测试飞行员心理

测试飞行员心理（通用5篇）

测试飞行员心理 篇1

民航业具有高技术、高风险、高投入和国际性的特征, 尽管民航事故发生率较低, 事故数也很少, 但是由于民航事故具有突发性、国际性、损失大以及难以预测的特性, 各国政府、国际组织对民航安全都非常关注和重视。

民航飞行员是关系到社会公共安全的航空安全的敏感性职业。民航飞机的驾驶工作是脑力劳动和体力劳动相结合的高强度特殊工作, 客观上要求从事这一工作的民航飞行员应具备特殊的职业能力, 而要获得这些特殊的职业能力除了需要对飞行员进行有针对性的训练以外, 还应该在飞行学员入校之前进行识别和选拔。“选拔与训练”已成为全球民航飞行员培训的一个通用模式。通过选拔, 可以识别出适合飞行的人材, 从而达到提高人员素质和保障飞行安全的目的。因此, 深入研究飞行员的心理素质对于控制机组差错, 预防航空事故, 有着重要的现实意义。

关注心理

在航空运行系统中, 飞行员的心理状况倍受重视, 越来越多的航空企业表现出对飞行员心理素质的关注。飞行员作为一项特殊职业, 从客观上要求飞行员具备良好的注意力、判断力、决策力、空间定向能力等, 这些在个人能力的综合表现就是飞行认知能力。国内外很多研究表明优秀的民航飞行员大都具备良好的信息处理能力, 良好的认知能力倾向是飞行员不可或缺的重要心理素质。

目前, 我国民航业正处于突飞猛进的发展阶段, 需要招收和培养更多合格的飞行员, 需要更多优秀的机长。然而, 迄今为止, 在中国民航飞行员的选拔工作中, 对候选者心理选拔的测试系统极少, 而且很难应用。基于目前民航初始飞行员心理选拔的研究现状、民用航空安全的现实需求, 以及现有工作基础与条件, 中国民用航空局民用航空医学中心航空医学研究所 (简称航空医学研究所) 的研究者从高效实用的角度出发, 研制了中国民航飞行员认知能力倾向测试系统, 以期为合格飞行员的选拔和训练提供参考。

测试系统

确定测试内容

航空医学研究所的研究者在研制这套测试系统时, 进行了“民航飞行员胜任特征建模与关键认知特征的研究”和“中国民航飞行学员飞行能力的区分性特征的研究”2项基础研究。为了有效确定中国民航飞行员应具备的认知能力倾向, 研究组在中国某航空公司进行了中国民航飞行员胜任特征建模, 对该公司28位优秀飞行员采取了关键事件访谈法, 并使用“质的分析”的方法, 形成了中国民航飞行员胜任特征的结构, 结果表明熟练的操作技能、良好的人际能力以及特殊的职业能力是优秀飞行员需要具备的重要品质。

为了了解成功飞行学员与失败飞行学员的行为特征, 成功与失败的原因是什么以及如何进行飞行学员心理选拔等问题, 研究组采用关键事件访谈法对中国民航业30名资深飞行教员进行了深度访谈。访谈提纲包括工作背景、两类学生行为特征描述、差异原因分析、建议等4大部分的10余个具体问题。访谈结果表明导致学员停飞的两大主要原因, 一是一上飞机就紧张, 不够自信, 过分焦虑;二是操作僵硬不灵活, 协调性较差, 模仿学习能力较弱。

同时, 研究组在与航空心理学专家和飞行专家的讨论分析之后, 采取简约化原则, 抽取了10项认知能力倾向作为测验的主要内容, 具体包括反应知觉速度、活动记忆容量、心理运动能力、手脚协调指数、仪器操作能力、仪表监控能力、注意分配指数、动作记忆广度、空间定向能力和速度估计误差。

内容介绍

认知能力倾向测试系统采用人机对话的模式, 在计算机上展开, 模拟飞行各阶段任务的界面情景, 具体包括速度知觉、活动记忆、手脚协调、双重任务、动作记忆、空间定向、速度估计7个测验模块, 界面图如图1所示。

1.速度知觉。屏幕将会出现上下左右不同方向的箭头, 要求测试者使用键盘上的方向键作答, 当看到箭头的时候点击键盘上相反方向的方向键, 例如呈现箭头的方向朝左, 请点击键盘的右箭头键。共包括三组, 每组的持续时间为30 s, 计算机记录反应时间和正确率。

2.活动记忆。测试者将从耳机中听到一些数字, 每组数字由若干个数字构成, 测试者不知道每组数字中有多少个这样的个位数。当听到警示音“滴”声时, 需要快速用键盘上的数字键按照由最后一个数字至前依次回忆的顺序输入刚才所听到的数字。若回忆不起来的数字或不能确定的数字点击空格键。测验共包括15个项目, 数字数量从6个到30个不等, 并由计算机记录测试者每一个项目正确作答数字的个数。

3.手脚协调。测试中将在屏幕中央呈现出受计算机随机干扰的飞行姿态仪表, 要求测试者通过控制操作杆保持飞机平飞状态, 即天地线与固定标示重合。同时屏幕上方将呈现跑道受到随机干扰的图像, 需要测试者使用脚蹬控制, 使得跑道上方的白色指示球与固定的灰色标志保持一致。测验分成3个部分, 即单独的操作杆控制部分, 单独的脚蹬控制部分以及操作杆和脚蹬同时控制部分。每一部分包括3次测试, 每次测试为60 s。由计算机记录测试者在每次测试中操作杆的控制误差和脚舵的控制误差。并进一步计算出心理运动能力和手脚协调指数的2个参数指标。

4.双重任务。测试中将在屏幕中央呈现出飞行姿态仪表, 受计算机随机干扰, 要求测试者通过控制操作杆保持飞机平飞状态, 即天地线与固定标示重合。同时在屏幕的6个方位呈现6个相同的活动仪表, 要求测试者保持对于6个仪表的监控, 在指示灯变为红色时, 按相应位置的键进行反应。测验分成3个部分, 即单独的操作杆控制部分, 单独的仪表监控部分以及操作杆和仪表监控的双重任务部分。每一部分包括3次测试, 每次测试为60 s。由计算机记录测试者在每次测试中操作杆的控制误差和仪表监控的正确个数。并进一步计算出仪器操作能力、仪表监控能力和注意分配指数的3个参数指标。

