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基于睡眠的飞行员疲劳测量方法对比研究comparative study on measurement methods of sleep-related fatigue among pilots高扬，贾梅红，李敬强，田万里gao yang，jia mei-hong，li jing-qiang，tian wan-li中国民航大学安全科学研究所，天津市 300300摘要: 飞行员的工作性质使得其睡眠严重紊乱，在昼夜节律的作用下，飞行员因睡眠不足产生疲劳，从而影响其工作效率，增加事故风险，研究与睡眠有关的飞行员疲劳对于降低飞行事故 / 事件，保障飞行员的健康与安全具有重要意义。作为飞 行员疲劳研究的基础，作者从飞行员疲劳测量方法的性质、分类、特征等方面对飞行员疲劳测量工具进行了系统的对比分 析与探讨，认为对于诸多的疲劳测量工具，应从中选取适用于飞行员工作特点和实际运行环境的方法来综合测量飞行员的 疲劳状态。以超长航程为例，说明测量方法的使用原则和方法，从而为疲劳的实时测量提供依据。关键词: 疲劳; 睡眠; 测量工具; 对比分析中国图书资料分类号: 111文献标识码: a文章编号: 1004 1257( 2014) 13 1860 05comparative study on measurement methods of sleep-related fatigue among pilotsgao yang，jia mei-hong，li jing-qiang，tian wan-liinstitute of safety science，civil aviation university of china，tianjin，300300，chinaabstract: the sleep of pilots disorders because of their job nature under the action of circadian rhythm，the pilots get tired be- cause of lack of sleep，it affects the work efficiency and increases the risk of accidents studying the sleep-related fatigue of pilots is significant in decreasing the flight accidents and guaranteeing the health and safety of pilots as the basis of pilot fatigue re- search，this paper compares and analyzes the nature，classification and characteristic of the measurement methods of fatigue among pilots for many fatigue measurement tools，we should choose the methods which are suitable for the work characteristics of pilots and practical running environment take long-range flight as example，this paper explains the using principles and methods，pro- vides basis for measurement of fatiguekey words: fatigue; sleep; measurement tool; comparative analysis飞行员疲劳是指飞行员在执行认知任务时的工作效率下降，以及随着时间的变化工作效率的不稳定性 增大的生理状态1。随着航空任务的加重，市场竞争 压力加剧，航空公司为了提高飞机的使用效率，减少飞行成本，经常会密集地安排航班，由此引起的与疲劳有 关的飞行事故以及由疲劳引起的工作效率下降问题也逐渐显现出来，并日益为人们所关注2。飞行员疲劳所带来的危害有时候会是无法估计的灾难，例如 2010 年埃塞俄比亚航空 409 号班机空难事故的主要原因就 是睡眠不足引起的疲劳，飞行员以法规允许的最少休息时间连续飞行( 51 d 内 188 h) ，最终坠入地中海3。因此，对运行环境中的疲劳状态进行有效监控就变得 至关重要，但是在操作环境中精确监管人的疲劳状态 是非常困难的。人体大脑内部的生物钟控制着人以 24 h 为周期的行为和生理变化，即 为 昼 夜 节 律。作 为 昼 夜节律的重要内容之一，每天的睡眠对认知能力和警觉度具有重要的调节作用4。大脑需要有规律的睡眠才能有效工作，同时调节睡眠倾向( 个体生理上需要睡 眠的趋势) 以恢复工作效率和警觉度。一般人通常每天需 要 8 h 的睡眠来保持有效的工作效率和警觉 度5。如果连续清醒时间增加，或者某天或连续多天 睡眠不足，导致睡眠驱力不断增加，进而产生快速、不 可控的睡眠，由于在运行环境中需要分散部分注意力来抵制睡眠，个体的工作效率和警觉度会有所下降6。 