基于認知能力的民航飛行員陸空通話績效研究

王燕青，李 甲，王 宇

(中國民航大學飛行技術學院，天津300300)

航空器與空中交通服務單位之間進行語音通信的方式是無線電陸空通話(以下簡稱陸空通話)[1]。為保證陸空通話的準確有效，當管制員發出指令后，飛行員需要復誦指令。然而，在復誦過程中，由于飛行員認知能力方面的影響，會導致陸空通話差錯的發生。航空科學第27次國際會議統計指出，有80%的飛行員陸空通話中含有一個甚至多個錯誤信息，其中30%的不安全事件、40%的跑道侵入事件均是由陸空通話差錯引起的[2]，因此，有必要深入分析飛行員復誦產生差錯的根本原因，以提高航空安全水平。

目前，中外學者對陸空通話開展了相關研究。Molesworth等[3]通過模擬不同管制信息數量情境下的陸空通話，認為管制信息的數量會影響飛行員的陸空通話績效；Morron等[4]基于認知能力首次指出飛行員的記憶能力的差異會造成其對管制員指令記憶出現偏差，最終導致飛行事故；Prinzo等[5-6]研究發現管制信息中數字信息的長度和格式會影響通航飛行員的復誦績效；Benthem等[7]通過對54名不同年齡的通航飛行員進行研究，發現年齡會影響飛行員的認知能力，進而影響飛行員工作績效；2011年，石瑞芳等[8]首次基于管制員的認知過程對陸空通話錯誤原因進行了分析，發現每一個認知階段中都存在因管制員認知能力的不足而導致陸空通話出錯的可能；韓佳佳等[9]在陸空通話的教學研究中運用能力導向理念，將這種教學方法與陸空通話語言能力的培養相關性進行了分析。

綜上所述，盡管已有學者從記憶能力[10-11]、語言能力[12]、文化[13]、年齡差異[14]等方面對飛行員的陸空通話差錯的影響開展研究，但很少從飛行員陸空通話時的綜合認知能力分析其復誦差錯。因此，基于Wickens的信息加工模型，構建飛行員陸空通話認知模型，并基于此，設計開展模擬實驗，從飛行員的多個認知能力全面分析其復誦產生差錯的根本原因，進而構建飛行員陸空通話綜合認知能力模型，以期幫助提高飛行員陸空通話績效，減少飛行事故的發生。

1 飛行員陸空通話認知模型

信息加工理論認為人的認知過程與計算機的信息加工過程一樣，也包含“輸入”“處理”“輸出”3個階段。李敬強等[15]基于信息加工過程對管制人因差錯概率量化方法進行了研究，對管制員的選拔、評估安全風險具有指導意見。結合飛行員陸空通話特點，采用Wickens的信息加工模型，構建飛行員陸空通話認知模型，如圖1所示。

圖1 飛行員陸空通話認知模型Fig.1 Pilots’ radiotelephony communication cognitive model

在信息輸入階段，飛行員將通過信息感知和感覺記憶來獲取管制員發出的指令，因此，此時飛行員需要感知、記憶等認知能力；在信息處理階段，飛行員需要對管制員發出的指令進行加工并記憶，所以飛行員需要記憶、思維等認知能力；在信息輸出階段，飛行員將復誦管制員的指令并作出決策，飛行員需要決策等認知能力。另外，在整個陸空通話過程中，都需要飛行員有良好的注意力和較強的語言能力，因此擬通過飛行員的注意力、短時記憶能力、思維能力、語言能力4項指標來分析其陸空通話認知能力。

2 實驗方法

2.1 被試

實驗選取20名男性飛行學員作為被試，視力、聽力正常，均通過飛行人員英語等級三級考試，且獲得飛行私照。

2.2 實驗設備及材料

采用飛行模擬器模擬實際飛行任務中的駕駛艙環境。實驗中部分陸空通話指令如圖2、圖3所示。

2.3 實驗設計

實驗研究飛行員的認知能力(注意力、短時記憶力、思維能力、語言能力)對其陸空通話績效的影響，擬采用2×2×2×2的組內設計。自變量如下。

(1)干擾。在陸空通話任務中，因為受到突發事件的干擾而注意資源分配不合理，常常導致飛行員陸空通話差錯。因此實驗設置干擾(在正常飛行任務中還要做一項干擾任務)、無干擾組，比較有、無干擾情況下飛行員的陸空通話情況，進而分析注意力對飛行員陸空通話績效的影響。

(2)指令長度。在陸空通話任務中，飛行員基于其短時記憶力，對長度不同的指令獲取與加工的效率也不同，也會影響到陸空通話績效。因此通過改變陸空通話指令中數字組合的個數，使得指令長度不同，比較指令長度不同情況下飛行員的陸空通話情況，進而分析短時記憶力對飛行員陸空通話的影響。

