飛機(jī)著陸階段飛行員工作負(fù)荷分析

辛甜，羅志燕，蔣利添，蔣丹丹

(中國飛行試驗(yàn)研究院 試飛員中心，西安 710089)

1 引言

因?yàn)楹娇掌鞅旧淼倪\(yùn)行特點(diǎn)，使得飛行成為一種高危作業(yè)，根據(jù)研究表明，飛行事故多發(fā)生在飛行員工作負(fù)荷大的進(jìn)近和著陸階段，而且多是由人為差錯(cuò)引起的［1］，因此，對(duì)飛行員的工作負(fù)荷研究對(duì)飛行安全起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外針對(duì)工作負(fù)荷的研究從上世紀(jì)70 年代開始，已形成一套完整的體系，研究方法包括生理機(jī)能測(cè)量法和主觀評(píng)測(cè)法［2-5］，目前在航空航天、機(jī)械設(shè)計(jì)、軍事醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用［6-7］。

本文設(shè)計(jì)飛行試驗(yàn)對(duì)飛行員在著陸階段的工作負(fù)荷進(jìn)行研究，采用多種方法相結(jié)合的方式對(duì)飛行員進(jìn)行分析，找出工作負(fù)荷的變化規(guī)律以及影響工作負(fù)荷的因素，為提高飛行安全性提出建議。

2 工作負(fù)荷測(cè)量方法

本次試驗(yàn)采用生理機(jī)能測(cè)量法和主觀評(píng)測(cè)法相結(jié)合的研究方式對(duì)工作負(fù)荷進(jìn)行分析，其中主觀評(píng)測(cè)法包括美國航空航天局(NASA)的NASA-TLX 和試飛員填寫“試飛員評(píng)述”。

①生理機(jī)能測(cè)量法

生理機(jī)能測(cè)量采用空軍航空醫(yī)學(xué)研究所設(shè)計(jì)的胸帶式檢測(cè)儀。檢測(cè)儀主要由監(jiān)測(cè)主帶、記錄控制盒和數(shù)據(jù)分析軟件組成，監(jiān)測(cè)主帶連接記錄控制盒和3 個(gè)電極連接扣，并加有一個(gè)溫度傳感器(如圖1)。測(cè)量數(shù)據(jù)由專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如圖2)，可以得出測(cè)量階段每一時(shí)刻的心率、呼吸率數(shù)據(jù)。

圖1 胸帶式檢測(cè)儀

圖2 分析軟件界面圖

②NASA-TLX

NASA-TLX 是由美國航空航天局開發(fā)的一個(gè)多維的工作負(fù)荷主觀評(píng)價(jià)量表［8-9］。該方法將工作負(fù)荷來源細(xì)分為心理需求、體力需求、時(shí)間需求、作業(yè)績(jī)效、努力程度和挫折水平六個(gè)方面，試飛員按照自己的主觀感受分別進(jìn)行評(píng)分。

③試飛員評(píng)述

試飛員評(píng)述是目前在試飛工作中較為常用的一種評(píng)測(cè)方法。本次試驗(yàn)的評(píng)述內(nèi)容包括以下幾個(gè)具體問題:a、對(duì)任務(wù)完成情況是否滿意;b、佩戴的測(cè)試設(shè)備對(duì)飛行是否有影響;c、身體是否感到疲勞;d、飛行中是否有緊張、壓力或煩躁的情緒;e、飛機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面是否影響到了飛行;f、主觀評(píng)測(cè)中哪一項(xiàng)評(píng)分最高，為什么。

3 飛行試驗(yàn)準(zhǔn)備

①試驗(yàn)飛機(jī)

試驗(yàn)飛機(jī)采用注冊(cè)號(hào)為B -7947 的塞斯納172R 型飛機(jī)。飛機(jī)上加裝有一套R(shí)IG100 型捷聯(lián)式組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可精確測(cè)量載體在空間坐標(biāo)系中三個(gè)軸的姿態(tài)(傾斜、俯仰、偏航)、角速率、線加速度以及GPS 導(dǎo)航定位信息。

