基于模拟仿真的飞行中的人为因素实验教学平台建设与应用

摘  要：飞行中的人为因素是民航系统的重要组成部分，是保障飞行安全的关键。飞行中的人为因素作为提高飞行员技术能力和非技术能力的核心课程越来越受到重视。该文在高性能飞行训练器的基础上，融合无线传感技术、模拟飞行评分系统等设备，提出基于模拟仿真的飞行中的人为因素实验教学平台建设方案。该实验教学平台的建设作为课堂教学的延伸和补充，主要由多维信息交互教学实验、人机工效教学实验以及认知工效教学实验3部分组成。基于模拟仿真的飞行中的人为因素实验教学平台兼顾飞行技术专业特色，更新传统的飞行中的人为因素课堂教学模式，形成数字化、智能化、系统化和精细化的教学体系，解决目前飞行中的人为因素教学过程中理论与实践脱节问题，促进教师教学方法与模式的改进，增强学生学习的积极性与独立思考的能力，为进一步提高教学质量与培养高素质飞行学员具有重要意义。

关键词：实验教学平台；模拟仿真；飞行中的人为因素；飞行安全；人机工效实验

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）29-0007-04

Abstract： The human factor in flight is an essential component of the civil aviation system， which is critical to flight safety. As a result， the human factor in flight is becoming increasingly important as a core course for pilots to develop their technical and non-technical skills. In this paper， wireless sensor technology， a flight simulation scoring system， and other equipment are incorporated on the foundation of a high-performance flight trainer. In addition， a simulation-based construction plan for human factors in flight teaching experiment platform is provided. As an extension and supplement of classroom teaching， the experimental platform is mainly composed of three parts： multi-dimensional information interaction teaching experiment， human-aircraft ergonomics teaching experiment， and cognitive ergonomics teaching experiment. Simulation-based teaching experiment platform for human factors in flight， the characteristics of flight technology specialty are also taken into account， and the traditional classroom teaching model of human factors in flight is updated. Then， the digital， intelligent， systematic and refined teaching system is formed to solve the problem of disconnection between theory and practice in the current teaching process of this course. Teachers are encouraged to improve their teaching methods and modes， as well as students' learning motivation and ability to ponder over a problem independently. What's more， it is of great significance to further improve the quality of teaching and training high-quality flight students.

Keywords： experimental teaching platform; analog simulation; human factors in flight; flight safety; ergonomic experiment

基金项目：2021年教育部第一批产学研合作协同育人项目“基于训练设备的《飞行中人的因素》实验课程体系”（202101042005）；2021年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年江苏省高校实验室研究会研究课题“面向PLM的飞行人因工程实验教学改革研究”（GS2022YB23）；2022年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）

第一作者简介：汪海波（1990-），男，汉族，山东淄博人，博士，讲师。研究方向为飞行中的人因工程。

*通信作者：司海青（1976-），男，汉族，山东邹城人，博士，教授。研究方向为飞行中的人因工程。

习近平总书记在会见四川航空“中国民航英雄机组”全体成员时强调，安全是民航运输业的生命线，任何时候任何环节都不能麻痹大意……始终把安全作为头等大事来抓[1]。Elisabeth Martin在波音公司《商用喷气式飞机事故（1959—2020年全球运营情况）》报告中提出“航空安全是一个持续改进的过程”[2]。随着航空运输业的蓬勃发展，飞行事故随着飞机架次的增加而不断发生，在导致的这些事故中约60%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的不正当操作引起的。

在人-机-环境组成的复杂民航系统中，人是民航系统运行的主体，其中，飞行员是保障飞行安全的最后一道防线。针对如何提高飞行员的可靠性，最大限度地预防和避免由飞行员判断、操作不当等原因造成的安全问题，一直是国际民航组织等广泛关注的重要问题。

我国民航发展始终秉持安全第一的管理理念，坚守飞行安全底线，加强飞行员队伍建设。2020年12月25日，民航局发布了《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》，坚持关口前移、源头管控、预防为主、综合治理的方针，强调飞行员从“飞行学员→副驾驶→机长”这一飞行职业全生命周期各阶段飞行员资质的技能学习与训练[3]。飞行中的人为因素作为民航局教学大纲中飞行技术专业的基础课程之一，贯穿于飞行员全生命周期学习与训练的始终。

