黑洞错觉研究进展_谢溯江

・218・空军医学杂志 2013年12月 第29卷 第4期 Medical Journal of Air Force，Vol.29，No.4，December，2013

・ 综　述 ・黑洞错觉研究进展谢溯江，毕红哲，姚　钦，郑颖鹃，陈　珊[关键词] 黑洞错觉；空间定向障碍 [中图分类号] R853.5 [文献标志码] A [文章编号] 2095-3402(2013)04-218-04

作者单位： 100142　北京，空军航空医学研究所 通讯作者： 姚　钦，E-mail：yaoqsunxm@163.com

空间定向障碍（spatial disorientation，SD）是导致飞行事故的常见原因。美国空军1990－2004年的SD事故分析发现，在所有事故中，11%是由于SD造成，在夜间飞行事故中SD占23%[1]。黑洞错觉（black hole illusion，BHI）是一种发生率较高的视性空间定向障碍，一般发生于飞机夜间着陆时，仅有跑道照明，而缺乏周边地形视觉信息情况下，飞行员往往过于自信地采用目视进场，而忽视恶劣的视觉条件，由于BHI的存在，会使其对滑行路径产生高估（glide path overestimation，GPO），从而引起不正确的陡峭下降，结果产生较低的进场航线，该航线低于能躲避障碍物的正确滑行路径，从而易引发严重的飞行事故[2]。根据2000年对美国空军141名有经验飞行员的调查，发现在可能发生的38种视性（前庭）SD中，79%的飞行员报告黑洞错觉是第2位最常出现的错觉[3]。另一项研究调查了2582名美国空军飞行员以及他们的SD体验，发现多引擎飞机飞行员中最常发生的视性SD是BHI，在所有美国空军机型中，BHI是第3位最常发生的视性SD[2]。日本航空自卫队的SD发生率调查也显示类似的结果[4]。为帮助读者了解、掌握黑洞错觉的危害，笔者对BHI的研究简史、产生机制、预防措施、发展展望等方面进行综述，以提高大家的认识。1　研究简史BHI被认为是无特征地形错觉的一种特殊表现形式。美国交通部将无特征地形错觉定义为：“缺乏地面特征，例如在水上、漆黑地域以及由于雪地造成的无特征地域上着陆，可以导致认为飞机高度比实际高度高的错觉。没有认识到这种错觉的飞行员会以低飞状态进场”[2]。早在20世纪40年代起，航空医学工作者就开始关注BHI引起的高度与距离误判导致的飞行事故。1947年，Vinacke[5]列出了飞行员出现的错觉，在讨论视性错觉时，他提出在飞过平缓水面或在“漆黑夜晚”存在深径觉的问题，导致着陆、对相对于地形的高度判断存在问题。但是并没有专门使用黑洞的术语。1950年，Calvert[6]描述飞行着陆时的视性错觉，

参考改进的航标、跑道以及跑道进场灯以帮助飞行员夜间着陆。他们描述了一个常见的错觉，跑道灯似乎“飘在空中”并且“竖起来”。然而，Calvert直到1954年才开始使用BH术语，来描述该地形特征在视觉参照中发挥的关键作用。他可能是第一个描述黑洞的人：“不管是不是在暴风雪中，还是在一个多雾的夜晚飞进跑道，只要整个环境中看不到地平线或地形特征，就象一个‘黑洞’一样，没有什么比这更糟的了[7]。”Calvert[8]

提出的“黑洞效应”仅仅发生在距地面22.8 m的高度由仪表飞行向目视飞行转换时。1953年，Cocquyt[9]提到了飞行事故中飞行员人

为差错问题，他认为视性错觉在飞行事故中起主要作用，需要对视性错觉进行更多的研究以及对飞行员进行相关教育。Cocquyt没有使用BHI的概念，但是他确实描述了一种类似的错觉：飞行员根据对跑道高度的目视感觉，产生自己比实际飞得更高的错觉。1958年，Wulfeck等[10]讨论了军事航空中的各种

视觉问题，但是并没有采用BHI提法。他们确实提及了在某些着陆时的“无对比环境”或“白茫茫环境”（无特征地形），也提及了跑道的不同宽度与长度是如何引起短浅进场的，但是没有特别提到夜间BHI这个术语。Hasbrook[11]在其针对飞行员着陆安全的文章中，提到晴朗但无月光的夜晚，存在黑洞进场的危险，他特别使用了黑洞这个术语。1974年1月，帕果-帕果(美属东萨摩亚首府)国际机场发生了一起航线事故，泛美航空公司波音707飞机在距离跑道前1025米处坠毁，191名乘客中只有5名幸存。1977年美国国际交通安全委员会（NTSB）正式将此起事故原因定为BHI，这是在事故调查报告中首次・219・空军医学杂志 2013年12月 第29卷 第4期 Medical Journal of Air Force，Vol.29，No.4，December，2013

