飛行員夜視鏡的人機(jī)工效分析及效能提升方法

袁有志，宋建華，董保根，侯志剛，王詩(shī)薇，楊默遠(yuǎn)，張 丹

飛行員夜視鏡的人機(jī)工效分析及效能提升方法

袁有志1，宋建華2，董保根1，侯志剛1，王詩(shī)薇2，楊默遠(yuǎn)2，張 丹2

（1. 北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076；2. 云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650114）

飛行員夜視鏡在未來(lái)夜間空戰(zhàn)中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，但是佩戴夜視鏡飛行也帶來(lái)諸多安全問(wèn)題和人機(jī)工效問(wèn)題。為保證飛行員佩戴夜視鏡的飛行安全，同時(shí)提高夜視作戰(zhàn)效能，改善和提升飛行員夜視鏡的人機(jī)工效是重要途徑之一。本文分析了飛行員使用夜視鏡時(shí)的存在的典型人機(jī)工效問(wèn)題，從夜視鏡設(shè)備性能改進(jìn)、人員訓(xùn)練以及使用環(huán)境與時(shí)機(jī)3個(gè)方面給出了效能提升建議，為提高飛行員佩戴夜視鏡飛行安全性、高效性和舒適性提供適用性的解決方案。

飛行員夜視鏡；夜視兼容；人機(jī)工效

0 引言

近幾十年來(lái)，歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，戰(zhàn)爭(zhēng)往往都是從夜間空中作戰(zhàn)開(kāi)始，并且夜戰(zhàn)貫穿戰(zhàn)爭(zhēng)全過(guò)程，所占比重已超過(guò)晝間?？罩行袆?dòng)不間斷進(jìn)行，頻繁地運(yùn)用夜間作戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方的持續(xù)壓制與突擊，已成為現(xiàn)代空軍作戰(zhàn)的一個(gè)基本特征。美國(guó)國(guó)防預(yù)算報(bào)告（2008FY，Aviation Life Support Procurement Program Section，航空生命支持采辦程序部分）可知，美國(guó)空、海軍70%以上的空中行動(dòng)都在夜間進(jìn)行?？梢哉f(shuō)，夜戰(zhàn)能力已成為對(duì)現(xiàn)代空軍的基本要求，一旦失去夜戰(zhàn)能力，就基本喪失了制空權(quán)。在缺乏夜視能力時(shí)，空中作戰(zhàn)任務(wù)將會(huì)有極大的制約，例如：無(wú)法觀察地形地貌和高大建筑等障礙，不具備低空/超低空飛行能力；多機(jī)之間只能通過(guò)錯(cuò)高度層、增大距離等方式確保安全；占用大量精力關(guān)注飛行安全參數(shù)，影響任務(wù)執(zhí)行；允許機(jī)動(dòng)過(guò)載比白天大幅降低，空中作戰(zhàn)行動(dòng)的任務(wù)規(guī)模、靈活性、突防能力、生存力都將顯著下降。

隨著夜視技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行員夜視鏡成為夜間飛行及作戰(zhàn)任務(wù)的必備工具之一[1-2]，通過(guò)夜視鏡可以獲取周?chē)匦闻c障礙、關(guān)鍵目標(biāo)場(chǎng)景特征、空中他機(jī)位置/航跡及識(shí)別點(diǎn)等信息，能提高空軍夜間作戰(zhàn)能力，但受到各種因素的限制，夜視鏡存在顯示畫(huà)面視場(chǎng)小、圖像質(zhì)量不佳等問(wèn)題[3]，導(dǎo)致了飛行員獲取外圍信息能力降低、情景意識(shí)下降、容易出現(xiàn)視覺(jué)疲勞等，妨礙了飛行員安全執(zhí)行任務(wù)[4-6]，如1987-1993年，美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)共發(fā)生13起與佩戴夜視鏡相關(guān)的飛行事故[7]，1980-2000年的美國(guó)軍事直升機(jī)事故調(diào)查顯示在3179起飛行事故中與佩戴夜視鏡有關(guān)的事故有382起，占所有飛行事故的12%[8]。

