更多地集中在舱外（如图4）。
分析总结：学员B在目视进近过程中，存在着注意力分配的问题，精力没有合理分配在速度、下降率、坡度、航迹等仪表数据上，没有意识到舱外为辅、舱内为主（看舱外只是检测方向和跑道位置关系）的理念，导致在控制飞机稳定性上存在问题。
2.4 教员群体与学员群体数据对比分析
将全部20位教员和20位学员的数据进行统计平均值计算，关注选取从500英尺到100英尺数据，把教员与学员的注视总次数（如图5）与注视总时间（如图6）进行分析对比。
把视野区域分为舱内仪表区域和舱外视景区域时，进行数据统计和对比（如表2）。
通过教员群体与学员群体的对比，发现如下问题：
①教员群体在目视进近过程中，对于舱内和舱外注视时间基本相当;而学员群体对于舱外视景的注视时间偏多，反映出不能较好地分配自己的注意力，在飞行过程中不能及时有效收集舱内仪表信息，从而达到稳定控制飞机状态的目的。
②教员群体在对于多个重要关注点的注视次数更多，能够快速地收集各个关注点的信息并进行判断，反映出对于飞机控制的熟练程度更高;学员群体需要在舱内仪表信息收集方面做更多的关注，加强训练对于各个关键点的注意力分配。
3 结论与展望
在当前目视飞行规则下，飞行员需要通过视线收集外景的跑道以及飞机的高度、姿态、速度等的主要信息。由于进近过程时间短，景物变化快，对飞行员注视力要求高，成熟的飞行员视线能够在主飞行仪表、发动机显示和机组警告系统和舱外跑道之间快速准确地切换，达到稳定控制飞机的目的。
在以往的飞行培训中，传统训练手段不能使教员及时有效地发现学员注意力分配存在的问题，从而及时进行指导;眼动仪在模拟机训练中的应用，能有效地消除这个瓶颈。未来通过不断完善眼动数据分析系统，采集飞行员的注视点、注视次序、注视时长等信息，收集分析优秀飞行员在这个过程中注意力分配的方法，通过大量样本采集，整理出一套适用于各个飞行阶段的注意力分配标准，用于对初始学员的培训，能够以可视化的方式给学员进行演示，并及时发现和纠正学员对于注意力分配的问题，将对于提升培训的质量和效率具有明显的作用。
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