飞机着陆阶段飞行员工作负荷分析

辛甜，罗志燕，蒋利添，蒋丹丹

(中国飞行试验研究院 试飞员中心，西安 710089)

1 引言

因为航空器本身的运行特点，使得飞行成为一种高危作业，根据研究表明，飞行事故多发生在飞行员工作负荷大的进近和着陆阶段，而且多是由人为差错引起的［1］，因此，对飞行员的工作负荷研究对飞行安全起着至关重要的作用。国内外针对工作负荷的研究从上世纪70 年代开始，已形成一套完整的体系，研究方法包括生理机能测量法和主观评测法［2-5］，目前在航空航天、机械设计、军事医学等多个领域广泛使用［6-7］。

本文设计飞行试验对飞行员在着陆阶段的工作负荷进行研究，采用多种方法相结合的方式对飞行员进行分析，找出工作负荷的变化规律以及影响工作负荷的因素，为提高飞行安全性提出建议。

2 工作负荷测量方法

本次试验采用生理机能测量法和主观评测法相结合的研究方式对工作负荷进行分析，其中主观评测法包括美国航空航天局(NASA)的NASA-TLX 和试飞员填写“试飞员评述”。

①生理机能测量法

生理机能测量采用空军航空医学研究所设计的胸带式检测仪。检测仪主要由监测主带、记录控制盒和数据分析软件组成，监测主带连接记录控制盒和3 个电极连接扣，并加有一个温度传感器(如图1)。测量数据由专用软件进行数据处理(如图2)，可以得出测量阶段每一时刻的心率、呼吸率数据。

图1 胸带式检测仪

图2 分析软件界面图

②NASA-TLX

NASA-TLX 是由美国航空航天局开发的一个多维的工作负荷主观评价量表［8-9］。该方法将工作负荷来源细分为心理需求、体力需求、时间需求、作业绩效、努力程度和挫折水平六个方面，试飞员按照自己的主观感受分别进行评分。

③试飞员评述

试飞员评述是目前在试飞工作中较为常用的一种评测方法。本次试验的评述内容包括以下几个具体问题:a、对任务完成情况是否满意;b、佩戴的测试设备对飞行是否有影响;c、身体是否感到疲劳;d、飞行中是否有紧张、压力或烦躁的情绪;e、飞机人机界面设计方面是否影响到了飞行;f、主观评测中哪一项评分最高，为什么。

3 飞行试验准备

①试验飞机

试验飞机采用注册号为B -7947 的塞斯纳172R 型飞机。飞机上加装有一套RIG100 型捷联式组合导航系统，该系统可精确测量载体在空间坐标系中三个轴的姿态(倾斜、俯仰、偏航)、角速率、线加速度以及GPS 导航定位信息。

②试飞员团队

试验选用了7 名飞行员，其中4 人总飞行时间约为1 000 h，三人总飞行时间约为750 h，年龄30 -35 岁。

③机场条件

试验机场选用蒲城内府机场，该机场拥有一条1 200 m* 45 m 的跑道和一条1 200 m* 15 m的平行滑行道，都为水泥道面。

4 试验方案设计

(1)飞行员进入休息室后佩戴测试设备并检查设备工作正常，计时作为时间零点，静坐2 min以上，要求静坐期间不能说话，平心静气，此时间段采集的数据将作为对;

(2)比的基础数据。基础数据采集完成时间应不晚于起飞前20 min;

(3)由佩戴测试设备的飞行员在左座操纵飞机，按照机场管理程序正常开车滑出进入跑道，右座飞行员记下时间;

(4)飞行试验轨迹设计为一个起落航线(如图3)。飞机以10°襟翼构型起飞，一边以75 kt 的速度直线爬升，高度120 m 收襟翼，高度180 m 后无影响以20°坡度左转进入二边，当高度到达300 m 时改平飞，速度保持85 kt。

图3 起落航线示意图

(5)试验过程设计为连续起落，为减小上一圈着陆阶段以及起飞阶段对下一次落地的影响，将三边宽度设定为2 m。被测试飞行员按照程序沿着二边、三边进行巡航。巡航过程中被测试飞行员快速完成巡航阶段的NASA-TLX 表。

(6)在距离跑道中心4 m 处进行三转弯，继续保持300 m 高度，进入四边后放10°襟翼，保持85 kt 巡航速度。

(7)根据跑道位置四转弯，对正后开始下降高度并放下20°襟翼，下降速度75kt。下降到200 m 或者150 m 后保持平飞，平飞速度75kt，右座飞行员记下时间。

(8)200 m 平飞时在距离跑道2 nm 时开始进入着陆阶段，150 m 平飞时在距离跑道1.5 nm 开始进入着陆阶段。右座飞行员记下时间。放30°襟翼，目标下滑速度65 kt，调整好方向位置，对准下滑点，保持3°下滑角。

(9)下降至6 m 拉开始，注意飞机姿态变化，微调飞机方向位置，1 m 拉平。

(10)着陆后控制飞机滑跑方向，右座飞行员调整襟翼到10°并发出口令“襟翼10”，被测试飞行员控制飞机连续起飞。起飞后右座飞行员记下时间并操纵飞机继续爬升，左座飞行员完成NASA - TLX 表，完成后接手飞机准备下一圈落地。

(11)每位飞行员完成5 圈。

(12)飞行结束后被测试飞行员主要针对工作负荷完成试飞员评述。

5 试验结果

飞行试验于2017 年11 月13 日在蒲城内府机场进行，气温14°C，场压976HPA，能见度2 500 m 左右，风向风速稳定。飞机测试设备以及生理机能测量设备都运行良好。取得数据分析如下。