操作失误由此产生，因为在清醒的期间，有很短暂的时 间大脑已经部分或完全处于睡眠状态。因此，我们 可以从睡眠的角度对飞行员疲劳进行监测，认识疲劳产 生的规律，而选择合适的飞行员疲劳测量方法则是飞 行员疲劳研究的基础，故我们对几种主要的飞行员疲 劳测量方法进行了对比研究。1飞行员疲劳产生的机制大量工作效率、反应时间、警觉度和睡眠倾向测量方面的研究都表明，人在清醒时的工作效率都在一定 程度上受到昼夜节律的影响。一天 24 h 的正常生活规 律是晚上睡觉，其中有 2 个最困倦的时段，被称为昼夜 节律低谷( window of circadian low，wocl) 。一个时段发生在大约 凌 晨 3 5 点，这个时间段生理困倦最明 显，工作效率和警觉度最低7。此外，工作效率还受到 其初始状态( 即工作效率恢复程度) 的影响，工作效率恢复程度越低，工作效率越低。工作效率恢复程度 则基金 项 目: 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 项 目 资 助 ( 项 目 编 号:3122013sy60) ; 民航局重大专项( 项目编号: mhd201238)作者简介: 高扬，女，研究员，主要从事民航安全的教学和科研工作。1861职业与健康 2014 年 7 月第 30 卷第 13 期 occup and health，jul. 2014，vol. 30，no. 13是在睡眠倾向、睡眠环境不良或疾病等引起的睡眠中断以及失眠多梦等睡眠质量问题的综合作用下不断变 化的，睡眠倾向越大恢复速率越高，但睡眠中断和睡眠 质量问题则会降低恢复速率。睡眠倾向的强弱则是受 到昼夜节律和睡眠不足程度的影响，睡眠不足情况越 严重睡眠倾向越大。见图 1。劳的预测并不十分精准。3 2飞行员疲劳实时测量主观实时测量法 适用范围: 飞行员清醒状3. 2. 1态时的 任 意 时 刻，但不建议在关键飞行阶段使 用。特点: 主观评估实时量表对于昼夜节律 和 睡 眠 不 足 的敏感性，以及量表本身可靠性和有效性都是经过大 量验证的，是快速评估当前疲劳的有效方法。此外，主 观评估实时量表操作简单易于填写，有利于飞行员在 航班期间的多个时间点进行自我评估。其 中 kss 和 samn-perelli 机组人员状态检查表更是已经在一些 航 空应用中进行过验证13。局限性: 主观测量与客观测量常常并不完全一致，因为个体对疲劳的认知水平差异使得睡眠不足的个体不能准确评估自身警觉度下 降和操作失误增加的程度。如果飞行员睡眠不足，那 么大脑在极短暂的时间内已经部分或完全处于睡眠状 态，其本身是不会意识到自己的操作有任何不足。图 1 飞行员疲劳产生机制示意图2飞行员疲劳的主要测量方法飞行员疲劳的测量方法根据测量时间的不同可以分为: 预测类、实时类和回顾类。其中实时测量方法又 包括主观实时测量法、精神运动能力测量法以及生理 功能测量法。见表 1。精神运动能力测量 适用范围: 飞行员清醒3. 2. 2状态时的 任 意 时 刻，但不建议在关键飞行阶段使用。特点: 在昼夜节律的作用下睡眠从多方面影响着认 知表现，其中最明显的变化是反应时间增加以及常伴 有短睡眠发 作 ( 微 睡 眠) 的注意力下降现象。而 pvt 是一项需要持续注意的任务，因此对于注意力下降的敏感度较 高14。并且因为是对显著视觉信 号 的 简 单 点击反应，不需要事先学习，避免了练习效应的存在， 且不会 受到个体能力差异的影响。pvt 已 经 过 实 验 室、临床、操作实践的广泛验证，有 超 过 150 个 同 行 评 审证明 pvt 是评估神经认知能力的有效工具，对完全 睡眠剥夺和慢性部分睡眠剥夺具有很高的敏感性，是检验行 为警觉性和注意力的黄金标 准15-16。 局 限 性: 飞行员在进行 pvt 测试时需要持续保持注意力，为 了准确测量飞行员在飞行期间的疲劳状况，如果安排 飞行中的休息时间以方便测量，这也就意味着在整个 飞行期间机组成员必须离开自己的岗位一定时间，增 加了其他机组的工作负担; 如果飞行机组在驾驶舱内 完成 pvt 测试，其注意力则会受工作任务的干扰，很难 发现测试结果的显著变化和差异性。3疲劳测量方法的分析飞行员疲劳测量方法种类繁多，每种测量方法都有其各自的优缺点，为了便于选择合适的测量方法，对 其进行如下对比分析。飞行员疲劳预测性测量 适用范围: 主要用于3 1航班起飞前，为机组调度人员调整飞行员排班计划提供建议。特点: 生物数学模型以对昼夜节律、睡眠自 我平衡过程等的科学计算为基础，为未来一段时间的 飞行员疲劳提供定量分析数据，可以为飞行员排班风 险评估提供参考。如果在疲劳预测结果中发现有处于 潜在疲劳状态航段，排班人员应及时调整飞行任务安 排或提出 缓 解疲劳的措施如提供午睡机会。 