②試飛員團(tuán)隊(duì)

試驗(yàn)選用了7 名飛行員，其中4 人總飛行時(shí)間約為1 000 h，三人總飛行時(shí)間約為750 h，年齡30 -35 歲。

③機(jī)場(chǎng)條件

試驗(yàn)機(jī)場(chǎng)選用蒲城內(nèi)府機(jī)場(chǎng)，該機(jī)場(chǎng)擁有一條1 200 m* 45 m 的跑道和一條1 200 m* 15 m的平行滑行道，都為水泥道面。

4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1)飛行員進(jìn)入休息室后佩戴測(cè)試設(shè)備并檢查設(shè)備工作正常，計(jì)時(shí)作為時(shí)間零點(diǎn)，靜坐2 min以上，要求靜坐期間不能說話，平心靜氣，此時(shí)間段采集的數(shù)據(jù)將作為對(duì);

(2)比的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集完成時(shí)間應(yīng)不晚于起飛前20 min;

(3)由佩戴測(cè)試設(shè)備的飛行員在左座操縱飛機(jī)，按照機(jī)場(chǎng)管理程序正常開車滑出進(jìn)入跑道，右座飛行員記下時(shí)間;

(4)飛行試驗(yàn)軌跡設(shè)計(jì)為一個(gè)起落航線(如圖3)。飛機(jī)以10°襟翼構(gòu)型起飛，一邊以75 kt 的速度直線爬升，高度120 m 收襟翼，高度180 m 后無影響以20°坡度左轉(zhuǎn)進(jìn)入二邊，當(dāng)高度到達(dá)300 m 時(shí)改平飛，速度保持85 kt。

圖3 起落航線示意圖

(5)試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)為連續(xù)起落，為減小上一圈著陸階段以及起飛階段對(duì)下一次落地的影響，將三邊寬度設(shè)定為2 m。被測(cè)試飛行員按照程序沿著二邊、三邊進(jìn)行巡航。巡航過程中被測(cè)試飛行員快速完成巡航階段的NASA-TLX 表。

(6)在距離跑道中心4 m 處進(jìn)行三轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)保持300 m 高度，進(jìn)入四邊后放10°襟翼，保持85 kt 巡航速度。

(7)根據(jù)跑道位置四轉(zhuǎn)彎，對(duì)正后開始下降高度并放下20°襟翼，下降速度75kt。下降到200 m 或者150 m 后保持平飛，平飛速度75kt，右座飛行員記下時(shí)間。

(8)200 m 平飛時(shí)在距離跑道2 nm 時(shí)開始進(jìn)入著陸階段，150 m 平飛時(shí)在距離跑道1.5 nm 開始進(jìn)入著陸階段。右座飛行員記下時(shí)間。放30°襟翼，目標(biāo)下滑速度65 kt，調(diào)整好方向位置，對(duì)準(zhǔn)下滑點(diǎn)，保持3°下滑角。

(9)下降至6 m 拉開始，注意飛機(jī)姿態(tài)變化，微調(diào)飛機(jī)方向位置，1 m 拉平。

(10)著陸后控制飛機(jī)滑跑方向，右座飛行員調(diào)整襟翼到10°并發(fā)出口令“襟翼10”，被測(cè)試飛行員控制飛機(jī)連續(xù)起飛。起飛后右座飛行員記下時(shí)間并操縱飛機(jī)繼續(xù)爬升，左座飛行員完成NASA - TLX 表，完成后接手飛機(jī)準(zhǔn)備下一圈落地。

(11)每位飛行員完成5 圈。

(12)飛行結(jié)束后被測(cè)試飛行員主要針對(duì)工作負(fù)荷完成試飛員評(píng)述。

5 試驗(yàn)結(jié)果

飛行試驗(yàn)于2017 年11 月13 日在蒲城內(nèi)府機(jī)場(chǎng)進(jìn)行，氣溫14°C，場(chǎng)壓976HPA，能見度2 500 m 左右，風(fēng)向風(fēng)速穩(wěn)定。飛機(jī)測(cè)試設(shè)備以及生理機(jī)能測(cè)量設(shè)備都運(yùn)行良好。取得數(shù)據(jù)分析如下。

