HUD状态下飞行员视觉注意资源分配机制研究*

郝红勋，卫宗敏

(1.中国民航大学 飞行技术学院,天津 300300；2.中国民航管理干部学院 航空安全管理系,北京 100102)

0 引言

目前中国新一代民用飞机(如B787飞机、A380飞机和正在研制的C919飞机)和新一代战斗机驾驶舱普遍安装和使用了HUD。在复杂的视觉状况下，HUD提供附加的主飞行引导指示，以便飞行员能够快速地评估飞机姿态、能量状态及飞机所处位置，有助于增强飞行员在目视飞行和仪表飞行之间转换的能力，从而减少飞行员在下视显示器(Head-Down Display,HDD)和HUD之间的转换负担[1]。

然而科学研究与航空实践均表明，使用HUD过程中也存在一些问题。如在特高难度任务(各类任务叠加)状态下，HUD导致很窄的注意通道，飞行员可能专注于某一显示符号，而中断对低概率事件的符号扫视，从而限制了各类飞行员(如军机飞行员[2]、民航运输机飞行员[3]、直升机飞行员[4]等)在飞行中对呈现在HUD上的各类符号的处理过程。此外，在飞行实验中发现，飞行员会以不同的注意通道处理2个信息源，并在飞行实验过程中逐渐注意HUD所显示的信息而忽略或者减缓注意飞机外部的关键信息，如远前方正穿越跑道的飞机、跑道上的障碍物[2,5]。为飞行安全考虑，有必要对飞行员加工显示符号与显示符号之间及显示符号与外界环境之间的视觉注意资源问题进行研究。注意资源分配机制问题双作业任务研究是有效的方法[6]。

ERP技术以其高时间分辨率(微秒～毫秒)及无损伤性成为近年来研究脑功能的重要工具之一[7]。大量的研究结果表明ERP成分中的P300与注意等认知功能密切相关[8-10]。在ERP相关研究中，被试者在辨认“靶刺激”时，头皮记录到潜伏期约300 ms的最大晚期正波为P300。通常情况下，P300的幅度较大且跨度范围较宽，由稀少的、任务相关的刺激诱发，潜伏期一般在300 ms左右，有时更长，通常分布在中央顶区，且中线附近幅度最大[8]。

精心设计试验，模拟飞行试验中被试者完成不同飞行难度任务时，检验由oddball模式下的视觉刺激任务(辅任务)所诱发的P300是否会呈现出不同。在对飞行模拟实验中的主、辅任务进行细致设计的基础上，通过目标信息数量及刷新频率来控制被试者的高、低飞行难度水平，利用ERP结合行为实验对HUD状态下飞行员视觉注意资源分配机制进行研究。

1 方法

1.1 被试者

被试者为模拟飞行学员，共28名男性，年龄22～28岁，平均年龄25.8岁，视力或矫正视力在1.0以上，无色盲色弱，均为右利手。实验开始前，所有被试者均在飞行模拟器上接受完整的实验飞行任务培训，熟练掌握实验要求的操作。

采用组间对照研究，将被试者平均分成2组，每组14人，分别参加高飞行难度实验和低飞行难度实验。高飞行难度实验组需同步监视6个仪表信息，低飞行难度实验组需同步监视3个仪表信息，辅任务的组间实验参数设置则完全相同。

1.2 飞行模拟实验任务设计

被试者需要在飞行模拟器上完成完整的动态飞行过程，1次实验约830 s。在实验的过程中，要求被试者监视HUD仿真模型上所呈现的目标信息状态，被试者需要完成对异常信息的识别、判断及响应操作。

对于模拟显示的6个飞行仪表信息，被试者需要在实验前记忆6个信息的异常范围，实验过程中，被试者监控相关仪表信息，异常呈现时，按指定键进行响应。

用E-Prime编程在实验界面所显示的仪表信息上设置随机异常，这些异常信息随机出现在实验过程中，并在呈现短暂的时间间隔后消失，在1次飞行过程中，每个仪表出现的随机扰动信息总数相同且同时间内出现的扰动信息不超过1个。异常信息在被试者响应(含正确响应、错误响应)后恢复正常，如被试者未响应，扰动信息结束呈现后，自动恢复正常。

实验通过设定HUD中待响应飞行信息的参数来控制被试者的飞行难度水平：在高飞行难度下，需要被试者保持监视的目标信息数量为6个，信息异常状态的平均呈现时间与间隔时间分别为0.6，1 s；在低飞行难度下，目标信息数量为3个，信息异常状态的平均呈现时间与间隔时间均设定为1 s。

