民用飞机驾驶舱人机工效综合评估理论与方法研究年度报告

该研究围绕"人在环复杂系统的控制问题"这一核心科学问题,从人机不同形式智能体融合及其相互影响机理入手,构建复杂智能系统的数学模型并通过科学的实验及观测方法对模型进行验证,最终确定用于民机驾驶舱人机工效评价的指标体系和综合评价方法。该年度的主要研究进展从以下4个方面展开:(1)基于人在环复杂系统的人机耦合策略模型。从通过信息感知、信息分析和决策以及操控策略执行3个模块的具体设计与实现来完成人—机—环境复杂系统模型对于飞行员系统模型的设计要求,构成了飞行员系统模型的设计与实现,最终形成了基于规则的人机耦合策略模型。在此基础上,融入人为因素影响因子体系,深化飞行员与飞机系统及飞行环境系统的交互从而将人为因素的研究具体化到人—机—环境系统仿真中的每一个环节中去。(2)多维驾驶舱人机工效综合评价体系。通过构建具有模块化分布式构架的机组工作量测量与评估仿真实验平台,进行了机组工作量测量的行为与生理参数集成采集,以复杂系统理论为依据,构建分层次多维度人机工效综合评价指标体系,可以清晰地体现出飞行员在飞行任务中各个时刻在各方面的表现,可以对飞行绩效的降低提供具有诊断性的结果,为驾驶舱设计提供参考。(3)认知行为信号处理与模式识别。以驾驶舱设计为背景和出发点,通过对驾驶舱设计理念和布局规则的深入理解,针对认知过程产生的生理信号与状态量,结合人因学理论以及特定的飞行操控,将飞行员的肌电信号特征作为研究对象,通过信号的分解、相关性分析、选择、组合4个过程,提出基于EEMD和Hilbert变换的动态疲劳评价方法。结果显示基于平均瞬时频率的疲劳指标能有效的表征动态肌电信号的疲劳趋势。方法可以推广形成一系列行之有效的信号处理体系,最终为驾驶舱的设计提供指导或参考,以及为驾驶舱适航符合性验证提供帮助。(4)机组工作负荷综合评价体系与预测模型。通过对机组工作负荷影响因素研究,建立时间压力对工作负荷的影响模型。确定了时间压力0.8为工作负荷"redline",为机组工作负荷预测模型中的时间线分析的临界负荷值确定提供了理论基础。在此基础上,通过感知任务、认知认务、单任务、双任务、多任务操作实验,确定它们之间的关系模型,为机组工作负荷预测模型中的负荷计算部分奠定实验数据理论基础。     

基于任务的乘员脑力负荷典型主观评价方法研究

为研究三种脑力负荷主观评价量表即Cooper-Harper量表、SWAT量表以及NASA-TLX量表能否对装甲车辆乘员信息作业脑力负荷进行测量,通过实验任务,以任务完成时间和量表得分为指标,对三种量表的敏感性以及聚合效度进行对比研究。研究结果表明:SWAT量表的敏感性要略高于CH量表以及NASA-TLX量表,SWAT量表与NASA-TLX量表的聚合效度较高,CH量表与SWAT量表以及NASA-TLX量表的聚合效度比较低,CH量表与后两种量表测定结果一致性较差;通过SWAT量表与NASA-TLX量表进行模糊综合评判比较得出NASA-TLX量表要优于SWAT量表。综上所述,NASA-TLX量表是三种量表中测量乘员脑力负荷较为理想的工具。     

基于任务的乘员脑力负荷典型主观评价方法

为研究三种脑力负荷主观评价量表即Cooper-Harper量表、SWAT量表以及NASA-TLX量表能否对装甲车辆乘员信息作业脑力负荷进行测量,通过实验任务,以任务完成时间和量表得分为指标,对三种量表的敏感性以及聚合效度进行对比研究。研究结果表明:SWAT量表的敏感性要略高于CH量表以及NASA-TLX量表,SWAT量表与NASA-TLX量表的聚合效度较高,CH量表与SWAT量表以及NASA-TLX量表的聚合效度比较低,CH量表与后两种量表测定结果一致性较差;通过SWAT量表与NASA-TLX量表进行模糊综合评判比较得出NASA-TLX量表要优于SWAT量表。综上所述,NASA-TLX量表是三种量表中测量乘员脑力负荷较为理想的工具。     

