飞行负荷评价技术与方法

李琳君，李向南

(1.61297部队，江西 景德镇 333002； 2.61255部队，山西 侯马 043013)

0 引言

新型直升机在定型或适航审定中，往往结合试飞课目在试飞员评述中进行飞行员主观评价[1，2]，以评价直升机的驾驶舱布局的设置或飞行程序编制是否合理。但是目前在试飞中，飞行员主观评价流于形式的现象比较明显，参试的试飞员或飞行员对工作负荷评价理解不够深入，评价的方法也比较单一。这在直升机定型或适航审定后，不利于更好地发挥最大效能，甚至给飞行安全带来影响。

工作负荷一般由脑力负荷和体力负荷构成。脑力负荷最为权威的定义由北大西洋公约组织于1977年提出，指作业人员为达到业绩标准而付出的注意力大小，涉及到完成某项任务时的工作要求、时间压力、作业人员的能力和努力程度，以及任务不顺利时的挫折感等[3]；体力负荷指作业人员为达到业绩标准而付出的体力大小，体力负荷一般与氧气消耗量成正比。

随着科学技术的进步，特别是电子计算机的飞速发展，飞行员在航空器操纵中的作用发生了巨大的转变。飞行是一项以脑力劳动为主、脑体结合的复杂人机交互活动，飞行过程中机组需完成飞机防撞、导引航向、地空通讯、系统操纵、仪表监视及关键时刻的指挥与决策任务。驾驶舱这一设备密集、仪表繁多的狭小空间便是进行该复杂活动的场所。

1 飞行工作负荷评价的方法及缺点

1.1 负荷评价的方法

在新型或改进型民机投入商业运营之前，型号持有人均需根据对应的适航条款通过局方审批。以欧美航空发达国家为例，为满足FAR25.1523条最小机组工作量的适航审定要求，局方所采用的符合性验证方法均为主观评价法。目前国内外进行飞行工作负荷评价的主要方法有：库柏哈柏法、SWAT表法、NASA-TLX量表法、任务绩效测量和生理测量。

1.2 几种主观评价方法和心理指标测量方法的缺点分析

随着研究的不断深入，学者们渐渐发现上述三种工作量的评估方法都存在不同程度的缺点，具体如下:

1.2.1 主观评价法的缺点

利用主观评价法进行评价时，需要大量的样本数量才能得到可靠的评估结果[4]。因为同一个人在不同的训练程度和水平、不同的环境、不同的时间甚至心理活动不同的情况下，给出的主观评价很可能不一样。美国弗吉尼亚大学的Reed和Burton Kelly(1985)等人[5]的研究正说明了这一点。对主观评价表中某些定义和准则进行合理、科学的设计是减轻主观评价差异的可行办法，但是差异无法完全消失。

1.2.2 任务绩效测量法的缺点

其一，不同脑力任务所调用的脑力资源不同，如果脑力任务的性质发生变化，则主任务绩效的度量指标就要发生变化，这在实际操作中很难实现；其二，当作业者同时进行双任务时，除非主任务或次任务对作业者的负荷要求很低，否则次任务的完成在很大程度上会对主任务造成影响，最终影响任务绩效的测量结果。

1.2.3 生理测量法的缺点

一是生理指标测量法只是在一段较短时间内间接反映工作负荷的变化情况，而且生理指标的数值变化情况与工作负荷之间的函数关系无法求得，所以评估体系难以建立。二是生理指标、任务和被测者都是一一对应的关系，且随着外界环境、任务类型甚至被测者心理活动的不同而有着显著的区别。例如被测者可以通过自身努力改变部分生理指标，如眨眼率等。而且受飞行中座舱环境的限制，部分生理指标如脑电波、眼动等无法通过空中实际的飞行真实测得，这些指标只能在实验室环境下通过模拟飞行进行测量。

针对上述三种方法存在的问题，国内外学者普遍认为，不同的任务负荷需要不同的评估方法，没有一种评估方法是通用的。而且脑力负荷的复杂性也决定了评估方法需要综合使用，将几种评估方法进行有机综合、合理叠加才更加合理。同时，脑力负荷的复杂性也决定了评估方法的综合性。较为前沿的研究思路是采用数学建模技术对工作量进行多维度综合评估。

