《Computers & Graphics》：From design to user experience: The creation and assessment of
ASANA, an immersive VR task for situation awareness and spatial ability
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本研究开发了沉浸式虚拟现实飞行导航系统ASANA，用于同步评估情景意识（SA）和空间能力（SpA）。通过106名海军学员的测试，发现该系统在保持低至中度工作负荷的同时，能提供高生态效度的评估数据。测试结果显示ASANA的导航效率与经典桌面空间能力测试高度相关，嵌入式SA评估指标与静态探测法存在显著收敛性。系统在维持用户舒适度方面表现出良好的性能，验证了VR技术作为综合评估工具的可行性。
作者：Allison Bayro、Shannon P.D. McGarry、Rebecca NeSmith、Joseph T. Coyne、Heejin Jeong
美国亚利桑那州坦佩市亚利桑那州立大学生物与健康系统工程学院
摘要
在航空领域，准确评估情境意识（SA）和空间能力（SpA）至关重要。然而，现有的SA工具常常会干扰任务执行，或者提供有限的时间分辨率；而SpA的测量方法通常依赖于静态的二维刺激，其生态有效性较低。这些局限性要求我们开发能够在真实、动态环境中同时捕捉这两种能力的方法。虚拟现实（VR）通过实现沉浸式三维导航，并同时记录表现和多模态数据，满足了这一需求。然而，基于VR的评估必须考虑用户体验因素，如工作负荷、情绪状态以及模拟器不适感，这些因素可能会影响表现和评估结果的可解释性。在IEEE VR关于工业和职业支持扩展现实研讨会（Workshop on the eXtended Reality for Industrial and Occupational Supports）上提交的初步研究基础上，本文描述了一种名为“评估海军航空中的空间能力”（Assessing Spatial Abilities in Naval Aviation，简称ASANA）的沉浸式飞行导航任务的设计。我们报告了106名美国海军学员的用户体验结果，结果显示他们的工作负荷适中，情绪积极，唤醒水平接近中性，支配倾向略偏正面。模拟器不适感在实验前后有所增加，但后测的中位数仍然较低，表明症状较为轻微。相关性分析表明ASANA的导航效率与传统的基于桌面的SpA测量方法结果一致。此外，较高的冻结-探测（freeze-probe）SA准确性与嵌入式、基于SME（Subject Matter Experts）的场景内SA测量方法中的更高效表现相关。综上所述，这些发现支持ASANA作为一个可接受的、可解释的VR平台，适用于在生态学背景下研究SpA和SA，并为未来利用同步多模态感知来模拟SA动态及SpA之间的相互作用提供了依据。
引言
在飞行过程中，飞行员对实际情况的认知与实际发生的情况之间存在微小差异，这种差异可能迅速危及安全。错过地标、航向偏离或误解环境线索都可能逐渐导致对飞机位置或轨迹的错误认知，最终影响后续决策[1]。这一系列事件体现了情境意识（SA）的下降，情境意识被定义为对任务相关元素的感知、对其意义的理解以及对未来状态的预测[2]。在航空领域，SA对于安全飞行至关重要，因为研究表明SA故障常常是事故的前兆[1][3]。事实上，对重大航空事故报告的分析发现，在涉及人为错误的事故中，88%的案例存在与SA相关的问题[4]。因此，航空安全研究长期以来一直强调SA是错误链的主要促成因素。关键在于，构建和维持航空中的SA不仅依赖于训练和信息显示[5]，还取决于创建和保持相对于环境的准确空间表示的能力[6]。这种对空间呈现的重视突出了空间能力（SpA）的重要性，空间能力被定义为表示、转换和更新空间关系的能力[7][8]，它是维持导航情境中强大SA的基础[9]。