基于信號檢測論的國際豁免航班飛行員注意特征分析*

李敬強 張希凝 胡 超 周妍汝 劉安南

（中國民航大學安全科學與工程學院 天津 300300）

0 引 言

鑒于新冠肺炎疫情在全球的持續蔓延與惡化趨勢，根據國家防疫政策的總原則，中國民航局允許我國航空公司經營的國際客/貨運航班以豁免的方式運行，最大程度地降低飛行人員的感染GOVID-19的風險。所謂豁免航班，是指在原有機組人數的基礎上再增加1～2 套機組，并且取消原定在目的地的過夜休息改為直接飛回出發地的航班。該運行模式導致連續飛行時間成倍增加，使得洲際航線總飛行時間介于24～30 h 之間，長時間飛行且頻繁穿越不同時區對飛行安全帶來重要挑戰。處于值勤任務中的飛行機組人員需要保持最佳的警覺度對飛行儀表的各類信息進行監測。然而，當前洲際豁免運行模式下飛行員疲勞風險與安全執行任務能力方面的研究較少。因此，豁免航班飛行過程中飛行員的警惕性、疲勞程度、對各種信號的檢測能力，以及敏感性等特征對飛行安全的影響亟須進一步研究[1-3]。

研究顯示個體在長時間警覺任務中錯漏事件發生概率更高，并會隨著時間的推移而增加[4]。飛行過程中，飛行員需要對關鍵事件信號做出正確反應，這意味著保持警覺和專注可能更具有挑戰性，需要付出更多的精神努力[5]。警惕性下降一方面與觀察者區分目標與非目標的能力下降（辨別能力下降）有關，同時，也可能因為觀察者的判斷標準發生了變化。

信號檢測論（signal detection theory，SDT）是關于人們在不確定的情況下如何做出決定的理論[7]。信號檢測理論的經典心理物理模型將辨別能力（d'）和判斷標準（β）區分開來[8]。辨別能力（d'）是指感知者辨別各種信號的能力。如表1所示[9]，判斷標準（β）是指被試者對接收的信息進行判斷的標準或策略。該理論改變了傳統上人們對感覺閾限的理解，它說明被試判斷刺激是否出現不僅取決于信號的強度，還要看作業的性質以及被試對判斷后果的認識。在經典的SDT中，被試的刺激識別有4種結果，分別為：擊中（correct detection，CD）、正確否定（correct rejection，CR）、漏報（missed detection，MD）、虛報（false alarm，FA）[10]。

表1 SDT 結果Tab.1 The outcomes of SDT

信號檢測論現代理論認為，警惕性下降是由于信息處理資源的損耗導致被試針對信號與噪音的辨別能力的下降，也有可能是由判斷標準的變化。有研究發現，持續注意力的降低是由于β的變化，而不受d'降低的影響，此外，如果對被試提出不同的要求，如對不同情境表現不同的注意，β也會受到顯著影響[11-12]。而且，被試進行測試時期望不同（主試提供獎懲），β會受到顯著影響，進而影響最終決策[13]。

目前，豁免運行航班是新冠疫情背景下采用的特有客/貨運輸模式。然而該運行類型是否對飛行員的信號檢測能力帶來影響尚不明確，是否會影響飛行員信息加工的決策標準尚不清晰。本研究基于信號檢測論原理比較豁免與否2種運行中飛行員對選擇性、持續性與階段性信號的感知能力，以期為飛行機組人員疲勞風險管理政策的制定提供參考。

1 測試方案

1.1 測試對象

在國內至北美洲的往返航班（北京/成都—洛杉磯/溫哥華）中選擇豁免航班與不豁免航班，每個航班上至少有1名飛行員參加本次測試。要求參加測試前3 d飛行員保證正常作息。得到18名飛行員的測試結果，2種航班各9 名飛行員，其中各有4 名機長，5 名副駕駛。所有飛行員年齡均在26～40 周歲，駕駛機型均為787機型，去程航班離港時間處于北京時間23：00—01：00之間。

1.2 測試工具

本研究使用的測試工具為持續績效測試(continuous performance test，CPT)、卡羅林斯卡嗜睡量表（Karolinska sleepiness scale,KSS），以及機組人員狀態檢查表（samn perelli scale，SP）。

