胡文東

(空軍軍醫(yī)大學航空航天醫(yī)學系航空航天醫(yī)學裝備教研室，陜西 西安 710032)

飛行任務負荷一般指飛行人員在執(zhí)行飛行任務過程中，單位時間內承受的腦力與體力操作任務量。殲-20等高性能戰(zhàn)斗機具有機動速度大、儀表信息多、持續(xù)航時長等特點，軍事飛行人員除了面對加速度變化，還要處理突發(fā)特情和大量的儀表信息。因此，飛行人員需要承受在高腦力負荷和體力負荷條件下執(zhí)行飛行任務，即高負荷飛行任務。這種高負荷飛行會給飛行人員帶來一系列的生理心理挑戰(zhàn)。例如，過大加速度的變化會由于慣性引起身體血液的流動，造成視覺功能的黑視、灰視，甚至意識喪失；遭遇突發(fā)特情，會產生應激反應，導致飛行員驚嚇、恐懼，失能；而處理大量信息，則會引起飛行人員腦力負荷增大、疲勞感增大，進而引起反應遲滯、決策失誤。這些情況最終都會造成飛行人員人因失誤，甚至飛行事故[1]。由此可見，研究高負荷飛行航衛(wèi)保障技術對于更好地發(fā)揮飛行人員的作戰(zhàn)效能意義重大。

1 高負荷飛行航衛(wèi)保障勤務需求分析

隨著我軍新型戰(zhàn)機的列裝，面向實戰(zhàn)化飛行訓練強度和難度加大，飛行員面對的生理心理負荷越來越大，對飛行員功能狀態(tài)要求也越來越高。由于個體差異、功能狀態(tài)不穩(wěn)定及人因失誤等問題導致飛行人員成為人-機-環(huán)-任務系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，也是飛行事故發(fā)生的重要原因。然而，我軍的飛行人員選拔、功能狀態(tài)評估、醫(yī)學訓練等航衛(wèi)保障能力還沒有緊跟裝備性能的提升，預先研究保障體系相對薄弱。因此，對飛行人員生理心理選拔、功能狀態(tài)評估及生理心理訓練等內容進行系統(tǒng)全面的創(chuàng)新研究，補齊配套“技術-裝備-標準-勤務”航衛(wèi)保障體系短板，是航空醫(yī)學和航衛(wèi)保障亟需加強的關鍵科學問題。

軍事飛行員需要在三維空間控制高速運動體和適應快速變化的加速度等不良作業(yè)環(huán)境，并完成戰(zhàn)斗和訓練任務。人類已經(jīng)很好地適應了地面作業(yè)和生活環(huán)境。飛行作業(yè)環(huán)境和任務的特異性對飛行人員提出了特殊的生理心理要求，尤其是空間感知、作業(yè)習慣和不良環(huán)境適應等方面。因此，需要用相應的飛行員防護救生裝備對飛行作業(yè)環(huán)境進行對抗和選拔訓練飛行人員。飛行作業(yè)任務和環(huán)境導致了一系列航空醫(yī)學問題，如人因失誤、抗荷、飛行錯覺、飛行疲勞和飛行員普遍存在的頸腰傷痛問題等，這些問題輕則造成飛行員身心損害，重則發(fā)生飛行事故。通過選拔訓練與航衛(wèi)保障能緩解這些問題，但更好的解決方法還需要對“人-機”系統(tǒng)工效與飛行員個人防護救生裝備進行創(chuàng)新研究。

2 高負荷飛行航衛(wèi)保障技術研究現(xiàn)狀

本團隊前期梳理了高負荷飛行背景下航衛(wèi)保障的關鍵技術問題，主要包括高性能戰(zhàn)機飛行人員的心理選拔、飛行員可能遭遇的疲勞和應激狀態(tài)評估、個人及團隊的訓練技術、跨域作戰(zhàn)人員睡眠調節(jié)等。基于以上問題，本文簡要介紹了相關領域取得的研究成就。