使用BHI术语[12]。此后，在民航与军事飞行事故调查中，开始大量使用BHI术语。在1991年10月，一架加拿大空军C-130飞机在加拿大北极最北的Ellesmere岛的跑道前坠毁，事故原因被认为是飞行员在黑洞进场环境下放弃仪表，依靠目视接近跑道着陆[13]。1997年，一架美国私人小飞机坠毁在St. Thomas Virgin岛西南4.8 km的加勒比海中，2名乘客死亡，NTSB报告的事故结论是：黑夜与海上飞行导致缺乏有效的视觉信息，产生了BHI，使飞行员无法通过视觉感知飞机在海面上的高度，从而引起坠海事故[14]。1999年，一架美国空军的C-130飞机在夜间视觉进场时，在科威特 AI Jaber空军基地跑道前881 m处坠毁，死亡3人。事故调查委员会得出的事故原因是：该飞机是在一个无特征的沙漠环境中的夜间飞行，飞行员发生了BHI，导致对飞机过低的下滑率不能察觉，飞机的最终进场起初是3°，但是不久就变得太陡（6°～7°下滑角）[2]。2004年，Previc[15]估计在所有SD事故中有一半是由于视性错觉问题，在其对视性错觉的描述中，BHI被归类在“缺乏周边视觉信息”导致的视性错觉中。2006年5月，美军1架双座F-16飞机在夜间进场时，在距离目的跑道0.9 km处进入离地面6 m的范围内的事故，也被认为是由于BHI[16]。2　产生机制BHI主要产生对高度与距离判断错误[2，16-20]。尽管视觉线索稀少，即使是在视觉信息缺乏的条件下，飞行员还是信任舱外的视景信息而不是依靠仪表，因为他们对于自己的视觉太过于自信[2,16]。一般情况下，飞行员在良好视觉条件下，在熟悉的跑道进场，感受的下滑角与实际的下滑角相当。如果存在差异的话， 也能获得足够的视觉反馈信息（太浅或太陡），并及时纠正[2,16]。然而，在一个无特征的环境，飞行员可能会被诱导产生对下滑路径的高估（GPO）。如果发生飞行太高，以至高出正常下滑角（3°）的错觉，就会发生GPO。飞行员可能仅仅只是把这描述成“感到太陡”。然后，飞行员不正确地信任自己的知觉，开始一个急降，将飞机置于急速下滑的不安全状态，导致严重飞行事故。对于为什么在夜间黑洞条件下目视进场，会产生对高度与距离的错误判断，产生GPO，目前尚无定论。以下是根据文献总结的九条可能的原因，这些原因可能单独或联合起作用导致飞行员产生GPO[2，16]。2.1　大小/形状/深度的恒常性　一个长而窄的跑道，依据其在视网膜上影像的大小与形状，会产生跑道太陡的感觉。正常情况下，当飞行员离机场很高很远的时候，看到的机场就是又长又窄，这是一种视觉恒常性。在缺乏周边视觉信息的情况下，飞行员运用知觉恒常性获取信息的能力将极大地降低，因为很难将二维的视网膜影像同三维的目标对应起来[11,15,21]。2.2　缺乏熟悉的或相对的大小进行比较　无特征地域缺乏全局与局部目标，无法确认依据视网膜影像大小进行估计的精确性[6-8,21]。McKee与Smallman[21]提出了关于知觉恒常性的双重处理模型。

