飞行空间定向障碍,是指飞行员在飞行中失去了对飞机和自身的正确知觉而引发的各种错觉。主要表现为无法辨别飞机倾斜方向和角度,这对飞行安全会造成严重影响,并且发生率较高[1]。据统计,大约有70%的飞行员经历过空间定向障碍。传统解决方法主要依靠对飞行员的身体及心理的训练[2]等方式来提高飞行员空间定向能力。飞行环境下,人的视觉和听觉感受能力受加速度影响较大,使得利用视听觉感知空间方位信息的能力大大降低。

和视听觉相比,人的触觉受重力影响较小,且触觉感受器分布全身[3],将空间方位信息以触觉刺激方式提示是缓解视听觉压力,提高认知准确性的有效途径[4-5]。国外有研究者将振动触觉用于驾驶导航、安全着陆方面[6-7]。例如,荷兰的研究人员针对宇航员空间定向障碍研发了一款辅助空间定向全身穿戴装置(TOAST)[8-9],该装置在全身布置56个振动电机,使得重力矢量方向的电机振动以提示重力方向;2004年,美国航空研究实验室研发了为直升机飞行员提示飞行信息的触觉背心系统(TSAS)[10-11],该系统在直升机悬停任务期间用电机的振动位置和节奏为飞行员提示飞行中的高度信息或漂移信息;2006年,瑞士洛桑理工大学虚拟现实实验室研发了一种辅助飞行员空间定向的振动触觉装置[12],该装置在飞行员身体前后左右各布置一个电机,当飞机向一侧倾斜时,身体该侧电机振动,并且振动强度随着倾斜程度的增加而增强。除了将振动提示用于飞行方位提示外,还有将其用于汽车安全驾驶提示、康复医疗、残障人士的避障等方面。例如美国哈佛医学院等机构研究人员研发了一款用于为老年人保持身体平衡的振动触觉背心(VTTF)[13],辅助穿戴者提示身体倾斜方向和倾斜程度来防止身体失衡;韩国成均馆大学研制了一种行车辅助装置[14],在使用者脚背部放置5×5的振动电机阵列,通过在使用者驾驶车辆期间显示各种字母或方向,对使用者提供行车安全信息;2017年,美国休斯顿大学研究人员利用振动触觉编码辅助帕金森患者进行训练以提高康复效果[15];东南大学利用振动触觉提示实现了盲人避障系统[16],并进行了图像信息的振动显示[17-18]。

方位信息的振动触觉提示关键是如何将信息按照直观而简单的编码规则映射为一定位置、强度、节奏的振动刺激,从而便于人对方位信息的理解和辨识。本文在前期对人的振动感知特性实验研究基础上,利用人对振动的位置、节奏敏感的特性,提出了组合编码模式。该模式将人体对振动的敏感特性进行组合编码以产生特定位置、节奏和强度融合的振动提示来表达复杂信息。和以往的单因素编码模式相比,该方法具有便于记忆,识别率高,表达耗时低等优点。

1 飞行姿态信息的振动触觉编码原理

飞行姿态信息的表达需求包括偏转方向和偏转角度。偏转方向主要有俯仰和横滚两种[19-20],要求表达俯仰和横滚姿态的前后左右4个偏转方向。对于每个偏转方向的0°到90°区间,要求在[0°,50°)范围内提示精度为5°,在[50°,90°]范围内提示精度为10°,以此充分表达飞行偏转方向和角度信息。偏转提示角度区间划分如表1所示。

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柚子。柚子营养丰富，含有糖类、有机酸、维生素A、B1、B2、C、P 和钙、磷、镁、钠等营养成分。柚子还含有生理活物质皮甙以及类胰岛素，柚肉中所含维生素C非常丰富，故柚肉能降血脂、降低血液黏滞度，减少血栓形成，有防治脑血管疾病等功效。

