飞行任务负荷下疲劳的监测及干预措施浅析

杨菁华，程 珊，孙继成，丛 林，王 丽，吴建全，宋春杨,5，刘 翠，马 进，胡文东

(1空军军医大学航空航天医学系医学装备教研室，陕西 西安710032； 2空军工程大学基础部军事科技英语教研室，陕西 西安 710051； 3陕西省军区西安第十一离职干部休养所，陕西 西安 710077； 4空军第九八六医院北区腹腔镜外科，陕西 西安 710054； 5解放军第95926部队卫生队，吉林 长春 130103)

新的军事变革使各类军事作战人员都将面临一些新的挑战，比如跨昼夜长航时机动作战能力及连续作战能力、成倍增长的信息融合及处理能力等。人因最灵活却又最不稳定的特点成为人机交互系统中的薄弱环节，短板效应越来越明显。2020年12月1日，美国国家军事航空安全委员会发布《2013—2020年航空事故报告》[1]，在2013—2020年的非战斗行动中，美军航空事故造成198名军事人员和平民死亡。在这些事故中，损毁或损坏的设备总成本超过 94.1亿美元，其中包括157架飞机被毁。报告指出，80%的航空事故为人因失误。在人因失误中，人员疲劳导致的“判断和决策错误”是最主要因素之一[1]。

1 飞行任务负荷对疲劳的影响

目前对疲劳没有完全统一的概念，不同的学科对疲劳定义也有所不同。但形成共识的是，疲劳会使得飞行员警觉性降低，导致操作效率降低，失误增加，长期应激会影响身体健康，严重时会导致机毁人亡等灾难性后果[2]。

有学者认为，疲劳是由于睡眠不足、长时间的脑力或体力劳动、长时间的压力或焦虑而导致劳累、困倦或瞌睡的状态，无聊或重复的任务会加剧疲劳感[3]。疲劳是一个渐进和累积的过程，被认为与不愿继续付出努力、抑制感和精神表现障碍、效率和警觉性降低有关[4-5]。还有用特征描述来概念化疲劳的，如工作能力降低、动力或对刺激反应能力的丧失，通常伴有疲惫和厌倦感。

国际民航组织将疲劳定义为：一种心理或生理表现能力下降的状态，由睡眠不足、昼夜节律紊乱、心理或生理负荷造成，可能降低人的警觉性和执行安全相关操作的能力[6]。

疲劳可以分为精神疲劳和体力疲劳。相对于有明显生理状态变化的体力疲劳，精神疲劳是指由长时间连续的认知活动或任务引起，涉及行为反应、注意力、情绪、动机等多个维度的心理状态变化。精神疲劳对客观行为的影响先于主观报告，所以从客观行为指标上对精神疲劳进行有效监测具有重要的理论价值和应用意义。

飞行任务负荷以及类型对精神疲劳影响较大。在航空领域，飞行员在超负荷或低负荷飞行条件下的疲劳感和感知反应尤其会发生变化。戴斯蒙将疲劳区分为主动疲劳和被动疲劳[7]。在监控任务中，由于任务要求持续(长时间)的知觉活动协调参与而造成的疲劳称为主动疲劳，由于任务要求很少的知觉活动参与、长时间的单调反应所造成的疲劳称为被动疲劳。

主动疲劳是由睡眠不足或主观心理资源消耗所导致的。在恶劣天气条件下，比如狂风暴雨，飞行员需要同时处理多个任务以管理驾驶舱复杂的仪表，往往会频繁调动心理资源来满足这些任务的高需求，因此主动疲劳与飞行高任务负荷相关。被动疲劳则是由于作业环节单调乏味、缺乏刺激或激励而引起的，因而需要很少的控制行为，与飞行低任务负荷相关。

综上所述，高负荷状态下的主动疲劳和低负荷状态下的被动疲劳都会对警觉性产生不利影响，甚至导致在某些情况下的工作能力下降，这可能导致严重的飞行事故和死亡风险。

2 飞行任务负荷在疲劳发展中的作用

机舱的噪声和振动、气压变化、长途飞行、高负荷工作、昼夜节律紊乱、睡眠不足等因素都可能导致飞行员经常处于疲劳状态。持续飞行任务负荷会使飞行员进入生理疲劳状态，反应迟缓、决策能力下降，容易造成工作差错，进而带来一系列的负面情绪，如消沉、烦躁易怒等，引发心理疲劳。同时，飞行员持续疲劳时间若过长，也会造成与他人难相处、易做噩梦的现象，即使之前引发的生理性疲劳已消除，也会出现新的生理疲劳状态，如注意力不集中、头痛等反应。

