使用虚拟现实飞行模拟器评估飞行表现与眼动模式

摘要

开发了一种新型虚拟现实飞行模拟器，可高效且低成本地评估飞行性能和眼动模式。该模拟器还为人体工程学及其他研究领域提供了一种具有高潜力的研究工具。

摘要

飞行员高效且经济的绩效评估已成为航空业的关键需求。随着虚拟现实（VR）技术的发展以及眼动追踪技术的结合，满足这些需求的解决方案正逐步成为现实。以往的研究探索了基于虚拟现实的飞行模拟器，主要集中在技术验证和飞行训练方面。本研究开发了一种新的虚拟现实飞行模拟器，用于在三维沉浸式场景中基于眼动特征和飞行指标评估飞行员的飞行表现。实验共招募了46名参与者：23名职业飞行员和23名无飞行经验的大学生。实验结果表明，有无飞行经验的参与者在飞行表现上存在显著差异，前者显著高于后者。相比之下，有飞行经验的参与者表现出更结构化且高效的眼动模式。飞行表现差异性的结果证明了当前虚拟现实飞行模拟器作为飞行绩效评估方法的有效性。不同飞行经验者之间的眼动模式差异为未来的飞行员选拔提供了依据。然而，与传统飞行模拟器相比，该基于虚拟现实的飞行模拟器在运动反馈方面仍存在不足。除明显的低成本优势外，该飞行模拟器平台具有高度灵活性，可满足研究者的多样化需求（例如，通过添加相关量表来测量情境意识、虚拟现实晕动症和工作负荷）。

引言

欧洲航空安全局（2012）将飞行模拟器归类为培训设施、飞行与导航程序训练器、飞行训练设备以及全功能飞行模拟器¹。迄今为止，已有多种飞行模拟器可用于训练，从低级别的桌面系统到高度复杂的基于运动的全功能飞行模拟器²。传统的模拟器包括飞行动力学模型、系统仿真、硬件驾驶舱、外部可视化系统以及可选的运动模拟功能³。

这些传统飞行模拟器作为有效的飞行训练设备具有一些优势。然而，其成本较高，且对环境不友好，因为每个系统的运行都需要消耗大量电能，尤其是全动飞行模拟器，需要高温高压的液体或气压驱动，耗电量大并产生大量噪声⁴。

然而，简单的桌面模拟器系统具有灵活性高、成本低的优点，但其沉浸感较弱，交互性也低于全动飞行模拟器²。因此，开发新型飞行模拟器至关重要，这类模拟器应结合桌面系统与全动飞行模拟器的优势（即兼具桌面模拟的灵活性，以及接近全动飞行模拟器的沉浸感和交互水平）。

随着计算机技术的发展，尤其是虚拟现实（VR）技术的进步，一种基于新兴VR技术的新型飞行模拟器正成为现实。基于VR的飞行模拟器具有灵活性高、便于携带、成本低以及对空间需求较小等优点....

方案

本文所描述的所有方法均经清华大学机构审查委员会（IRB）批准，并已获得所有参与者的知情同意。实验完成后，所有参与者均获得 12 美元报酬（或等值礼品）。

1. 受试者选择

1. 根据先前使用 G*Power 软件³⁵（见材料表）进行的效能分析研究招募参与者，以确保参与人数达到 G*Power 计算出的预期样本量，即 21 人。
   注：G*Power 提供的预期样本量是指在指定效应量、显著性水平和所用统计检验方法的基础上，研究中为达到所需统计效能而估算所需的参与者数量。预期样本量是研究设计中的重要考量因素，有助于研究人员评估其研究方案的可行性与成本效益，并确保研究具备足够的统计效能以检测出有意义的效应。
2. 确保所有参与者均无癫痫、心脏或脑部疾病病史，近期未使用内分泌或精神类药物，且无严重皮肤过敏。
3. 使用斯内伦视力表（采用公制系统 6/6）³⁶ 确认参与者的视力正常或矫正后正常，并排除色盲或色弱等视觉障碍。
4. 确保参与者在实验前 24 小时内未摄入可能影响其飞行能力的酒精或药物。
5. 确保参与者在实验前睡眠时间不少于 6 小时，并处于良好的精神状态。

结果

本实验选取了23名具有飞行经验的专家和23名无飞行经验的新手。参与者的年龄在25至58岁之间（专家：M = 32.52岁，SD = 7.28岁；新手：M = 29.57岁，SD = 5.74岁）。所有参与者均为男性。所有新手均来自清华大学（学生或教职工），所有专家均来自中国东方航空公司。