圖2 陸空通話英文指令Fig.2 English instructions of radiotelephony communication

圖3 陸空通話中文指令Fig.3 Chinese in structions of radiotelephony communication

(3)錯誤指令。在陸空通話任務中，如果飛行員沒有識別錯誤指令而執行管制員的指令，將導致嚴重的飛行事故，而思維能力在飛行員接收到指令后，會幫助飛行員對指令進行分析、判斷和推理，識別出錯誤指令。因此，實驗中在一些指令中加入錯誤指令，通過比較在有、無錯誤指令情況下飛行員陸空通話的情況，進而分析思維能力對飛行員陸空通話的影響。

(4)語言。在陸空通話任務中，因為語言語法的差異導致飛行員陸空通話中聽錯、遺漏指令的事件時有發生。因此實驗中設置中英文情況下的陸空通話，通過比較中、英文情況下飛行員的陸空通話情況，進而分析語言能力對飛行員陸空通話的影響。

圖4 陸空通話實驗設計Fig.4 experimental design of radiotelephony communication

因變量為反映陸空通話質量的2項績效指標，即被試復誦指令的錯誤次數和要求管制員重復指令的次數。

控制變量：為減少其他變量對實驗的影響，實驗指令都由一位男性管制員負責，保證語速和音量一致，被試均無疲勞反應且身體狀況正常，均采用相同的進近方式，在相同的飛行環境中進行實驗。

根據實際陸空通話，制定實驗中的指令長短，指令形式單一。由于干擾和錯誤指令兩個自變量的出現順序可能會對實驗結果產生影響，因此采用拉丁方設計的方法設計4個子實驗來平衡這一影響。實驗設計如圖4所示。依據實際情況，干擾和錯誤指令兩項極少同時出現，因此實驗不包含兩項同時出現的情況。

圖4中，括號內數字表示被試的數量。根據拉丁方設計完成①②③④ 4個實驗的設計，每個實驗由5名被試完成，圖中每個子實驗里方框的數量代表管制員向飛行員發送指令的次數，方框中“通信建立”“管制移交”分別表示管制員與飛行員之間取得聯系和移交通話的例行溝通模式，方框中的數字表示發送指令時，指令當中包含的數字組合的個數，背景由斜線填充的方框，表示本次發送的指令中有一條錯誤指令，背景由圓點填充的方框，表示飛行員在聽到指令時還需要完成一項干擾任務。

2.4 實驗程序

(1)將20名被試分為4組完成4個子實驗。

(2)實驗前，被試試聽語音材料(與實驗內容無關)，并調節適合自己的音量，熟悉管制員發出指令的語速。

(3)被試需先在模擬機進行練習，確保飛行模擬器的正常運行。

(4)設置本次實驗的飛行模擬參數準備進行實驗。實驗開始后，被試駕駛航空器從2 400 m的高空下降，注意聽管制員發出的指令，收到指令后復誦接收到的指令，記錄實驗數據，實驗結束。

3 數據分析與討論

3.1 數據預處理

由于管制指令中數字指令的個數為2或3，需對其通話績效進行如下的預處理：

(1)

3.2 飛行員陸空通話時的認知能力分析

3.2.1 注意分配能力

經過數據預處理，計算得到有、無干擾情境下被試的平均陸空通話績效，如表1所示。

表1 有、無干擾條件下子實驗中被試平均陸空通話績效Table 1 The average radiotelephony communication performance of the participants in each sub-experiment with and without interference

從表1可知，在無干擾情境下，被試要求管制員的平均重復次數、被試復誦指令的平均錯誤次數均要少于有干擾的情境下的平均次數。

對被試要求管制員重復指令的次數作有、無干擾情境下的配對樣本t檢驗。在干擾情境下被試要求管制員重復次數顯著高于無干擾的情境下(t=-4.436,P=0.000<0.01)，說明有干擾的情境下被試在復誦管制指令時，由于注意資源被干擾占用，要求管制員更多次地重復指令來記憶。

對被試復誦錯誤次數作有、無干擾情境下的配對樣本t檢驗。有干擾的情境下被試復誦指令時的錯誤次數顯著高于無干擾的情境下(t=-3.236,P=0.004<0.01)，表明此時被試的注意力被分散，更容易在復誦過程中出現差錯。

3.2.2 短時記憶力

經過數據預處理，計算得到指令長度不同時被試的平均陸空通話績效，如表2所示。

表2 指令長度不同時各子實驗被試的平均陸空通話績效Table 2 Average radiotelephony communication performance of participants in each sub-experiment when the length of the instruction is different