為了減少佩戴夜視鏡對(duì)夜間飛行帶來(lái)的影響，提高飛行員夜間飛行及執(zhí)行任務(wù)的安全性，可以通過(guò)開(kāi)展飛行員夜視訓(xùn)練，有效提高飛行員對(duì)夜航環(huán)境危險(xiǎn)的辨識(shí)能力和夜間空中作戰(zhàn)能力。國(guó)外已經(jīng)有針對(duì)性地建立了夜視訓(xùn)練體系，例如北約組織于2007年已建立起夜視訓(xùn)練體系和相關(guān)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并且通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用已獲得顯著成效[9-10]；美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的作戰(zhàn)人員訓(xùn)練研究部開(kāi)發(fā)了夜視訓(xùn)練系統(tǒng)（night vision training system，NVTS），該系統(tǒng)提供高保真的夜視鏡圖像、夜視鏡模擬器訓(xùn)練和訓(xùn)練結(jié)果評(píng)估[11]；美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)搭建了增加雨、云、雪、灰塵、煙霧等天氣模擬技術(shù)的夜視鏡模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)[12]，用于開(kāi)展飛行員夜視輔助訓(xùn)練。

國(guó)內(nèi)從1984年開(kāi)始為飛行員開(kāi)展了包含地面錯(cuò)覺(jué)模擬訓(xùn)練在內(nèi)的航空生理訓(xùn)練[13]，研究飛行錯(cuò)覺(jué)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[14]，但一直缺乏基于夜間飛行的夜視訓(xùn)練系統(tǒng)。本文根據(jù)夜視鏡工效學(xué)相關(guān)資料以及飛行員佩戴夜視鏡試飛后的反饋情況等，整理佩戴夜視鏡在夜間飛行過(guò)程中存在的人機(jī)工效問(wèn)題，進(jìn)一步從設(shè)備性能提升、夜間飛行訓(xùn)練、夜視鏡使用環(huán)境和時(shí)機(jī)3個(gè)方面提出夜視鏡效能提升的方法。

1 夜視鏡在飛行中的人機(jī)工效分析

飛行員在飛行任務(wù)中使用夜視鏡時(shí)，由于自身生理心理因素、夜視鏡的技術(shù)條件，以及作戰(zhàn)環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生一系列的人機(jī)工效問(wèn)題[15]。

1）駕駛艙照明與夜視鏡的夜視兼容性

由于黑底綠字的辨識(shí)度高，可降低飛行員的視覺(jué)搜索時(shí)間，因此駕駛艙顯示屏大都是黑底綠字，如圖1[16]所示。在飛機(jī)上使用夜視鏡時(shí)，由于座艙外的夜空微弱照明與座艙內(nèi)的燈光照明會(huì)同時(shí)進(jìn)入夜視鏡參與成像，因此必須考慮裸眼從夜視鏡和座艙照明接收到的能量平衡和兼容，也就是要做到夜視兼容，否則會(huì)嚴(yán)重影響夜視鏡觀察效果[17]。

夜視兼容的目的是使裸眼能夠正常觀察艙內(nèi)儀表信息，且座艙照明不干擾使用夜視鏡對(duì)外觀察。夜視兼容在技術(shù)上可以通過(guò)波段分離法實(shí)現(xiàn)。其中，座艙照明系統(tǒng)僅使用665nm波長(zhǎng)以下的對(duì)于人眼敏感的可見(jiàn)光，不使用對(duì)于夜視鏡敏感的665nm波長(zhǎng)以上的紅光、近紅外輻射；而夜視鏡本身增加反藍(lán)濾光膜，阻止665nm波長(zhǎng)以下可見(jiàn)光入射參與成像[9,18-19]。

圖1 夜視兼容的座艙照明[16]

2）視野狹窄

標(biāo)準(zhǔn)型夜視鏡視場(chǎng)為圓形的40°，視野受限，距離及深度感降低。周邊視野的喪失，妨礙飛行員觀察儀表、估計(jì)飛機(jī)速度、高度以及判斷障礙物等，如圖2所示的典型場(chǎng)景的夜視鏡觀察圖像。

圖2 典型場(chǎng)景的夜視鏡觀察圖像

3）視力下降

夜視鏡的光學(xué)分辨力較低，視場(chǎng)內(nèi)亮度較高，會(huì)引起人眼不適或視覺(jué)功能下降，佩戴夜視鏡后視力僅達(dá)0.6～1.0，觀察效果不如晝視。

4）視性疲勞

夜視鏡增加了飛行員頭部的重量，易引起頸部肌肉的疲勞[20-21]。此外，因視野受限，飛行員還需要頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，容易產(chǎn)生視性疲勞。

5）操作不當(dāng)造成飛行員受傷

夜視鏡的佩戴需要緊貼與于飛行員面部，在事故中容易造成面部損傷[1]。此外，在飛機(jī)遭遇緊急狀況，飛行員需要彈射跳傘，此時(shí)如果手動(dòng)摘除夜視鏡時(shí)機(jī)把握不當(dāng)，彈射時(shí)容易造成頭部、頸部受傷。

