飛行任務(wù)負(fù)荷下疲勞的監(jiān)測及干預(yù)措施淺析

楊菁華，程 珊，孫繼成，叢 林，王 麗，吳建全，宋春楊,5，劉 翠，馬 進(jìn)，胡文東

(1空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系醫(yī)學(xué)裝備教研室，陜西 西安710032； 2空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部軍事科技英語教研室，陜西 西安 710051； 3陜西省軍區(qū)西安第十一離職干部休養(yǎng)所，陜西 西安 710077； 4空軍第九八六醫(yī)院北區(qū)腹腔鏡外科，陜西 西安 710054； 5解放軍第95926部隊衛(wèi)生隊，吉林 長春 130103)

新的軍事變革使各類軍事作戰(zhàn)人員都將面臨一些新的挑戰(zhàn)，比如跨晝夜長航時機(jī)動作戰(zhàn)能力及連續(xù)作戰(zhàn)能力、成倍增長的信息融合及處理能力等。人因最靈活卻又最不穩(wěn)定的特點(diǎn)成為人機(jī)交互系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，短板效應(yīng)越來越明顯。2020年12月1日，美國國家軍事航空安全委員會發(fā)布《2013—2020年航空事故報告》[1]，在2013—2020年的非戰(zhàn)斗行動中，美軍航空事故造成198名軍事人員和平民死亡。在這些事故中，損毀或損壞的設(shè)備總成本超過 94.1億美元，其中包括157架飛機(jī)被毀。報告指出，80%的航空事故為人因失誤。在人因失誤中，人員疲勞導(dǎo)致的“判斷和決策錯誤”是最主要因素之一[1]。

1 飛行任務(wù)負(fù)荷對疲勞的影響

目前對疲勞沒有完全統(tǒng)一的概念，不同的學(xué)科對疲勞定義也有所不同。但形成共識的是，疲勞會使得飛行員警覺性降低，導(dǎo)致操作效率降低，失誤增加，長期應(yīng)激會影響身體健康，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)毀人亡等災(zāi)難性后果[2]。

有學(xué)者認(rèn)為，疲勞是由于睡眠不足、長時間的腦力或體力勞動、長時間的壓力或焦慮而導(dǎo)致勞累、困倦或瞌睡的狀態(tài)，無聊或重復(fù)的任務(wù)會加劇疲勞感[3]。疲勞是一個漸進(jìn)和累積的過程，被認(rèn)為與不愿繼續(xù)付出努力、抑制感和精神表現(xiàn)障礙、效率和警覺性降低有關(guān)[4-5]。還有用特征描述來概念化疲勞的，如工作能力降低、動力或?qū)Υ碳し磻?yīng)能力的喪失，通常伴有疲憊和厭倦感。

國際民航組織將疲勞定義為：一種心理或生理表現(xiàn)能力下降的狀態(tài)，由睡眠不足、晝夜節(jié)律紊亂、心理或生理負(fù)荷造成，可能降低人的警覺性和執(zhí)行安全相關(guān)操作的能力[6]。

疲勞可以分為精神疲勞和體力疲勞。相對于有明顯生理狀態(tài)變化的體力疲勞，精神疲勞是指由長時間連續(xù)的認(rèn)知活動或任務(wù)引起，涉及行為反應(yīng)、注意力、情緒、動機(jī)等多個維度的心理狀態(tài)變化。精神疲勞對客觀行為的影響先于主觀報告，所以從客觀行為指標(biāo)上對精神疲勞進(jìn)行有效監(jiān)測具有重要的理論價值和應(yīng)用意義。

飛行任務(wù)負(fù)荷以及類型對精神疲勞影響較大。在航空領(lǐng)域，飛行員在超負(fù)荷或低負(fù)荷飛行條件下的疲勞感和感知反應(yīng)尤其會發(fā)生變化。戴斯蒙將疲勞區(qū)分為主動疲勞和被動疲勞[7]。在監(jiān)控任務(wù)中，由于任務(wù)要求持續(xù)(長時間)的知覺活動協(xié)調(diào)參與而造成的疲勞稱為主動疲勞，由于任務(wù)要求很少的知覺活動參與、長時間的單調(diào)反應(yīng)所造成的疲勞稱為被動疲勞。

主動疲勞是由睡眠不足或主觀心理資源消耗所導(dǎo)致的。在惡劣天氣條件下，比如狂風(fēng)暴雨，飛行員需要同時處理多個任務(wù)以管理駕駛艙復(fù)雜的儀表，往往會頻繁調(diào)動心理資源來滿足這些任務(wù)的高需求，因此主動疲勞與飛行高任務(wù)負(fù)荷相關(guān)。被動疲勞則是由于作業(yè)環(huán)節(jié)單調(diào)乏味、缺乏刺激或激勵而引起的，因而需要很少的控制行為，與飛行低任務(wù)負(fù)荷相關(guān)。

