飛行負荷評價技術與方法

李琳君，李向南

(1.61297部隊，江西 景德鎮 333002； 2.61255部隊，山西 侯馬 043013)

0 引言

新型直升機在定型或適航審定中，往往結合試飛課目在試飛員評述中進行飛行員主觀評價[1，2]，以評價直升機的駕駛艙布局的設置或飛行程序編制是否合理。但是目前在試飛中，飛行員主觀評價流于形式的現象比較明顯，參試的試飛員或飛行員對工作負荷評價理解不夠深入，評價的方法也比較單一。這在直升機定型或適航審定后，不利于更好地發揮最大效能，甚至給飛行安全帶來影響。

工作負荷一般由腦力負荷和體力負荷構成。腦力負荷最為權威的定義由北大西洋公約組織于1977年提出，指作業人員為達到業績標準而付出的注意力大小，涉及到完成某項任務時的工作要求、時間壓力、作業人員的能力和努力程度，以及任務不順利時的挫折感等[3]；體力負荷指作業人員為達到業績標準而付出的體力大小，體力負荷一般與氧氣消耗量成正比。

隨著科學技術的進步，特別是電子計算機的飛速發展，飛行員在航空器操縱中的作用發生了巨大的轉變。飛行是一項以腦力勞動為主、腦體結合的復雜人機交互活動，飛行過程中機組需完成飛機防撞、導引航向、地空通訊、系統操縱、儀表監視及關鍵時刻的指揮與決策任務。駕駛艙這一設備密集、儀表繁多的狹小空間便是進行該復雜活動的場所。

1 飛行工作負荷評價的方法及缺點

1.1 負荷評價的方法

在新型或改進型民機投入商業運營之前，型號持有人均需根據對應的適航條款通過局方審批。以歐美航空發達國家為例，為滿足FAR25.1523條最小機組工作量的適航審定要求，局方所采用的符合性驗證方法均為主觀評價法。目前國內外進行飛行工作負荷評價的主要方法有：庫柏哈柏法、SWAT表法、NASA-TLX量表法、任務績效測量和生理測量。

1.2 幾種主觀評價方法和心理指標測量方法的缺點分析

隨著研究的不斷深入，學者們漸漸發現上述三種工作量的評估方法都存在不同程度的缺點，具體如下:

1.2.1 主觀評價法的缺點

利用主觀評價法進行評價時，需要大量的樣本數量才能得到可靠的評估結果[4]。因為同一個人在不同的訓練程度和水平、不同的環境、不同的時間甚至心理活動不同的情況下，給出的主觀評價很可能不一樣。美國弗吉尼亞大學的Reed和Burton Kelly(1985)等人[5]的研究正說明了這一點。對主觀評價表中某些定義和準則進行合理、科學的設計是減輕主觀評價差異的可行辦法，但是差異無法完全消失。

1.2.2 任務績效測量法的缺點

其一，不同腦力任務所調用的腦力資源不同，如果腦力任務的性質發生變化，則主任務績效的度量指標就要發生變化，這在實際操作中很難實現；其二，當作業者同時進行雙任務時，除非主任務或次任務對作業者的負荷要求很低，否則次任務的完成在很大程度上會對主任務造成影響，最終影響任務績效的測量結果。

1.2.3 生理測量法的缺點

一是生理指標測量法只是在一段較短時間內間接反映工作負荷的變化情況，而且生理指標的數值變化情況與工作負荷之間的函數關系無法求得，所以評估體系難以建立。二是生理指標、任務和被測者都是一一對應的關系，且隨著外界環境、任務類型甚至被測者心理活動的不同而有著顯著的區別。例如被測者可以通過自身努力改變部分生理指標，如眨眼率等。而且受飛行中座艙環境的限制，部分生理指標如腦電波、眼動等無法通過空中實際的飛行真實測得，這些指標只能在實驗室環境下通過模擬飛行進行測量。

針對上述三種方法存在的問題，國內外學者普遍認為，不同的任務負荷需要不同的評估方法，沒有一種評估方法是通用的。而且腦力負荷的復雜性也決定了評估方法需要綜合使用，將幾種評估方法進行有機綜合、合理疊加才更加合理。同時，腦力負荷的復雜性也決定了評估方法的綜合性。較為前沿的研究思路是采用數學建模技術對工作量進行多維度綜合評估。