机组疲劳评估系统模型对中国航司国际航班飞行员疲劳预测的适用性

研究旨在对经典生物数学模型在中国航空公司运营环境下的适用性进行研究。首先在我国航空公司的运营环境下,使用持续绩效测试(CPT)、卡罗林斯卡嗜睡量表(KSS)和机组人员状态检查表(SP)观测飞行员飞行过程中的警觉度绩效和主观疲劳自评。其次使用机组疲劳评估系统(SAFE)模拟并量化了相应的飞行员疲劳。最后比较了SAFE模型预测的机组警觉度值与其疲劳主观自评、客观绩效之间的差异,使用方差分析来探究疲劳影响因子对模型预测和主客观疲劳的影响差异。结果表明：SAFE模型预测机组人员疲劳与其主观疲劳有较强的相关性,整体上模型对机组人员疲劳预测体现了与执勤时长及昼夜节律相关因素的变化趋势,但是连续执勤18h后预测值会偏高。可见随着对该模型验证数据量的增加及调整模型相关参数以适应我国飞行运行环境,该模型将能够作为我国航空公司疲劳风险管理体系(FRMS)预测式危险源识别的客观工具,同时也可为我国本土化生物数学模型的理论研究与工程应用提供借鉴。     

与飞行任务相关的认知负荷对听觉事件相关电位的影响

为研究与飞行任务相关的认知负荷对听觉事件相关电位的影响, 采用14名被试者开展飞行模拟实验, 完成基于不同认知负荷水平的仪表监视任务。同时, 由耳机双侧呈现oddball模式下的听觉刺激, 引导被试者关注飞行模拟任务, 忽略听觉刺激。记录听觉事件相关电位失匹配负波(mismatch negativity, MMN)、N1和P2作为认知负荷的评价指标。实验结果表明认知负荷对额叶MMN的影响显著, MMN平均波幅在高认知负荷下显著增强, 表明被试者对任务不相关信息的自动加工能力提高, 且MMN平均波幅与模拟飞行期间被试者对异常信息的正确探测率正相关。提示额中央区的MMN对于与飞行任务相关的认知负荷具有较好的敏感性, 并可能用于复杂飞行任务的认知负荷水平评价。但是, 实验结果也表明认知负荷对早期听觉成分N1, P2以及颞叶MMN的影响不明显, 在一定程度上说明了听觉事件相关电位在评价与飞行任务相关的认知负荷时所表现出的复杂效应。     

基于交互认知模型的飞行机组团队情境意识实验研究

研究旨在对飞行机组在飞行过程中的团队情境意识进行实验研究。提出基于交互认知模型的飞行员团队情境意识测量方法,基于模拟飞行实验平台设计实验,利用暂停测量法测量飞行机组的个体情境意识(ISA)、交互意识(TMA)及交互认知(TMB) 3个团队情境意识测量指标,利用专家打分法测量飞行机组的安全绩效。结果表明:高低绩效组的ISA没有显著差异,安全绩效与ISA的相关系数为0. 402,呈低度相关;而高低绩效组的TMA和TMB存在显著差异,安全绩效与TMA、TMB的相关系数为0. 676和0. 742,均呈中度相关;以沟通和信息完整性为自变量,分别以ISA、TMA和TMB因变量,进行双因素方差分析,沟通和信息完整性主效应均显著,二者的交互作用不显著。研究结论认为除了提高飞行员个体SA外,更重要的是通过机组的有效沟通和保证飞行数据完整性,增加机组成员的交互认知水平,对提高团队情境意识、保障飞行安全有重要意义。     

