基于心理负荷的通航飞机平视显示设计

Head-up display design of general aviation aircraft based on mental workload

摘要

通用航空驾驶舱显示界面是飞行员获取飞机信息的主要载体，飞行员心理负荷的大小是驾驶舱显示界面优化设计的有效依据。被试者飞行员在六自由度动感模拟飞行平台上执行五边飞行任务，针对飞行员心理负荷的变化展开研究。采用眼动测量法和主观评价法对被试者心理负荷进行评估，记录被试者的眼动数据，在飞行作业结束后填写NASA-TLX量表。采用单因素方差分析法对实验结果进行分析，结果表明，五边飞行任务下飞行员心理负荷存在显著性差异。综合主观评价与眼动数据，得到不同飞行阶段对飞行员心理负荷的影响，进而得到飞行员执行五边飞行任务注意力分配的规律。通过优化设计平视显示来降低飞行员的心理负荷，得到通用航空平视显示后续优化设计方向。

Abstract

The cockpit display interface of general aviation is the main carrier for pilots to obtain aircraft information，and the mental workload of pilots is an effective basis for optimizing the design of the cockpit display interface. The airfield traffic pattern task was performed by the testing pilots on a six degree of freedom dynamic simulation flight platform，and the research on the changes in pilots' mental workloads was conducted. The eye movement measurement method and subjective evaluation method were used to evaluate the mental workload of the pilots whose eye movement data were recorded and filled out the NASA-TLX scale after the flight operation. The one-way ANOVA method was used to analyze the experimental results，and the results showed that there were significant differences in the mental workload of pilots under the airfield traffic pattern task. By integrating subjective evaluation and eye movement data，the impact of different flight stages on the mental workloads of pilots was obtained，and then the pattern of attention allocation for pilots performing pentagonal flight tasks was obtained. By optimizing the design of the head-up display，the mental workload on pilots can be reduced and the subsequent optimization design direction of the general aviation head up display is obtained.

关键词

通用航空 / 仪表界面 / 心理负荷 / 眼动 / 平视显示

Key words

general aviation / instrument interface / mental workload / eye movement / head-up display

通用航空是航空运输的重要组成部分，其往往在特定区域内进行1 000米以下的低空作业^［1］。驾驶舱显示界面是飞行员在飞行时获取飞机信息的主要载体。在驾驶舱显示界面优化设计中，飞行员心理负荷的大小是对其进行改进的有效依据。据统计，60％～90％的飞行事故及事故征候由人为失误导致^［2］，若飞行员的心理负荷较高，会极大降低驾驶的安全性。本文对飞行员的心理负荷进行研究，通过对平视显示的优化设计来降低飞行员的心理负荷，以提升通用航空的适航性。

在心理负荷的研究中，陆崑等^［3］针对飞机驾驶舱显示界面心理负荷的客观预测问题，综合采用了脑电指标、心电指标和眼动指标，并结合主观评价法和绩效评价法，在同一飞行实验任务中开展被试者心理负荷的实验测量与数学模型研究。完颜笑如等^［4］基于综合指标开展了对飞行员心理负荷的研究，实验对心理负荷进行4个等级的划分，结果表明，被试者的反应正确率、反应时间、HRV、P3a、瞳孔直径对心理负荷具有敏感性。冯传宴等^［5］通过模拟飞行实验，采集被试者的生理测量指标和主观测量指标来建立Logistics心理负荷评估模型，通过与Bayes等模型结果对比，验证了该模型可用于心理负荷评估，得出注视频率随心理负荷的增大而增大。

近年来，眼动数据越来越多地用于反映人机交互设计中的认知负荷。白杰等^［6］提出了一种基于眼动的实验方法来测量运行和监控界面的认知负荷。Alaimo等^［7］采用TLX量表，综合考虑心理需求、生理需求、时间需求、努力水平、绩效水平和挫折水平，研究核电控制室应急任务的认知负荷。同时，眼动数据被用于检查视觉注意力和陈述偏好之间的关系，以此分析网站的认知负荷。在车辆驾驶交互载荷中，眼动测量也被用于评估产品设计元素，分析事故诊断的认知负荷。眼动数据越来越多地应用于研究移动终端和飞机驾驶舱的认知负荷^［8］。

