基于脑电功率谱密度的作业人员脑力负荷评估方法

脑力负荷状态的准确识别对减少因作业人员无效脑力负荷导致的人因事故具有重要意义。针对人-机系统中作业人员脑力负荷客观评估问题开展了基于MATB-Ⅱ平台的3种不同脑力负荷水平下的航空情境实验，记录16名被试的NASA任务负荷指数（NASA-TLX）量表数据和脑电（EEG）信号，提出了一种基于脑电功率谱密度（PSD）和支持向量机（SVM）的个体脑力负荷评估方法。结果表明：随着实验设计脑力负荷水平增加，被试的主观脑力负荷得分显著提高（p<0.001），这表明该实验任务设计较好地诱发了低负荷、中负荷和高负荷情境。在此基础上，通过网格搜索法确定个体脑力负荷评估模型的统一优化参数，惩罚系数取3 000，核函数参数取0.000 1，模型测试正确率达到0.966 5±0.029 8，宏平均的受试者工作特征曲线下的面积（Macro-AUC）达到0.991 0±0.011 4。本文为作业人员脑力负荷状态的客观和准确评估提供了一种新的办法，为后期作业人员脑力负荷状态的实时判别提供模型基础。     

模拟航天任务的操作者功能状态研究

为研究情绪状态、疲劳状态下模拟航天任务的操作者功能状态变化规律,使用MATB模拟航天任务平台,设计包含了任务负荷、情绪视频刺激和疲劳积累因素的实验。招募15名参试者,通过行为学绩效和脑力负荷评价来研究操作者任务过程中的功能状态变化。发现在同一任务负荷状态下,负性情绪刺激下的脑力负荷评分上升、任务正确率下降和任务反应时上升,积极情绪刺激下的脑力负荷评分和任务绩效较中性情绪刺激有改善。高疲劳刺激下的任务绩效和脑力负荷评分均较低疲劳状态恶化,负性情绪恶化程度远高于积极情绪。表明航天任务需尽量避免航天员陷入负性情绪状态,防止功能状态下降;积极情绪状态和适宜任务负荷状态下的操作者易于实现较高绩效和中等脑力负荷水平,通过施加积极情绪刺激,能够改善高疲劳状态下脑力负荷和任务绩效的恶化程度。     

机械臂遥操作任务过程脑力负荷研究

脑力负荷是影响机械臂遥操作绩效的重要因素,通过提取机械臂遥操作过程的自发脑电功率谱特征以及非线性动力学特征,结合机械臂遥操作的三阶段操作理论,分析了操作过程脑力负荷变化规律,以及各阶段的主要认知负荷来源。实验表明:自发脑电功率谱指标能有效评估遥操作过程被试的脑力负荷水平,非线性指标能有效评估思维活动水平。在遥操作中,脑电功率谱能量逐渐向高频段转移,脑力负荷水平逐渐升高;前两阶段的非线性动力学特征值显著高于最后阶段,在第二阶段达到最大,与被试的思维活动强度变化规律相同。前两阶段被试脑力负荷主要来源于空间认知,第三阶段负荷主要来源于距离和角度偏差认知及任务压力。根据遥操作任务过程的脑力负荷变化规律及负荷的主要来源针对性提供信息补偿,完善任务设计,可降低航天员在各个阶段的脑力负荷水平,对保障遥操作任务的完成有一定指导意义。     

脑力负荷与目标辨认

研究虚拟战斗机驾驶员飞行过程中涉及的监视、计算记忆、攻击和探测4项任务,通过改变工作的快慢节奏来影响脑力负荷,以正确反应率和反应时间来评价和分析被测试者在不同脑力负荷下对目标颜色、形状和位置的辨认情况,为人机界面设计目标编码及确定目标呈现时间提供科学依据;使用脑电图仪测量实验过程中被测试者的生理反应来评价脑力负荷与任务难度的关系.实验结果表明:在需要分配注意力的情况下,人对实验分别选取的3种颜色和形状的辨认不受脑力负荷大小的影响,脑力负荷大小影响人对不同位置的目标辨认;人的目标辨认显著受到目标呈现时间的影响,目标呈现时间越长,反应时间越长;脑电图在一定程度上波的频率和高振幅波能反应脑力负荷大小.     

负荷条件下注意力分配策略对情境意识的影响

为探究负荷条件下不同注意力分配策略对情境意识（SA）的影响，招募22名被试开展了3种注意力分配策略（平均分配、主次分配、多级分配）×2种脑力负荷（低负荷、高负荷）条件下的被试内双因素设计的实验任务，记录情境意识全面测量技术（SAGAT）、行为绩效、眼动和脑电（EEG）指标为因变量。实验结果表明，在不同脑力负荷下，相较于多级注意力分配策略和主次注意力分配策略，平均注意力分配策略的SAGAT得分和绩效正确率均更低、最小近邻指数（NNI）更大；在高脑力负荷下，相较于多级注意力分配策略，主次注意力分配策略的SAGAT得分更高、绩效反应时间更短并且NNI值更低；SAGAT得分与平均注视时间、NNI、θ相对功率和α相对功率均存在显著低度相关。本研究结果提示，在不同脑力负荷条件下，采用平均注意力分配策略可能导致作业人员的注意力更为分散，从而产生更差的工作绩效和更低的SA水平；而在高脑力负荷条件下，相比于多级注意力分配策略，主次注意力分配策略更有助于作业人员提取关键信息并维持更好的SA水平，但同时可能存在SA丧失的风险；眼动的平均注视时间和NNI指标以及EEG的θ和α相对功率指标具有较好的表征SA的潜力。     