2 國內的飛行員負荷評價存在的問題

目前國內直升機試飛過程中運用飛行員負荷評價的范圍逐漸增大，但是與國外相比，研究和運用的深度及廣度不夠，試飛員對飛行員負荷的評價不夠準確。

2.1 國產直升機研制中對飛行員負荷評價重視不夠

通過查閱資料可以發現，國內對于飛行員負荷評價的研究日趨深入，飛行員負荷也逐漸成為航空器設計和試飛階段中重要的考慮因素之一，研制思路也從僅考慮航空器的性能優劣轉為既要考慮航空器性能，也要考慮飛行員使用中的感受。

前一階段我單位承擔了直XXX型直升機的試飛工作。該型機為改型機型，直XX型機換裝國產發動機。原型機為20世紀90年代設計，座艙采用傳統儀表指示。兩型機的座艙布局完全一致，其扭矩表為傳統指針式儀表，放置在中央操縱臺右前側。在飛行中發現，飛行員觀察扭矩表需要大幅度地轉移視線。右座飛行員受扭矩表邊框的遮擋，完全看不到扭矩表上的限制值；左座飛行員距離扭矩表過遠，很難發現扭矩表；只有空中機械師能夠全面觀察扭矩表指示值。當直升機試驗大功率狀態飛行時，飛行員只能通過機械師的語言通報才能監控扭矩。這一事例表明，直升機設計單位在該型號設計之初，沒有考慮儀表布局的不合理給飛行員實際飛行帶來的困擾，由此造成的飛行負荷過大。

2.2 飛行員對飛行員負荷評價認識不夠全面

飛行員負荷評價應是全面地綜合地對飛行中的負荷進行評價。作為評價的主體，部分試飛員在進行負荷評價時，不能客觀地科學地進行評價，沒有綜合地考量飛行中的負荷情況。例如，有的試飛員在進行庫伯哈珀評價中，對某些須做出相當大的補償才能維持操縱的動作或狀態難以保持的試飛內容，即任務不能有效執行的情況下，仍給出飛行員評定小于6.5分等級2的評價；有的試飛員為了照顧研制單位的情面而提高負荷等級；有的試飛員沒有對執行試飛課目的性能指標進行詳細研究而盲目進行打分。試飛員若進行負荷評價不夠及時，課題組也有補填的情況。負荷評價應在執行完動作后立即做出評價，甚至任務完成當時架次著陸后立即填寫，以當時的感受為準，否則評價的真實性和客觀性可能都需要質疑。

2.3 研制、鑒定單位對影響飛行負荷的因素考慮不周全

Cuevas和Kantowiz認為，飛行員工作負荷是受多種因素影響而形成的多層面并且復雜的一個術語，其影響因素包括：①操作者的能力；②訓練；③操作程序；④操作環境；⑤組織能力和水平；⑥任務分配；⑦工作任務需求；⑧工作需求；⑨任務復雜性；⑩工作地點。Lee[6]研究了以下三個因素對飛行工作負荷的影響：①飛行經驗(訓練)；②操作程序中滑行角度水平(工作任務需求)；③不同進近區域。以上研究表明，雖然目前沒有一項研究對飛行員工作負荷的影響進行系統的研究和分析，但是從中也可以看出，飛行員負荷是一個綜合的、全面的、系統的問題，不能僅僅從某一個方面對飛行負荷進行預估或評價。而目前直升機的科研試飛中，研制單位和鑒定單位僅考慮了在試飛中開展負荷評價，很少去分析給出飛行員負荷是否具有代表性。例如，執行同一試飛課目，不同的試飛員給出的負荷評價很有可能是不同的；在不同環境中給出的負荷評價很有可能是不同的；同一試飛員在執行同類課目時，第一次評述與第四次評述很有可能是不同的；同一試飛員在執行同類課目時，試飛前精神狀態或剩余精力的不同，給出的飛行負荷評價可能相差甚遠。所以研制部門和鑒定部門在收集到飛行員負荷評價時需詳細記錄試飛的背景，如環境，試飛員對自我身體、心理活動狀況的評價，并通過試飛數據判斷試飛員在執行任務時的努力情況。

