基于模擬仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺建設(shè)與應(yīng)用

摘" 要：飛行中的人為因素是民航系統(tǒng)的重要組成部分，是保障飛行安全的關(guān)鍵。飛行中的人為因素作為提高飛行員技術(shù)能力和非技術(shù)能力的核心課程越來越受到重視。該文在高性能飛行訓(xùn)練器的基礎(chǔ)上，融合無線傳感技術(shù)、模擬飛行評分系統(tǒng)等設(shè)備，提出基于模擬仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺建設(shè)方案。該實驗教學(xué)平臺的建設(shè)作為課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充，主要由多維信息交互教學(xué)實驗、人機(jī)工效教學(xué)實驗以及認(rèn)知工效教學(xué)實驗3部分組成?；谀M仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺兼顧飛行技術(shù)專業(yè)特色，更新傳統(tǒng)的飛行中的人為因素課堂教學(xué)模式，形成數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和精細(xì)化的教學(xué)體系，解決目前飛行中的人為因素教學(xué)過程中理論與實踐脫節(jié)問題，促進(jìn)教師教學(xué)方法與模式的改進(jìn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與獨(dú)立思考的能力，為進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量與培養(yǎng)高素質(zhì)飛行學(xué)員具有重要意義。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)平臺；模擬仿真；飛行中的人為因素；飛行安全；人機(jī)工效實驗

中圖分類號：G642" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）29-0007-04

Abstract： The human factor in flight is an essential component of the civil aviation system， which is critical to flight safety. As a result， the human factor in flight is becoming increasingly important as a core course for pilots to develop their technical and non-technical skills. In this paper， wireless sensor technology， a flight simulation scoring system， and other equipment are incorporated on the foundation of a high-performance flight trainer. In addition， a simulation-based construction plan for human factors in flight teaching experiment platform is provided. As an extension and supplement of classroom teaching， the experimental platform is mainly composed of three parts： multi-dimensional information interaction teaching experiment， human-aircraft ergonomics teaching experiment， and cognitive ergonomics teaching experiment. Simulation-based teaching experiment platform for human factors in flight， the characteristics of flight technology specialty are also taken into account， and the traditional classroom teaching model of human factors in flight is updated. Then， the digital， intelligent， systematic and refined teaching system is formed to solve the problem of disconnection between theory and practice in the current teaching process of this course. Teachers are encouraged to improve their teaching methods and modes， as well as students' learning motivation and ability to ponder over a problem independently. What's more， it is of great significance to further improve the quality of teaching and training high-quality flight students.

Keywords： experimental teaching platform; analog simulation; human factors in flight; flight safety; ergonomic experiment

基金項目：2021年教育部第一批產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同育人項目“基于訓(xùn)練設(shè)備的《飛行中人的因素》實驗課程體系”（202101042005）；2021年江蘇省高等教育教改研究課題“面向全生命周期管理的飛行卓越人才培養(yǎng)模式研究與實踐”（2021JSJG206）；2022年江蘇省高校實驗室研究會研究課題“面向PLM的飛行人因工程實驗教學(xué)改革研究”（GS2022YB23）；2022年南京航空航天大學(xué)實驗技術(shù)研究與開發(fā)項目“基于空間定向訓(xùn)練的《飛行中人的因素》實驗技術(shù)與測試方法研究”（SYJS202207Y）；2022年南京航空航天大學(xué)通用航空與飛行學(xué)院教育教學(xué)改革與建設(shè)項目“面向PLM的《飛行中的人為因素》實踐教學(xué)課程建設(shè)”（2022JX20KC04）

第一作者簡介：汪海波（1990-），男，漢族，山東淄博人，博士，講師。研究方向為飛行中的人因工程。

*通信作者：司海青（1976-），男，漢族，山東鄒城人，博士，教授。研究方向為飛行中的人因工程。

習(xí)近平總書記在會見四川航空“中國民航英雄機(jī)組”全體成員時強(qiáng)調(diào)，安全是民航運(yùn)輸業(yè)的生命線，任何時候任何環(huán)節(jié)都不能麻痹大意……始終把安全作為頭等大事來抓[1]。Elisabeth Martin在波音公司《商用噴氣式飛機(jī)事故（1959—2020年全球運(yùn)營情況）》報告中提出“航空安全是一個持續(xù)改進(jìn)的過程”[2]。隨著航空運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，飛行事故隨著飛機(jī)架次的增加而不斷發(fā)生，在導(dǎo)致的這些事故中約60%是由人的因素造成的。而這些人的因素中又有超過半數(shù)是由于飛行機(jī)組的決策失誤以及飛行員自身的不正當(dāng)操作引起的。