应用航空研究已经证明了SpA与SA之间的联系；在空中交通管制中，较高的SpA水平与更好的SA表现相关[10]。然而，尽管存在这种概念和实证上的关联，但历史上用于研究SA和SpA的主要工具依赖于离散的或快照式的测量方法，而非在同一导航情境中持续捕捉这两种能力。例如，SA通常通过冻结-探测方法进行测量，尽管这些方法经过验证，但往往具有侵入性且时间分辨率较低[5][11]；同时，SpA的测试通常使用静态的二维（2D）任务，这些任务可能无法准确模拟连续的三维（3D）导航和地形关联[7][12][13]。这种方法的分离使得难以研究SpA和SA在飞行过程中的变化及其相互关系。
因此，要超越快照式的、分离的测量方法，就需要在连续的三维导航过程中同时评估SpA和SA；沉浸式虚拟现实（VR）提供了一个实用的平台，可以在受控的、基于生态学的环境中进行此类评估。VR不仅提供了高度的实验控制，还具备感官真实感，使研究人员能够在不承担实时飞行训练的成本、安全风险或后勤限制的情况下操纵环境变量[14][15]。此外，VR的第一人称三维视角支持自然的头部和注视行为，这对于研究SpA和SA至关重要[15][16]——这些都是计算机化或纸笔评估所无法提供的。先前的研究已经证明，当VR中的空间导航任务设计与实际操作需求相匹配时，可以有效评估SpA[13][17][18]；同时，也表明VR中的冻结-探测SA方法与物理模拟器中的方法具有可比性[19]。尽管如此，现有研究仍强调基于探测的SA方法具有侵入性和时间分辨率的限制，因此有必要采用嵌入式或基于生理学的方法来更连续地捕捉SA动态[20]。许多VR头戴设备现在支持内置和外部传感器，可以同步测量生理信号，作为时刻间SA的潜在相关因素[21]。综上所述，这些特点使得VR非常适合用于集成、连续的多模态评估SpA和SA。然而，利用VR进行评估时需要考虑工作负荷、情绪状态和模拟器不适感等因素，因为如果不加以管理，这些用户体验变量可能会干扰表现并降低生态有效性[22]。
基于Bayro等人在IEEE VR关于工业和职业支持扩展现实（XRIOS）研讨会上提交的研究[23]，我们进一步阐述了“评估海军航空中的空间能力”（ASANA）的开发和设计。该任务要求在导航过程中持续进行空间重新定位，同时利用ASANA中提供的地图上的航点进行导航。与此同时，通过已建立和新的技术来测量SA，所有这些技术都得到了领域专家（SMEs）的协作。在设计ASANA时，我们旨在保持较低至中等的工作负荷，以支持连续的、基于地形的3D导航，同时减少可能分散注意力于主要任务的非SpA相关需求。我们还通过精心设计的环境布局来提高用户舒适度，使其易于快速学习，同时降低模拟器不适感的风险。
我们之前使用ASANA进行的初步研究表明，导航表现与传统的SpA测量方法结果一致[24]。在此基础上，我们使用了更大的样本规模，探讨了三个研究问题：ASANA是否是一个可解释的评估平台；其任务衍生的测量结果是否与传统测量方法一致。为此，我们评估了可能影响表现的用户体验因素（工作负荷、情绪状态和模拟器不适感），并检查了在这些条件下ASANA衍生的SpA和SA指数是否与传统测量结果一致。这些研究问题激发了以下后续研究方向：
- (RQ1)
用户体验结果（工作负荷、情绪状态、模拟器不适感）是否表明ASANA支持在VR中可解释地评估SpA和SA？
- (RQ2)
ASANA
衍生的表现指数是否与传统静态的、基于桌面的（2D）SpA测量方法相关？
- (RQ3)
ASANA
中嵌入式任务基础上的SpA测量结果与
冻结-探测SA测量结果
为了解决这些问题，我们收集了106名美国海军航空学员在实验前后的工作负荷、情绪状态和模拟器不适感的自我报告数据。我们还分析了
ASANA衍生的表现指数
与传统2D SpA和基于探测的SpA测量结果
之间的相关性。基于飞行员测试和任务的设计意图，我们假设用户体验结果将支持可解释的评估，表现为适度的工作负荷、非负面的情绪状态和较低的模拟器不适感（H1）。我们也预期ASANA
