军机飞行员空中脑力负荷的心理生理评定

摘要

脑力负荷是完成一项或多项任务时所产生的生理和心理需求。脑力负荷不是一个固有的特性，当任务需求、工作环境、操纵者的技能、行为和感知交互作用的时候，脑力工作负荷就产生了。完成飞行任务和确保飞行安全对脑力需求的提高必然导致脑力负荷的增加，进而影响飞行人员的作业绩效，威胁飞行安全。 脑力工作超负荷引起信息获取分析的失误和决策错误，是导致事故征候和事故发生的重要原因。研究表明，60％～90％的飞行事故和事故征候发生在脑力工作负荷强度大，应激水平高的起飞、低能见度仪表或手动进近和着陆阶段，而且多是由人为差错引起的。因此，为提高飞行作业绩效，维护飞行安全，测量和评定飞行员空中脑力工作负荷具有越来越重要的现实意义。 飞行脑力负荷是一个多维的构建，目前尚无统一的标准去测量。对操作者的认知活动进行生理测量是一个实时、客观的方式，生理测量的优势在于能在从低脑力负荷到脑力超负荷的较宽范围内提供敏感性较高的总体评价。 例如心率和HRV的测量被用于模拟空中交通管制的研究，发现其在脑力超负荷水平的评定中具有较高的敏感性。以NASA-TLX为代表的飞行员脑力负荷的主观评定方法是指让飞行员陈述飞行过程中的脑力负荷体验或根据这种体验对飞行作业项目进行过程排序、质的分类或量的评估，具有无侵入性、效度高、经济性的特点，是常用的脑力负荷测量方法。我国在飞行脑力负荷评价方面的研究起步较晚，经验较少，且仅限于实验室和飞行模拟器研究，缺乏实际飞行资料。 为探讨不同飞行科目、不同飞行阶段和不同飞行员飞行过程中的脑力负荷水平的变化，本研究从心理生理测量和主观评价两个方面对飞行员实际飞行时的脑力负荷状态进行了评定。通过机载飞行参数记录系统和生理检测设备，同步采集记录了飞行状态和飞行员的多种心理生理参数的变化，使心理生理参数变化与飞行状态形成精确对应。分析了起落航线飞行和基本特技飞行条件下歼击机飞行员心率、呼吸率、HRV的时域和频域指标的变化规律和脑力负荷水平的变化。采用NASA-TLX脑力负荷评价量表(经过修改)，对军用直升机飞行员仪表飞行时的脑力负荷进行了主观评价。 研究分以下四部分： 1、歼击机飞行员空中生理参数与飞行状态变化动态对应的可行性研究 本研究利用歼××机载飞行参数记录系统和某型通用飞行训练质量评估专家系统，对飞行参数、飞行过程、飞行阶段、飞行动作和姿态进行动态识别，结合KF2 型动态多参数生理检测仪的记录和分析，精确获得每一飞行瞬态的心率、呼吸率、体温、过载和体动情况以及每一阶段的HRV 时域和频域指标等生理指标。为空中动态精确分析飞行员的心理生理指标和脑力负荷的变化提供了一种方法和技术手段。 2、歼击机飞行员起落航线飞行时脑力负荷的心理生理评定 观察了起落航线飞行条件下11名歼击机飞行教员和10名新飞行员的心率、呼吸率、1.5 min短时程快速HRV分析的时域和频域指标的变化规律，分析了不同飞行阶段的脑力负荷水平。 在起飞爬升阶段，新飞行员表现为心率和呼吸加快，SDNN、RMSSD、TINN以及HRV总功率TP和低频功率LF的减小，飞行教员表现为呼吸的加快和SDNN、TINN以及HRV低频功率LF的减小，新飞行员的心率显著高于飞行教员该阶段的心率。该阶段心理生理参数的变化反映了脑力负荷的增加，新飞行员的脑力负荷水平高于飞行教员。在下滑着陆阶段，两组飞行员的心率和呼吸均显著升高，SDNN、TINN和LF显著降低，RMSSD和HF达到最低值，而LF/HF达到最高水平。