飛行專家 vs 新手：駕駛艙視覺(jué)掃描策略的差異分析

更新時(shí)間：2026-06-05

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飛行安全是航空業(yè)永恒的主題。在整個(gè)飛行過(guò)程中，飛行員必須持續(xù)構(gòu)建和更新他們的情景意識(shí)以維持飛行安全。而情景意識(shí)的更新，離不開對(duì)特定飛行儀表（如姿態(tài)指示器、速度表、高度表等）和外部環(huán)境的持續(xù)監(jiān)控。

監(jiān)控活動(dòng)在動(dòng)態(tài)飛行階段（如起飛和著陸）尤為關(guān)鍵，包括對(duì)飛行儀表的觀察與解釋。而專家與新手的差異具體體現(xiàn)在哪里？

本研究使用基本和高級(jí)眼動(dòng)指標(biāo)來(lái)研究新手和專家飛行員在著陸場(chǎng)景中的視覺(jué)信息獲取、注視分散和注視模式化，以深入揭示專業(yè)知識(shí)對(duì)駕駛艙視覺(jué)掃描策略的調(diào)節(jié)作用。（Lounis et al., 2021）。

航空安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

在飛行過(guò)程中，飛行員必須嚴(yán)格監(jiān)控飛行儀表，因?yàn)檫@是有助于更新其態(tài)勢(shì)感知的關(guān)鍵活動(dòng)之一。商業(yè)航空事故中很大一部分涉及機(jī)組人員對(duì)駕駛艙儀表的監(jiān)控不足。

飛行安全基金會(huì)對(duì)188起涉及監(jiān)控問(wèn)題的事故進(jìn)行調(diào)查后指出，許多監(jiān)控錯(cuò)誤仍然發(fā)生，其中大部分出現(xiàn)在飛行的動(dòng)態(tài)階段（如爬升、下降、進(jìn)近和著陸）。因此，提升駕駛艙監(jiān)控質(zhì)量，是減少人為因素導(dǎo)致的事故的關(guān)鍵。

專業(yè)知識(shí)與視覺(jué)掃描策略

專業(yè)知識(shí)對(duì)視覺(jué)掃描策略的調(diào)節(jié)作用已在多個(gè)領(lǐng)域得到證實(shí)，包括象棋、醫(yī)學(xué)影像解讀、體育等。在航空領(lǐng)域，研究表明，與新手相比，專家飛行員在駕駛艙中的信息獲取更高效，注意力分配更均衡，掃描模式更復(fù)雜。

過(guò)往研究發(fā)現(xiàn)，專家飛行員的注意力分配更靈活，能夠根據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整掃描策略。此外，專家飛行員在目視飛行規(guī)則條件下，掃描范圍更廣，能夠更好地平衡儀表盤與外部視野之間的注意力分配。這些研究提示，視覺(jué)掃描策略的差異可能是區(qū)分專家與新手飛行績(jī)效的重要指標(biāo)。

其中，眼動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)往往被用于比較視覺(jué)掃描策略，如估計(jì)視覺(jué)掃描的分布和模式化。然而，以往研究大多僅使用基于注視次數(shù)和平均注視時(shí)間等基本指標(biāo)，忽略了關(guān)于儀器掃描序列的信息，因此反映注意力部署過(guò)程動(dòng)態(tài)的豐富數(shù)據(jù)丟失或未被充分利用。

因此，本研究提出使用基本和高級(jí)眼動(dòng)指標(biāo)來(lái)研究新手和專家飛行員在著陸場(chǎng)景中的視覺(jué)信息獲取、注視分散和注視模式化（圖1）。

如何追蹤飛行員的每一次注視？

本實(shí)驗(yàn)共招募32名男性被試。根據(jù)飛行經(jīng)驗(yàn)分為兩組：新手組，由無(wú)實(shí)際飛行經(jīng)驗(yàn)的參與者組成（n=16）；專家組，由現(xiàn)役專業(yè)航空公司飛行員組成（n=16），最少擁有1600飛行小時(shí)。

使用ISAE-SUPAERO的A320型飛行模擬器PEGASE。駕駛艙儀表包括：主飛行顯示器、導(dǎo)航顯示器、電子中央飛機(jī)監(jiān)控顯示器、飛行控制單元。視野覆蓋約180度。通過(guò)側(cè)桿、兩個(gè)推力手柄和方向舵控制飛機(jī)（圖2）。

被試需使用側(cè)桿控制飛機(jī)，手動(dòng)（即無(wú)自動(dòng)駕駛）執(zhí)行三次相同的著陸場(chǎng)景：

控制場(chǎng)景：無(wú)附加任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)著陸

簡(jiǎn)單雙任務(wù)場(chǎng)景：附加監(jiān)控任務(wù)，即需定期查看ND區(qū)域，每0.5海里喊出飛機(jī)與跑道閾值之間的距離

困難雙任務(wù)場(chǎng)景：每0.2海里喊出該距離

每次著陸任務(wù)從2000英尺高度開始，持續(xù)約4分鐘。三個(gè)場(chǎng)景隨機(jī)排序以避免學(xué)習(xí)效應(yīng)。

使用非侵入式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)（Smart Eye）記錄眼動(dòng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能檢測(cè)人臉與頭部運(yùn)動(dòng)、眼動(dòng)和注視方向，將圖像邊緣信息與眼睛和眼瞼的三維模型相結(jié)合，確定注視方向和眼瞼位置。

