飞行疲劳风险综合评价量化研究_刘俊杰
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［8 ］
管人员 （ ATC ） 的指令进行操作。 Bartlett 对飞行疲 劳的早期研究发现， 机组在疲劳状态下仪表读数错 误增加， 注意力分散， 出现暗示局限 （ 集中于核心任 务而忽略次要任务需求 ） ， 响应能力随机组状态和 疲劳持续时间而变化
［9 ］
。
在飞行过程中飞行员一旦发生飞行疲劳现象， 会使以下几个方面风险发生的可能性增加 ： 1 ） 注意力下降和感觉失调导致飞行过程中的 情境意识能力下降或丧失， 不能有效感知飞机的位 在巡航过程中会增加空中交通冲突的风 置和状态， 险， 导致空中相撞的可能性增大； 在进近着陆过程 中， 导致不稳定进近和着陆危险性增大 。 2 ） 动作节律失调使得飞行操作能力降低 ， 操纵 过程中动作准确性、 协调性下降。 3 ） 记忆和思维能力减退会使飞行中决策和判 断能力下降， 与 ATC 间通信有效性降低， 执行操作 程序时遗漏或失误可能性增大。 4 ） 因意志力减退导致应急处理能力减弱 。 不难看出， 飞行员一旦发生疲劳便会使机组进 入管道效应， 视觉、 听觉、 注意力、 操纵响应能力、 决 策能力等都有所损失， 从而使得飞行危险程度大大 增加， 发生飞行事故的风险增大。因此， 控制和消除 飞行疲 劳 带 来 的 风 险 对 保 证 飞 行 安 全 是 十 分 重 要的。 1． 3 影响飞行疲劳的主要因素
Quantification Research on Flight Fatigue Risk Comprehensive Evaluation
LIU Junjie JIN Shanshan GAO Yang （ Research Institute of Civil Aviation Safety，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300 ，China） Abstract： Pilot fatigue may lead to the reduction of situation awareness and the ability of judgment and control，even the threatening of flight safety． The quantified evaluation of pilot fatigue risk could provide an effective basis for controlling and alleviating the risk． According to the comprehensive analysis of the flight fatigue influential factors， and based on the flight fatigue evaluating index system， the D － S evidence theory is used to solve the uncertainty problem in evaluation process， and a simulation verification is made with an example by using MATLAB software，thus the quantification of flight fatigue risk is achieved． The result shows that D － S evidence theory would be used to evaluate pilot fatigue condition and quantify the evaluation result； the evaluation method，combined with MATLAB ，would be an effective tool for pilots to make selfevaluation or for company managers to conduct fatigue risk management． Key words： aviation safety； flight fatigue； risk evaluation； fatigue risk management； D － S evidence theory
根据建立指标体系的系统性原则、 科学性原则、 可比性原则和可行性原则， 采用改进的层次分析法— G1 法对飞行人员疲劳风险评价指标进行设计， 建立 的飞行疲劳风险评价指标体系。依据 G1 法的要求制 定专家咨询问卷， 请专家先对各层指标进行排序， 然
修稿日期： 2011 － 05 － 31
