本书共分6章,分别是: 概述即飞行安全与飞行员工作负荷总体介绍、基于人机界面和任务的工作负荷评估方法、主观评价法、生理测量法、工作绩效测量法、工作负荷适航符合性审定。书中内容系统地介绍了与民用航空(简称“民航”)飞行安全相关的飞行员/飞行机组工作负荷的基本原理和基础知识、目前民航飞行员工作负荷的概念和内涵、民航适航验证与审定推荐的工作负荷评估方法和评估程序,结合作者及国内外其他学者的研究工作,展示了国内外工作负荷研究工作的成果和典型应用案例。
本书融基础性、系统全面性、应用案例性为一体,既可作为高等院校航空相关专业课程学习的教材,也可作为民航局相关及航空企事业等单位从业人员的参考读物,对于从事人为因素与飞行安全研究的人员亦具有较高的参考价值。
飞行安全是民用航空的第一追求和永恒主题,确保飞行安全是民用航空的头等大事。飞行安全的三大要素是人、机器和环境。人是飞机运行中的能动主体,尤其是被称为飞行安全最后一道防线的飞行员,在飞行安全中起着举足轻重的作用。工作负荷是影响飞行员工作表现的重要因素。若工作负荷过低,则会令人产生厌倦和自满情绪,变得漫不经心和/或无聊;若工作负荷过高,则往往会导致遗漏重要信息、出现差错或削减任务以试图降低工作负荷。为了使飞行员保持及时和有效执行任务的能力,适宜的工作负荷极为重要。工作负荷是了解飞行员工作表现,进而了解航空系统安全高效运行的核心,对飞行安全非常重要。飞行安全领域发展起来的工作负荷先进理念和方法,在道路交通安全和工业生产安全等领域亦获得广泛应用。
飞行员工作负荷是人为因素研究中的一项关键内容。自从20世纪70年代初,人为因素(简称“人因”)被认为是一个导致飞行事故反复出现的原因以来,它在飞行事故中一直占据着突出地位,绝大多数飞行事故都与人为因素有关。在多起与人为因素有关的飞行事故中,由飞行员工作负荷不佳导致的人因差错占据了相当大的比例,从而使其较早成为国际航空界对飞行安全领域的重点关注内容之一。在相当长的一段时期内,飞行员工作负荷评估是民用飞机驾驶舱人因评估的总纲统领,在与民用飞机有关的适航性验证和审定中占据顶层的关键位置。航空人因领域的研究人员对飞行员工作负荷进行了大量研究,成果在飞行员工作负荷测量、评估与预测、民用飞机驾驶舱人机界面优化设计、民用飞机适航验证与审定等方面获得了认可和应用,对降低飞行员差错、提高飞行安全发挥了积极作用。
飞行员工作负荷受到飞行任务、飞行环境、个体能力、身心状态等多种因素的影响,许多因素具有非线性、随机性、时变性等特点而难以量化,往往需要综合多学科知识加以研究,研究者亦从不同的角度提出了多种评估方法。如果从工作负荷与任务执行者的关系来看,工作负荷可认为由功能上相互关联的三部分组成,即输入负荷、操作者努力和工作绩效。基于输入负荷而进行的工作负荷评估方法指的是基于人机界面和操作任务进行工作负荷预测分析方法;基于操作者努力而进行的工作负荷评估方法指的是应用于操作者自身的测量,如主观评价法和生理测量法;基于工作绩效即操作结果而进行的工作负荷评估指的是主要任务测量法和辅助任务测量法。这些方法是目前飞行员工作负荷评估的代表性方法。本书第1章“概述”是飞行安全与飞行员工作负荷的总体介绍,包括飞行安全与工作负荷的概念,二者的发展与现状,工作负荷在飞行安全中的地位和作用,以及工作负飞行员工作负荷2荷与认知、情境意识等相关研究的关系。第2~5章对代表性评估方法做了详细介绍,即基于输入负荷的评估方法(第2章“基于人机界面和任务的工作负荷评估方法”)、基于操作者努力的评估方法(第3章“主观评价法”和第4章“生理测量法”)和基于工作绩效的评估方法(第5章“工作绩效测量法”)。这些方法各有优缺点,例如主观评价法和工作绩效测量法稳定度及可靠性高,但客观性不足,而生理测量法则刚好相反。为了扬长避短,同时考虑到不同评估方法的适用情境,包含多种评估方法在内的综合性方法也在逐渐发展起来。
对飞行员/飞行机组工作负荷的评估,目标是要验证该机型在工作负荷方面是否满足适航要求。任何新机型或改装机型均需进行系统评价和试验计划,通过一套逻辑过程来评估、测量、演示特定驾驶舱设计施加给飞行员/飞行机组的工作负荷。为了保证航空器作为常规交通工具能安全地运行,在投入市场之前,必须证明航空器的设计和构造是符合安全要求的,这就是适航符合性审定。适航概念的引入,可帮助航空工程领域的研究者、设计者、制造者、运营商和适航当局相互了解,为飞行安全这个共同目标而协同一致地工作。本书第6章“工作负荷适航符合性审定”介绍了民航飞行员/飞行机组工作负荷适航规章条款、适航符合性验证方法和审定程序,以及国内外在工作负荷标准方面的研究成果和已发布的相关标准。
过去一个多世纪,在飞机设计方面积累了大量的经验。随着技术的不断发展,飞机系统愈加复杂,驾驶舱系统集成和自动化应用更加广泛。无论技术如何发展,飞行安全始终是飞机设计首要关注的问题,现代运输机任何时候都离不开人的主导,飞行员/飞行机组工作负荷是飞机设计过程中必不可缺的人因要素。
