在本期的《论文精读》中，我们将与您共同分享来自于中国民航大学安全科学与工程学院在读博士生高杉和汪磊研究员的最新研究成果 How flight experience impacts pilots' decision-making and visual scanning pattern in low-visibility approaches: preliminary evidence from eye tracking。该研究系统性地探讨了不同经验的飞行员在飞机进近过程（飞机下降时对准跑道飞行的过程）中视觉模式和飞行决策中的差异及其可能的影响因素。
“在飞行过程中，飞行员依靠视觉通道接收80%的信息线索，并以此为依据不断做出飞行决策（Decision-Making），在保障飞行安全的前提下完成飞行任务。如何根据飞行实际任务需求，合理分配有效认知资源，已经成为职业飞行员的核心胜任力之一。利用眼动追踪技术，本研究不仅研究了专家、普通飞行员之间的视觉扫描模式差异，同时对过程中被试的心理状态、行为决策进行综合研究，探究差异形成的机制。研究结果有利于提升普通飞行员在飞行训练中的注意扫描模式，例如通过特殊的训练策略提升其信息获取效率。同时，模拟机实验与眼动追踪技术的结合能够客观地评估针对性训练的有效性，尽可能降低评估过程中的主观性，能够对目前主观的教员评估方法进行补充。”
—— 高杉，
中国民航大学 安全科学与工程学院
推荐该研究的理由：
实验变量操纵精细，实验设计清晰明了；
选取眼动指标表征恰当，完整回应了研究问题。
通过本文您能够了解到：
眼动追踪技术在飞行驾驶领域的最新应用；
使用眼动追踪技术比较专家—新手表现的方法。
在飞行过程中，飞行员依靠视觉通道接收80%的信息线索，并以此为依据不断做出飞行决策（Decision-Making），在保障飞行安全的前提下完成飞行任务。在大雾、低云等气象因素导致的低能见条件下，信息线索的有效获取对飞行员提出了严峻的挑战。心理负荷（Mental workload）作为表征个体有限注意资源与特定任务需求的关系，在人机工效研究中受到了广泛的关注。如何根据飞行实际任务需求，合理分配有效认知资源，已经成为职业飞行员的核心胜任力之一。
作为个性化的注意分配策略，飞行员的视觉扫描模式（Visual Scanning Pattern）在以往的研究中已经表现出“专家效应”（Effect expertise），即经验丰富的飞行员有更高效的注意分配能力，但仍然存在一些局限性。首先，这些眼动差异是否能够影响其行为决策仍然有待研究，限制了研究结论的推广；其次，这种差异背后的飞行员认知过程也不明确，差异的形成机仍然是一个“黑箱”；最后，以往研究关于“专家飞行员”的定义并不统一，进一步阻碍了“向专家学习”的可行性。
为了进一步研究飞行员群体中的“专家效应”以及注意分配策略、心理负荷状态、飞行决策之间的关联性，本研究主要关注两个研究问题：
研究问题1：飞行经验、能见度是否能够影响飞行员的视觉扫描模式？
研究问题2：飞行经验是否能够影响飞行员的心理负荷和飞行决策？
主要采用一个三因素的混合实验设计，自变量为飞行经验（组间变量，高 vs. 低）、能见度（组内变量，高 vs. 低）、兴趣区（组间变量，PFD vs. ND vs. EICAS vs. OTW）。
注：PFD：主飞行显示，主要呈现高度、空速、下降率等信息；ND：导航显示，主要呈现航向、跑道位置等信息；EICAS：包含发动机状态、告警等信息；OTW：驾驶舱外视景，主要呈现地面标识如跑道、引进灯、PAPI灯（准确进近路径指示）。
因变量主要包括三大类：飞行决策、视觉扫描模式、心理负荷状态。
飞行决策：采用观察法记录飞行员在实验中采取的飞行决策；
视觉扫描模式：采用注视（Fixation）、眼跳（Saccade）两类眼动指标来评估飞行员的视觉扫描模式。其中，注视类眼动指标包括注视时长、平均注视时长、注视时长占比、注视点个数、注视点个数占比五个；眼跳类眼动指标包括眼跳次数、平均眼跳次数、眼跳时长三个；
心理负荷状态：采用瞳孔直径、眨眼次数、眨眼频率来评估飞行员的心理负荷状态。