局 限 性: 生物数学模型是以实验室实验为基础，并未考虑天 气状况、紧急事件等影响工作负荷的因素; 模型的初始 状态关系到预测结果的精确性，但是由于存在个体差 异很难完全精确初始状态，生物数学模型对于个体疲表 1 飞行员疲劳测量方法一级分类二级分类举例生物数学模型8预测类波音警觉性模型( boeing alertness model，bam) 、疲劳动态评估( fatigue audit inter dyne，faid) 、机组疲劳评估系统( system for aircrew fatigue evaluation，safe) 、睡眠、活动、疲劳和任务效率模型 safte( sleep activity fatigue and task effectiveness) 等卡罗林斯卡嗜睡量表( karolinska sleepiness scale，kss) 、samn-perelli 检查单( sp) 、斯坦福嗜睡量表( standford sleep- iness scale，sss) 、视觉模拟量表( visual analog scales，vas) 等精神运动警戒任务( psychomotor vigilance task，pvt) 4，9-10peclos ( percentage of eyelid closure) 11、体动记录仪、脑电图( electroencephalogram，eeg) 、瞳 孔 测 量 计、多 导睡眠仪等12爱泼沃斯嗜睡量表( epworth sleeping scale，ess) 、失眠严重程度指数量表( insomnia severity index，isi) 等实时类主观实时测量法精神运动能力测量法生理功能测量法回顾类主观回顾性调查18622014 年 7 月第 30 卷第 13 期 occup and health，jul. 2014，vol. 30，no. 13职业与健康3. 2. 3生理功能测量适用范围: 生理功能测量仪记录仪等生理功能测量仪器。在实际运行环境中应用的测量方 法 应 尽 量 便 捷、精 确，eeg 等 一 些 测 量 方 法尽管能够精确测量个体的生理参数，但是需要专业 的技术人员全程陪伴机组人员定期做设备检查 ( 例如 在飞行中的休息时间之前) 以确保所获得的信号干净 有效，并且需要专门的睡眠技术统计人员处理全程数 据16，并不方便长期使用。器不影响飞行员操作和休息，可以根据测试需求在任意时刻使用。特点: 生理功能测量能够准确评估飞 行员的睡眠结构变化、心率变化、睡眠体位等情况，比 较客观地反应飞行员疲劳程度，为精确测量飞行员实 时疲劳提供依据。局限性: 这些设备往往需要专业 的硬件和软件，并且依赖于测量设备本体，需要定期维 护( 例如需要充电或更换电池) ，测量设备在实际运行 环境中的适用性和可操作性也需要继续改进。4综合应用举例3 3飞行员疲劳回顾性测量 适用范围: 主要用于超长程( ultra long-range) 航班是指飞行时间大于16 h 的航班，飞行员由于需要长时间执行认知任务，连 续清醒时间增加，受睡眠不足影响较大。新加坡和洛 杉矶之间的航班是世界上最早的超长程航班18，现在 每天仍有数十架飞机执行该航线的飞行任务。以新加 坡航空 的 sq12 航 班 为 例，飞机于新加坡当地时间 09: 25从樟 宜 机 场 起 飞，在 第 2 天洛杉矶当地时间 航班结束后，对过去的信息进行收集。特点: 回顾性调查收集信息的成本较低，收集信息的覆盖维度较广。局限性: 调查问卷的编制、发放、数据统计所需更多 的人力和时间; 个人主观意识对于调查结果的影响较 大。由于时间效应的影响无法准确回忆某些具体细 节，对自身工作效率水平和疲劳危害的了解存在个体 差异，以及接收到工作效率反馈之后的主观校正，都会 影响主观疲劳的自我评价结果。见表 2。飞行员的工作具有以下特点: 工作时间不固定， 尽管大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规 则( cca 121) 中规定值勤期内的飞行时间不得超过 8 h17，但是由于飞行员排班有很大的随机成分，这8 个 h 并不局限于白天，因此其睡眠分布并不具有规 律性，是影响工作效率的重要因素; 飞行期间不允许 人员替换，因此整个飞行期间飞行员都必须保持良好 的工作状态; 起飞和着陆是飞行事故的高发阶段，不 允许有干扰工作的事情发生。根据飞行员工作特点以及疲劳测量方法的对比发 现: 单一的测量方法并不具有普遍适用性，可根据其 优缺点选择多个方法以弥补单一测量的不足，如主观 测量与客观测量之间可以进行互补，预测、实时和回顾 之间也可以相互辅助; 在选择时应考虑到飞行员的 工作特性，例如睡眠影响工作效率并且飞行期间需要 保持较高的工作效率，可以使用 safte 等生物数学模 型进行事前预测; 为了不影响飞行操作可以使用体动13: 30降落于洛杉矶机 场，整 个 飞 行 时 长 约 为 20h5 min。飞行机组成 员 为 4 人，其中两人为在岗机组，两人为歇 班 机 组。飞机上配有双层床供机组人员休 息，所有飞行员均能在安静、恒温、黑暗的环境中得到 至少两次的小睡机会。以其中一名歇班飞行员为例分 析其疲劳 程 度，假定该名飞行员在执行本航班的前 3 天睡眠正常，均为晚上 11 点至第 2 天早晨 7 点期间， 并且飞机 起 飞 当 天 没 有 小 睡，整个飞行期间分别有 1 5、4 和 2 h 的小睡机会。若仅选用 safte 作为飞行员疲劳的分析工具，飞行 员的工作效率随时间的变化曲线如图 2 所示，其中横坐标 中的阴影区域表示睡眠，黑色区域段表示工作，纵坐标表 示工作效率，图中 a 区域表示警觉度较高、b 区域表示处 于疲劳状态，c 区域表示严重疲劳状态。