基于肌电皮温检测的飞行员操纵行为分析实验设计

陈农田，谭 鑫

（中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307）

民航是高风险行业，保证飞行安全是民航工作重点，而飞行员是保证飞行安全最重要的一环。波音公司关于1983—2006年航空事故统计表明，60%以上事故是由于飞行员不安全行为所导致［1］。飞行员安全行为（safety operation behavior）指飞行员在飞行操纵过程中表现出来的非技术技能（non－technical skills），对人为差错（human errors）与飞行安全有重要影响［2］。因此，开展飞行员安全行为研究对于保障航空安全具有重要意义。

飞行员操纵行为与其心理品质、个性特点、职业素养等有密切关联，内外界环境和被控对象都会影响其操纵行为表现。在飞行员安全行为研究方面，其成果主要包括［3－8］：从心理学角度，采取专家调查以及文献综述等方法编制飞行操纵行为训练和评价工具，运用半定量方法进行飞行行为和工作负荷机组资源管理（CRM，crew resource management）评估；通过搭建模拟驾驶舱实验平台，开展飞行员操行行为与眼脑的专项实验；运用计算机技术进行飞行员操纵行为仿真实验，开展基于视觉监控的操作手势轨迹分布模式研究；参考机组飞行操纵手册，对飞行员操作行为程序和人机功能分配进行优化与评估。当前，针对飞行员的行为研究大多从心理学角度采用主观调查方式间接性开展定性或半定量分析，其研究结论准确度与应用性有待提高。

肌电皮温检测技术通过采集人体肌肉活动时的生物信号，根据其发生机制及调节机制，实现对被测试者工作负荷、心理状态等方面的检测评估［9］。在具体应用方面，通过小波分析提取人体股四头肌在等张收缩下的表面肌电皮温信号的特征，实现肌肉疲劳检测［10］。运用生物反馈仪获取驾驶员肌电皮温信号，对驾驶员的疲劳状态进行判断［11］。目前，肌电皮温检测技术已经应用于交通与医疗等领域，尚未发现在航空领域应用范例。本文拟根据肌电皮温生物反馈原理，运用JD/PW－5肌电皮温检测设备，结合模拟飞行实验平台 PCATD（PC－based aviation training device），设计基于肌电皮温检测的飞行员行为分析实验。

1 实验原理

肌电（EMG，electromyography）和皮温（STP，skin temperature）是人生理和心理状态变化最直接的物理反应指标，实验拟运用生物电子技术测定反映心理状态或与神经功能相关的生理参数（肌电、皮温），通过参数数据来分析测试者的身体机能和心理状态。

JD/PW－5电脑肌电皮温生物反馈仪通过检测和分析测试者肌电皮温信息来评估测试者心理与生理状态，其工作原理见图1。体表电极贴在测试者身体部位以获取肌电皮温信号，信号经放大后输入模拟门和采样电路，再分别送至A/D转换器。A/D转换器将模拟信号转化为数字信号后送入计算机处理系统。系统对被测信号进行检波、平均及灵敏度调整等差异化数据处理来判断测试者的身体机能和心理状态。

图1 JD/PW－5型电脑肌电皮温检测生物反馈仪原理

2 实验目的

运用肌电皮温检测设备检测被测试飞行员在不同飞行测试项目的生理参数，分析不同飞行任务模式下的操纵行为特征。通过对不同操纵行为状态下的数据进行差异分析，探究在不同飞行模式下肌电皮温指标参数的变化规律，分析飞行员操纵行为与肌电皮温等生理参数的关联性，为后续开展飞行员安全行为评估提供基础。

3 实验方法

3.1 研究对象

实验选拔10名来自民航飞行学院的飞行员，其中8名飞行学员，2名飞行教员，包括2名女性飞行学员，年龄范围为20～29岁，平均年龄为23.6岁。平日经常进行体育活动，身体健康，无心理疾病史，之前均通过民航局飞行员体检和心理选拔测试。实验前2周未饮用含咖啡因与酒精的饮料及药物。所有测试者对PCATD实验平台熟悉，测试对象在身体和心理条件上满足实验测试要求。

3.2 实验任务

实验主要目的是通过对被测试者的肌电皮温生理参数检测，分析其不同飞行任务下的操纵行为与生理心理指标关联性规律。在熟悉和适应实验设备和环境状态下，被测试者将按实验任务和项目要求在不同状态下接受多次飞行场景模拟实验，以及接受检测后的主观调查实验测试。主要实验任务包括：

（1）不同实验项目下的肌电皮温检测。根据实验分析需要，被测试飞行员需完成多组包括不同飞行阶段、不同性别、不同飞行经历以及特情处置下的飞行操纵测试实验。运用肌电皮温检测生物反馈仪对被测试者不同飞行模式的生理生物指标进行适时检测，根据生物反馈仪检测输出信息，对飞行员不同任务下的行为操纵表征进行分析。分析在不同飞行状态下的飞行操纵行为和肌电皮温参数变化规律。

（2）飞行行为主观调查。根据不同测试项目下肌电皮温检测数据所反映的操纵行为表现与生理参数存在的关联性，结合飞行员主观调查问卷，对测试飞行员的心理状态与工作负荷进行调查，探讨影响飞行员操纵行为表征的影响因素，为构建基于肌电皮温检测生理参数的飞行行为以及飞行负荷判断体提供基础系。