表1 每个方向提示角度区间表

90°[70°,80°)[80°,90°)[50°,60°)[60°,70°)[35°,40°)[40°,45°)[45°,50°)[20°,25°)[25°,30°)[30°,35°)[5°,10°)[10°,15°)[15°,20°)[0°,5°)

本文先从理论上设计了5种编码模式并分析了其优缺点,为了对以上5种编码模式的有效性进行检验,进行振动编码感知实验。实验主要从学习难易度、认知载荷和准确率3个方面进行测试。

利用振动单元进行振动提示时,可调节的控制参数包括振动位置、强度、节奏、次序等。振动编码方法分为单一参数的编码和组合参数的编码两类。前者是将方位信息对应于单个参数的变化,例如位置、强度、节奏等。优点在于编码简单且用户认知载荷小,缺点在受装置输出性能以及人对触觉刺激的敏感度的影响大,识别准确性、表达的信息量和实时性难以提高。组合参数的编码将偏转角度信息映射为按照一定规律调节多个控制参数,能产生更加丰富的振动触觉刺激以充分表达信息量。

通过前期的振动触觉感知实验研究发现,对随时空变化的振动刺激,人的辨识和响应能力有很大的差异。身体不同部位对振动敏感度不同[22],人对振动参数的敏感度也有很大差异:例如人对振动强度变化分级能力较差,而对振动次序[23]、振动节奏的敏感度较高。因此,在触觉编码时应充分利用人体敏感参数以及参数的时空组合进行编码,以提高识别率并减小认知载荷。

受试者紧身穿戴振动触觉背心进行实验,实验过程分为预备实验和正式实验,预备实验记录学习时间用于判断编码模式的学习难易度;正式实验时,实验系统随机发送60个振动提示(包括所有飞行姿态),受试者感知振动并选择方向和角度输入到上位机。每种编码模式的实验测试重复4次,每次发送60次振动,每人接受240次振动提示并判断,系统记录受试者每次从感觉到振动到向上位机输入选择的时间为反应时间。实验结束后,系统通过受试者反馈的方向和角度数据与真实的方向和角度区间进行对比,如方向正确且反馈角度在真实角度精度范围内则判断为正确,以此统计正确率。

图1 电机序列在人体躯干的具体排布位置

2 组合式振动触觉编码具体实现

2.1 偏转方向编码

编码模式的认知载荷体现在受试者对于该模式提示信息的理解反应时间,如果编码模式过于复杂导致单次振动信息量过大,则受试者难以迅速反应。因此,需要对各编码模式的受试者反应时间进行分析,具体指受试者从感知到振动到向测试软件输入数据判断这个过程的时间。对各编码模式反应时间统计如图5所示。可以看出,PRM模式的平均反应时间为2.8 s,相对于其他模式的反应时间最短,认知载荷最小,易于受试者记忆和反应(这里的反应时间包括了受试者手动操作界面的时间,实际上大于受试者感知振动的时间,用于间接反映认知载荷)。

2014年2月教育部、国家卫生计生委、国家中医药管理局、国家发展改革委、财政部、人力资源社会保障部等六部门印发《关于医教协同深化临床医学人才培养改革的意见》[1]，提出要加快构建标准化、规范化医学人才培养体系，以“5+3”为主体（5年临床医学本科教育+3年临床医学硕士专业学位研究生教育或3年住院医师规范化培训）的临床医学人才培养模式全面启动,并成为迫在眉睫的近期任务[2]。医学是一门实践性很强的科学，“5+3”的医学人才培养体系，更加注重临床实践训练，体现了医教相长，学以致用，是参照国际主流医师教育培训模式、行业惯例和中国国情基础上的重大制度创新[3]。

2.2 偏转角度编码

在偏转方向编码的基础上组合其他振动参数进行角度提示编码。为了记忆方便和减小学习载荷,前后左右4列电机对应方向的角度编码规则应保持一致,故在设计编码时,只需考虑每个竖列电机所需要表达的15个角度信息。将单侧15个角度信息量划分给5个电机进行振动提示,每个电机负责提示2个～3个信息量。