5.动作记忆。操作动作包括操作杆4个方向、脚舵2个方向以及观察确认4个方向的仪表盘共10个动作, 测试中屏幕将呈现一系列驾驶舱中的操作演示, 当演示结束后, 要求测试者通过使用操作杆、脚舵和方向键外部设备按照看到顺序重复操作一遍。测试从2个动作开始, 逐个项目增加动作个数, 累计2次记错终止。记录动作记忆广度。

6.空间定向。屏幕中呈现飞行方向仪表, 显示当前的航向和正北的方向。测试中, 测试者的耳机里会播放一组飞机转向指令使飞机飞向目的地, 指令结束后, 由测试者在飞行检查单的航向图上标记出目的地的方向。测试共包括16个项目, 并由计算机记录测试者每个测试的正确与否和反应时间。

7.速度估计。飞机飞行过程中, 会出现云雾遮盖住飞机, 需要测试者根据飞机飞行的速度判断飞机与终点重合的时间并按键反应。由计算机记录测试者按键时与终点的距离误差。

计算机化

通过计算机化的研发, 这套认知能力倾向测验系统可以实现以局域网为形式进行多用户在线认知能力测验, 并实现实时监控。测验采取与真实飞行任务相关或相似的模拟情景, 以便缓解测验者的紧张程度。测验中不仅使用显示器、耳机、键盘等输入、输出设备, 还使用包括飞行操作杆和专业飞行脚舵在内的通用型外部设备, 以有效地测试注意力分配、心理运动能力等飞行职业特殊需要的认知能力品质。这套测验系统以基于局域网的计算机化群体测验形式开展测试, 从而大大提高了测验的效率, 节约了人力成本和时间成本。服务器可在测验过程中对各个用户的状态进行监控, 甚至可以以迁移的方式应对因电脑故障等突发事件。服务器管理主机还可以即时监控考生的考试结果, 并在测验完成之后根据数据结果反馈成绩, 形成报告单。测试者可以根据自己的节奏完成考试, 避免考生之间的干扰。由于包括考试生成、考试监控、考试结果在内的各个环节均在服务器主机完成, 所以也有效保证了数据的安全性、客观性和保密性。

检验“信”“效”

衡量心理测验方法的基本要素是信度和效度。信度主要是指心理测验的可靠性、一致性和稳定性, 即测验结果是否反映了被测者稳定、一贯性的真实特征。常用的方法包括内部一致性信度和重测信度。效度是指心理测验的有效性程度, 即测量工具确能测出其所要测量特质的程度, 或者简单地说是指一个测验的准确性。效度是科学的测量工具所必须具备的最重要条件。作为以选拔为目的的认知能力倾向测验, 预测效度是最重要的检验测验有效性的标志。

信度

为了验证“中国民航飞行员认知能力倾向测试系统”的可靠性和稳定性。研究组首先对其内部一致性信度进行考察, 选取了我国某民航学校新入学的飞行技术专业本科生217人, 针对计算机认知能力倾向测试10项指标结果内部一致性进行了信度检验。

研究组使用SPSS 13.0 (Statistical Package for the Social Sciences, 社会科学统计软件包) 中所提供的计算克伦巴赫α系数 (一套常用的衡量心理或教育测验可靠性的方法, 依一定公式估量测验内部一致性, 作为信度的指标) 的方法, 计算出了各个指标的内部一致性信度系数, 所有指标的克伦巴赫α系数均在0.781〜0.943之间 (越接近1信度越高) , 表明了内部一致性信度都在可接受范围, 说明各项指标具有良好的内部一致性信度。而后, 研究组对测试系统的重测信度进行检验, 随机对新入学的飞行技术专业本科生中的89名学员间隔4周后再进行一次计算机认知能力倾向测试。将2次测验结果做相关分析, 以检验再测信度。10项指标的再测相关系数值γ为0.725〜0.900 (越接近1信度越高) , P值均<0.01 (越小证明信度越高) , 表明各项指标再测信度良好。研究结果表明该系统信度良好, 具有较强的可靠性和稳定性。效度

为了进一步验证“中国民航飞行员认知能力倾向测试系统”的有效性, 对其预测效度进行考察。研究组对227名大学本科三年级的飞行学员在完成理论学习后的飞行前准备阶段进行了测验。并在完成13 h飞行成绩考核后由其教员在不了解认知测验成绩的情况下对学员的综合能力进行评定, 以9分制进行评估, 作为效标成绩。而后研究组将效标成绩与认知能力倾向测验进行比较。结果表明, 教员评定为飞行驾驶术熟练、学习模仿能力好且飞行安全意识强的学员, 其认知能力倾向测试成绩也同样较好, 排名居前;相反, 教员认为学习能力较差、注意狭窄、飞行焦虑、安全意识不足的学员其在认知能力倾向测试中的成绩同样较差, 排名落后。作为效标成绩的教员评价与认知能力测验两者之间的符合度较高, 说明这套测试具有良好的预测效度, 其有效性较强。

总体而言, 该测验系统具有比较理想的信度和效度, 具有严谨的科学性和系统性, 可以作为中国飞行学员心理选拔的有效工具。同时, 通过在实际工作中进行试用, 也充分显示了基于局域网的认知能力倾向测验系统具有较高测验效率和实用便捷的特点。

实施建议

这款由航空医学研究所自主研发的中国民航飞行员认知能力倾向测验系统, 模拟了飞行各阶段任务的测验界面情景, 并在各个飞行阶段的情景中贯穿了与飞行密切相关认知能力倾向, 测查了反应知觉速度、活动记忆容量、心理运动能力、手脚协调指数、仪器操作能力、仪表监控能力、注意分配指数、动作记忆广度、空间定向能力和速度估计误差等10个维度的评价指标。每个评价指标都会通过计算机将原始分数转化为标准分数, 再根据加权平均计算总分, 总分区间在100〜750分之间。

在招收飞行员的过程中, 建议根据加权平均计算总分, 依据总分的成绩进行排名, 根据排名进行选拔。根据以往类似项目的经验, 高于600分的测验者, 其飞行认知能力水平优秀, 说明该测验者具有优秀的飞行特殊能力, 而低于400分的测试者, 则可以认为其飞行认知能力水平较低, 需要较大的培训力度来完成飞行学习, 建议可以作为淘汰的区间。而在401〜599分之间的测试者, 则可认为基本符合要求。

