飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷評(píng)估方法研究*

王 荇

（常州工學(xué)院航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

飛行是一種高強(qiáng)度高復(fù)雜度的認(rèn)知型任務(wù)，飛行活動(dòng)中涉及到的任務(wù)負(fù)荷主要為認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷。認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷是一種無(wú)法具體測(cè)量，但能夠反映飛行員機(jī)體生理心理過(guò)程和任務(wù)情境相互作用模式的變量[1]。飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平主要受任務(wù)的具體量，執(zhí)行任務(wù)時(shí)的心理生理狀態(tài)、 情緒水平，完成任務(wù)的時(shí)間要求等因素的影響，例如完成任務(wù)的時(shí)間壓力過(guò)大會(huì)使飛行員情緒焦慮，繼而導(dǎo)致認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平增加。

額外任務(wù)需求過(guò)高會(huì)導(dǎo)致飛行員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平升高，在這種情況下他們完成任務(wù)的效率反而會(huì)下降。 認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平是體現(xiàn)機(jī)體功能狀態(tài)的一個(gè)綜合性變量，飛行員在完成操作任務(wù)后剩余多少認(rèn)知資源是無(wú)法測(cè)量的，只能通過(guò)生理表現(xiàn)和行為特征進(jìn)行大概的間接量化。

1 飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷的模擬方法

認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷模擬方法可分為復(fù)雜任務(wù)的模擬方法和單任務(wù)的模擬方法。 大多數(shù)情況下，實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)室所構(gòu)建的任務(wù)指標(biāo)只是對(duì)真實(shí)的工作任務(wù)進(jìn)行模擬，例如仿真低壓氧倉(cāng)、 模擬飛行等，是與實(shí)際情景有出入的任務(wù)。 也有一些研究者在飛行員執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中采集數(shù)據(jù)來(lái)研究其認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平。

兩種方法各有千秋。 有實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用低壓艙來(lái)模擬高空飛行環(huán)境，研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象在模擬負(fù)荷下各項(xiàng)心理指標(biāo)和生理指標(biāo)的變化。 該實(shí)驗(yàn)通過(guò)心理學(xué)專業(yè)的檢測(cè)方法結(jié)合多種無(wú)創(chuàng)傷性的生理檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的實(shí)時(shí)心理和生理狀態(tài)，判斷實(shí)驗(yàn)對(duì)象的身體是否處于正常的心理和生理狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)還可以有效并快速地檢測(cè)出實(shí)驗(yàn)對(duì)象的腦力疲勞狀態(tài)。 實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論： 低壓艙下受試人員的脈搏和血氧飽和度沒(méi)有發(fā)生明顯變化； 采用FS-14 量表、 NASA-TLX 量表、 FAI 量表等主觀評(píng)定量表進(jìn)行檢測(cè)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象心理狀態(tài)有明顯變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明低壓艙模擬高空飛行環(huán)境不能很好地研究飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平。 雖然直接模擬的方法簡(jiǎn)單且易控制所有的影響因素，但是往往與實(shí)際應(yīng)用不直接相關(guān)。

在飛行員執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中采集數(shù)據(jù)進(jìn)行研究基本能夠真實(shí)地反映飛行員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平，但是這種方法會(huì)直接影響飛行，降低飛行安全系數(shù)，實(shí)施難度過(guò)大。 綜合考量，前者具備較強(qiáng)的可行性。 低壓艙模擬高空飛行環(huán)境構(gòu)建的任務(wù)指標(biāo)不完整，而模擬飛行可讓受試者在不同情境、 不同負(fù)荷的飛行模式下操作飛行模擬器，模擬飛行構(gòu)造類似于飛行的任務(wù)指標(biāo)，與實(shí)際情景相關(guān)度大，分別測(cè)試受試者的各項(xiàng)心理和生理指標(biāo)。