1.2.1 持續績效測試

屏幕每次呈現3 張圖片，見圖1（a），圖片由{╧╟╤╢╩╠╦╣}無特殊語義特征的抽象符號組成。要求被試先判斷A1 與B1 形狀與方向是否一致，不一致按J鍵，一致則按F鍵，如果判斷A1與B1一致，接下來要判斷A1與B2形狀與方向是否一致，一致按SPACE鍵，不一致按J鍵，見圖1（b）。注意力由階段性警覺、持續性警覺、選擇性注意和持續注意力4個部分組成[14]。在飛行過程中，飛行員不僅要對出現的尋常信號做出反應，還要警惕突發信號，根據Riccio設計的CPT范式[15]，該測試中2個符號形狀不一致為持續性信號，測試結果反映持續性警覺，即對尋常信號或高頻率信號的反應能力；A1 與B1 形狀一致為選擇性信號，反映選擇性注意，是指對特定刺激做出反應并忽略其他刺激的能力；A1 與B2 形狀一致為階段性信號，反映階段性警覺，即在警告信號后對刺激做出反應的能力。持續性信號出現的概率約為83%，選擇性信號出現的概率約為12%，階段性信號出現的概率約為5%。

圖1 CPT測試Fig.1 The continuous performance test

測試過程：將CPT開發為應用程序（APP），安裝在安卓系統的榮耀V6 平板上進行測試。被試按照指導語進行判斷并按鍵，按鍵后原刺激消失并呈現新的刺激。2 個刺激呈現的隨機間隔時間為0.5～2 s，刺激間隔期間屏幕正中呈現紅色加號（字號為30）。每組共呈現128 個刺激，所有刺激呈現完之后，該測試完畢。

1.2.2 KSS與SP量表

KSS 將警覺度分為9 個等級，其中奇數等級表示：1=極度警覺；3=警覺；5=既不警覺也不困；7=困乏，但是沒有想保持清醒的感覺；9=非常困，極力想保持清醒，和困乏做斗爭。偶數等級（2，4，6，8）代表介于前后2個等級之間的狀態。

SP將警覺度分為7個等級：1=完全警覺，完全清醒；2=很有活力，反應靈敏，但不是最好狀態；3=情況一般，稍微清醒；4=有點累，不怎么清醒；5=挺累的，無精打采；6=非常疲憊，難以集中精神；7=筋疲力盡，無法有效工作。

KSS 側重評估被試的嗜睡程度，更多地反映被試當下的困意；而SP 是專門為機組人員設計的，以工作/休息概況為基礎評估機組人員的疲勞程度，更多地反映被試當下的疲勞感受。將KSS 和SP 結合起來可以更加全面地反映飛行員的警覺度和疲勞，而且KSS 和SP 結合使用也被國際民航組織推薦[16-17]。

1.3 測試流程

基于國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）發布的飛行疲勞風險管理系統（fatigue risk management systems, FRMS）指導手冊（Doc 9966）中對開展飛行機組人員的疲勞數據采集提出的建議[18]。本次測試在真實運行環境中實施，測試方法成熟，測試流程符合國際標準，測試前有充分的動員，測試過程有保障措施。

“現在，我們這里有30多個村莊變成了旅游專業村，包括石頭村、軟籽石榴村、齊長城村、畫家村、攝影村、奇石村等。我們盡量挖掘文化要素，基本沒有同質化的村莊，使游客始終有一種新鮮感，回頭客不減?！鄙綎|淄博市淄川區文化和旅游局局長唐加福說，有溫度的產品、有文化的包裝、有品質的服務，才能真正實現可帶走的記憶。

分別選擇國內飛往北美洲的豁免與不豁免航班各10 班，每種類型航班選擇5 名機長和6 名副駕駛共22名飛行員參與測試，機組人員平均年齡在26～40 周歲之間，駕駛機型均為787 機型。在航班出發前72 h 內對飛行員進行線上培訓，講解該測試的用途，測試規則，設備領取與歸還方式，在航班出發前24 h 內進行設備準備（平板充電并配備充電器。檢查平板是否安裝測試程序，測試程序是否可以正常運行），航班出發前（飛行員在收發室領取航班所需證件時）領取設備并進行練習熟悉測試流程。之后在往返航班至少各進行3 次測試，測試節點見圖2，飛行員在飛機起飛前（測試1）和降落后（測試3）至少各進行1次測試，測試2是指在起飛任務爬升至頂點下座后至降落任務（進近任務）上座前期間的巡航任務（自動駕駛飛行過程中的輪班休息狀態）至少進行1 次測試。測試在休息艙或準備室完成，雙手測試，每次測試包括KSS 量表和SP 量表以及CPT 測試，測試時間為7～10 min。返程航班結束后，飛行員至收發室歸還設備。由實驗人員進行數據下載整理。