疲劳是一种疲倦乏力的感觉， 会给从事体力、 脑 。 力劳动的劳动者带来潜在的安全威胁 据美国航空 安全报告系统（ ASRS） 数据库统计， 约 1 /5 的航空事 ［1 ］ 故与飞行疲劳有关 。 英国安全规章小组 （ SRC ） 的研究表明， 疲劳、 生物节律紊乱、 睡眠剥夺和干扰
表1 Table 1 直接因素 影响因素 睡眠习惯 生活规律性 科学的饮食习惯 休息睡眠环境 睡眠 身体锻炼 酒精 / 药物滥用 最近一天休息 / 执勤时间 连续 7 天工作 / 休息时间 最近一个月休息 / 执勤时间
［8 ］ 要以对飞行人员到执勤时间安排为主 ； 环境因素 主要考虑工作环境、 休息环境和天气条件对飞行操
学科分类与代码：6202510 （ 安全生理学） 中图分类号：X949 基金项目：中央高校基金资助（ ZXH2009D005 ；ZXH2010A001 ） 。
*
刘俊杰
文献标志码：A
【摘 要】 飞行员疲劳会降低对情境意识的觉知， 导致判断能力和操作能力下降， 威胁飞行安全。 对飞行员的疲劳状况进行综合量化评价可以为控制和缓解飞行疲劳风险提供有效依据 。 通过综合 在确立飞行疲劳风险综合评价指标体系的基础上 ， 采用证据理论解决评价 分析飞行疲劳影响因素， 过程中遇到的不确定性问题， 结合 MATLAB 软件进行算例仿真验证， 实现对飞行疲劳风险的量化。 ： 结果表明 证据理论方法可以有效利用影响疲劳的各种评价指标综合判断飞行员的疲劳状况 ， 实现 评价结果量化。结合 MATLAB 软件计算可以作为飞行员自我评价的有效工具， 也可以作为管理人 员进行疲劳风险管理的工具。 【关键词】 航空安全； 飞行疲劳； 风险评价； 疲劳风险管理； D － S 证据理论
作的影响， 见表 1 。
影响疲劳的因素 直接因素 影响因素 情绪控制力 工作责任心 应激反应能力 持续工作时间 工作强度类型 机组 CRM 自信心 企业人文环境 驾驶舱环境 气象条件
The effect factors of flight fatigue
1. 4
飞行疲劳风险评价指标体系
后给出两两指标间的重要度评价。为保证指标体系 向来自国航、 南航、 东航、 厦航等多家 权重的可靠性， 航空公司各年龄阶段的飞行方面的专家发放调查问 卷， 这些专家多年来一直从事飞行及相关的管理工 9 位专家问卷 其中， 作。共向 12 位专家进行了咨询， ［ 17 ］ 回复有效。采用 G1 法确定各层指标权重见表 2 。
现代民用飞机是高度自动化多系统的融合， 需 要驾驶员对飞机的仪表进行不断监控， 有效地保持 飞机高度、 速度和空间位置， 这需要飞行员高度集中 同时还要根据空 注意力保持飞机应有的飞行状态，
第7 期
刘 俊 杰 等： 飞 行 疲 劳 风 险 综 合 评 价 量 化 研 究
· 87·
其中， 生理因素主要包括睡眠及影响因素 ； 心理因素 ［15 － 16 ］ ； 主要包括与飞行控制和操作相关的几个方面 管理因素中结合企业管理层面对飞行疲劳的影响主
第 2 1 卷 第 7 期 2 0 1 1 年 7 月
中 国 China
安 全 Safety
科 学 Science
学 报 Journal
Vol ． 2 1 No ． 7 Jul ． 2 0 1 1
飞行疲劳风险综合评价量化研究
讲师 靳珊珊 高 扬 研究员 （ 中国民航大学 民航安全科学研究所 ， 天津 300300 ）
1
1． 1
飞行疲劳及潜在风险
飞行疲劳
对民航而言， 飞行疲劳不仅可能给飞行员本身 带来潜在安全风险， 也使乘客的生命和财产安全受 到严重威胁， 因此飞行疲劳从 20 世纪 70 年代起一 直是民航安全中的重要研究方向 。 飞行疲劳属于与特定职业相关的工作疲劳的范 畴， 特指因飞行时间或值勤时间过长而导致飞行员 在体力和脑力（ 生理或心理 ） 等方面的消耗下降， 进 而出现注意力下降、 情境意识丧失、 操作能力下降、 判断决策能力降低等飞行表现变差的现象 。 飞行疲劳与车辆驾驶疲劳有很多类似之处， 要 保持长时间坐姿， 需要高度集中注意力， 需要关注并 处理来自多个方向信息， 因此不仅涉及到生理疲劳， 而且更多地表现为心理疲劳。 1． 2 飞行疲劳带来的潜在危害和风险
* 文章编号： 1003 － 3033 （ 2011 ） 07 － 0085 － 06 ；
收稿日期： 2011 － 04 － 27 ；
· 86·
中 国 安 全 科 学 China Safety Science
学 报 Journal