虽然认知能力倾向是飞行员不可或缺的重要心理素质, 但并不是全部心理素质。除此之外, 情绪稳定性、人际沟通力、管理决策能力、突发事件处理能力等人格特征和心理品质对于优秀飞行员而言也同样十分重要。因此, 在整个心理选拔过程中, 认知能力倾向测试只是其中一项重要的测试手段, 还需要通过人格测试、情绪测试、投射测试、心理面谈等多种测验手段综合评价。

链接

飞行员心理素质过硬避免事故发生

洛杉矶当地时间2005年9月21日18时18分 (北京时间22日9时18分) , 一架美国捷蓝航空公司的空中客车A320型客机摇摇晃晃地冲入跑道, 机身下冒出白烟, 火花渐成火焰, 滑行大约35 s后缓缓停了下来。客机上140名乘客和6名机组人员无一伤亡。

这驾飞机起飞后不久, 飞行员就发现起落装置出现故障, 而在明确得到地面控制塔答案是“前起落架向左扭转90°”, 即与正常应处状态呈直角, 无法收回到机腹内的故障后, 飞行员伯克不得不驾机盘旋了近3 h, 以消耗燃油, 减轻机身重量, 并最终在临近的洛杉矶国际机场紧急迫降。当地时间18时18分, 飞机在洛杉矶国际机场跑道着陆, 只见机头微微上抬, 前起落架临空, 完全靠两个后起落架保持平衡。机身保持这个状态滑行15 s后, 前起落架才慢慢下落。触及地面后, 前轮冒出白烟, 继而出现火苗, 机身摇晃。飞机前起落架与地面摩擦大约20 s后, 火焰熄灭, 飞机渐渐停下。此时, 前起落架几乎磨平, 但飞机其他部分完好无损, 机腹没有与跑道发生任何摩擦。

在整个迫降过程中, 飞行员伯克表现出高超的飞行驾驶技能, 同时, 飞行员临危不惧、镇定自若、冷静处置、正确对待的心理素质也为有效处理紧急故障提供了有效的保障。

测试飞行员心理 篇2

关键词：民航飞行员 招飞 心理选拔 心理保健

中图分类号：R741.041 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0247-01

1 飞行员心理选拔

一战以前，人们认为，飞行员只要身体健康、发育正常就可以驾驶飞机。一战时的统计数据发现，各国飞行练习的技术停飞率高达60%以上，而飞行事故中有90%以上都是由于飞行员不适合飞行工作而引起的。这些事实使人们认识到，飞行员不但需要掌握飞行技术，还必须具备与飞行职业相吻合的心理品质，由此引发了飞行员心理选拔的产生和发展，二战后，民用航空的飞速发展，将心理选拔引入了民航领域，如今，心理选拔已经成为民航招飞的重要环节。

民航飞行是脑力劳动和体力劳动相结合的高强度特殊工作，是关系到社会公共安全的敏感性职业，其工作环境的特殊性和高危性、职业技能的复杂性、要求飞行员不但能够在常规的飞行活动中表现稳定，还需要在特情状况下冷静而高效地解决问题，客观上要求从事这一工作的飞行员必须具备良好的心理素质[1]，具体来说：（1）要求飞行员心理健康；（2）要求飞行员具备良好的注意分配能力、空间定向能力、信息加工能力、判断和决策能力等一系列相应的信息加工能力；（3）要求飞行员在高压状态下能够保持正常的心理状态和良好的操作能力。

国内外通行的做法是在招飞阶段就对候选者进行心理选拔，以一定的比例淘汰掉表现较差的个体。这种“筛选—控制”的培养模式将选拔与训练置于同等重要的地位，是飞行员培养的通用模式，尤其适用于我国民航飞行员的培养。现今社会竞争压力大，年轻人普遍情感脆弱，抗挫折能力差，心理选拔变得更为重要，通过入校前的心理选拔，既可以提高飞行学员入校时的基础素质，又可以降低飞行员训练的成本，最终达到保障飞行安全，提升经济效益和社会效益的目的。

2 国内外民航飞行员心理选拔现状

2.1 欧美各发达国家心理选拔现状

决定是否应用心理选拔，目前的情况是，各航空公司具有自主权。几十年来，以德国汉莎航空公司和法国航空公司为代表的大量航空公司一直坚持招飞的心理选拔；美国各航空公司的飞行员有许多是从空军飞行员退役而来，也都经历过心理学测试[2]。现行欧美各国进行的心理选拔主要包括三部分：（1）认知能力，测试候选者对信息的加工能力、判断和决策能力、空间知觉能力等，存在多个标准，通常通过纸笔测试或计算机测试来完成；（2）实际操作能力，测试候选者在实际操作仪器设备时的手眼脚协调能力、注意分配能力等，通常通过操作性的仪器测试来实现；（3）候选者的人格或性格特征，测试候选者的各项人格或性格特点，以确定是否适合飞行职业，通常通过问卷加上专家访谈来完成[3]。

2.2 我国民航飞行员心理选拔现状

2014年之前，我国并没有统一的招飞心理选拔标准和要求，各航空公司是否进行、以及使用哪种系统来进行心理选拔，并无统一规范，甚至同一公司的各分子公司执行方式也各有不同。

近年来中国民航飞行学院一直把心理选拔作为招飞的必要环节，其心理选拔系统是在原德国汉莎飞行员心理选拔系统基础上改进、研制而成[4]，此套测试可以在初检阶段淘汰不适合飞行职业要求的考生，在正式体检阶段评定出适合飞行职业的考生。根据已有常模，按照选拔的不同目的，此套测试既可以做到“选优”，也能做到“淘劣”。近7年（2008—2014）来，此套系统已对1.4万多名飞行考生进行过测试。

自2015年起，中国民航局规定在招收飞行学生时必须进行心理健康评定，评定结果将作为招飞机构的淘汰依据，这是中国民航首次对招飞机构在招飞时进行心理选拔提出明确要求，现使用的选拔方式为MMPI-2测试（明尼苏达多相人格测试）。