圖2 測試節點Fig.2 Test node

由于飛行過程中始終基于安全操作為第一準則，在不影響安全的前提下，機組人員自己協調時間完成測試。因飛行過程中充滿不確定性（氣象、陸空通話等），最終有2 名機長和1 名副駕駛有遺漏測試或測試中斷的情況，1名副駕駛測試結果無效，剔除了該4 名受試者的數據。共保留18 名受試者數據，該18 名受試者數據測試節點完整，飛行節點準確，無測試中斷現象。所有飛行員都是自愿加入該測試，并且本研究得到了監管機構、工會和航空公司管理層的支持。

2 數據處理

CPT測試總體正確率低于85%的測試結果認為是無效數據，剔除該測試全部結果。由于在測試開始時被試可能會有適應過程，測試結束時會對測試結束的期待，這2種心態會影響反應結果，為保證數據的有效性剔除128個反應中的前后各15個反應結果，統計98個剩余反應結果中對F、J、SPACE反應按鍵的擊中、漏報、虛報、正確否定的概率，以及飛行員擊中的平均反應時（reaction time,RT），分析飛行員注意水平的變化。其中擊中率與漏報率總和為1，正確否定概率與虛報概率總和為1。通過計算3 種按鍵的辨別能力（d'）與判斷標準（β），分析豁免與否2種情況下飛行員對信號檢測的能力的變化，d'越大說明辨別能力越強[19]，β=1，標準合適；β＞1，標準較嚴；β＜1，標準較松。先驗概率低，判斷標準嚴格；先驗概率高，判斷標準較松[20]。計算往返共6 個飛行節點注意指標的平均值，通過Person 相關檢驗分析各個指標是否與飛行節點呈現相關性。Mann-Whitney U 檢驗分析飛行員在不同飛行模式之間注意指標的總體分布是否存在差異。

繪制3 種按鍵的受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic curve, ROC），Wixted 等[21]認為，當目標是衡量目擊者如何區分信號有無時，繪制ROC 曲線比計算正確率更適合。ROC 曲線是針對各種閾值設置下分類問題的性能度量。ROC 是概率曲線，曲線下方的面積大?。╝rea under curve，AUC）表示可辨別的程度或測度。AUC接近1，這意味著它具有良好的可分離性度量，AUC接近于0，這意味著它的可分離性度量最差，AUC越高，區別信號有無的能力越高[22]。

3 信號檢測能力分析

3.1 自評疲勞度

Mann-Whitney U檢驗結果顯示,豁免與非豁免2種情況下，KSS 與SP 有顯著性差異（sig=0.004，sig=0.004）。不豁免航班飛行員的自評疲勞度高于豁免航班。不豁免航班飛行員KSS 值分布在3.667～4.333之間，見圖3（a），去程降落后階段最高；豁免航班KSS 值在2.000～2.842 之間，去程飛行中最高。不豁免航班飛行員SP值分布在2.222～3.000之間，見圖3（b），返程降落后最高；豁免航班SP值在1.556～2.000之間。

圖3 飛行員主觀疲勞度對比Fig.3 Comparison of pilots'subjective fatigue

3.2 信號檢測結果

Person相關性顯示，豁免與非豁免2種情況飛行員的各按鍵的d'、β、擊中、漏報、虛報、正確否定概率與飛行節點沒有顯著相關性（sig＞0.05），豁免航班選擇性信號擊中反應時與持續性信號擊中反應時與飛行節點呈負相關（r=-0.885，sig=0.019；r=-0.845，sig=0.034）其余反應時指標與飛行節點之間不存在顯著相關性（sig＞0.05）。