防疫豁免政策下洲际航线飞行员睡眠状况恢复效果评价

为评价防疫政策下洲际航线不豁免航班与豁免航班运行类型对飞行员睡眠恢复情况的影响,验证豁免政策的科学性和合理性。在防疫豁免政策实施期间选取中国某大型航空公司15名飞行员,记录每位飞行员在两种防疫政策下洲际航线飞行前后的睡眠数据。使用AG（ActiGraph wGT3X-BT）睡眠监测手环记录的飞行前后8阶段的睡眠指标,通过主观疲劳卡罗林斯卡嗜睡量表（Karolinska sleepiness scale,KSS）和客观指标精神运动警觉度测试（psychomotor vigilance task,PVT）的疲劳等级相结合评估飞行前后2阶段的疲劳特征。通过配对样本t检验分析飞行前后机组人员的睡眠质量,不豁免和豁免分组间去程和返程的睡眠质量监测指标均无显著差异(P>0.05),飞行后睡眠和疲劳指数更差（P<0.05)。通过重复方差分析法比较豁免政策下的睡眠恢复情况得出,不豁免航班与豁免航班无显著差异（P>0.05）,都能在飞行后两天恢复至飞行前的良好水平。结果表明,豁免航班和不豁免航班洲际航线飞行过程中睡眠质量和睡眠恢复情况无明显差异。从睡眠受限与恢复的角度讨论了豁免政策的可行性,为飞行机组人员的睡眠监测及作业任务的设定提供参考。     

塔台管制中最邻近指数注视指数与情境意识的相关性研究

为挖掘测量塔台管制员情境意识(SA)的可用眼动指标,搭建模拟塔台管制眼动试验平台。设计3组难度试验。用NASA-TLX量表评估被试的任务负荷,对其进行方差分析,验证了试验设计的合理性。利用NNI算法量化被试的注视模式,用3D-SART量表评估被试的SA,利用SPSS软件对被试的NNI注视指数与SA进行以任务负荷为控制变量的偏相关分析和无控制变量的皮尔逊相关性分析。结果表明,被试的NNI注视指数与SA有中度正相关,且相关程度不受试验难度影响;NNI注视指数可以作为测量塔台管制员SA的一项眼动指标。     

塔台管制中NNI注视指数与情境意识的相关性研究

为挖掘测量塔台管制员情境意识（SA）的可用眼动指标,搭建模拟塔台管制眼动试验平台,设计3组难度试验。用NASA-TLX量表评估被试的任务负荷,对其进行方差分析,验证了试验设计的合理性;利用NNI算法量化被试的注视模式,用3D-SART量表评估被试的SA,利用SPSS软件对被试的NNI注视指数与SA进行以任务负荷为控制变量的偏相关分析和无控制变量的皮尔逊相关性分析。结果表明,被试的NNI注视指数与SA有显著中度正相关,且相关程度不受试验难度影响;NNI注视指数可以作为测量塔台管制员SA的一项眼动指标。     

自动发电控制(AGC)在小型水力发电厂运行中的应用

根据发电厂与电力系统之间的相互关系,明确了发电厂须依据电力系统分配的负荷进行运行生产。为了实现电厂的经济运行,可采取等微增率法、动态规划法对电力系统给定的生产负荷在发电厂内部进行合理的二次分配,二次分配主要确定机组组合方式、机组启停顺序、各机组出力等,为实现经济运行模式提供基础数据。     

民机驾驶舱人机交互脑力负荷预测模型

针对民机驾驶舱人机交互中飞行员脑力负荷问题,设计不同难度的人机交互飞行实验任务,分析飞行作业过程中飞行员脑力负荷在评估指标上的变化.在此基础上,提出一种新的改进的多元线形回归方法,探索人机交互中飞行人员脑力负荷变化预测模型的构建方法.结果显示:飞行作业过程中脑力负荷在反应时间、正确率、NASA-TLX、SDNN 4个评估指标上变化显著;在RRI Count、Max RRI、Minimum RRI、Mean RRI、Max/Min 5个评估指标上变化不显著.改进的多元线形回归模型可对不同飞行难度下个体脑力负荷水平进行预测和等级划分,平均预测准确率为87.5％.提出的预测模型与实测数据吻合性较好,能够较准确地反映民机驾驶舱人机交互中飞行员脑力负荷变化特性,可为未来民机驾驶舱人机交互中工效学评价与优化设计提供依据.     

