面向PLM的飞行中人的因素实验教学探索

汪海波 司海青 潘亭

［摘 要］ 结合飞行员技能全生命周期管理体系（PLM）对飞行人才的素质要求，为促进飞行学员对飞行中人的因素相关知识的认识与掌握，以提高飞行员认知能力为切入点，开展飞行中人的因素实验教学内容的探讨。在对飞行员认知过程及特征进行分析的基础上，系统探讨了拟开展飞行员微观认知实验的类型，并详细给出每种实验的具体内容、方法及流程，同时对部分实验结果进行介绍。面向PLM的飞行中人的因素实验教学内容设计兼顾飞行技术专业特色，从实践应用层面提出课程建设思路，为民航飞行中人的因素实验教学提供参考，为民航飞行人才培养提供借鉴。

［关键词］ 全生命周期管理；实验教学；飞行中人的因素；飞行员认知

［基金项目］ 2021年度江苏省高等教育教改研究课题“面向全生命周期管理的飞行卓越人才培养模式研究与实践”（2021JSJG206）；2022年度南京航空航天大学实验技术研究与开发项目“基于空间定向训练的《飞行中人的因素》实验技术与测试方法研究”（SYJS202207Y）；2022年度南京航空航天大学通用航空与飞行学院教育教学改革与建设项目“面向PLM的《飞行中的人为因素》实践教学课程建设”（2022JX20KC04）

［作者简介］ 汪海波（1990—），男，山东淄博人，载运工具运用工程博士，南京航空航天大学通用航空与飞行学院讲师，主要从事飞行中的人因工程研究；司海青（1976—），男，山东邹城人，计算流体力学博士，南京航空航天大学通用航空与飞行学院教授（通信作者），主要从事飞行中的人因工程研究；潘亭（1990—），女，山东枣庄人，南京航空航天大学通用航空与飞行学院2019级载运工具运用工程专业博士研究生，研究方向为飞行中的人因工程。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）37-0096-04［收稿日期］ 2022-11-21

隨着民航运输业的发展，民航事故仍随飞行架次的增加而不断发生，民航安全问题越来越受到重视。美国波音公司对事故原因的调查显示，60%左右的事故是由人的因素造成的，而这些人的因素中又有超过半数是由于飞行机组的决策失误以及飞行员自身操作不当［1］。

减少和避免由于飞行员及机组操作不当等人为因素造成的飞行事故，进一步提高飞行员素质，培养飞行员的综合能力，推动民航高质量发展，是中国民航运输业发展的重要方向。民航局按照国际民航组织的有关要求和中国民航全面深化运输航空飞行训练改革的战略部署，提出以岗位胜任力为核心、以实证训练为驱动、以作风建设为牵引，以核心胜任力和职业适应性心理评估的证据输入为基础、以覆盖飞行员训练全要素和全周期为特征的飞行员技能全生命周期管理体系（Professionalism Lifecycle Management System，PLM）［2］。PLM注重飞行员技术能力和非技术能力的综合培养。其中，技术能力是针对飞行员操控飞机技术的熟练性和有效性而言，指飞行员安全顺利完成飞行任务所必须具备的精确熟练操控飞机的一系列技术性操作要素，包括对速度、航向、高度等飞行状态的各种控制；非技术能力是针对机组资源管理、生理、心理及行为等内在条件而言，如飞行检查单的交互检查、交流与协作、工作负荷管理、情境意识、认知能力、情感态度以及应激管理等方面，其目的在于通过提高人的可靠性来对抗飞行员的失误［3-4］。

飞行员认知能力兼顾其技术能力和非技术能力。飞行中人的因素课程的主要内容均与飞行员的认知能力相关。例如，飞行员的视觉、听觉以及前庭觉等，均是飞行员认知过程中的重要感知器官；飞行员的情境意识主要是飞行员在一定时间和空间内对“人—机—环境”组成的复杂系统中各因素的感知、理解，以及对未来状况的预判；飞行员与机组、空管之间的沟通主要是飞行员在执行任务过程中的规范用语等。因此，面向PLM以提高飞行员的认知能力为着力点，结合理论教学开展实验教学，对飞行员认知能力的培养与提高尤为重要。

为提高飞行员的认知能力，促进飞行员对飞行中人的因素课程内容的学习和理解，在对飞行员认知过程进行分析的基础上，系统阐述了基于模拟飞行以及人因采集设备开展的飞行人因实验类型、内容及流程，并对部分实验结果进行了介绍。

一、飞行员认知过程及特性

面向PLM的飞行员培养，聚焦飞行员的实际工作，飞行员的认知能力贯穿始终。基于认知心理学等理论，飞行员的认知活动主要是对不同信息的获取、加工、处理及执行，主要包括对信息的感知、判断或决策、输出及执行。飞行员的各种简单或复杂的行为表现都离不开认知活动，即对信息的加工过程。

