高负荷飞行航卫保障中的技术问题研究与未来展望

胡文东

(空军军医大学航空航天医学系航空航天医学装备教研室，陕西 西安 710032)

飞行任务负荷一般指飞行人员在执行飞行任务过程中，单位时间内承受的脑力与体力操作任务量。歼-20等高性能战斗机具有机动速度大、仪表信息多、持续航时长等特点，军事飞行人员除了面对加速度变化，还要处理突发特情和大量的仪表信息。因此，飞行人员需要承受在高脑力负荷和体力负荷条件下执行飞行任务，即高负荷飞行任务。这种高负荷飞行会给飞行人员带来一系列的生理心理挑战。例如，过大加速度的变化会由于惯性引起身体血液的流动，造成视觉功能的黑视、灰视，甚至意识丧失；遭遇突发特情，会产生应激反应，导致飞行员惊吓、恐惧，失能；而处理大量信息，则会引起飞行人员脑力负荷增大、疲劳感增大，进而引起反应迟滞、决策失误。这些情况最终都会造成飞行人员人因失误，甚至飞行事故[1]。由此可见，研究高负荷飞行航卫保障技术对于更好地发挥飞行人员的作战效能意义重大。

1 高负荷飞行航卫保障勤务需求分析

随着我军新型战机的列装，面向实战化飞行训练强度和难度加大，飞行员面对的生理心理负荷越来越大，对飞行员功能状态要求也越来越高。由于个体差异、功能状态不稳定及人因失误等问题导致飞行人员成为人-机-环-任务系统中的薄弱环节，也是飞行事故发生的重要原因。然而，我军的飞行人员选拔、功能状态评估、医学训练等航卫保障能力还没有紧跟装备性能的提升，预先研究保障体系相对薄弱。因此，对飞行人员生理心理选拔、功能状态评估及生理心理训练等内容进行系统全面的创新研究，补齐配套“技术-装备-标准-勤务”航卫保障体系短板，是航空医学和航卫保障亟需加强的关键科学问题。

军事飞行员需要在三维空间控制高速运动体和适应快速变化的加速度等不良作业环境，并完成战斗和训练任务。人类已经很好地适应了地面作业和生活环境。飞行作业环境和任务的特异性对飞行人员提出了特殊的生理心理要求，尤其是空间感知、作业习惯和不良环境适应等方面。因此，需要用相应的飞行员防护救生装备对飞行作业环境进行对抗和选拔训练飞行人员。飞行作业任务和环境导致了一系列航空医学问题，如人因失误、抗荷、飞行错觉、飞行疲劳和飞行员普遍存在的颈腰伤痛问题等，这些问题轻则造成飞行员身心损害，重则发生飞行事故。通过选拔训练与航卫保障能缓解这些问题，但更好的解决方法还需要对“人-机”系统工效与飞行员个人防护救生装备进行创新研究。

2 高负荷飞行航卫保障技术研究现状

本团队前期梳理了高负荷飞行背景下航卫保障的关键技术问题，主要包括高性能战机飞行人员的心理选拔、飞行员可能遭遇的疲劳和应激状态评估、个人及团队的训练技术、跨域作战人员睡眠调节等。基于以上问题，本文简要介绍了相关领域取得的研究成就。

2.1 飞行人员心理选拔技术

军事战斗飞行员，不仅需要承担高负荷飞行，还需要面对严峻飞行环境，飞行职业具有高风险的特点。1994年，由我国军内外专家组成的团队，为空军研制了我军第一个招飞心理选拔系统。该系统主要对飞行基本能力、情绪稳定性、个性心理品质、成就动机、心理运动能力等方面心理品质进行评估。后又制定了国家军用标准《歼击机飞行员心理品质检查方法与评定》(GJB 4424—2002)，并沿用至今。我国飞行员心理选拔已成完整体系，取得了良好的效果，但还存在一些问题：首先，心理选拔与生理选拔分离；其次，心理选拔时考生的生理心理负荷过小，与实际飞行差别较大[2]；再次，对考生的飞行耐力、剩余能力、风险决策能力重视不够。

