意外情境下的人工飛行技能

Wayne Rosenkrans

十多年以來，相關專家在對飛行事故的調查中發現，飛機在事故發生的前幾分鐘，自動飛行控制系統脫離的頻率在穩步上升，這引起了歐洲航空安全科學家的廣泛關注。研究表明，飛機失控的原因可能由以下一些因素造成：飛行員的驚嚇反應、他們對自動化技術的過度信賴、認知過載，以及人工飛行技能有限或者不足。

突發情境

今年4月，一個研究小組公布了對第四代飛機手動操作項目（MAN4GEN）研究的進展情況。該項目由歐盟資助，于2012年啟動，將運行至2015年底。這個由荷蘭國家航天實驗室（NLR）和德國航空航天中心（DLR）領導的國際聯盟聚集了空客、波音、全球培訓航空、國際技術發展（IDT）、瑞典林雪平大學和奧地利的維也納醫科大學及維也納大學的主題專家。

“盡管第三代和第四代飛機自動化系統具有實質性、可靠的安全效益，但事實證明，在飛行過程中一旦遇到意想不到的狀況，飛行員有時難以對特定情況做出快速反應。當意外發生時，就需要他們從自動化系統的監控者的角色中迅速過渡到積極主動的決策者，從而能手動控制飛機保證整個飛行的安全”。MAN4GEN旨在識別事件背后導致這些事故發生的共同原因，就操作程序、培訓、及飛機系統技術的短期變化提出建議，來減輕事故對航空安全的威脅。”

一些飛機失控的案例大都發生在高度擴大的第四代飛機以及傳統飛機上，而且飛行員都訓練有素。這些事故往往是由于機組人員在意外事件后沒能有效管理飛機系統，而且不能應用適當的人工操作技能。“如果不能很好的掌握一些飛行的技能，如手動控制飛機的能力、有效管理自動化系統的能力、將態勢感知維持在可接受水平的能力、保持對飛機控制的能力，那么這些事故還會繼續發生。”

航空工程師、IDT的所有者、申請書的合著者以及MAN4GEN伙伴阿德瓦尼說道，該聯盟的伙伴已經深入了解了根源問題，包括相關的人為因素，在高度擴大和自動化的飛機中失去對身邊情況的感知。在LOC-I抑制工作的五年間，他主持的由皇家航空協會贊助的航空國際培訓委員會討論了在這一領域進行研究的意愿。

“對飛行員的自動化培訓以及在自動化操作過程中有可能出現的故障類型主要基于我們的模擬器中現存的軟件。”阿德瓦尼在美國佛羅里達州奧蘭多舉行的世界航空培訓會議和貿易展在上表示，“通常情況下，雖然要訓練機組人員依靠自動化和包線保護，但我們并不對設備中有可能出現的自動化故障進行訓練。自動化是可以打開或關閉的，我們一般不就輕微的故障和偏差進行訓練，這些沒有納入到我們的自動化培訓計劃內，因此我們在研究和處理特殊的自動化行為方面是很受限的。”

在某些情況下，自動化系統可以讓機組人員暫時脫離對飛機的控制，而我們所面臨的挑戰就是，在飛機飛行的任何階段，都需要為“保持決策/監控”或“重新掌握決策”的行為找到正確的平衡。阿德瓦尼再次闡述了及早識別這些細微偏差的重要性，“失控的情況也可以是心理失控，失去態勢感知以及無法重新掌握決策。隨著偏差慢慢開始發生，機組人員必須在正確的時間及時做出反應。如果他們的反應過長或過于遲鈍，就可能使自己陷入到麻煩中，并可能出現并經歷“驚嚇”效應。如果我們在飛行員驚嚇發生前就能找出其原因，也許就可以避免事故的發生。我們正在學習設計飛行中有可能遇到的種種突發情況的情境，以便更好得評估飛行員的能力，并在平時對飛行員的訓練中考慮這些因素。

初步發現

阿德瓦尼對MAN4GEN項目的研究起源于一個在飛行模擬器中進行的實驗，該實驗旨在調查當下一些合格的飛行員在監控高度可靠的飛行控制系統時的趨向。他說：“當維護安全的飛行狀態、以及對突發事件做出適當反應的能力受到影響時，飛行員們往往難以解釋這些突發情況的來源，并難以管理飛行路徑和做出最后的決策。”

這些模擬器中的實驗主要涉及分析世界上的相關學術和政府研究，評估操作條件下試驗機環境中飛機的性能，以及研究飛行員的腦成像以“從神經學角度調查的態勢感知的喪失”。研究項目中包含的模擬器實驗主要是觀察機組人員在應對緊張情況（包括生理和情緒反應）時對嚴重飛行事件的管理，尤其是在遇到意想不到或不可預見的事件時，在應對如何重新控制飛機時心理和生理上的反應。