由表2可知，當指令中包含2個數字指令時，被試要求管制員重復指令的平均次數、被試復誦指令的平均錯誤次數均要少于指令中包含3個數字指令時的平均次數。

對被試要求管制員重復次數進行不同數字指令個數的配對樣本t檢驗。數字指令個數為3個時，被試要求管制員重復次數顯著高于數字指令個數為2個時的次數(t=-7.471,P=0.000<0.01)，表明被試的短時記憶力更容易記憶較短的指令，當指令較長時，被試會要求管制員多次重復來加強對指令的記憶。

對被試復誦錯誤次數進行不同數字指令個數的配對樣本t檢驗。數字指令個數為3個時，被試復誦指令的錯誤次數顯著高于數字指令個數為2個時的次數(t=-4.467,P=0.000<0.01)，表明被試的短時記憶力更容易記憶信息量較少的指令，當指令較長、內容較為復雜的情況下，被試在復誦時更容易出錯。與Morrow等[4]的結論一樣，較長的指令會導致飛行員記憶指令不準確，最后影響復誦績效。

3.2.3 思維能力

經過數據預處理，計算得到含有正確、錯誤指令情況下被試對指令的識別率以及平均陸空通話績效，如表3所示。

表3 正確、錯誤指令下各子實驗中的平均識別率Table 3 Average recognition rate in each sub-experiment under correct and incorrect instructions

從表3中可以看出，所有被試都識別出了正確指令，但對錯誤指令的識別卻明顯不高。

對指令識別率作有、無錯誤指令的配對樣本t檢驗。有錯誤指令情境下，被試對指令的識別率顯著低于沒有錯誤指令時的識別率(t=-6.990,P=0.000<0.01)，即被試的思維能力顯著影響著其對指令的識別，且錯誤指令的識別對被試的思維能力要求很高。進一步分析被試對錯誤指令的識別率不同的情況下，對其陸空通話績效的影響。圖5所示為被試的錯誤指令識別率不同時，其陸空通話績效的平均值。

圖5 錯誤指令識別率不同時的平均績效Fig.5 Average performance with different error instructions recognition rates

由圖5可得，錯誤指令的識別率在0～0.5時，被試要求管制員重復指令的次數呈下降趨勢，而在0.5～1重復指令的次數又有上升趨勢，對指令重復次數進行方差齊性檢驗，得到P=0.402>0.05，滿足方差齊性檢驗，進一步作重復次數的單因素方差分析，發現錯誤指令的識別率不同時，重復指令的次數(F=0.096,P=0.909>0.05)無顯著性差異；錯誤指令的識別率在0～0.5時，被試復誦指令的錯誤次數有下降趨勢，但在0.5～1其復誦錯誤次數有上升趨勢，對復誦錯誤次數作方差齊性檢驗，發現P=0.786>0.05，滿足方差齊性檢驗，進一步作錯誤次數的單因素方差分析，發現錯誤指令識別率不同時，錯誤次數沒有顯著差異(F=1.104,P=0.354>0.05)，表明被試的思維能力對陸空通話中的錯誤次數和重復次數影響不大。這與游旭群等[16]的結論一樣，即飛行員的判斷決策力與其飛行業績考核呈顯著正相關。

3.2.4 語言能力

經過數據預處理，計算得到中、英文環境下被試的平均陸空通話績效，如表4所示。

表4 中、英文環境下子實驗中被試的平均陸空通話績效Table 4 Average radiotelephony communication performance of participants in each sub-experiment in Chinese and English

從表4可知，在英文情境下，被試要求管制員的重復次數顯然多于在中文情境下重復次數，但中、英文情境下被試復誦指令時錯誤次數并沒有顯著變化。

在中、英文陸空通話情境下，對被試要求管制員重復指令次數進行配對樣本t檢驗。在中文情境下被試要求管制員重復指令的次數顯著少于英文情境下的次數(t=-3.647,P=0.002<0.05)，說明被試在中文情境下其陸空通話更容易獲取到指令。

在中、英文陸空通話情境下，對被試復誦指令的錯誤次數進行配對樣本t檢驗。在中、英文情境下，錯誤次數沒有顯著差異(t=0.000,P=1.000>0.05)。與Mirkovic等[12]的結論一樣，語言能力的差異導致的缺乏溝通甚至是誤解，嚴重阻礙了對安全至關重要的信息的流通，影響著航空安全。

4 綜合認知對陸空通話差錯影響模型

4.1 認知能力與陸空通話績效的相關性分析

經前文研究，飛行員的注意分配能力、短時記憶力、思維能力和語言能力會一定程度上影響其陸空通話績效。但通過此4項認知能力難以直觀看出飛行員認知能力與其陸空通話績效的關系，因此，需要綜合4項認知能力指標，構造反映飛行員認知能力的綜合模型，進一步探究飛行員認知能力與陸空通話績效的相關關系。

