학생조종사의 수동조작 기량과 상황인식 역량에 따른 시선 움직임 연구

Ensley(1995)는 조종사의 상황인식(situation awareness)을 멘탈모델(mental model)에서 시작되는 주의, 인지, 의사결정 등을 포함하는 중요한 정보처리 기능이라고 하였다.

Ensley(1987)는 또한 인간의 상황인식이 3단계 모델로 구성된다고 하였으며, 여기에는 Fig. 2와 같이 외부 환경 요소(색, 위치, 속도, 크기 등)나 데이터, 정보의 변화 등 신호를 지각(perception)하는 1단계, 외부 상황 및 정보가 의미하는 바와 중요한 사항을 전체적인 그림 형태로 이해(comprehension)하는 2단계, 그리고 가까운 미래의 상태나 정보가 어떻게 변화할 것인지 예측(projection)하는 3단계가 포함된다.

Fig. 2. Endsley’s model of situation awareness

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추가하여 Ensley는 개인의 목표, 기대, 경험 등이 상황인식 역량에 영향을 미치며, 주의력과 작업기억(working memory)이 상황인식에 주요 제한 요소로 작용한다고 하였다.

Ensley는 상황인식 수준을 측정하기 위하여 SAGAT (situation awareness global assessment technique)라는 질문형 평가도구를 개발하였는데, 이 도구는 조종사가 모의비행훈련을 진행하는 도중 특정 시점에서 당면한 상황을 인식하고 문제를 해결하도록 요구하며, 이를 정량화함으로써 해당 조종사의 상황인식 수준을 측정한다. 이 방법은 객관적이고 직접적인 측정방법으로 알려져 있으며, 모의비행훈련 중 무작위 시점에서 비행상황을 일시정지(freeze)한 후, 사전에 준비된 평가문항 질문을 통해 상황인식 3단계를 포괄적으로 측정한다. SAGAT의 상황인식 수준 평가 문항 예시는 Table 2와 같다(Bolstad, 2010).

아이트래커(eye-tracker)는 사람이 무엇을 보는지 확인할 수 있는 도구이며, 아이트래커를 이용하여 측정할 수 있는 데이터 중 가장 많이 활용되는 것이 응시(fixation) 데이터이다(Kim, 2017). 이 데이터를 근거로 응시 시간(fixation time), 응시 횟수(number of fixation), 최초 응시(first fixation) 지점, 진입시간(entry time) 등의 지표를 추출할 수 있다. 또한, 시야 주변의 물체에 빠른 속도로 시선을 위치시키는 시선 도약(saccade), 눈 깜빡임(blink), 동공의 크기(pupilometer) 등도 함께 측정할 수 있다(Table 3).

시선 도약이 일어나는 동안에는 시각적 정보 처리가 거의 일어나지 않아 유용한 의미로 해석될 수 있으며, 주의 획득력에 따라 도약 속도는 달라질 수 있다. 아울러 시선 이동 경로(scan path)는 사람들이 시각정보를 어떠한 순서로 탐색하는지를 분석하고자 할 때 유용한 자료로 사용되며, 주시 시간(dwell time)은 주의를 기울이는 과정에서 나타나는 시각 반응을 측정한 데이터를 의미한다(Kim, 2017).

자가용 조종사 자격증명과정 학생의 상황인식 역량을 고찰했던 Moon(2020)은 인코딩 기법을 활용한 비상상황 교육자료 학습이 상황인식능력 향상에 긍정적 영향을 미친다는 것을 확인하였고, 특히 상황인식능력 중 예측능력에 유의미한 변화가 있었다고 하였다.

Yu(2014)는 전투기 조종사를 대상으로 공대지 임무 수행 중 조종사의 시선 패턴을 아이트래킹 기술을 이용한 후 분석하여 비행 단계별 시선 고정 비율에 유의미한 차이가 있음을 확인하였다.

Misra(2020)는 운송용 항공기의 시계접근(visual approach) 중 시각적 인식 실패로 발생한 사고의 위험요인을 평가하고, 시각적 인식 능력을 제한하는 요인으로 승무원자원관리(CRM) 부족, 피로, 업무 과부하 등을 제시하였으며, 이러한 요인들로 인해 결국 조종사의 비행 중 상황인식이 상실되어 사고로 이어지게 되었다고 하였다.