1.3 oddball 任务

在实验中，HUD的视景部分呈现出oddball模式下的光信号(包括红光和绿光)，如图1所示。完整的刺激序列含400个光信号，设定红光信号为靶刺激(呈现概率为20%)；绿光信号为非靶刺激(呈现概率为80%)。2种刺激呈现时间均设定为0.5 s，刺激间隔为1.5 s。要求被试者对红光信号进行按键反应，忽略绿光信号。

图1 HUD视景中的oddball模式光信号Fig.1 Optical signal of oddball mode in HUD scene

1.4 ERP数据记录与分析

采用Neuroscan Neuamps系统记录30个导脑电信号(F7，FT7，T3，TP7，T5；FP1，F3，FC3，C3，P3，O1；FZ，FCZ，CZ，CPZ，PZ，OZ；FP2，F4，FC4，C4，P4，O2；F8，FT8，T4，TP8，T6；M1，M2)。电极位置则按照普遍采用的10-10电极系统正确放置。

以鼻尖为参考，前额接地，同时记录水平和垂直眼电。电极与皮肤接触阻抗小于5 kΩ，记录带宽为0.05～100 Hz，采样率为1 000 Hz/导。分析时程为1.3 s，含刺激前的0.2 s为基线矫正，波幅大于±100 μν视为伪迹，直接剔除。

对高、低飞行任务下，红色靶刺激诱发的EEG(脑电图)分类叠加，可得到靶刺激诱发的ERP。排除眼电伪迹，分析时程为1.5 s，其中刺激前0.2 s进行基线校正，剔除波幅大于±100 μV的脑电数据，得到高飞行任务与低飞行任务下的P300(300～500 ms)波形。

1.5 行为学数据记录与分析

用E-Prime对被试的正确率和反应时间做初步统计，计算机将自动记录被试完成飞行任务及界面作业任务的绩效(包括正确响应、遗漏响应及错误响应)和响应时间(自目标出现至反应的间隔时间)作为评价指标。采用SPSS 17.0 统计软件对行为数据进行重复测量方差分析。

2 实验结果及分析

对正确反应的靶刺激和非靶刺激的诱发电位分别进行叠加平均。采用SPSS 17.0 统计软件对ERP波形的测量指标进行重复测量方差分析，分析ERP数据的实验条件(飞行任务高/低)和电极位置2个因素。

2.1 行为学数据结果

被试者在高、低飞行难度下对主飞行任务及辅飞行任务的正确率和反应时间如表1所示。单因素重复测量方差分析表明，对于主飞行任务而言，飞行难度对正确操作率(F(1，13)=8.25，P=0.012<0.05)及反应时间(F(1,13)=46.394，P=0.000<0.05)的影响显著；对于辅飞行任务而言，飞行难度对正确操作率(F(1，13)=12.015，P=0.004<0.05)及反应时间(F(1，13)=43.794，P=0.000<0.05)的影响显著。

2.2 ERP数据

300～800 ms的脑电压地形图如图2～3所示。根据图2～3对300～800 ms的时间窗内的P300平均波幅进行统计分析。

表1 高、低飞行难度下的正确操作率及反应时Table 1 Correct operation rate and reaction time under high and low flight difficulties

图2 高飞行任务脑电图Fig.2 Electroencephalogram under high flight mission conditions

图3 低飞行任务脑电图Fig.3 Electroencephalogram under low flight mission conditions

对P300不同脑区(左、中、右)幅值所进行重复测量的方差分析表明，左、中、右3个不同脑区飞行难度的主效应显著(F(1,13)=8.994；P=0.01<0.05；η2=0.409)，具体表现为高飞行任务下P300波幅(13.453±1.143 μV)显著高于低飞行难度下(7.790±1.695 μV)。

脑区的主效应显著(F(4,52)=14.779；P=0.032<0.05)，呈现出右侧脑区电压优势，具体表现为中线(11.045±1.212 μV)的波幅显著高于左侧脑区(9.852±1.040 μV)，右侧脑区(10.967±1.128 μV)的波幅临界高于左侧脑区(9.852±1.040 μV)。

电极的主效应显著(F(2,26)=3.922；P=0.000<0.05)，具体表现为额区、额中央区、中央区电极位置的P300波幅为(8.990±1.128 μV)，(9.137±1.107 μV)，(9.879±1.056 μV)，显著低于中央顶区(11.427±1.223 μV)和顶区(13.672±1.387 μV)电极位置。统计结果显示没有交互效应达到显著性水平(P>0.05)。

2.3 ERP与行为学的相关性分析

为了验证作业绩效与P300成分之间的相关程度，选取F3，FZ，F4；FC3，FCZ，FC4；C3，CZ，C4；CP3，CPZ，CP4；P3，PZ，P4 15个电极，对其幅值和反应时间进行相关性分析。