现空军招飞特殊能力选拔平台由空军特色医学中心(原空军航空医学研究所)邓学谦研制，以操纵能力和空间认知能力为主，缺乏精准任务操控、协同及视色觉感知等高负荷飞行核心能力的检测。ZHANG等[3]研发了一款用于民航飞行人员色觉测试的计算机化孟塞尔(Munsell 100)系统，可以借鉴其方法用于战斗机飞行人员的色觉筛查。此外，针对传统选拔项目任务负荷偏低，无法检测考生的加速度对抗、危机时情绪控制等能力的问题，唐孟军等[4]创新设计了双任务结合电刺激在地面模拟高心理应激的技术，并通过心率变异性指标验证了该技术的可行性。在此基础上，基于蹬力、追踪、九灯反应等多种任务组合，构建地面模拟高飞行任务负荷的技术[5]。而结合生理、心理、体力、任务绩效的综合得分预测飞行能力成绩的阳性预测值达到了89.11%，一致符合率(Kappa值)为0.21[6]。基于以上研究，本团队创建了高任务负荷、高体力负荷与高心理应激负荷模拟技术，形成了高负荷飞行条件下的飞行人员生理心理综合选拔新技术。该技术可以全面客观地反映被测者在测试过程中生理心理的变化状况，可以大大提高选拔的飞行学员对高负荷飞行任务的适应能力，为提高飞行学员的成才率做出了应有的贡献。

2.2 飞行人员功能状态评估技术

2.2.1 疲劳评估与干预技术 当飞行任务负荷超过飞行人员的承受能力时，飞行人员的作业能力会降低，甚至诱发安全事故[7]。飞行疲劳是引起飞行人员功能状态改变的重要因素之一。针对功能状态的评价，主要分为基于量表的主观测量法和基于生理信号的客观测量法。主观测量方法多采用信度与效度都良好的评估量表对作业人员的主观感受程度进行评估[8]，但它们并不能真实地反映疲劳状态[9]。客观方法，如脑电信号[10-11]、心率及其变异性[5，12]，眼部行为指标[13]、生化指标变化等都是作为疲劳评估不可或缺的方法。例如，PAN等[14]基于受试者在模拟器飞行期间采集的心电信号，利用统计学方法(如主成分分析等)提取了疲劳特征，并采用学习向量量化算法识别飞行员的疲劳状态，取得了很好的效果。LIU等[15]对采集到的脑电和眼电数据预处理后提取多种特征，并利用快速支持向量机对数据特征进行分类识别，得到疲劳状态识别结果。在此基础上，他们设计了基于物联网技术的疲劳驾驶预警系统。HU等[16]提出了一种基于视频的眼指标测量的驾驶员疲劳检测技术。除此之外，姿势稳定性在疲劳状态下的改变也被研究者证实。以往研究表明，睡眠剥夺模拟的脑力疲劳状态下，人体姿势控制发生了显著改变，基于敏感条件下构建的姿势稳定性评估得分[17]与抑郁主观得分(r=0.212，P<0.05)和心率变异性指标(r=0.200～0.286，P<0.05)存在显著的线性相关[18]。体力疲劳同样可以采用姿势稳定性改变进行评估[19]。李泰国等[20]基于姿势识别技术，提取了驾驶疲劳状态下人体关键点的特征，提出了基于时空特征的疲劳监测模型，准确率高达97.73%。在疲劳干预方面，营养剂、物理刺激、药物都是可选用的方法。例如，OLIVER等[21]系统总结了功能饮料在提升疲劳状态下作业者反应时间等方面的作用。大量研究都表明，经颅直流电刺激对体力[22]和认知能力[23]提升具有积极作用，但针对任务中飞行人员实时疲劳评估和干预而言，目前方法的有效性并未得到验证。