中的导航指数
将与传统的基于桌面的SpA测量方法相关（H2）。最后，我们预期
ASANA
中的嵌入式任务基础上的SpA测量方法
将与基于探测的SpA测量方法
显示出一致性（H3）。这些发现为后续研究提供了方向，即利用
ASANA
来模拟SA动态、研究真实导航过程中的SpA–SA关系，并整合生理信号作为认知状态的连续相关因素
本文的其余部分安排如下：第2节回顾了SA和SpA的基础知识，概述了现有的评估方法，并指出了推动ASANA
开发的VR相关差距
相关工作
相关研究
为了阐明ASANA
的环境和实验设计选择，我们首先回顾了航空领域中SA和SpA的定义、测量方法及其关联方式。然后，我们总结了每种评估方法的主要优势，指出了基于探测的SA工具和静态的、基于桌面的SpA测试在满足连续的、基于地形的飞行需求方面的局限性。最后，我们综合了关于基于VR的导航和评估的研究，包括沉浸式
系统设计
ASANA
的设计旨在将上述测量需求转化为一个操作上可行的VR系统，能够在任务执行过程中持续更新空间信息并捕捉SA。以下部分描述了实现这一目标的核心要素：模拟架构和硬件/软件栈、驱动3D重新定位的任务设计，以及用于记录表现和与SA相关的行为的嵌入式功能。
用户研究
ASANA
的用户研究旨在评估该系统在操作培训人群中的可行性和测量结果的可解释性。参与者完成了平衡的桌面和VR工作任务，以便将标准化的桌面任务与
ASANA
中的场景内表现进行比较，同时量化了可能影响表现和任务衍生SpA及SA指数解释的用户体验因素，如实验后的工作负荷、情绪状态和模拟器不适感。
结果
结果的组织方式与我们提出的研究问题相对应。首先，报告了用户体验结果，包括工作负荷、情绪状态和模拟器不适感，以表征研究的可解释性。接下来，展示了
ASANA
衍生指数
与传统基准之间的相关性，以评估SpA和SA测量结果的一致性。
讨论
本研究提出了
一个操作上可行的VR飞行导航环境
ASANA
，该环境嵌入了SAGAT查询，并能够捕捉同步的表现、探测响应以及多模态的行为和生理测量数据
ASANA
的设计旨在在生态学上真实的环境中引发连续的三维空间更新，同时保持实验可控性，从而能够在单一任务情境中评估SpA和SA
结论
ASANA
表明，一个单一的沉浸式飞行导航任务可以引发可管理的工作负荷、积极的情绪状态和较低的模拟器不适症状严重程度，同时提供了一个平台来联合评估SpA和SA。这些用户体验结果支持在VR中进行可解释的测量，表明
ASANA
能够在不通过过度负担或不适感广泛干扰表现的情况下捕捉SpA和SA指数
ASANA
衍生的导航效率显示
CRediT作者贡献声明
Allison Bayro：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据分析、概念化。Shannon P.D. McGarry：撰写——审稿与编辑、可视化、调查、资金获取、概念化。Rebecca NeSmith：监督、资源协调、概念化。Joseph T. Coyne：监督、资源协调、方法论、调查、概念化。Heejin Jeong：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念化。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者特别感谢Kaylin Strong（Strategic Analysis, Inc.）、Kayla Russell（Strategic Analysis, Inc.）、LCDR Sarah Melick（Naval Aerospace Medical Institute）和LCDR Nicholas Armendariz（Naval School of Aviation Safety）提供的宝贵支持和专业知识。本研究得到了
美国海军研究实验室内部基金项目的资助