飞行员的工作属性决定了其需要在高负荷以及高应激工作环境下做出快速而准确的决定，然而持续作业负荷以及任务的单调性极易诱发心理和生理疲劳，疲劳会使人的警觉度和态势感知水平降低、决策能力下降，甚至情绪调控也会变弱。不同程度的脑力疲劳状态对人体的生理、心理功能的影响是不同的。当人能够感觉到疲劳并采取预防或应对措施时，其生理、心理功能实际上已明显下降，处于重度脑力疲劳状态；另外，由于人体代偿机制，虽然在轻度脑力疲劳时人并不能感知到疲劳，且部分作业绩效依然可以维持在一定水平，然而此时某些工作能力比如注意力和警觉性已经受损，安全隐患实际已较大，此种状态极易导致以脑力负荷为主的飞行人员“错、忘、漏”等失误行为增多，更易引起安全事故。另外，由于飞机操作/操纵环境的复杂性和导致疲劳的各种原因，空中作战时，飞行员的精神疲劳和嗜睡可能会上升到其难以接受的程度，影响飞行性能和态势感知，进而危及安全。

因此，如何使用非侵入性方式和客观指标快速准确地实时评估和预警飞行疲劳，已成为航空安全领域迫切需要解决的重大科学问题。飞行员疲劳识别对于实现疲劳风险控制、健康管理和实时安全预警具有重要的理论和实践意义。

3 飞行任务负荷下疲劳监测方法

疲劳测量和预测可以使用多种非侵入性方法和工具来完成，主要分为客观评估和主观评估两大类[8]。

3.1 客观评估

3.1.1 适任评估测试 在适任评估测试中，工作前评估用于评估人员在工作周期之前是否具有足够的警惕性/工作能力。这些测试主要测量人员的表现或眼动反应(例如眼球运动和瞳孔对光的反应)。鉴于警觉和疲劳状态下的神经行为表现不同，据此设计了许多适任评估测试，以确定操作人员是否可以安全开始工作，或他们是否显示疲劳状态。一般来说，这些测试旨在评估以下执行功能：①警惕性；②眼球运动的反应；③肢体-眼睛协调。

这些测试通常简单易行，有助于检测和量化工作日前的睡眠债务，但无法检测工作日开始后累积的睡眠债务。

3.1.2 飞行员实时监测 当飞行员疲劳时，他们的心脏功能、神经功能、呼吸功能和其他相关功能也随之变化。因此，常常通过脑电、心电、肌电、眼动、近红外、立位平衡、面部识别装置、核磁或皮温皮阻等其他生理指标来监测疲劳状态[9-14]。由于操作简便、对疲劳较为敏感、非侵入性等优点，立位平衡功能评估已逐步成为客观疲劳评估领域研究的热点。近红外以及脑电因为无创、高时间分辨率及直接反应脑皮层活动等特点，被广泛地应用到脑疲劳研究中。脑电被公认为是疲劳监测的“金标准”[15-17]。心电反映心脏的活动，心律与自主神经系统之间存在相关性。自主神经系统由交感神经和副交感神经组成，能够调节人体的觉醒水平。在疲劳的过程中，交感神经和副交感神经的活动会发生显著变化。因此，人的疲劳状态也可以通过心电信号在一定程度上反映出来。另外，采用红外眼动记录的方法，测量眨眼过程中眼睑闭合与睁开的速率以及闭眼持续时间可以评估嗜睡状态和疲劳。采集的面部图像进行处理，得到面部表情状态特征，根据面部表情状态特征判断是否疲劳。以上方法精确有效、客观，但是依然需要使用传感器、电线或者电极等接触身体，会使飞行员感觉不适或者影响飞行操作，在飞行中使用依然需要更加便携、方便操作的设备。

3.1.3 基于绩效的监测 基于绩效的监测系统通常为非侵入性。可对飞行任务相关的主要任务(如驾驶时的速度跟踪表现)进行绩效测量，也可以就次要任务(如反应时间)进行测量。在理想情况下，主要任务和次要任务的早期表现下降都可以作为绩效即将下降的早期预警。国内外研究团队依据此理论研究了多种系统进行监测，也取得了较好的效果。但由于人体的代偿反应，在轻度疲劳时，绩效水平存在着不降且依然维持在较好水平的可能性。

3.1.4 飞行数据监测 飞行数据监测是对飞行参数的系统评估，可以识别重大安全事件，确定操作风险区域，并量化现有的安全裕度。

3.2 主观评估

采用客观方法进行疲劳评估具有良好的信度和效度。然而，许多特定的基于实验室的精神或神经认知测试很难进行客观测评。因此，对于飞行安全所需要的多方面技能来说，尤其需要主观评估。疲劳自评量表主要包括自评量表、航空安全报告(Aviation Safety Report，ASR)和疲劳预测。