眼动
根据 Shapiro-Wilk 检验结果，仪器兴趣区（AOIs）的眼动数据（包括空速指示器、垂直速度指示器、高度指示器和发动机转速指示器）均不符合正态分布（所有 p 值 <0.05）。因此采用 Mann-Whitney U 检验进行分析。结果显示，专家（M = 60.79%，SD = 7.72）注视飞行仪表的时间显著长于新手（M = 53.31%，SD = 12.89；U = 141，p < 0.01）。更具体而言，专家比新手更多地注视空速指示.......

讨论

本研究评估了在基于虚拟现实的飞行模拟器中，具有飞行经验的参与者是否比无飞行经验的参与者表现出更优的飞行性能。更重要的是，研究进一步评估了飞行性能更优的参与者是否具有更优化的眼动模式。结果显示，在三项关键的飞行快速存取记录器（QAR）指标上，有飞行经验与无飞行经验的参与者之间存在显著差异：着陆前1秒的俯仰角、距参考线的平均距离以及距参考线距离的标准差。图9B-D）。这些结果表明，具有飞行经验的参与者飞行偏差更小，飞行表现更稳定。同时，具有飞行经验和无飞行经验的参与者在三个关键仪器感兴趣区域（AOI）上的表现也存在显著差异：空速表、垂直速度表和高度表。图8A-C此外，有飞行经验的参与者比无飞行经验的参与者花费更多时间观察关键飞行仪表。

总之，飞行经验水平对飞行表现具有重要影响；专家的飞行表现数据显示，其飞行轨迹更集中于.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D引擎SDK	Epic Games	Unreal Engine 4 GameAnalytics Unreal SDK	该SDK是一款功能强大且灵活的免费分析工具，专为游戏设计。
中央处理器（CPU）	Intel	IntelCore i9	主流市场上最强大的CPU之一。
眼动追踪SDK	Tobii	Tobii XR SDK	该SDK提供与设备无关的眼动追踪数据访问，支持使用来自不同硬件厂商的头显进行开发，并不仅限于使用Tobii眼动追踪硬件的设备。
眼动追踪软件	由研究团队开发		一种用于追踪用户在使用虚拟现实头戴显示器（HMD）时眼球运动的程序。
飞行模拟程序	由研究团队开发		一款在虚拟环境中模拟飞行体验的软件，使用VR头戴显示器和手持控制器。
显卡	NVIDIA	GeForce RTX 3090 10496 NVIDIA CUDA核心 1.70 GHz加速时钟   24 GB显存容量 GDDR6X显存类型	主流市场上最强大的显卡之一。
操作系统（OS）	Microsoft	Windows XP	由微软公司开发并独家发行的操作系统（OS）。
仿制控制面板	THRUSTMASTER	2960720 2971004 2962072 2960748 2960769	美国空军A-10C攻击机HOTAS系统
仿制操纵杆	THRUSTMASTER	2960720	美国空军A-10C攻击机HOTAS系统
仿制脚踏板	THRUSTMASTER		TPR摆动式方向舵
仿制油门杆	THRUSTMASTER		美国空军A-10C攻击机HOTAS系统
连接至PC的显示屏	Redmi	RMMNT27NF，27英寸，1920 × 1080分辨率	该屏幕允许实验人员同步查看VR头戴显示器（HMD）中的画面内容。
屏幕录制软件	OBS Project	OBS Studio版本28.0	一款免费开源的视频录制与实时直播软件。
统计功效分析软件	开源	G*power版本3.1.9.6	一款免费且用户友好的统计功效与样本量估算工具。
统计分析软件	IBM	SPSS版本24.0	一款功能强大的统计分析软件平台。
多功能统计工具	GraphPad Software	GraphPad Prism版本9.4.0	专为科研人员（而非统计学家）设计的多功能统计分析工具。
虚拟现实应用商店	HTC Corporation	VIVE Software 2.0.17.6 / 2.1.17.6	一个虚拟现实应用商店，用户可在其中探索、创建、连接并体验所需和喜爱的内容。
虚拟现实头戴显示器（HMD）	HTC Corporation	VIVE Pro Eye	一款具备高精度眼动追踪功能的VR头戴设备。
虚拟现实软件	Steam	Steam VR版本1.23	用于在硬件设备上体验虚拟现实内容的工具。