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[摘要]民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究可以采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位分析技术，探讨与任务相关的EEG能量参数以及ERP脑波成分和脑激活情况，为人机分配任务提供客观依据。研究建立在认知工作分析基础上的具目标导向性的领域知识的表征结构和内容显现出极大的优越性，对于人与自动化系统的地位、人与自动化系统的交流、人对自动化系统的干预等问题的认识有极大的参考价值，并且能够以此来充实培训材料和飞行手册。
[关键词]民航飞行员；适当自动化任务转换模式；认知神经科学
[中图分类号]F563 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432(2009)49-0059-03
1 问题提出
航空工业技术的突飞猛进，使飞机自动化程度越来越高，飞行职业对飞行员的体能负荷要求逐渐降低，而心理负荷要求增高。在飞行事故及事故症候中，人为失误已成为事故发生的主要因素，据报道可达58％～97％。近年来，人与飞行器系统在功能分配上有三种设计方案：全自动形式、全手动形式和手动辅助形式。后一种形式把人和机器的优点有机地结合起来，是当前先进飞机驾驶舱和载人航天器座舱设计多采用的形式。例如波音公司在驾驶舱设计中提出的“适当自动化”，就是在人与机之间达到和谐，其宗旨是让自动化帮助而不是取代机组对飞机的安全操作。但是适当自动化设计并不成熟，面临很多挑战和问题。其中最核心的问题是人机分配任务的标准，即何时把任务分配给驾驶员，何时把任务分配给自动驾驶系统，何时任务由人和机器共同来完成。完善这一自动化系统已成为航空界有关研究人员重点关心的课题之一。
驾驶舱内大量自动化技术的应用将驾驶员从繁重的四肢工作中解脱出来的同时，也对驾驶员的理解、判断和决策能力提出了更高的要求。商用飞机驾驶舱的高度自动化改变了人机界面和飞行操作方式。自动化驾驶舱在一定程度上提高了飞行员对各种信息的获取能力，减轻了飞行员的工作负荷，提高了工作效率。与此同时，自动化也显现出种种局限性。Woods(1996)认为自动化像是一个预先包装好的盒子，盒子里面众多不同纬度的单元被预先组装在一起，形成软件／硬件系统。因此可以设想当某种更新的自动化系统被引进到实践领域，带来的改变也是多元的。这些新的内容与传统的工作方式和思维方式发生了矛盾和冲突，导致了新问题的发生。这些问题包括：①增加或改变任务。②改变飞行员的介入要求，导致飞行员处于低觉醒状态。③改变人在该系统中的角色，降低飞行员的工作满足感。④增加了预先输入的数据、预定的飞行模式，当遇上复杂情况时有可能导致事故。基于自动化给飞行安全带来的种种问题，Reising(1985)描述在未来的驾驶舱里，飞行员的工作状态能够被随时监控，并且系统能够根据飞行员工作负荷的高低重新分配任务。但是并没有研究者提供明确的参数来确定如何调节任务(Parasura-man，1990)。Morrision等人(1996)提出适当自动化可以借助一个或多个实时的技术方法，其中之一就是生理心理学的测量方法，研究者认为生理信号能够反映脑神经的工作负荷和中枢神经系统的活动，并且能够作为转变自动化模式和水平的参数指标。认知神经科学是近年来兴起的一门学科，其研究目的是寻找与任务执行相关的神经基础及其加工机制。脑电图、认知事件相关电位和肌电图等认知神经研究手段的出现，研究者能够在不损伤脑的条件下直接观察正常被试在完成认知任务时的大脑活动情况，使得研究将认知过程与脑活动直接联系起来，大大提高了研究结果的直观性和深入性。
基于自动化水平程度与飞行员工作负荷负相关，Pope等人(1995)试图应用一种生物控制闭环系统调节飞行员的工作负荷。该系统根据飞行员所投入的心理资源量调节飞行员的工作负荷，即当飞行员大脑加工载荷增高时，一个或多个任务应该转入自动化以减轻飞行员的负担；当飞行员大脑加工载荷降低时，系统应分派更多的任务给飞行员。最终反馈系统会达到平衡状态。