第 21 卷 2011 年现有疲劳测定评价方法主要有客观法和主观法 两大类。客观法主要通过测量人体的机能变化来判 定疲劳状态， 如测量心率、 表面肌电信号、 两点刺激 ［4 ］ 敏感阈限及生化指标等 ； 主观测量法主要是通过 问卷调查方法， 以主观的疲劳感进行判断疲劳的有 ［5 ］ 无和程度深浅， 推论疲劳的程度 ， 如美国 NASATLX 量表、 CooperHarper 评 定 问 卷， 我国王天芳等 ［6 ］ 人研制的疲劳自评量表等 。 目前国际上针对飞 行员疲劳风险的确定主要集中在对飞行时间的限制 ［7 ］ 和休息睡眠时间的管理上， 如加拿大交通部 、 澳 大利亚 的疲劳风险管理系统（ FRMS，Fatigue Risk Management System） 。 客观评价方法因测量的是当前的身体的状态， 且大多为接触性测量， 不适于飞行疲劳风险控制与 预防； 主观评价方法因缺乏可以量化的评价标准 ， 又 。 具有很大的不确定性 笔者以常用的主观疲劳评价 为基础， 综合分析影响疲劳因素， 建立飞行疲劳风险 综合评价指标体系， 并运用 D － S 证据理论解决客 观评价中常遇到的不确定行问题， 从而实现飞行疲 进而为有效控制和缓解飞行疲劳风险 劳风险量化， 提供可靠依据。
［2 ］ 是机组人为因素的 3 个主要原因 。1993 年 8 月
0
引
言
18 日的关塔那摩空难［3］以及 2009 年著名的哈得逊 河迫降都与机组人员疲劳相关。疲劳导致注意力和 记忆力下降、 决策和判断能力减弱， 是引发工作中导 致错、 忘、 漏等安全隐患的重要诱因， 因此， 飞行人员 疲劳严重危害着飞行安全， 一直是影响民航安全的 重要人为因素之一。
NASA 很 早 就 发 现 疲 劳 与 生 物 节 律 有 关［10］。 调查显示， 飞行疲劳产生的主要原因是飞行员睡眠
［11 ］ 不足和昼夜节律的改变 。 除睡眠不足导致疲劳 持续清醒时间过长是产生疲劳的另一个重要原 外，
因： 保持连续 17 h 清醒后的疲劳状况相当于血液中 含有 0. 05% 的酒精， 在保持连续 24 h 的清醒状态后 该值增加为 0. 10% ， 超出法律规定的驾驶 汽 车 的 ［12 ］ 要求 。 另外， 疲劳的产生也与生理、 心理因素有关， 工 ［13 ］ 作负荷、 情绪等都是引发飞行疲劳的常见因素 ； 飞行疲劳还与飞行计划的安排、 飞行距离的长短， 个 人的生理和心理状况甚至生活的规律性、 科学的饮 食习惯等有很大关系， 飞行距离和时差效应对飞行 ［14 ］ 疲劳的影响也不容忽视 。 综上， 产生疲劳的直接因素主要有 2 个： 睡眠不 足， 觉醒（ 或持续工作） 时间过长。 将促使或导致这 2 个因素发生的因素作为间接因素的话， 则主要有 4 ： 、 、 以下 个方面 生理 心理 管理和环境等基本因素。
管人员 （ ATC ） 的指令进行操作。 Bartlett 对飞行疲 劳的早期研究发现， 机组在疲劳状态下仪表读数错 误增加， 注意力分散， 出现暗示局限 （ 集中于核心任 务而忽略次要任务需求 ） ， 响应能力随机组状态和 疲劳持续时间而变化
［9 ］
。
在飞行过程中飞行员一旦发生飞行疲劳现象， 会使以下几个方面风险发生的可能性增加 ： 1 ） 注意力下降和感觉失调导致飞行过程中的 情境意识能力下降或丧失， 不能有效感知飞机的位 在巡航过程中会增加空中交通冲突的风 置和状态， 险， 导致空中相撞的可能性增大； 在进近着陆过程 中， 导致不稳定进近和着陆危险性增大 。 2 ） 动作节律失调使得飞行操作能力降低 ， 操纵 过程中动作准确性、 协调性下降。 3 ） 记忆和思维能力减退会使飞行中决策和判 断能力下降， 与 ATC 间通信有效性降低， 执行操作 程序时遗漏或失误可能性增大。 4 ） 因意志力减退导致应急处理能力减弱 。 不难看出， 飞行员一旦发生疲劳便会使机组进 入管道效应， 视觉、 听觉、 注意力、 操纵响应能力、 决 策能力等都有所损失， 从而使得飞行危险程度大大 增加， 发生飞行事故的风险增大。因此， 控制和消除 飞行疲 劳 带 来 的 风 险 对 保 证 飞 行 安 全 是 十 分 重 要的。 1． 3 影响飞行疲劳的主要因素
Quantification Research on Flight Fatigue Risk Comprehensive Evaluation
LIU Junjie JIN Shanshan GAO Yang （ Research Institute of Civil Aviation Safety，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300 ，China） Abstract： Pilot fatigue may lead to the reduction of situation awareness and the ability of judgment and control，even the threatening of flight safety． The quantified evaluation of pilot fatigue risk could provide an effective basis for controlling and alleviating the risk． According to the comprehensive analysis of the flight fatigue