一  飞行中的人为因素课程概述

飞行中的人为因素是人因工程学在飞行领域中的运用，其以实现飞行安全和飞行效益为宗旨，具有多学科交叉的特性，不仅是一门涉及航空心理学、航空工效学、航空医学、航空生理学、人体测量学、生物力学和飞行事故调查学等理论知识的课程，同时还涵盖飞行员获取“仪表等级”“私照”“商照”以及“航线运行执照”等从业执照的理论与实践知识[4-5]。飞行中人的因素课程知识框架如图1所示。

飞行中的人为因素在飞行技术能力和非技术能力的培养过程中扮演着重要角色，培育兼具技术能力和非技术能力的飞行员是飞行技术专业人才培养当务之急。其中技术能力是针对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需具备的、精确熟练操纵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、心理以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、情景意识、认知能力、情感和态度，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[6]。目前飞行中的人为因素教学过程中仍存在着重理论、轻实践、缺乏对实际情况的分析等问题，并且实践教学也缺乏合理的规划和有效的平台支撑，实验课时占比少，不够系统，不能满足面向全生命周期高素质飞行员培养的需求[7]。因此，在已有理论教学的基础上加强实验平台建设是飞行中的人为因素教学中急需解决的核心问题。通过创新教学手段与方法，基于模拟仿真建立完善的“飞行中人的因素”教学实验平台，推进“数据驱动教学”，实现飞行中人的因素教学的数字化、智能化、系统化和精细化。

二 飞行中的人为因素实验教学平台简介

本文基于Prepar3D模拟仿真技术，结合无线传感设备、多媒体设备、主观评价量表、模拟飞行评分系统和飞行训练转移等搭建飞行中人的因素教学实验平台。基于Prepar3D开发的模拟仿真实验平台集成了飞行仿真、运动系统仿真、视景仿真、座舱设备仿真、仪表系统仿真、航空气象和环境仿真等多项技术的综合性技术，可以实现多人模拟飞行，具有较高的仿真度、较强的沉浸感等特点[4，8]。

无线传感设备主要包括用于行为监测的高清摄像头以及心电、皮电、呼吸、脉搏及眼动等可穿戴生理采集设备，实现在教学过程中对飞行员生理特征的获取。主观评价量表主要结合工作负荷、心理、情感、性格和态度等测评量表对飞行学员的心理状态进行评估。模拟飞行评分系统主要针对飞行学员模拟飞行过程中完成盲降进近、本场五边飞行等典型科目时的高度、速度、航向等参数误差进行打分测评。飞行训练转椅触发飞行学员的倾斜错觉、反旋转错觉以及科里奥利错觉等飞行错觉。

借助于该实验教学平台，不仅可以使飞行学员在理论学习阶段就对飞行环境对飞行员的影响、情景意识与飞行安全的关系、心理-生理-行为特征、认知能力、差错与管理以及机组资源管理等知识进行充分学习，同时可以促使飞行学员结合在实验平台的学习感受及数据分析结果对所涉及理论知识进行深入理解。

三 基于模拟仿真的飞行中的人为因素实验教学内容

结合《飞行中的人为因素》教材，基于Prepar3D模拟仿真以及无线传感设备、模拟飞行评分系统、飞行转椅等设备的飞行中的人为因素实验教学平台主要由3个实验模块组成，主要包括多维信息交互实验教学、人机功效实验教学和认知工效实验教学。

（一） 多维信息交互实验教学模块

为配合飞行中的人为因素教学过程中驾驶舱内部环境、外部环境以及飞行员自身因素对飞行安全的影响的教学，通过已有的主观心理调查问卷对飞行学员的性格、态度、情感等心理因素进行调查，并基于该实验教学平台设计平飞、爬升、下降、侧滑和盘旋等基础飞行任务，同时在此基础上设计成正常起飞、节流起飞、不放襟翼小角度襟翼起飞、飞机增重20%起飞、顺风起飞、逆风起飞、侧风起飞、高温天气起飞、高原机场起飞、正常着陆、飞机增重20%着陆、顺风着陆、逆风着陆、侧风着陆、高温天气着陆、高原机场着陆以及不放襟翼着陆等特殊程序飞行任务[5]。飞行员在执行这些任务过程中佩戴无线传感设备，获取心电、呼吸、皮电等生理数据。飞行员通过该模块的学习了解不同环境因素的特点以及其变化对不同飞行任务的影响，飞行学员还可以通过本实验模块的学习初步对多维信息交互作用下自身心理-生理-行为等微观特征变化情况有所了解。该模块课程主要任务的实验内容及目标见表1。