共使用集成在駕駛艙內(nèi)的五個(gè)攝像頭進(jìn)行拍攝。使用多個(gè)攝像頭的主要優(yōu)勢(shì)在于，即使存在顯著的頭部運(yùn)動(dòng)（平移和旋轉(zhuǎn)）或某個(gè)攝像頭被參與者遮擋（如被手遮擋），眼動(dòng)和頭部追蹤仍可維持。

駕駛艙被劃分為10個(gè)興趣區(qū)（AOI），對(duì)應(yīng)飛行員在飛行中可檢查的不同飛行儀表和顯示器（圖3），包括：姿態(tài)指引儀（1）、速度帶（2）、垂直速度帶（3）、飛行模式信號(hào)牌（4）、航向帶（5）、導(dǎo)航顯示器（6）、ND區(qū)域（顯示雙任務(wù)場(chǎng)景中需回憶的距離值）、飛行控制單元（8）、電子集中飛機(jī)監(jiān)控（9）和窗外（10）。

選擇將我們的分析限制在顯示與飛行參數(shù)（高度，速度等）和外部視圖（窗外）直接相關(guān)的信息的儀器上。

專家“看"得更快、更廣、更有章法

采用2（組別：新手 vs 專家）×3（場(chǎng)景：控制、簡(jiǎn)單雙任務(wù)、困難雙任務(wù)）重復(fù)測(cè)量方差分析。

飛行績(jī)效的分析結(jié)果顯示（圖4），組別對(duì)速度偏差有顯著主效應(yīng)，在困難雙任務(wù)場(chǎng)景中，專家組的速度偏差顯著低于新手組，場(chǎng)景與組別交互效應(yīng)顯著；組別對(duì)垂直速度偏差有顯著主效應(yīng)，專家組的垂直速度偏差低于新手組。場(chǎng)景主效應(yīng)顯著，控制場(chǎng)景偏離最小，困難雙任務(wù)場(chǎng)景偏離最大；組別對(duì)雙任務(wù)遺漏數(shù)有顯著主效應(yīng)，專家組遺漏次數(shù)顯著少于新手組。場(chǎng)景主效應(yīng)顯著，困難雙任務(wù)遺漏多于簡(jiǎn)單雙任務(wù)，新手組在困難雙任務(wù)中遺漏急劇增加，專家組則保持穩(wěn)定。

這些結(jié)果表明，專家飛行員在飛行績(jī)效的多個(gè)指標(biāo)上均優(yōu)于新手，尤其在高負(fù)荷（困難雙任務(wù)）條件下優(yōu)勢(shì)更加明顯，體現(xiàn)了專業(yè)水平對(duì)飛行績(jī)效的積極調(diào)節(jié)作用。

對(duì)于基礎(chǔ)眼動(dòng)指標(biāo)的分析顯示（圖5），專家組的平均注視時(shí)間顯著短于新手組，注視次數(shù)顯著高于新手組。這些結(jié)果與假設(shè)一致：專家飛行員表現(xiàn)出更多且更短的注視，體現(xiàn)了更高的感知效率。

進(jìn)一步對(duì)眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)移矩陣可視化顯示新手組的注視轉(zhuǎn)移主要集中在主飛行顯示器（興趣區(qū)1-5），而專家組的注視轉(zhuǎn)移分布更廣泛，涉及更多興趣區(qū)之間的組合。

注意力模式K系數(shù)結(jié)果顯示，控制場(chǎng)景中，兩組均表現(xiàn)為焦點(diǎn)注意但專家組的K系數(shù)顯著低于新手組，表明專家組的注意力分布更廣泛。組別與場(chǎng)景交互顯著，控制場(chǎng)景中專家K值低于新手；困難雙任務(wù)中專家K值為負(fù)，新手仍為正，表明專家更早切換到環(huán)境注意模式,以更廣泛地監(jiān)控環(huán)境。

序列分析結(jié)果顯示，專家組注視轉(zhuǎn)移熵顯著高于新手組，表明專家的注視序列更隨機(jī)、切換更頻繁，反映了專家在更多儀表之間更頻繁地切換，而不是被鎖定在少數(shù)幾個(gè)儀表上。專家組Lempel-Ziv復(fù)雜度顯著高于新手組，表明專家的注視模式更復(fù)雜、更多樣，即他們使用了更豐富的儀表組合。此外，專家組在所有場(chǎng)景中的常見AOI序列數(shù)量均多于新手。這表明專家保持了更復(fù)雜和精致的視覺(jué)掃描模式，包含更多樣的可能組合，而在高負(fù)荷條件下，這些模式的保持能力體現(xiàn)了專家的優(yōu)勢(shì)。

以視覺(jué)掃描策略評(píng)估駕駛行為

本研究通過(guò)結(jié)合基本和高級(jí)眼動(dòng)指標(biāo)，系統(tǒng)揭示了飛行員專業(yè)水平對(duì)駕駛艙視覺(jué)掃描策略的調(diào)節(jié)作用。專家飛行員在感知效率、注意力分布、掃描復(fù)雜度和規(guī)律性等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，且在高負(fù)荷條件下仍能保持穩(wěn)定的視覺(jué)掃描策略。

這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)航空領(lǐng)域視覺(jué)專家行為的理解，也為飛行員培訓(xùn)、績(jī)效評(píng)估和駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。未來(lái)研究可進(jìn)一步探索將這些眼動(dòng)指標(biāo)應(yīng)用于飛行員實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以提高飛行安全性并減少因人為因素導(dǎo)致的事故。

參考文獻(xiàn)

Lounis, C., Peysakhovich, V., & Causse, M. (2021). Visual scanning strategies in the cockpit are modulated by pilots’ expertise: A flight simulator study.PLoS one, 16(2), e0247061.

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