Ververs等^［9］研究了通航飞机平视显示器中显示混乱、显示强度、显示位置对飞行员的影响。Ververs等^［10］还调查了改变飞行路径HUD符号的保形性对飞行路径跟踪和认知隧道的影响，为飞行的进近/着陆和滑行阶段创建了部分保形和保形符号集。俞雨晨^［11］从人—机—环3个方面对HUD在座舱中的影响和作用进行分析，探究飞行员的视觉认知搜索特性，提出HUD界面显示视场自适应方案。

本文通过动态模拟飞行实验，探究飞行员执行五边飞行任务的不同阶段对显示界面信息的视觉分配情况及所产生的心理负荷程度。针对飞行员在不同阶段的飞行任务，得出不同视觉显示信息所产生的心理负荷程度及眼动注视指标，为通航驾驶舱平视显示设计提供参考。

1 飞行员心理负荷评价实验设计

1.1 实验目的

通过动态模拟飞行实验，对飞行员关注不同显示界面信息时所产生的心理负荷情况进行研究，明确影响飞行员心理负荷的视觉因素，并提出界面优化设计方向。对不同阶段的信息需求进行验证，获得可提取至平视显示系统中的显示信息及对应的显示优先级，为后续增强视景系统的平视显示界面优化设计提供支持。

1.2 实验设计

通过模拟一个较为真实的飞行环境，设定五边飞行任务，以获取可靠的主观和客观实验数据。根据五边飞行过程中飞行员的心理负荷情况，探究引起飞行员心理负荷的主要视觉因素，得到在不同飞行阶段下，平视显示系统应主要显示的状态信息及辅助驾驶信息。

1.3 实验设备

本文应用六自由度动态模拟实验平台作为实验设备，更加真实地进行航空模拟飞行，如图1所示。六自由度动感塞斯纳172飞行模拟器是高科技仿真飞行模拟器产品，能够复现飞行器及空中环境并能够进行操作。在虚拟环境中通过高仿真的飞机驾驶操作系统复现了真实的飞机起飞、上升、下降等驾驶过程。该模拟器配备与真机完全相同的Garmin面板的PFD和MFD面板，对飞行状态和数据实时显示。飞行软件模拟的是塞斯纳172SP飞机的显示界面，该实验设备既可以满足传统的飞机操控、外部视景等模拟使用场景，也可以模拟更真实的飞行动态环境，如失重、超重、倾斜等。

实验采用美国ASL便携式单目眼动仪，如图2所示，采样频率为30 Hz，跟踪空间的分辨率为0.1°视角，注视定位的精度为0.5°～1°。设备可跟踪范围：水平方向为-50°～50°；垂直方向为-40°～40°。该设备轻便且对人的活动没有影响，可录像时长75 min，电池充足时可工作130 min。通过眼动分析软件可以得到被试者不同兴趣区的眼动数据指标，如瞳孔直径、注视点、注视时间百分比等。

1.4 被试者的选取

实验共邀请20名高校飞行学员作为实验对象。由于心理负荷是个多维因素，除了受飞行任务等外在因素的影响，还受被试者飞行熟练度的影响，因此均选用飞行经验基本一致的飞行学员进行实验，总体年龄分布在20～25岁之间。参与模拟飞行实验的飞行预备学员都熟练掌握五边飞行任务，均为右利手，双眼视力正常，没有不良生活习惯，符合飞行员选拔规范，注意力容易集中。实验结果倾向于良好，因此该实验适用于探讨真实飞行状态下飞行员的心理负荷影响因素。