如表2 所示，根據不同信號分類，持續性信號的擊中率與虛報率在3 種信號中最高，正確否定概率在3 種信號中最低，持續性信號的擊中率在0.966～1.000 之間，虛報率在0.066～0.219 之間，正確否定概率在0.781～0.934 之間。根據不同航班分類，豁免航班選擇性信號擊中率、階段性信號擊中率與虛報率低于不豁免航班，持續性信號虛報率與擊中率高于不豁免航班?；砻夂桨噙x擇性信號擊中率在0.758～0.872之間，虛報率在0.000～0.005之間；持續性信號擊中率在0.995～1.000 之間，虛報率0.123～0.219之間；階段性信號擊中率在0.793～0.859之間，虛報率0.000～0.008之間。不豁免航班選擇性信號擊中率在0.827～0.932 之間，虛報率在0.003～0.009之間；持續性信號擊中率在0.966～0.972之間，虛報率0.066～0.147 之間；階段性信號擊中率在0.810～0.908之間，虛報率0.023～0.030之間。

表2 飛行員對3 種信號的判斷結果Tab.2 Pilots'judgment results of three types signals

圖4 飛行員對3種信號的辨別能力與判斷標準對比Fig.4 Pilots'sensitivity and bias of three types signals

Mann-Whitney U檢驗結果顯示,豁免與非豁免2種情況下，3種信號擊中的平均反應時沒有顯著性差異（sig=0.262，sig=0.262，sig=0.150）。選擇性信號擊中的平均反應時在1 302.856～1 931.782 ms 之間，不豁免航班在去程降落后平均擊中反應時最長（RT=1 771.465 ms），豁免航班在去程起飛前平均擊中反應時最高（RT=1931.782 ms）；持續性信號擊中的平均反應時在1 048.205～1 521.993 ms之間，不豁免航班均去程降落后平均擊中反應時最長（RT=1 521.993 ms），豁免航班均去程起飛前平均擊中反應時最長（RT=1 496.495 ms）；階段性信號擊中的平均反應時在1 163.385～1 792.643 ms 之間，不豁免航班去程起飛前平均擊中反應時最長（RT=1 792.643 ms），豁免航班去程降落后平均反應時最長（RT=1 632.627 ms），見圖5。不豁免航班的飛行員的選擇性信號與持續性信號反應時的標準差在去程降落后最大，階段性信號的標準差在去程起飛前最大；豁免航班飛行員選擇性信號與持續性信號的反應時的標準差在去程起飛前最大，階段性信號擊中反應時的標準差在去程降落后最高。

圖5 3種信號擊中反應時Fig.5 Hit reaction time of three types of signals

通過擊中率與虛報率繪制ROC曲線，如下圖所示。本研究中不豁免航班AUC略高于豁免航班，但AUC 差異極小，選擇性信號、持續性信號與階段性信號的差異分別是0.008，0.019，0.006。如圖6所示，2 種航班AUC接近于1，說明飛行員能夠維持較為優秀的警惕性。

圖6 3種信號的ROC曲線Fig.6 ROC curves of three types of signals

表3 3 種信號AUCTab.3 AUC of three types of signals

3.3 討 論

豁免航班的運行方式緩解了飛行員的主觀疲勞，可能與豁免航班機組人數增加、機組輪班次數增加有關。由圖3 可見：不豁免飛行員與豁免飛行員的自測疲勞度有一定的差異，說明豁免的運行方式能夠緩解主觀疲勞感受，此外KSS與SP都是飛行員對自己疲勞感受的主觀報告，其結果很可能受到飛行員對飛行任務的期望影響，即心理準備狀態或心態?；砻夂桨嗯鋫滹w行機組人數多于不豁免航班，飛行員在機上能夠得到有效的休息，而飛行員對任務的期望感不同有可能導致豁免航班的主觀疲勞感低于不豁免航班。不豁免航班飛行員需要到達目的地進行休息（過夜），在課題組進行的問卷調研中顯示不豁免航班機組人員對國外新冠肺炎疫情形勢比較擔憂，存在較明顯精神壓力，這可能是不豁免航班自我疲勞（更多心理疲勞層面）感受相對較高潛在原因之一。當然，仍然需要下一步開展更深入研究并結合機組人員訪談來確定其原因。

