認知模型在空管初始技能自主學習訓練中的應用研究

周通 劉麗陽 王俊偉

摘 要：認知科學作為一個新興交叉的學科領域備受當今世界關注。本文簡述了認知科學，在介紹五種認知模型的基礎上，通過規范性、理論合理性和工程適用性三方面類比分析這些認知模型，從而選擇出一種適用于空管初級技能自主訓練的認知模型。結果表明認知模型的應用能夠幫助軟件的使用者提高學習效率。

關鍵詞：認知科學；認知模型；空管初始技能自主學習訓練

認知科學是一門研究人類感知和思維信息處理過程的科學，包括從感覺的輸入到復雜問題求解，從人類個體到人類社會的智能活動，以及人工智能和機器智能的性質。隨著認知心理學的發展，1973年朗蓋特·系金斯開始使用“認知科學”一詞。1975年，美國斯隆基金投資研究“在認識過程中信息是如何傳遞的”，為此學者將哲學、心理學、語言學、人類學、計算機科學和神經科學作為六大支撐學科進行合并研究，由此產生了認知科學。認知科學的發展大致經歷了三個階

段，即20世紀40年代中期到50年代中期的前人工智能時期、20世紀50年代末到80

年代初期的經典符號處理模型時期、以及20世紀80年代之后的聯結主義模型的興盛時期。

在認知科學的發展過程中，原本作為支撐的六大學科產生了學科分支，即心智哲學、認知心理學、認知語言學、認知人類學、人工智能和認知神經科學。而后隨著六大支撐學科之間進一步的相互交叉融合，由此衍生出11個新興交叉學科：1、控制論；2、神經語言學；3、神經心理學；4、認知過程仿真；5、計算語言學；6、心理語言學；7、心理哲學；8、語言哲學；9、人類學語言學；10、認知人類學；11、腦進化。認知科學雖然是一門新興的學科，但是卻在人類揭示人腦的工作機理方面做出了卓越貢獻。

一、認知模型

所謂認知模型，是指依據認知科學的概念、方法和數據而構建的一種“組織性的框架”。建立認知模型可以使研究人員從特定的角度探索研究人體的思維機制，尤其是人對所接收信息的處理機制，而且為設計人員在設計相應的人工智能系統時，提供新的理論體系和技術方法。

（一）簡單介紹幾種認知模型

伴隨認知科學的發展，人們渴望用語言來表達人類的認知過程，為此科研人員構建了許多認知模型，在此我們簡單地介紹五種具有代表性的認知模型，即S-O-R模型、SRK模型、信息處理模型、階梯模型和通用認知模型。

1、S-O-R模型。從傳統心理學的觀點來看，感知、信息處理和反應是組成人的認知行為的基本三要素，以此建立了S-O-R模型，如圖1所示。模型中S代表外界刺激，指人體在感受到外界的信息時，將其轉變成訊號通過神經傳遞給大腦；O代表人體思維組織，指大腦收到訊號后，先對訊號進行分析處理，然后決策，并制定下一步行動計劃，最后將指令經神經傳導給相應器官；R代表人體反應，即人體相應器官在收到指令后，執行對應的動作。

2、SRK模型。Rasmussen在1983年提出了SRK模型，他將人的認知行為劃分為技能型行為模式、規則型行為模式和知識型行為模式，如圖2所示。技能型行為模式是指在人感知外界信息時，憑借自身的工作能力和經驗就可毫不猶豫地對信息進行處理、執行的行為模式。規則型行為模式是指人從自身比較熟悉情景中感知到信息時，依據自身以往實踐的經驗對信息進行識別，然后選擇比較合適的規則來執行任務的行為模式。知識型行為模式是指人在外界感知到信息時，無法憑借自身的工作能力和實踐經驗對信息進行處理，而需要依靠自己知識來對信息進行診斷分析，才能做出決策、制定計劃，最終按照行動計劃來執行的行為模式。

3、信息處理模型。信息處理模型是Wickens在1984年提出的，從信息接收、信息分析、決策與分析、執行四個階段來描述了人的認知過程，他將人的認知行為擬化為一個信息流的過程，如圖3所示。信息接收模塊用于接收外界信息，而信息分析模塊則利用大腦的思維能力對信息進行分析處理，然后決策與計劃模塊則依據處理后的信息確定決策和計劃，最終執行模塊負責將決策和計劃付諸于行動。此外在該流程中，研究人員考慮到了注意力、工作記憶和長效記憶對信息分析、決策與計劃、執行等模塊的影響。