5.1 生理機(jī)能測(cè)量結(jié)果

將飛機(jī)加裝設(shè)備所采集的飛行數(shù)據(jù)與被測(cè)試飛行員身上攜帶的生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的生理機(jī)能數(shù)據(jù)相對(duì)比，截選出一部分得到圖4。

圖4 飛機(jī)氣壓高度與飛行員心率、呼吸率對(duì)比圖

從圖4 中可以看出在巡航階段，飛行員的心率比較平緩，平均心率在80 次/min 左右，而到了著陸階段，隨著高度的降低，心率逐漸升高，并在接地前心率達(dá)到最大值。呼吸率分布較為分散，規(guī)律不明顯。

為更加清楚的對(duì)比不同高度下心率與呼吸率的變化規(guī)律，現(xiàn)將巡航和著陸兩個(gè)過程按照高度分為300 m、200 m 至300 m、100 m 至200 m、30 m 至100 m 和30 m 以下五個(gè)階段。再將在地面測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加入對(duì)比。將各個(gè)階段的生理機(jī)能數(shù)據(jù)最大值、最小值和平均值進(jìn)行對(duì)比，如圖5。

圖5 各階段心率最大值、心率最小值和心率平均值對(duì)比圖

從圖5 中可以看出，由于在地面測(cè)量時(shí)為無壓力狀態(tài)，取得的心率數(shù)據(jù)都是最低的。在飛行階段的每一次著陸中，隨著高度的降低，最大心率、最小心率以及平均心率都出現(xiàn)了明顯的增大。

將呼吸率匯總可得到對(duì)比圖如圖6。

圖6 各階段最大呼吸率、最小呼吸率和平均呼吸率對(duì)比圖

由圖6 可見，無論是地面空中對(duì)比還是不同高度對(duì)比，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)分布分散，規(guī)律性不強(qiáng)，因此對(duì)工作負(fù)荷進(jìn)行研究時(shí)，呼吸率數(shù)據(jù)難以有效的反映出飛行員的工作負(fù)荷情況。

5.2 NASA-TLX 評(píng)分結(jié)果

飛行員針對(duì)著陸階段和巡航階段的NASA -TLX 評(píng)分對(duì)比如圖7。

圖7 著陸階段和巡航階段評(píng)分對(duì)比

從圖7 中可以看出，對(duì)比著陸階段和巡航階段，在六個(gè)維度中著陸階段都要大于巡航階段。這也體現(xiàn)出了兩個(gè)階段的工作負(fù)荷情況，但在對(duì)比飛行員各自的評(píng)分時(shí)，發(fā)現(xiàn)每名飛行員各自的工作負(fù)荷主要來源都不相同，對(duì)比差異最明顯的3 名飛行員結(jié)果如圖8。

圖8 不同飛行員各項(xiàng)評(píng)分對(duì)比圖

由圖8 可以看出，飛行員1 認(rèn)為體力負(fù)荷占的比重更大，而飛行員2 更注重業(yè)績(jī)水平和努力程度，飛行員3 則在受挫程度方面評(píng)分遠(yuǎn)大于其他兩名飛行員。為分析工作負(fù)荷增大的具體原因需要結(jié)合試飛員的評(píng)述結(jié)果。

5.3 試飛員評(píng)述結(jié)果

從圖8 中的三名試飛員的評(píng)述結(jié)果可以看出，著陸階段工作負(fù)荷增大的原因除了操縱量增大之外還包括:

飛行員1:①間隔時(shí)間較長，飛行對(duì)飛機(jī)和要執(zhí)行的程序都有些生疏;②出汗使得飛機(jī)操縱桿變滑，在著陸過程中感覺手腕酸疼;③油門桿的位置不合適，操縱油門時(shí)要向前彎腰，使得體力負(fù)荷加大。

