飛機(jī)座艙顯示界面腦力負(fù)荷測(cè)量與評(píng)價(jià)

衛(wèi)宗敏 完顏笑如 莊達(dá)民

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

飛機(jī)座艙是復(fù)雜的人機(jī)交互系統(tǒng)，信息高度密集.隨著飛機(jī)不斷更新?lián)Q代以及各種智能化、信息化系統(tǒng)的運(yùn)用，飛行員所面臨的信息加工要求日趨嚴(yán)格，往往需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量信息并快速作出反應(yīng)決策，從而容易出現(xiàn)腦力負(fù)荷較高，甚至超載的情況［1］，嚴(yán)重影響到飛行員的工作效率、飛行操作的可靠性以及飛行員自身的生理心理健康.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)近20年的飛行事故中，約有35%的飛行事故與飛行員腦力負(fù)荷過重相關(guān)［2］.因此在座艙顯示界面設(shè)計(jì)階段，通過準(zhǔn)確評(píng)價(jià)甚至預(yù)測(cè)飛行員的腦力負(fù)荷，優(yōu)化腦力任務(wù)設(shè)計(jì)并使其保持在適宜水平，已成為具有重要現(xiàn)實(shí)意義的研究課題.

腦力負(fù)荷測(cè)量是進(jìn)行腦力負(fù)荷預(yù)測(cè)以及腦力任務(wù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其目的主要包括兩個(gè):設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)顯示界面以確保所提供的信息不至超載;當(dāng)飛行任務(wù)緊急時(shí)，優(yōu)化界面信息顯示以盡量減少作用于飛行員的腦力負(fù)荷［3］.航空事故調(diào)查結(jié)果顯示，腦力負(fù)荷所引發(fā)的航空事故與飛行員對(duì)信息的自動(dòng)探測(cè)、警覺性、朝向注意等認(rèn)知能力的下降而引起的飛行操作失誤關(guān)系密切［4－5］.在目前認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域所使用的ERP(Event Related Potential)技術(shù)中已發(fā)現(xiàn)多個(gè)成分可反映大腦的認(rèn)知加工過程.ERP是指外加一種特定刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，當(dāng)給予刺激或撤銷該刺激時(shí)，在腦區(qū)引起的電位變化，ERP技術(shù)在實(shí)時(shí)、高精度反應(yīng)信息加工活動(dòng)等的時(shí)間效應(yīng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［4－5］.研究表明，失匹配負(fù)波(MMN，Mismatch Negativity)和P3a成分可以有效地反映大腦皮質(zhì)對(duì)信息變化的自動(dòng)探測(cè)能力和注意朝向能力［5－7］，從而可能用于腦力負(fù)荷的測(cè)量與評(píng)價(jià)領(lǐng)域.

目前，為測(cè)試某一顯示界面設(shè)計(jì)的可用性，國(guó)外人機(jī)工效學(xué)領(lǐng)域已較為廣泛地使用飛行模擬器開展飛行員的腦力負(fù)荷、注意資源分配、情境意識(shí)等的測(cè)量與評(píng)價(jià)研究［8－9］，而國(guó)內(nèi)所開展的相關(guān)研究還較為有限.本文在前期實(shí)驗(yàn)［10］的基礎(chǔ)上，基于ERP技術(shù)開展飛行模擬任務(wù)，選取MMN和P3a成分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)被試者的腦力負(fù)荷情況進(jìn)行測(cè)量，以期用于進(jìn)一步的飛機(jī)座艙顯示界面設(shè)計(jì)的適人性評(píng)價(jià)，為優(yōu)化完善顯示界面設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 方法

1.1 被 試 者

被試者為北京航空航天大學(xué)在地面飛行模擬器上接受過良好培訓(xùn)的模擬飛行員16人(男性，23～27歲，平均年齡24.4歲)，右利手，視力或矯正視力正常，聽力正常.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用3×3×3完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)，即:腦力負(fù)荷(高、低、對(duì)照)×腦側(cè)(左側(cè)、中線、右側(cè))×腦區(qū)(額區(qū)、額中央?yún)^(qū)、中央?yún)^(qū)).由于MMN的頭皮分布以額部中央?yún)^(qū)所記錄的波幅為最大，故本實(shí)驗(yàn)選取“額區(qū)、額中央?yún)^(qū)、中央?yún)^(qū)”3個(gè)腦區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).16名被試者均參與高、低、對(duì)照3種腦力負(fù)荷條件下的3次飛行模擬任務(wù)，每個(gè)被試者的3次飛行模擬任務(wù)之間間隔0.5 h，腦力負(fù)荷水平的實(shí)驗(yàn)順序在被試者中交叉平衡.