2.2.2 应激反应评估技术 当突然面对威胁到自身安全或机身安全的刺激，人的生理本能会作出响应，例如内心极度不安、想要逃离或进攻，伴随着交感神经兴奋、肌肉紧张、末梢神经收缩、呼吸急促、心跳加速等。强烈的情绪反应还会引发死亡焦虑和强烈恐惧情绪，导致意识延迟或者短暂失能的现象，进而导致操纵的失误或者操作延迟，则可能增加飞行事故发生的概率[5-6]。恐惧作为对特定事物产生的情绪，是个体急性应激状态的主要情绪之一，对它的研究离不开相应的诱发方法，创造的应激源强度很大程度决定了被试的情绪诱发强度。目前国内外对于恐惧情绪诱发方法一般通过文字、图片、声音、气味等材料诱发[24-25]或通过回想、游戏等情境诱发[26]。对于这些方法，无论是诱发强度或是持续时间，距离急性应激状态的要求还有差距。而具有生死威胁的情绪诱发方法如沉箱逃生、海上吊起、实际带飞等，虽能达到急性应激状态要求，但不符合我国国情和军队实际。因此，缺乏高应激强度的急性应激状态或恐惧情绪诱发方法已经成为阻碍我国军事心理学这一领域取得突破的严重障碍。

GROMER等[27]利用该技术模拟虚拟的洞穴高度场景来诱发恐惧情绪，结果显示VR在激发恐高和回避行为方面具有很高的有效性。同时他将风模拟添加到虚拟场景，发现通过影响其皮肤触觉增加沉浸感，会显著增加参与者的恐惧反应。本团队认为下肢体感的交互同样会增加沉浸感并影响情绪诱发强度，设计了一个长约4.8 m的实物踏板，实现人体踩踏后产生应力晃动，同时通过VR技术创造一个虚拟的260 m高空楼宇踏板场景，利用VR追踪器来采集实物踏板晃动的三轴幅度，从而将真实世界的踏板带入到虚拟世界中，实现虚实结合[28]。初步的诱发结果表明体感交互会增强恐惧应激的诱发强度，降低受试者的作业绩效。因此，虚拟现实技术联合体感交互来进行情境诱发，可触发人生理和心理的反应，能模拟高危高压情境，用于高应激强度的急性应激研究是可行的途径之一。

2.3 飞行人员心理训练技术

2.3.1 个人心理训练技术 随着飞行人员年龄的增长，虽然个性更加成熟，技术更加娴熟，但流体智力是不断下降的，在某些情况下会影响到飞行任务。因此，有必要长期进行认知能力训练，以延缓年龄增长所带来的流体智力下降。我军现在对基本认知能力的训练主要包括注意和记忆技能训练，但主要是认知的方法、技巧和策略，并不针对认知能力本身。

工作记忆被认为是高级认知活动的核心，工作记忆训练可以改善认知活动[29]。研究者主要针对工作记忆的转换、刷新和抑制功能进行训练，并设计了不同的任务范式，如跟踪任务、字母(数字)记忆任务和N-back范式等[30]。胡文东团队设计了基于刷新功能和抑制转换功能的个人训练程序，结果验证了该方法在瑞文推理能力测验上得到的迁移。另外，飞行人员的态势感知能力已经成为制约飞行安全提高的重要因素之一。对于军事飞行人员来说，驾驶飞机必须时刻关注舱内飞行仪表信息，获得飞行速度、高度、姿态等飞参信息。研究表明，专门的仪表闪现训练可以提高飞行员判读仪表的能力[31]。但以往的仪表训练以单仪表训练为主，缺乏多仪表联合判读训练相关研究，不符合当前飞行员的实际情况。针对这个问题，宋春杨等[32]选取了某航校94名飞行学员，分为闪现组、常显组和对照组。基于此系统的实验发现，多仪表闪现组和常显组飞行学员训练后正确率显著提高，平均反应时间明显缩短，其中闪现训练效果最好。此类训练方法适合飞行人员个人平时进行补弱训练。

2.3.2 飞行团队训练技术 飞行机组、空间工作站、大型导弹操作、核电站、舰艇和空管等都属于典型的复杂人机系统。团队协作是应对复杂人机系统的重要工作模式。团队是一个小数目的群体，他们承担一个共同的目标或一系列绩效目标，且具有互补的技能，最显著特点是相互依赖[33]。目前国内外对于个体认知、情感、生理和行为过程的影响已有较多研究，但是由于团队的复杂性和不确定性，对于团队协同作业绩效的影响机制研究较少。针对团队协作问题，惠铎铎等[34]成功构建了团队协作能力选拔和训练的技术平台。秦泽茜等[35]探讨了团队成员特征对团队绩效表现的影响，包括人格和基本认知能力特征对团队有效性的影响，以及飞行团队成员人格异质性与团队绩效的关系。同时，以人格及基本认知能力特征为自变量，建立了团队绩效预测模型。由此可见，建立多作业人员工作负荷模拟方法和装置，为小团体特殊作业人员工作负荷分配合理性及团队成员之间相容性评价提出新的技术与方法。