3 我国民航飞行员心理选拔的建议

3.1 我国民航飞行员心理选拔现存的主要问题

（1）在心理选拔的标准方面，世界各航空发达国家之间至今尚未形成共识，国内也未形成统一标准。

（2）心理选拔的效果缺乏长期追踪的数据。

（3）专业的航空心理从业人员数量较少。

3.2 未来民航飞行员心理选拔的建议

（1）加大对飞行员心理选拔的重视程度。

建议从心理健康、心理品质和应激能力等多个方面全方位进行飞行学员入校前的心理选拔，从而做到关口前移，提高飞行员培养效率，保障飞行安全。

（2）航空公司应开展和完善在职飞行员心理保健工作。

心理状态及其发展是一个连续的动态过程，除了在入校前进行心理选拔之外，航空公司还可以在入职后对飞行员持续进行心理保健工作，这些工作主要包括：航空公司在年度体检中适当加入心理状态评估；建立飞行员心理档案，以便持续监控飞行员心理状态；建设飞行员心理状态监测、评估和干预平台，通过专业人员飞行员提供专业指导、培训或咨询，以帮助飞行员处置各种心理和行为问题，提高飞行员的工作绩效，保障飞行安全。

4 结语

长期的飞行实践和近期的飞行事故和事故症候表明，保持和提高飞行员的心理健康水平，与飞行技术和飞行经验一样，都是保障飞行安全的重要环节。管理机构、招飞单位、飞行学校和航空公司应通力合作，在飞行学员的招录环节做好心理选拔工作，挑选出适应飞行工作的候选者进入飞行队伍，还需要在飞行员的职业生涯中，进行系统的心理保健工作，保证飞行员队伍的稳定性，最终达到安全、高效、舒适飞行的目的。

参考文献

[1]郭为民，罗晓利，扬虎.国内外飞行人员心理选拔研究综述[J].国际航空，1995， 40（2）：28-31.

[2]王若竹.欧美飞行员选拔中各种心理测验有效性的综述[J].中国民航飞行学院学报，2009，20（3）：17-20.

[3]Damos D L.Pilot selection batteries：shortcomings and perspectives[J].International Aviation Psychology，1996，6（2）： 199-209.

测试飞行员心理 篇3

目前,国外和国内对于视觉能力测试的工具种类繁多,且各有特色。例如,检查静态视力的国际标准视力表[1]和标准对数视力表[2],由数行大小不同方向各异的E字或C字组成,每行代表不同的视力值。在检查动态视力时使用动态视力测试仪,但是现有的动态视觉检测仪大多只是使二维视标动起来,其功能过于简单。

现有的二维视觉能力测试方法的测试环境与海军飞行员的实际工作环境有很大的差异[3],测试出的结果不能完全反映出海军飞行员的视觉效能,因此需要开发一种对海军飞行员更合适的视觉能力测试方法。虚拟现实技术能够对海军飞行员的环境进行有效的模拟,包括海洋环境的模拟、环境场景的转换、环境光照的变换[4]、静态和动态场景的转变等等。并且通过对这些环境参数的设置,能够设置出一个合适的海军飞行员视觉能力测试环境。现有的虚拟现实的软硬件技术已经具有提供构建这样一个视觉功效测试系统的能力。

2 系统硬件组成与功能

2.1 系统的硬件组成

基于虚拟现实的海军飞行员动态视觉能力测试系统的硬件部分主要由图形工作站、专业级图像显示器、动态视觉功效测试系统软件平台、眩光源和显示器亮度校正仪组成,如图1所示。

2.2 系统的功能

在计算机三维虚拟场景中模拟真实的海上环境并显示三维运动目标,考察被测试者识别真实目标的反应时间;通过高强度眩光影响被测试者的视觉效能,考察被测试者眩光失能后视觉能力的恢复[5]情况;提供2种照度条件下的测试,即明视环境和暮视环境,以考察飞行员在不同照度环境下的视觉能力;系统还具备对记录在图形工作站上的测试结果进行统计和分析的能力。

测试时,测试者和被测试者分别面对2个不同的显示器、使用2套不同的输入设备。测试者设置相关的测试参数,完成测试流程的选择;被测试者在看清测试视标上的数字时需完成测试结果的输入。

3 设计原理

3.1 构建海洋虚拟场景和目标物模型

在三维虚拟海洋环境中进行动态视力的测试,对视力的影响因素包含目标的运动速度、目标本身的特征(模型特征)、光照度和天气状况。三维海洋环境的模拟主要需要完成包括海洋场景对象(海面特征、海岛地貌、飞机、装甲车、浮标和舰艇等)的模拟、光照环境(自然光照、眩光等)的模拟和气候环境(雨、雾、雪等)的模拟。实现对三维海洋环境虚拟的首要任务是完成场景对象的建模与管理,通过对三维海面特征和地物的真实重构,实现场景中对象的各种行为的模拟;其次需要实现气候的模拟。由于我们的系统针对的是海军飞行员的动态视力测试,海军飞行员经常在海面上进行作业,加入对不同光照和气候环境的模拟具有很强的实用意义,增加了系统测试结果的可信度,利用Delta3D对光照和天气的支持,本系统可以很好地完成这些特殊的模拟。

3.2 动态视力测试流程

为了更好地实现测试环境与海军飞行员实际的工作环境的相似性,海洋虚拟场景主要有海平面、海岸线和丘陵地带;视标模型有运动中的舰艇、飞机和静止的浮标、落水人员(并非绝对静止,会跟随海水小范围移动)。为了实现测试结果的准确性和选择输入的易操作性,测试结果输入的是视标上的数字编号。

首先,控制人员输入被测试者的个人信息,选择本次三维虚拟测试模块中所要使用的场景和光照环境,其中包括是否启用眩光及持续的时间,选择需要让被测试者识别的视标模型和测试的难度;其次,在测试时,被测试者坐在距离显示器60 cm的座位上,对显示器上显示的目标物进行识别。测试时间从视标模型进入场景瞬间开始计时并在屏幕左下角显示,被测试者认清视标模型上的数字编号后按小键盘上的“STOP”键,计时器停止计时,视标消失,被测试者输入结果。如果输入的结果正确,系统会作出此次操作有效判断且保存测试时间及控制人员输入的相关信息,系统重新载入场景和视标对被测试者测试(数字编号是随机生成的3位数);如果输入的结果不正确,系统会做出此次操作无效判断,系统重新载入相同场景和视标对被测试者测试,只有输入的结果正确才算完成一次有效的测试,直到被测试者完成3次有效的测试,系统才会停止测试。最后,系统会取3次有效的测试时间并取平均值来作为被测试本次的视力测试成绩。具体的测试流程如图2所示。