1.5 实验流程

实验前为被试者穿戴眼动设备并讲解指导语，向被试者告知实验须知。采用九点法对被试者视线进行校准后开始正式实验。实验设定的是晴朗无风、温度适宜的天气情况，实验时被试者在飞行模拟平台上驾驶塞斯纳172 SP飞机完成一次五边飞行任务，即依次完成起飞、爬升、平飞、下降、降落的飞行操作，飞行要求如图3所示。为了减小对原始数据的影响，要求被试者提前调整到最舒适姿势，实验过程中尽量避免不必要的身体动作。在飞行过程中，用模拟飞行软件记录飞行全过程和飞行轨迹，并根据不同阶段飞行任务的完成度进行绩效打分，规定每个任务满分为20分，全程满分为100分。实验过程中，全程连续采集被试者的瞳孔直径信息和注视点信息。由于瞳孔直径在光变化下会进行自我调节，因此采用亮度计进行光环境测量。根据亮度与瞳孔变化的相关研究成果，确定光环境低于250 lx的飞行数据可以通过瞳孔直径变化进行数据分析。实验结束后，被试者填写NASA-TLX量表，对各飞行阶段的心理负荷进行评估。

1.6 采集数据

主观评价方法因其操作简便、对被试者没有干扰而成为比较方便的心理负荷测量方法。由于心理负荷是多维结构构成的，不同维度对心理负荷的影响所占比重也不同，因此主观评价选用具有6个评估维度的NASA-TLX量表^［12］。主观评价的过程首先要求被试者对整个实验过程的主观感受进行6个维度的评估打分，每项分值区间为0~10；随后，对这6个维度的重要程度进行两两比较，根据被试者选择的结果评判出6个维度的重要程度，并赋予不同的权重比值（6、5、4、3、2、1） ^［13］；最后根据被试者填写的每项指标的评分与权重进行加权平均，求得被试者在五边飞行任务不同阶段的主观评价值。

眼动指标测量方法将获得的眼动视频数据进行兴趣区划分^［14-15］，本文对飞行仪表界面及视景区域进行了兴趣区划分。不同的飞行任务中，飞行员分配在不同仪表上的注意力有所不同，瞳孔也会有相应的变化，故分别对速度表、姿态表、高度表、垂直速度表、航向指示器、侧滑指示器以及外部空间进行兴趣区划分，研究不同区域内眼指标的差异。眼动仪可对眼动数据自动采集和记录，经过数据处理，得到各飞行阶段的平均瞳孔大小、不同注视热区图以及不同注视兴趣区的相对瞳孔大小。飞行员在飞行过程中也会进行多次视觉注意力切换，因此可以获取视觉分配情况及所对应产生的瞳孔直径变化，进而判断飞行员的心理负荷水平及注意力分配情况，筛选出心理负荷较大的仪表界面影响因素，并为后续的飞机驾驶舱显示界面设计研究做铺垫。

2 结果与分析

2.1 主观评价数据

不同飞行阶段心理负荷主观评价结果如图4所示。由图4可知，在起飞、上升、平飞的飞行任务阶段，飞行员的心理负荷较低，其NASA-TLX 量表评估得分分别为5.52±2.940、54.38±2.850、54.32±2.185。在下降和降落的飞行任务阶段，飞行员的心理负荷得分有所提高，得分分别为5.7±1.179和7.27±1.832。在这两个阶段，飞行员的心理负荷指数较高，与驾驶操作复杂、需要获取的信息较多有一定的关联。

对主观评价结果进行分析，将5个飞行任务各个阶段进行配对样本T检验，结果显示降落阶段的心理负荷与起飞、上升、平飞、下降4个阶段相比都存在显著性差异（Sig＜0.05），而其他飞行阶段之间并无显著性差异（Sig＞0.05）。

