基于多目标追踪任务的飞行员心理运动能力测评方法

邵铿睿，吴建军，张朝阳,汪磊

(中国民航大学 安全科学与工程学院，天津 300300)

1 引言

飞行安全是民航业的生命线，飞行员作为飞行安全中的主体，是影响飞行安全的重要因素，其知识技能、生理心理素质等职业品质是确保民航安全运行平稳可控的关键一环，是保证飞行安全的核心环节。在科技高速发展的驱动下，驾驶舱设备可靠性不断提高，逐步转变至智能化、自动化，而驾驶飞机已是一项复杂的认知任务，涉及飞行员的各种心理品质因素。统计表明，约有70% 的飞行事故是人为因素导致的,而心理因素又构成了人为因素的主要部分[1]。心理因素作为目前飞行事故中的突出问题，与飞行员的选拔、筛选、培训以及人机界面的优化等问题均存在着一定的联系[2]。基于对飞行员在飞行活动中能力的需求，包括基本认知能力、心理运动能力、人格(心理健康)测评等在内的心理选拔[3]始终是培养合格飞行员、保障飞行安全的必要环节。

国内外很多研究表明，心理运动能力在飞行员执行飞行任务中发挥着重要作用，与飞行中在驾驶舱中准确感知以及精细操作紧密相关，因此关系着整个飞行过程中的安全，是飞行员不可或缺的关键心理品质，也是飞行员心理选拔的重要内容[4]。心理运动能力(Psychomotor Ability)又译“心理动作能力”，是指个体意识对躯体精细动作和动作协调的支配能力，是从感知到运动反应的过程及其相互协调活动的能力[5]。它包括感知活动、运动活动和两者之间的协调，其基本特性涵盖灵活性、准确性、协调性、反应速度和控制能力[6]。美国心理学家弗莱希曼(E.A.Fleishman)通过大量研究了11种基本心理运动要素，包括四肢活动协调、手臂运动速度、腕手速度、手指敏捷、臂手稳定性、腕指速度、速度控制、定向反应、反应时、瞄准和准确控制[7]。基于以上心理运动要素构成的心理运动测验是飞行员心理选拔不可或缺的重要一环[8]。目前，国外对民航飞行员心理选拔，尤其是心理运动能力测评，已形成较为科学合理客观全面的方法，如美国已从初始的仪器检测法和飞行器模拟检测法，逐渐实现心理运动能力测评计算机化并大规模应用[9]。相比较而言，国内关于飞行员心理运动能力的考察和测评还不够重视，经查阅文献显示，仅有惠铎铎[10]以任务模式为切入点，通过设计相应的测验程序，自行开发出一套侧重于民航飞行员心理运动能力选拔的软件系统，但这种测验方式难以反映不同心理运动能力要素对测验结果的重要性，而且一定程度上很难对心理运动能力作出全面准确的评估。

鉴于上述背景，本研究通过文献归纳法对飞行员心理运动能力构成要素进行理论分析并确立能力维度，基于飞行员心理运动能力维度的理论研究，选取多目标追踪任务为实验范式，设计飞行员心理运动能力测量方案并实现计算机化测评，通过应用测试展开项目分析并检验系统信度与效度，以验证系统有效性，以期进一步加强飞行员心理运动能力测量的生态学效度，为合格飞行员的选拔和训练提供科学有效的工具。

2 对象与方法

2.1 多目标追踪任务设计

结合飞行员在执行任务时需要处理大量相对运动的环境信息、对各类信息做到有效地处理加工的实际需求[11]，选取多目标追踪任务为实验范式设计飞行员心理运动能力测量方案。

多目标追踪任务范式(Multiple-object Tracking,MOT)[12]关注动态场景下复杂视觉信息的注意和知觉认知的加工进程，是研究并行的容量有限的注意机制和研究基于客体的注意机制比较常用的范式。典型的多目标追踪实验范式(如图1所示)包括线索(t1、t2阶段)、追踪(t3阶段)和反应(t4阶段)三个阶段[13]。相关研究表明，目标的数量(Oksama,2004年)、运动速度(Liu,Austen et al,2005年)是影响追踪绩效的关键因素[14]，因此本研究以数量、速度因素为变量进行组内任务设计。

图1 典型的多目标追踪实验范式示例(Pylyshyn,2004年)

