飛行員認知任務負荷評估方法研究*

王 荇

（常州工學院航空與機械工程學院，江蘇 常州 213000）

飛行是一種高強度高復雜度的認知型任務，飛行活動中涉及到的任務負荷主要為認知任務負荷。認知任務負荷是一種無法具體測量，但能夠反映飛行員機體生理心理過程和任務情境相互作用模式的變量[1]。飛行員認知任務負荷水平主要受任務的具體量，執行任務時的心理生理狀態、 情緒水平，完成任務的時間要求等因素的影響，例如完成任務的時間壓力過大會使飛行員情緒焦慮，繼而導致認知任務負荷水平增加。

額外任務需求過高會導致飛行員的認知任務負荷水平升高，在這種情況下他們完成任務的效率反而會下降。 認知任務負荷水平是體現機體功能狀態的一個綜合性變量，飛行員在完成操作任務后剩余多少認知資源是無法測量的，只能通過生理表現和行為特征進行大概的間接量化。

1 飛行員認知任務負荷的模擬方法

認知任務負荷模擬方法可分為復雜任務的模擬方法和單任務的模擬方法。 大多數情況下，實驗者在實驗室所構建的任務指標只是對真實的工作任務進行模擬，例如仿真低壓氧倉、 模擬飛行等，是與實際情景有出入的任務。 也有一些研究者在飛行員執行任務的過程中采集數據來研究其認知任務負荷水平。

兩種方法各有千秋。 有實驗通過采用低壓艙來模擬高空飛行環境，研究實驗對象在模擬負荷下各項心理指標和生理指標的變化。 該實驗通過心理學專業的檢測方法結合多種無創傷性的生理檢測技術，檢測實驗對象的實時心理和生理狀態，判斷實驗對象的身體是否處于正常的心理和生理狀態，實驗還可以有效并快速地檢測出實驗對象的腦力疲勞狀態。 實驗得出以下結論： 低壓艙下受試人員的脈搏和血氧飽和度沒有發生明顯變化； 采用FS-14 量表、 NASA-TLX 量表、 FAI 量表等主觀評定量表進行檢測也沒有發現實驗對象心理狀態有明顯變化。實驗結果說明低壓艙模擬高空飛行環境不能很好地研究飛行員認知任務負荷水平。 雖然直接模擬的方法簡單且易控制所有的影響因素，但是往往與實際應用不直接相關。

在飛行員執行任務的過程中采集數據進行研究基本能夠真實地反映飛行員的認知任務負荷水平，但是這種方法會直接影響飛行，降低飛行安全系數，實施難度過大。 綜合考量，前者具備較強的可行性。 低壓艙模擬高空飛行環境構建的任務指標不完整，而模擬飛行可讓受試者在不同情境、 不同負荷的飛行模式下操作飛行模擬器，模擬飛行構造類似于飛行的任務指標，與實際情景相關度大，分別測試受試者的各項心理和生理指標。

2 飛行員認知任務負荷的測量方法

2.1 主觀認知評估法

主觀認知評估法是指通過標準化量表的制定對已經完成指定任務后的受試者進行量化評分，評分包含主試者對受試者的客觀評價 （通過外顯行為進行測評） 和受試者的主觀自我評價。 有研究者研究并確立了評估認知任務負荷水平的主觀評價指標，包括視覺、 聽覺、 認知、 精神運動、 工作量指數、多資源問卷等。 研究者通過實驗證明了這些指標能夠在一定程度上評估受試者的認知任務負荷水平，且指標之間存在一定的相關性。 航空作業負荷指數要求受試者從時間需求、 生理需求、 心理需求、 努力程度、 挫折程度、 自我績效6 個維度進行自我評價，最后將各種指標進行加權計算[2]。 主觀負荷評估技術對心理壓力、 時間壓力和努力程度進行主觀量化。

2.2 任務性能評估法

任務性能評估法是通過評估操作人員的任務績效反映操作人員的認知任務負荷水平，包含主要任務性能評估和次要任務性能評估。 主要任務性能評估要求操作人員完成特定的單一任務，通過操作人員任務的完成情況反映其認知任務負荷水平。 而操作人員執行任務的難度、 執行策略和執行模式等都會影響主要任務性能指標。 當人機系統中的任務指標沒有超過操作員的認知水平時，主要任務性能指標對操作人員認知任務負荷水平的測量缺乏一定的敏感性。 主要任務常見的評價指標有操作速度、 任務精度、 反應時間和誤差率等。 次要任務性能評估通過測量完成主要任務的情況下認知資源的剩余程度來評價操作員的認知任務負荷水平[3]。可見次要任務性能評估比主要任務性能評估更能夠敏感地反映操作人員的認知任務負荷水平。