3.3 目标随机数的生成

本系统测试用的视标是一组三位数,这些数字是随机生成的,避免测试者通过多次训练对测试内容产生记忆,从而失去了测试的真实性,因此每次数字的生成必须不同,而且需要有一定的分散性,所以本平台引入了一种改进后的随机数生成算法,算法的流程图如图3所示。

利用上述算法生成一个随机数,比如说为956,那么我们在系统的图片资源里放入0~9的10个数字图片,根据这个随机数将对象的9、5和6等3个图片动态贴入视标当中重新加载进来。这样就保证每一次系统在加载的时候测试的数字都不一样,保证了测试的真实度。

3.4 场景实现的类图

系统的虚拟测试场景管理主要由Scene类负责,如图4所示。Scene和View都继承自Base类,拥有接受和发送低层消息的能力。Scene类在初始化时向System类进行注册,并在每帧接收System发出的消息,调用运动控制接口完成物体运动的计算操作。而View类主要是配合Application类处理用户交互的输入。

场景中的实际对象称为Actor,Actor对象完成处理与自己相关的消息,更新自我状态等任务。Actor对象的内部实现独立于系统,为了提供一个统一的接口来存取Actor对象的各个属性,需要为每一个特定Actor类定义一个相应的Ac鄄torProxy类。如图5所示,定义了一个新的Actor类(MyPlane)及其代理类(MyPlaneProxy),以场景对象中的飞机为例,它继承自DeltaDrawable类,为Delta3D里的接口类,在实现的时候只要继承该类,就可以加载进我们的三维场景里,进而实现对这些场景目标的运动控制。

4 总结与展望

目前在海军飞行员的选拔、测试环节中,对于飞行员视力的测试通常是以观察静态目标为主,虽然使用的测试产品多种多样,但是制作标准很不统一,而且无法获得对于飞行安全更为重要的动态视力等数据。为此,本系统引入虚拟现实技术并设计新的动态视觉功效测试系统,在虚拟海洋环境中对海军飞行员的动态视觉能力进行测试。

在虚拟海洋环境中对海军飞行员的动态视觉能力进行测试是对动态视觉能力测试方法的创新性的探索,目前还没有统一的标准,还需要进行进一步的研究和分析,以建立一套完善的评价标准体系。

摘要：目的:研制一套测量海军飞行员的动态视觉能力的系统。方法:使用计算机技术和虚拟现实技术,模拟三维虚拟海洋环境,通过软件设计和硬件控制实现对飞行员的动态视觉能力的测试。结果:研制出一套基于虚拟现实的海军飞行员动态视觉能力测试系统。结论:基于虚拟现实的海军飞行员动态视觉能力测试系统实现了在虚拟海洋环境中对飞行员的动态视觉能力进行测试的功能。

关键词：虚拟现实,动态视觉,海军飞行员

参考文献

[1]施明光.临床视觉光学[M].杭州:浙江大学出版社,1993:13-26.

[2]缪人荣.对数视力表及5分记录法[J].中华眼科杂志,1966,13(1):96-106.

[3]高世宏,刘广莉,贺光青,等.动态视力检测仪器及评定方法的研究[J].实用眼科杂志,1994,12(7):401-403.

[4]洪炳镕,蔡则苏,唐好选,等.虚拟现实及其应用[M].北京:国防工业出版社,2005:158-177.

测试飞行员心理 篇4

航天光学相机作为空间关键有效载荷,主要完成对地测绘、地形勘查、灾害预测、科学研究等重要功能,是卫星完成对地观测任务的核心单元,其获取的遥感图像信息对国家建设、国计民生有着重要意义。

航天光学相机在轨由其电子学系统中的相机综合管理单元进行资源管理和任务调度,其功能、性能和协调性的好坏直接关系到航天光学相机的可靠性及在轨工作寿命,同时由于空间设备工作环境特殊,在执行任务中一旦遇到故障,几乎是不可修复的,因此在相机的研制过程中和交付总体总装前需要进行长期的运行监控与大量的仿真测试,以获取定性、定量参数来评定航天光学相机的各项功能是否满足要求。

到目前为止,人们已经研究出了多种测试设备及测试方法[1,2,3,4],但均以单机功能性测试为主,给定工作参数并判定遥测参数,无法判断相机在轨长期运行过程中卫星姿态及轨道参数连续变化时相机综合管理计算机运行的可靠性,该项测试对需要进行实时相移补偿的航天相机而言尤为重要。

本文针对现有航天光学相机测试手段的上述不足之处,提出了采用航天光学相机模拟在轨飞行测试平台(以下简称“模飞测试平台”)对航天光学相机进行全面测试的方法,除地面站遥测遥控终端可实时解析并显示遥测参数外,还可为相机电子学系统提供在轨飞行所需的姿态及轨道参数,模拟相机综合管理计算机在轨运行时的全部真实状态,同时具备星上接口故障模式仿真测试能力,具有仿真程度高、数据判读快速、故障定位准确等优点。

1 模飞测试平台总体结构

1.1 相机综合管理单元功能

相机综合管理单元主要完成对航天相机的监测与控制任务[3],通常由相机控制器和热控控制器组成。其中相机控制器的主要功能包括通过CAN总线接收飞行器中心计算机姿轨数据及注入指令;管理相机的运行状态、对内部信息进行采集后通过CAN总线向飞行器中心计算机返回遥测参数;实时驱动调偏流机构至预定位置,并根据需求进行指令调焦控制;接收GPS秒脉冲和CAN总线时标信息。热控控制器的主要功能是负责对相机的工作环境温度进行主动控制,以保证相机始终工作在一个适宜的温度环境中,通过CAN总线接收飞行器中心计算机热控模式及门限设置指令并返回热控遥测参数。

1.2 模飞测试平台组成

模飞测试平台由三大部分组成:平台星务计算机模拟器、平台GPS模拟器以及地面站遥测遥控终端模拟器。相机综合管理单元与模飞测试平台的连接关系如图1所示。

1.3 模飞测试平台工作原理

1.3.1 平台星务计算机模拟器

平台星务计算机模拟器主要功能为接收地面站遥测遥控终端模拟器发送的卫星姿态角、姿态角速度仿真数据源信息及相机控制器、热控控制器相关指令信息,将信息转换为星上数据格式后实现模拟中心机的双CAN总线数据指令帧的发送;完成数据同步广播帧的双CAN总线模拟发送;接收并转发相机控制器、热控控制器遥测参数帧及应答帧;可模拟中心机中任意1路及2路CAN总线故障状态。