influential factors， and based on the flight fatigue evaluating index system， the D － S evidence theory is used to solve the uncertainty problem in evaluation process， and a simulation verification is made with an example by using MATLAB software，thus the quantification of flight fatigue risk is achieved． The result shows that D － S evidence theory would be used to evaluate pilot fatigue condition and quantify the evaluation result； the evaluation method，combined with MATLAB ，would be an effective tool for pilots to make selfevaluation or for company managers to conduct fatigue risk management． Key words： aviation safety； flight fatigue； risk evaluation； fatigue risk management； D － S evidence theory
根据建立指标体系的系统性原则、 科学性原则、 可比性原则和可行性原则， 采用改进的层次分析法— G1 法对飞行人员疲劳风险评价指标进行设计， 建立 的飞行疲劳风险评价指标体系。依据 G1 法的要求制 定专家咨询问卷， 请专家先对各层指标进行排序， 然
修稿日期： 2011 － 05 － 31
疲劳是一种疲倦乏力的感觉， 会给从事体力、 脑 。 力劳动的劳动者带来潜在的安全威胁 据美国航空 安全报告系统（ ASRS） 数据库统计， 约 1 /5 的航空事 ［1 ］ 故与飞行疲劳有关 。 英国安全规章小组 （ SRC ） 的研究表明， 疲劳、 生物节律紊乱、 睡眠剥夺和干扰
表1 Table 1 直接因素 影响因素 睡眠习惯 生活规律性 科学的饮食习惯 休息睡眠环境 睡眠 身体锻炼 酒精 / 药物滥用 最近一天休息 / 执勤时间 连续 7 天工作 / 休息时间 最近一个月休息 / 执勤时间
［8 ］ 要以对飞行人员到执勤时间安排为主 ； 环境因素 主要考虑工作环境、 休息环境和天气条件对飞行操
学科分类与代码：6202510 （ 安全生理学） 中图分类号：X949 基金项目：中央高校基金资助（ ZXH2009D005 ；ZXH2010A001 ） 。
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刘俊杰
文献标志码：A
【摘 要】 飞行员疲劳会降低对情境意识的觉知， 导致判断能力和操作能力下降， 威胁飞行安全。 对飞行员的疲劳状况进行综合量化评价可以为控制和缓解飞行疲劳风险提供有效依据 。 通过综合 在确立飞行疲劳风险综合评价指标体系的基础上 ， 采用证据理论解决评价 分析飞行疲劳影响因素， 过程中遇到的不确定性问题， 结合 MATLAB 软件进行算例仿真验证， 实现对飞行疲劳风险的量化。 ： 结果表明 证据理论方法可以有效利用影响疲劳的各种评价指标综合判断飞行员的疲劳状况 ， 实现 评价结果量化。结合 MATLAB 软件计算可以作为飞行员自我评价的有效工具， 也可以作为管理人 员进行疲劳风险管理的工具。 【关键词】 航空安全； 飞行疲劳； 风险评价； 疲劳风险管理； D － S 证据理论
作的影响， 见表 1 。
影响疲劳的因素 直接因素 影响因素 情绪控制力 工作责任心 应激反应能力 持续工作时间 工作强度类型 机组 CRM 自信心 企业人文环境 驾驶舱环境 气象条件
The effect factors of flight fatigue
1. 4
飞行疲劳风险评价指标体系
后给出两两指标间的重要度评价。为保证指标体系 向来自国航、 南航、 东航、 厦航等多家 权重的可靠性， 航空公司各年龄阶段的飞行方面的专家发放调查问 卷， 这些专家多年来一直从事飞行及相关的管理工 9 位专家问卷 其中， 作。共向 12 位专家进行了咨询， ［ 17 ］ 回复有效。采用 G1 法确定各层指标权重见表 2 。
现代民用飞机是高度自动化多系统的融合， 需 要驾驶员对飞机的仪表进行不断监控， 有效地保持 飞机高度、 速度和空间位置， 这需要飞行员高度集中 同时还要根据空 注意力保持飞机应有的飞行状态，
第7 期
刘 俊 杰 等： 飞 行 疲 劳 风 险 综 合 评 价 量 化 研 究