选取幅度最大的FZ电极，相关分析结果表明：FZ幅值与反应时间相关性显著(r=-0.560，P=0.002<0.01)；FZ潜伏期与反应时相关性不显著(r=0.257，P=0.186>0.05)。

3 讨论

3.1 行为绩效讨论

行为学绩效数据表明，被试者在高、低任务难度下的作业绩效差异显著。在高飞行难度下，被试者对HUD上异常信息的正确操作率降低，且反应时间延长。HUD上异常信息的多少影响飞行员的作业绩效。这一结果与相关学者在其他领域的研究结果一致[11-13]，说明被试者的行为学绩效水平与任务的难易程度呈正相关而与任务的种类无关。

研究结果吻合了总体任务资源理论[14]，即知觉负荷能在感知加工阶段通过影响注意力资源的分配，在高飞行难度任务下，被试者需要同时监视的信息量增多，平均分配在每个信息上的注意力资源减少，从而导致正确操作率的下降；且随着信息量的增加，被试者对单个信息的注视频率降低，故反应时间延长。这从另一个侧面说明使用主任务测量和辅任务测量结合的双作业任务方法对于研究在HUD上的注意资源分配问题是可靠的。

3.2 ERP结果讨论

ERP数据表明，被试者在高、低飞行任务难度下由HUD上呈现的视觉oddball辅任务所诱发的P300波幅差异显著。具体表现为：随着主任务难度的增加，由辅任务所诱发的P300的波幅显著降低。这一结果与前人在其他领域的研究结果一致[13,15-16]。统计数据分析结果表明，随着主任务难度的增加，主辅任务的作业绩效均显著下降，即在HUD状态下的飞行任务中，双任务作业的结果随主任务难度的增加辅任务所诱发的P300的波幅显著降低，被试者对异常信息的正确探测率显著下降。

ERP与行为学绩效的相关性分析结果表明，P300波幅与正确探测率呈正相关。因此认为P300的波幅受HUD状态下的注意资源分配的影响，P300波幅降低意味着被试者剩余注意资源的减少。这一结果有效地支撑了TGR(总体任务资源理论)，即被试所拥有的注意资源是一定的，当主任务难度增加时，由于被试加工这些异常信息所需的注意资源增多，从而导致用于处理辅任务的剩余注意资源减少。

ERP数据表明，被试者在高、低任务难度下由HUD上呈现的视觉oddball辅任务所诱发的P300潜伏期差异显著。具体表现为高任务难度下，P300的潜伏期显著延长。在高任务难度下，更多的注意资源被用于仪表监视主任务，从而导致被试者对辅任务所分配的注意资源减少，而注意资源的减少直接导致被试者对辅任务(光信号的辨认)的处理速度减慢。

3.3 HUD状态下飞行员视觉注意资源分配机制

为探讨HUD状态下飞行员视觉注意资源分配机制问题，综合采用行为学和脑科学方法中的ERP方法，在飞行模拟实验条件下开展研究。综合ERP和行为学的实验及计算结果，同时结合传统的注意资源理论[17]，认为HUD状态下飞行员的注意资源分配机制符合一般规律。具体机制为：

1)飞行员并行监控多项仪表信息，其绩效会下降并非由监控任务自身的干扰所引起的，而是完成该任务所需的注意资源超过了飞行员的注意资源，只要监控任务不超过飞行员的总体注意资源，飞行员就可以并行完成多项任务；

2)当需要监控的飞行信息超过飞行员本身拥有的注意资源总和时，飞行员试图同时做更多的监控任务，那么第1项监控任务的绩效将会降低；

3)飞行员的注意资源分配是灵活的，可以改变并适应不同飞行监控任务的需要。

3.4 研究的意义及局限性

结合本研究所提出的HUD状态下飞行员视觉注意资源分配机制，在飞行员养成培训中，可以采用飞行模拟机和多飞行仪表状态，有针对性地扩充飞行员注意资源训练，如在仪表飞行训练中，加强飞行员的仪表快速认读能力训练和多仪表快速扫视能力训练等。而检验训练效果时，可同时借鉴本研究所提出的P300波幅和行为学绩效指标。

因飞行任务的复杂性和飞行员的个性具有一定的不确定性，相关研究也指出在注意机制尚未完全明确之前，多种理论的存在仍然具有很强的学术价值[18]，故该理论仍有待进一步深入验证和通过飞行实践的检验。

4 结论

1)使用主任务测量和辅任务测量结合的双作业任务方法对研究HUD上的注意资源分配问题是可靠的。

2)HUD上呈现的异常信息数量影响飞行员的作业绩效，在高任务难度下，被试者对HUD上异常信息的正确操作率降低，且反应时间延长。

3)ERP的P300成分可以用来研究HUD状态下的注意资源分配问题。双作业任务下，P300的波幅与HUD上注意资源分配的多少呈正相关。