Pope认为脑电图(eleetroeneephologram，EEG)能够反映出不同工作任务引起的大脑载荷变化(Davidson，1988；Davidson et a1，1990；Lubar，1991；Offenloch andZahner，1990)。例如，Davidson(1990)研究发现不同的觉醒水平α波能量和B负能量负相关。Lubar(1991)发现能量比β／0能够区分正常儿童和有注意机能障碍的儿童。Pope等人(1995)由此推论存在脑加工载荷和工作负荷关系的闭环系统，而脑加工载荷由脑波能量参数反映。在负反馈情况下，EEG能量参数增高时降低自动化水平，EEG能量参数降低时增高自动化水平。在正反馈情况下，EEG能量参数增高时增高自动化水平，EEG能量参数降低时降低自动化水平。
民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究可以采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位分析技术，探讨与任务相关的EEG能量参数以及ERP脑波成分和脑激活情况，为人机分配任务提供客观依据。研究建立在认知工作分析基础上的具目标导向性的领域知识的表征结构和内容显现出极大的优越性，对于人与自动化系统的地位、人与自动化系统的交流、人对自动化系统的干预等问题的认识有极大的参考价值，并且能够以此来充实培训材料和飞行手册。新一代适当自动化系统的开发是漫长复杂的过程，能正确对待和使用自动化飞行系统，才能真正保证飞行安全和提高飞行效率。
2 研究技术
Pope等人(1995)研究发现飞行员在不同工作负荷状态下，脑电能量参数β／(α+0)表现出显著差异，并且这一能量参数相较于其他参数有更强的分辨力。他们还得出结论用高频β波(38～42Hz)或肌电(42～100Hz)来代替β波并不会显著影响脑电能量比参数。
在这一研究的基础上，民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究实验拟采用混合因子实验设计：2(任务模式：自动或手动)×2(单任务或多任务)×2(实验组或控制组)。探讨与任务相关的EEG能量参数以及ERP脑波成分和脑激活情况，为人机分配任务提供客观依据。
主实验任务采用NASA新版多属性任务组块(MultiAttribute Task，MAT)。MAT包括四个独立的任务窗口，分别是监控任务、补偿性追踪任务、通信任务和资源管理任务。这些不同的任务用来模拟驾驶人员在真正飞行时经常操作的任务。本研究只应用监测任务、补偿性追踪任务和资源管理任务。
ERP实验任务采用听觉Oddbl模式。声音刺激为短纯音，强度60dB。由声音刺激器随机产生高音调(1100Hz)和低音调(900Hz)声音，出现概率分别为10％和90％。声音呈现时间和间隔随具体实验而定，高 音调刺激作为靶刺激。
ERP数据的离线处理分析主要包括：①合并任务数据(Merge task data)。②自动校正眼电伪迹(Ocular artifact reduction)，减少眼电污染。③滤波(Fliter)，排除50周干扰以及其他伪迹。④对脑电分段(Epoch)，按照预设的“分析时程”，以刺激物发生为起点，对记录的EEG进行分段。⑤慢电位纠正(Linear derend)，将偏移较大的慢电位拉回基线。⑥基线纠正(Baseline correct)，在当前波形文件中校正DC偏差。⑦排除伪迹(Artifacteiee—tion)，排除脑电描记中非起源于脑部的电活动干扰，包括由肌电、心电等造成的伪迹。⑧平均(Average)，对EEG分类叠加，得到各任务的ERP成分。⑨用德国BrainProducts公司的Analyzer软件，依次测量叠加后的各波段波幅与潜伏期，呈现事件相关电位图形。⑩综合分析头皮各电极记录点，并对已有研究阐明的操作任务活动区(如额区、顶区)，的诱发电位重点分析。
