面向PLM的飛行中人的因素實驗教學探索

汪海波 司海青 潘亭

［摘 要］ 結合飛行員技能全生命周期管理體系（PLM）對飛行人才的素質要求，為促進飛行學員對飛行中人的因素相關知識的認識與掌握，以提高飛行員認知能力為切入點，開展飛行中人的因素實驗教學內容的探討。在對飛行員認知過程及特征進行分析的基礎上，系統探討了擬開展飛行員微觀認知實驗的類型，并詳細給出每種實驗的具體內容、方法及流程，同時對部分實驗結果進行介紹。面向PLM的飛行中人的因素實驗教學內容設計兼顧飛行技術專業特色，從實踐應用層面提出課程建設思路，為民航飛行中人的因素實驗教學提供參考，為民航飛行人才培養提供借鑒。

［關鍵詞］ 全生命周期管理；實驗教學；飛行中人的因素；飛行員認知

［基金項目］ 2021年度江蘇省高等教育教改研究課題“面向全生命周期管理的飛行卓越人才培養模式研究與實踐”（2021JSJG206）；2022年度南京航空航天大學實驗技術研究與開發項目“基于空間定向訓練的《飛行中人的因素》實驗技術與測試方法研究”（SYJS202207Y）；2022年度南京航空航天大學通用航空與飛行學院教育教學改革與建設項目“面向PLM的《飛行中的人為因素》實踐教學課程建設”（2022JX20KC04）

［作者簡介］ 汪海波（1990—），男，山東淄博人，載運工具運用工程博士，南京航空航天大學通用航空與飛行學院講師，主要從事飛行中的人因工程研究；司海青（1976—），男，山東鄒城人，計算流體力學博士，南京航空航天大學通用航空與飛行學院教授（通信作者），主要從事飛行中的人因工程研究；潘亭（1990—），女，山東棗莊人，南京航空航天大學通用航空與飛行學院2019級載運工具運用工程專業博士研究生，研究方向為飛行中的人因工程。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）37-0096-04［收稿日期］ 2022-11-21

隨著民航運輸業的發展，民航事故仍隨飛行架次的增加而不斷發生，民航安全問題越來越受到重視。美國波音公司對事故原因的調查顯示，60%左右的事故是由人的因素造成的，而這些人的因素中又有超過半數是由于飛行機組的決策失誤以及飛行員自身操作不當［1］。

減少和避免由于飛行員及機組操作不當等人為因素造成的飛行事故，進一步提高飛行員素質，培養飛行員的綜合能力，推動民航高質量發展，是中國民航運輸業發展的重要方向。民航局按照國際民航組織的有關要求和中國民航全面深化運輸航空飛行訓練改革的戰略部署，提出以崗位勝任力為核心、以實證訓練為驅動、以作風建設為牽引，以核心勝任力和職業適應性心理評估的證據輸入為基礎、以覆蓋飛行員訓練全要素和全周期為特征的飛行員技能全生命周期管理體系（Professionalism Lifecycle Management System，PLM）［2］。PLM注重飛行員技術能力和非技術能力的綜合培養。其中，技術能力是針對飛行員操控飛機技術的熟練性和有效性而言，指飛行員安全順利完成飛行任務所必須具備的精確熟練操控飛機的一系列技術性操作要素，包括對速度、航向、高度等飛行狀態的各種控制；非技術能力是針對機組資源管理、生理、心理及行為等內在條件而言，如飛行檢查單的交互檢查、交流與協作、工作負荷管理、情境意識、認知能力、情感態度以及應激管理等方面，其目的在于通過提高人的可靠性來對抗飛行員的失誤［3-4］。

飛行員認知能力兼顧其技術能力和非技術能力。飛行中人的因素課程的主要內容均與飛行員的認知能力相關。例如，飛行員的視覺、聽覺以及前庭覺等，均是飛行員認知過程中的重要感知器官；飛行員的情境意識主要是飛行員在一定時間和空間內對“人—機—環境”組成的復雜系統中各因素的感知、理解，以及對未來狀況的預判；飛行員與機組、空管之間的溝通主要是飛行員在執行任務過程中的規范用語等。因此，面向PLM以提高飛行員的認知能力為著力點，結合理論教學開展實驗教學，對飛行員認知能力的培養與提高尤為重要。