其关键特性是在目标大小与视网膜角大小间的交叉应答，以比较与确认深度、距离与大小信息。2.3　对视角的过估　对一个熟悉的长跑道的印象（如一个2.4 km的跑道）与实际目视上的小视角产生冲突，导致飞行员依据视网膜影像及对其实际纵深长度的认识不清，从而产生对视角的高估[22]。因此，飞行员产生了跑道影像比实际更长的知觉偏差，根据上述（2.1 大小/形状/深度恒常性），飞行员就产生离机场很高的错觉，从而导致飞机急剧下降。2.4　缺乏地域定向信息　缺乏整体或局部的目标或地域特性，以至感觉跑道不是平面的[23-24]。这种定向信息的缺乏使得飞行员感觉跑道“漂浮”，很难确定飞机进场的相对高度、相对跑道的距离和正确的深径觉[6-7]。2.5　缺乏距离信息　在缺乏距离信息（整体与局部特征；见2.2与2.4）情况下，飞行员对跑道的大小/形状/深度恒常性的意识不可能正确[16,19-20,25]。2.6　视觉与地理倾斜的不一致　地理倾斜（地形的坡度）涉及视觉倾斜及高度或角位置的知觉[23-26]。既然距离、深度以及定向信息缺乏，不可能判断地理倾斜，导致视觉倾斜成为形成实际倾斜感觉的唯一线索。在飞行中，地形坡度的感知非常重要，因为跑道不总是位于水平面上的，可能会带有上下坡度。但是，视觉倾斜的判断，是依据相对于地平面的视线[24]，而在黑洞进场时，看不到地平面，因此视觉倾斜判断信息不足。另外，Mertens[27]发现，受试者会高估这个视觉倾斜的值。因此，如果城市灯光・220・空军医学杂志 2013年12月 第29卷 第4期 Medical Journal of Air Force，Vol.29，No.4，December，2013

或跑道进场照明系统点亮了地域，就足以保证产生视觉倾斜知觉，而这只会进一步增强GPO。2.7　进场照明系统（approach lighting systems，ALSs）发展ALSs是为了使飞行员在低能见度情况下由仪表转向视觉飞行状况下，能够提供跑道环境信息。然而，在夜间良好能见度下使用ALSs，获得跑道影像与夜间目视进场与着陆，可能在知觉上会增加跑道的表观比例[2,16,28]，感觉跑道更窄，进一步加剧“下滑路径太陡”的感觉，因而误判下降高度，采取危险的短浅进场。2.8　等距的趋势　Gogel[23]指出，在缺乏其他视觉信息的情况下，一起出现的目标被认为具有相同距离，称为等距趋势。对于纵深倾斜的物体，等距趋势使得感觉其额平面内的距离缩短，导致对倾斜的过估知觉。这种解释与缺乏距离信息及熟悉/相对大小信息（见2.2、2.4及2.5）有关。2.9　对倾斜的错误知觉　Perrone[28-29]提出了一个关于视觉倾斜错觉的一般模型，并将其模型应用到航空领域与BHI中。Perrone的模型受到Previc[15]的推崇，并作为解释BHI的首要理论。Perrone的解释是，飞行员在视觉状况恶劣的情况下采用错误的变量估计下滑路径与跑道倾斜。飞行员夜间着陆时只使用跑道宽度进行透视，而在周边视觉信息丰富情况时则不同，除跑道宽度之外还可采用大量的视觉信息进行线性透视[28-29]。Perrone提出地貌特性对于下滑路径估计是必须的，是对于透视最重要的视觉信息[29]。总之，对于BHI，尚无一致意见，尽管存在多种解释，它们都有一个共同的因素起作用，那就是由于缺乏地形与周边视觉信息，无法提供大小、距离、深度判断的定位信息。3　预防措施3.1　加强宣传教育　人们已经认识到飞行员在夜间目视进场的局限性和危害性，然而有的飞行员仍倾向于不依靠仪表而采用目视进场[2,15,29]。因此，需要对飞行员进行教育，要求其在夜间进场时，特别在海上、沙漠、雪地及无特征地域着陆时，要警惕发生BHI，不要过于自信，盲目采用目视进场，而要依靠定向与辅助着陆仪表进场着陆。但是，已证明试图通过宣传教育来消除视性错觉的影响，其作用是有限的，BHI错觉事故仍然在继续发生[2,16,30]。3.2　在错觉模拟器上进行黑洞进场训练　了解BHI，并不能使飞行员对其“免疫”或警觉，而在错觉模拟器训练上进行黑洞进场训练，被认为是目前预防BHI的最佳途径[2,16,30]。许多错觉模拟器，如奥地利AMST公司生产的DISO，美国ETC公司的GL-2000以上系列产品，均可开展黑洞错觉训练，这些训练可使受训者了解BHI错觉的产生条件、表现及危险性，以及在黑洞条件下目视着陆危险性，并掌握夜间着陆时根据仪表正确着陆的技术。Gibb[2,16,30]更建议，飞行员要在年度飞行模拟器训练时开展黑洞进场着陆训练，以使他们在周边视觉信息缺乏的情况，减少对目视飞行的盲目自信。3.3　硬件的改进