2.4 睡眠调节关键技术

飞行员执行跨昼夜、节律飞行训练任务，尤其是完成长时程、高强度复杂作战任务成为新时期、新态势下我军飞行作战能力训练建设的重中之重。如果休息不充分，飞行员极易飞行疲劳，轻者警觉性及定向力下降，严重影响飞行安全。目前，跨节律睡眠通常的做法是服用生物节律调节药物促进睡眠或者兴奋类药物维持觉醒水平，但会导致一系列不良反应[36]。因此，寻找安全、简便或通过简单训练或干预就能实现跨节律睡眠的方法是刻不容缓的。通过查阅大量文献后，我们发现音乐和冥想这两种方法不仅能很快地帮助被试进入和体验放松感，且对睡眠有明显的促进作用，主要体现在延长睡眠时间、缩短睡眠潜伏期、提高睡眠效率[37-38]。关臣臣等[39]将90名男性被试随机分为冥想组、音乐组和对照组，验证了音乐组及冥想组被试均实现不同程度的睡眠潜伏期缩短。王子含等[40]研究了音乐干预作为睡眠调节手段，可以有效缓解服用咖啡因引起的睡前过度觉醒，缩短了入睡潜伏期，降低了自主神经系统的兴奋，进而提高了睡眠质量。冥想干预有效降低了由于前移昼夜节律入睡带来的睡前兴奋及觉醒水平，缩短了入睡潜伏期。另外，光照可以通过影响褪黑素的分泌影响生物节律，尤其是经过特定的光照可以延迟或提前昼夜节律[41]。通过睡前0.5 h及整晚绿光照射方式可以有效提高受试者的反应水平和任务绩效，而红光照射能一定程度促进褪黑素分泌，但是对任务绩效的影响不显著[42-43]。在24 h睡眠剥夺后期给予被试生理性电刺激(凌晨4点)，被试的任务绩效恢复到正常水平(P<0.01)，2 h后主观疲劳、反应时测试与任务绩效成绩仍保持较高水平(P<0.05)[44]。综上所述，睡眠调节的研究成果为跨昼夜、时差等特殊工作飞行员群体的睡眠调节提供指导方案。

2.5 飞行人员腰部肌肉稳定性预防技术

腰痛，是一项重要的公共健康问题，大部分人群都曾有过不同程度的腰痛经历，其相关疾病的终生患病率约为84%[45]。不同职业人群的腰痛情况各不相同，37%的腰痛可归因于职业风险因素。飞行员作为易感人群，更易受到腰痛的困扰[46-47]。飞行员的腰痛症状会一定程度地限制飞行能力，影响飞行任务的完成甚至危及飞行安全。因此，飞行员腰痛问题亟需解决。

为了预防飞行人员腰痛问题，大多数研究主要开展了腰椎稳定肌的功能锻炼。温新光等[48]通过总结国内外相关经验，整合出了一套颈腰伤病防治专项训练方法，包含徒手训练、器械训练、飞行前热身和飞行后恢复4部分内容，有助于增强颈腰肌活动能力、提升脊柱稳定性、预防颈腰伤病的发生。吴相波等[49]开展了为期12周的专项体能训练，包含飞行前热身、飞行后放松和全身肌肉力量训练，可明显提高颈腰部肌肉力量和耐力，缓解颈腰部疼痛。飞行员承受加速度时需要进行抗荷动作，而加速度是导致腰痛的重要危险因素，故加强飞行员腰椎稳定肌的控制是关键。研究发现，坐姿和预先动作可以实现腰部肌肉功能的控制。不同脊柱前后倾角坐姿的腰部肌肉收缩情况不同，其中腰部肌肉在100° 脊柱前后倾角的坐姿能发挥更大的肌肉力量[50]。预负荷对腰部肌肉自主收缩功能具有一定程度的影响。前向预负荷带来的腰部肌肉预激活不仅可以有效加强躯干共激活期间的腰部肌肉激活水平，还可加强加速度期间(突发负荷条件下)躯体的稳定性[51]。此外，上肢预负荷方式和预先神经肌肉电刺激均可有效提高脊柱稳定性，实现腰痛的预防。