飞行教员的HF功率显著低于飞行前，LF/HF显著高于飞行前。这表明，在下滑降落阶段，两组飞行员的脑力负荷和紧张应激状态达最大水平。在该阶段飞行过程中，飞行教员的心理压力和生理需求显著增加，并稍高于新飞行员。在第三边平飞阶段，两组飞行员的心率回落至飞行前水平，飞行教员的呼吸也显著回落，SDNN、RMSSD和TINN也恢复至飞行前水平。说明在平飞阶段，飞行员的脑力负荷程度与起飞和下降着陆阶段比较有所降低。 3. 歼击机飞行员基本特技飞行时脑力负荷的心理生理评定 观察了基本特技飞行条件下歼击机飞行教员和新飞行员的心率、呼吸率、1.5 min 短时程快速HRV 分析的时域和频域指标的变化规律，分析了飞行前休息，起飞爬升，坡度60 度盘旋，半滚倒转，筋斗，半筋斗翻转，返航阶段，下滑着陆阶段的脑力负荷水平。 两组飞行员的心率在完成基本特技动作飞行过程中显著升高，在返航阶段有所回落，但是在下滑着陆阶段又显著增加。在完成基本特技动作阶段，新飞行员表现为高的心率和呼吸反应，而飞行教员仅表现为心率的增加，呼吸率显著低于新飞行员。在完成特技飞行动作的各阶段，两组飞行员的SDNN、RMSSD、TINN、HF 和HF norm 显著降低，而LF、LF norm 和LF/HF显著升高，提示两组飞行员较高水平的脑力负荷。在不同的机动动作之间，即在坡度60 度盘旋、半滚倒转、筋斗和半筋斗翻转的过程中，没有表现出脑力负荷水平的差异。在返航阶段，两组飞行员HF 的显著回升，提示脑力负荷有所减轻，但此时新飞行员的LF norm 显著低于飞行教员的LF norm，而HF norm 则显著高于后者，反映了在完成规定的特技动作后返航阶段某种放松和满足感，脑力负荷和飞行教员比较相对较小。飞行教员在下滑着陆时的SDNN 为整个飞行过程的最低值，而新飞行员在整个飞行过程中，起飞爬升阶段的SDNN 最低。在下滑着陆阶段，飞行教员的RMSSD 显著低于新飞行员的RMSSD，TP 较飞行前显著降低，LF/HF 较飞行前显著升高。反映了起飞阶段和着陆阶段两者的脑力负荷水平的差异，即新飞行员起飞阶段的相对高脑力负荷，着陆阶段的相对低脑力负荷，而飞行教员则相反，即起飞阶段的相对低负荷和着陆阶段的相对高负荷。 4. 仪表飞行时直升机飞行员脑力负荷的主观评价 采用NASA-TLX 脑力负荷评价量表(经过一定的修改)，对军用直升机飞行员仪表飞行时的脑力负荷进行了主观评价。发现在起飞爬升阶段、巡航平飞阶段、下滑着陆阶段飞行员的总脑力负荷值分别为： 34.46±17.25,32.11±13.11, 53.95±17.76。下滑着陆阶段飞行员的总脑力负荷值显著高于起飞爬升阶段和巡航平飞阶段的总脑力负荷值。对不同飞行阶段的总脑力负荷评价值和飞行小时数的线性回归分析表明，总脑力负荷的评价值均与飞行小时数呈显著负相关。在起飞爬升阶段，总脑力负荷的评价值与飞行小时数的线性回归方程为：总脑力负荷评价值＝42.20 – 0.01203×飞行小时数(r = -0.810, p < 0.01)；在巡航平飞阶段，总脑力负荷的评价值与飞行小时数的线性回归方程为：总脑力负荷评价值＝38.51 – 0.00604×飞行小时数(r = - 0.535, p< 0.05)；在下滑着陆阶段，总脑力负荷的评价值与飞行小时数的线性回归方程为：总脑力负荷评价值＝62.57 – 0.00814×飞行小时数(r = - 0.532, p <0.05)。