综合来看，飞行员的认知过程具有三个显著的特征：首先，认知过程是一个闭环，即从感知到判断、决策，再到动作的实施，整个过程遵循固定的顺序。其次，认知能力具有个体差异性，由于飞行员个体、飞行任务等具有多样性，导致认知能力存在差异性。最后，认知过程具有可控性主要体现在两点：第一，飞行员在执行某一飞行任务时，是一个感知、判断、决策的过程，在这个过程中的某些环节是可控的；第二，运用理论学习与实践学习相结合的方式来提升飞行员的认知能力，配合大量的飞行训练，能够从源头增强飞行员的认知能力，即从飞行学员阶段开始培养飞行员的认知能力。

二、实验方法

（一）实验对象

实验针对南京航空航天大学通用航空与飞行学院21—25岁的飞行学员，这些被试者均已通过飞行私照、商照以及仪表执照的理论考试，具备充足的飞行理论知识。所有被试者视力均正常，身体状态优良，并在实验开始前自愿签订了知情同意书。在实验前24小时，要求被视者避免吸烟、饮酒等刺激或抑制中枢神经系统的行为，以保持良好的精神状态。

（二）实验设备

实验设备是保证教学与研究可行性和有效性的基础。实验设备由塞斯纳172模拟飞行器、无线心电传感器、眼动仪等组成。

塞斯纳172模拟飞行器是与真机等比尺寸的高仿真飞行模拟机。该模拟机采用型号为IO-360-L2A的发动机，驾驶舱内/外视景主要基于Prepar 3D软件，通过水平180度垂直35的U形三通道系统、柱幕、高分辨率无缝投影实现。

无线心电传感器采样频率为512Hz，记录了心脏去极化过程中产生并传导到皮肤的电活动，一般测量心脏附近表面皮肤的电信号。

非侵入式高精度眼动仪的水平追踪范围为+/-82度，垂直追踪范围为+/-52度，通过同步记录系统实现眼动与心电生理数据的同步采集。高精度眼动仪支持双眼采集，一点校准，能够持续捕捉被试者的眼动行为。该仪器确保了被试者的自然行为状态及研究数据的有效性，适合飞行模拟驾驶舱内研究，对飞行实验中的各种任务均可适用。

（三）实验内容

在飞行中人的因素课程中，根据课程大纲，飞行员的微观认知涵盖飞行员应激与管理、飞行员判断与决策、飞行员情境意识以及飞行员视觉、听觉、前庭觉等内容，与实际联系紧密，是课程的核心内容。其中，飞行员在执行任务过程中的感知、判断、决策等认知活动是飞行员理论与实践学习的重要基础，是伴随飞行员全生命周期的重要能力，也是在传统理论教学中学生不易理解和掌握的难点。

飞行员的微观认知实验主要包括演示实验、综合型实验和创新型实验。整个实验过程由简入繁，其中应用方向主要包括飞行人因理论教学、基础飞行认知能力培养以及飞行员核心胜任能力培养。飞行人因理论教学为演示型实验，基础飞行认知能力培养为综合型实验，飞行核心胜任能力培养为创新型实验。

三、实验流程设计

（一）实验准备

飞行中人的因素课程实验“飞行员的微观认知”，紧接理论课程第九章的课堂教学进行，安排8学时。在实验准备阶段需要编制实验指导书，明确实验目的及实验要求。在实验指导书中指明学生对实验结果进行分析［5］。为激发学生兴趣及进一步思考的主动性，学生可以在已有数据的基础上设置模拟飞行参数［6］。

在實验准备阶段，实验人员检查实验材料、调试并测试实验设备、设置实验环境。学生到达实验室，静坐稳定情绪，教师向学生讲述实验流程及注意事项，并做好学生姓名、年龄、身高、体重等信息的登记。随后，让学生根据实验指导书熟悉实验材料、设备、飞行程序以及环境［7］。

（二）实验过程

1.演示型实验。首先，结合典型飞行人因事故讲解飞行员认知行为与事故发生前后的联系，熟悉SHEL模型等事故分析方法，明确飞行员自身及其认知能力的重要性；其次，根据实验指导书重点介绍实验设备及步骤，讲解实验流程，同时将模拟器的学习资料发给学生，让学生提前熟悉实验平台；最后，对学生进行分组，进行后面的综合型实验。

2.综合型实验。首先，设置综合实验模拟飞行基础数据，如机场信息（如跑道位置）、飞行环境数据（如风、雨、雷暴等）、飞行任务（如本场起落航线、无动力进近、仪表进近等）、飞行程序（如平飞、爬升、下降等）。其次，将实验课程分别安排在上午8：00—10：00、中午12：00—14：00、晚上9：00—11：00时间段内。飞行员在不同时段及执行不同任务后完成NASA-TLX、SWAT等主观量表，对自身的心理状态及负荷状态进行测评，使学生了解不同时间段工作对人体生物节律的影响，了解自身认知水平变化情况。最后，学生佩戴眼动仪、心电传感器等设备在不同时间段内执行综合型实验任务，熟悉自身的基本认知过程，存储数据。

