基于肌電皮溫檢測(cè)的飛行員操縱行為分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳農(nóng)田，譚 鑫

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

民航是高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，保證飛行安全是民航工作重點(diǎn)，而飛行員是保證飛行安全最重要的一環(huán)。波音公司關(guān)于1983—2006年航空事故統(tǒng)計(jì)表明，60%以上事故是由于飛行員不安全行為所導(dǎo)致［1］。飛行員安全行為（safety operation behavior）指飛行員在飛行操縱過程中表現(xiàn)出來的非技術(shù)技能（non－technical skills），對(duì)人為差錯(cuò)（human errors）與飛行安全有重要影響［2］。因此，開展飛行員安全行為研究對(duì)于保障航空安全具有重要意義。

飛行員操縱行為與其心理品質(zhì)、個(gè)性特點(diǎn)、職業(yè)素養(yǎng)等有密切關(guān)聯(lián)，內(nèi)外界環(huán)境和被控對(duì)象都會(huì)影響其操縱行為表現(xiàn)。在飛行員安全行為研究方面，其成果主要包括［3－8］：從心理學(xué)角度，采取專家調(diào)查以及文獻(xiàn)綜述等方法編制飛行操縱行為訓(xùn)練和評(píng)價(jià)工具，運(yùn)用半定量方法進(jìn)行飛行行為和工作負(fù)荷機(jī)組資源管理（CRM，crew resource management）評(píng)估；通過搭建模擬駕駛艙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展飛行員操行行為與眼腦的專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行飛行員操縱行為仿真實(shí)驗(yàn)，開展基于視覺監(jiān)控的操作手勢(shì)軌跡分布模式研究；參考機(jī)組飛行操縱手冊(cè)，對(duì)飛行員操作行為程序和人機(jī)功能分配進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)估。當(dāng)前，針對(duì)飛行員的行為研究大多從心理學(xué)角度采用主觀調(diào)查方式間接性開展定性或半定量分析，其研究結(jié)論準(zhǔn)確度與應(yīng)用性有待提高。

肌電皮溫檢測(cè)技術(shù)通過采集人體肌肉活動(dòng)時(shí)的生物信號(hào)，根據(jù)其發(fā)生機(jī)制及調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試者工作負(fù)荷、心理狀態(tài)等方面的檢測(cè)評(píng)估［9］。在具體應(yīng)用方面，通過小波分析提取人體股四頭肌在等張收縮下的表面肌電皮溫信號(hào)的特征，實(shí)現(xiàn)肌肉疲勞檢測(cè)［10］。運(yùn)用生物反饋儀獲取駕駛員肌電皮溫信號(hào)，對(duì)駕駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行判斷［11］。目前，肌電皮溫檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于交通與醫(yī)療等領(lǐng)域，尚未發(fā)現(xiàn)在航空領(lǐng)域應(yīng)用范例。本文擬根據(jù)肌電皮溫生物反饋原理，運(yùn)用JD/PW－5肌電皮溫檢測(cè)設(shè)備，結(jié)合模擬飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái) PCATD（PC－based aviation training device），設(shè)計(jì)基于肌電皮溫檢測(cè)的飛行員行為分析實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

肌電（EMG，electromyography）和皮溫（STP，skin temperature）是人生理和心理狀態(tài)變化最直接的物理反應(yīng)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)擬運(yùn)用生物電子技術(shù)測(cè)定反映心理狀態(tài)或與神經(jīng)功能相關(guān)的生理參數(shù)（肌電、皮溫），通過參數(shù)數(shù)據(jù)來分析測(cè)試者的身體機(jī)能和心理狀態(tài)。

JD/PW－5電腦肌電皮溫生物反饋儀通過檢測(cè)和分析測(cè)試者肌電皮溫信息來評(píng)估測(cè)試者心理與生理狀態(tài)，其工作原理見圖1。體表電極貼在測(cè)試者身體部位以獲取肌電皮溫信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大后輸入模擬門和采樣電路，再分別送至A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢波、平均及靈敏度調(diào)整等差異化數(shù)據(jù)處理來判斷測(cè)試者的身體機(jī)能和心理狀態(tài)。