在人-機(jī)-環(huán)境組成的復(fù)雜民航系統(tǒng)中，人是民航系統(tǒng)運(yùn)行的主體，其中，飛行員是保障飛行安全的最后一道防線。針對如何提高飛行員的可靠性，最大限度地預(yù)防和避免由飛行員判斷、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻陌踩珕栴}，一直是國際民航組織等廣泛關(guān)注的重要問題。

我國民航發(fā)展始終秉持安全第一的管理理念，堅守飛行安全底線，加強(qiáng)飛行員隊伍建設(shè)。2020年12月25日，民航局發(fā)布了《中國民航運(yùn)輸航空飛行員技能全生命周期管理體系建設(shè)實施路線圖》，堅持關(guān)口前移、源頭管控、預(yù)防為主、綜合治理的方針，強(qiáng)調(diào)飛行員從“飛行學(xué)員→副駕駛→機(jī)長”這一飛行職業(yè)全生命周期各階段飛行員資質(zhì)的技能學(xué)習(xí)與訓(xùn)練[3]。飛行中的人為因素作為民航局教學(xué)大綱中飛行技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，貫穿于飛行員全生命周期學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的始終。

一" 飛行中的人為因素課程概述

飛行中的人為因素是人因工程學(xué)在飛行領(lǐng)域中的運(yùn)用，其以實現(xiàn)飛行安全和飛行效益為宗旨，具有多學(xué)科交叉的特性，不僅是一門涉及航空心理學(xué)、航空工效學(xué)、航空醫(yī)學(xué)、航空生理學(xué)、人體測量學(xué)、生物力學(xué)和飛行事故調(diào)查學(xué)等理論知識的課程，同時還涵蓋飛行員獲取“儀表等級”“私照”“商照”以及“航線運(yùn)行執(zhí)照”等從業(yè)執(zhí)照的理論與實踐知識[4-5]。飛行中人的因素課程知識框架如圖1所示。

飛行中的人為因素在飛行技術(shù)能力和非技術(shù)能力的培養(yǎng)過程中扮演著重要角色，培育兼具技術(shù)能力和非技術(shù)能力的飛行員是飛行技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)當(dāng)務(wù)之急。其中技術(shù)能力是針對操控飛機(jī)技術(shù)的熟練性和有效性而言，指飛行員安全順利完成飛行任務(wù)所必需具備的、精確熟練操縱飛機(jī)的一系列技術(shù)性操作要素，包括對速度、航向、高度等飛行狀態(tài)的各種控制；非技術(shù)能力是針對機(jī)組資源管理、生理、心理以及行為等內(nèi)在條件而言，如飛行檢查單的交互檢查、交流與協(xié)作、工作負(fù)荷管理、情景意識、認(rèn)知能力、情感和態(tài)度，以及應(yīng)激管理等方面，其目的在于通過提高人的可靠性來對抗飛行員的失誤[6]。目前飛行中的人為因素教學(xué)過程中仍存在著重理論、輕實踐、缺乏對實際情況的分析等問題，并且實踐教學(xué)也缺乏合理的規(guī)劃和有效的平臺支撐，實驗課時占比少，不夠系統(tǒng)，不能滿足面向全生命周期高素質(zhì)飛行員培養(yǎng)的需求[7]。因此，在已有理論教學(xué)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)實驗平臺建設(shè)是飛行中的人為因素教學(xué)中急需解決的核心問題。通過創(chuàng)新教學(xué)手段與方法，基于模擬仿真建立完善的“飛行中人的因素”教學(xué)實驗平臺，推進(jìn)“數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)”，實現(xiàn)飛行中人的因素教學(xué)的數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和精細(xì)化。