1.3 飛行模擬任務(wù)

被試者需要在飛行模擬器上完成以巡航任務(wù)為主、包括起飛和降落在內(nèi)的完整的動(dòng)態(tài)飛行過程.不同被試者在進(jìn)行起飛或降落手動(dòng)作業(yè)時(shí)會(huì)在操作時(shí)間上有少許差異，故一次飛行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為830 s.實(shí)驗(yàn)通過設(shè)定所需監(jiān)視的儀表數(shù)量、異常信息的呈現(xiàn)時(shí)間和間隔時(shí)間來控制被試者的腦力負(fù)荷水平.要求被試者在飛行模擬過程中監(jiān)視平視顯示器上的儀表顯示狀態(tài)，并對(duì)異常信息進(jìn)行識(shí)別、判斷及響應(yīng)操作.異常信息的設(shè)定范圍如表1所示.

表1 異常信息的設(shè)定范圍

在高腦力負(fù)荷條件下，需要被試者保持監(jiān)視的儀表信息數(shù)量為9個(gè)(包括:俯仰角、空速、氣壓高度、航向角、滾轉(zhuǎn)角、方向舵狀態(tài)、副翼位置、起落架狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài))，異常信息的平均呈現(xiàn)時(shí)間與間隔時(shí)間分別為1 s與0.5 s;在低腦力負(fù)荷下，需要被試者保持監(jiān)視的儀表信息數(shù)量為3個(gè)(包括:俯仰角、空速、氣壓高度)，異常信息的平均呈現(xiàn)時(shí)間與間隔時(shí)間均設(shè)定為2 s;在對(duì)照腦力負(fù)荷條件下，無異常信息出現(xiàn)，被試者保持監(jiān)視的儀表信息數(shù)量為0.

1.4 三刺激“oddball”任務(wù)

被試者在飛行模擬過程中佩戴電極帽和耳機(jī)，由耳機(jī)雙側(cè)呈現(xiàn)三刺激“oddball”模式下的聽覺任務(wù).實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

一個(gè)完整的聽覺刺激序列包含1 120個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激(800 Hz，80 dB SPL，80%)、140 個(gè)偏差刺激(1000 Hz，80 dB SPL，10%)和 140 個(gè)新異刺激(包含多種告警聲音等，80 dB SPL，10%)，3種刺激的呈現(xiàn)時(shí)間均為100 ms，刺激間隔(SOA，Stimulus Onset Asynchrony)為600 ms.實(shí)驗(yàn)采用非隨意注意條件下的誘發(fā)方法，要求被試者關(guān)注飛行模擬任務(wù)，忽略聽覺刺激，由大腦完成對(duì)聲音刺激的自動(dòng)加工.

1.5 數(shù)據(jù)記錄與分析

采用Neuroscan Neuamps系統(tǒng)記錄30導(dǎo)腦電信號(hào):F7，F(xiàn)T7，T3，TP7，T5，F(xiàn)P1，F(xiàn)3，F(xiàn)C3，C3，P3，O1，F(xiàn)Z，F(xiàn)CZ，CZ，CPZ，PZ，OZ，F(xiàn)P2，F(xiàn)4，F(xiàn)C4，C4，P4，O2，F(xiàn)8，F(xiàn)T8，T4，TP8，T6，M1，M2.以鼻尖為參考，前額接地，同時(shí)記錄水平和垂直眼電.電極與皮膚接觸阻抗小于5 kΩ，記錄帶寬為0.1～200 Hz，采樣率為1 000 Hz/導(dǎo).利用 EOG信號(hào)相關(guān)法去除垂直眼電和水平眼電對(duì)EEG信號(hào)的影響，排除有明顯偽跡的數(shù)據(jù).分析時(shí)程為600 ms，含刺激前的100ms為基線校正，波幅大于±150μV視為偽跡剔除，所得ERPs經(jīng)1～30 Hz的無相移帶通數(shù)字濾波器濾波.用偏差刺激的ERPs減去標(biāo)準(zhǔn)刺激的ERPs，得到由聲音頻率變化所誘發(fā)的MMN-1和 P3a-1，如圖2a所示;用新異刺激的ERPs減去標(biāo)準(zhǔn)刺激的ERPs，得到由異常聲音所誘發(fā)的MMN-2以及P3a-2，如圖2b所示.