3 飛行工作負荷評價的建議

根據以上在直升機試飛過程中的飛行負荷評價存在的問題，本文通過實例，探討了直升機飛行負荷評價中應注意的問題。2014年和2015年，AC313型直升機上共4名試飛員，對4個飛行課目進行了主觀評價，4個課目分別為正常起落航線飛行、模擬電調故障、模擬單發停車、模擬機上斷電的單發停車[7]，共4個架次30分鐘。

3.1 樣本數量應足夠充足

應在獲取多名試飛員、飛行員的飛行負荷評價的主觀評分和生理指標參數后，對試驗項目進行工作負荷評價。有研究表明，參加試驗的試飛員、飛行員的人數在8～20人為宜[8]。這樣獲取的工作負荷評價才具有代表性。

本次試驗，受任務性質的影響，只請了4名飛行員參與試驗，這4名飛行員飛行經驗豐富，飛行時間較長，所飛機型較多，所做出的負荷評價能代表大多數飛行員。不過在直升機設計定型和鑒定階段，對于飛行負荷評價，應有多名試飛員參與，廣泛收集意見和建議。表1為參與此次工作負荷評價的飛行員的基本資料。

表1 參加評估人員基本信息表

3.2 參試飛行員應充分了解主觀評價的方法

研制單位和鑒定單位應向參與負荷評價的試飛員、飛行員詳細解釋選取的主觀量表的評價方法、評價的標準以及在試飛員評述中應注意的要點。

在進行本次飛行工作負荷驗證試驗前，向參與試驗的4名飛行員講解了兩個量表的評分標準，尤其是對SWAT量表中的時間負荷、努力負荷和心理緊張負荷的理解做了細致的講解，對負荷重要性對比評價方法進行了細致的分析，確保參試飛行員無歧義地理解負荷評價方法。

3.3 主觀量表的選擇和判定

根據任務選擇合適的主觀量表，并且應選擇至少兩種量表進行評分，通過兩種量表的評分相互印證。兩種量表的選擇，一種應為直接打分的主觀評價量表，如庫伯哈珀負荷評價、bedford量表、overall量表等；另一種應選擇需要進行排序判斷努力程度，回到地面才能準確評分的量表，如NASA-TLX量表、SWAT量表等。

在此次試驗中，選取了SWAT主觀評價量表和bedford量表進行評分(見表2)。從表中可以看出：飛行員2在模擬單發失效課目的巡航階段和下降階段的bedford量表評分均為3分，為低負荷，SWAT量表評分均為14分，為中等負荷；模擬電調故障著陸課目中的巡航階段，bedford量表評分為7分，為高負荷，而SWAT量表評分為4分，為低負荷。兩個量表的評分差異比較明顯，所以飛行員2的工作負荷評價可信度不高，本次工作負荷評價對該飛行員的負荷評價不予采納。

表2 工作負荷評價結果總覽

注：起飛、進近及著陸定義為課目Ⅰ，模擬單發失效課目定義為課目Ⅱ，模擬單發失效及機上斷電著陸課目定義為課目Ⅲ，模擬電調故障著陸課目定義為課目Ⅳ。眨眼率為BR，bedford量表評分為B，SWAT量表評分為S。

3.4 選擇好工作負荷評價的基準

負荷的輕與重是相對而言的，不是絕對的，所以在針對某一飛行程序進行負荷評價時，應選擇合理的課目作為基準進行負荷評價。作為負荷基準的課目，不能選擇過于簡單的，因為過度簡單的任務負荷與需執行課目的任務負荷差距過大，沒有參考意義。例如在應急程序驗證進行飛行負荷評價時，應參照對應的正常程序進行負荷評價。對某一特定的飛行內容進行負荷評價時，可以選取類似課目作為負荷的評價基準課目，確定相對負荷值。

本次試驗均在起落航線上實施，3個試驗課目分別為模擬單發失效、模擬單發失效及機上斷電著陸課目和模擬電調故障著陸課目，其飛行軌跡與起落航線完全一致，所以本次飛行負荷評價試驗的基準負荷課目為起飛、進近及著陸(起落航線)課目，試驗的實施順序按照起飛、進近及著陸(起落航線)、模擬單發失效、模擬單發失效及機上斷電著陸課目和模擬電調故障著陸課目的順序執行。通過表2看出，飛行員2的起飛、進近及著陸課目的負荷評價過高，在起飛、爬升、下降和著陸4個階段的負荷評價均在重度負荷和不可接受的范圍內，飛行負荷基礎課目的負荷評價過高，和其他3名飛行員的負荷評價不在同一個量值內，所以飛行員2 的總體負荷評價不予采納。飛行員1、飛行員3、飛行員4的基礎課目負荷評價基本在同一等級內，所以本次負荷評價試驗，評價依據為以上3名試飛員的評價。