2.1 飛行人員心理選拔技術

軍事戰(zhàn)斗飛行員，不僅需要承擔高負荷飛行，還需要面對嚴峻飛行環(huán)境，飛行職業(yè)具有高風險的特點。1994年，由我國軍內外專家組成的團隊，為空軍研制了我軍第一個招飛心理選拔系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要對飛行基本能力、情緒穩(wěn)定性、個性心理品質、成就動機、心理運動能力等方面心理品質進行評估。后又制定了國家軍用標準《殲擊機飛行員心理品質檢查方法與評定》(GJB 4424—2002)，并沿用至今。我國飛行員心理選拔已成完整體系，取得了良好的效果，但還存在一些問題：首先，心理選拔與生理選拔分離；其次，心理選拔時考生的生理心理負荷過小，與實際飛行差別較大[2]；再次，對考生的飛行耐力、剩余能力、風險決策能力重視不夠。

現(xiàn)空軍招飛特殊能力選拔平臺由空軍特色醫(yī)學中心(原空軍航空醫(yī)學研究所)鄧學謙研制，以操縱能力和空間認知能力為主，缺乏精準任務操控、協(xié)同及視色覺感知等高負荷飛行核心能力的檢測。ZHANG等[3]研發(fā)了一款用于民航飛行人員色覺測試的計算機化孟塞爾(Munsell 100)系統(tǒng)，可以借鑒其方法用于戰(zhàn)斗機飛行人員的色覺篩查。此外，針對傳統(tǒng)選拔項目任務負荷偏低，無法檢測考生的加速度對抗、危機時情緒控制等能力的問題，唐孟軍等[4]創(chuàng)新設計了雙任務結合電刺激在地面模擬高心理應激的技術，并通過心率變異性指標驗證了該技術的可行性。在此基礎上，基于蹬力、追蹤、九燈反應等多種任務組合，構建地面模擬高飛行任務負荷的技術[5]。而結合生理、心理、體力、任務績效的綜合得分預測飛行能力成績的陽性預測值達到了89.11%，一致符合率(Kappa值)為0.21[6]。基于以上研究，本團隊創(chuàng)建了高任務負荷、高體力負荷與高心理應激負荷模擬技術，形成了高負荷飛行條件下的飛行人員生理心理綜合選拔新技術。該技術可以全面客觀地反映被測者在測試過程中生理心理的變化狀況，可以大大提高選拔的飛行學員對高負荷飛行任務的適應能力，為提高飛行學員的成才率做出了應有的貢獻。

2.2 飛行人員功能狀態(tài)評估技術

2.2.1 疲勞評估與干預技術 當飛行任務負荷超過飛行人員的承受能力時，飛行人員的作業(yè)能力會降低，甚至誘發(fā)安全事故[7]。飛行疲勞是引起飛行人員功能狀態(tài)改變的重要因素之一。針對功能狀態(tài)的評價，主要分為基于量表的主觀測量法和基于生理信號的客觀測量法。主觀測量方法多采用信度與效度都良好的評估量表對作業(yè)人員的主觀感受程度進行評估[8]，但它們并不能真實地反映疲勞狀態(tài)[9]?？陀^方法，如腦電信號[10-11]、心率及其變異性[5，12]，眼部行為指標[13]、生化指標變化等都是作為疲勞評估不可或缺的方法。例如，PAN等[14]基于受試者在模擬器飛行期間采集的心電信號，利用統(tǒng)計學方法(如主成分分析等)提取了疲勞特征，并采用學習向量量化算法識別飛行員的疲勞狀態(tài)，取得了很好的效果。LIU等[15]對采集到的腦電和眼電數(shù)據(jù)預處理后提取多種特征，并利用快速支持向量機對數(shù)據(jù)特征進行分類識別，得到疲勞狀態(tài)識別結果。在此基礎上，他們設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的疲勞駕駛預警系統(tǒng)。HU等[16]提出了一種基于視頻的眼指標測量的駕駛員疲勞檢測技術。除此之外，姿勢穩(wěn)定性在疲勞狀態(tài)下的改變也被研究者證實。以往研究表明，睡眠剝奪模擬的腦力疲勞狀態(tài)下，人體姿勢控制發(fā)生了顯著改變，基于敏感條件下構建的姿勢穩(wěn)定性評估得分[17]與抑郁主觀得分(r=0.212，P<0.05)和心率變異性指標(r=0.200～0.286，P<0.05)存在顯著的線性相關[18]。體力疲勞同樣可以采用姿勢穩(wěn)定性改變進行評估[19]。李泰國等[20]基于姿勢識別技術，提取了駕駛疲勞狀態(tài)下人體關鍵點的特征，提出了基于時空特征的疲勞監(jiān)測模型，準確率高達97.73%。在疲勞干預方面，營養(yǎng)劑、物理刺激、藥物都是可選用的方法。例如，OLIVER等[21]系統(tǒng)總結了功能飲料在提升疲勞狀態(tài)下作業(yè)者反應時間等方面的作用。大量研究都表明，經(jīng)顱直流電刺激對體力[22]和認知能力[23]提升具有積極作用，但針對任務中飛行人員實時疲勞評估和干預而言，目前方法的有效性并未得到驗證。