二 飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺簡介

本文基于Prepar3D模擬仿真技術(shù)，結(jié)合無線傳感設(shè)備、多媒體設(shè)備、主觀評價量表、模擬飛行評分系統(tǒng)和飛行訓(xùn)練轉(zhuǎn)移等搭建飛行中人的因素教學(xué)實驗平臺?；赑repar3D開發(fā)的模擬仿真實驗平臺集成了飛行仿真、運(yùn)動系統(tǒng)仿真、視景仿真、座艙設(shè)備仿真、儀表系統(tǒng)仿真、航空氣象和環(huán)境仿真等多項技術(shù)的綜合性技術(shù)，可以實現(xiàn)多人模擬飛行，具有較高的仿真度、較強(qiáng)的沉浸感等特點[4，8]。

無線傳感設(shè)備主要包括用于行為監(jiān)測的高清攝像頭以及心電、皮電、呼吸、脈搏及眼動等可穿戴生理采集設(shè)備，實現(xiàn)在教學(xué)過程中對飛行員生理特征的獲取。主觀評價量表主要結(jié)合工作負(fù)荷、心理、情感、性格和態(tài)度等測評量表對飛行學(xué)員的心理狀態(tài)進(jìn)行評估。模擬飛行評分系統(tǒng)主要針對飛行學(xué)員模擬飛行過程中完成盲降進(jìn)近、本場五邊飛行等典型科目時的高度、速度、航向等參數(shù)誤差進(jìn)行打分測評。飛行訓(xùn)練轉(zhuǎn)椅觸發(fā)飛行學(xué)員的傾斜錯覺、反旋轉(zhuǎn)錯覺以及科里奧利錯覺等飛行錯覺。

借助于該實驗教學(xué)平臺，不僅可以使飛行學(xué)員在理論學(xué)習(xí)階段就對飛行環(huán)境對飛行員的影響、情景意識與飛行安全的關(guān)系、心理-生理-行為特征、認(rèn)知能力、差錯與管理以及機(jī)組資源管理等知識進(jìn)行充分學(xué)習(xí)，同時可以促使飛行學(xué)員結(jié)合在實驗平臺的學(xué)習(xí)感受及數(shù)據(jù)分析結(jié)果對所涉及理論知識進(jìn)行深入理解。

三 基于模擬仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合《飛行中的人為因素》教材，基于Prepar3D模擬仿真以及無線傳感設(shè)備、模擬飛行評分系統(tǒng)、飛行轉(zhuǎn)椅等設(shè)備的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺主要由3個實驗?zāi)K組成，主要包括多維信息交互實驗教學(xué)、人機(jī)功效實驗教學(xué)和認(rèn)知工效實驗教學(xué)。

（一） 多維信息交互實驗教學(xué)模塊

為配合飛行中的人為因素教學(xué)過程中駕駛艙內(nèi)部環(huán)境、外部環(huán)境以及飛行員自身因素對飛行安全的影響的教學(xué)，通過已有的主觀心理調(diào)查問卷對飛行學(xué)員的性格、態(tài)度、情感等心理因素進(jìn)行調(diào)查，并基于該實驗教學(xué)平臺設(shè)計平飛、爬升、下降、側(cè)滑和盤旋等基礎(chǔ)飛行任務(wù)，同時在此基礎(chǔ)上設(shè)計成正常起飛、節(jié)流起飛、不放襟翼小角度襟翼起飛、飛機(jī)增重20%起飛、順風(fēng)起飛、逆風(fēng)起飛、側(cè)風(fēng)起飛、高溫天氣起飛、高原機(jī)場起飛、正常著陸、飛機(jī)增重20%著陸、順風(fēng)著陸、逆風(fēng)著陸、側(cè)風(fēng)著陸、高溫天氣著陸、高原機(jī)場著陸以及不放襟翼著陸等特殊程序飛行任務(wù)[5]。飛行員在執(zhí)行這些任務(wù)過程中佩戴無線傳感設(shè)備，獲取心電、呼吸、皮電等生理數(shù)據(jù)。飛行員通過該模塊的學(xué)習(xí)了解不同環(huán)境因素的特點以及其變化對不同飛行任務(wù)的影響，飛行學(xué)員還可以通過本實驗?zāi)K的學(xué)習(xí)初步對多維信息交互作用下自身心理-生理-行為等微觀特征變化情況有所了解。該模塊課程主要任務(wù)的實驗內(nèi)容及目標(biāo)見表1。