选用 safte 和 体动记录仪作为机组疲劳的分析工具来综合测量飞行员 疲劳。体动记录仪记录结果显示，该名飞行员仅在第 2、3 次小睡机会中分别得到了 2 h 55 min 和 1 h 12 min 的睡 眠。根据体动记录仪的数据对 safte 的预测进行校正 ( 图 3) 。2 种方法的测量结果表 3。表 2 飞行员疲劳测量方法对比分析二级分类举例优点缺点能够预测飞行员疲劳，评估排班风险，便于 模型的输入变量尚不能反应所有疲劳影响因素，缺乏对现生物数学模型bam、faid、safe、safte 等实情景的全面考虑，仍需要大量的运行环境数据进行验证受个体对疲劳认知程度和主观意识的影响需要飞行员的注意力离开飞行操作一段时间，无 法 测量逻辑推理、情景意识等其他认知能力及时调整基于疲劳管理的排班方案简单、操作方便、易于判断和携带无练习效应，不受个体能力影响主观实时测量法精神运动能力测量法kss、sp、sss、vas 等pvt生理功能测量法瞳孔测量计、体动记录仪、peclos 等ess、isi 等是飞行员当前疲劳状态的客观测量，具有较 受外界环境、个体生理特征等的影响，在实际中运用难度高的可靠性较大主观回顾性调查易于操作和收 集，是 飞 行 员 疲 劳 的 有 用 受个体对疲劳认知程度和主观意识的影响较大，且数据来源容易受时间效应的影响注: bam波音警觉性模型; faid疲劳动态评估; safe机组疲劳评估系统; safte睡眠、活动、疲劳和任务效率模型; kss卡罗林斯卡嗜睡量表; spsamn-perelli 检查单; sss斯坦福嗜睡量表; vas视觉模拟量表; pvt精神运动警戒任务; peclos眼睛闭合比; ess爱泼沃斯嗜睡 量表; isi失眠严重程度指数量表。1863职业与健康 2014 年 7 月第 30 卷第 13 期 occup and health，jul. 2014，vol. 30，no. 13图 2 仅使用 safte( 睡眠、活动、疲劳和任务效率模型)的飞行员疲劳预测结果图 3 safte( 睡眠、活动、疲劳和任务效率模型)和体动记录仪综合测量结果表 3 飞行员疲劳测量结果工作开始时间工作结束时间safte 测量结果( % )safte 和体动记录仪测量结果( % )日期时刻日期时刻平均效率最低效率平均效率最低效率09: 2515: 3000: 3003: 3014: 0020: 3001: 3005: 302013 09 212013 09 212013 09 222013 09 222013 09 212013 09 212013 09 222013 09 2298 14101 6889 7787 5296 4298 5489 6186 2198 1498 8086 3182 5996 4296 7886 1379 99起飞效率着陆效率99 6888 1999 6882 68注: 表中时间为新加坡当地时间; safte睡眠、活动、疲劳和任务效率模型。从表 3 中可以看出，使用 safte 和体动记录仪的综合测量结果尽管在一开始与 单 一 使 用 safte 的 结 果相同，但是随着时间的推进，综合测量的飞行员工作 效率明显比单一测量低。这是由于航班飞行期间，飞 行员并不能够从给定的小睡机会中得到充分的休息。参考文献1 ac 120 100 2010 basics of aviation fatigues2 balkin tj bliese pd，belenky g ，et al comparative utility of instru- ments for monitoring sleepiness-related performance decrements in the operational environmentj sleep es，2004，13: 219 2273 中国民航大学民航安全科学研究所 事 故 调 查: 埃 塞 俄 比 亚 航 空b738 贝鲁 特起飞后坠入地中 海j 世界民航事故调查追踪，2012 ( 15) : 1 94 kryger mh，oth t，dement wc，et al principles and practice of sleepmedicine( 5th edition) m usa: saunders，2010: 745 7585 doran sm，van dongen hpa，dinges df insustained attention perform- ance during sleep deprivation: evidence of state instabilityj arch ital biol，2001，139: 253 2676 van dongen hpa，maislin g，mullington jm，et al the cumulative cost of additional wakefulness: dose-response effects on neurobehavioral functions and sleep physiology from