2.2.2 應激反應評估技術 當突然面對威脅到自身安全或機身安全的刺激，人的生理本能會作出響應，例如內心極度不安、想要逃離或進攻，伴隨著交感神經(jīng)興奮、肌肉緊張、末梢神經(jīng)收縮、呼吸急促、心跳加速等。強烈的情緒反應還會引發(fā)死亡焦慮和強烈恐懼情緒，導致意識延遲或者短暫失能的現(xiàn)象，進而導致操縱的失誤或者操作延遲，則可能增加飛行事故發(fā)生的概率[5-6]?？謶肿鳛閷μ囟ㄊ挛锂a生的情緒，是個體急性應激狀態(tài)的主要情緒之一，對它的研究離不開相應的誘發(fā)方法，創(chuàng)造的應激源強度很大程度決定了被試的情緒誘發(fā)強度。目前國內外對于恐懼情緒誘發(fā)方法一般通過文字、圖片、聲音、氣味等材料誘發(fā)[24-25]或通過回想、游戲等情境誘發(fā)[26]。對于這些方法，無論是誘發(fā)強度或是持續(xù)時間，距離急性應激狀態(tài)的要求還有差距。而具有生死威脅的情緒誘發(fā)方法如沉箱逃生、海上吊起、實際帶飛等，雖能達到急性應激狀態(tài)要求，但不符合我國國情和軍隊實際。因此，缺乏高應激強度的急性應激狀態(tài)或恐懼情緒誘發(fā)方法已經(jīng)成為阻礙我國軍事心理學這一領域取得突破的嚴重障礙。

GROMER等[27]利用該技術模擬虛擬的洞穴高度場景來誘發(fā)恐懼情緒，結果顯示VR在激發(fā)恐高和回避行為方面具有很高的有效性。同時他將風模擬添加到虛擬場景，發(fā)現(xiàn)通過影響其皮膚觸覺增加沉浸感，會顯著增加參與者的恐懼反應。本團隊認為下肢體感的交互同樣會增加沉浸感并影響情緒誘發(fā)強度，設計了一個長約4.8 m的實物踏板，實現(xiàn)人體踩踏后產生應力晃動，同時通過VR技術創(chuàng)造一個虛擬的260 m高空樓宇踏板場景，利用VR追蹤器來采集實物踏板晃動的三軸幅度，從而將真實世界的踏板帶入到虛擬世界中，實現(xiàn)虛實結合[28]。初步的誘發(fā)結果表明體感交互會增強恐懼應激的誘發(fā)強度，降低受試者的作業(yè)績效。因此，虛擬現(xiàn)實技術聯(lián)合體感交互來進行情境誘發(fā)，可觸發(fā)人生理和心理的反應，能模擬高危高壓情境，用于高應激強度的急性應激研究是可行的途徑之一。

2.3 飛行人員心理訓練技術

2.3.1 個人心理訓練技術 隨著飛行人員年齡的增長，雖然個性更加成熟，技術更加嫻熟，但流體智力是不斷下降的，在某些情況下會影響到飛行任務。因此，有必要長期進行認知能力訓練，以延緩年齡增長所帶來的流體智力下降。我軍現(xiàn)在對基本認知能力的訓練主要包括注意和記憶技能訓練，但主要是認知的方法、技巧和策略，并不針對認知能力本身。