解析：(1)Na2S2O5是中学化学教材中从未出现过的陌生物质,但对题干稍加提炼,不难看出该化学方程式的反应物为NaHSO3,生成物为Na2S2O5和H2O,然后配平即可。

考虑到多个参数与位置组合可以加强区分效果,在双因素组合基础上设计多参数与位置参数的组合模式。在编码模式PR的基础上为了通过相邻电机之间设置不同振动强度以增强区分效果,形成“振动节奏+振动强度+振动位置”组合模式(PRI)。但是考虑到PRI模式对不同角度区间提示的时间不等,影响信息表达的实时性,故在此基础上设计“振动位置+振动节奏+振动次序”组合编码模式(PRM)。在PRM模式下,振一次和振两次的节奏,区分十分明显,为了减少记忆量,采用编码映射图中带5°的均振一次,整10°的均振两次。该编码模式相当于振动位置P、节奏R(1次、2次)和次序M(单点振和多点依次振)同时参与组合进行编码。其中振动次序作为辅助编码参量,帮助用户区分60°以上的角度(60°:P1,P3依次振动;70°:P1,P4依次振动,80°:P1,P5依次振动),PRM编码模式映射如图2所示。

表2 单方向电机对应角度分解表

前侧电机位置角度区间P1～P590°P5[70°,80°)[80°,90°)P4[50°,60°)[60°,70°)P3[35°,40°)[40°,45°)[45°,50°)P2[20°,25°)[25°,30°)[30°,35°)P1[5°,10°)[10°,15°)[15°,20°)[0°,5°)

从表2可以看出,利用振动位置参数(P)将单侧15个信息量分为7个区间,为了对区间的角度进行细分表达,需要加入其他参数,如振动强度(I)、振动次序(M)、振动节奏(R)与振动位置(P)进行组合来对组内角度进行精细区分。

通过强度、节奏或次序分级对角度区间进行细分,可以形成如下编码模式:“振动强度+振动位置”组合模式(PI)、“振动节奏+振动位置”组合模式(PR)、“振动次序+振动位置”组合模式(PM)这些双因素组合模式。例如在“振动强度+振动位置”模式下,在P1位置的电机可以通过电机的3个振动强度等级来精确区分[5°,20°)范围的角度。此类编码模式要求单个参数能够为人体提供足够的区分等级,且需要人体集中注意力来区分该参数的分级变化,因此会加重人体辨别振动的认知载荷,难以迅速做出反应。

所要编码的角度信息中,[0°,5°)属于平稳状态不需要进行振动提示;角度等于90°紧急状况时,5个电机全部振动提示;角度在[5°,90°)范围内时,通过5个电机分解相应角度进行表达。以仰飞的飞行姿态为例,身体前侧电机号对应角度信息量分解如表2所示(其中P1～P5表示身体前侧振动位置):

图2 “位置+节奏+次序”编码模式(PRM)

3 振动编码感知实验

根据飞行姿态信息表达需求,飞机偏转方向分为前后左右4个方向,每个方向角度各有15个信息量,所设计的触觉编码[21]应能够表达横滚、俯仰两类信息共60个信息量。考虑到过多的振动单元会造成触觉感知信息冗余,为使每个振动单元提示2到3个信息量,每个方向采用5个振动单元,振动单元总数为20个。

基于人对振动刺激感知和识别差异,本文选取了振动位置、振动节奏与振动次序3个参数,提出了姿态信息的三参数的组合式编码模式进行振动提示。

受试者:每组编码模式实验对象是20名22～30岁初次受试者,身体触觉感知功能正常,5组实验共100人次。实验时,受试者紧身穿戴背心装置并佩戴耳机听高斯白噪声避免电机声音干扰。