chronic sleep restriction and total sleep deprivation sleep，2003，26: 117 267 hall ef，duffy jf，dijk dj，et al interval between waketime and circa- dian phase differences between morning and evening typesj sleep es，1997，26: 7168 international civil aviation organization the international civil aviationcovenant annex 6: operation of aircraftz 2011 06 139 basner m，mollicone d，dinges df validity and sensitivity of a brief psychomotor vigilance test ( pvt-b) to total and partial sleep depriva- tionj acta astronaut 2011，69: 949 959( 下转第 1866 页)5结 语( 1) 睡眠对工作效率具有重要的调节作用，睡 眠不足会导致飞行员疲劳，但是对于疲劳无法准确测量， 因此可以从睡眠的角度来间接测量。( 2) 飞行员疲劳测量方法以时间为基准可分为预 测类、实时类、回顾类，每种测量方法的适用范围都各 不相同。( 3) 使用单一的测量方法并不能满足测量需 求， 应以缺陷互补为原则，综合使用多种测量方法，主观与 客观、预测与实时及回顾交互使用，优先选择简单高 效、易于操作、在航空运行环境中经过验证的方法，及 时采取措施缓解飞行员疲劳，降低飞行事故风险。( 4) 生物数学模型是一类具有广阔应用前景的测 量方法，如何提高测量结果的精准性是目前研究的重 点。除 safte、safe、sp 等 少 部分测量方法之外，在 其他领域具有高度可靠性和有效性的测量方法应在民 用航 空 及其相关领域进行相关验 证，使 其 更 具 有 针对性。18662014 年 7 月第 30 卷第 13 期 occup and health，jul. 2014，vol. 30，no. 13职业与健康实验室研究结果在人群流行病学研究中得到验证，最终实现对职业暴露异氰酸 酯易感人群的早期筛查;对于异氰酸酯易感性生物标志物的研究多集中于日 韩和欧洲国家，我国对于异氰酸酯易感性生物标志物 的研究相对较少，应进一步深入开展个体易感性生物 标志物的研究，比如对代谢关键酶多态性以及基因多 态性的研究; 单一使用某种生物标志物用来评价异 氰酸酯的暴露情况尚存在局限性，应在实际工作中，选 用多个生物标志物进行综合评价，同时，将环境监测、 生物监测和健康监测结合起来，建立与职业暴露异氰 酸酯易感人群显著相关的代谢物、蛋白和基因标志物 谱库，从而实现对异氰酸酯易感人群的早期预警和早 期干预，为更好地保护异氰 酸酯职业暴露人群提供 依据。tion and utility of a panel of monoclonal antibodies for the detection oftoluene diisocyanate haptenated proteinsj. j immunol methods，2011，373: 127 135.9 skkinen k，tornaeus j，hesso a，et al. protein adducts as biomarkers of exposure to aromatic diisocyanates in workers manufacturing polyure- thane ( pu) foamj. j environ monit，2011，13: 957 965.10 hettick jm，siegel pd，green bj，et al. vapor conjugation of toluene diisocyanate to specific lysines of human albuminj. ann occup hyg，2012，421: 706 711.11 sabbioni g，gu q，vanimireddy l. determination of isocyanate spe- cific albumin-adducts in workers exposed to toluene diisocyanatesj. biomarkers，2012，17: 150 159.12 kumar a，dongari n，sabbioni g. new isocyanate-specific albumin adducts of 4，4 -mrthylenediphenyl diisocyanate ( mdi) in ratsj. chem es toxicol，2009，22: 1975 1983.13 wisnewski av，stowe mh，cartier a，et al. isocyanate vapor-induced anti-genicity of