标准节流装置在启动和低负荷工况的全补偿

火力发电厂机组在启动和低负荷工况运行时，测量主蒸汽流量的节流装置随之产生附加误差．为消除该误差，流量公式不仅需进行蒸汽密度的压力温度补偿，还需对流量公式中的ｃ，ε，β等全部参数进行压力、温度和差压信号的补偿．因此根据误差分析和数据处理获得了全补偿的流量公式．该公式形式简单、准确度高，适用于计算机和单片机进行在线、实时测量启动和低负荷工况下的主蒸汽流量．     

基于脑电的轻装作业操作者脑力负荷与绩效的分析

针对脑力负荷过高或过低导致产品质量低、生产效率低的问题,采用脑电(EEG)生理测量技术,模拟轻装产品的手工装配生产。设计了单产品装配和产品组合装配实验方案,探究操作者脑力负荷与工作绩效之间的关系。采集了25位志愿者的EEG负荷指标、装配完成率和装配时间三种指标数据,分析结果表明:EEG负荷指标的波动趋势可以有效地反映操作者的任务绩效,但波动状态与具体装配任务有关;与单产品装配方式相比,产品组合装配方式可以在保证装配质量的前提下有效缓解操作者脑力负荷。研究结果提升了手工装配作业下操作者脑力负荷波动状态的认识,有助于管理者制定更优的产品生产计划方案。     

浅议如何预防驾驶舱交流障碍

驾驶舱交流是驾驶舱资源管理的一个重要组成部分,而机组通过机组成员之间的交流来实现对驾驶舱资源的管理。机组成员内的驾驶舱交流对实现飞行操纵、达到飞行目的、保障飞行安全起着至关重要的决定性作用。经过对大量中、外飞行事故的调查表明：因机组人员座舱秩序混乱、机长决策不果断、机组成员参与配合意识差、不能充分利用驾驶舱资源而造成的事故约占70%。因此,驾驶舱交流对我们飞行人员来说是必不可少的基本技能,缺乏驾驶舱交流将产生无法估量的后果及影响,没有交流谈不上驾驶舱资源的管理。本文就驾驶舱交流与飞行安全的关系,详细阐述驾驶舱交流的组成要素及其影响因素然后进行分析,并在此基础上提出促进驾驶舱交流的措施和具体方法。目的在于使飞行员能更好地认识和运用驾驶舱交流这项技能,以提高飞行效率和工作绩效,从而更好地确保飞行安全。     

多功能空气源热泵实验系统设计

该文介绍了多功能空气源热泵实验系统的工作原理,进行了实验室空调冷负荷及热水量的计算,并对实验测试系统进行了设计。通过本文实验方法,得出了多功能空气源热泵在不同运行模式下机组运行功率、制冷量和COP值。多功能空气源热泵机组制热性能系数和制冷系数分别为3.84和3.25。该实验测试结果表明多功能空气源热泵实验系统设计是可行的。     

火电厂机组负荷优化调度软件系统的设计与实现

为满足火电厂节能降耗的内在需要,提出了厂级监控信息系统(SIS)平台下的机组负荷实时优化调度软件系统框架,实现了SIS和管理信息系统(M IS)的无缝集成和发电负荷自动分配.通过在线采集运行数据进行经济计算,实时拟合出各机组煤耗特性曲线,建立机组负荷分配的数学模型,在此基础上采用分层模糊遗传算法,实现了机组负荷的最优化调度.基于微软.NET Framework解决方案和Browser/Server多层架构设计思想,设计和实现了该实时优化调度软件系统.采用该软件进行负荷优化调度,可使全厂供电煤耗率比原来的值长制分配模式降低0.5 g/(kW.h)左右,有利于电厂的节能降耗.     