3 研究领域
民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究拟采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位技术，探讨适当自动化的人机分配任务，具体从以下方面人手：(D探讨不同的自动化模式和水平对ERP峰潜期、峰值的影响，不同任务模式与皮层定位的关系。②探讨不同任务负荷可能激活的不同脑区及诱发出的ERP。③探讨不同的自动化模式和水平对EEG能量指数以及心率变异的影响。④探讨不同任务负荷对EEG能量指数以及心率变异的影响。⑤找到合适的实验任务与对照任务(基线)。⑥有效分析现已获得的脑电数据并得出可靠结论。脑事件相关电位技术，具体运用德国Brain Products公司的程序软件编制刺激程序、呈现序列、记录行为数据；运用Re—corder软件记录和存储脑电数据，运用Analyzer软件对数据进行离线分析。EEG分析技术，具体运用日本光电公司生产的多导生理仪。
4 应用前景
高新技术的应用在给民航带来经济效益的同时也带来了安全效益。但是，在自动化解决或部分解决了原有问题的同时也带来了新的问题。从飞机制造商到航空公司，从飞机设计师到飞行员，他们对自动化的认识都将对飞机的安全产生巨大的影响。例如处于航空技术领先地位的波音(Boeing)公司采用了Billings(1997)的“以人为本”的设计思想，波音公司的“软保护”设计允许飞行员在飞行包络面以外拥有飞行操纵权，以便在应急状态下摆脱困境。其驾驶舱人机界面向飞行员提供尽可能多的感觉通道的反馈信息。而这一设计理念的核心是适当自动化系统中的人机功能分配的决策问题，其决定了人与自动化系统间的关系、系统和人机界面的设计以及飞行操作程序等。民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究拟采用EEG、ERP和心率指(HRV)标本研究拟采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位技术，探讨适当自动化的人机分配任务。研究建立在认知工作分析基础上的具目标导向性的领域知识的表征结构和内容显现出极大的优越性，并且以此来充实培训材料和飞行手册。新一代适当自动化系统的开发是漫长复杂的过程，能正确对待和使用自动化飞行系统，才能真正保证飞行安全和提高飞行效率。
[关键词]民航飞行员；适当自动化任务转换模式；认知神经科学
[中图分类号]F563 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432(2009)49-0059-03
1 问题提出
航空工业技术的突飞猛进，使飞机自动化程度越来越高，飞行职业对飞行员的体能负荷要求逐渐降低，而心理负荷要求增高。在飞行事故及事故症候中，人为失误已成为事故发生的主要因素，据报道可达58％～97％。近年来，人与飞行器系统在功能分配上有三种设计方案：全自动形式、全手动形式和手动辅助形式。后一种形式把人和机器的优点有机地结合起来，是当前先进飞机驾驶舱和载人航天器座舱设计多采用的形式。例如波音公司在驾驶舱设计中提出的“适当自动化”，就是在人与机之间达到和谐，其宗旨是让自动化帮助而不是取代机组对飞机的安全操作。但是适当自动化设计并不成熟，面临很多挑战和问题。其中最核心的问题是人机分配任务的标准，即何时把任务分配给驾驶员，何时把任务分配给自动驾驶系统，何时任务由人和机器共同来完成。完善这一自动化系统已成为航空界有关研究人员重点关心的课题之一。