虽然国内学者针对飞行员的腰痛问题研究出了一系列的训练和干预方法，但是需要进一步验证具体的生理机制。未来研究应进一步探索肌肉预激活期间上运动神经元和下运动神经元的变化，建立加强腰椎稳定肌控制能力的训练方案并阐明其作用机制，为预防飞行员腰痛的发生提供参考。

3 高负荷飞行航卫保障技术展望

3.1 航卫保障技术需要整合医学思维解决

当代航空医学已发展成为一门横跨医学、工程技术和心理学等学科，充分体现生物-心理-社会-工程和技术医学模式的综合性学科。整合多学科技术的系统性和创新性研究是解决这些航空医学重大问题的最重要途径，而涉及航空医学具体难题也需要整合技术解决。飞行员人为因素是导致飞行事故主要原因，飞行疲劳、心理训练和腰痛等重要性毋庸置疑，但一直没有很好解决这些问题，其重要原因是采用多学科的整合技术不足。例如，在实际的航卫保障中，战斗机飞行科目有难易，人的飞行能力也有动态变化。仅仅靠血压、体温和心电等无创生理指标难以有效预测飞行能力的变化，而基于人的功能状态预判飞行能力也不准确。因此，必须增加其他技术手段；针对飞行员腰痛问题，现行的方法是加强专项锻炼和事后治疗。飞行员体格良好，飞行作业的负荷飞行员腰部可以耐受，问题出在飞行员被束缚在座椅上，需要承受较大外力。而人类大脑“认为”坐在座椅上腰部不需要发力，没有协调腰部肌肉进行对抗，导致飞行员腰部受伤。因此，采用医学工程技术有望解决该问题。综上所述，高负荷飞行航空医学保障问题需要我们培养多学科技能背景的航空医学专门人才，并加强多学科协力攻关。

3.2 机种的多样性提出了分类选拔训练与评估的需求

随着航空工业发展和军事斗争准备需求，我国已经形成了歼击机、强击机、直升机等常规机型外，还有预警机、舰载机、无人机等特种飞机。针对不同的机型特点，飞行人员选拔训练也具有不同的需求，尤其是无人机和舰载机飞行员。与岸基飞行任务不同，舰载机飞行任务均依托移动平台，且在海上飞行。这种状态下，飞行错觉、加速度效应更为突出，对飞行员的心理素质要求更高。另外，飞行人员在任务期间生活均在舰上进行，生活单调，飞行人员的心理健康也更应该被关注。对于无人机飞行人员而言，虽然无需承受高过载、高空环境等的不良影响，但对无人机空中态势感知能力、面对重大得失的情绪控制能力与决策执行能力提出了更高的要求。显然，现行飞行员的检测方法和标准已不能适应这些需求，需要制订无人机操纵员的心理选拔与训练技术方法。由此可见，随着各种机型的发展，飞行员分类选拔与训练急需解决。要实现精准选拔，必须对飞行员培养全过程进行考评，并对选拔项目、选拔项目权重和评价模型进行不断优化。因此，科学的跟踪调查及选拔效能评价是我军今后需大力加强的研究和实践课题。

3.3 飞行能力的多个维度属性带来了综合评价的需求

飞行能力不仅包括空间感知等基本能力、心理运动等特殊能力，还包括完成任务时的情绪稳定性、飞行耐力、心理储备能力等。因此，对飞行人员选拔训练成绩的综合评估应包括生理指标、心理指标、任务绩效、剩余能力等。一方面，需要采用新技术模拟相应的飞行情境。例如，针对高风险对抗评价的需求，研究者可以基于虚拟现实技术研发地面模拟空间对抗情境，诱发飞行人员高应激反应，以此评价飞行人员的情绪稳定能力；另一方面，结合眼动测量、脑功能评估等技术，深入研究高负荷飞行场景下飞行人员的生理变化；其次，借鉴机器学习、深度学习[52]、大数据等技术，基于多维度的生理心理指标，构建高负荷飞行条件下飞行人员功能状态的综合评估技术。