2 国内的飞行员负荷评价存在的问题

目前国内直升机试飞过程中运用飞行员负荷评价的范围逐渐增大，但是与国外相比，研究和运用的深度及广度不够，试飞员对飞行员负荷的评价不够准确。

2.1 国产直升机研制中对飞行员负荷评价重视不够

通过查阅资料可以发现，国内对于飞行员负荷评价的研究日趋深入，飞行员负荷也逐渐成为航空器设计和试飞阶段中重要的考虑因素之一，研制思路也从仅考虑航空器的性能优劣转为既要考虑航空器性能，也要考虑飞行员使用中的感受。

前一阶段我单位承担了直XXX型直升机的试飞工作。该型机为改型机型，直XX型机换装国产发动机。原型机为20世纪90年代设计，座舱采用传统仪表指示。两型机的座舱布局完全一致，其扭矩表为传统指针式仪表，放置在中央操纵台右前侧。在飞行中发现，飞行员观察扭矩表需要大幅度地转移视线。右座飞行员受扭矩表边框的遮挡，完全看不到扭矩表上的限制值；左座飞行员距离扭矩表过远，很难发现扭矩表；只有空中机械师能够全面观察扭矩表指示值。当直升机试验大功率状态飞行时，飞行员只能通过机械师的语言通报才能监控扭矩。这一事例表明，直升机设计单位在该型号设计之初，没有考虑仪表布局的不合理给飞行员实际飞行带来的困扰，由此造成的飞行负荷过大。

2.2 飞行员对飞行员负荷评价认识不够全面

飞行员负荷评价应是全面地综合地对飞行中的负荷进行评价。作为评价的主体，部分试飞员在进行负荷评价时，不能客观地科学地进行评价，没有综合地考量飞行中的负荷情况。例如，有的试飞员在进行库伯哈珀评价中，对某些须做出相当大的补偿才能维持操纵的动作或状态难以保持的试飞内容，即任务不能有效执行的情况下，仍给出飞行员评定小于6.5分等级2的评价；有的试飞员为了照顾研制单位的情面而提高负荷等级；有的试飞员没有对执行试飞课目的性能指标进行详细研究而盲目进行打分。试飞员若进行负荷评价不够及时，课题组也有补填的情况。负荷评价应在执行完动作后立即做出评价，甚至任务完成当时架次着陆后立即填写，以当时的感受为准，否则评价的真实性和客观性可能都需要质疑。

2.3 研制、鉴定单位对影响飞行负荷的因素考虑不周全

Cuevas和Kantowiz认为，飞行员工作负荷是受多种因素影响而形成的多层面并且复杂的一个术语，其影响因素包括：①操作者的能力；②训练；③操作程序；④操作环境；⑤组织能力和水平；⑥任务分配；⑦工作任务需求；⑧工作需求；⑨任务复杂性；⑩工作地点。Lee[6]研究了以下三个因素对飞行工作负荷的影响：①飞行经验(训练)；②操作程序中滑行角度水平(工作任务需求)；③不同进近区域。以上研究表明，虽然目前没有一项研究对飞行员工作负荷的影响进行系统的研究和分析，但是从中也可以看出，飞行员负荷是一个综合的、全面的、系统的问题，不能仅仅从某一个方面对飞行负荷进行预估或评价。而目前直升机的科研试飞中，研制单位和鉴定单位仅考虑了在试飞中开展负荷评价，很少去分析给出飞行员负荷是否具有代表性。例如，执行同一试飞课目，不同的试飞员给出的负荷评价很有可能是不同的；在不同环境中给出的负荷评价很有可能是不同的；同一试飞员在执行同类课目时，第一次评述与第四次评述很有可能是不同的；同一试飞员在执行同类课目时，试飞前精神状态或剩余精力的不同，给出的飞行负荷评价可能相差甚远。所以研制部门和鉴定部门在收集到飞行员负荷评价时需详细记录试飞的背景，如环境，试飞员对自我身体、心理活动状况的评价，并通过试飞数据判断试飞员在执行任务时的努力情况。