6）焦距轉(zhuǎn)換帶來(lái)的不便

飛行員佩戴夜視鏡執(zhí)行夜航任務(wù)時(shí)，其關(guān)注點(diǎn)將會(huì)在艙外景物和艙內(nèi)儀表之間來(lái)回切換[21-24]，在看艙外景物需要通過(guò)夜視鏡觀察，在看艙內(nèi)儀表時(shí)則需要用裸眼觀察，這樣會(huì)造成睫狀肌調(diào)節(jié)過(guò)頻，產(chǎn)生頭暈、目澀和眼花等視覺(jué)癥狀，人眼屈光狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間在佩戴夜視鏡后明顯變長(zhǎng)。

7）虛假天地線(xiàn)錯(cuò)覺(jué)

夜間飛行時(shí)，由于光線(xiàn)昏暗，造成目視觀察天地線(xiàn)變得困難，自然天地線(xiàn)變得模糊不清或者不明顯時(shí)，飛行員容易將虛假的天地線(xiàn)當(dāng)成自然的天地線(xiàn)，產(chǎn)生虛假天地線(xiàn)錯(cuò)覺(jué)[25-27]。當(dāng)飛行員產(chǎn)生這種錯(cuò)覺(jué)后按照虛假天地線(xiàn)去定位操縱飛機(jī)，就可能使飛機(jī)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。

8）深徑覺(jué)改變

夜視鏡的成像原理導(dǎo)致了立體視覺(jué)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬉曈X(jué)，造成空間位置感差異，引起高度和距離判斷困難。

9）佩戴夜視鏡導(dǎo)致的空間定向障礙

夜視鏡的橫向及縱向視野縮小，導(dǎo)致立體視銳度減退，妨礙觀察儀表、估計(jì)速度、高度及判斷障礙物，增加判斷誤差，造成空間定向障礙[22,28-29]。

10）佩戴夜視鏡引起的色覺(jué)改變

夜視鏡顯示的是綠色影像，沒(méi)有受過(guò)訓(xùn)練的人可能會(huì)認(rèn)為地面全是植被。此外，不同亮度或不同光譜特性的物體在夜視鏡中呈現(xiàn)的視景為不同亮度的綠色，成像缺乏層次感[30]，而且人們白天往往通過(guò)色彩、明暗度判斷物體距離及高度，佩戴夜視鏡后使用相同的習(xí)慣會(huì)導(dǎo)致高度及距離的判斷出現(xiàn)誤差。

11）佩戴夜視鏡飛行的光譜敏感差異

夜視鏡對(duì)紅光的敏感性最大，而藍(lán)紫光敏感性差，所以紅光在夜視鏡下觀察時(shí)非常明亮，而藍(lán)紫光較暗[31]。紅光成像會(huì)更明亮，光暈更大，會(huì)誤導(dǎo)飛行員認(rèn)為紅色物體或發(fā)光物體更大、距離更近，而藍(lán)色物體或發(fā)光物更小、距離更遠(yuǎn)，甚至不能發(fā)現(xiàn)藍(lán)紫色物體。

12）佩戴夜視鏡飛行陰影中細(xì)節(jié)消失

夜視鏡在照度越低的條件下圖像質(zhì)量越差，景物的陰影處照度會(huì)更低。因此，陰影下的細(xì)節(jié)部分不易被看清。例如，山谷等較低地形在夜間會(huì)有明顯陰影，其中如果有高壓電線(xiàn)、建筑物或其他較高物體，佩戴夜視鏡后不易看清，會(huì)影響正常判斷地形及目標(biāo)。

13）夜視鏡光軸偏斜導(dǎo)致目標(biāo)距離誤判

長(zhǎng)期使用夜視鏡可能會(huì)發(fā)生光軸偏斜現(xiàn)象，如果兩條光軸均向內(nèi)偏，形成光線(xiàn)會(huì)聚，視網(wǎng)膜感受到的影像位置會(huì)比實(shí)際距離近，造成對(duì)目標(biāo)距離或大小的過(guò)低判斷[29]。

2 夜視鏡使用效能提升方法

針對(duì)上述人機(jī)工效問(wèn)題，可以從設(shè)備、訓(xùn)練、使用環(huán)境3個(gè)維度來(lái)考慮使用效能提升方法。

1）設(shè)備性能提升

目前國(guó)際上微光夜視鏡采用的主流技術(shù)是微光像增強(qiáng)器技術(shù)。由于飛行員夜視鏡在座艙內(nèi)的特殊使用環(huán)境，夜視鏡需要采用夜視兼容處理，增加了反藍(lán)濾光膜，665nm波長(zhǎng)以下的光譜被截止掉了（藍(lán)、綠光波段用于座艙顯示和照明，夜視鏡對(duì)藍(lán)綠光波段不響應(yīng)）。圖3[32]所示為微光像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)，在無(wú)月星光條件下等低照度環(huán)境下（10－4～10－3lx）增強(qiáng)器在700～900nm探測(cè)效率出色，可以發(fā)揮地面性能的70%～80%，具有較好的夜視效果。