基于蚁群算法的无人机协同多任务分配

采用蚁群算法对无人机协同多任务分配问题(CMTAP)进行研究。在通用CMTAP模型的基础上,综合考虑包括动态任务时间约束和无人机任务能力的差别多类复杂约束条件,建立扩展的协同多任务分配模型。在多子群蚁群算法的基础上,提出了基于分工机制的蚁群算法对CMTAP进行求解。根据协同多任务分配的特点,设计了基于任务能力评估的问题解构造策略和基于任务代价的状态转移规则,提高了算法的性能。仿真实验结果表明该方法能有效地解决无人机协同多任务分配问题。     

自动变桨距螺旋桨电推进系统能效优化方法

为了提升自动变桨距螺旋桨电推进系统的整体效率,引入最优功率控制规律：自动变桨距螺旋桨电推进系统可根据飞行工况和推力需求,同时调节桨距角和螺旋桨转速两个变量,最终获得一组桨距角和螺旋桨转速的组合,使得推进系统在满足推力需求的情况下实现最小的功率消耗,最终达成飞行任务剖面内最小能耗控制的目标。为了验证方法的有效性,针对同一电推进系统,分别采用最优功率控制规律和恒速控制规律完成相同的飞行任务剖面,获得了两种控制规律下的螺旋桨推进效率、电动机效率、电推进系统总效率和电推进系统能耗数据。结果证明：相较于恒速控制规律,最优功率控制规律能够有效的提升电推进系统效率并降低能耗,完成相同飞行任务剖面的能耗降低6.3%左右。     

手控交会对接中操作者的情境意识和脑力负荷研究

为探究不同任务难度和技能水平下志愿者的情境意识水平和脑力负荷差异,以手控交会对接操作为主任务,招募了15名初学者水平志愿者和12名专家水平志愿者进行实验,每名志愿者进行6次手控交会对接操作,包含3次低任务难度操作和3次高任务难度操作,每次操作完成后填写SART主观量表和NASA-TLX主观量表。研究结果表明:高任务难度操作中操作者的注意集中程度显著高于低任务难度(P<0.05);专家水平操作者的警觉水平和对信息的获取和理解水平显著高于初学者水平操作者(P=0.001和P<0.001);高任务难度操作中操作者在脑力需求方面的负荷显著高于低任务难度(P=0.001);专家水平操作者在脑力需求和时间压力方面的负荷显著低于初学者水平操作者(P=0.001和P<0.001)。研究结果可为航天员手控交会对接训练设计及评价提供理论参考。     

负性情绪对典型航天任务绩效的影响

为了研究负性情绪对典型航天任务绩效的影响规律,利用MATB任务平台的监督任务和跟踪任务模拟典型航天任务,采用情绪视频诱发负性和中性情绪状态,通过任务绩效和主观量表评价来研究负性情绪状态对典型航天任务实验绩效的影响。研究发现监督任务和跟踪任务的绩效随任务负荷增加而下降,负性情绪状态和任务负荷对监督任务的ACC绩效指标有显著交互作用,情绪状态对跟踪任务绩效存在显著影响;监督任务绩效在较高任务负荷时负性情绪状态的任务绩效低于中性情绪状态;较高任务负荷水平的跟踪任务绩效和操作者工作负荷水平易受情绪状态影响,相较于中性情绪状态而恶化;情绪状态对任务绩效的影响与任务类型和任务负荷相关,涉及较高任务负荷的复杂认知任务受情绪状态的影响强度更高。     

直升机飞行使用任务剖面编制方法

包含直升机飞行状态的使用顺序和出现率的飞行使用任务剖面,是编制直升机低周疲劳寿命可靠性分析载荷谱和可靠性试验载荷谱的基本依据.在直升机型号研制过程中一般是先根据飞行谱和典型飞行科目用理论的方法编制任务剖面.本文较完整地介绍了一套可供借鉴的直升机任务剖面编制方法,提出了其应遵循的原则.为保证完成所占时间比例较小的飞行状态的基本时间,可将任务剖面的周期放大,使其包含若干个基本任务剖面周期.针对不同的使用目的,可按损伤等效的原则对其进行简化.本文结合实例作了讨论.     