3.5 生理指標的選擇和判定

應采集飛行員在飛行中的生理指標，通過生理指標的變化情況來驗證飛行員工作負荷情況。當主觀評價與生理指標的變化情況出現過大差異時，其主觀評價應慎重采納。

本次試驗，采用微型攝像機拍攝飛行員面部，讀取眨眼率采集飛行員的生理數據。微型攝像機置于應急磁羅盤安裝支架上，遮擋微型攝像工作狀態燈，不影響飛行員的正常操作和觀察(見圖1)。通過對眨眼率的讀取，對比評價量表，判斷工作負荷評價的準確性。

圖1 微型攝像機設置圖

四名飛行員平靜時的眨眼率，飛行員1為33次/min，飛行員2為21.7次/min，飛行員3為向陽時34次/min，背陽時為30次/min，飛行員4為向陽時41次/min，背陽時為36次/min。經判讀本次試驗的眨眼率數據與負荷量表評分(見表2)可以看出，飛行員3的模擬單發失效課目和模擬單發失效及機上斷電著陸課目中，在下降、進近和著陸階段，眨眼率與平靜時的差別很大，但是負荷量表評分中負荷為輕度和中度負荷，與眨眼率差異很大，所以該名飛行員的工作負荷量表評分的可信程度不高，不采納。

3.6 綜合評判

在進行負荷評價時，應以試飛員、飛行員的主觀評價為主，以生理指標為輔。只有在任務完成的情況下數據才有效，如不能完成任務，則工作負荷評價沒有意義。參與試驗的試飛員、飛行員的負荷評價差異過大時，應結合生理指標參數變化情況，認真地加以甄別，剔除無效數據；還可以采取所有參試試飛員、飛行員集中討論的方式，統一觀點，給出最終工作負荷評價的結論。

通過上述試驗可以看出，AC-313型機的三個應急程序課目總體負荷偏大。雖然有2名飛行員的負荷評價量表的評分不能提供參考依據，但是從飛行后的試飛評述都可以看出該型機在部分課目飛行中的負荷偏大，可以得出飛行工作負荷的最終結論。

4 結束語

在進行飛行工作負荷評價時，參試對象應全面，包括參與該機型設計的設計人員，參與定型科研試飛的試飛員或飛行員、空中機械師。參與調查的試飛員，應有豐富的飛行閱歷，其中，所飛機型多且有過三代機以上機型飛行經歷的飛行員，其評價權重應更高，機務人員也類似。對于檢查結果，應專門組織參與調查的全體人員在直升機上進行對比驗證，同時根據飛行員個體差異有針對性地進行判斷選擇。檢查結果應采納代表大多數飛行員的意見。

飛行負荷評價，建議應貫穿新機型調整試飛和鑒定試飛的全階段，而不是在鑒定試飛的最后階段進行。在調整試飛階段，設計部門及制造部門還有可能調整直升機座艙布局。在調整試飛中關于航電設備的試飛，針對設備的布局和顯示，課題不僅僅要求試飛員給出試飛員評述，還應給出負荷評價。特別是在鑒定試飛的應急程序驗證試飛環節。目前的應急程序驗證只是驗證手冊給出程序的合理性和可行性，沒有考慮機組在執行應急程序時的工作負荷情況，而綜合條件不好時(如不良目視、天氣狀況不佳、出現了其他特殊情況時)，工作負荷可能會成倍增長。所以，在新機型定型之前，機組工作負荷應作為一項經常性的工作貫穿調整試飛和鑒定試飛的始終。

飛行工作負荷評價是一項復雜的、全面的、科學的工作，是需要直升機設計單位和試飛員緊密配合完成的工作。通過試飛階段得到準確的工作負荷評價，對直升機設計中存在的問題準確發現、定位和進行調整，才能給用戶和廣大的普通飛行員們好用、管用的直升機。