為提高飛行員的認知能力，促進飛行員對飛行中人的因素課程內容的學習和理解，在對飛行員認知過程進行分析的基礎上，系統闡述了基于模擬飛行以及人因采集設備開展的飛行人因實驗類型、內容及流程，并對部分實驗結果進行了介紹。

一、飛行員認知過程及特性

面向PLM的飛行員培養，聚焦飛行員的實際工作，飛行員的認知能力貫穿始終。基于認知心理學等理論，飛行員的認知活動主要是對不同信息的獲取、加工、處理及執行，主要包括對信息的感知、判斷或決策、輸出及執行。飛行員的各種簡單或復雜的行為表現都離不開認知活動，即對信息的加工過程。

綜合來看，飛行員的認知過程具有三個顯著的特征：首先，認知過程是一個閉環，即從感知到判斷、決策，再到動作的實施，整個過程遵循固定的順序。其次，認知能力具有個體差異性，由于飛行員個體、飛行任務等具有多樣性，導致認知能力存在差異性。最后，認知過程具有可控性主要體現在兩點：第一，飛行員在執行某一飛行任務時，是一個感知、判斷、決策的過程，在這個過程中的某些環節是可控的；第二，運用理論學習與實踐學習相結合的方式來提升飛行員的認知能力，配合大量的飛行訓練，能夠從源頭增強飛行員的認知能力，即從飛行學員階段開始培養飛行員的認知能力。

二、實驗方法

（一）實驗對象

實驗針對南京航空航天大學通用航空與飛行學院21—25歲的飛行學員，這些被試者均已通過飛行私照、商照以及儀表執照的理論考試，具備充足的飛行理論知識。所有被試者視力均正常，身體狀態優良，并在實驗開始前自愿簽訂了知情同意書。在實驗前24小時，要求被視者避免吸煙、飲酒等刺激或抑制中樞神經系統的行為，以保持良好的精神狀態。

（二）實驗設備

實驗設備是保證教學與研究可行性和有效性的基礎。實驗設備由塞斯納172模擬飛行器、無線心電傳感器、眼動儀等組成。

塞斯納172模擬飛行器是與真機等比尺寸的高仿真飛行模擬機。該模擬機采用型號為IO-360-L2A的發動機，駕駛艙內/外視景主要基于Prepar 3D軟件，通過水平180度垂直35的U形三通道系統、柱幕、高分辨率無縫投影實現。

無線心電傳感器采樣頻率為512Hz，記錄了心臟去極化過程中產生并傳導到皮膚的電活動，一般測量心臟附近表面皮膚的電信號。

非侵入式高精度眼動儀的水平追蹤范圍為+/-82度，垂直追蹤范圍為+/-52度，通過同步記錄系統實現眼動與心電生理數據的同步采集。高精度眼動儀支持雙眼采集，一點校準，能夠持續捕捉被試者的眼動行為。該儀器確保了被試者的自然行為狀態及研究數據的有效性，適合飛行模擬駕駛艙內研究，對飛行實驗中的各種任務均可適用。

（三）實驗內容

在飛行中人的因素課程中，根據課程大綱，飛行員的微觀認知涵蓋飛行員應激與管理、飛行員判斷與決策、飛行員情境意識以及飛行員視覺、聽覺、前庭覺等內容，與實際聯系緊密，是課程的核心內容。其中，飛行員在執行任務過程中的感知、判斷、決策等認知活動是飛行員理論與實踐學習的重要基礎，是伴隨飛行員全生命周期的重要能力，也是在傳統理論教學中學生不易理解和掌握的難點。