（二）" 人機(jī)工效實驗教學(xué)模塊

為深入飛行中的人為因素教學(xué)，在多維信息交互實驗教學(xué)模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)工效學(xué)實驗教學(xué)課程。該實驗主要包括視覺-聽覺-前庭覺測量、工作負(fù)荷評估、疲勞與應(yīng)激評估等。有助于飛行學(xué)員通過該模塊了解自身視覺、聽覺以及前庭覺特征，工作負(fù)荷高低對自身狀態(tài)的影響，自身工作的表現(xiàn)，理解疲勞、應(yīng)激狀態(tài)的原因與分類，同時對應(yīng)激作用下生理-心理的不平衡狀態(tài)進(jìn)行熟悉。該模塊課程主要任務(wù)的實驗內(nèi)容及目標(biāo)見表2。

（三）" 認(rèn)知工效實驗教學(xué)模塊

認(rèn)知工效實驗教學(xué)模塊主要包括情景意識、機(jī)組資源管理、感知-判斷-決策、空間定向等內(nèi)容，這些對飛行安全有著重要影響。有助于飛行學(xué)員通過該模塊更清楚地了解自己的任務(wù)目標(biāo)、團(tuán)隊決策、有效溝通和任務(wù)資源管理等，從實際操作過程中明確感知、判斷以及決策等認(rèn)知活動過程，并且將書本中抽象的空間定向結(jié)合模擬飛行具象化，使飛行學(xué)員有立體的認(rèn)識。該模塊課程主要任務(wù)的實驗內(nèi)容及目標(biāo)見表3。

四" 實驗教學(xué)效果

基于模擬仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺，為學(xué)生提供了全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，已在南京航空航天大學(xué)（以下簡稱“我校”）通用航空與飛行學(xué)院飛行技術(shù)系飛行學(xué)員的實踐教學(xué)中得到應(yīng)用。學(xué)生可以結(jié)合飛行中的人為因素課程的教學(xué)大綱、授課教案、實驗方案等進(jìn)行飛行模擬訓(xùn)練及人因知識學(xué)習(xí)。老師可以利用實驗平臺，提高上課效率，使課程更加鮮活生動，促進(jìn)了老師與學(xué)生之間互動。該實驗教學(xué)平臺的建設(shè)實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合，促進(jìn)教學(xué)相長，通過模擬仿真技術(shù)、無線傳感設(shè)備、模擬飛行評分系統(tǒng)以及飛行訓(xùn)練轉(zhuǎn)椅等對飛行中的人為因素的基本理論、基本概念進(jìn)行介紹，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和獨(dú)立思考的能力，促使建成“學(xué)中練、練中學(xué)”的飛行中的人為因素課程。同時，也對通用航空與飛行學(xué)院的飛行人才培養(yǎng)起到了助推與促進(jìn)作用。

（一）" 教學(xué)實踐方面

基于該實驗教學(xué)平臺，學(xué)生對飛行中的人為因素相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，學(xué)生對民航系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境各要素及各要素之間的關(guān)系有了全新的認(rèn)識，對這些因素對飛行安全的影響有了更深的理解，模擬飛行與理論學(xué)習(xí)結(jié)合，學(xué)生掌握了應(yīng)對高負(fù)荷、疲勞、飛行錯覺、情景意識喪失和空間定向障礙等威脅的方法，也進(jìn)一步對去往航校學(xué)習(xí)以及未來的商用飛機(jī)改裝訓(xùn)練打下了堅實的基礎(chǔ)。該平臺豐富了教師的教學(xué)手段，加強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的更新與完善，提高了教學(xué)質(zhì)量和效果，促進(jìn)了具有民航特色的飛行專業(yè)教學(xué)體系的建設(shè)。