따라서 본 연구는 학생조종사 또한 그들의 항공기 수동조작 기량과 상황인식 역량 수준에 따라 시선 움직임의 특징이 다르게 나타날 수 있을 것으로 예상하였고, 이를 확인하기 위해 기본비행훈련장치를 통해 학생조종사들의 수동조작 기량과 상황인식 역량이 시선 움직임과 어떠한 관계가 있는지를 고찰하고자 한다.

선행연구 고찰에 기초하여 본 연구는 학생조종사의 비행기 수동조작 기량과 상황인식 역량 수준에 따른 시선 움직임의 특징을 파악하고자 아래와 같은 연구 질문(research question)에 대한 답을 확인하고자 한다.

본 연구 목적을 달성하기 위해 수립한 연구모형은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Research model

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실험에 사용된 기본비행훈련장치는 Redbird TD2이며, 장치에 탑재된 계기 화면(display)은 Garmin사의 G1000 Glass Cockpit이었다.

아이트래킹에 사용된 장비는 Senso Motoric Instrument GmbH 사의 REDn Scientific이었고, Redbird TD2 주 화면에 아이트래커를 고정시켜 1초에 60개의 시선 데이터를 수집하였다. 본 연구에서는 응시 시간, 응시 횟수, 주시 시간, 시선 도약 횟수, 시선 도약 속도, AOI(area of interst)¹⁾ 별 시선 이동 경로 데이터를 수집하였다(Fig. 5).

Fig. 5. Area of interest (AOI)

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아이트레킹 데이터는 정확도 및 신뢰도를 고려하여 전체 실험시간 대비 시선이 측정된 비율(tracking ratio)이 70% 이상이고, 시선의 X, Y 측정편차(eye deviation)의 결과가 5° 이내인 11명의 시선 움직임 자료를 사용하였다.

상황인식 수준 평가를 위해 실험 참가자들은 장주비행 절차를 수행하는 과정에서 현재 항공기의 자세와 상태, 주어진 상황에 대한 인지(상황인식 1단계), 이해(상황인식 2단계)와 관련된 SAGAT 평가 질문에 구두로 답변하였고, 사후평가를 통해 예측(상황인식 3단계)에 관한 답변을 제출하였다.

수동조작 기량에 관한 평가는 항공종사자 자격증명 실기시험표준서(PTS, practical test standard)의 자가용 조종사(육상단발) 평가기준에 따라 시나리오 단계별로 비행 기량을 평가하였다(Table 4)(TS, 2021).

본 실험을 통해 총 3가지 유형의 데이터를 측정하였으며, 각 데이터별 세부 항목 간 전체 상관관계를 살펴보았고, Pearson 상관 분석을 통해 인자별 상관성이 0.8 이상 나타나는 항목을 선별하여 상관계수를 확인하였다(Fig. 5).

실험 결과 분석은 통계분석 프로그램인 R 4.4.1을 이용하였다.

Fig. 6, 7, 8, 9는 실험에 참여한 학생조종사의 시선 움직임 데이터를 확인한 결과이다. Fig. 6은 이륙 활주 과정에서 Vr 속도(55kts)를 확인하기 위해 속도계에 시선이 머무르고 있는 순간이며, Fig. 7은 급선회 기동 중 지시받은 각도 45°를 유지하기 위해 Bank 계기에 시선이 고정되고 있는 모습이다. Fig. 8은 강하단계에서 장주비행의 Base 구간에 진입하는 모습으로서 MFD를 통해 공항의 위치를 파악하고 있는 것을 보여주고 있다. Fig. 9는 주어진 비상상황에서 원인을 파악하지 못하고 속도계에만 시선이 고정(fixation)되어 있는 모습이다.

Fig. 6. Eye-tracking data during take-off

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Fig. 7. Eye-tracking data during steep-turn (Focus map)

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Fig. 8. Eye-tracking data during descent

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Fig. 9. Eye-tracking data during emergency

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본 실험을 통해 측정된 비행단계별 수동조작 평가결과(9개 항목), 상황인식 평가결과(3개 항목), 시선 움직임 데이터(6개 항목) 간 Pearson 상관성 분석을 실시하여 다음과 같은 결과를 확인할 수 있었다(Fig. 10, Fig. 11).