2.2 眼动数据处理

执行飞行任务时，飞行员对外景、空速表、姿态表、高度表、水平状态仪、导航表有不同的眼动扫视模式和注意力分配策略，飞行员在注视仪表时的瞳孔直径也会有相应的变化。为了研究其差异，将上述仪表分别划分为不同的兴趣区域，眼动仪可对眼动数据自动采集和记录，经过相应处理，得到瞳孔直径、注视时间百分比、注视频率等数据。

2.2.1 瞳孔直径

瞳孔直径大小受自主神经系统的交感神经和副交感神经所控制，其变化范围为2～8 mm。瞳孔大小变化是一个重要的眼动指标，其变化幅度的大小与进行信息加工时的心理负荷程度密切相关。国内外众多专家研究发现，瞳孔大小是最有效的心理负荷测量指标之一，且瞳孔直径和心理负荷正相关^［16］。飞行员瞳孔直径的大小可以反映出飞行员的心理负荷程度，因此对眼动数据中的瞳孔直径进行计算处理，得出飞行员在五边飞行任务中所产生的心理负荷情况。

对不同阶段飞行员注视不同仪表时的瞳孔直径数据进行了单因素方差分析^［17］，结果如表1所示。从表1可以看出，飞行阶段的显著性差异值大于0.05，故不同飞行阶段对飞行员的瞳孔直径没有显著性差异影响；飞机仪表的显著性差异值小于0.05，故仪表对飞行员的瞳孔直径有显著性差异影响。结合眼动数据结果，可知仪表的信息传递效率及仪表信息的难易程度会影响飞行员的心理负荷水平，明确了仪表界面信息优化设计的重要性。

为进一步研究仪表中对心理负荷影响较大的信息，对被试者在每一飞行阶段注视各个仪表区时的相对瞳孔直径进行统计分析，即以注视仪表区外部区域时的瞳孔直径作为标准，计算注视各仪表区与外部区域时的平均瞳孔直径的比值，认为比值大于1.5时的瞳孔变化显著增大，表示相应仪表信息对心理负荷影响较大。相对瞳孔直线数据分析结果如图5所示。

由图5可知，五边飞行任务中下降和降落阶段的心理负荷较高，起飞阶段的心理负荷略高，上升和平飞阶段的心理负荷较低。在不同飞行阶段中仪表信息对心理负荷的影响存在差异：在起飞阶段前期，飞行员主要关注空速，整体视觉信息量适中，空速表所产生的心理负荷略高；在爬升和平飞阶段，飞行员需要保持高度和速度平稳上升或不变，视觉信息变化较少，整体心理负荷较低，但平飞阶段导航对飞行员所产生的心理负荷影响明显增大；在下降阶段，飞行员除了关注速度，还需关注高度，心理负荷略高；在降落阶段，飞行员要注意水平状态、高度及空速进行进近操作并准备着陆，同时还要不断切换下视仪表与窗外情况，并对准跑道，视觉信息量最大，其中高度表及水平状态仪所产生的心理负荷影响较大。

2.2.2 注视时间百分比

实验过程中的视觉注视时间反映了被试者提取信息的难易程度及注意力分配情况，因此国内外众多学者认为注视时间与心理负荷存在关联^［18］。注视时间百分比可以体现飞行员在不同飞行任务时对不同仪表信息的需求，如果某个仪表的注视时间百分比相对较大，一方面是由于在这个阶段的飞行员需要获取的信息较多且操作复杂，另一方面是由于仪表界面的设计对于在动态飞行的飞行员来说，获取重要信息的速度较慢，不能保证快速良好的信息传递，所以产生较高的心理负荷。

对不同飞行阶段的注视时间百分比进行单因素方差分析，分析结果如表2所示。从表2可以看出，飞行阶段的显著性差异值大于0.05，故不同飞行阶段对飞行员的注视时间百分比没有显著性差异影响；飞机仪表的显著性差异值小于0.05，故仪表对飞行员的注视时间百分比有显著性差异影响。

