意外情境下的人工飛行技能

Wayne Rosenkrans

十多年以來，相關(guān)專家在對飛行事故的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，飛機在事故發(fā)生的前幾分鐘，自動飛行控制系統(tǒng)脫離的頻率在穩(wěn)步上升，這引起了歐洲航空安全科學(xué)家的廣泛關(guān)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(yīng)、他們對自動化技術(shù)的過度信賴、認(rèn)知過載，以及人工飛行技能有限或者不足。

突發(fā)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(lǐng)導(dǎo)的國際聯(lián)盟聚集了空客、波音、全球培訓(xùn)航空、國際技術(shù)發(fā)展（IDT）、瑞典林雪平大學(xué)和奧地利的維也納醫(yī)科大學(xué)及維也納大學(xué)的主題專家。

“盡管第三代和第四代飛機自動化系統(tǒng)具有實質(zhì)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(yīng)。當(dāng)意外發(fā)生時，就需要他們從自動化系統(tǒng)的監(jiān)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(dǎo)致這些事故發(fā)生的共同原因，就操作程序、培訓(xùn)、及飛機系統(tǒng)技術(shù)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(fā)生在高度擴大的第四代飛機以及傳統(tǒng)飛機上，而且飛行員都訓(xùn)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(tǒng)，而且不能應(yīng)用適當(dāng)?shù)娜斯げ僮骷寄堋！叭绻荒芎芎玫恼莆找恍╋w行的技能，如手動控制飛機的能力、有效管理自動化系統(tǒng)的能力、將態(tài)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(xù)發(fā)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(lián)盟的伙伴已經(jīng)深入了解了根源問題，包括相關(guān)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(xié)會贊助的航空國際培訓(xùn)委員會討論了在這一領(lǐng)域進行研究的意愿。

“對飛行員的自動化培訓(xùn)以及在自動化操作過程中有可能出現(xiàn)的故障類型主要基于我們的模擬器中現(xiàn)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(xùn)會議和貿(mào)易展在上表示，“通常情況下，雖然要訓(xùn)練機組人員依靠自動化和包線保護，但我們并不對設(shè)備中有可能出現(xiàn)的自動化故障進行訓(xùn)練。自動化是可以打開或關(guān)閉的，我們一般不就輕微的故障和偏差進行訓(xùn)練，這些沒有納入到我們的自動化培訓(xùn)計劃內(nèi)，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(tǒng)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(zhàn)就是，在飛機飛行的任何階段，都需要為“保持決策/監(jiān)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(xì)微偏差的重要性，“失控的情況也可以是心理失控，失去態(tài)勢感知以及無法重新掌握決策。隨著偏差慢慢開始發(fā)生，機組人員必須在正確的時間及時做出反應(yīng)。如果他們的反應(yīng)過長或過于遲鈍，就可能使自己陷入到麻煩中，并可能出現(xiàn)并經(jīng)歷“驚嚇”效應(yīng)。如果我們在飛行員驚嚇發(fā)生前就能找出其原因，也許就可以避免事故的發(fā)生。我們正在學(xué)習(xí)設(shè)計飛行中有可能遇到的種種突發(fā)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(xùn)練中考慮這些因素。

初步發(fā)現(xiàn)

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(diào)查當(dāng)下一些合格的飛行員在監(jiān)控高度可靠的飛行控制系統(tǒng)時的趨向。他說：“當(dāng)維護安全的飛行狀態(tài)、以及對突發(fā)事件做出適當(dāng)反應(yīng)的能力受到影響時，飛行員們往往難以解釋這些突發(fā)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(guān)學(xué)術(shù)和政府研究，評估操作條件下試驗機環(huán)境中飛機的性能，以及研究飛行員的腦成像以“從神經(jīng)學(xué)角度調(diào)查的態(tài)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(yīng)對緊張情況（包括生理和情緒反應(yīng)）時對嚴(yán)重飛行事件的管理，尤其是在遇到意想不到或不可預(yù)見的事件時，在應(yīng)對如何重新控制飛機時心理和生理上的反應(yīng)。