綜上所述，高負(fù)荷狀態(tài)下的主動疲勞和低負(fù)荷狀態(tài)下的被動疲勞都會對警覺性產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致在某些情況下的工作能力下降，這可能導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故和死亡風(fēng)險。

2 飛行任務(wù)負(fù)荷在疲勞發(fā)展中的作用

機(jī)艙的噪聲和振動、氣壓變化、長途飛行、高負(fù)荷工作、晝夜節(jié)律紊亂、睡眠不足等因素都可能導(dǎo)致飛行員經(jīng)常處于疲勞狀態(tài)。持續(xù)飛行任務(wù)負(fù)荷會使飛行員進(jìn)入生理疲勞狀態(tài)，反應(yīng)遲緩、決策能力下降，容易造成工作差錯，進(jìn)而帶來一系列的負(fù)面情緒，如消沉、煩躁易怒等，引發(fā)心理疲勞。同時，飛行員持續(xù)疲勞時間若過長，也會造成與他人難相處、易做噩夢的現(xiàn)象，即使之前引發(fā)的生理性疲勞已消除，也會出現(xiàn)新的生理疲勞狀態(tài)，如注意力不集中、頭痛等反應(yīng)。

飛行員的工作屬性決定了其需要在高負(fù)荷以及高應(yīng)激工作環(huán)境下做出快速而準(zhǔn)確的決定，然而持續(xù)作業(yè)負(fù)荷以及任務(wù)的單調(diào)性極易誘發(fā)心理和生理疲勞，疲勞會使人的警覺度和態(tài)勢感知水平降低、決策能力下降，甚至情緒調(diào)控也會變?nèi)?。不同程度的腦力疲勞狀態(tài)對人體的生理、心理功能的影響是不同的。當(dāng)人能夠感覺到疲勞并采取預(yù)防或應(yīng)對措施時，其生理、心理功能實(shí)際上已明顯下降，處于重度腦力疲勞狀態(tài)；另外，由于人體代償機(jī)制，雖然在輕度腦力疲勞時人并不能感知到疲勞，且部分作業(yè)績效依然可以維持在一定水平，然而此時某些工作能力比如注意力和警覺性已經(jīng)受損，安全隱患實(shí)際已較大，此種狀態(tài)極易導(dǎo)致以腦力負(fù)荷為主的飛行人員“錯、忘、漏”等失誤行為增多，更易引起安全事故。另外，由于飛機(jī)操作/操縱環(huán)境的復(fù)雜性和導(dǎo)致疲勞的各種原因，空中作戰(zhàn)時，飛行員的精神疲勞和嗜睡可能會上升到其難以接受的程度，影響飛行性能和態(tài)勢感知，進(jìn)而危及安全。

因此，如何使用非侵入性方式和客觀指標(biāo)快速準(zhǔn)確地實(shí)時評估和預(yù)警飛行疲勞，已成為航空安全領(lǐng)域迫切需要解決的重大科學(xué)問題。飛行員疲勞識別對于實(shí)現(xiàn)疲勞風(fēng)險控制、健康管理和實(shí)時安全預(yù)警具有重要的理論和實(shí)踐意義。

3 飛行任務(wù)負(fù)荷下疲勞監(jiān)測方法

疲勞測量和預(yù)測可以使用多種非侵入性方法和工具來完成，主要分為客觀評估和主觀評估兩大類[8]。

3.1 客觀評估

3.1.1 適任評估測試 在適任評估測試中，工作前評估用于評估人員在工作周期之前是否具有足夠的警惕性/工作能力。這些測試主要測量人員的表現(xiàn)或眼動反應(yīng)(例如眼球運(yùn)動和瞳孔對光的反應(yīng))。鑒于警覺和疲勞狀態(tài)下的神經(jīng)行為表現(xiàn)不同，據(jù)此設(shè)計了許多適任評估測試，以確定操作人員是否可以安全開始工作，或他們是否顯示疲勞狀態(tài)。一般來說，這些測試旨在評估以下執(zhí)行功能：①警惕性；②眼球運(yùn)動的反應(yīng)；③肢體-眼睛協(xié)調(diào)。