圖1 JD/PW－5型電腦肌電皮溫檢測(cè)生物反饋儀原理

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

運(yùn)用肌電皮溫檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)被測(cè)試飛行員在不同飛行測(cè)試項(xiàng)目的生理參數(shù)，分析不同飛行任務(wù)模式下的操縱行為特征。通過對(duì)不同操縱行為狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，探究在不同飛行模式下肌電皮溫指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律，分析飛行員操縱行為與肌電皮溫等生理參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，為后續(xù)開展飛行員安全行為評(píng)估提供基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)選拔10名來自民航飛行學(xué)院的飛行員，其中8名飛行學(xué)員，2名飛行教員，包括2名女性飛行學(xué)員，年齡范圍為20～29歲，平均年齡為23.6歲。平日經(jīng)常進(jìn)行體育活動(dòng)，身體健康，無心理疾病史，之前均通過民航局飛行員體檢和心理選拔測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前2周未飲用含咖啡因與酒精的飲料及藥物。所有測(cè)試者對(duì)PCATD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)熟悉，測(cè)試對(duì)象在身體和心理?xiàng)l件上滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)主要目的是通過對(duì)被測(cè)試者的肌電皮溫生理參數(shù)檢測(cè)，分析其不同飛行任務(wù)下的操縱行為與生理心理指標(biāo)關(guān)聯(lián)性規(guī)律。在熟悉和適應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)下，被測(cè)試者將按實(shí)驗(yàn)任務(wù)和項(xiàng)目要求在不同狀態(tài)下接受多次飛行場(chǎng)景模擬實(shí)驗(yàn)，以及接受檢測(cè)后的主觀調(diào)查實(shí)驗(yàn)測(cè)試。主要實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括：

（1）不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下的肌電皮溫檢測(cè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析需要，被測(cè)試飛行員需完成多組包括不同飛行階段、不同性別、不同飛行經(jīng)歷以及特情處置下的飛行操縱測(cè)試實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用肌電皮溫檢測(cè)生物反饋儀對(duì)被測(cè)試者不同飛行模式的生理生物指標(biāo)進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)，根據(jù)生物反饋儀檢測(cè)輸出信息，對(duì)飛行員不同任務(wù)下的行為操縱表征進(jìn)行分析。分析在不同飛行狀態(tài)下的飛行操縱行為和肌電皮溫參數(shù)變化規(guī)律。

（2）飛行行為主觀調(diào)查。根據(jù)不同測(cè)試項(xiàng)目下肌電皮溫檢測(cè)數(shù)據(jù)所反映的操縱行為表現(xiàn)與生理參數(shù)存在的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合飛行員主觀調(diào)查問卷，對(duì)測(cè)試飛行員的心理狀態(tài)與工作負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查，探討影響飛行員操縱行為表征的影響因素，為構(gòu)建基于肌電皮溫檢測(cè)生理參數(shù)的飛行行為以及飛行負(fù)荷判斷體提供基礎(chǔ)系。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由PCATD模擬飛行操縱平臺(tái)和JD/PW－5電腦肌電皮溫生物反饋儀組成。在PCATD模擬飛行操縱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，測(cè)試者可以通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的飛機(jī)方向盤來實(shí)現(xiàn)對(duì)副翼和升降舵的控制，通過控制腳蹬來實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車和方向舵的控制，另外還可以通過其他操縱桿對(duì)輔助操縱系統(tǒng)進(jìn)行控制。JD/PW－5肌電皮溫生物反饋儀采用先進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)及其附屬電路、電源、信號(hào)輸入、反饋信號(hào)輸出、人機(jī)界面及打印輸出等部分組成，其組成部件主要包括肌電信號(hào)傳感器、皮膚溫度傳感器、主機(jī)以及耳機(jī)、專用打印機(jī)以及內(nèi)部相關(guān)軟件。信號(hào)輸入部分分為2組，肌電、皮溫各自設(shè)計(jì)有放大器、模擬開關(guān)及A/D變換器，以保證將外部輸入的電平差別很大的肌電或皮溫信號(hào)，控制在一定的幅度范圍內(nèi)而求得最大的分辨率，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。其主要技術(shù)性能參數(shù)包括：

（1）肌電性能參數(shù)。測(cè)量范圍：1～999μV（rms）誤差±20%；最高分辨率：≤0.2μV（rms）；輸入短路噪聲：≤1μV；－3db帶寬：120～1 000Hz；共模抑制比：≥100db。

（2）皮溫性能參數(shù)。測(cè)量范圍：15～40℃ 誤差±1℃；溫度分辨率：≤0.1℃；數(shù)據(jù)采樣速率：2次/s。

3.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)任務(wù)主要是采集不同飛行模式下的飛行員肌電皮溫生理參數(shù)，分析飛行員操縱行為規(guī)律。運(yùn)用肌電皮溫檢測(cè)生物反饋儀對(duì)被測(cè)試者不同飛行模式進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，根據(jù)生物反饋儀檢測(cè)輸出信息，對(duì)飛行員不同任務(wù)下的行為操縱特征進(jìn)行分析，并結(jié)合飛行員主觀問卷調(diào)查進(jìn)行行為分析和工作負(fù)荷綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)，通過設(shè)置多組差異性對(duì)比實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，探究飛行員生理指標(biāo)參數(shù)與飛行行為表征的關(guān)聯(lián)性，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 基于肌電皮溫檢測(cè)的飛行行為分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)流程與步驟主要分為準(zhǔn)備階段、訓(xùn)練階段、測(cè)試記錄階段與實(shí)驗(yàn)分析階段（見圖2）。實(shí)驗(yàn)的開展需要被測(cè)試者的配合。實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)之前向被測(cè)試者作實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)介紹，對(duì)被測(cè)試者進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)記錄前的培訓(xùn)，并負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)與記錄，以及被測(cè)試者生理狀態(tài)的主觀調(diào)查。