human albuminj. j allergy clin immunol，2004，113: 1178 1184.14 sabbioni g，dongari n，kumar a. determination of a new biomarker in subjects exposed to 4，4 -methylenediphenyl diisocyanatej. bio- markers，2010，15: 508.15 palikhe ns，kim j-h，park h-s. biomarkers predicting isocyanate-in- duced asthmaj. allergy asthma immunol es，2011，3: 21 26.16 于蕾，纪红蕊，季宇彬 . 甲苯二异氰酸酯对细胞因子的影响j.哈尔滨商业大学学报: 自然科学版，2004，20( 5) : 582 586.17 kim j，kim j，choi g，et al. serum cytokine levels as serologic mark- ers of toluene diisocyanate induced occupational asthmaj. j allergy clin immunol，2010，125: ab82.18 choi jh，lee kw，kim cw，et al. the hla db1* 1501-dqb1*0602-dpb1 * haplotype is a risk factor for toluene diisocyanate-in- duced occupational asthmaj. int arch allergy immunol，2009，150: 156 163.19 wikman h，piirila p，osenberg c，et al. n-acetyltransferase geno- types as modifiers of diisocyanate exposure-associated asthma riskj. pharmacogenetics，2002，12: 227 233.20 broberg ke，warholm m，tinnerberg h，et al. the gstp1 ile105 val polymorphism modifies the metabolism of toluene diisocyanatej. pharmacog genomics，2010，20: 104 111.参考文献1 wisnewski av.developments in laboratory diagnostics for isocyanateasthmaj current opinion allergy clin immunol，2007，7: 138 145.2 lindberg hk，korpi a，santonen t，et al. micronuclei，hemoglobin ad- ducts and respiratory tract irritation in mice after inhalation of toluene diiso- cyanate ( tdi) and 4，4-methylenediphenyl diisocyanate ( mdi) j mu- tat es，2011，723: 1 10.3 broberg k，tinnerberg h，axmon a，et al. influence of genetic factors on toluene diisocyanate-related symptoms: evidence from a cross-sec- tional studyj. environ health，2008，7: 15.4 flack sl，ball lm，nylander-french la. occupational exposure to hdi: progress and challenges in biomarker analysisj. j chromatog b，2010，878: 2635 2642.5 杨绪廷，李红军，于素芳 . 丙烯酰胺生物标志物的研 究 进 展j.环境与健康杂志，2011，28( 10) : 927 929.6 geens t，dugardin s，schochaert a，et al. air exposure assessment of tdi and biological monitoring of tda in urine in workers in polyure- thane foam industryj. occup environ mental med 2012，69: 93 98.7 gaines lgt，fent kw，flack sl，et al. urine 1，6-hexamethylene di- amine ( hda) levels among workers exposed to 1，6- hexamethylene di- isocyanate ( hdi) j. ann ocu