2.2 测评系统的研制

基于飞行员驾驶特征以及操作行为分析，测评系统的研制主要以飞行认知能力为基础[15]，在测试维度设定上更多涉及飞行认知能力，而非具体的11种心理运动基础要素。经过文献调研[16-18]，最终形成4个心理运动能力测试维度，包括眼手协调能力、双手协调能力，注意分配能力和速度判断能力，如图2所示。

图2 心理运动能力测试维度

其中，眼手协调能力定义为基于视觉信息导向而产生的、指向目标手部的精细动作协调能力[11]。双手协调能力是指在完成任务过程中，机体在调节双手与综合身体各个部分活动在时间和空间中相互配合，合理有效地完成动作的能力，它是一种综合性的能力，主要考察速度控制、平衡协调等素质[19]。注意分配能力是指心理活动在同一时间内，把注意分配到两种或两种以上不同的对象与活动上的能力，注意分配能力是完成复杂工作的重要条件。对于飞行员而言，驾驶飞机需要高度依赖视觉信息的有效获取和注意力的合理分配，注意分配能力可作为衡量其飞行技能的关键指标之一[20]。速度判断能力属于运动心理学(运动知觉)中涉及的速度知觉，是个体对客体不断发生速度变化的感知能力，同时也是个体的视觉感知和时间感知相结合的产物[21]。

依据节1.1所述的多目标追踪任务范式，设计“飞行员心理运动能力测评系统”。各维度能力测评过程界面如图3所示。

图3 系统测评过程界面

2.3 研究对象

招募飞行学员、模拟飞行队队员作为系统应用测试对象，共计男性54名，均为右利手，年龄集中18-25岁(平均值M=19.72,标准差SD=1.188)。

2.4 测评工具与实施程序

测评工具为研究者研发的基于多目标追踪任务范式的 “飞行员心理运动能力测评系统”，具体包括4个测试模块：眼手协调能力测试，双手协调能力测试，注意分配能力测试，速度判断能力测试，外接设备为图马斯特(TCA)飞行摇杆一对。完成全部测试时间大约60 min，测试结束后所有数据均保存至系统日志。正式测试前，首先对被试讲解测试任务内容及流程规范，然后进行所有能力项目的模拟测试，待完全熟悉所有测试任务内容后开始正式测试。具体测试方案如表1所示。

表1 心理运动能力测试项目简介

2.5 统计学分析

应用SPSS 25.0软件对各项能力测试数据进行统计分析。采用描述性统计、信度检验、效度检验、项目分析等方法进行统计学检验，P<0.05为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 描述性统计

依据测评程序，对54名被试依次进行各项能力测试，采用四分位法[22]剔除个别项目存在的异常值，统计结果如表2所示，针对各能力测量项目，根据不同参数的组内设计进行分组，测试结果表明各项目参数组内间相比较，均具有显著差异。

表2 描述性统计结果

3.2 信度检验

在信度检验中，所有被试完成“飞行员心理运动能力测评系统”中4个能力维度下根据参数设置进行组内设计的分组测试，采用计算克伦巴赫α系数和斯皮尔曼分半法的方法反映测试项目内部一致性程度。分半信度通过将测试项目按照奇偶分组的方法，计算奇数序列组和偶数序列组测试结果之间的相关，并根据分半测试的相关系数计算得出该测试项目的信度。

4个能力测试模块相关指标的克伦巴赫α系数介于0.67～0.89之间，分半信度系数在介于0.82～0.95之间，满足心理测量学可接受范围，说明各项指标具有良好的内部一致性信度。结果如表3所示。

表3 飞行员心理运动能力测评系统信度指标

3.3 测量项目分析

测量项目分析主要包含两个指标：项目难度、项目区分度，两指标共同影响并决定系统各能力测量项目的鉴别性。

项目难度(P)表征的是测试项目的难易程度，指标范围介于0～1之间。具体计算方法如公式(1)。

(1)

式中：X表示该项目平均分；W表示该项目最高分。

项目区分度(D)表征的是项目能否区分测试高分者与低分者有效性的度量。D值越高，说明越能有效区分，通常认为区分度D=0.30或高于0.30的项目是可接受的。区分度D介于0～1之间。具体计算方法如公式(2)。

D=PL-PH

(2)