飛行員2:①著陸程序要求與以往有差別，精度有所提高，在把握各項(xiàng)數(shù)據(jù)使飛行難度增大;②長時(shí)間注意力高度集中，造成了一定的大腦疲勞。

飛行員3:①著陸過程數(shù)據(jù)的嚴(yán)格要求使得腦力負(fù)荷變大，出現(xiàn)了注意力不集中;②飛機(jī)噪音很大，飛行中出現(xiàn)了煩躁情緒;③油門桿的設(shè)計(jì)問題造成的身體疲勞。

6 討論

從生理機(jī)能測(cè)量結(jié)果可以看出，在巡航階段，飛行員心率平緩，沒有大的波動(dòng)，而在著陸階段，隨著飛機(jī)高度的降低，飛行員心率明顯大幅度增加，這都是由于飛行員工作負(fù)荷大幅增加造成的，而大量的飛機(jī)事故出現(xiàn)在著陸階段也與工作負(fù)荷的大幅度增加息息相關(guān)，因此，應(yīng)該從飛機(jī)設(shè)計(jì)和飛行員培訓(xùn)兩方面著手降低飛行員在著陸階段的工作負(fù)荷，提高飛行的安全性。呼吸率數(shù)據(jù)分布比較分散，相關(guān)性不強(qiáng)，難以作為工作負(fù)荷研究的數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)比巡航階段和著陸階段的NASA -TLX 評(píng)分結(jié)果同樣可以得出著陸階段工作負(fù)荷遠(yuǎn)大于巡航階段的結(jié)論，而在分析不同飛行員的評(píng)分情況時(shí)，可以看出他們總分相差不大，但各自在不同項(xiàng)目的評(píng)分確相差甚遠(yuǎn)，這也體現(xiàn)出了NASA-TLX 方法細(xì)化工作負(fù)荷來源的優(yōu)越性，不僅提高了主觀測(cè)量的敏感度，還可以讓研究人員針對(duì)性的提出方案降低飛行員的工作負(fù)荷。

為進(jìn)一步探究著陸階段工作負(fù)荷增大的原因，試飛員認(rèn)真完成了評(píng)述內(nèi)容中的問題，從中可以得出，在著陸階段除了所需操縱量增大的因素外，對(duì)飛行感覺的生疏、對(duì)飛機(jī)的生疏、對(duì)飛行程序的生疏都會(huì)影響飛行員的工作負(fù)荷，而這些原因都是可以在飛行前解決的;另外，飛機(jī)座艙的不合理設(shè)計(jì)也會(huì)嚴(yán)重影響飛行員在駕駛過程中的工作負(fù)荷，例如塞斯納172 型飛機(jī)機(jī)駕駛盤過于光滑、油門桿位置太靠前以及座艙噪音大等問題，作為試飛員，應(yīng)在試飛階段多提出此類問題，在設(shè)計(jì)階段盡早解決。

7 總結(jié)

在航空安全人為因素中，因?yàn)槌ぷ髫?fù)荷引起信息獲取分析的失誤和決策錯(cuò)誤，是導(dǎo)致事故征候和事故發(fā)生的重要原因。本文以此為背景，利用生理機(jī)能測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面對(duì)飛行員在著陸階段的工作負(fù)荷進(jìn)行了評(píng)定，得出結(jié)論:①應(yīng)從飛機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)、法規(guī)、訓(xùn)練、安全教育等多方面入手保證飛行著陸階段的安全;②利用生理測(cè)量方法研究工作負(fù)荷時(shí)應(yīng)慎重使用呼吸率數(shù)據(jù);③飛機(jī)的人機(jī)工效設(shè)計(jì)對(duì)飛行員的工作負(fù)荷有著直接影響，因此在試飛階段試飛員應(yīng)針對(duì)人機(jī)工效設(shè)計(jì)問題多提意見，降低飛行員的工作負(fù)荷;④飛行員飛行間隔時(shí)間不能過長，在執(zhí)行陌生的任務(wù)前應(yīng)仔細(xì)準(zhǔn)備，以此來降低飛行時(shí)的工作負(fù)荷。