3 飞行工作负荷评价的建议

根据以上在直升机试飞过程中的飞行负荷评价存在的问题，本文通过实例，探讨了直升机飞行负荷评价中应注意的问题。2014年和2015年，AC313型直升机上共4名试飞员，对4个飞行课目进行了主观评价，4个课目分别为正常起落航线飞行、模拟电调故障、模拟单发停车、模拟机上断电的单发停车[7]，共4个架次30分钟。

3.1 样本数量应足够充足

应在获取多名试飞员、飞行员的飞行负荷评价的主观评分和生理指标参数后，对试验项目进行工作负荷评价。有研究表明，参加试验的试飞员、飞行员的人数在8～20人为宜[8]。这样获取的工作负荷评价才具有代表性。

本次试验，受任务性质的影响，只请了4名飞行员参与试验，这4名飞行员飞行经验丰富，飞行时间较长，所飞机型较多，所做出的负荷评价能代表大多数飞行员。不过在直升机设计定型和鉴定阶段，对于飞行负荷评价，应有多名试飞员参与，广泛收集意见和建议。表1为参与此次工作负荷评价的飞行员的基本资料。

表1 参加评估人员基本信息表

3.2 参试飞行员应充分了解主观评价的方法

研制单位和鉴定单位应向参与负荷评价的试飞员、飞行员详细解释选取的主观量表的评价方法、评价的标准以及在试飞员评述中应注意的要点。

在进行本次飞行工作负荷验证试验前，向参与试验的4名飞行员讲解了两个量表的评分标准，尤其是对SWAT量表中的时间负荷、努力负荷和心理紧张负荷的理解做了细致的讲解，对负荷重要性对比评价方法进行了细致的分析，确保参试飞行员无歧义地理解负荷评价方法。

3.3 主观量表的选择和判定

根据任务选择合适的主观量表，并且应选择至少两种量表进行评分，通过两种量表的评分相互印证。两种量表的选择，一种应为直接打分的主观评价量表，如库伯哈珀负荷评价、bedford量表、overall量表等；另一种应选择需要进行排序判断努力程度，回到地面才能准确评分的量表，如NASA-TLX量表、SWAT量表等。

在此次试验中，选取了SWAT主观评价量表和bedford量表进行评分(见表2)。从表中可以看出：飞行员2在模拟单发失效课目的巡航阶段和下降阶段的bedford量表评分均为3分，为低负荷，SWAT量表评分均为14分，为中等负荷；模拟电调故障着陆课目中的巡航阶段，bedford量表评分为7分，为高负荷，而SWAT量表评分为4分，为低负荷。两个量表的评分差异比较明显，所以飞行员2的工作负荷评价可信度不高，本次工作负荷评价对该飞行员的负荷评价不予采纳。

表2 工作负荷评价结果总览

注：起飞、进近及着陆定义为课目Ⅰ，模拟单发失效课目定义为课目Ⅱ，模拟单发失效及机上断电着陆课目定义为课目Ⅲ，模拟电调故障着陆课目定义为课目Ⅳ。眨眼率为BR，bedford量表评分为B，SWAT量表评分为S。

3.4 选择好工作负荷评价的基准

负荷的轻与重是相对而言的，不是绝对的，所以在针对某一飞行程序进行负荷评价时，应选择合理的课目作为基准进行负荷评价。作为负荷基准的课目，不能选择过于简单的，因为过度简单的任务负荷与需执行课目的任务负荷差距过大，没有参考意义。例如在应急程序验证进行飞行负荷评价时，应参照对应的正常程序进行负荷评价。对某一特定的飞行内容进行负荷评价时，可以选取类似课目作为负荷的评价基准课目，确定相对负荷值。

本次试验均在起落航线上实施，3个试验课目分别为模拟单发失效、模拟单发失效及机上断电着陆课目和模拟电调故障着陆课目，其飞行轨迹与起落航线完全一致，所以本次飞行负荷评价试验的基准负荷课目为起飞、进近及着陆(起落航线)课目，试验的实施顺序按照起飞、进近及着陆(起落航线)、模拟单发失效、模拟单发失效及机上断电着陆课目和模拟电调故障着陆课目的顺序执行。通过表2看出，飞行员2的起飞、进近及着陆课目的负荷评价过高，在起飞、爬升、下降和着陆4个阶段的负荷评价均在重度负荷和不可接受的范围内，飞行负荷基础课目的负荷评价过高，和其他3名飞行员的负荷评价不在同一个量值内，所以飞行员2 的总体负荷评价不予采纳。飞行员1、飞行员3、飞行员4的基础课目负荷评价基本在同一等级内，所以本次负荷评价试验，评价依据为以上3名试飞员的评价。