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其中， 生理因素主要包括睡眠及影响因素 ； 心理因素 ［15 － 16 ］ ； 主要包括与飞行控制和操作相关的几个方面 管理因素中结合企业管理层面对飞行疲劳的影响主
第 2 1 卷 第 7 期 2 0 1 1 年 7 月
中 国 China
安 全 Safety
科 学 Science
学 报 Journal
Vol ． 2 1 No ． 7 Jul ． 2 0 1 1
飞行疲劳风险综合评价量化研究
讲师 靳珊珊 高 扬 研究员 （ 中国民航大学 民航安全科学研究所 ， 天津 300300 ）
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飞行疲劳及潜在风险
飞行疲劳
对民航而言， 飞行疲劳不仅可能给飞行员本身 带来潜在安全风险， 也使乘客的生命和财产安全受 到严重威胁， 因此飞行疲劳从 20 世纪 70 年代起一 直是民航安全中的重要研究方向 。 飞行疲劳属于与特定职业相关的工作疲劳的范 畴， 特指因飞行时间或值勤时间过长而导致飞行员 在体力和脑力（ 生理或心理 ） 等方面的消耗下降， 进 而出现注意力下降、 情境意识丧失、 操作能力下降、 判断决策能力降低等飞行表现变差的现象 。 飞行疲劳与车辆驾驶疲劳有很多类似之处， 要 保持长时间坐姿， 需要高度集中注意力， 需要关注并 处理来自多个方向信息， 因此不仅涉及到生理疲劳， 而且更多地表现为心理疲劳。 1． 2 飞行疲劳带来的潜在危害和风险
* 文章编号： 1003 － 3033 （ 2011 ） 07 － 0085 － 06 ；
收稿日期： 2011 － 04 － 27 ；
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中 国 安 全 科 学 China Safety Science
学 报 Journal
第 21 卷 2011 年现有疲劳测定评价方法主要有客观法和主观法 两大类。客观法主要通过测量人体的机能变化来判 定疲劳状态， 如测量心率、 表面肌电信号、 两点刺激 ［4 ］ 敏感阈限及生化指标等 ； 主观测量法主要是通过 问卷调查方法， 以主观的疲劳感进行判断疲劳的有 ［5 ］ 无和程度深浅， 推论疲劳的程度 ， 如美国 NASATLX 量表、 CooperHarper 评 定 问 卷， 我国王天芳等 ［6 ］ 人研制的疲劳自评量表等 。 目前国际上针对飞 行员疲劳风险的确定主要集中在对飞行时间的限制 ［7 ］ 和休息睡眠时间的管理上， 如加拿大交通部 、 澳 大利亚 的疲劳风险管理系统（ FRMS，Fatigue Risk Management System） 。 客观评价方法因测量的是当前的身体的状态， 且大多为接触性测量， 不适于飞行疲劳风险控制与 预防； 主观评价方法因缺乏可以量化的评价标准 ， 又 。 具有很大的不确定性 笔者以常用的主观疲劳评价 为基础， 综合分析影响疲劳因素， 建立飞行疲劳风险 综合评价指标体系， 并运用 D － S 证据理论解决客 观评价中常遇到的不确定行问题， 从而实现飞行疲 进而为有效控制和缓解飞行疲劳风险 劳风险量化， 提供可靠依据。
［2 ］ 是机组人为因素的 3 个主要原因 。1993 年 8 月
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引
言
18 日的关塔那摩空难［3］以及 2009 年著名的哈得逊 河迫降都与机组人员疲劳相关。疲劳导致注意力和 记忆力下降、 决策和判断能力减弱， 是引发工作中导 致错、 忘、 漏等安全隐患的重要诱因， 因此， 飞行人员 疲劳严重危害着飞行安全， 一直是影响民航安全的 重要人为因素之一。
NASA 很 早 就 发 现 疲 劳 与 生 物 节 律 有 关［10］。 调查显示， 飞行疲劳产生的主要原因是飞行员睡眠
［11 ］ 不足和昼夜节律的改变 。 除睡眠不足导致疲劳 持续清醒时间过长是产生疲劳的另一个重要原 外，
因： 保持连续 17 h 清醒后的疲劳状况相当于血液中 含有 0. 05% 的酒精， 在保持连续 24 h 的清醒状态后 该值增加为 0. 10% ， 超出法律规定的驾驶 汽 车 的 ［12 ］ 要求 。 另外， 疲劳的产生也与生理、 心理因素有关， 工 ［13 ］ 作负荷、 情绪等都是引发飞行疲劳的常见因素 ； 飞行疲劳还与飞行计划的安排、 飞行距离的长短， 个 人的生理和心理状况甚至生活的规律性、 科学的饮 食习惯等有很大关系， 飞行距离和时差效应对飞行 ［14 ］ 疲劳的影响也不容忽视 。 综上， 产生疲劳的直接因素主要有 2 个： 睡眠不 足， 觉醒（ 或持续工作） 时间过长。 将促使或导致这 2 个因素发生的因素作为间接因素的话， 则主要有 4 ： 、 、 以下 个方面 生理 心理 管理和环境等基本因素。