工作記憶被認為是高級認知活動的核心，工作記憶訓練可以改善認知活動[29]。研究者主要針對工作記憶的轉換、刷新和抑制功能進行訓練，并設計了不同的任務范式，如跟蹤任務、字母(數(shù)字)記憶任務和N-back范式等[30]。胡文東團隊設計了基于刷新功能和抑制轉換功能的個人訓練程序，結果驗證了該方法在瑞文推理能力測驗上得到的遷移。另外，飛行人員的態(tài)勢感知能力已經(jīng)成為制約飛行安全提高的重要因素之一。對于軍事飛行人員來說，駕駛飛機必須時刻關注艙內飛行儀表信息，獲得飛行速度、高度、姿態(tài)等飛參信息。研究表明，專門的儀表閃現(xiàn)訓練可以提高飛行員判讀儀表的能力[31]。但以往的儀表訓練以單儀表訓練為主，缺乏多儀表聯(lián)合判讀訓練相關研究，不符合當前飛行員的實際情況。針對這個問題，宋春楊等[32]選取了某航校94名飛行學員，分為閃現(xiàn)組、常顯組和對照組。基于此系統(tǒng)的實驗發(fā)現(xiàn)，多儀表閃現(xiàn)組和常顯組飛行學員訓練后正確率顯著提高，平均反應時間明顯縮短，其中閃現(xiàn)訓練效果最好。此類訓練方法適合飛行人員個人平時進行補弱訓練。

2.3.2 飛行團隊訓練技術 飛行機組、空間工作站、大型導彈操作、核電站、艦艇和空管等都屬于典型的復雜人機系統(tǒng)。團隊協(xié)作是應對復雜人機系統(tǒng)的重要工作模式。團隊是一個小數(shù)目的群體，他們承擔一個共同的目標或一系列績效目標，且具有互補的技能，最顯著特點是相互依賴[33]。目前國內外對于個體認知、情感、生理和行為過程的影響已有較多研究，但是由于團隊的復雜性和不確定性，對于團隊協(xié)同作業(yè)績效的影響機制研究較少。針對團隊協(xié)作問題，惠鐸鐸等[34]成功構建了團隊協(xié)作能力選拔和訓練的技術平臺。秦澤茜等[35]探討了團隊成員特征對團隊績效表現(xiàn)的影響，包括人格和基本認知能力特征對團隊有效性的影響，以及飛行團隊成員人格異質性與團隊績效的關系。同時，以人格及基本認知能力特征為自變量，建立了團隊績效預測模型。由此可見，建立多作業(yè)人員工作負荷模擬方法和裝置，為小團體特殊作業(yè)人員工作負荷分配合理性及團隊成員之間相容性評價提出新的技術與方法。