此外，根據(jù)美國(guó)空軍調(diào)查，運(yùn)輸機(jī)飛行員廣泛認(rèn)為傳統(tǒng)微光夜視鏡的視場(chǎng)（40°）小于人眼正常觀察視場(chǎng)，導(dǎo)致飛行員需頻繁旋轉(zhuǎn)頭部掃描進(jìn)行觀察，增加了飛行員的疲勞感。針對(duì)該需求，美國(guó)ITT公司展開(kāi)了大視場(chǎng)夜視鏡的研制工作，將原有雙筒結(jié)構(gòu)更改為四筒結(jié)構(gòu)，將視場(chǎng)增加至100°×40°的環(huán)形視場(chǎng)，保證飛行員不需轉(zhuǎn)動(dòng)頭部便可觀察較大范圍內(nèi)的景物[3,9]，圖4[33]所示為美國(guó)ITT公司研制的大視場(chǎng)夜視鏡示意圖。

圖4 大視場(chǎng)夜視鏡[33]

2）人員訓(xùn)練

飛行員夜視鏡訓(xùn)練分為地面訓(xùn)練和飛行訓(xùn)練。

飛行員佩戴夜視鏡進(jìn)行飛行前，需要先進(jìn)行夜視鏡地面培訓(xùn)。夜視鏡地面培訓(xùn)主要包括夜視理論培訓(xùn)、夜視鏡操作培訓(xùn)、沙盤(pán)模擬訓(xùn)練、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬訓(xùn)練等。

夜視理論培訓(xùn)通過(guò)夜視理論及夜視鏡知識(shí)教學(xué)，使飛行員從理論到實(shí)踐對(duì)夜視成像、夜視兼容原理，夜視鏡使用、使用安全等有深刻理解。夜視理論培訓(xùn)主要內(nèi)容包括：夜視鏡的功能和原理、夜視鏡及附件安裝調(diào)試方法、夜視鏡地面調(diào)校設(shè)備使用方法、人體視覺(jué)生理、夜視環(huán)境中的視覺(jué)限制[28]、夜視鏡在應(yīng)用中的視覺(jué)限制、佩戴夜視鏡時(shí)對(duì)錯(cuò)覺(jué)/空間定向障礙的感受、飛行中使用夜視鏡危險(xiǎn)因素對(duì)人的影響、夜間視覺(jué)保護(hù)方法、艙內(nèi)外視景夜視鏡觀察方法、夜視鏡觀察注意力分配、佩戴夜視鏡時(shí)機(jī)組成員工作分配及疲勞管理、佩戴夜視鏡時(shí)對(duì)典型環(huán)境/目標(biāo)識(shí)別及認(rèn)知等。

夜視鏡操作培訓(xùn)是訓(xùn)練飛行員的夜視鏡實(shí)際使用操作、安裝解脫、夜視鏡調(diào)校檢測(cè)設(shè)備使用、體視感等技能，使飛行員熟練掌握夜視鏡操作技能和限制條件、綜合性能評(píng)價(jià)、電池電量檢測(cè)等裝備使用、緊急突發(fā)事件應(yīng)急處置技能。

沙盤(pán)模擬訓(xùn)練是讓飛行員佩戴夜視鏡觀察不同地貌環(huán)境（荒漠、水面、草原、山地、丘陵、峽谷、城市、機(jī)場(chǎng)、高壓電塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等）在不同光照條件（滿(mǎn)月、半月、無(wú)月、城市燈光、爆炸物閃光等）、不同角度下的夜視鏡成像特點(diǎn)，感受距離變化、速度變化時(shí)的夜視效果，使飛行員掌握夜視圖像特征、光效影響、夜視環(huán)境下危險(xiǎn)規(guī)避方法，累積夜視感知和危險(xiǎn)規(guī)避經(jīng)驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬訓(xùn)練是讓飛行員在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬夜視場(chǎng)景感知訓(xùn)練中，體驗(yàn)夜間飛行動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的模擬（如超低空飛行、編隊(duì)飛行、攻擊地面目標(biāo)、起降過(guò)程、威脅感知等）[22]，以及對(duì)佩戴夜視鏡產(chǎn)生的視野狹窄、視力減低、色覺(jué)變化、深度覺(jué)變化、運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)等人機(jī)工效問(wèn)題進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練[34]。

