意外情境下的人工飞行技能

Wayne Rosenkrans

十多年以来，相关专家在对飞行事故的调查中发现，飞机在事故发生的前几分钟，自动飞行控制系统脱离的频率在稳步上升，这引起了欧洲航空安全科学家的广泛关注。研究表明，飞机失控的原因可能由以下一些因素造成：飞行员的惊吓反应、他们对自动化技术的过度信赖、认知过载，以及人工飞行技能有限或者不足。

突发情境

今年4月，一个研究小组公布了对第四代飞机手动操作项目（MAN4GEN）研究的进展情况。该项目由欧盟资助，于2012年启动，将运行至2015年底。这个由荷兰国家航天实验室（NLR）和德国航空航天中心（DLR）领导的国际联盟聚集了空客、波音、全球培训航空、国际技术发展（IDT）、瑞典林雪平大学和奥地利的维也纳医科大学及维也纳大学的主题专家。

“尽管第三代和第四代飞机自动化系统具有实质性、可靠的安全效益，但事实证明，在飞行过程中一旦遇到意想不到的状况，飞行员有时难以对特定情况做出快速反应。当意外发生时，就需要他们从自动化系统的监控者的角色中迅速过渡到积极主动的决策者，从而能手动控制飞机保证整个飞行的安全”。MAN4GEN旨在识别事件背后导致这些事故发生的共同原因，就操作程序、培训、及飞机系统技术的短期变化提出建议，来减轻事故对航空安全的威胁。”

一些飞机失控的案例大都发生在高度扩大的第四代飞机以及传统飞机上，而且飞行员都训练有素。这些事故往往是由于机组人员在意外事件后没能有效管理飞机系统，而且不能应用适当的人工操作技能。“如果不能很好的掌握一些飞行的技能，如手动控制飞机的能力、有效管理自动化系统的能力、将态势感知维持在可接受水平的能力、保持对飞机控制的能力，那么这些事故还会继续发生。”

航空工程师、IDT的所有者、申请书的合著者以及MAN4GEN伙伴阿德瓦尼说道，该联盟的伙伴已经深入了解了根源问题，包括相关的人为因素，在高度扩大和自动化的飞机中失去对身边情况的感知。在LOC-I抑制工作的五年间，他主持的由皇家航空协会赞助的航空国际培训委员会讨论了在这一领域进行研究的意愿。

“对飞行员的自动化培训以及在自动化操作过程中有可能出现的故障类型主要基于我们的模拟器中现存的软件。”阿德瓦尼在美国佛罗里达州奥兰多举行的世界航空培训会议和贸易展在上表示，“通常情况下，虽然要训练机组人员依靠自动化和包线保护，但我们并不对设备中有可能出现的自动化故障进行训练。自动化是可以打开或关闭的，我们一般不就轻微的故障和偏差进行训练，这些没有纳入到我们的自动化培训计划内，因此我们在研究和处理特殊的自动化行为方面是很受限的。”

在某些情况下，自动化系统可以让机组人员暂时脱离对飞机的控制，而我们所面临的挑战就是，在飞机飞行的任何阶段，都需要为“保持决策/监控”或“重新掌握决策”的行为找到正确的平衡。阿德瓦尼再次阐述了及早识别这些细微偏差的重要性，“失控的情况也可以是心理失控，失去态势感知以及无法重新掌握决策。随着偏差慢慢开始发生，机组人员必须在正确的时间及时做出反应。如果他们的反应过长或过于迟钝，就可能使自己陷入到麻烦中，并可能出现并经历“惊吓”效应。如果我们在飞行员惊吓发生前就能找出其原因，也许就可以避免事故的发生。我们正在学习设计飞行中有可能遇到的种种突发情况的情境，以便更好得评估飞行员的能力，并在平时对飞行员的训练中考虑这些因素。

初步发现

阿德瓦尼对MAN4GEN项目的研究起源于一个在飞行模拟器中进行的实验，该实验旨在调查当下一些合格的飞行员在监控高度可靠的飞行控制系统时的趋向。他说：“当维护安全的飞行状态、以及对突发事件做出适当反应的能力受到影响时，飞行员们往往难以解释这些突发情况的来源，并难以管理飞行路径和做出最后的决策。”

这些模拟器中的实验主要涉及分析世界上的相关学术和政府研究，评估操作条件下试验机环境中飞机的性能，以及研究飞行员的脑成像以“从神经学角度调查的态势感知的丧失”。研究项目中包含的模拟器实验主要是观察机组人员在应对紧张情况（包括生理和情绪反应）时对严重飞行事件的管理，尤其是在遇到意想不到或不可预见的事件时，在应对如何重新控制飞机时心理和生理上的反应。