2.4 睡眠調節(jié)關鍵技術

飛行員執(zhí)行跨晝夜、節(jié)律飛行訓練任務，尤其是完成長時程、高強度復雜作戰(zhàn)任務成為新時期、新態(tài)勢下我軍飛行作戰(zhàn)能力訓練建設的重中之重。如果休息不充分，飛行員極易飛行疲勞，輕者警覺性及定向力下降，嚴重影響飛行安全。目前，跨節(jié)律睡眠通常的做法是服用生物節(jié)律調節(jié)藥物促進睡眠或者興奮類藥物維持覺醒水平，但會導致一系列不良反應[36]。因此，尋找安全、簡便或通過簡單訓練或干預就能實現(xiàn)跨節(jié)律睡眠的方法是刻不容緩的。通過查閱大量文獻后，我們發(fā)現(xiàn)音樂和冥想這兩種方法不僅能很快地幫助被試進入和體驗放松感，且對睡眠有明顯的促進作用，主要體現(xiàn)在延長睡眠時間、縮短睡眠潛伏期、提高睡眠效率[37-38]。關臣臣等[39]將90名男性被試隨機分為冥想組、音樂組和對照組，驗證了音樂組及冥想組被試均實現(xiàn)不同程度的睡眠潛伏期縮短。王子含等[40]研究了音樂干預作為睡眠調節(jié)手段，可以有效緩解服用咖啡因引起的睡前過度覺醒，縮短了入睡潛伏期，降低了自主神經(jīng)系統(tǒng)的興奮，進而提高了睡眠質量。冥想干預有效降低了由于前移晝夜節(jié)律入睡帶來的睡前興奮及覺醒水平，縮短了入睡潛伏期。另外，光照可以通過影響褪黑素的分泌影響生物節(jié)律，尤其是經(jīng)過特定的光照可以延遲或提前晝夜節(jié)律[41]。通過睡前0.5 h及整晚綠光照射方式可以有效提高受試者的反應水平和任務績效，而紅光照射能一定程度促進褪黑素分泌，但是對任務績效的影響不顯著[42-43]。在24 h睡眠剝奪后期給予被試生理性電刺激(凌晨4點)，被試的任務績效恢復到正常水平(P<0.01)，2 h后主觀疲勞、反應時測試與任務績效成績仍保持較高水平(P<0.05)[44]。綜上所述，睡眠調節(jié)的研究成果為跨晝夜、時差等特殊工作飛行員群體的睡眠調節(jié)提供指導方案。

2.5 飛行人員腰部肌肉穩(wěn)定性預防技術

腰痛，是一項重要的公共健康問題，大部分人群都曾有過不同程度的腰痛經(jīng)歷，其相關疾病的終生患病率約為84%[45]。不同職業(yè)人群的腰痛情況各不相同，37%的腰痛可歸因于職業(yè)風險因素。飛行員作為易感人群，更易受到腰痛的困擾[46-47]。飛行員的腰痛癥狀會一定程度地限制飛行能力，影響飛行任務的完成甚至危及飛行安全。因此，飛行員腰痛問題亟需解決。

為了預防飛行人員腰痛問題，大多數(shù)研究主要開展了腰椎穩(wěn)定肌的功能鍛煉。溫新光等[48]通過總結國內外相關經(jīng)驗，整合出了一套頸腰傷病防治專項訓練方法，包含徒手訓練、器械訓練、飛行前熱身和飛行后恢復4部分內容，有助于增強頸腰肌活動能力、提升脊柱穩(wěn)定性、預防頸腰傷病的發(fā)生。吳相波等[49]開展了為期12周的專項體能訓練，包含飛行前熱身、飛行后放松和全身肌肉力量訓練，可明顯提高頸腰部肌肉力量和耐力，緩解頸腰部疼痛。飛行員承受加速度時需要進行抗荷動作，而加速度是導致腰痛的重要危險因素，故加強飛行員腰椎穩(wěn)定肌的控制是關鍵。研究發(fā)現(xiàn)，坐姿和預先動作可以實現(xiàn)腰部肌肉功能的控制。不同脊柱前后傾角坐姿的腰部肌肉收縮情況不同，其中腰部肌肉在100° 脊柱前后傾角的坐姿能發(fā)揮更大的肌肉力量[50]。預負荷對腰部肌肉自主收縮功能具有一定程度的影響。前向預負荷帶來的腰部肌肉預激活不僅可以有效加強軀干共激活期間的腰部肌肉激活水平，還可加強加速度期間(突發(fā)負荷條件下)軀體的穩(wěn)定性[51]。此外，上肢預負荷方式和預先神經(jīng)肌肉電刺激均可有效提高脊柱穩(wěn)定性，實現(xiàn)腰痛的預防。

雖然國內學者針對飛行員的腰痛問題研究出了一系列的訓練和干預方法，但是需要進一步驗證具體的生理機制。未來研究應進一步探索肌肉預激活期間上運動神經(jīng)元和下運動神經(jīng)元的變化，建立加強腰椎穩(wěn)定肌控制能力的訓練方案并闡明其作用機制，為預防飛行員腰痛的發(fā)生提供參考。

