飛機著陸階段飛行員工作負荷分析

辛甜，羅志燕，蔣利添，蔣丹丹

(中國飛行試驗研究院 試飛員中心，西安 710089)

1 引言

因為航空器本身的運行特點，使得飛行成為一種高危作業，根據研究表明，飛行事故多發生在飛行員工作負荷大的進近和著陸階段，而且多是由人為差錯引起的［1］，因此，對飛行員的工作負荷研究對飛行安全起著至關重要的作用。國內外針對工作負荷的研究從上世紀70 年代開始，已形成一套完整的體系，研究方法包括生理機能測量法和主觀評測法［2-5］，目前在航空航天、機械設計、軍事醫學等多個領域廣泛使用［6-7］。

本文設計飛行試驗對飛行員在著陸階段的工作負荷進行研究，采用多種方法相結合的方式對飛行員進行分析，找出工作負荷的變化規律以及影響工作負荷的因素，為提高飛行安全性提出建議。

2 工作負荷測量方法

本次試驗采用生理機能測量法和主觀評測法相結合的研究方式對工作負荷進行分析，其中主觀評測法包括美國航空航天局(NASA)的NASA-TLX 和試飛員填寫“試飛員評述”。

①生理機能測量法

生理機能測量采用空軍航空醫學研究所設計的胸帶式檢測儀。檢測儀主要由監測主帶、記錄控制盒和數據分析軟件組成，監測主帶連接記錄控制盒和3 個電極連接扣，并加有一個溫度傳感器(如圖1)。測量數據由專用軟件進行數據處理(如圖2)，可以得出測量階段每一時刻的心率、呼吸率數據。

圖1 胸帶式檢測儀

圖2 分析軟件界面圖

②NASA-TLX

NASA-TLX 是由美國航空航天局開發的一個多維的工作負荷主觀評價量表［8-9］。該方法將工作負荷來源細分為心理需求、體力需求、時間需求、作業績效、努力程度和挫折水平六個方面，試飛員按照自己的主觀感受分別進行評分。

③試飛員評述

試飛員評述是目前在試飛工作中較為常用的一種評測方法。本次試驗的評述內容包括以下幾個具體問題:a、對任務完成情況是否滿意;b、佩戴的測試設備對飛行是否有影響;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、飛機人機界面設計方面是否影響到了飛行;f、主觀評測中哪一項評分最高，為什么。

3 飛行試驗準備

①試驗飛機

試驗飛機采用注冊號為B -7947 的塞斯納172R 型飛機。飛機上加裝有一套RIG100 型捷聯式組合導航系統，該系統可精確測量載體在空間坐標系中三個軸的姿態(傾斜、俯仰、偏航)、角速率、線加速度以及GPS 導航定位信息。

②試飛員團隊

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

③機場條件

試驗機場選用蒲城內府機場，該機場擁有一條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 試驗方案設計

(1)飛行員進入休息室后佩戴測試設備并檢查設備工作正常，計時作為時間零點，靜坐2 min以上，要求靜坐期間不能說話，平心靜氣，此時間段采集的數據將作為對;

(2)比的基礎數據。基礎數據采集完成時間應不晚于起飛前20 min;

(3)由佩戴測試設備的飛行員在左座操縱飛機，按照機場管理程序正常開車滑出進入跑道，右座飛行員記下時間;

(4)飛行試驗軌跡設計為一個起落航線(如圖3)。飛機以10°襟翼構型起飛，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°坡度左轉進入二邊，當高度到達300 m 時改平飛，速度保持85 kt。

圖3 起落航線示意圖

(5)試驗過程設計為連續起落，為減小上一圈著陸階段以及起飛階段對下一次落地的影響，將三邊寬度設定為2 m。被測試飛行員按照程序沿著二邊、三邊進行巡航。巡航過程中被測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 處進行三轉彎，繼續保持300 m 高度，進入四邊后放10°襟翼，保持85 kt 巡航速度。

(7)根據跑道位置四轉彎，對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，右座飛行員記下時間。

(8)200 m 平飛時在距離跑道2 nm 時開始進入著陸階段，150 m 平飛時在距離跑道1.5 nm 開始進入著陸階段。右座飛行員記下時間。放30°襟翼，目標下滑速度65 kt，調整好方向位置，對準下滑點，保持3°下滑角。

(9)下降至6 m 拉開始，注意飛機姿態變化，微調飛機方向位置，1 m 拉平。

(10)著陸后控制飛機滑跑方向，右座飛行員調整襟翼到10°并發出口令“襟翼10”，被測試飛行員控制飛機連續起飛。起飛后右座飛行員記下時間并操縱飛機繼續爬升，左座飛行員完成NASA - TLX 表，完成后接手飛機準備下一圈落地。

(11)每位飛行員完成5 圈。

(12)飛行結束后被測試飛行員主要針對工作負荷完成試飛員評述。

5 試驗結果

飛行試驗于2017 年11 月13 日在蒲城內府機場進行，氣溫14°C，場壓976HPA，能見度2 500 m 左右，風向風速穩定。飛機測試設備以及生理機能測量設備都運行良好。取得數據分析如下。