基于两级优化策略的导弹可变翼优化设计

针对多任务、可变翼导弹的外形优化设计需求,提出了一种两级优化方法,研究变形弹翼对导弹总质量和飞行性能的影响。在给定的任务和基准方案下,采用遗传算法和模式搜索法混合优化策略,完成了弹翼优化。结果显示,优化后的导弹发射质量和燃料消耗分别减小了5.46%和15.25%。     

发动机机动飞行类综合载荷谱研究

按照疲劳、蠕变以及热冲击损伤等效的原则 ,保证实测飞行载荷谱和综合载荷谱主要循环数、各功率状态持续时间以及主要功率状态的变化顺序相同 ,推导了某发动机机动飞行类综合载荷谱 ,为编制该发动机的加速任务试车谱提供了依据。首先根据空测结果对机动飞行任务剖面进行分类和飞行任务段的识别 ,然后统计发动机功率或转速的雨流计数循环以及各载荷状态持续的时间 ,并分析次循环对发动机造成的损伤情况 ,以决定取舍。将各机动飞行任务的同类任务段和同类载荷循环乘以任务混频后进行加权平均即得到机动飞行类综合载荷谱。最后根据发动机的高度—速度特性计算出发动机的工作参数谱     

基于眼动指标的飞行员注意状态识别可行性研究

在未来高度自动化的飞行器中,飞行员的作业将以监控任务为主,飞行员注意状态的实时检测和干预技术是保证飞行安全的重要基础性技术.本文采用心理学的缓发持续操作任务(GradCPT)试验范式和眼动追踪技术,探索采用眼动指标来识别飞行员注意状态的可行性.试验招募了30名被试验者,分别完成约30min的GradCPT任务,同时利用...     

飞行模拟器显示系统的选择及规格

背景视景模拟定义为载人飞行器“观察窗中所见外景的综合再现……”。再现的信息内容范围可包括从给予飞行模拟器驾驶员为完成一定飞行任务所必要的视觉景象,到将感兴趣的宇宙间任意部分景象带入飞行员的视野中。到目前为止,在不同飞行状态下为完成各项飞行任务所必须的各项视觉景象尚未很好地分类或确定。因此,视景模拟系统的趋向是在目前技术所允许的范围内,如同繁多的目视景象一样,能为目视信息的选择提供尽可能多的灵活性。     

飞机座舱人机工效评定实验台研制

为解决飞机人机界面设计在新形势下面临的问题,研制了一套基于飞行模拟器的驾驶员工效评定实验台,以便在更加实际的飞行情况下对飞行员的认知特性进行研究.该实验台由飞机座舱、仿真软件、计算机系统和生理参数测量系统等组成,能开展座舱优化布局、界面信息显示适人性、脑力负荷的综合评定等研究.该实验台的研制为飞机人机界面的工效设计和评定提供了一种新的方法.     

基于指令姿态控制的无人机遥控着陆特性分析

对遥控操纵模式的无人机来说,有效、安全着陆是其飞行品质的首要要求。研究了无人机遥控操纵模式下着陆的典型问题和关键因素,从人机闭环角度分析,建议遥控着陆阶段采用姿态控制模式。在典型的无人机地面闭环试验环境中,模拟了典型时间延迟和链路短时中断情况,让试飞员分别在速率控制和姿态控制模式下完成遥控着陆任务,并按照修订后的适应于无人机飞行的库珀-哈珀评定准则进行评价。通过试飞数据分析和飞行员评价表明:指令姿态控制模式在遥控着陆任务中具有控制精确、飞行员工作负荷小和不易产生PIO等优势。     

飞行器多任务在线实时航迹规划

 针对不确定环境中的飞行器多任务航迹规划问题展开研究,提出了一种基于飞行路线图的两阶段航迹规划框架,航迹规划分成学习和查询两个阶段,环境信息和飞行器约束条件分阶段体现。在该框架下,通过采用一种混合多任务动态航迹规划方法,分别在稀疏路线图上实时搜索初始航迹和在精细路线图上启发式搜索后备航迹,能够在具有预先未知威胁、可变飞行任务的战场环境中实时生成三维航迹。     

战斗机动态逆控制律对比研究

分别采用常规动态逆和模型参考动态逆设计了战斗机飞行控制律,并通过开环时域仿真以及基于任务的闭环飞行品质评估方法,对比分析了两类控制律的特点及差异.研究表明,模型参考动态逆对高频小幅指令跟踪效果较好,在需要驾驶员频繁补偿的飞行任务中表现出的飞行品质更佳.研究结果对战斗机飞行控制律的选择与设计、控制律与飞行任务种类的匹配有一定的参考意义.     

飞机着陆下滑状态人-机系统动态特性分析

采用最优控制驾驶员模型在频率域内分析是理论评价电传操纵飞机着陆下滑状态飞行品质的一种有效方法。基于人 -机系统响应特性可揭示出驾驶员工作负荷和系统动态特性之间相互影响。驾驶员相位补偿作为驾驶员工作负荷的度量 ;取人 -机系统闭环带宽、开环高频峰值和飞行轨迹倾角误差均方值等指标来评价系统动态特性。这些评价准则与驾驶员主观评分之间具有很好的相关性。应用该方法对某电传操纵飞机进行分析 ,其结果与飞行模拟评价结果较为一致     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。