Fig. 10. Correlation chart

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Fig. 11. Heat map

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첫째, 수동조작에서 측정된 항목 중 ‘급선회’ 점수와 ‘수동조작’ 종합점수 사이의 상관계수가 0.81로 강한 양(+)의 상관관계를 보였다. 이는 급선회 수행 능력이 높은 학생조종사일수록 전반적인 항공기 조작 기량도 높은 경향이 있음을 의미한다. 급선회는 수준급의 조종 기술과 상황판단 능력을 요구하는 복잡한 비행 기동이므로, 비행기량과의 높은 상관성을 예측할 수 있다.

둘째, 수동조작으로 측정된 ‘강하’ 점수와 ‘수동조작’ 종합점수 사이의 상관계수 또한 0.85로 매우 강한 양(+)의 상관관계를 나타냈다. 이는 전반적인 항공기 조작 기량이 높은 조종사일수록 강하비행 수행 능력도 높은 경향이 있음을 의미한다. 강하비행은 착륙을 준비하는 단계에서 수행하는 기동이며, 정밀한 고도와 속도 제어가 필요한 중요한 비행조작이다. 강하비행시 정밀한 조작을 잘 수행할수록 전반적인 비행기량이 높을 것이라는 것을 예상할 수 있다.

셋째, 상황인식 평가로 도출된 이해도(상황인식 2단계) 점수와 ‘상황인식’ 종합점수 사이의 상관계수는 0.81로 강한 양(+)의 상관관계를 나타났다. 이는 특정 상황을 잘 이해하는 능력(상황인식 2단계)이 높을수록 전반적인 상황인식 역량이 높은 조종사일 가능성이 크다는 것을 의미한다.

Endsley의 상황인식 모델 2단계는 지각된 정보의 의미를 이해하고 통합하는 단계로서, 인지도(상황인식 1단계)가 낮더라도 이해도(상황인식 2단계)가 높을 수 있음을 시사하였다. 이 결과는 상황정보를 지각하였지만 어떤 상황인지 이해하지 못하는 경우와 비슷하게 인지도(상황인식 1단계)와 이해도(상황인식 2단계) 간 상관성이 나타나지 않는 시뮬레이터 실험의 한계점을 확인시켜 주었다.

넷째, 수동조작을 통해 확인한 ‘강하비행’ 점수와 시선 움직임 데이터 중 ‘속도계 Fixation 시간[단위: ms, 1/1000초]’ 사이의 상관계수는 -0.87로서 매우 강한 음(-)의 상관관계를 보였다. 이는 강하비행 수행 능력이 높은 조종사일수록 속도계를 응시하는 시간이 짧은 경향이 있음을 의미한다. 이 결과는 숙련된 조종사들이 속도 정보를 더 효율적으로 처리하고, 다른 중요한 정보에 더 많은 주의를 할당할 수 있음을 시사한다. 즉, 수동조작 숙련도가 높을수록 속도계 정보를 빠르게 인지하고 처리할 수 있어, 긴 Fixation 시간이 필요하지 않은 것으로 해석할 수 있다.

다섯째, 시선 움직임 데이터 중 ‘AOI 간의 시선 도약(saccade) 발생 횟수’와 상황인식 역량의 ‘이해도(상황인식 2단계)’ 사이의 상관계수 0.84는 강한 양(+)의 상관관계를 나타낸다. 이는 AOI로 정의된 계기 간 시선 이동이 많은 조종사일수록 상황 이해 능력(상황인식 2단계)이 높음을 의미한다. 시선 도약(saccade)은 빠른 안구 운동으로서, 다양한 정보를 효율적으로 수집하는 데 중요한 역할을 하기 때문에, 다양한 관심영역을 활발하게 확인(scan)하는 조종사가 상황인식을 더 잘 할 수 있음을 추론할 수 있게 한다.

여섯째, ‘수동조작’ 종합점수와 ‘상황인식’ 종합점수 간 차이값과 ‘상황인식’ 종합점수 간의 상관계수는 –0.88로 강한 음(-)의 상관성이 있었다. 이는 상황인식 역량이 높을수록 비행기량 점수와의 차이가 작아짐을 의미한다. 즉, 상황인식 역량이 높은 조종사일수록 비행기량이 우수하다고 해석할 수 있는 부분이다. 이는 상황인식 역량이 실제 비행 수행능력과 밀접한 관련이 있음을 시사하며, 미국 국가교통안전위원회(NTSB)가 강조했던 조종사 상황인식 역량의 중요성과도 맥락을 같이 한다.