結合被試在實驗中的表現和數據的統計分析結果。提出認知能力指數i來度量被試的認知能力，計算公式為

(2)

式(2)中：ijp表示第j個被試的第p項認知能力，j=1，2，…，20；p=1，2，3，4，且p=1表示注意力，p=2表示短時記憶力，p=3表示思維能力，p=4表示語言能力。Zp1q表示第p項認知能力在第1個水平下的第q項績效(無干擾、數字指令個數為2、無錯誤指令、中文語言環境下)，p=1，2，4；q=1，2，且p=1表示注意力，p=2表示短時記憶力，p=4表示語言能力；q=1表示重復次數，q=2表示錯誤次數。Zp2q表示第p項認知能力在第2個水平下的第q項績效(有干擾、數字指令個數為3、有錯誤指令、英文語言環境下)，p=1，2，4；q=1，2，且p=1表示注意力，p=2表示短時記憶力，p=4表示語言能力；q=1表示重復次數，q=2表示錯誤次數。Sj1表示第j個被試在無錯誤指令下對指令的識別率，j=1，2，…，20；Sj2表示第j個被試在有錯誤指令下對指令的的識別率j=1，2，…，20。

結合式(2)，計算出20名被試的各項綜合認知能力值，并與陸空通話績效作Spearman相關性檢驗，結果如表5所示。

由表5可知:被試的注意力與重復次數呈強相關，與錯誤次數呈強相關；短時記憶力與重復次數呈強相關，與錯誤次數呈弱相關；思維能力與重復次數呈弱相關，與錯誤次數呈弱相關；語言能力與重復次數呈強相關，與錯誤次數呈弱相關。

表5 各認知能力與陸空通話績效的相關指數Table 5 Correlation index of cognitive ability and radiotelephony communication performance

注：*表示P<0.05，**表示P<0.0.1。

4.2 綜合認知能力模型

綜合上述相關性進行分析，經過與專家討論，將各項認知能力賦予權重，提出一個無量綱指數I，以I來綜合度量飛行員的注意力、短時記憶力、思維能力和語言能力這4項認知能力，I的計算公式為

Ij=[1-(0.31Ij+0.31Ij+0.07Ij+0.31Ij)]×100

(3)

式(3)中：Ij表示第j個被試的綜合認知能力值，j=1，2，…，20。

Ijp表示第j個被試的第p項認知能力的歸一化數值，j=1，2，…，20；p=1，2，3，4，且p=1表示注意力，p=2表示短時記憶力，p=3表示思維能力，p=4表示語言能力。Ijp的計算公式為

(4)

式(4)中：ijp表示第j個被試的第p項認知能力，j=1，2，…，20；p=1，2，3，4，且p=1表示注意力，p=2表示短時記憶力，p=3表示思維能力，p=4表示語言能力。

結合式(2)、式(3)、式(4)計算出20名被試的I，并將其與被試的陸空通話績效作Spearman相關性檢驗，得I與重復次數的相關系數r=-0.873**，I與錯誤次數的相關系數r=-0.506*。表明I與被試的陸空通話績效存在較強相關性，可以在一定程度上反映被試的陸空通話績效。且I越大，表明被試綜合認知能力越強，陸空通話績效越好，相應的重復和錯誤次數越少。

I可綜合衡量飛行員在陸空通話中的注意力、短時記憶力、思維能力和語言能力4項認知能力，反映其陸空通話績效的優劣，并可根據I的大小對其后期的陸空通話績效作出預測。

5 結論

通過模擬飛行員與管制員之間的陸空通話實驗，采集被試在不同認知能力不同水平下的陸空通話績效指標，綜合考量不同認知能力對陸空通話績效的影響，建立認知能力與陸空通話績效的預測模型，為飛行員選拔、培訓提供指導依據。研究結論如下。

(1)飛行員注意力分配和短時記憶能力對其陸空通話績效影響顯著。在飛行員與管制員的陸空通話過程中，注意資源受到干擾，很容易造成飛行員對指令識別不全或識別出現錯誤，影響飛行安全。當飛行員接收到較短的指令時，更容易對其識別與加工，而較長的指令則更容易導致飛行員的錯、忘、漏。

(2)飛行員的思維能力對其陸空通話過程中的指令識別率影響顯著，較高的思維能力可以幫助飛行員準確地識別管制員指令。飛行員的語言能力對其陸空通話過程中要求管制員重復指令的次數有顯著影響，較高的語言能力可以幫助飛行員較為容易地識別指令。

(3)構建反映飛行員綜合認知能力的模型，通過該模型可以對飛行員綜合認知能力進行評測，進而在一定程度上反映飛行員陸空通話績效的優劣。