4.1 实验被试
为了保证实验数据的质量和可靠性，招募的飞行员被试需要同时满足以下条件：（1）B737-800机型的副驾驶或以上等级；（2）至少工作1年；（3）过去一周至少飞行1次；（4）平均年飞行次数50次以上。共计20名航线飞行员参与本次模拟飞行实验（10名机长，10名副驾驶），均为男性。所有被试参与实验前均报告处于正常状态（无疲劳等不良状态），适合参与本次实验。被试的飞行小时数分布在2100 – 15000小时之间（M = 6296.55, SD = 3729.23），年龄分布在26 – 41岁之间（M = 30.95, SD = 3.98）。在与多位飞行教员和资深飞行员进行访谈后，我们采用“10000小时定律”来区分“专家”飞行员（n = 5, 11200.00 ± 2167.95 h）和“普通”飞行员（n = 15, 4662.07 ± 2466.12 h）。
4.2 实验设备与刺激
本次实验在一台高仿真的B737-NG型五级飞行训练器中展开，具有高分辨率的视景系统与操纵系统，延迟不超过300毫秒，并配备教员操作台。
实验所用眼动仪为Tobii Glasses 2型眼镜式眼动仪（已停产，最新穿戴式型号为Tobii Glasses 3，点击可跳转产品介绍），尽可能方便飞行员在驾驶舱内不受限制地完成实验，采样率为100 Hz。
实验情境包括不同能见度水平的两次六海里目视进近任务。实验开始时，飞机处于1800英尺高度，距离北京首都机场01号跑道大约六海里的位置。在高能见度条件下，飞行员有良好的视野条件进行目视进近；在低能见度条件下，设置为仪表着陆等级I（ILS CAT I）。根据相关标准，决断高度为190英尺，跑道视程最低为550米。在本次实验中跑道视程设置为500米，略低于标准。
4.3 任务设计和流程
本次实验采用2 × 2 × 4的混合实验设计，自变量分别为飞行经验（组间变量，两水平，低 vs. 高）、能见度（组内变量，两水平，低 vs. 高）、眼动兴趣区（组间变量，四水平，PFD vs. ND vs. EICAS vs. OTW），实验次序采取平衡设计。根据运行规定，飞行员需要在决断高度建立目视参考后才可以选择着陆，否则应立即复飞。因此，在本次实验中，在低于运行标准条件下，着陆决策被认为是一种风险性决策，复飞决策被认为是一种安全性决策。所有飞行员在参与实验前均被告知需与真实飞行保持一致。
每位被试在本次实验中遵循以下流程：（1）阅读简短的模拟飞行任务介绍（大约10分钟）；（2）签署纸质的知情同意书，允许收集眼动数据用于科学研究；（3）提供人口统计学信息，如年龄，飞行小时数、资质等；（4）作为操纵者熟悉模拟机（大约10 – 20分钟）；（5）穿戴实验设备，开始正式实验（大约15 – 20分钟）。整个实验时长约45分钟。
5.1 行为决策
在高能见情况下，所有飞行员均选择着陆；在低能见度情况下，具有不同飞行经验的飞行员行为决策具有明显差异，普通飞行员更可能选择着陆（80%），专家飞行员更可能选择复飞（80%）。
5.2 注视指标
相比于高能见度条件，“专家”飞行员在低能见情况下的注视点占比下降19.28%，而普通飞行员则上升28.38%。说明低能见情况下专家飞行员注视活动减少，而普通飞行员注视活动增加。
相比于高能见度条件，“专家”飞行员在低能见情况下对PFD的注视时长、平均注视时长、注视时长占比、注视点个数分别上升51.82%、18.51%、69.18%、26.21%；同时，对OTW的注视时长、平均注视时长、注视时长占比、注视点个数分别下降60.36%、40.42%、48.71%、43.51%。说明飞行员在低能见情况下倾向于把注意力由驾驶舱外转向驾驶舱内，特别是PFD。
相比于普通飞行员，专家飞行员对PFD的注视时长、注视时长占比、注视点个数占比分别高32.63%、35.33%、19.67%；同时，对OTW的注视时长、注视时长占比、注视点个数占比分别低35.24%、41.85%、38.16%。说明相比于OTW，专家飞行员在PFD上有更多的注视行为。
5.3 眼跳指标