（二）" “產(chǎn)-學(xué)-研”結(jié)合方面

我校與多家航空公司、航校簽署合作協(xié)議，建立校內(nèi)與校外實訓(xùn)基地。基于該實驗平臺，構(gòu)建“教學(xué)、訓(xùn)練、科研、反饋”的閉環(huán)式實踐課程體系，實用性、實踐性強(qiáng)。其中，教學(xué)是飛行技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程的設(shè)置、教學(xué)計劃的制定、實驗教學(xué)大綱的設(shè)計等都緊密地結(jié)合行業(yè)規(guī)范要求；訓(xùn)練是基于該實驗平臺，精選理論知識用于模擬飛行實踐；科研是集合實踐教學(xué)過程中獲得的人、機(jī)、環(huán)境等多源數(shù)據(jù)，為飛行安全相關(guān)研究提供基礎(chǔ)；反饋是結(jié)合科研相關(guān)成果，采用模塊化式的實踐教學(xué)內(nèi)容，以及國外的實際飛行訓(xùn)練，私、商、儀地面課程考試等等，都將技術(shù)能力與非技術(shù)能力知識反饋到理論與實踐教學(xué)中，不斷促進(jìn)飛行學(xué)員知識的學(xué)習(xí)與技能的培養(yǎng)。

五" 結(jié)束語

理論與實踐相結(jié)合，豐富教學(xué)手段與方法，適應(yīng)飛行員培養(yǎng)的行業(yè)準(zhǔn)則和特色需求，豐富教學(xué)形式、創(chuàng)新教學(xué)方法、加強(qiáng)與學(xué)生交流，實現(xiàn)服務(wù)于飛行技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的教學(xué)模式是教育新形勢下的發(fā)展趨勢和必然結(jié)果?；谀M仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺建設(shè)融合行業(yè)需求、理論教學(xué)、實踐教學(xué)和科學(xué)研究，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力的同時，促使教學(xué)成果落地，服務(wù)于飛行專業(yè)教學(xué)，并且促使在飛行中的人為因素教學(xué)過程中不斷涌現(xiàn)新的教學(xué)思路。

基于模擬仿真的飛行中的人為因素實驗教學(xué)平臺建設(shè)，首先，針對飛行學(xué)員的職業(yè)特征，在提高飛行學(xué)員動手操縱等技術(shù)能力的同時深入全面培養(yǎng)飛行學(xué)員的非技術(shù)能力；其次，不僅為從事飛行中的人為因素課程教學(xué)的教師提供實踐教學(xué)的機(jī)會，也為飛行技術(shù)專業(yè)其他課程的教師開展實驗教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量等提供技術(shù)支持；最后，為構(gòu)建體現(xiàn)行業(yè)特色的，具有科學(xué)性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性的飛行技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)體系與培養(yǎng)模式提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 習(xí)近平在會見四川航空“中國民航英雄機(jī)組”全體成員時強(qiáng)調(diào) 學(xué)習(xí)英雄事跡弘揚(yáng)英雄精神 將非凡英雄精神體現(xiàn)在平凡工作崗位上[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1613037185902250994

amp;wfr=spideramp;for=pc.

[2] Boeing Commercial Airplanes. Statistical Summary of Commercial Jet Airplane Accidents Worldwide Operations 1959 - 2021 [R]. Boeing Commercial Airplanes，2021.

[3] 羅曉利.飛行中人的因素[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2012：1-179.

[4] 高振興，司海青，丁松濱.國際化卓越飛行人才培養(yǎng)模式研究[J].工業(yè)和信息化教育，2021（2）：1-5.

[5] 司海青，蔡中長，劉星，等.塞斯納172飛機(jī)與飛行模擬[M].北京：中國民航出版社，2019：1-255.

[6] 游旭群，姬鳴，戴鯤，等.航線駕駛安全行為多維評價量表的構(gòu)建[J].心理學(xué)報，2009，41（12）：1237-1251.

[7] 陳農(nóng)田，楊文鋒，譚鑫.民航人因工程綜合實驗平臺建設(shè)研究[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（10）：249-254.

[8] 嚴(yán)京濱，張偉，王延斌.基于駕駛仿真的人因?qū)嶒灲虒W(xué)的探索[J].實驗技術(shù)與管理，2008，25（12）：102-104.