驾驶舱内大量自动化技术的应用将驾驶员从繁重的四肢工作中解脱出来的同时，也对驾驶员的理解、判断和决策能力提出了更高的要求。商用飞机驾驶舱的高度自动化改变了人机界面和飞行操作方式。自动化驾驶舱在一定程度上提高了飞行员对各种信息的获取能力，减轻了飞行员的工作负荷，提高了工作效率。与此同时，自动化也显现出种种局限性。Woods(1996)认为自动化像是一个预先包装好的盒子，盒子里面众多不同纬度的单元被预先组装在一起，形成软件／硬件系统。因此可以设想当某种更新的自动化系统被引进到实践领域，带来的改变也是多元的。这些新的内容与传统的工作方式和思维方式发生了矛盾和冲突，导致了新问题的发生。这些问题包括：①增加或改变任务。②改变飞行员的介入要求，导致飞行员处于低觉醒状态。③改变人在该系统中的角色，降低飞行员的工作满足感。④增加了预先输入的数据、预定的飞行模式，当遇上复杂情况时有可能导致事故。基于自动化给飞行安全带来的种种问题，Reising(1985)描述在未来的驾驶舱里，飞行员的工作状态能够被随时监控，并且系统能够根据飞行员工作负荷的高低重新分配任务。但是并没有研究者提供明确的参数来确定如何调节任务(Parasura-man，1990)。Morrision等人(1996)提出适当自动化可以借助一个或多个实时的技术方法，其中之一就是生理心理学的测量方法，研究者认为生理信号能够反映脑神经的工作负荷和中枢神经系统的活动，并且能够作为转变自动化模式和水平的参数指标。认知神经科学是近年来兴起的一门学科，其研究目的是寻找与任务执行相关的神经基础及其加工机制。脑电图、认知事件相关电位和肌电图等认知神经研究手段的出现，研究者能够在不损伤脑的条件下直接观察正常被试在完成认知任务时的大脑活动情况，使得研究将认知过程与脑活动直接联系起来，大大提高了研究结果的直观性和深入性。
基于自动化水平程度与飞行员工作负荷负相关，Pope等人(1995)试图应用一种生物控制闭环系统调节飞行员的工作负荷。该系统根据飞行员所投入的心理资源量调节飞行员的工作负荷，即当飞行员大脑加工载荷增高时，一个或多个任务应该转入自动化以减轻飞行员的负担；当飞行员大脑加工载荷降低时，系统应分派更多的任务给飞行员。最终反馈系统会达到平衡状态。
Pope认为脑电图(eleetroeneephologram，EEG)能够反映出不同工作任务引起的大脑载荷变化(Davidson，1988；Davidson et a1，1990；Lubar，1991；Offenloch andZahner，1990)。例如，Davidson(1990)研究发现不同的觉醒水平α波能量和B负能量负相关。Lubar(1991)发现能量比β／0能够区分正常儿童和有注意机能障碍的儿童。Pope等人(1995)由此推论存在脑加工载荷和工作负荷关系的闭环系统，而脑加工载荷由脑波能量参数反映。在负反馈情况下，EEG能量参数增高时降低自动化水平，EEG能量参数降低时增高自动化水平。在正反馈情况下，EEG能量参数增高时增高自动化水平，EEG能量参数降低时降低自动化水平。
民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究可以采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位分析技术，探讨与任务相关的EEG能量参数以及ERP脑波成分和脑激活情况，为人机分配任务提供客观依据。研究建立在认知工作分析基础上的具目标导向性的领域知识的表征结构和内容显现出极大的优越性，对于人与自动化系统的地位、人与自动化系统的交流、人对自动化系统的干预等问题的认识有极大的参考价值，并且能够以此来充实培训材料和飞行手册。新一代适当自动化系统的开发是漫长复杂的过程，能正确对待和使用自动化飞行系统，才能真正保证飞行安全和提高飞行效率。
2 研究技术
Pope等人(1995)研究发现飞行员在不同工作负荷状态下，脑电能量参数β／(α+0)表现出显著差异，并且这一能量参数相较于其他参数有更强的分辨力。他们还得出结论用高频β波(38～42Hz)或肌电(42～100Hz)来代替β波并不会显著影响脑电能量比参数。
在这一研究的基础上，民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究实验拟采用混合因子实验设计：2(任务模式：自动或手动)×2(单任务或多任务)×2(实验组或控制组)。探讨与任务相关的EEG能量参数以及ERP脑波成分和脑激活情况，为人机分配任务提供客观依据。