這些測試通常簡單易行，有助于檢測和量化工作日前的睡眠債務(wù)，但無法檢測工作日開始后累積的睡眠債務(wù)。

3.1.2 飛行員實(shí)時監(jiān)測 當(dāng)飛行員疲勞時，他們的心臟功能、神經(jīng)功能、呼吸功能和其他相關(guān)功能也隨之變化。因此，常常通過腦電、心電、肌電、眼動、近紅外、立位平衡、面部識別裝置、核磁或皮溫皮阻等其他生理指標(biāo)來監(jiān)測疲勞狀態(tài)[9-14]。由于操作簡便、對疲勞較為敏感、非侵入性等優(yōu)點(diǎn)，立位平衡功能評估已逐步成為客觀疲勞評估領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近紅外以及腦電因?yàn)闊o創(chuàng)、高時間分辨率及直接反應(yīng)腦皮層活動等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到腦疲勞研究中。腦電被公認(rèn)為是疲勞監(jiān)測的“金標(biāo)準(zhǔn)”[15-17]。心電反映心臟的活動，心律與自主神經(jīng)系統(tǒng)之間存在相關(guān)性。自主神經(jīng)系統(tǒng)由交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)組成，能夠調(diào)節(jié)人體的覺醒水平。在疲勞的過程中，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動會發(fā)生顯著變化。因此，人的疲勞狀態(tài)也可以通過心電信號在一定程度上反映出來。另外，采用紅外眼動記錄的方法，測量眨眼過程中眼瞼閉合與睜開的速率以及閉眼持續(xù)時間可以評估嗜睡狀態(tài)和疲勞。采集的面部圖像進(jìn)行處理，得到面部表情狀態(tài)特征，根據(jù)面部表情狀態(tài)特征判斷是否疲勞。以上方法精確有效、客觀，但是依然需要使用傳感器、電線或者電極等接觸身體，會使飛行員感覺不適或者影響飛行操作，在飛行中使用依然需要更加便攜、方便操作的設(shè)備。

3.1.3 基于績效的監(jiān)測 基于績效的監(jiān)測系統(tǒng)通常為非侵入性?？蓪︼w行任務(wù)相關(guān)的主要任務(wù)(如駕駛時的速度跟蹤表現(xiàn))進(jìn)行績效測量，也可以就次要任務(wù)(如反應(yīng)時間)進(jìn)行測量。在理想情況下，主要任務(wù)和次要任務(wù)的早期表現(xiàn)下降都可以作為績效即將下降的早期預(yù)警。國內(nèi)外研究團(tuán)隊依據(jù)此理論研究了多種系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，也取得了較好的效果。但由于人體的代償反應(yīng)，在輕度疲勞時，績效水平存在著不降且依然維持在較好水平的可能性。

3.1.4 飛行數(shù)據(jù)監(jiān)測 飛行數(shù)據(jù)監(jiān)測是對飛行參數(shù)的系統(tǒng)評估，可以識別重大安全事件，確定操作風(fēng)險區(qū)域，并量化現(xiàn)有的安全裕度。

3.2 主觀評估

采用客觀方法進(jìn)行疲勞評估具有良好的信度和效度。然而，許多特定的基于實(shí)驗(yàn)室的精神或神經(jīng)認(rèn)知測試很難進(jìn)行客觀測評。因此，對于飛行安全所需要的多方面技能來說，尤其需要主觀評估。疲勞自評量表主要包括自評量表、航空安全報告(Aviation Safety Report，ASR)和疲勞預(yù)測。

3.2.1 自評量表 主觀自評量表和問卷是評估飛行員疲勞的重要來源之一?？_林斯卡嗜睡量表、Samn-Perelli 7級疲勞量表、美國航空航天局任務(wù)負(fù)荷指數(shù)量表、斯坦福睡意量表被公認(rèn)為信效度高，且應(yīng)用廣泛。主觀量表由飛行員根據(jù)自己的主觀感受進(jìn)行填寫，雖然操作簡便，但存在個體差異影響大、客觀性較差的缺點(diǎn)。

3.2.2 ASR ASR是在飛行過程中發(fā)生安全事件時由機(jī)長撰寫的一份強(qiáng)制性報告?？ㄙe團(tuán)隊研究了563例疲勞相關(guān)ASR，發(fā)現(xiàn)事前休息時間與工作時間之間存在明顯的交互作用。對于較短的工作日，休息時間對ASR頻率無顯著影響。工作時間延長到3～5 h，休息時間較短的航班發(fā)生ASR的頻率明顯高于休息時間正常的航班。但是對于最長工作時間，ASR頻率在減少休息時間和標(biāo)準(zhǔn)休息時間之間不再有顯著差異。這是因?yàn)楫?dāng)疲勞達(dá)到很高水平時，機(jī)組人員傾向于制定策略來保持他們的性能，從而將風(fēng)險降到最低。

3.2.3 疲勞預(yù)測 傳統(tǒng)的疲勞預(yù)測模型直接預(yù)測疲勞，用戶需要輸入工作和睡眠時間，以預(yù)測工作日每個小時的警覺性、疲勞、表現(xiàn)和(或)風(fēng)險。最近，生物數(shù)學(xué)模型也被用于預(yù)測睡眠時長和預(yù)期表現(xiàn)水平(考慮了任務(wù)時間、預(yù)測睡眠、晝夜節(jié)律等的影響)以及休息日的預(yù)計恢復(fù)量和時間。然而，這些模型的可靠性還有待驗(yàn)證。預(yù)測個體疲勞反應(yīng)的新一代生物數(shù)學(xué)模型被稱為就緒篩選工具，它能夠定期收集個體的認(rèn)知、行為和生理測量數(shù)據(jù)，以預(yù)測作業(yè)者完成某些任務(wù)的準(zhǔn)備情況。這些工具有可能更好地捕捉個體疲勞反應(yīng)的差異，但不能預(yù)測實(shí)際的長期表現(xiàn)。