图3 实验现场图

3.1 学习难易度分析

编码模式的学习难易度是指该模式是否容易学习和接纳,主要是通过受试者对编码模式的学习时间体现。在实验中测量受试者预备实验阶段学习该编码模式的用时时间,对各编码模式平均学习时间统计如图4所示。

DAA：三血管序列切面可见升主动脉分出两个分支呈“Y”字形，当右弓占优势时，呈“O”形或梭形血管环。弓降部冠状切面可显示双弓分别发出LCCA、RCCA和RSA、LSA，双弓及左导管均与降主动脉相连[8]。

从图4可以看出,PRM模式相对于其他模式的学习时间在5种编码模式中最小,为187 s,说明多数初次受试者在3 min左右可以学习理解该编码模式。反映了PRM模式设置的记忆方式简单清晰,易于操作者记忆学习。

图4 5种编码模式的学习时间(s)

3.2 认知载荷分析

振动位置作为人体感知最敏感的参数应首先确定,本文首先对偏转方向通过振动位置进行表达。考虑位置排布的直观简洁性,采用微型振动电机作为振动提示单元[24],将振动电机布置于紧身背心穿戴于受试者身上。在背心的前后左右各布置一列电机(每列 5个),电机排布形式为“4×5”振动点阵列。每列电机的排布位置是在阵列的基础上根据人体躯干对振动的不同感知阈限值选择人体躯干敏感位置[25]进行布置,考虑到扩大两点间距离可以增加人体空间感知辨识度,前侧和后侧电机序列采用“S型”布置方式,如图1所示。对单一姿态进行表达时,身体向上一侧电机振动表达(仰飞时前侧振动,俯冲时后侧振动,左横滚时右侧振动,右横滚时左侧振动),当俯仰和横滚需要同时表达时,相应身体两侧的电机同时振动。

图5 5种编码模式的反应时间(s)

3.3 准确率分析

准确率是指受试者判断振动提示的信息是否与给定信息一致,以此判断编码模式是否能准确提示姿态信息,是评价编码模式优劣的重要指标。实验结束后,系统通过受试者反馈的方向和角度数据与真实的方向和角度区间进行对比,如果方向正确且反馈角度在真实角度精度范围内则判断为正确,以此统计正确率。各编码模式的准确率统计结果如图6 所示。

图6 5种编码模式的准确率(%)

由图6可以看出,PRM模式相对于其他模式的准确率最高,准确率达到了95%,说明除去操作失误等原因,受试者可准确识别振动提示的方向和角度信息。因此PRM模式可有效、准确地为受试者反馈偏转角度信息。

实验结果表明,PRM模式平均学习时间为187 s,反应时间为2.8 s,准确率达到95%,相对于其他模式,学习时间短、认知载荷小,准确率高,是一种较为理想的空间方位信息振动编码表达模式。

(3) BBU接收到密文包后采用相同的128位祖冲之加密算法在PDCP层进行解密，转成明文形式的RSSP-I安全通信包，通过EPC传输给轨旁安全设备。

4 结论

实验以及分析表明组合式振动编码可有效表达空间方位信息。而在参数的选择和组合时,需要选取人的认知敏感度高,且参数维间耦合较小的参数。考虑到上述两方面设计要求,本文提出“位置+节奏+次序”的组合模式(PRM),故能够在感知对比试验中,表现出较好的综合性能。本文用振动触觉编码提示飞行姿态信息以辅助飞行员空间定向。根据飞行姿态表达需求,结合人体敏感振动编码参数设计振动位置、振动节奏及振动次序组合的编码模式(PRM模式)。经过实验测试对比,证明该模式的学习时间少,认知载荷小,准确率高,确定为最优编码模式。与同类编码模式相比,该最优编码模式提高了姿态信息的振动编码识别率,同时降低了认知载荷,对偏转角度进行更加精准的提示,有利于辅助飞行员进行空间定向。

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