圖2 MMN和P3a成分的總平均圖

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)記錄被試者對(duì)異常信息的正確操作率和反應(yīng)時(shí)間(從目標(biāo)出現(xiàn)到做出響應(yīng)的時(shí)間間隔)作為評(píng)價(jià)指標(biāo).采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)行為績(jī)效數(shù)據(jù)和腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的方差分析.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 行為績(jī)效結(jié)果

高、低腦力負(fù)荷下被試者對(duì)異常信息的正確操作率和反應(yīng)時(shí)間見表2.單因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，高腦力負(fù)荷狀態(tài)下被試者對(duì)異常信息的正確操作率顯著降低(p＜0.001)，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)(p=0.065)，但未達(dá)到顯著性水平.

表2 高、低腦力負(fù)荷下的正確操作率和反應(yīng)時(shí)間

2.2 ERP 結(jié)果

MMN(含 MMN-1，MMN-2)和 P3a(含 P3a-1，P3a-2)成分的總平均圖如圖2所示，其腦電壓地形圖見圖3.從圖2和圖3可以看出，MMN和P3a的幅值在不同腦力負(fù)荷條件下均存在明顯差異，以額中央部最為明顯.根據(jù)圖2和圖3，針對(duì)額中央部的9導(dǎo)電極，對(duì)MMN(測(cè)量時(shí)間窗:100～200 ms)和P3a(測(cè)量時(shí)間窗:200～300 ms)成分的峰值進(jìn)行三因素重復(fù)測(cè)量的方差分析.

圖3 高、低、對(duì)照腦力負(fù)荷條件下的腦電壓地形圖

2.2.1 MMN 成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)于MMN-1成分，三因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，腦力負(fù)荷主效應(yīng)顯著(p＜0.001)，表現(xiàn)為高腦力負(fù)荷條件下的 MMN峰值(－2.828 μV)顯著高于低腦力負(fù)荷條件下的MMN峰值(－1.637 μV)，低腦力負(fù)荷條件下的 MMN 峰值(－1.637 μV)顯著高于對(duì)照腦力負(fù)荷條件下的MMN 峰值(－0.178 μV).腦區(qū)主效應(yīng)也是顯著的(p＜0.001)，并如圖3所示呈現(xiàn)出明顯的額區(qū)電壓優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，具體表現(xiàn)為額區(qū)的MMN峰值(－1.832μV)顯著高于額中央?yún)^(qū)的 MMN 峰值(－1.561μV)，額中央?yún)^(qū)的 MMN 峰值(－1.561 μV)顯著高于中央?yún)^(qū)的MMN峰值(－1.250μV).腦側(cè)的主效應(yīng)不顯著(p=0.432).無交互效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(p＞0.05).

對(duì)于MMN-2成分，三因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，腦力負(fù)荷和腦側(cè)的主效應(yīng)均不顯著(p＞0.05).腦區(qū)的主效應(yīng)顯著(p=0.024)，具體表現(xiàn)為額區(qū)的 MMN 峰值(－3.783 μV)顯著高于額中央?yún)^(qū)的 MMN 峰值(－3.719 μV)，額中央?yún)^(qū)的MMN 峰值(－3.719 μV)顯著高于中央?yún)^(qū)的 MMN峰值(－3.454 μV).無交互效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(p＞0.05).