關于模擬器的第一組實驗是基于情境的測試，而第二組測試還在繼續進行，阿德瓦尼提到，我們實驗的目的是研究應對意外事件時，人的決策和風險評估將如何發揮作用。因此會特意觀察飛行員在什么時間怎樣恢復手動控制飛機，以及他們如何迫使自己在意想不到的且具有挑戰性的情況下進行手動控制。為了形成具有權威的決策，將以不同的尺度考察機組人員。

第一組實驗

第一組測試是在阿姆斯特丹的國家航空實驗室的GRACE模擬器以及德國宇航中心的AVES模擬器中進行的。GRACE模擬器的配置為波音747-400飛機，而AVES模擬器配置為布倫瑞克的空客A320飛機。12名機組人員在事先不知情的情況下被研究人員嚴格控制在同樣的場景中飛行。“我們告訴機組人員，如果飛行出發時能見度是20千米（12英里），云底為2000英尺，機場附近有雷暴，當你們處于低燃料狀態，但有足夠的燃料飛往目的地，你們會如何駕駛飛機安全飛行？”

因為能見度突然降低，或風向突然轉變，所有的機組人員都進場失敗。然而，每個機組人員的決定都會引發一系列之前沒有過的情境事件。只要空中交通管制（ATC）為新的航向制定引向目標，模擬器自動飛行控制系統的航向選擇功能就失效了。由于飛行員飛行規劃了新航向，模控制面板或主飛行顯示器上什么也沒發生。為轉向新航向，每個機組人員必須轉為手動控制。

一旦選擇了自動駕駛儀關閉，就會發生鳥撞。他說：“引擎一失效，引擎三和四喘振，產生一種奇怪的聲音，因為他們處于高功率的設置。如果機組人員降低功率，他們會發現聲音消失，喘振停止。工作人員會確定航向待機著陸，可見性也提高。”他們下一步必須要決定是回到相同的跑道，還是去另一個機場，甚至降落在方向相反的機場起飛的跑道上。

研究者從指導者的角度直接觀察每個機組人員的行為，對當時現場的錄像也進行了研究，這些錄像記錄了模擬器會議后的采訪、對問卷的反應、機組人員的匯報，以及模擬器的相關數據和每個駕駛員的心率監測和眼動追蹤。

實驗數據顯示，駕駛員在日常的常規操作中創建了短期飛行的計劃，他們期望集中執行那些必須立刻完成的優先級任務，最重要的是管理飛行路徑，然后與空中交通管制交流，最后瀏覽一般的和緊急的檢查單，隨后創建一個包括檢查飛機可控性和性能在內的長期計劃。同時，阿德瓦尼也總結了嚴重背離機組人員的期望的意外因素，“駕駛員應對意外場景似乎比我們所預期的更困難，我們認為他們處理這個問題確實不容易。令人驚訝的是，在我們設定這些序列的過程中，一個非常細小的變化也引起了一些問題。有些人員決定盡快落地，這就導致如果要運行所有的程序和清單，就必須將其流程壓縮。導致有些飛行人員沒有進行威脅評估，并沒有考慮后果就做出了決定。”

在國家航空實驗室的波音747飛機飛行的情境中，67%的機組人員執行了“多臺發動機熄火或失速”程序，盡管他們所受的訓練要求他們在這種情境下要執行“發動機極限或喘振或失速”程序。

阿德瓦尼表示：“即使天氣狀況不好，就在幾分鐘前，超過50%回到同一跑道上。風向已經轉移，但他們仍然選擇順風跑道，并沒有使用其他可用的程序。我們注意到，大多數機組人員都缺乏管理經驗，也沒有以最優的方式來完成領導。”

在德國宇航中心類似的A320場景中，8個機組人員的大部分都立即確認了他們的緊急情況，盡快落地。阿德瓦尼說：“他們沒有讓任何一個發動機完全失效，但同樣也發生了失速喘振。大多數機組人員確定了雙發動機失速，但沒有執行‘發動機限制或喘振或停滯的程序。一些機組人員沒有完成單發動機失速清單的內容，甚至忘記了第二條軌道的落地清單。即使能夠順風飛行，但有6個機組人員還是回到起飛跑道或相鄰平行跑道。只有3個機組人員穩定了發動機。2人在鳥撞后決定通過閑置推力完成飛行。”

對研究人員來說，如何從態勢感知和意義構建的角度解釋飛行員的行為，這是個問題。觀察家看到鳥撞后工作量增加和態勢感知降低的指標。阿德瓦尼表示，飛行員在飛行時通常過于關注飛行，有些壓力過大，所以不使用程序。在波音747模擬器中，很少人會下意識地處理能源管理。最終，幸運的是，他們所有人都在設法讓飛機著陸。顯然，能夠很好管理負載、并做出正確決策的機組人員十分出色。其他人員所做出的決定都沒有考慮其他的風險和可能的后果。

阿德瓦尼總結道，該項目的實驗暴露了機組人員在非典型情境方面的訓練不足。我們一直在研究對機組人員的觀察方法可以幫助該行業更好的評估訓練。情境設計如何影響結果，這個問題確實很重要，也很有趣。今后將通過有效的情境設計來指導和改善對意料之外情況的培訓。