关于模拟器的第一组实验是基于情境的测试，而第二组测试还在继续进行，阿德瓦尼提到，我们实验的目的是研究应对意外事件时，人的决策和风险评估将如何发挥作用。因此会特意观察飞行员在什么时间怎样恢复手动控制飞机，以及他们如何迫使自己在意想不到的且具有挑战性的情况下进行手动控制。为了形成具有权威的决策，将以不同的尺度考察机组人员。

第一组实验

第一组测试是在阿姆斯特丹的国家航空实验室的GRACE模拟器以及德国宇航中心的AVES模拟器中进行的。GRACE模拟器的配置为波音747-400飞机，而AVES模拟器配置为布伦瑞克的空客A320飞机。12名机组人员在事先不知情的情况下被研究人员严格控制在同样的场景中飞行。“我们告诉机组人员，如果飞行出发时能见度是20千米（12英里），云底为2000英尺，机场附近有雷暴，当你们处于低燃料状态，但有足够的燃料飞往目的地，你们会如何驾驶飞机安全飞行？”

因为能见度突然降低，或风向突然转变，所有的机组人员都进场失败。然而，每个机组人员的决定都会引发一系列之前没有过的情境事件。只要空中交通管制（ATC）为新的航向制定引向目标，模拟器自动飞行控制系统的航向选择功能就失效了。由于飞行员飞行规划了新航向，模控制面板或主飞行显示器上什么也没发生。为转向新航向，每个机组人员必须转为手动控制。

一旦选择了自动驾驶仪关闭，就会发生鸟撞。他说：“引擎一失效，引擎三和四喘振，产生一种奇怪的声音，因为他们处于高功率的设置。如果机组人员降低功率，他们会发现声音消失，喘振停止。工作人员会确定航向待机着陆，可见性也提高。”他们下一步必须要决定是回到相同的跑道，还是去另一个机场，甚至降落在方向相反的机场起飞的跑道上。

研究者从指导者的角度直接观察每个机组人员的行为，对当时现场的录像也进行了研究，这些录像记录了模拟器会议后的采访、对问卷的反应、机组人员的汇报，以及模拟器的相关数据和每个驾驶员的心率监测和眼动追踪。

实验数据显示，驾驶员在日常的常规操作中创建了短期飞行的计划，他们期望集中执行那些必须立刻完成的优先级任务，最重要的是管理飞行路径，然后与空中交通管制交流，最后浏览一般的和紧急的检查单，随后创建一个包括检查飞机可控性和性能在内的长期计划。同时，阿德瓦尼也总结了严重背离机组人员的期望的意外因素，“驾驶员应对意外场景似乎比我们所预期的更困难，我们认为他们处理这个问题确实不容易。令人惊讶的是，在我们设定这些序列的过程中，一个非常细小的变化也引起了一些问题。有些人员决定尽快落地，这就导致如果要运行所有的程序和清单，就必须将其流程压缩。导致有些飞行人员没有进行威胁评估，并没有考虑后果就做出了决定。”

在国家航空实验室的波音747飞机飞行的情境中，67%的机组人员执行了“多台发动机熄火或失速”程序，尽管他们所受的训练要求他们在这种情境下要执行“发动机极限或喘振或失速”程序。

阿德瓦尼表示：“即使天气状况不好，就在几分钟前，超过50%回到同一跑道上。风向已经转移，但他们仍然选择顺风跑道，并没有使用其他可用的程序。我们注意到，大多数机组人员都缺乏管理经验，也没有以最优的方式来完成领导。”

在德国宇航中心类似的A320场景中，8个机组人员的大部分都立即确认了他们的紧急情况，尽快落地。阿德瓦尼说：“他们没有让任何一个发动机完全失效，但同样也发生了失速喘振。大多数机组人员确定了双发动机失速，但没有执行‘发动机限制或喘振或停滞的程序。一些机组人员没有完成单发动机失速清单的内容，甚至忘记了第二条轨道的落地清单。即使能够顺风飞行，但有6个机组人员还是回到起飞跑道或相邻平行跑道。只有3个机组人员稳定了发动机。2人在鸟撞后决定通过闲置推力完成飞行。”

对研究人员来说，如何从态势感知和意义构建的角度解释飞行员的行为，这是个问题。观察家看到鸟撞后工作量增加和态势感知降低的指标。阿德瓦尼表示，飞行员在飞行时通常过于关注飞行，有些压力过大，所以不使用程序。在波音747模拟器中，很少人会下意识地处理能源管理。最终，幸运的是，他们所有人都在设法让飞机着陆。显然，能够很好管理负载、并做出正确决策的机组人员十分出色。其他人员所做出的决定都没有考虑其他的风险和可能的后果。

阿德瓦尼总结道，该项目的实验暴露了机组人员在非典型情境方面的训练不足。我们一直在研究对机组人员的观察方法可以帮助该行业更好的评估训练。情境设计如何影响结果，这个问题确实很重要，也很有趣。今后将通过有效的情境设计来指导和改善对意料之外情况的培训。