5.1 生理机能测量结果

将飞机加装设备所采集的飞行数据与被测试飞行员身上携带的生理数据采集设备中的生理机能数据相对比，截选出一部分得到图4。

图4 飞机气压高度与飞行员心率、呼吸率对比图

从图4 中可以看出在巡航阶段，飞行员的心率比较平缓，平均心率在80 次/min 左右，而到了着陆阶段，随着高度的降低，心率逐渐升高，并在接地前心率达到最大值。呼吸率分布较为分散，规律不明显。

为更加清楚的对比不同高度下心率与呼吸率的变化规律，现将巡航和着陆两个过程按照高度分为300 m、200 m 至300 m、100 m 至200 m、30 m 至100 m 和30 m 以下五个阶段。再将在地面测量时的数据作为基础数据加入对比。将各个阶段的生理机能数据最大值、最小值和平均值进行对比，如图5。

图5 各阶段心率最大值、心率最小值和心率平均值对比图

从图5 中可以看出，由于在地面测量时为无压力状态，取得的心率数据都是最低的。在飞行阶段的每一次着陆中，随着高度的降低，最大心率、最小心率以及平均心率都出现了明显的增大。

将呼吸率汇总可得到对比图如图6。

图6 各阶段最大呼吸率、最小呼吸率和平均呼吸率对比图

由图6 可见，无论是地面空中对比还是不同高度对比，所有数据点分布分散，规律性不强，因此对工作负荷进行研究时，呼吸率数据难以有效的反映出飞行员的工作负荷情况。

5.2 NASA-TLX 评分结果

飞行员针对着陆阶段和巡航阶段的NASA -TLX 评分对比如图7。

图7 着陆阶段和巡航阶段评分对比

从图7 中可以看出，对比着陆阶段和巡航阶段，在六个维度中着陆阶段都要大于巡航阶段。这也体现出了两个阶段的工作负荷情况，但在对比飞行员各自的评分时，发现每名飞行员各自的工作负荷主要来源都不相同，对比差异最明显的3 名飞行员结果如图8。

图8 不同飞行员各项评分对比图

由图8 可以看出，飞行员1 认为体力负荷占的比重更大，而飞行员2 更注重业绩水平和努力程度，飞行员3 则在受挫程度方面评分远大于其他两名飞行员。为分析工作负荷增大的具体原因需要结合试飞员的评述结果。

5.3 试飞员评述结果

从图8 中的三名试飞员的评述结果可以看出，着陆阶段工作负荷增大的原因除了操纵量增大之外还包括:

飞行员1:①间隔时间较长，飞行对飞机和要执行的程序都有些生疏;②出汗使得飞机操纵杆变滑，在着陆过程中感觉手腕酸疼;③油门杆的位置不合适，操纵油门时要向前弯腰，使得体力负荷加大。

飞行员2:①着陆程序要求与以往有差别，精度有所提高，在把握各项数据使飞行难度增大;②长时间注意力高度集中，造成了一定的大脑疲劳。

飞行员3:①着陆过程数据的严格要求使得脑力负荷变大，出现了注意力不集中;②飞机噪音很大，飞行中出现了烦躁情绪;③油门杆的设计问题造成的身体疲劳。

6 讨论

从生理机能测量结果可以看出，在巡航阶段，飞行员心率平缓，没有大的波动，而在着陆阶段，随着飞机高度的降低，飞行员心率明显大幅度增加，这都是由于飞行员工作负荷大幅增加造成的，而大量的飞机事故出现在着陆阶段也与工作负荷的大幅度增加息息相关，因此，应该从飞机设计和飞行员培训两方面着手降低飞行员在着陆阶段的工作负荷，提高飞行的安全性。呼吸率数据分布比较分散，相关性不强，难以作为工作负荷研究的数据支撑。

对比巡航阶段和着陆阶段的NASA -TLX 评分结果同样可以得出着陆阶段工作负荷远大于巡航阶段的结论，而在分析不同飞行员的评分情况时，可以看出他们总分相差不大，但各自在不同项目的评分确相差甚远，这也体现出了NASA-TLX 方法细化工作负荷来源的优越性，不仅提高了主观测量的敏感度，还可以让研究人员针对性的提出方案降低飞行员的工作负荷。

为进一步探究着陆阶段工作负荷增大的原因，试飞员认真完成了评述内容中的问题，从中可以得出，在着陆阶段除了所需操纵量增大的因素外，对飞行感觉的生疏、对飞机的生疏、对飞行程序的生疏都会影响飞行员的工作负荷，而这些原因都是可以在飞行前解决的;另外，飞机座舱的不合理设计也会严重影响飞行员在驾驶过程中的工作负荷，例如塞斯纳172 型飞机机驾驶盘过于光滑、油门杆位置太靠前以及座舱噪音大等问题，作为试飞员，应在试飞阶段多提出此类问题，在设计阶段尽早解决。

7 总结

在航空安全人为因素中，因为超工作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。本文以此为背景，利用生理机能测量和主观评价两个方面对飞行员在着陆阶段的工作负荷进行了评定，得出结论:①应从飞机人机界面设计、法规、训练、安全教育等多方面入手保证飞行着陆阶段的安全;②利用生理测量方法研究工作负荷时应慎重使用呼吸率数据;③飞机的人机工效设计对飞行员的工作负荷有着直接影响，因此在试飞阶段试飞员应针对人机工效设计问题多提意见，降低飞行员的工作负荷;④飞行员飞行间隔时间不能过长，在执行陌生的任务前应仔细准备，以此来降低飞行时的工作负荷。