研究表明，仪表的注视时间百分比随飞行阶段的变化而变化^［19］。因此通过不同飞行阶段飞行员对不同仪表兴趣域的注视时间百分比进行分析，如图6所示。根据获得的数据可知，在上升和下降两个阶段，飞行员对高度表的关注要高于其他阶段。注视时间较长可能是由于该信息在此阶段较为重要，或仪表的信息识别度较差，用户不能快速识别出有效信息。结合相对瞳孔直径数据，可得出此阶段被试者从高度表获取信息时，所产生的心理负荷略大；在平飞阶段，导航的数据明显增加，结合相对瞳孔直径及飞行员驾驶流程，可推断出平飞阶段导航仪表界面相对于其他仪表对飞行员所产生的心理负荷较大，界面信息的传递效率不够高效；飞行员对外景的注视时间百分比始终较高，但在下降和降落阶段对外景的注视时间百分比明显增大，说明飞行员在下降和降落两个阶段，关注显示界面仪表的同时，还要进行视觉切换，对外景进行观察以对准跑道，确保安全降落。而合理地采用平视显示，将重要信息显示在平视显示器上，可有效地减少飞行员的注意力分散，避免因视觉切换产生心理负荷。其他阶段及数据也可结合瞳孔直径及不同阶段的信息显示要素，来确定对飞行员产生心理负荷的仪表，明确后续重点优化方向。

结合主观评测结果与眼动数据分析结果，可得出在5个飞行阶段中，降落阶段所产生的心理负荷较大。由于降落阶段需进行进近飞行、着陆判断以及是否复飞等，因此相对于其他阶段，飞行员的操作驾驶难度明显提升，对外景的关注也远超其他仪表，对界面设计的要求也变得更高。在平飞阶段，飞行员需要进行的操作难度较低，且综合心理负荷水平较低，但结合实验数据可以看出，关注导航时的瞳孔直径和注视时间百分比都较高，反映出此时飞行员的心理负荷较高，因此后续可通过对导航区信息布局及显示界面系统的优化设计来降低飞行员的心理负荷。在起飞阶段前期，飞行员主要关注速度，整体视觉信息量适中，心理负荷略高；在上升阶段，飞行员主要关注高度和姿态，其中高度表所产生的心理负荷略高；在下降阶段，飞行员主要关注高度、姿态和水平状态，其中高度表和水平状态仪所产生的心理负荷较大，可进行重点优化设计。

3 讨论

通过对主观评价数据与眼动数据的分析，得出执行五边飞行驾驶任务时飞行员的心理负荷情况，以及对其心理负荷产生影响的视觉感知因素。在整个驾驶过程中，降落阶段的心理负荷最大，结合飞行员的驾驶行为可知，主要是因为降落阶段中进近飞行及着陆的操作较为复杂，飞行员需要判断是否可以顺利降落，在此阶段飞行员的视觉关注重点主要为外部真实场景，在关注高度表和航向时的瞳孔直径会变大。起飞阶段的整体心理负荷略大，视觉关注重点主要为空速表。飞行员在执行上升、平飞、下降飞行任务时的综合心理负荷相对较低，但在平飞阶段，飞行员对雷达导航信息的关注显著增大，而且瞳孔直径也会变大，从眼动仪采集的扫视路线可以看出，眼跳距离较大会对心理负荷产生一定的影响。

飞行员心理负荷实验研究结果为通航飞机平视显示界面设计提供了支撑，结合飞行员的行为数据，明确各阶段信息显示设计方向，如表3所示。

4 结论

综合主观评价法和生理测量法，多维度探讨飞行员在动态飞行任务场景下所产生的心理负荷及视觉影响因素问题，着重研究飞行员在驾驶阶段的心理负荷变化及眼动指标，讨论不同阶段飞行员的注意力分配情况及信息认知加工难度较大的视觉因素。该研究方法可为后续的心理负荷评估提供思路，研究结论可为座舱界面显示系统优化设计和信息高效呈现方式的设计提供科学的参考依据。

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基金资助

教育部人文社会科学研究项目(20YJCZH227)