關(guān)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(xù)進行，阿德瓦尼提到，我們實驗的目的是研究應(yīng)對意外事件時，人的決策和風(fēng)險評估將如何發(fā)揮作用。因此會特意觀察飛行員在什么時間怎樣恢復(fù)手動控制飛機，以及他們?nèi)绾纹仁棺约涸谝庀氩坏降那揖哂刑魬?zhàn)性的情況下進行手動控制。為了形成具有權(quán)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(yán)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(fā)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(dāng)你們處于低燃料狀態(tài)，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(fēng)向突然轉(zhuǎn)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(fā)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(biāo)，模擬器自動飛行控制系統(tǒng)的航向選擇功能就失效了。由于飛行員飛行規(guī)劃了新航向，模控制面板或主飛行顯示器上什么也沒發(fā)生。為轉(zhuǎn)向新航向，每個機組人員必須轉(zhuǎn)為手動控制。

一旦選擇了自動駕駛儀關(guān)閉，就會發(fā)生鳥撞。他說：“引擎一失效，引擎三和四喘振，產(chǎn)生一種奇怪的聲音，因為他們處于高功率的設(shè)置。如果機組人員降低功率，他們會發(fā)現(xiàn)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(dǎo)者的角度直接觀察每個機組人員的行為，對當(dāng)時現(xiàn)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(yīng)、機組人員的匯報，以及模擬器的相關(guān)數(shù)據(jù)和每個駕駛員的心率監(jiān)測和眼動追蹤。

實驗數(shù)據(jù)顯示，駕駛員在日常的常規(guī)操作中創(chuàng)建了短期飛行的計劃，他們期望集中執(zhí)行那些必須立刻完成的優(yōu)先級任務(wù)，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(chuàng)建一個包括檢查飛機可控性和性能在內(nèi)的長期計劃。同時，阿德瓦尼也總結(jié)了嚴(yán)重背離機組人員的期望的意外因素，“駕駛員應(yīng)對意外場景似乎比我們所預(yù)期的更困難，我們認(rèn)為他們處理這個問題確實不容易。令人驚訝的是，在我們設(shè)定這些序列的過程中，一個非常細(xì)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(dǎo)致如果要運行所有的程序和清單，就必須將其流程壓縮。導(dǎo)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(zhí)行了“多臺發(fā)動機熄火或失速”程序，盡管他們所受的訓(xùn)練要求他們在這種情境下要執(zhí)行“發(fā)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(fēng)向已經(jīng)轉(zhuǎn)移，但他們?nèi)匀贿x擇順風(fēng)跑道，并沒有使用其他可用的程序。我們注意到，大多數(shù)機組人員都缺乏管理經(jīng)驗，也沒有以最優(yōu)的方式來完成領(lǐng)導(dǎo)。”

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(rèn)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(fā)動機完全失效，但同樣也發(fā)生了失速喘振。大多數(shù)機組人員確定了雙發(fā)動機失速，但沒有執(zhí)行‘發(fā)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(fā)動機失速清單的內(nèi)容，甚至忘記了第二條軌道的落地清單。即使能夠順風(fēng)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(wěn)定了發(fā)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(tài)勢感知和意義構(gòu)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(tài)勢感知降低的指標(biāo)。阿德瓦尼表示，飛行員在飛行時通常過于關(guān)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(shè)法讓飛機著陸。顯然，能夠很好管理負(fù)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(fēng)險和可能的后果。

阿德瓦尼總結(jié)道，該項目的實驗暴露了機組人員在非典型情境方面的訓(xùn)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(yè)更好的評估訓(xùn)練。情境設(shè)計如何影響結(jié)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(shè)計來指導(dǎo)和改善對意料之外情況的培訓(xùn)。