式中：PL表示“假设被试群体是低分组(即得分最低的27%)时计算出的难度值”，PH表示“假设被试群体是高分组(即得分最高的27%)时计算出的难度值”。

由于各能力测量项目最终输出任务绩效指标的度量和单位不同，需要对统计数据进行标准化处理，采用离差标准化(min-max标准化)进行归一化处理，最终所有指标映射于[0,1]之间。具体包括正向指标标准化和逆向指标标准化，本系统各项目输出绩效指标中，正向指标包括：眼手协调能力-持续追踪时间；双手协调能力-任务正确率；注意分配能力-任务正确觉察率。逆向指标包括：双手协调能力-任务完成时间；速度判断能力-判断距离偏差。

正向指标(指标值越大越好的“效益型”指标)标准化：

Y正=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：X表示指标原始值，Xmax表示原始值中最大值，Xmin表示原始值中最小值。

逆向指标(指标值越小越好的“成本型”指标)标准化：

Y逆=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中：X表示指标原始值，Xmax表示原始值中最大值，Xmin表示原始值中最小值。

所有测量项目绩效指标经过离差标准化处理后，将被试在个各项目上的得分由高到低排序，选取得分最高的27%作为高分组，得分最低的27%作为低分组，采用独立样本t检验法求出显著性水平(α=0.05)的项目决断值(Critical Ratio,CR)和显著性差异p值，分别计算高分组、低分组在各项目的平均得分及最高得分，通过公式1求出项目难度、公式2求出项目区分度。结果表明：各项目难度适中，区分度良好。具体结果见表4。

表4 项目分析

结果显示，各项目能力参数分组的区分度，均置于0.32-0.40之间，依据美国心理学者伊贝尔(L.Ebel)通过测量学研究，制定的项目鉴别指数与评价标准[22](D<0.19时，鉴别度差，不予应用；D>0.20，<0.29时，鉴别度较好，仍需完善；D>0.30，<0.39之间时，鉴别度良好，适当修改；D>0.40时，鉴别度很好，予以应用)，因此本系统各测量项目具备较好鉴别效果，能将不同心理运动能力的被试进行区别，满足心理测量学要求。

3.4 效度检验

采用重复测量方差分析方法对各测量项目内容效度进行检验，P<0.05认为差异具有统计学意义。

(1)眼手协调能力测评结果检验

根据四分位法分析显示存在1组异常值数据，剔除后保留有效数据53组。对持续追踪时间进行重复测量方差分析。图4为不同速度、数量条件下持续追踪时间的描述统计结果。结果表明，持续追踪时间满足球形假设(P>0.05)，速度与数量交互作用显著F(2,51)=16.136(P<0.05)，η2=0.237。因此无需进行主效应检验，对速度分组和数量分组进行单独效应的检验。

图4 平均持续追踪时间(N=53)

以上结果表明，目标物运动速度和干扰物数量与眼手协调能力绩效之间呈负相关关系，运动速度和数量的增加会对眼手协调能力绩效产生抑制作用。

(2)双手协调能力测评结果检验

根据四分位法分析显示存在4组异常值数据，剔除后保留有效数据50组。对任务完成时间进行重复测量方差分析。图5为不同速度、数量条件下任务完成时间的描述统计结果。结果表明，任务完成时间满足球形假设(P>0.05)，速度与数量交互作用不显著F(2,48)=1.182(P=0.282)，η2=0.024。因此需进行主效应检验，检验结果显示主效应显著：速度F(1,49)=30.557(P<0.05)，η2=0.384；数量F(1,49)=98.58(P<0.05)，η2=0.668。

图5 平均任务完成时间(N=50)

对任务正确率进行重复测量方差分析。图6为不同速度、数量条件下任务正确率的描述统计结果。结果表明，任务正确率满足球形假设(P>0.05)，速度与数量交互作用不显著F(2,48)=0.000144(P=0.99)，η2=0.000003。因此需进行主效应检验，检验结果显示主效应显著：速度F(1,49)= 8.724(P<0.05)，η2=0.151；数量F(1,49)=20.713(P<0.05)，η2=0.297。

图6 平均任务正确率(N=50)

以上结果表明，目标物运动速度与干扰物数量虽然交互作用不显著，但仍对双手协调能力任务完成时间和任务正确率有影响，运动速度和干扰物数量的增加会对追踪绩效产生抑制作用。