2 飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷的測(cè)量方法

2.1 主觀認(rèn)知評(píng)估法

主觀認(rèn)知評(píng)估法是指通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化量表的制定對(duì)已經(jīng)完成指定任務(wù)后的受試者進(jìn)行量化評(píng)分，評(píng)分包含主試者對(duì)受試者的客觀評(píng)價(jià) （通過(guò)外顯行為進(jìn)行測(cè)評(píng)） 和受試者的主觀自我評(píng)價(jià)。 有研究者研究并確立了評(píng)估認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括視覺、 聽覺、 認(rèn)知、 精神運(yùn)動(dòng)、 工作量指數(shù)、多資源問(wèn)卷等。 研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這些指標(biāo)能夠在一定程度上評(píng)估受試者的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平，且指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性。 航空作業(yè)負(fù)荷指數(shù)要求受試者從時(shí)間需求、 生理需求、 心理需求、 努力程度、 挫折程度、 自我績(jī)效6 個(gè)維度進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，最后將各種指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算[2]。 主觀負(fù)荷評(píng)估技術(shù)對(duì)心理壓力、 時(shí)間壓力和努力程度進(jìn)行主觀量化。

2.2 任務(wù)性能評(píng)估法

任務(wù)性能評(píng)估法是通過(guò)評(píng)估操作人員的任務(wù)績(jī)效反映操作人員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平，包含主要任務(wù)性能評(píng)估和次要任務(wù)性能評(píng)估。 主要任務(wù)性能評(píng)估要求操作人員完成特定的單一任務(wù)，通過(guò)操作人員任務(wù)的完成情況反映其認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平。 而操作人員執(zhí)行任務(wù)的難度、 執(zhí)行策略和執(zhí)行模式等都會(huì)影響主要任務(wù)性能指標(biāo)。 當(dāng)人機(jī)系統(tǒng)中的任務(wù)指標(biāo)沒(méi)有超過(guò)操作員的認(rèn)知水平時(shí)，主要任務(wù)性能指標(biāo)對(duì)操作人員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平的測(cè)量缺乏一定的敏感性。 主要任務(wù)常見的評(píng)價(jià)指標(biāo)有操作速度、 任務(wù)精度、 反應(yīng)時(shí)間和誤差率等。 次要任務(wù)性能評(píng)估通過(guò)測(cè)量完成主要任務(wù)的情況下認(rèn)知資源的剩余程度來(lái)評(píng)價(jià)操作員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平[3]?？梢姶我蝿?wù)性能評(píng)估比主要任務(wù)性能評(píng)估更能夠敏感地反映操作人員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平。

2.3 生理指標(biāo)評(píng)估法

主觀認(rèn)知評(píng)估法是對(duì)已經(jīng)完成指定任務(wù)的受試者進(jìn)行量化評(píng)分，任務(wù)性能評(píng)估法是任務(wù)完成后評(píng)估操作人員的任務(wù)績(jī)效，兩者都做不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平的狀態(tài)變化。 隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行員操作任務(wù)時(shí)生理信號(hào)的變化來(lái)反映飛行員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平已成現(xiàn)實(shí)。

飛行員在實(shí)施模擬飛行任務(wù)時(shí)，可采集其自主神經(jīng)和中樞神經(jīng)產(chǎn)生的生理信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理，形成與人的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平相關(guān)的生理指標(biāo)。 中樞神經(jīng)系統(tǒng)是認(rèn)知活動(dòng)產(chǎn)生的核心，核磁共振、 腦電圖不僅可以直接觀察與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的活動(dòng)，而且安全無(wú)創(chuàng)，可用于認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平評(píng)估。 研究者發(fā)現(xiàn)，作為末梢神經(jīng)系統(tǒng)的自主神經(jīng)系統(tǒng)受大腦的支配，卻不受意志的支配，因此自主神經(jīng)系統(tǒng)能客觀反映認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平的變化； 副交感神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)情況與認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平呈負(fù)相關(guān)性。

研究者通過(guò)心電圖等方式采集心電信號(hào)，提取心電信號(hào)中心率變異性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)心率變異性指標(biāo)能夠反映心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)情況。 心率變異性指標(biāo)中，高頻成分 （0.15～0.50 Hz） 是測(cè)量副交感神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)度的較為有效的指標(biāo)，而其中的中頻成分 （0.07～0.14 Hz） 與認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平呈負(fù)相關(guān)性。 研究者還發(fā)現(xiàn)心率變異性指標(biāo)不僅能反映應(yīng)激水平，還能有效評(píng)定認(rèn)知負(fù)荷。 更多的研究者綜合操作人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的多種生理指標(biāo)來(lái)分析其認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平，以消除某一指標(biāo)對(duì)操作人員生理特征影響的片面性。