3 高負荷飛行航衛(wèi)保障技術展望

3.1 航衛(wèi)保障技術需要整合醫(yī)學思維解決

當代航空醫(yī)學已發(fā)展成為一門橫跨醫(yī)學、工程技術和心理學等學科，充分體現(xiàn)生物-心理-社會-工程和技術醫(yī)學模式的綜合性學科。整合多學科技術的系統(tǒng)性和創(chuàng)新性研究是解決這些航空醫(yī)學重大問題的最重要途徑，而涉及航空醫(yī)學具體難題也需要整合技術解決。飛行員人為因素是導致飛行事故主要原因，飛行疲勞、心理訓練和腰痛等重要性毋庸置疑，但一直沒有很好解決這些問題，其重要原因是采用多學科的整合技術不足。例如，在實際的航衛(wèi)保障中，戰(zhàn)斗機飛行科目有難易，人的飛行能力也有動態(tài)變化。僅僅靠血壓、體溫和心電等無創(chuàng)生理指標難以有效預測飛行能力的變化，而基于人的功能狀態(tài)預判飛行能力也不準確。因此，必須增加其他技術手段；針對飛行員腰痛問題，現(xiàn)行的方法是加強專項鍛煉和事后治療。飛行員體格良好，飛行作業(yè)的負荷飛行員腰部可以耐受，問題出在飛行員被束縛在座椅上，需要承受較大外力。而人類大腦“認為”坐在座椅上腰部不需要發(fā)力，沒有協(xié)調腰部肌肉進行對抗，導致飛行員腰部受傷。因此，采用醫(yī)學工程技術有望解決該問題。綜上所述，高負荷飛行航空醫(yī)學保障問題需要我們培養(yǎng)多學科技能背景的航空醫(yī)學專門人才，并加強多學科協(xié)力攻關。

3.2 機種的多樣性提出了分類選拔訓練與評估的需求

隨著航空工業(yè)發(fā)展和軍事斗爭準備需求，我國已經(jīng)形成了殲擊機、強擊機、直升機等常規(guī)機型外，還有預警機、艦載機、無人機等特種飛機。針對不同的機型特點，飛行人員選拔訓練也具有不同的需求，尤其是無人機和艦載機飛行員。與岸基飛行任務不同，艦載機飛行任務均依托移動平臺，且在海上飛行。這種狀態(tài)下，飛行錯覺、加速度效應更為突出，對飛行員的心理素質要求更高。另外，飛行人員在任務期間生活均在艦上進行，生活單調，飛行人員的心理健康也更應該被關注。對于無人機飛行人員而言，雖然無需承受高過載、高空環(huán)境等的不良影響，但對無人機空中態(tài)勢感知能力、面對重大得失的情緒控制能力與決策執(zhí)行能力提出了更高的要求。顯然，現(xiàn)行飛行員的檢測方法和標準已不能適應這些需求，需要制訂無人機操縱員的心理選拔與訓練技術方法。由此可見，隨著各種機型的發(fā)展，飛行員分類選拔與訓練急需解決。要實現(xiàn)精準選拔，必須對飛行員培養(yǎng)全過程進行考評，并對選拔項目、選拔項目權重和評價模型進行不斷優(yōu)化。因此，科學的跟蹤調查及選拔效能評價是我軍今后需大力加強的研究和實踐課題。

3.3 飛行能力的多個維度屬性帶來了綜合評價的需求

飛行能力不僅包括空間感知等基本能力、心理運動等特殊能力，還包括完成任務時的情緒穩(wěn)定性、飛行耐力、心理儲備能力等。因此，對飛行人員選拔訓練成績的綜合評估應包括生理指標、心理指標、任務績效、剩余能力等。一方面，需要采用新技術模擬相應的飛行情境。例如，針對高風險對抗評價的需求，研究者可以基于虛擬現(xiàn)實技術研發(fā)地面模擬空間對抗情境，誘發(fā)飛行人員高應激反應，以此評價飛行人員的情緒穩(wěn)定能力；另一方面，結合眼動測量、腦功能評估等技術，深入研究高負荷飛行場景下飛行人員的生理變化；其次，借鑒機器學習、深度學習[52]、大數(shù)據(jù)等技術，基于多維度的生理心理指標，構建高負荷飛行條件下飛行人員功能狀態(tài)的綜合評估技術。