(3)注意分配能力测评结果检验

根据四分位法分析显示存在6组异常值数据，剔除后保留有效数据48组。对任务正确觉察率进行重复测量方差分析。图7为不同数量水平条件下任务正确觉察率的描述统计结果。结果表明，数量因素主效应显著：数量F(2,46)=8.513(P<0.05)，η2=0.27。即目标物数量对注意分配能力有影响，数量的增加会对追踪绩效产生抑制作用。

图7 平均任务正确觉察率(N=48)

(4)速度判断能力测评结果检验

根据四分位法分析显示存在1组异常值数据，剔除后保留有效数据53组。对判断距离偏差进行重复测量方差分析。图8为不同速度差异水平条件下距离偏差的描述统计结果。结果表明，速度因素主效应显著：速度F(1,52)=6.449(P<0.05)，η2=0.11。即速度差异对速度判断能力有影响，速度差异的增加会对速度判断能力产生抑制作用。

图8 平均距离偏差(N=53)

4 讨论

本研究进行了多项信度检验，克伦巴赫系数和分半信度指标均满足心理测量学可接受范围。国内外用于飞行员心理评估的测试信度在0.65～0.95范围内[23]，而本系统各项能力测试均在0.67以上，说明本系统具有良好的稳定性。在用四分位法对异常数据剔除后，采用重复测量方差分析法进行内容效度检验，结果显示各项目测试过程中，不同参数组间差异显著，说明测试具有一定的有效性。采用鉴别指数法对各测量内容进行项目分析，结果显示具备较好鉴别效果，说明通过系统测评，能区分测试对象间不同心理运动能力水平。良好的信度指标、效度指标和鉴别指数指标表明本测评系统具有良好的稳定性、一致性和有效性。

研究发现多目标追踪任务过程中存在抑制与干扰作用，测评对象在不同数量、速度的目标物/干扰物条件下，追踪绩效具有显著差异。具体来说，目标物运动速度与干扰物数量与眼手协调能力绩效之间呈负相关关系，即对眼手协调能力产生抑制作用，这与雷寰宇[11]、Oksama L[24]和Liu G等人的研究结果一致。此项目能够选拔出更高素质的飞行员，且通过训练能够提升飞行员手眼协调以及多目标追踪的能力，在飞行时能够兼顾各仪表，并及时发现异常情况；虽然目标物运动速度与干扰物数量交互作用不显著(F(2,48)=1.182(P=0.282)，η2=0.024)，但主动检验的结果表明以上指标仍对双手协调能力测试项目的任务完成时间和任务正确率有影响，进行此测试项目的训练能够提高飞行员在目标物速度快、干扰物多情况下的双手协调能力，确保在飞行中遇到紧急情况或故障，飞行员也能快速、准确地处理特情。

注意分配能力测评结果检验中，与郝炳瑕研究所得的结果类似，数量的增加会对注意分配能力产生抑制作用。注意分配能力是影响飞行操作绩效的关键因素，进行此项目的训练能够有效提高飞行员的注意分配能力，从而提高其飞行操作绩效；速度判断能力测评结果检验中，速度因素主效应显著(F(1,52)=6.449(P<0.05)，η2=0.11)，即速度差异的增加会抑制人的速度判断能力。对于飞行员而言，面对各种突发状况时，需要对飞机的状态做出准确的判断，良好的速度判断能力对飞行安全有积极的作用，此项测试能够很好地对飞行员的速度判断能力进行训练，从而保证飞行员能够敏锐地感知飞机的速度变化，确保飞行安全。

另外，当采用双任务范式将目标与非目标作为整体对象进行追踪时(如注意分配能力测试)，这种基于物体的注意加工策略使目标和非目标的判断时间明显增长，对目标追踪和分心物都起到一定的干扰作用。但本研究仍然存在不足之处，此次实验中测试对象的样本量不够大，无法建立常模进行比较分析，后续研究还需扩大样本量，以便建立稳定的常模样本数据。

5 小结

(1)通过对飞行员驾驶行为及操作需求分析，采用文献归纳法确定包括眼手协调能力、双手协调能力、注意分配能力、速度判断能力等4项基本能力的飞行员心理运动能力指标，基于多目标追踪任务范式设计飞行员心理运动能力测评方案，此方案能够较完整、合理地测评飞行员心理运动能力水平。

(2)研究并实现基于多目标追踪任务范式的飞行员心理运动能力测评系统。通过信度检验、内容效度检验和项目分析对系统的有效性验证，结果表明各项指标均符合心理测量学要求，本系统可用于对飞行员心理运动能力开展评估并进行针对化训练。