相比于普通飞行员，专家飞行员在高能见情况下的眼跳次数、平均眼跳次数、眼跳时长分别高25.52%、22.80%、23.31%；在低能见情况下的眼跳次数、平均眼跳次数、眼跳时长分别高19.31%、19.30%、16.48%。说明专家飞行员比普通飞行员有更多的眼跳活动。
5.4 心理状态和指标
相比于普通飞行员，专家飞行员在实验中的瞳孔直径相对较低，说明其处于一个较为适应的心理状态。
综合来看，飞行经验和能见度会影响飞行员在进近过程中的视觉扫描模式。当能见度降低时，飞行员会更倾向于将自己的注意力从驾驶舱外转移到驾驶舱内，从而密切注意飞机的状态参数。但经验丰富的飞行员更适应低能见条件，同时会表现出更多的眼跳行为，表现为快速切换注意力，以此来获取更多的信息线索。眼动可视化的结果也表明，在相同时间内，专家飞行员的注意范围更广，注视活动更多，眼跳活动更多。
这种不同的视觉扫描模式与心理负荷状态进一步导致了模拟飞行实验中的两种不同的行为决策倾向。在低能见情况下，专家型飞行员由于其更加灵活、适应的视觉扫描模式，其行为决策的安全性更高。
我们调查了飞行经验与能见度在进近时对飞行员视觉扫描模式、飞行决策、心理负荷的影响；
大部分“专家”飞行员（80%）在低能见情况下选择复飞，可能是由于注意分配策略导致；
“专家”飞行员表现出更加灵活、适应的注视策略，更频繁地切换注意力和较低的心理负荷。
专家与新手的个体差异已经受到了广泛的关注和研究，虽然专家在某些方面优于新手看似是一种常识，但也有最近的研究指出，在一定范围内，并不是经验越丰富越好（Gao & Wang, 2023; He et al., 2022），过往的经验可能会在态度、行为倾向等层面对安全性有不利影响。同时，目前对于“专家效应”的眼动研究缺乏全面性，眼动指标的差异能否体现在行为层面？以及任务中被试的心理状态和认知过程是什么样的？这些问题进一步限制了如何对新手/专家进行干预。
利用眼动追踪技术，本研究不仅研究了专家、普通飞行员之间的视觉扫描模式差异，同时对过程中被试的心理状态、行为决策进行综合研究，探究差异形成的机制。研究结果有利于提升普通飞行员在飞行训练中的注意扫描模式，例如通过特殊的训练策略提升其信息获取效率。同时，模拟机实验与眼动追踪技术的结合能够客观地评估针对性训练的有效性，尽可能降低评估过程中的主观性，能够对目前主观的教员评估方法进行补充。
参考文献
Gao, S., & Wang, L. (2023). More experience might not bring more safety: Negative moderating effect of pilots’ flight experience on their safety performance. International Journal of Industrial Ergonomics, 95, 103430. He, X., Nie, X., Zhou, R., Yang, J., & Wu, R. (2023). The risk-taking behavioural intentions of pilots in adverse weather conditions: an application of the theory of planned behaviour. Ergonomics, 66(8), 1043-1056. Gao, S., & Wang, L. (2024). How flight experience impacts pilots’ decision-making and visual scanning pattern in low-visibility approaches: Preliminary evidence from eye-tracking. Ergonomics. https://doi.org/10.1080/00140139.2023.2298992
致谢
感谢中国民航大学的高杉允许我们报道并解析他们团队发表的研究成果，也感谢高博士在本文写作中给予的大力支持。