3.创新型实验。学生在课堂学习、演示型实验以及综合型实验的基础上，熟悉基本飞行任务、飞行程序，并对自身感知、判断、决策等认知规律进行了解，允许学生根据实验指导书，对模拟飞行器的飞行参数进行设置。例如，对起飞机场的设置（如高原机场）、对环境的设置（如侧风起飞、顺风起飞、逆风起飞等）、对飞机的设置（如等飞机增重20%）。同时，在实验人员的指导下进行明暗环境飞行员的视觉变化等创新型实验。

（三）实验结果

学生结合不同飞行任务的飞行参数对自身认知活动进行分析，可以从以下几方面展开：（1）对本场五边飞行、VOR/DME进近、无动力降落、ILS盲降进近等一般飞行任务的各评价指标进行总体对比分析。例如，五边飞行各边的高度、速度等测量值及误差变化，其中测试项主要包括一边航迹偏离、抬轮表速、一边最大爬升率、一转弯高度、一转弯坡度、二边航迹偏离、二转弯坡度、三边航迹偏离、三边高度偏离、三转弯坡度、四转弯坡度、进近最大下降率、进近航迹偏离、跑道入口高度、接地位置偏离、接地率、接地过载、着陆滑跑与中线距离、飞行最大过载以及所有测试项目的总分值。（2）对不同时段执行飞行任务过程中的飞行参数、生理指标进行对比。例如，在极易产生疲劳状态的12：00—14：00时段和头脑清醒的8：00—10：00时段，飞行员在执行各飞行任务中飞行参数与生理指标的变化情况。（3）对不同飞行程序下的飞行参数进行对比，并将执行不同飞行程序过程中的生理指标与执行一般飞行任务过程中的生理指标进行对比，如执行发动机失效飞行程序时与执行一般飞行任务的参数差异、生理指标变化情况等。

结语

基于飞行员微观认知的实验教学探索将实验教学与课堂理论教学紧密结合起来，有效衔接了课堂与实验教学，丰富了教学手段和方法，弥补了传统理论教学的不足。实验教学内容增进了学生对飞行中人的因素内容的理解，激发了学生解决实际问题的灵感，促使学生对自身微观认知行为的理解，锻炼了学生的实践能力，提高了学生的创新能力，真正实现了教师教学和学生学习过程中理论与实践相结合的教学目标，在整个教学过程中取得了良好效果。

飞行员的微观认知贯穿其整个全生命周期管理过程，认知行为表现直接影响飞行安全。飞行员的微观认知行为除了包括感知、判断、决策等基本认知过程外，同时涵盖情境意识、差错管理、应急管理以及驾驶舱资源管理等飞行人因主要内容。通过设置基本飞行任务、不同飞行程序、飞行特情处置中与认知差异相关的实验项目，本文详细设计飞行员微观认知分析的实验方案、实验内容以及数据分析等环节，引领学生在实践中解决问题的同时为飞行员训练提供基础数据。这对于飞行员教学与飞行人因工程研究都具有重要意义。

參考文献

［1］Boeing Commercial Airplanes. Statistical summary of commercial jet airplane accidents worldwide operations 1959—2021［R］. Boeing Commercial Airplanes， 2021：9.

［2］中国民航运输航空飞行员技能全生命周期管理体系建设实施路线图［EB/OL］.［2022-10-21］.http：//www.caac.gov.cn/big5/www.caac.gov.cn/PHONE/HDJL/YJZJ/202009/P020200929537118714360.pdf.

［3］游旭群，姬鸣，戴鲲，等.航线驾驶安全行为多维评价量表的构建［J］.心理学报，2009，41（12）：1237-1251.

［4］汪磊，蒋引，谭维.航线飞行员风险画像指标体系构建［J］.中国安全科学报，2020，30（1）：13-21.

［5］王艳丽，杨烁，吴兵.基于驾驶模拟的本科实验教学内容设计［J］.实验室研究与探索，2020，39（11）：171-174.

［6］高振兴，司海青，丁松滨.开国际化卓越飞行人才培养模式研究［J］.工业和信息化教育，2021（2）：1-5.

［7］陈农田，谭鑫.基于肌电皮温检测的飞行员操纵行为分析实验设计［J］.实验技术与管理，2015，32（11）：202-205.

Exploration of Experiment Teaching Content of Human Factors in Flight for PLM

WANG Hai-bo， SI Hai-qing， PAN Ting

（College of General Aviation and Flight， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 213300， China）

Abstract： Requirements for the quality of flight personnel are set out in the context of the Pilot Lifecycle Management system （PLM） in this paper. Knowledge and comprehension of human factors involved in flight are also promoted among flight cadets. And discussion on the experimental teaching content of human factors in flight is carried out， with the aim of increasing the cognitive capacities of pilots as an entry point. Furthermore， based on an analysis of pilot cognitive processes and characteristics， the sorts of pilot micro-cognitive experiments to be conducted are systematically explored. Each experiments concrete content， methods and procedures are given in detail and some of the results are presented. Additionally， PLM-oriented flight human factors experimental content is designed with characteristics of flight technology specialty. Similarly， the idea of curriculum construction from the practical application level is put forward. According to the experimental teaching content， experimental teaching of human factors in flight and training of civil aviation flight personnel are provided as references.

Key words： lifecycle management; experimental teaching; Human Factors in Flight; pilots cognitive