（二）認知模型的比較

每種模型都是從某個方面對人的認知行為進行模擬，各有各的優勢，下面從認知模型的規范性、理論合理性、工程適用性三方面對以上幾種認知模型進行對比。

1、認知模型的規范性、判別模型的規范性，可從模型的結構規范性和描述規范性兩方面入手。S-O-R模型、SRK模型、信息處理模型，結構清晰，容易讓人了解其所描述的認知過程，同時使用了比較規范的語言，例如感知、識別、計劃、決策等，這些詞語很好地表征了每個認知階段所代表的功能。相對于這些模型，通用模型在流程中使用了大量的判斷語句、執行語句，雖然使行為過程更加細化，但是增加了模型的復雜性，影響了該模型的規范性。

2、認知模型的理論合理性、每一種認知模型的提出都體現出該階段研究人員對認知行為的探索結果，在當時都具有一定的理論合理性。然而隨著時代的進步，由于當時的研究條件和研究領域的限制，使得認知模型的理論不足逐漸凸顯。S-O-R模型比較簡單，只列出了認知行為的一般性結構；信息處理模型相對詳細的描述了人的認知行為過程，同時考慮到了人的注意力和記憶對認知過程的影響，但是將認知行為描述為單一串行化形式；SRK模型，考慮到了認知過程中可能存在的途徑，并且SRK模型更是將認知行為模式細化，但是不足之處在于未將認知過程不同階段之間的交互性做進一步的解釋。

3、認知模型的工程適用性、S-O-R模型大多數情況下只作為其他認知模型的理論根源，并不太適合比較復雜的工程系統；信息處理模型結構比較清晰，分析難度不高，比較適合工程應用；SRK模型具備信息處理模型的特點，而且各個認知功能并非嚴格的串行過程，在認知過程中可重復進行，因此也適合工程應用。

二、認知模型在空管初級技能自主訓練中的應用

空中交通管制員的工作性質比較特殊，肩負著保證航空器在地面以及空中的安全、快速、有序地運行的責任。要想很好地完成這項工作，必須有堅實的工作基礎和工作經驗。管制員需要時刻掌握航班的計劃和動態，因此監控下航空公司的徽標、三字代碼、航空器呼號、航向、起飛機場和目的機場的四字代碼等都是極為重要的情報信息。因此在初級管制員的培訓工作中，首先應該讓管制員熟練掌握這些信息。因為國內尚未開發初級管制員關于這些技能的學習軟件，為此我們開發了空管初始技能訓練系統。

國內外的航空公司、機場眾多，因此初級管制員需要掌握的知識信息量非常大，但是其中的記憶規律又不是很明顯，為此我們選擇了較為簡單的S-O-R模型作為系統的人體認知過程的理論基礎。在空管初始技能訓練系統中，界面中文字和圖片作為外界刺激源，在使用者將刺激轉化為訊號傳遞給大腦后，然后經由大腦的思維功能對訊號進行處理，將文字與圖片相結合，形成相應的聯系，制定行動計劃，最終將行動訊號作用于記憶細胞，形成短時記憶。使用者在自主學習的過程中，通過不斷地刺激，最終促使使用者形成長期記憶，如圖5所示。

（一）S-O-R模型的應用結果

空管初始技能訓練系統中的航空公司徽標以及三字名代碼的模塊已經開發完畢，并且已經在已經簽約華北空管局的大四學生中投入了試用。為了檢驗系統的效果，為此我們對四十個大四管制學生進行了測試。在測試者未開始使用該系統自主學習之前，我們應用該系統中的出題系統對測試者進行了模擬考試，并對他們的成績進行了統計。然后讓測試者使用該系統進行了5個小時的訓練，訓練結束之后，再次進行模擬考核，成功收集了成績數據。考核結果顯示，測試者的國內、國外的航空公司徽標、三字名代碼的平均測試結果從35.1分和36分分別提高到了72.94分和71分，對比兩次的成績數據表明出該系統對初級管制員的促進作用。

三、結束語

在我們的生活中，認知模型應用十分廣泛，諸如人工智能、類腦計算、人機交互等。但相比國外，我國認知模型的研究還處于初級階段，人們對于認知模型還沒有很深的了解。本文將認知模型引入空管初級技能自學習系統，從成績分析來看取得了良好的效果，可見應用認知模型能夠幫助我們提高學習效率，因此了解認知模型的發展和重要性非常必要。

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基金項目：中國民航大學大學生創新創業資助項目；項目編號（IECAUC2015040）。中國民航大學空中交通管理創新創業實踐基地。