本书根据北京航空航天大学2020年《人因工程与飞行安全教学大纲》中飞行员/飞行机组工作负荷的教学内容同时结合作者及国内外其他学者的研究工作编著而成,侧重介绍事关飞行安全的工作负荷的基础内容,尽量反映当前国际民航主流的工作负荷与飞行安全理念和方法。感谢以下项目和课题支持: 国家自然科学基金项目“基于车载科技产品使用的驾驶分心策略研究”、中国标准化研究院院长基金重大项目“中国常用人体工效学特征模型构建及应用研究”、国家重点研发计划课题“以人为中心的设计与产品用户体验测评技术标准研究”。感谢北京航空航天大学交通科学与工程学院对本书成稿的鼓励和支持。此外,还要感谢王黎静、柳忠起博士在本研究中的相关工作。鉴于作者水平有限,书中难免有不当之处,敬请读者谅解和批评指正。
作 者
2020年2月
第1章 概 述 1
1.1 飞行安全的发展与现状 1
1.2 飞行安全的含义 4
1.3 飞行事故致因 9
1.4 飞行员工作负荷的定义 11
1.5 有关工作负荷的几个问题 13
1.5.1 体力负荷与脑力负荷 13
1.5.2 工作负荷与工作表现 15
1.5.3 工作负荷影响因素 15
1.5.4 工作负荷研究方法 16
参考文献 17
第2章 基于人机界面和任务的工作负荷评估方法 18
2.1 方法研究现状 18
2.2 方法介绍 19
2.2.1 任务分析工作负荷预测模型 19
2.2.2 人机交互设计和分析系统———任务负荷模型 21
2.2.3 指挥系统中操作者工作负荷预测模型 22
2.2.4 多资源工作负荷计算模型 24
2.2.5 时间压力模型 25
2.2.6 波音公司工作负荷预测方法 26
2.2.7 其他方法 26
2.3 应用示例 27
2.3.1 对象选择———AH 64A 27
2.3.2 AH 64A任务分解 27
2.3.3 AH 64A负荷预测 28
2.3.4 负荷计算与分析 32
2.3.5 在其他飞机上的应用 33
2.4 小 结 33
参考文献 34
第3章 主观评价法 35
3.1 NASA TLX量表 35
3.2 SWAT量表 40
3.3 Cooper Harper量表 44
3.4 Bedford量表 50
3.5 动态工作负荷量表 62
3.6 PSE量表 62
3.7 应用示例 65
参考文献 74
第4章 生理测量法 75
4.1 脑电测量 75
4.1.1 脑电测量指标 75
4.1.2 脑电测量设备 75
4.1.3 脑电测量法 76
4.1.4 脑电指标的影响因素 76
4.2 心电测量 77
4.2.1 心电测量指标 77
4.2.2 心电测量设备 77
4.3 呼吸测量 77
4.3.1 呼吸测量指标 77
4.3.2 呼吸测量设备 78
4.4 眼动测量 78
4.4.1 眼动研究背景和意义 78
4.4.2 眼睛的生理构造及功能 79
4.4.3 眼动的基本类型 H睮 ____ v79
4.4.4 海林定律 81
4.4.5 眼动的驱动机制 81
4.4.6 常用的眼动测量指标 82
4.4.7 眼动测量法 83
4.5 生理测量法的应用 86
4.5.1 脑电测量法的应用 86
4.5.2 心电测量法的应用 87
4.5.3 心电指标的应用 87
4.5.4 眼动测量法的应用 88
4.6 眼动参数应用示例一 89
4.7 眼动参数应用示例二 91
4.7.1 实验设计 91
4.7.2 实验结果 94
4.7.3 分析和讨论 98
4.7.4 小 结 102
参考文献 103
第5章 工作绩效测量法 104
5.1 主任务测量法 104
5.2 辅任务测量法 108
5.3 综合应用 113
5.3.1 概 要 113
5.3.2 时间压力与工作负荷关系研究实验 114
5.3.3 时间压力与飞行工作负荷关系分析 123
5.3.4 分析与讨论 125
5.3.5 小 结 126
参考文献 126
第6章 工作负荷适航符合性审定127
6.1 适航概念 127
6.2 适航相关机构和标准体系 129
6.2.1 国际民用航空组织(ICAO) 129
6.2.2 美国联邦航空管理局(FAA) 133
6.2.3 欧洲航空安全局(EASA) 134
6.3 适航标准体系 135
6.3.1 欧美适航标准体系 135
6.3.2 适航标准体系的特点 138
6.3.3 飞机设计过程及各阶段人因内容 141
6.3.4 人为因素适航条款 142
6.3.5 符合性验证 146
6.4 适航规章对飞行机组工作负荷的要求 149
6.4.1 工作负荷与飞行机组人数 149
6.4.2 飞行机组工作负荷适航要求 151
6.4.3 高工作负荷行为 152
6.5 工作负荷适航符合性验证方法 153
6.5.1 一般要求 154
6.5.2 分 析 154
6.5.3 试 验 155
6.5.4 确定符合性 157
6.6 工作负荷适航审定程序 158
6.7 工作负荷标准 158
6.7.1 国际标准 158
6.7.2 英美标准 159
6.7.3 国内标准 160
6.7.4 现状分析 161
6.7.5 典型标准简介 161
参考文献 163
参考文献 330
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