對(duì)于飛行訓(xùn)練，北約《STANAG7147夜視裝備訓(xùn)練的航空醫(yī)學(xué)問(wèn)題》中要求飛行員在接受夜視地面訓(xùn)練后3個(gè)月內(nèi)立刻開(kāi)展夜視飛行訓(xùn)練。飛行訓(xùn)練先從雙座機(jī)后艙訓(xùn)練開(kāi)始，在教官指導(dǎo)下最少飛行2h，熟練之后可以過(guò)渡到單座機(jī)飛行，而且在飛行訓(xùn)練中要根據(jù)飛機(jī)和飛行員的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整訓(xùn)練內(nèi)容[9]。佩戴夜視鏡飛行訓(xùn)練內(nèi)容包括：飛機(jī)調(diào)整、盲座艙、離機(jī)、基本和高級(jí)飛行動(dòng)作，機(jī)組人員工作管理、夜視鏡情況處置以及編隊(duì)飛行等。因?yàn)榕宕饕挂曠R對(duì)判斷距離和高度存在較大的偏差，所以在飛行訓(xùn)練中，要求起飛、著陸或空中加油訓(xùn)練時(shí)，不能佩戴夜視鏡[9]。

3）使用環(huán)境與時(shí)機(jī)

在執(zhí)行夜間飛行任務(wù)時(shí)，月相以及月亮的相對(duì)位置是需要重點(diǎn)考慮的因素。

在夜間有月條件下，月光為最重要的夜天光組成部分。不同的月相對(duì)應(yīng)不同的照度，照度值越高，夜視鏡成像細(xì)節(jié)越清晰、立體感和層次感越好。反之，若照度值較低，夜視鏡成像會(huì)較模糊，細(xì)節(jié)信息丟失，只能看清物體的大致輪廓。表1為不同月相的照度對(duì)應(yīng)表。為了保證良好的視覺(jué)效果，應(yīng)盡可能選擇在月相較好的條件下執(zhí)行飛行任務(wù)，以保證佩戴夜視鏡后的視覺(jué)效果和作戰(zhàn)方式與晝間盡量一致。

表1 月相和照度對(duì)照

此外，還應(yīng)考慮攻擊航線(xiàn)與月亮的夾角，盡量使攻擊航線(xiàn)順著月光。例如，當(dāng)月亮從東方升起時(shí)，作戰(zhàn)的計(jì)劃航向應(yīng)朝向北、南或西方向，應(yīng)該避開(kāi)從東北或東南方向發(fā)起攻擊，因?yàn)檫@樣會(huì)逆向月光，從而導(dǎo)致夜視鏡分辨目標(biāo)的效果受到影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

夜視夜戰(zhàn)能力是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中大國(guó)空軍必不可少的基本能力，夜視夜戰(zhàn)能力的形成和提升不僅僅依賴(lài)于夜視鏡本身的性能，也需要從人機(jī)結(jié)合的角度出發(fā)，充分考慮飛行員在使用夜視鏡時(shí)的人機(jī)工效問(wèn)題，摸清限制條件，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在有利的作戰(zhàn)環(huán)境中充分發(fā)揮人和裝備的優(yōu)勢(shì)，提升綜合作戰(zhàn)效能。

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Ergonomic Analysis of Pilot's Night Vision Goggles in Operational Use and Performance Improvement

YUAN Youzhi1，SONG Jianhua2，DONG Baogen1，HOU Zhigang1，WANG Shiwei2，YANG Moyuan2，ZHANG Dan2

(1.,100076,;2.,650114,)

Pilots' night vision goggles will play an increasingly important role in future night air combats. However, wearing night vision goggles will also lead to many safety and ergonomic problems. To ensure the flight safety of pilots wearing night vision goggles and to improve night vision combat effectiveness, it is important to enhance the ergonomics of pilots' night vision goggles. This study analyzes the typical ergonomic problems of pilots when they use night vision goggles and provides suggestions for efficiency improvement from three viewpoints: performance enhancement of night vision goggles, personnel training, and use of environment and opportunity. We provide a feasible solution to improve the safety, efficiency, and comfort of pilots wearing night vision goggles.

pilot’s night vision goggles, night vision compatibility, ergonomics

R857.13

A

1001-8891(2022)12-1287-06

2021-03-30；

2021-10-26.

袁有志（1982-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇杖藱C(jī)工效。E-mail: yuanyouzhi@163.com。

王詩(shī)薇（1991-），女，博士，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芗耙挂暢上窦夹g(shù)。E-mail:wangshiwei_124@163.com。