2.3 生理指標評估法

主觀認知評估法是對已經完成指定任務的受試者進行量化評分，任務性能評估法是任務完成后評估操作人員的任務績效，兩者都做不到實時監測飛行員認知任務負荷水平的狀態變化。 隨著信息處理技術的不斷發展，通過實時監測飛行員操作任務時生理信號的變化來反映飛行員的認知任務負荷水平已成現實。

飛行員在實施模擬飛行任務時，可采集其自主神經和中樞神經產生的生理信號，并對數據進行進一步分析和處理，形成與人的認知任務負荷水平相關的生理指標。 中樞神經系統是認知活動產生的核心，核磁共振、 腦電圖不僅可以直接觀察與中樞神經系統相關的活動，而且安全無創，可用于認知任務負荷水平評估。 研究者發現，作為末梢神經系統的自主神經系統受大腦的支配，卻不受意志的支配，因此自主神經系統能客觀反映認知任務負荷水平的變化； 副交感神經系統的活動情況與認知任務負荷水平呈負相關性。

研究者通過心電圖等方式采集心電信號，提取心電信號中心率變異性指標，發現心率變異性指標能夠反映心臟自主神經系統的活動情況。 心率變異性指標中，高頻成分 （0.15～0.50 Hz） 是測量副交感神經系統活動度的較為有效的指標，而其中的中頻成分 （0.07～0.14 Hz） 與認知任務負荷水平呈負相關性。 研究者還發現心率變異性指標不僅能反映應激水平，還能有效評定認知負荷。 更多的研究者綜合操作人員在執行任務時的多種生理指標來分析其認知任務負荷水平，以消除某一指標對操作人員生理特征影響的片面性。

從主觀評估方法到客觀評估方法，研究者不斷研究新的方法來評估人在人機系統中的認知負荷水平并取得了顯著的研究成果，為減少人在人機系統中的失誤和提升人機系統性能的發揮作出了重要貢獻。 現代高性能戰機是最為復雜的人機系統之一，人在系統中發揮著不可替代的核心作用，如何選拔出在高任務負荷下能夠維持良好操作功能狀態的飛行學員具有重要意義[4]。

3 飛行員認知任務負荷的綜合評估

高性能飛機在人機系統中是最為復雜的，不同的任務負荷對飛行員的飛行能力會產生不同的影響，研究高任務負荷下飛行員的認知任務負荷水平具有重要意義。 評估飛行員高任務負荷下的飛行能力應采用綜合評價的方法。

一是采用模擬飛行任務來構建任務負荷需要探究出多種模式、 不同負荷下的模擬飛行方案，模擬飛行方案需涵蓋飛行可能遇到的各種情境，并具備較高的比較價值。 例如把飛行時間設置為2 h，8 h，12 h，研究模擬飛行中時間長度對飛行員認知任務負荷水平的影響； 把飛行時間段安排在白天和夜晚，把飛行環境模式設置為晴空和暴風雨模式，研究不同環境對飛行員認知任務負荷水平的影響； 把飛行模式設置為故障模式，研究該模式下飛行員的認知任務負荷水平。

二是評估認知任務負荷的方案采用任務性能評估法和心電信號生理指標評估法，對飛行員的飛行能力進行科學合理的檢測。 此方案需要多維度、 多方位測試受試者模擬飛行后的生理指標、 主觀感覺、 心理運動、 個性特征等指標的變化，可以通過檢測研究對象的脈搏、 平衡功能、 血氧飽和度探索這些指標受模擬飛行負荷影響的情況，也可以進一步通過能力測驗、 心理運動測驗研究對象受模擬飛行負荷影響的情況，并且篩選出與之相關的敏感指標[5]。 對研究數據進行歸納和總結，探索這些指標受心理的影響情況，篩選出與之相關的敏感指標，為飛行員的綜合心理檢測系統提供理論基礎和實驗依據。 過程中需注意以下方面： 構建出模擬飛行任務的高任務負荷情境； 探討任務性能評估法和心率變異性等生理指標評估法在認知任務負荷評估中的作用，篩選出可以快速并客觀地評估任務負荷的指標； 探討飛行員在高任務負荷的情境下認知任務負荷評估的合理方案。

4 結束語

以往飛行員的心理狀況評估基本都是在普通情境下進行的，沒有模擬飛行任務負荷。 而在高強度的飛行任務負荷下，飛行員往往會出現思維遲緩、情緒急躁、 操作失真、 動作失調等反應，將對飛行安全產生影響。 在模擬飛行任務負荷下對飛行員進行綜合的、 全方位的認知任務負荷水平評估對研究飛行安全有著重要的意義。