“不同锻炼情境”体育教学模式对大学生心理压力的干预研究

目的:研究学校体育锻炼中,不同锻炼情境对大学生心理压力的影响,以及通过大学生心理压力现状及其预测指标在不同锻炼情境下的变化规律,来进一步验证大学生体育锻炼与心理压力相关的心理因素。方法:采用《中国大学生心理应激量表》(CCSPSS)和《体育锻炼感觉量表》(Exercise-InducedFeeling Inventory)对参加实验的160名大学生心理压力及体育锻炼感觉进行测量,对实验数据进行分析。结果表明:1)体育锻炼对大学生体育锻炼感觉等心理效益有良好的作用,而在任务目标气氛下的效果更佳;2)两种不同体育锻炼情境,可以更有效地降低心理压力水平,而且在任务目标气氛的锻炼情境中效果更好;3)持续不同时间的身体锻炼对体育锻炼感觉和心理压力各维度影响不同,锻炼12周对体育锻炼感觉和心理压力的积极效果优于6周。结论:中等强度下"不同锻炼情境"体育教学模式对大学生心理压力各维度的影响不同。     

时间压力下驾驶舱界面视觉搜索绩效研究

为探究不同时间压力下飞机驾驶舱界面搜索特征从而提升任务绩效，通过模拟飞机飞行状态下的任务搜索过程，采用眼动追踪、绩效评估及量表测量等方法来获取被试的视觉搜索轨迹与任务绩效数据并对所获取的多通道数据进行分析.结果表明：在不同时间压力(无、低、高)与不同界面复杂度(简单、复杂)下被试的视觉搜索特征存在显著差异；高时间压力与复杂界面显示都会给被试带来较高的心理认知负荷；时间压力在简单界面显示中存在倒“U”型关系.研究为飞机驾驶舱复杂人机界面设计提供了科学的理论依据.     

驾驶舱人机工效综合评价体系

该研究提出了一种基于多指标客观测量的方法实现对飞行中的人为因素的连续评价,同时该方法具有较好的诊断性,能够为评审和设计提供参考。该方法中,所测量的客观参量包含了眼动参数、生理参数、飞行员的控制行为和飞机的状态。利用主成分分析方法这些参数被分别综合入4个主要的方面来描述飞行任务中整个人在环系统的表现。其中眼动参数被综合入飞行员的认知活动方面,生理参数被综合入飞行员的唤醒程度方面,飞行员的行为被综合入控制活动方面,飞机的状态参数被综合入飞行绩效方面。同时为了在驾驶舱显控界面的设计与飞行安全之间建立起联系,该研究建立了另外4个指标分别用于描述认知活动与飞行绩效的相关性、控制活动与飞行绩效的相关性、认知活动与唤醒程度的相关性,以及控制活动与唤醒程度之间的相关性。该研究构建了一个八维模式图将以上指标综合起来直观地显示出来,对飞行任务中各个时刻的人为因素做出评价。     

深孔内径的在线精密测量原理及系统

针对深孔零件内径测量精度要求高、测量空间受限的问题,利用机械测量转换机构和电感位移传感器,研制了一种深孔内径在线精密测量装置。首先对测量转换机构进行力学分析,推导出影响该机构测量精度的主要因素,然后提出一种针对该装置系统的误差补偿方法,并搭建了在线测量平台,最后将测量装置安装在自动化生产线上,在工作状态下对某已标定深孔内径尺寸的工件进行多次重复测量实验,根据六西格玛理论对该测量系统进行统计学分析。分析结果表明:为了提高系统的测量精度和动态特性,转换机构设计时应该选择较大的刚性比和合理的簧片高度,以保证较小的寄生转角和较大的固有频率。实验结果表明:测量系统偏倚为0.02μm,测量极差为2μm,测量精度为3μm。该装置具有结构简单、测量精度高的优点,能够满足深孔内径在线测量要求。