4 飛行任務(wù)負(fù)荷下疲勞干預(yù)方法

疲勞干預(yù)方法可以歸類于飛行前、中、后的對策或工具以及安全管理系統(tǒng)，主要包括：①鍛煉。平常可進(jìn)行有規(guī)律的健身運(yùn)動以增強(qiáng)體能儲備，可以在執(zhí)行任務(wù)時有效地抵抗疲勞，但是執(zhí)行任務(wù)前需要避免劇烈運(yùn)動。②飲食。平時飲食可以增加機(jī)體色氨酸和酪氨酸含量，提高中樞5-羥色胺、褪黑素和兒茶酚胺水平，有助于保證高質(zhì)量睡眠和高持續(xù)性的覺醒狀態(tài)；避免攝入過多高脂肪食物，防止膽囊收縮素水平升高、嗜睡感和疲勞感加重。③小睡?？Х纫虻扰d奮劑有助于保持清醒，但無法解決睡眠不足的問題。因此，建議在維持日常工作的同時減少睡眠債務(wù)。執(zhí)行高任務(wù)負(fù)荷的飛行員經(jīng)常在值夜前、飛行中或值夜后小睡以對抗疲勞。④光照。在駕駛艙使用強(qiáng)光，提高飛行儀表板的照明水平，特別是在夜間，可能會暫時提高或至少保持機(jī)警性和駕駛艙內(nèi)的性能。增加顏色種類，特別是藍(lán)光，有利于增加警覺性。⑤藥物。一些處方藥，如右旋安非他命或莫達(dá)非尼，也可以提高駕駛艙內(nèi)的警惕性，同時也可以使用中醫(yī)療法(比如穴位或者中藥等)對疲勞進(jìn)行干預(yù)。⑥設(shè)備。還有研究利用簡單易操作的設(shè)備進(jìn)行疲勞干預(yù)。美國懷特空軍基地生物醫(yī)藥研究人員、國防科技公司的心理學(xué)家林德森團(tuán)隊2021年6月利用頸部經(jīng)皮迷走神經(jīng)刺激原理，研究出可大幅度改善疲勞狀態(tài)下的認(rèn)知能力和情緒狀態(tài)的一種游戲手柄樣的設(shè)備[18]。⑦管理。除了不斷優(yōu)化并執(zhí)行飛行疲勞風(fēng)險管理體系，歐洲航空安全組織還列出了一組生活方式實(shí)踐指南[19]，可以幫助預(yù)防疲勞和(或)減輕其后果，包括給予足夠的放松或者療養(yǎng)時間，情緒(抑郁、壓力、焦慮)控制指南，平衡生活和工作，食用促進(jìn)睡眠的食物等。

5 結(jié)語

廣義來說，疲勞有各種各樣的定義，大多與工作強(qiáng)度、持續(xù)時間以及恢復(fù)時間有關(guān)。當(dāng)前對于疲勞的研究著重于疲勞對安全的影響、疲勞預(yù)測、疲勞干預(yù)和管理等領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是因?yàn)槠诓荒苤苯佑^測，只能通過具體的特征進(jìn)行評測，且缺乏公認(rèn)的疲勞標(biāo)準(zhǔn)，對某時刻的飛行員所處的疲勞等級沒有統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)，且疲勞是一個復(fù)雜的過程，是一系列因素相互作用的結(jié)果，存在個體差異性，在疲勞的建模和監(jiān)測方面依然存在很多困難，現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)備不夠理想，不利于廣泛推廣和實(shí)施監(jiān)測[20]。

鑒于航空業(yè)的迅速發(fā)展，加之飛行工作的性質(zhì)對身體和認(rèn)知的要求高，工作日程呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，工作時間長，因此對飛行疲勞的研究更加迫切。建議將未來的研究重點(diǎn)放在解決以上問題，且可以更精確地對飛行員當(dāng)下和未來的疲勞狀態(tài)和工作能力的監(jiān)測和預(yù)測方面，比如可以探索與疲勞更相關(guān)的最可靠的眼動特征等[21]。同時，科學(xué)的疲勞緩解和干預(yù)措施至關(guān)重要，此類措施可以包括優(yōu)化工作時間表，開發(fā)更客觀的工具、實(shí)時且便攜的監(jiān)測睡眠和疲勞的設(shè)備等。