5.1 生理機能測量結果

將飛機加裝設備所采集的飛行數據與被測試飛行員身上攜帶的生理數據采集設備中的生理機能數據相對比，截選出一部分得到圖4。

圖4 飛機氣壓高度與飛行員心率、呼吸率對比圖

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，并在接地前心率達到最大值。呼吸率分布較為分散，規律不明顯。

為更加清楚的對比不同高度下心率與呼吸率的變化規律，現將巡航和著陸兩個過程按照高度分為300 m、200 m 至300 m、100 m 至200 m、30 m 至100 m 和30 m 以下五個階段。再將在地面測量時的數據作為基礎數據加入對比。將各個階段的生理機能數據最大值、最小值和平均值進行對比，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比圖

從圖5 中可以看出，由于在地面測量時為無壓力狀態，取得的心率數據都是最低的。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了明顯的增大。

將呼吸率匯總可得到對比圖如圖6。

圖6 各階段最大呼吸率、最小呼吸率和平均呼吸率對比圖

由圖6 可見，無論是地面空中對比還是不同高度對比，所有數據點分布分散，規律性不強，因此對工作負荷進行研究時，呼吸率數據難以有效的反映出飛行員的工作負荷情況。

5.2 NASA-TLX 評分結果

飛行員針對著陸階段和巡航階段的NASA -TLX 評分對比如圖7。

圖7 著陸階段和巡航階段評分對比

從圖7 中可以看出，對比著陸階段和巡航階段，在六個維度中著陸階段都要大于巡航階段。這也體現出了兩個階段的工作負荷情況，但在對比飛行員各自的評分時，發現每名飛行員各自的工作負荷主要來源都不相同，對比差異最明顯的3 名飛行員結果如圖8。

圖8 不同飛行員各項評分對比圖

由圖8 可以看出，飛行員1 認為體力負荷占的比重更大，而飛行員2 更注重業績水平和努力程度，飛行員3 則在受挫程度方面評分遠大于其他兩名飛行員。為分析工作負荷增大的具體原因需要結合試飛員的評述結果。

5.3 試飛員評述結果

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

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

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

飛行員3:①著陸過程數據的嚴格要求使得腦力負荷變大，出現了注意力不集中;②飛機噪音很大，飛行中出現了煩躁情緒;③油門桿的設計問題造成的身體疲勞。

6 討論

從生理機能測量結果可以看出，在巡航階段，飛行員心率平緩，沒有大的波動，而在著陸階段，隨著飛機高度的降低，飛行員心率明顯大幅度增加，這都是由于飛行員工作負荷大幅增加造成的，而大量的飛機事故出現在著陸階段也與工作負荷的大幅度增加息息相關，因此，應該從飛機設計和飛行員培訓兩方面著手降低飛行員在著陸階段的工作負荷，提高飛行的安全性。呼吸率數據分布比較分散，相關性不強，難以作為工作負荷研究的數據支撐。

對比巡航階段和著陸階段的NASA -TLX 評分結果同樣可以得出著陸階段工作負荷遠大于巡航階段的結論，而在分析不同飛行員的評分情況時，可以看出他們總分相差不大，但各自在不同項目的評分確相差甚遠，這也體現出了NASA-TLX 方法細化工作負荷來源的優越性，不僅提高了主觀測量的敏感度，還可以讓研究人員針對性的提出方案降低飛行員的工作負荷。

為進一步探究著陸階段工作負荷增大的原因，試飛員認真完成了評述內容中的問題，從中可以得出，在著陸階段除了所需操縱量增大的因素外，對飛行感覺的生疏、對飛機的生疏、對飛行程序的生疏都會影響飛行員的工作負荷，而這些原因都是可以在飛行前解決的;另外，飛機座艙的不合理設計也會嚴重影響飛行員在駕駛過程中的工作負荷，例如塞斯納172 型飛機機駕駛盤過于光滑、油門桿位置太靠前以及座艙噪音大等問題，作為試飛員，應在試飛階段多提出此類問題，在設計階段盡早解決。

7 總結

在航空安全人為因素中，因為超工作負荷引起信息獲取分析的失誤和決策錯誤，是導致事故征候和事故發生的重要原因。本文以此為背景，利用生理機能測量和主觀評價兩個方面對飛行員在著陸階段的工作負荷進行了評定，得出結論:①應從飛機人機界面設計、法規、訓練、安全教育等多方面入手保證飛行著陸階段的安全;②利用生理測量方法研究工作負荷時應慎重使用呼吸率數據;③飛機的人機工效設計對飛行員的工作負荷有著直接影響，因此在試飛階段試飛員應針對人機工效設計問題多提意見，降低飛行員的工作負荷;④飛行員飛行間隔時間不能過長，在執行陌生的任務前應仔細準備，以此來降低飛行時的工作負荷。