3.3 实验设备

实验设备由PCATD模拟飞行操纵平台和JD/PW－5电脑肌电皮温生物反馈仪组成。在PCATD模拟飞行操纵实验平台上，测试者可以通过实验平台上的飞机方向盘来实现对副翼和升降舵的控制，通过控制脚蹬来实现对刹车和方向舵的控制，另外还可以通过其他操纵杆对辅助操纵系统进行控制。JD/PW－5肌电皮温生物反馈仪采用先进单片机系统，由单片机及其附属电路、电源、信号输入、反馈信号输出、人机界面及打印输出等部分组成，其组成部件主要包括肌电信号传感器、皮肤温度传感器、主机以及耳机、专用打印机以及内部相关软件。信号输入部分分为2组，肌电、皮温各自设计有放大器、模拟开关及A/D变换器，以保证将外部输入的电平差别很大的肌电或皮温信号，控制在一定的幅度范围内而求得最大的分辨率，检测结果准确、可靠。其主要技术性能参数包括：

（1）肌电性能参数。测量范围：1～999μV（rms）误差±20%；最高分辨率：≤0.2μV（rms）；输入短路噪声：≤1μV；－3db带宽：120～1 000Hz；共模抑制比：≥100db。

（2）皮温性能参数。测量范围：15～40℃ 误差±1℃；温度分辨率：≤0.1℃；数据采样速率：2次/s。

3.4 实验内容

实验任务主要是采集不同飞行模式下的飞行员肌电皮温生理参数，分析飞行员操纵行为规律。运用肌电皮温检测生物反馈仪对被测试者不同飞行模式进行跟踪检测，根据生物反馈仪检测输出信息，对飞行员不同任务下的行为操纵特征进行分析，并结合飞行员主观问卷调查进行行为分析和工作负荷综合评价。根据实验目的和任务，通过设置多组差异性对比实验项目，探究飞行员生理指标参数与飞行行为表征的关联性，具体实验内容见表1。

表1 基于肌电皮温检测的飞行行为分析实验项目

4 实验流程设计

实验流程与步骤主要分为准备阶段、训练阶段、测试记录阶段与实验分析阶段（见图2）。实验的开展需要被测试者的配合。实验人员在实验之前向被测试者作实验注意事项介绍，对被测试者进行实际检测记录前的培训，并负责实验的检测与记录，以及被测试者生理状态的主观调查。

图2 肌电皮温检测实验流程框图

4.1 实验准备

在实验准备阶段，实验人员检查实验材料、实验设备是否完整完好，开启并调试好实验设备，设置实验温度环境；向被测试者讲解本次实验的主要目的，详细介绍实验的流程和注意事项，并做好被测试者相关信息的登记。让被测试者熟悉实验材料和实验环境，解答有关实验问题。

4.2 实验训练

向测试者介绍整个实验流程，解释实验流程步骤，安抚测试者情绪。测试JD/PW－5型电脑肌电皮温检测生物反馈仪以及PCATD模拟飞行平台运行是否正常，指导被测试者正确佩戴和使用实验设备，检查肌电皮温电极是否接触良好，调整被测试者接受测试时的最佳位置和姿态。测试者在正式测试实验之前进行3次适应性模拟飞行训练，以熟悉机型显控界面和驾驶操作程序，训练过程中打开设备程序，对测试者新建实验项目并进行数据接收测试检验。

4.3 实验测试

向被测试者提示实验测试与记录开始，根据实验任务和实验项目设置启动模拟飞行任务模式，使被测试人员处于实验设计要求的测试状态，并保持JD/PW－5型电脑肌电皮温检测生物反馈仪对被测试者生理参数的同步检测，实现生理参数信息数据的适时采集。根据被测试者分组以及实验项目设置情况，有选择性地停止检测，并同步停止背后数据信息的采集。可根据实际情况让测试者模拟实际飞行中可能出现的相关情境进行检测实验。

4.4 实验数据采集与分析

实验项目测试结束后，各数据采集终端将实验数据自行复制到后续数据同步和数据处理计算机中的共享数据存储区域中，做好测试对象信息记录。运行计算机中的数据不同及合并程序，对飞行数据、肌电皮温检测数据进行预处理，使飞行行为信息以及生理参数数据在相同的时间段内以飞行数据的时间为基准、以相同的频率采样和保存。运用SPASS、Matlab等数据处理软件针对不同飞行模式下的生理参数进行差异性分析，分析不同飞行阶段中测量量值的显著性差异，探究不同飞行任务测试实验项目下的操纵行为以及肌电皮温关联性规律。结合NASA－TLX量表法、主观负荷评价技术SWAT等主观测量方法，对被测试飞行员的心理状态和负荷进行测试评估，同时对实验项目的设置和实施进行评估。

5 结束语

飞行员的操纵行为表现直接影响飞行安全，肌电皮温检测生理检测技术在许多领域有着较为成熟的应用，论文在分析肌电皮温检测技术基本原理基础上，探讨了其在飞行员操纵行为方面实验的可行性与可操作性，构建了基于PCATD的肌电皮温检测实验平台以及实验框架。通过设置包括飞行特情处置、不同性别、不同飞行经历以及不同飞行阶段中的个体与群体差异性实验项目，详细设计了飞行员行为分析的实验实施方法、实验内容、实施流程以及数据的采集与分析等环节，为下一步开展飞行员安全评估与心理选拔提供基础数据。

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