2.2.2 P3a 成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)于P3a-1成分，三因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，腦力負(fù)荷主效應(yīng)顯著(p＜0.001)，表現(xiàn)為高腦力負(fù)荷條件下的P3a峰值(0.592 μV)低于低腦力負(fù)荷條件下的P3a峰值(1.592 μV)，低腦力負(fù)荷條件下的 P3a峰值(1.592 μV)顯著低于對(duì)照腦力負(fù)荷條件下的P3a峰值(2.956 μV).腦區(qū)主效應(yīng)也是顯著的(p=0.009)，并如圖3所示，呈現(xiàn)出中央?yún)^(qū)電壓優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，具體表現(xiàn)為中央?yún)^(qū)(1.904 μV)、額中央?yún)^(qū) (1.714 μV)、額區(qū)(1.523 μV)的 P3a峰值依次顯著降低.腦側(cè)主效應(yīng)不顯著(p＞0.05).無交互效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(p＞0.05).

對(duì)于P3a-2成分，三因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，腦力負(fù)荷主效應(yīng)顯著(p=0.015)，表現(xiàn)為高腦力負(fù)荷條件下的P3a峰值(3.629 μV)顯著低于對(duì)照腦力負(fù)荷條件下的P3a峰值(6.141 μV).低腦力負(fù)荷條件下的 P3a 峰值(4.726 μV)與高腦力負(fù)荷條件下 P3a 峰值(3.629 μV)以及對(duì)照腦力負(fù)荷條件下的 P3a峰值(6.141 μV)相比均不顯著(p ＞0.05).腦區(qū)的主效應(yīng)也是顯著(p＜0.001)，并如圖3所示呈現(xiàn)出中線電壓優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，具體表現(xiàn)為中線位置的 P3a峰 值 (5.482 μV)顯 著 高 于 左 側(cè) 腦 區(qū)(4.438 μV)和右側(cè)腦區(qū)(4.575 μV)的 P3a 峰值.無交互效應(yīng)達(dá)到顯著性水平(p＞0.05).

3 討論

3.1 行為績(jī)效結(jié)果討論

由表2所示的行為績(jī)效數(shù)據(jù)表明，被試者在高、低腦力負(fù)荷條件下的作業(yè)績(jī)效差異顯著，在高腦力負(fù)荷條件下，被試者對(duì)異常信息的正確操作率顯著降低，且反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng).這一結(jié)果支持了認(rèn)知負(fù)載理論，即知覺負(fù)荷能夠在感知加工階段影響注意資源的分配［11］.在高腦力負(fù)荷條件下，被試者需要同時(shí)處理的信息量增多，則平均分配在每個(gè)信息上的注意資源減少，從而導(dǎo)致正確操作率的下降;且隨著信息量的增加，被試者對(duì)單個(gè)信息的注視頻率降低，因此反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng).

3.2 對(duì)ERP結(jié)果的討論

3.2.1 關(guān)于MMN成分的討論

大腦對(duì)信息的自動(dòng)加工屬于不受意識(shí)控制的加工，是認(rèn)知過程的重要組成部分之一，而人行為的自動(dòng)化即是大腦對(duì)信息自動(dòng)加工后的結(jié)果［7］.飛行員在面臨復(fù)雜多變的空域情況時(shí)，仍然能夠靈活操作，同時(shí)完成掌握飛行姿態(tài)、觀察空域、控制飛行速度、飛行高度等多項(xiàng)操作任務(wù)即與飛行員對(duì)部分信息能夠做到自動(dòng)化加工密切相關(guān).

大量研究表明，MMN成分是反應(yīng)大腦信息自動(dòng)加工的可靠的客觀性指標(biāo)［7，12］.在本研究中，通過測(cè)試3種腦力負(fù)荷水平下的MMN成分的峰值，發(fā)現(xiàn)其隨著腦力負(fù)荷的增加而出現(xiàn)逐級(jí)性的顯著提高，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與初期研究結(jié)果相符［10］，并與文獻(xiàn)［13 －15］的研究結(jié)果一致.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了Lavie所提出的認(rèn)知控制負(fù)載理論，說明在飛行模擬條件下，腦力負(fù)荷的增加導(dǎo)致了被試者對(duì)非任務(wù)相關(guān)信息(即聲音刺激)的自動(dòng)加工能力的增強(qiáng).提示在高腦力負(fù)荷條件下被試者對(duì)外界聽覺信息的變化更為敏感，或閾值降低，也表明被試者在高腦力負(fù)荷條件下對(duì)非隨意注意通道的無意義信息的門控能力下降，使得這些信息被納入加工機(jī)制，反而抑制了大腦對(duì)有用信息的有效加工，從而可能導(dǎo)致被試者對(duì)于目標(biāo)信息的注意能力的下降，反應(yīng)在本實(shí)驗(yàn)中的行為績(jī)效結(jié)果上，即為被試者的操作績(jī)效顯著降低.如果是在實(shí)際的飛行任務(wù)中，則可能導(dǎo)致飛機(jī)駕駛?cè)藶槭д`現(xiàn)象的增加和發(fā)生空中交通事故的可能.