圖2 肌電皮溫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)流程框圖

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，實(shí)驗(yàn)人員檢查實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否完整完好，開啟并調(diào)試好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度環(huán)境；向被測(cè)試者講解本次實(shí)驗(yàn)的主要目的，詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)的流程和注意事項(xiàng)，并做好被測(cè)試者相關(guān)信息的登記。讓被測(cè)試者熟悉實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，解答有關(guān)實(shí)驗(yàn)問題。

4.2 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

向測(cè)試者介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，解釋實(shí)驗(yàn)流程步驟，安撫測(cè)試者情緒。測(cè)試JD/PW－5型電腦肌電皮溫檢測(cè)生物反饋儀以及PCATD模擬飛行平臺(tái)運(yùn)行是否正常，指導(dǎo)被測(cè)試者正確佩戴和使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，檢查肌電皮溫電極是否接觸良好，調(diào)整被測(cè)試者接受測(cè)試時(shí)的最佳位置和姿態(tài)。測(cè)試者在正式測(cè)試實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行3次適應(yīng)性模擬飛行訓(xùn)練，以熟悉機(jī)型顯控界面和駕駛操作程序，訓(xùn)練過程中打開設(shè)備程序，對(duì)測(cè)試者新建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收測(cè)試檢驗(yàn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

向被測(cè)試者提示實(shí)驗(yàn)測(cè)試與記錄開始，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置啟動(dòng)模擬飛行任務(wù)模式，使被測(cè)試人員處于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的測(cè)試狀態(tài)，并保持JD/PW－5型電腦肌電皮溫檢測(cè)生物反饋儀對(duì)被測(cè)試者生理參數(shù)的同步檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)信息數(shù)據(jù)的適時(shí)采集。根據(jù)被測(cè)試者分組以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置情況，有選擇性地停止檢測(cè)，并同步停止背后數(shù)據(jù)信息的采集。可根據(jù)實(shí)際情況讓測(cè)試者模擬實(shí)際飛行中可能出現(xiàn)的相關(guān)情境進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試結(jié)束后，各數(shù)據(jù)采集終端將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自行復(fù)制到后續(xù)數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中的共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域中，做好測(cè)試對(duì)象信息記錄。運(yùn)行計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)不同及合并程序，對(duì)飛行數(shù)據(jù)、肌電皮溫檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使飛行行為信息以及生理參數(shù)數(shù)據(jù)在相同的時(shí)間段內(nèi)以飛行數(shù)據(jù)的時(shí)間為基準(zhǔn)、以相同的頻率采樣和保存。運(yùn)用SPASS、Matlab等數(shù)據(jù)處理軟件針對(duì)不同飛行模式下的生理參數(shù)進(jìn)行差異性分析，分析不同飛行階段中測(cè)量量值的顯著性差異，探究不同飛行任務(wù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下的操縱行為以及肌電皮溫關(guān)聯(lián)性規(guī)律。結(jié)合NASA－TLX量表法、主觀負(fù)荷評(píng)價(jià)技術(shù)SWAT等主觀測(cè)量方法，對(duì)被測(cè)試飛行員的心理狀態(tài)和負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置和實(shí)施進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)束語(yǔ)

飛行員的操縱行為表現(xiàn)直接影響飛行安全，肌電皮溫檢測(cè)生理檢測(cè)技術(shù)在許多領(lǐng)域有著較為成熟的應(yīng)用，論文在分析肌電皮溫檢測(cè)技術(shù)基本原理基礎(chǔ)上，探討了其在飛行員操縱行為方面實(shí)驗(yàn)的可行性與可操作性，構(gòu)建了基于PCATD的肌電皮溫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)框架。通過設(shè)置包括飛行特情處置、不同性別、不同飛行經(jīng)歷以及不同飛行階段中的個(gè)體與群體差異性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，詳細(xì)設(shè)計(jì)了飛行員行為分析的實(shí)驗(yàn)實(shí)施方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)施流程以及數(shù)據(jù)的采集與分析等環(huán)節(jié)，為下一步開展飛行員安全評(píng)估與心理選拔提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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