從主觀評(píng)估方法到客觀評(píng)估方法，研究者不斷研究新的方法來(lái)評(píng)估人在人機(jī)系統(tǒng)中的認(rèn)知負(fù)荷水平并取得了顯著的研究成果，為減少人在人機(jī)系統(tǒng)中的失誤和提升人機(jī)系統(tǒng)性能的發(fā)揮作出了重要貢獻(xiàn)。 現(xiàn)代高性能戰(zhàn)機(jī)是最為復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)之一，人在系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的核心作用，如何選拔出在高任務(wù)負(fù)荷下能夠維持良好操作功能狀態(tài)的飛行學(xué)員具有重要意義[4]。

3 飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷的綜合評(píng)估

高性能飛機(jī)在人機(jī)系統(tǒng)中是最為復(fù)雜的，不同的任務(wù)負(fù)荷對(duì)飛行員的飛行能力會(huì)產(chǎn)生不同的影響，研究高任務(wù)負(fù)荷下飛行員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平具有重要意義。 評(píng)估飛行員高任務(wù)負(fù)荷下的飛行能力應(yīng)采用綜合評(píng)價(jià)的方法。

一是采用模擬飛行任務(wù)來(lái)構(gòu)建任務(wù)負(fù)荷需要探究出多種模式、 不同負(fù)荷下的模擬飛行方案，模擬飛行方案需涵蓋飛行可能遇到的各種情境，并具備較高的比較價(jià)值。 例如把飛行時(shí)間設(shè)置為2 h，8 h，12 h，研究模擬飛行中時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平的影響； 把飛行時(shí)間段安排在白天和夜晚，把飛行環(huán)境模式設(shè)置為晴空和暴風(fēng)雨模式，研究不同環(huán)境對(duì)飛行員認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平的影響； 把飛行模式設(shè)置為故障模式，研究該模式下飛行員的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平。

二是評(píng)估認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷的方案采用任務(wù)性能評(píng)估法和心電信號(hào)生理指標(biāo)評(píng)估法，對(duì)飛行員的飛行能力進(jìn)行科學(xué)合理的檢測(cè)。 此方案需要多維度、 多方位測(cè)試受試者模擬飛行后的生理指標(biāo)、 主觀感覺、 心理運(yùn)動(dòng)、 個(gè)性特征等指標(biāo)的變化，可以通過(guò)檢測(cè)研究對(duì)象的脈搏、 平衡功能、 血氧飽和度探索這些指標(biāo)受模擬飛行負(fù)荷影響的情況，也可以進(jìn)一步通過(guò)能力測(cè)驗(yàn)、 心理運(yùn)動(dòng)測(cè)驗(yàn)研究對(duì)象受模擬飛行負(fù)荷影響的情況，并且篩選出與之相關(guān)的敏感指標(biāo)[5]。 對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和總結(jié)，探索這些指標(biāo)受心理的影響情況，篩選出與之相關(guān)的敏感指標(biāo)，為飛行員的綜合心理檢測(cè)系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 過(guò)程中需注意以下方面： 構(gòu)建出模擬飛行任務(wù)的高任務(wù)負(fù)荷情境； 探討任務(wù)性能評(píng)估法和心率變異性等生理指標(biāo)評(píng)估法在認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷評(píng)估中的作用，篩選出可以快速并客觀地評(píng)估任務(wù)負(fù)荷的指標(biāo)； 探討飛行員在高任務(wù)負(fù)荷的情境下認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷評(píng)估的合理方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

以往飛行員的心理狀況評(píng)估基本都是在普通情境下進(jìn)行的，沒(méi)有模擬飛行任務(wù)負(fù)荷。 而在高強(qiáng)度的飛行任務(wù)負(fù)荷下，飛行員往往會(huì)出現(xiàn)思維遲緩、情緒急躁、 操作失真、 動(dòng)作失調(diào)等反應(yīng)，將對(duì)飛行安全產(chǎn)生影響。 在模擬飛行任務(wù)負(fù)荷下對(duì)飛行員進(jìn)行綜合的、 全方位的認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷水平評(píng)估對(duì)研究飛行安全有著重要的意義。