1.3.2 平台GPS模拟器

平台GPS模拟器的主要功能为接收地面站遥测遥控终端模拟器轨道数据源信息,将该轨道数据源转换为星上轨道数据格式后实现模拟GPS的双CAN总线轨道数据广播帧的模拟;每秒提供OC形式的秒脉冲信号;可模拟GPS中任意1路及2路CAN总线故障状态;可模拟GPS秒脉冲硬件故障状态。

1.3.3 地面站遥测遥控终端模拟器

地面站遥测遥控终端模拟器负责向平台星务计算机模拟器提供姿态及姿态角速度数据源,向平台GPS模拟器提供轨道数据源,向测试人员提供人机交互界面,具备指令序列生存、遥控指令发送及遥测参数解析等功能。

轨道数据源采用STK进行卫星轨道仿真,对被测相机工作的轨道进行数据分析与预测。依照测试时间长短,可获取卫星一天或更长时间的轨道参数并存储成特定格式的可读文件供地面站遥测遥控终端模拟器实时读取。姿态数据源是采用卫星动力学进行Matlab仿真得到的。

2 模飞测试平台硬件设计

平台星务计算机模拟器和GPS模拟器硬件设计类似,采用集成度高且具有丰富的片内外围设备的DSP TMS320F2812作为主控制器。该控制器内部有64 K的SRAM及128 K的FLASH,并内嵌有e CAN模块,支持CAN2.0B协议,便于与地面站遥测遥控终端模拟器之间进行CAN总线通信。除此之外,该控制器经过PLL倍频后可工作在150 MHz下,高速指令执行速度可使CAN总线工作至最短帧间隔状态,可使得相机综合管理单元的测试更加充分。GPS模拟器是在平台星务计算机模拟器的基础上增加了OC形式的秒脉冲接口。

TMS320F2812系统基本组成硬件电路模块如电源模块、晶体振荡器模块、复位模块、JTAG接口模块等均有大量参考电路[5,6],此处不再赘述。本文仅针对测试接口需求,给出平台星务计算机模拟器和GPS模拟器外围3条CAN总线接口扩展参考电路和GPS秒脉冲输出参考电路。

地面站遥测遥控终端模拟器由PC机外接CAN分析仪作为主体,采用VC语言开发遥控指令发送界面及遥测指令解析界面。

2.1 CAN总线扩展

2.1.1 片上CAN总线

选用TI公司的SN65HVD230作为CAN控制器和物理总线接口,提供对总线的差动发送和接收能力。由于SN65HVD230和F2812均为3.3 V接口,因此SN65HVD230的D、R引脚分别连至2812的CANTX、CANRX引脚即可,硬件原理如图2所示。

2.1.2 外扩CAN总线

由于TMS320F2812仅提供1路e CAN接口且该接口用于平台星务计算机模拟器和GPS模拟器与地面站遥测遥控终端模拟器之间进行数据通信,因此需要另外扩充2路星上标准CAN总线,即CAN总线通信控制器为SJA1000、CAN总线收发器为PCA82C250的组合方式与被测试的相机综合管理单元进行主备通信。

由于SJA1000是采用地址总线和数据总线分时复用结构通过ALE信号来锁存地址而TMS320F2812采用地址线和数据线分离的设计方法,同时两者间电平也不一致。因此外扩CAN总线核心电路模块主要由2部分构成:接口逻辑转换电路和接口电平转换电路。外扩双CAN总线结构逻辑框图如图3所示。

本文采用UT54ACS164245解决了DSP地址/数据线的分离与SJA1000地址/数据线共用的接口以及电平转换问题。使用Xinlinx FPGA完成逻辑译码控制,产生SJA1000的地址锁存信号ALE、片选信号CS等,即将ALE、CS及RST分别虚拟为存储器地址,由FPGA根据TMS320F2812在读写控制时的访问地址产生相应的控制信号。SJA1000的INT引脚也间接与DSP的INT相连,从而实现中断方式的CAN通信。

2.2 GPS秒脉冲

GPS秒脉冲设计为OC形式输出,采用二级管隔离控制信号和三级管,可以有效防止三级管被击穿时对控制信号输出电路的高电压冲击,采用双路驱动可以提供有效的备份手段。GPS秒脉冲接口电路形式如图4所示。

3 模飞测试平台软件设计

模飞测试平台软件由中心计算机模拟器DSP程序、平台GPS模拟器DSP程序和地面站遥测遥控终端控制显示VC程序三部分组成。

中心计算机模拟器DSP程序和平台GPS模拟器DSP程序软件基本一致,软件核心思想是进行CAN总线数据转发:通过片上CAN总线接收地面站遥控指令及参数并转发至外扩双CAN总线至相机综合管理单元;通过外扩双CAN总线接收相机综合管理单元遥测参数转发至片上CAN总线,至地面站遥测遥控终端模拟器进行解析、显示和存储。

基于TMS320F2812内嵌e CAN模块的CAN总线通信相关软件设计参考文献[7,8],本文重点介绍地面站遥测遥控终端模拟器VC软件设计。

3.1 软件总体结构

地面站遥测遥控终端模拟器采用Visual C++6.0进行开发,基于PC机的CAN总线接口采用USBCAN-2A/II型CAN分析仪实现。在VC主框架程序中添加其库函数ControlCAN.h、ControlCAN.lib、ControlCAN.dll和一个文件夹kerneldlls后,即可通过OpenDevice()、CloseDevice()、InitCan()、StartCAN()、Transmit()、Receive()等函数完成与平台星务计算机模拟器和GPS模拟器进行CAN总线通信。

地面站遥测遥控终端中测试指令发送、遥测参数解析、遥测参数显示与存储等各独立任务均采用多线程技术实现并行处理,避免某项任务长时间占用CPU时间以保证系统的实时性。

3.2 姿态轨道数据生成与发送

卫星轨道六根数参数主要从STK中仿真提取,然后利用Matlab引擎和STK联立,从STK中提取WGS84坐标系下的速度矢量和位置矢量,星下点经纬度以及惯性坐标系下的速度矢量和位置矢量,利用此进行相机像移速度矢量的计算。