3.2.2 關(guān)于P3a成分的討論

相關(guān)研究表明，P3a是朝向反應(yīng)的重要指標(biāo)，朝向反應(yīng)屬非隨意注意，其注意對(duì)象原非心理活動(dòng)的指向者，但因具有足夠的新異性和刺激強(qiáng)度而獲得注意.朝向反應(yīng)能夠使機(jī)體覺知并應(yīng)對(duì)不測(cè)事件，使之優(yōu)先進(jìn)入認(rèn)知加工進(jìn)程，對(duì)機(jī)體具有重要的保護(hù)意義［5－6］.在執(zhí)行飛行任務(wù)過程中，為及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲取飛行信息，飛行員的隨意注意與非隨意注意活動(dòng)同時(shí)并存，“自下而上”與“自上而下”的信息加工機(jī)制互為補(bǔ)充.并且，由于非隨意注意往往是在周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的(例如突然出現(xiàn)的視覺異常信息或告警音等)，因此基于非隨意注意的信息加工機(jī)制有助于對(duì)作業(yè)人員的機(jī)體產(chǎn)生保護(hù)作用，避免其遭受到意外傷害，體現(xiàn)了人類機(jī)體的“原始智能”［16］.

在本研究中，P3a成分的峰值隨著腦力負(fù)荷的增加而發(fā)生逐級(jí)性的顯著減低，提示被試者在高腦力負(fù)荷條件下的非隨意注意能力減弱.這一點(diǎn)從腦電壓地形圖上也可獲得驗(yàn)證，從圖3可以看出，P3a成分在對(duì)照腦力負(fù)荷條件下呈現(xiàn)出明顯的中央?yún)^(qū)電壓優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，但隨著腦力負(fù)荷的增加而發(fā)生明顯的活性降低.因此，本研究表明，增加腦力負(fù)荷可能會(huì)降低作業(yè)人員對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)的覺察判斷能力，從而導(dǎo)致在飛行作業(yè)任務(wù)時(shí)不能及時(shí)有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況以進(jìn)行自我保護(hù)，從而對(duì)飛行安全造成潛在威脅.

在本研究中，由新異刺激所誘發(fā)的MMN和P3a成分對(duì)于評(píng)價(jià)高低負(fù)荷不敏感，其原因可能在于本實(shí)驗(yàn)所采用的新異刺激的新異程度過高，導(dǎo)致了過強(qiáng)的注意朝向效應(yīng)，從而削弱了負(fù)荷因素的影響.

4 結(jié)論

本文結(jié)合飛行模擬任務(wù)，以正確操作率、反應(yīng)時(shí)間和兩種ERP成分為指標(biāo)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的所需監(jiān)視的儀表數(shù)量和異常信息，采用三刺激“oddball”模式開展了三級(jí)腦力負(fù)荷的測(cè)量與評(píng)價(jià)研究，并獲得以下結(jié)論:

1)MMN成分的峰值對(duì)腦力負(fù)荷變化敏感，隨著腦力負(fù)荷的增加，MMN的峰值顯著增大，反應(yīng)了被試者對(duì)異常信息的自動(dòng)加工能力的提高.

2)P3a成分的峰值對(duì)腦力負(fù)荷變化敏感，隨著腦力負(fù)荷的增加，P3a的峰值顯著降低，反映了被試者朝向注意能力的減弱.

3)由偏差刺激和新異刺激所誘發(fā)的MMN和P3a成分均具有一定的任務(wù)負(fù)荷效應(yīng)，其中，由偏差刺激所誘發(fā)的MMN與P3a成分對(duì)與飛行任務(wù)相關(guān)的腦力負(fù)荷具有更好的敏感性，將可能用于進(jìn)一步的腦力負(fù)荷分級(jí)評(píng)價(jià).

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