3.5 生理指标的选择和判定

应采集飞行员在飞行中的生理指标，通过生理指标的变化情况来验证飞行员工作负荷情况。当主观评价与生理指标的变化情况出现过大差异时，其主观评价应慎重采纳。

本次试验，采用微型摄像机拍摄飞行员面部，读取眨眼率采集飞行员的生理数据。微型摄像机置于应急磁罗盘安装支架上，遮挡微型摄像工作状态灯，不影响飞行员的正常操作和观察(见图1)。通过对眨眼率的读取，对比评价量表，判断工作负荷评价的准确性。

图1 微型摄像机设置图

四名飞行员平静时的眨眼率，飞行员1为33次/min，飞行员2为21.7次/min，飞行员3为向阳时34次/min，背阳时为30次/min，飞行员4为向阳时41次/min，背阳时为36次/min。经判读本次试验的眨眼率数据与负荷量表评分(见表2)可以看出，飞行员3的模拟单发失效课目和模拟单发失效及机上断电着陆课目中，在下降、进近和着陆阶段，眨眼率与平静时的差别很大，但是负荷量表评分中负荷为轻度和中度负荷，与眨眼率差异很大，所以该名飞行员的工作负荷量表评分的可信程度不高，不采纳。

3.6 综合评判

在进行负荷评价时，应以试飞员、飞行员的主观评价为主，以生理指标为辅。只有在任务完成的情况下数据才有效，如不能完成任务，则工作负荷评价没有意义。参与试验的试飞员、飞行员的负荷评价差异过大时，应结合生理指标参数变化情况，认真地加以甄别，剔除无效数据；还可以采取所有参试试飞员、飞行员集中讨论的方式，统一观点，给出最终工作负荷评价的结论。

通过上述试验可以看出，AC-313型机的三个应急程序课目总体负荷偏大。虽然有2名飞行员的负荷评价量表的评分不能提供参考依据，但是从飞行后的试飞评述都可以看出该型机在部分课目飞行中的负荷偏大，可以得出飞行工作负荷的最终结论。

4 结束语

在进行飞行工作负荷评价时，参试对象应全面，包括参与该机型设计的设计人员，参与定型科研试飞的试飞员或飞行员、空中机械师。参与调查的试飞员，应有丰富的飞行阅历，其中，所飞机型多且有过三代机以上机型飞行经历的飞行员，其评价权重应更高，机务人员也类似。对于检查结果，应专门组织参与调查的全体人员在直升机上进行对比验证，同时根据飞行员个体差异有针对性地进行判断选择。检查结果应采纳代表大多数飞行员的意见。

飞行负荷评价，建议应贯穿新机型调整试飞和鉴定试飞的全阶段，而不是在鉴定试飞的最后阶段进行。在调整试飞阶段，设计部门及制造部门还有可能调整直升机座舱布局。在调整试飞中关于航电设备的试飞，针对设备的布局和显示，课题不仅仅要求试飞员给出试飞员评述，还应给出负荷评价。特别是在鉴定试飞的应急程序验证试飞环节。目前的应急程序验证只是验证手册给出程序的合理性和可行性，没有考虑机组在执行应急程序时的工作负荷情况，而综合条件不好时(如不良目视、天气状况不佳、出现了其他特殊情况时)，工作负荷可能会成倍增长。所以，在新机型定型之前，机组工作负荷应作为一项经常性的工作贯穿调整试飞和鉴定试飞的始终。

飞行工作负荷评价是一项复杂的、全面的、科学的工作，是需要直升机设计单位和试飞员紧密配合完成的工作。通过试飞阶段得到准确的工作负荷评价，对直升机设计中存在的问题准确发现、定位和进行调整，才能给用户和广大的普通飞行员们好用、管用的直升机。