3.2.1 自评量表 主观自评量表和问卷是评估飞行员疲劳的重要来源之一。卡罗林斯卡嗜睡量表、Samn-Perelli 7级疲劳量表、美国航空航天局任务负荷指数量表、斯坦福睡意量表被公认为信效度高，且应用广泛。主观量表由飞行员根据自己的主观感受进行填写，虽然操作简便，但存在个体差异影响大、客观性较差的缺点。

3.2.2 ASR ASR是在飞行过程中发生安全事件时由机长撰写的一份强制性报告。卡宾团队研究了563例疲劳相关ASR，发现事前休息时间与工作时间之间存在明显的交互作用。对于较短的工作日，休息时间对ASR频率无显著影响。工作时间延长到3～5 h，休息时间较短的航班发生ASR的频率明显高于休息时间正常的航班。但是对于最长工作时间，ASR频率在减少休息时间和标准休息时间之间不再有显著差异。这是因为当疲劳达到很高水平时，机组人员倾向于制定策略来保持他们的性能，从而将风险降到最低。

3.2.3 疲劳预测 传统的疲劳预测模型直接预测疲劳，用户需要输入工作和睡眠时间，以预测工作日每个小时的警觉性、疲劳、表现和(或)风险。最近，生物数学模型也被用于预测睡眠时长和预期表现水平(考虑了任务时间、预测睡眠、昼夜节律等的影响)以及休息日的预计恢复量和时间。然而，这些模型的可靠性还有待验证。预测个体疲劳反应的新一代生物数学模型被称为就绪筛选工具，它能够定期收集个体的认知、行为和生理测量数据，以预测作业者完成某些任务的准备情况。这些工具有可能更好地捕捉个体疲劳反应的差异，但不能预测实际的长期表现。

4 飞行任务负荷下疲劳干预方法

疲劳干预方法可以归类于飞行前、中、后的对策或工具以及安全管理系统，主要包括：①锻炼。平常可进行有规律的健身运动以增强体能储备，可以在执行任务时有效地抵抗疲劳，但是执行任务前需要避免剧烈运动。②饮食。平时饮食可以增加机体色氨酸和酪氨酸含量，提高中枢5-羟色胺、褪黑素和儿茶酚胺水平，有助于保证高质量睡眠和高持续性的觉醒状态；避免摄入过多高脂肪食物，防止胆囊收缩素水平升高、嗜睡感和疲劳感加重。③小睡。咖啡因等兴奋剂有助于保持清醒，但无法解决睡眠不足的问题。因此，建议在维持日常工作的同时减少睡眠债务。执行高任务负荷的飞行员经常在值夜前、飞行中或值夜后小睡以对抗疲劳。④光照。在驾驶舱使用强光，提高飞行仪表板的照明水平，特别是在夜间，可能会暂时提高或至少保持机警性和驾驶舱内的性能。增加颜色种类，特别是蓝光，有利于增加警觉性。⑤药物。一些处方药，如右旋安非他命或莫达非尼，也可以提高驾驶舱内的警惕性，同时也可以使用中医疗法(比如穴位或者中药等)对疲劳进行干预。⑥设备。还有研究利用简单易操作的设备进行疲劳干预。美国怀特空军基地生物医药研究人员、国防科技公司的心理学家林德森团队2021年6月利用颈部经皮迷走神经刺激原理，研究出可大幅度改善疲劳状态下的认知能力和情绪状态的一种游戏手柄样的设备[18]。⑦管理。除了不断优化并执行飞行疲劳风险管理体系，欧洲航空安全组织还列出了一组生活方式实践指南[19]，可以帮助预防疲劳和(或)减轻其后果，包括给予足够的放松或者疗养时间，情绪(抑郁、压力、焦虑)控制指南，平衡生活和工作，食用促进睡眠的食物等。

5 结语

广义来说，疲劳有各种各样的定义，大多与工作强度、持续时间以及恢复时间有关。当前对于疲劳的研究着重于疲劳对安全的影响、疲劳预测、疲劳干预和管理等领域，已经取得了一定的进展，但是因为疲劳不能直接观测，只能通过具体的特征进行评测，且缺乏公认的疲劳标准，对某时刻的飞行员所处的疲劳等级没有统一的判断标准，且疲劳是一个复杂的过程，是一系列因素相互作用的结果，存在个体差异性，在疲劳的建模和监测方面依然存在很多困难，现有的监测设备不够理想，不利于广泛推广和实施监测[20]。

鉴于航空业的迅速发展，加之飞行工作的性质对身体和认知的要求高，工作日程呈现有规律的变化，工作时间长，因此对飞行疲劳的研究更加迫切。建议将未来的研究重点放在解决以上问题，且可以更精确地对飞行员当下和未来的疲劳状态和工作能力的监测和预测方面，比如可以探索与疲劳更相关的最可靠的眼动特征等[21]。同时，科学的疲劳缓解和干预措施至关重要，此类措施可以包括优化工作时间表，开发更客观的工具、实时且便携的监测睡眠和疲劳的设备等。