主实验任务采用NASA新版多属性任务组块(MultiAttribute Task，MAT)。MAT包括四个独立的任务窗口，分别是监控任务、补偿性追踪任务、通信任务和资源管理任务。这些不同的任务用来模拟驾驶人员在真正飞行时经常操作的任务。本研究只应用监测任务、补偿性追踪任务和资源管理任务。
ERP实验任务采用听觉Oddbl模式。声音刺激为短纯音，强度60dB。由声音刺激器随机产生高音调(1100Hz)和低音调(900Hz)声音，出现概率分别为10％和90％。声音呈现时间和间隔随具体实验而定，高 音调刺激作为靶刺激。
ERP数据的离线处理分析主要包括：①合并任务数据(Merge task data)。②自动校正眼电伪迹(Ocular artifact reduction)，减少眼电污染。③滤波(Fliter)，排除50周干扰以及其他伪迹。④对脑电分段(Epoch)，按照预设的“分析时程”，以刺激物发生为起点，对记录的EEG进行分段。⑤慢电位纠正(Linear derend)，将偏移较大的慢电位拉回基线。⑥基线纠正(Baseline correct)，在当前波形文件中校正DC偏差。⑦排除伪迹(Artifacteiee—tion)，排除脑电描记中非起源于脑部的电活动干扰，包括由肌电、心电等造成的伪迹。⑧平均(Average)，对EEG分类叠加，得到各任务的ERP成分。⑨用德国BrainProducts公司的Analyzer软件，依次测量叠加后的各波段波幅与潜伏期，呈现事件相关电位图形。⑩综合分析头皮各电极记录点，并对已有研究阐明的操作任务活动区(如额区、顶区)，的诱发电位重点分析。
3 研究领域
民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究拟采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位技术，探讨适当自动化的人机分配任务，具体从以下方面人手：(D探讨不同的自动化模式和水平对ERP峰潜期、峰值的影响，不同任务模式与皮层定位的关系。②探讨不同任务负荷可能激活的不同脑区及诱发出的ERP。③探讨不同的自动化模式和水平对EEG能量指数以及心率变异的影响。④探讨不同任务负荷对EEG能量指数以及心率变异的影响。⑤找到合适的实验任务与对照任务(基线)。⑥有效分析现已获得的脑电数据并得出可靠结论。脑事件相关电位技术，具体运用德国Brain Products公司的程序软件编制刺激程序、呈现序列、记录行为数据；运用Re—corder软件记录和存储脑电数据，运用Analyzer软件对数据进行离线分析。EEG分析技术，具体运用日本光电公司生产的多导生理仪。
4 应用前景
高新技术的应用在给民航带来经济效益的同时也带来了安全效益。但是，在自动化解决或部分解决了原有问题的同时也带来了新的问题。从飞机制造商到航空公司，从飞机设计师到飞行员，他们对自动化的认识都将对飞机的安全产生巨大的影响。例如处于航空技术领先地位的波音(Boeing)公司采用了Billings(1997)的“以人为本”的设计思想，波音公司的“软保护”设计允许飞行员在飞行包络面以外拥有飞行操纵权，以便在应急状态下摆脱困境。其驾驶舱人机界面向飞行员提供尽可能多的感觉通道的反馈信息。而这一设计理念的核心是适当自动化系统中的人机功能分配的决策问题，其决定了人与自动化系统间的关系、系统和人机界面的设计以及飞行操作程序等。民航飞行员适当自动化任务转换模式的认知神经科学研究拟采用EEG、ERP和心率指(HRV)标本研究拟采用脑电能量分析、心率分析和事件相关电位技术，探讨适当自动化的人机分配任务。研究建立在认知工作分析基础上的具目标导向性的领域知识的表征结构和内容显现出极大的优越性，并且以此来充实培训材料和飞行手册。新一代适当自动化系统的开发是漫长复杂的过程，能正确对待和使用自动化飞行系统，才能真正保证飞行安全和提高飞行效率。