無論豁免與否，飛行員的d'與β基本不受飛行節點的影響。3種信號中，無論豁免與否飛行員都更傾向于將信號判斷為持續性信號，這可能是因為持續性信號的先驗概率最高?；砻夂桨囡w行員相較于非豁免航班更傾向于判斷為持續性信號（豁免航班對持續性信號的虛報率高于不豁免航班），而2種航班進行測試時持續性信號的先驗概率是一樣的，表明豁免航班有犧牲選擇性注意和階段性警覺來維持較高的持續性警覺的傾向。

豁免航班選擇性信號的辨別能力略高于不豁免航班，持續性信號與階段性信號的辨別能力明顯高于不豁免航班，豁免運行的方式會提高飛行員的辨別能力?；砻夂桨囡w行員對選擇性信號的判斷標準略嚴格于不豁免航班，對持續性信號的判斷標準明顯松于不豁免航班，對階段性信號的判斷標準沒有明顯差異，這也是因為豁免航班飛行員犧牲了階段性警覺與選擇性注意來維持持續性警覺的另一證據。無論豁免與否，飛行員對選擇性信號與階段性信號的判斷標準較為嚴格，持續性信號判斷標準較松，這是因為持續性信號本身出現的概率較高。

本研究中，隨著飛行節點的推移，豁免航班對選擇性信號與階段性信號的擊中反應時降低，說明豁免航班機上輪班休息能夠有效地幫助飛行員保持選擇性注意與階段性警覺。飛行員對3種信號的擊中的平均反應時不受運行方式的影響?；砻夂桨嘣谌コ唐痫w前對選擇性信號和持續性信號平均擊中反應時最高同時穩定性最差，同時該節點對選擇性信號的辨別能力最高，該節點可能將大部分認知資源用于選擇性信號辨別，在去程降落后對階段性信號平均擊中反應時最高同時穩定性最差，同時該點對階段性信號的辨別能力最低，說明該點階段性警覺較差。不豁免航班在去程降落后對選擇性信號和持續性信號的平均擊中反應時最高同時穩定性最差，說明不豁免航班的飛行員在該節點需要進行較高的認知加工來維持選擇性注意和持續性警覺；在去程起飛前對階段性信號的平均擊中反應時最高同時穩定性最差，說明不豁免航班的飛行員在該節點需要進行較高的認知加工來維持階段性警覺。2 種航班擊中反應時的穩定性存在不同變化規律有可能是因為2種航班情況下機組人員輪班/休息模式影響了認知資源分配，豁免航班在去程起飛前需要考慮回程機組人員的工作安排，不豁免航班需要在去程降落后的過站期間準備回程的相關工作，2種不同的情境可能使得機組人員認知資源的利用和調配發生改變。選擇性信號與階段性信號擊中平均反應時略高于持續性信號，原因可能是飛行員對選擇性信號和階段性信號的判斷需要更多的認知加工。具體來說，反應時延長可能是因為d'下降（例如，延長反應時決定刺激是屬于信號還是噪聲），但也可能是因為β更加嚴格（例如，增加線索判斷，直到“證據”充足做出決定），反應時是辨別能力與判斷標準的1 種綜合體現。

不同運行方式的航班ROC曲線差異不明顯，不豁免航班AUC略高于豁免航班但差異不大，說明飛行員的選擇性注意、階段性警覺與持續性注意不會因豁免運行而大幅下降。

4 結束語

通過對比豁免與不豁免2種運行方式的航班飛行員的主觀疲勞程度、辨別能力、判斷標準、ROC曲線，探討豁免運行是否會影響飛行員的注意能力。結果表明：①不豁免航班飛行員的主觀疲勞度高于豁免航班；②飛行員的辨別能力與判斷標準不受飛行節點的影響；③豁免航班飛行員的辨別能力略高于不豁免航班，選擇性信號判斷標準略嚴格于不豁免航班，持續性信號的判斷標準略松于不豁免航班；④豁免航班飛行員可能會犧牲階段性警覺和選擇性注意以保證持續性警覺；⑤飛行員的選擇性注意、階段性警覺與持續性注意不會因豁免運行而下降。因此，航空公司采取豁免運行的方式既可以降低飛行員的感染風險，同時也未對飛行員的警惕性造成干擾，是1 種安全合理的運行方式。本研究也存在一些局限性，如測試航線僅覆蓋北美洲，飛行方向尚顯單一，未來需增加大洋洲、歐洲等區域航線。另外，應考慮飛行員個體差異性，如年齡、飛行小時數等對注意力特征的影響。