飛行專家 vs 新手：駕駛艙視覺掃描策略的差異分析

更新時間：2026-06-05

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飛行安全是航空業(yè)永恒的主題。在整個飛行過程中，飛行員必須持續(xù)構(gòu)建和更新他們的情景意識以維持飛行安全。而情景意識的更新，離不開對特定飛行儀表（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)控活動在動態(tài)飛行階段（如起飛和著陸）尤為關(guān)鍵，包括對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眼動指標來研究新手和專家飛行員在著陸場景中的視覺信息獲取、注視分散和注視模式化，以深入揭示專業(yè)知識對駕駛艙視覺掃描策略的調(diào)節(jié)作用。（Lounis et al., 2021）。

航空安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

在飛行過程中，飛行員必須嚴格監(jiān)控飛行儀表，因為這是有助于更新其態(tài)勢感知的關(guān)鍵活動之一。商業(yè)航空事故中很大一部分涉及機組人員對駕駛艙儀表的監(jiān)控不足。

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

專業(yè)知識與視覺掃描策略

專業(yè)知識對視覺掃描策略的調(diào)節(jié)作用已在多個領(lǐng)域得到證實，包括象棋、醫(yī)學影像解讀、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，掃描模式更復雜。

過往研究發(fā)現(xiàn)，專家飛行員的注意力分配更靈活，能夠根據(jù)任務需求動態(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，視覺掃描策略的差異可能是區(qū)分專家與新手飛行績效的重要指標。

其中，眼動追蹤數(shù)據(jù)往往被用于比較視覺掃描策略，如估計視覺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)和平均注視時間等基本指標，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程動態(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眼動指標來研究新手和專家飛行員在著陸場景中的視覺信息獲取、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？

本實驗共招募32名男性被試。根據(jù)飛行經(jīng)驗分為兩組：新手組，由無實際飛行經(jīng)驗的參與者組成（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。

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、導航顯示器、電子中央飛機監(jiān)控顯示器、飛行控制單元。視野覆蓋約180度。通過側(cè)桿、兩個推力手柄和方向舵控制飛機（圖2）。

被試需使用側(cè)桿控制飛機，手動（即無自動駕駛）執(zhí)行三次相同的著陸場景：

控制場景：無附加任務的標準著陸

簡單雙任務場景：附加監(jiān)控任務，即需定期查看ND區(qū)域，每0.5海里喊出飛機與跑道閾值之間的距離

困難雙任務場景：每0.2海里喊出該距離

每次著陸任務從2000英尺高度開始，持續(xù)約4分鐘。三個場景隨機排序以避免學習效應。

使用非侵入式眼動追蹤系統(tǒng)（Smart Eye）記錄眼動數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能檢測人臉與頭部運動、眼動和注視方向，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)的五個攝像頭進行拍攝。使用多個攝像頭的主要優(yōu)勢在于，即使存在顯著的頭部運動（平移和旋轉(zhuǎn)）或某個攝像頭被參與者遮擋（如被手遮擋），眼動和頭部追蹤仍可維持。

駕駛艙被劃分為10個興趣區(qū)（AOI），對應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）、飛行模式信號牌（4）、航向帶（5）、導航顯示器（6）、ND區(qū)域（顯示雙任務場景中需回憶的距離值）、飛行控制單元（8）、電子集中飛機監(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（場景：控制、簡單雙任務、困難雙任務）重復測量方差分析。

飛行績效的分析結(jié)果顯示（圖4），組別對速度偏差有顯著主效應，在困難雙任務場景中，專家組的速度偏差顯著低于新手組，場景與組別交互效應顯著；組別對垂直速度偏差有顯著主效應，專家組的垂直速度偏差低于新手組。場景主效應顯著，控制場景偏離最小，困難雙任務場景偏離最大；組別對雙任務遺漏數(shù)有顯著主效應，專家組遺漏次數(shù)顯著少于新手組。場景主效應顯著，困難雙任務遺漏多于簡單雙任務，新手組在困難雙任務中遺漏急劇增加，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效的多個指標上均優(yōu)于新手，尤其在高負荷（困難雙任務）條件下優(yōu)勢更加明顯，體現(xiàn)了專業(yè)水平對飛行績效的積極調(diào)節(jié)作用。

對于基礎眼動指標的分析顯示（圖5），專家組的平均注視時間顯著短于新手組，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。

進一步對眼動指標進行分析，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，控制場景中，兩組均表現(xiàn)為焦點注意但專家組的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。組別與場景交互顯著，控制場景中專家K值低于新手；困難雙任務中專家K值為負，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、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)幾個儀表上。專家組Lempel-Ziv復雜度顯著高于新手組，表明專家的注視模式更復雜、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雜和精致的視覺掃描模式，包含更多樣的可能組合，而在高負荷條件下，這些模式的保持能力體現(xiàn)了專家的優(yōu)勢。

以視覺掃描策略評估駕駛行為

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

這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對航空領(lǐng)域視覺專家行為的理解，也為飛行員培訓、績效評估和駕駛艙人機界面設計提供了重要的科學依據(jù)。未來研究可進一步探索將這些眼動指標應用于飛行員實時監(jiān)控系統(tǒng)，以提高飛行安全性并減少因人為因素導致的事故。

參考文獻

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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