飛行員的微觀認知實驗主要包括演示實驗、綜合型實驗和創新型實驗。整個實驗過程由簡入繁，其中應用方向主要包括飛行人因理論教學、基礎飛行認知能力培養以及飛行員核心勝任能力培養。飛行人因理論教學為演示型實驗，基礎飛行認知能力培養為綜合型實驗，飛行核心勝任能力培養為創新型實驗。

三、實驗流程設計

（一）實驗準備

飛行中人的因素課程實驗“飛行員的微觀認知”，緊接理論課程第九章的課堂教學進行，安排8學時。在實驗準備階段需要編制實驗指導書，明確實驗目的及實驗要求。在實驗指導書中指明學生對實驗結果進行分析［5］。為激發學生興趣及進一步思考的主動性，學生可以在已有數據的基礎上設置模擬飛行參數［6］。

在實驗準備階段，實驗人員檢查實驗材料、調試并測試實驗設備、設置實驗環境。學生到達實驗室，靜坐穩定情緒，教師向學生講述實驗流程及注意事項，并做好學生姓名、年齡、身高、體重等信息的登記。隨后，讓學生根據實驗指導書熟悉實驗材料、設備、飛行程序以及環境［7］。

（二）實驗過程

1.演示型實驗。首先，結合典型飛行人因事故講解飛行員認知行為與事故發生前后的聯系，熟悉SHEL模型等事故分析方法，明確飛行員自身及其認知能力的重要性；其次，根據實驗指導書重點介紹實驗設備及步驟，講解實驗流程，同時將模擬器的學習資料發給學生，讓學生提前熟悉實驗平臺；最后，對學生進行分組，進行后面的綜合型實驗。

2.綜合型實驗。首先，設置綜合實驗模擬飛行基礎數據，如機場信息（如跑道位置）、飛行環境數據（如風、雨、雷暴等）、飛行任務（如本場起落航線、無動力進近、儀表進近等）、飛行程序（如平飛、爬升、下降等）。其次，將實驗課程分別安排在上午8：00—10：00、中午12：00—14：00、晚上9：00—11：00時間段內。飛行員在不同時段及執行不同任務后完成NASA-TLX、SWAT等主觀量表，對自身的心理狀態及負荷狀態進行測評，使學生了解不同時間段工作對人體生物節律的影響，了解自身認知水平變化情況。最后，學生佩戴眼動儀、心電傳感器等設備在不同時間段內執行綜合型實驗任務，熟悉自身的基本認知過程，存儲數據。

3.創新型實驗。學生在課堂學習、演示型實驗以及綜合型實驗的基礎上，熟悉基本飛行任務、飛行程序，并對自身感知、判斷、決策等認知規律進行了解，允許學生根據實驗指導書，對模擬飛行器的飛行參數進行設置。例如，對起飛機場的設置（如高原機場）、對環境的設置（如側風起飛、順風起飛、逆風起飛等）、對飛機的設置（如等飛機增重20%）。同時，在實驗人員的指導下進行明暗環境飛行員的視覺變化等創新型實驗。

（三）實驗結果

學生結合不同飛行任務的飛行參數對自身認知活動進行分析，可以從以下幾方面展開：（1）對本場五邊飛行、VOR/DME進近、無動力降落、ILS盲降進近等一般飛行任務的各評價指標進行總體對比分析。例如，五邊飛行各邊的高度、速度等測量值及誤差變化，其中測試項主要包括一邊航跡偏離、抬輪表速、一邊最大爬升率、一轉彎高度、一轉彎坡度、二邊航跡偏離、二轉彎坡度、三邊航跡偏離、三邊高度偏離、三轉彎坡度、四轉彎坡度、進近最大下降率、進近航跡偏離、跑道入口高度、接地位置偏離、接地率、接地過載、著陸滑跑與中線距離、飛行最大過載以及所有測試項目的總分值。（2）對不同時段執行飛行任務過程中的飛行參數、生理指標進行對比。例如，在極易產生疲勞狀態的12：00—14：00時段和頭腦清醒的8：00—10：00時段，飛行員在執行各飛行任務中飛行參數與生理指標的變化情況。（3）對不同飛行程序下的飛行參數進行對比，并將執行不同飛行程序過程中的生理指標與執行一般飛行任務過程中的生理指標進行對比，如執行發動機失效飛行程序時與執行一般飛行任務的參數差異、生理指標變化情況等。