系统姿态数据生成采用模型仿真和离线数据读入的方式,利用Matlab软件Simulink模块搭建姿态仿真系统,构建卫星姿态动力学和运动学模型,选择控制敏感器及执行机构并建立其传递函数关系。按照飞行器的姿态控制算法对该飞行器姿态进行控制,Matlab的仿真结果会存储三轴姿态角和姿态角速度数据。该仿真系统周期可以通过编程改变,以适应各种控制模式需要。

最终姿态及轨道数据以文本形式分别存储在地面站遥测遥控终端模拟器PC机中,并且定时每秒发送一次,本系统直接使用定时器函数SetTimer()实现在Windows下定时。轨道数据发送示例代码如下:

3.3 控制指令发送

控制指令在VC界面显示为不同的指令按钮,进行测试时通过点击不同按钮从而触发对应的指令发送函数。下面以CCD级数设置指令示例代码说明带参控制指令发送过程,不带参指令与此类似。

3.4 遥测参数数据库存储

由于相机综合管理单元的测试阶段显示在遥测遥控终端模拟器显示界面上的数据信息只是反映航天相机当前状态,测试人员无法做出完整判断。因此要将测试阶段所采集得到的航天相机遥测参数以一定格式保存下来,方便测试人员对该测试时段的相机状态进行总体分析与判断。依据该需求同时便于与其它分析软件接口,本文采用ADO数据库访问技术并配合多线程程序设计,将现场采集的遥测参数存储在Access数据库中。

数据库记录分为两部分,数据库建立及初始化和数据库记录线程。程序流程图如图5所示。

数据库建立及初始化代码如下:

数据库记录过程是采用Open()、AddNew()、Update()以及Move Last()等函数打开数据库记录集,增加并更新数据库记录,移动指针至下一次记录位置。数据库记录过程示例代码略。

4 实际应用及遥测参数显示

平台中心计算机模拟器与平台GPS模拟器采用一体化设计手段,共用机壳结构,参与测试设备及设备间连接关系如图6所示。

通过地面站遥测遥控终端模拟器指令发送界面可向相机综合管理单元发送CCD拍照控制、CCD参数设置、调焦控制、软件注入、热控模式设置及热控门限类设置等指令用于相机控制器和热控控制器功能测试,并分别通过图7、图8所示的相机控制器和热控控制器遥测参数显示界面对遥测参数进行判读以判断设备工作状态,同时该遥测参数以文本形式进行存储,方便回放遥测参数进行故障定位。

5 结论

本文针对目前航天相机地面测试设备无法满足模拟相机在轨长期运行过程中卫星姿态及轨道参数连续变化时相机综合管理单元的测试需求,提出了一种新型的航天光学相机模拟在轨飞行测试平台,详细说明了该测试平台的硬件组成及设计原理,并给出关键硬件参考电路。此外,结合实际测试应用有针对性地给出了姿态轨道数据生成与发送、测试指令发送和遥测参数数据库存储等关键软件设计参考代码。

该系统目前已成功应用于某型号航天相机综合管理单元的测试工作,实现了相机在轨的全过程模拟,研发人员根据测试结果能够及时发现问题并完善设计,得到了很好的测试效果。实践证明本文所提出的模飞测试平台具备模拟全部星上指令及数据接口的能力,可对相机进行综合测试,适用于相机各个测试阶段,既能提高相机研发效率和可靠性,又能降低研制成本,填补了我国航天光学相机在轨模拟飞行测试的空白,具有广泛的实际工程应用价值。

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测试飞行员心理 篇5

近年来, 具备可垂直起降、悬停及低空低速飞行能力的四旋翼无人飞行器已经成为一种主流的无人飞行器应用与研究平台, 在侦察、搜索救援、交通监控、灾情监测、航拍、地理测绘、遥测遥感等领域有着非常广泛的应用前景。

由螺旋桨、无刷直流电机、电子调速器及电池构成的驱动系统是四旋翼无人飞行器的关键部件, 它不仅产生升力, 更通过对各旋翼升力的快速调节提供飞行器六自由度运动所需的操纵力和力矩。由于具备开环不稳定、高动态的特性, 四旋翼无人飞行器的姿态需要通过对各旋翼升力的快速调节实现自稳定, 这要求旋翼升力具备快速的动态响应能力。旋翼升力通常由飞行控制计算机向电子调速器发送转速或PWM命令实现。前者要求电子调速器实现旋翼转速的闭环控制[1], 如此可降低电池电压波动对旋翼转速的负面影响;然而转速控制难免存在余差。此外, 出于轻量化考虑, 现有的电子调速器通常使用精度较差的内部RC振荡器, 这使得控制转速与真实转速之间存在误差, 需要额外的校正[2]。后者直接改变PWM占空比调整旋翼升力, 电子调速器仅进行换向而不构成转速闭环[3];在这种开环方式下, 旋翼升力具有快速的动态响应, 然而其动态特性不可避免会受电池电压变化的影响。

在电机方面, 当前的四旋翼飞行器通常采用有刷直流电机[4,5]或无感无刷直流电机[6,7]。有刷直流电机控制简单, 但扭矩较小, 需要减速齿轮配合驱动螺旋桨。无感无刷直流电机扭矩大、效率高, 可直接驱动螺旋桨, 可靠性更高。

本研究给出一个基于无感无刷直流电机的四旋翼无人飞行器驱动系统设计与实现方案并建立了旋翼升力的动态模型, 在此基础上对驱动系统进行详细的性能测试, 并给出实际的自主飞行实验结果。

1 驱动系统设计

1.1 驱动系统总体架构

四旋翼无人飞行器驱动系统总体架构如图1所示。四旋翼无人飞行器的驱动系统由螺旋桨、无感无刷直流电机、电子调速器及电池构成。对角线上的旋翼1、旋翼3逆时针旋转, 旋翼2、旋翼4顺时针旋转。飞行器的俯仰力矩由旋翼1与旋翼3的升力差产生;滚转力矩由旋翼2与旋翼4的升力差产生;4个旋翼的升力之和与反扭力差分别产生升力与偏航力矩;各通道操纵量与各电机PWM值的关系为:

式中:uq, up, uT, ur—俯仰、滚转、升力、偏航通道的操纵量;u1, u2, u3, u4—4个电机的PWM输入。

除了快速的动态特性, 效率也是驱动系统设计的重要指标。根据动量理论, 飞行器悬停所需的理想功率为[8]:

式中:T—升力, ρ—空气密度, A—桨盘面积。

由式 (5) 可知, 在给定悬停重量的前提下, 桨盘面积越大, 消耗的功率越小。因此为了提升旋翼效率, 旋翼越大越好。然而大的旋翼需要大扭矩输出的电机匹配, 相应地, 电机与机体的尺寸也要做大, 因此研究者需要根据悬停重量、机体尺寸进行综合折衷。

1.2 电子调速器设计

为了实现无感无刷直流电机的电子换向, 本研究设计了由六臂全桥驱动电路、反向感生电动势过零检测电路、电流检测电路及ATmega88单片机构成的电子调速器如图2所示。

六臂全桥驱动电路的3个PMOS上臂由单片机的15.625 k Hz PWM输出驱动, 3个NMOS下臂由单片机I/O驱动。

电机转子位置通过检测第三相反向感生电动势 (BEMF, 以下简称反电动势) 过零点判断;过零事件由单片机内置的模拟比较器检测, 由于各相过零事件是按顺序产生的, 根据当前相位控制模拟通道多路选择器切换各相电压输入可以实现比较器的复用, 如此可有效简化电路设计。在静止或低速运行时, 由于反电动势很小, 过零事件检测存在较大误差, 这将导致电机无法正确换向而启动失败。为解决该问题, 本研究在电机启动阶段采用开环换向策略, 等电机产生足够反电动势后再基于反电动势过零点进行换向。

电机工作电流检测电路将电机工作电流转换成电压, 该电压由单片机ADC采集, 用于过流、电机堵转的检测, 以保护电机与MOS管。

ATmega88单片机实现换向、过流检测、与飞控计算机通讯等功能;通讯接口采用I2C总线, 以方便连接多个电子调速器, 并满足4个电子调速器500 Hz PWM更新频率所需的通讯带宽要求。

2 驱动系统模型辨识与性能测试

2.1 测试平台

本研究在如图3所示的测试平台上进行驱动系统的模型辨识与性能测试。测试过程中, 旋翼气流朝上, 产生的下压力由计重设备测量, 电子调速器同时以500 Hz频率输出转速测量值到本地保存。由于设备限制升力难以实时测量, 本研究在获得典型工作点转速与升力数据的基础上, 利用升力与转速平方的正比关系实时估计各转速下的升力。本研究测试的4种动力组合如图3所示。

2.2 模型辨识

PWM-升力阶跃响应曲线如图4所示。从图4给出的PWM-升力阶跃响应曲线可以看出, 旋翼升力的动态特性可以很好地用二阶线性模型描述:

式中:T—单个旋翼的升力;u—电机的PWM输入;k—模型增益;Tp1, Tp2—时间常数。

由实验辨识得到的11.4 V供电电压下4种动力组合的模型参数如表1所示, 辨识实验以方波信号为激励源, 模型参数由Matlab系统辨识工具箱估计得到。从表1可以看出, 同一动力组合正反桨对应的模型增益和带宽存在平均4.4%和4.3%的差异, 这主要是由于正、反桨空气动力学特性难以做到完全一致导致的;电机和桨的转动惯量对模型带宽影响很大, 驱动系统应选用转动惯量尽量小的电机和桨以提高驱动系统带宽, 使得其动态满足四旋翼无人飞行器实时控制的要求。

四旋翼飞行器的4个电机由于总工作电流非常大 (10 A以上) , 只能由未经稳压的锂聚合物电池组直接供电。在飞行过程中, 随着电池电压因放电而逐渐降低, 旋翼升力动态模型的增益和带宽将逐渐下降。针对3S锂聚合物电池组, 本研究选择12.4 V、11.4 V、10.4 V这3个典型的工作电压对各动力组合的模型参数进行了辨识, 结果如图5所示。在电池电压下降16.1%的情况下, 各动力组合模型增益和带宽平均降低22.1%和11.7%。因此, 在飞行控制器设计中需考虑这些参数摄动以保证系统鲁棒性。

2.3 效率测试

除了动态响应带宽, 能量效率也是评价驱动系统性能的重要指标, 它直接影响飞行器的续航时间与里程。11.4 V电压下各动力组合的效率测试结果如图6所示。在相同的升力下, 尺寸越大的桨诱导速度越低, 所消耗的功率越小, 因此效率越高;由于旋翼消耗功率与转速三次方成正比, 效率随升力增大而降低。

3 自主飞行实验及结果分析

3.1 四旋翼飞行器

为了验证驱动系统在实际飞行中的有效性, 本研究在如图7所示的四旋翼无人飞行器上进行了自主飞行测试。飞行器电机和桨分别采用朗宇X2212 550 k V电机和EPP1245正反桨, 电机对角距离0.5 m, 起飞重量1.024 kg。飞行器采用基于多源传感器信息融合的GPS/MEMS SINS/地磁组合导航算法[9]提高飞行状态信息估计的精度与动态性能。为保证飞控系统在驱动系统模型参数摄动下的鲁棒性, 姿态和速度控制算法均基于针对系统不确定性的定量反馈理论进行综合设计[10]。

3.2 自主飞行测试结果

四旋翼无人飞行器自主飞行轨迹如图8所示。在自主飞行实验中, 四旋翼飞行器首先从起降点自主起飞并爬升到航点1, 然后依次穿越航点2、航点3、航点4并返回航点1, 最后自主降落到起降点。由于四旋翼飞行器本质上具备的开环不稳定及高动态特性, 飞控系统对驱动系统的动态性能有很高要求。自主飞行实验结果如图9所示, 由图9可以看出, 驱动系统能很好地满足自主飞行需要, 即使374.5 s飞行器前飞时由于阵风干扰前飞速度出现1.4 m/s控制误差的情况下, 驱动系统也能快速响应, 并在2 s内通过姿态调整恢复前飞。整个飞行过程中, 轨迹跟踪均方根误差为0.58 m, 远小于GPS误差 (2.5 m RMS) 。

4 结束语

本研究给出了一个完整的四旋翼无人飞行器驱动系统设计与实现方案, 在此基础上通过系统辨识实验建立了旋翼升力的动态模型并对系统进行了综合的性能测试。

实验结果表明, 本研究设计的驱动系统动态带宽大于10 rad/s, 且在每个旋翼300克升力输出时效率高达9 g/W, 航线跟踪均方根误差为0.58 m, 完全满足四旋翼无人飞行器自主飞行控制的需要, 大量的飞行实验也验证了其稳定性。

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