結語

基于飛行員微觀認知的實驗教學探索將實驗教學與課堂理論教學緊密結合起來，有效銜接了課堂與實驗教學，豐富了教學手段和方法，彌補了傳統理論教學的不足。實驗教學內容增進了學生對飛行中人的因素內容的理解，激發了學生解決實際問題的靈感，促使學生對自身微觀認知行為的理解，鍛煉了學生的實踐能力，提高了學生的創新能力，真正實現了教師教學和學生學習過程中理論與實踐相結合的教學目標，在整個教學過程中取得了良好效果。

飛行員的微觀認知貫穿其整個全生命周期管理過程，認知行為表現直接影響飛行安全。飛行員的微觀認知行為除了包括感知、判斷、決策等基本認知過程外，同時涵蓋情境意識、差錯管理、應急管理以及駕駛艙資源管理等飛行人因主要內容。通過設置基本飛行任務、不同飛行程序、飛行特情處置中與認知差異相關的實驗項目，本文詳細設計飛行員微觀認知分析的實驗方案、實驗內容以及數據分析等環節，引領學生在實踐中解決問題的同時為飛行員訓練提供基礎數據。這對于飛行員教學與飛行人因工程研究都具有重要意義。

參考文獻

［1］Boeing Commercial Airplanes. Statistical summary of commercial jet airplane accidents worldwide operations 1959—2021［R］. Boeing Commercial Airplanes， 2021：9.

［2］中國民航運輸航空飛行員技能全生命周期管理體系建設實施路線圖［EB/OL］.［2022-10-21］.http：//www.caac.gov.cn/big5/www.caac.gov.cn/PHONE/HDJL/YJZJ/202009/P020200929537118714360.pdf.

［3］游旭群，姬鳴，戴鯤，等.航線駕駛安全行為多維評價量表的構建［J］.心理學報，2009，41（12）：1237-1251.

［4］汪磊，蔣引，譚維.航線飛行員風險畫像指標體系構建［J］.中國安全科學報，2020，30（1）：13-21.

［5］王艷麗，楊爍，吳兵.基于駕駛模擬的本科實驗教學內容設計［J］.實驗室研究與探索，2020，39（11）：171-174.

［6］高振興，司海青，丁松濱.開國際化卓越飛行人才培養模式研究［J］.工業和信息化教育，2021（2）：1-5.

［7］陳農田，譚鑫.基于肌電皮溫檢測的飛行員操縱行為分析實驗設計［J］.實驗技術與管理，2015，32（11）：202-205.

Exploration of Experiment Teaching Content of Human Factors in Flight for PLM

WANG Hai-bo， SI Hai-qing， PAN Ting

（College of General Aviation and Flight， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 213300， China）

Abstract： Requirements for the quality of flight personnel are set out in the context of the Pilot Lifecycle Management system （PLM） in this paper. Knowledge and comprehension of human factors involved in flight are also promoted among flight cadets. And discussion on the experimental teaching content of human factors in flight is carried out， with the aim of increasing the cognitive capacities of pilots as an entry point. Furthermore， based on an analysis of pilot cognitive processes and characteristics， the sorts of pilot micro-cognitive experiments to be conducted are systematically explored. Each experiments concrete content， methods and procedures are given in detail and some of the results are presented. Additionally， PLM-oriented flight human factors experimental content is designed with characteristics of flight technology specialty. Similarly， the idea of curriculum construction from the practical application level is put forward. According to the experimental teaching content， experimental teaching of human factors in flight and training of civil aviation flight personnel are provided as references.

Key words： lifecycle management; experimental teaching; Human Factors in Flight; pilots cognitive