基于空中交通復雜度的管制員認知負荷測度

沈愛華

(中國民用航空中南地區空中交通管理局，廣東 廣州 510000)

0 引言

現階段國內外關于認知負荷的研究，主要集中于兩方面，一方面是圍繞認知負荷的評估參數(包括呼吸、腦波、瞳孔反應、心理因素等)進行，這些參數均屬于個體特征對認知負荷產生的影響[1-2]。另一方面是從認知負荷測量方法上進行分析，因為不能對個體認知負荷展開直接的精確化測量，所以，通常運用間接的方法實施評估，即任務績效法、主觀評定法、生理測量法。為了探索空中交通復雜度對管制員認知負荷的影響機制，本文進行模擬管制場景設計，其中包括的指標就是航空器數量、沖突點數、進離場比例。形成管制員認知負荷測評量表，對管制仿真試驗、認知負荷量表數據進行收集，然后以NASA—TLX方法，對不同空中交通復雜度的管制員認知負荷實施測量，并且采取MBBA法檢驗模擬仿真結果。

1 管制員認知負荷及測量

認知負荷理論假設人類的認知結構構成是工作記憶以及長時記憶(有限的心理資源)，在個體同一時間展開很多的任務的時候，這些有限的心理資源的配置原則就是此多彼少。有的學者展開綜合評估空中交通管制員資源的認知負荷期間，是建立在多生理參數的基礎上，結果顯示，對管制員的認知負荷水平來說，影響的主要因素就是航空器數量、沖突點數量、各走廊口進場比例的改變。管制員很多心理資源是讓空中交通指揮占據，如果空中交通復雜度的管制情境各有差異性，那么一定會占據著管制員相應比例的心理資源識別以及處理信息，由此出現管制員認知負荷。

認知負荷主要有兩個特征，一個是個體特征(穩定特征、不穩定特征)，另一個就是任務特征。當前，主要是采取生理測量方法、主觀測量法(主觀評價、行為績效評價)進行研究有關認知負荷測量的問題[3]?？罩薪煌◤碗s度所形成的認知負荷，一般就是在對于實時管制信息進行接收、處理期間產生的內在負荷，所以，運用主觀評價法分析管制員的認知負荷是具備良好適用性的。按照Wickens提出的人類信息處理模型以及聯系起空中管制員工作特點，對于管制人員執行任務期間，在全部人機系統內把相關信息獲取、貯存、使用以及分析的認知過程抽象出來，產生一個整體的框架，即關于“系統研究管制員認知過程的認知結構框架”。當下還沒有應用普遍的基于空中交通復雜度的管制員認知負荷量表，但是飛行員以及汽車駕駛員都有成熟的認知負荷評價方法，可以作為相應的借鑒，再運用NASA—TLX量表，考慮到管制員認知過程對不同空中交通復雜度下的管制員認知負荷，展開綜合的測量，最終獲得幾項管制員認知負荷的評價指標[4-5]。按照管制員認知負荷量綜合編制認知負荷調查問卷同時發放給管制員，將主觀評價數據輸入NASA—TLX軟件中，對管制員認知負荷測度結果展開分析。管制員認知負荷的評價指標主要包括：個性體征(個性、能力、情感等)、腦力需求(付出的腦力活動)、體力需求(體力活動)、時間需求(管制節奏)、努力程度(為保障安全付出的努力)、受挫程度(負面情緒)、績效水平(完成工作的滿意度)。

2 仿真試驗

2.1 試驗環境及設計

試驗期間運用到管制員模擬機，6名被試人員均來自廣州區域管制中心區域雷達管制員，男性和女性分別是4名、2名，全部人員具備3年以上崗位資格，平均年齡31.5歲，具有足夠管制經驗。模擬試驗期間，各試驗任務的被試者都是2名，扮演飛行員、管制員。在雷達模擬機上，由管制人員實施管制指令(高度、速率以及航向)的發布，維護空中交通安全及運行暢順；飛行員在飛行員席位執行管制指令。被試者均接受性格測試，分別選出性格最急躁和冷靜的一位，進行對比觀察，納入冷靜與急躁組。同時選出兩名性格相近的管制員，一名在試驗中注意力集中，另一名播放新聞廣播，納入注意力對比組。

2.2 管制模擬試驗設計

采取萊斯系統模擬管制軟件(由南京28所開發)，管制場景是廣州區域管制2號、20號扇區合并運行管制過程。該區域是管理廣州、深圳、珠海、澳門、平潭、佛山、香港進港和途經(Enroute)管制區的飛機，管理由地面至無限高的空域。區域管制另一項重要工作是處理緊急狀況。由于區域管制的飛機距離目的地機場還有一定距離，如有任何特發甚至是緊急情況都需要由區域管制員對飛行員做出即刻的支援。試驗圍繞七個因素進行，其中的外部因素包括權重最高的航空器數量、沖突點數、各走廊口進場比例；內部因素是注意力、冷靜氣質，試驗場景一共是5個。試驗期間，對管制員手工操作時間、通話時間進行記錄，結束以后，發放NASA—TLX問卷展開調查。

2.3 試驗的步驟

首先開啟模擬機系統練習；其次，被試者將開始的指令發出，對于管制員手工操作時間、通訊時間展開記錄；再次，結束模擬管制工作，完成記錄[6]；最后，NASA—TLX主觀測量結束試驗，包括體力需求、努力程度、業績水平、受挫程度幾項指標。

2.4 模擬試驗的有效性驗證

采取MMBB方法劃分管制員的區域管制工作進程，以此驗證模擬仿真試驗有效性[7]?；诠苤浦噶钅康姆治龅幕A，劃分管制員工作進程為發出速度改變指令、發出高度改變指令、發布穿越高度指令、電子進程單的操作及填寫、對進入扇區的航空器發出管制指令、對脫離扇區的航空器發出管制指令幾個進程。結果顯示，冷靜組試驗中，指揮單架飛機有34.79 s的思考時間，結束試驗后展開NASA—TLX量表測量，結果此場景對冷靜組的認知負荷是84.67。以折線表示MMBB方法的測量結果，用簇狀表示NASA—TLX方法的測量結果，整體趨勢相同，相關系數是0.976，相關性顯著。

2.5 結果分析

首先，在沖突點數的影響上。此試驗結果顯示，沖突點數的主效應明顯，沖突點數因素深刻的影響管制員區域管制認知負荷，認知負荷在沖突點數增加的情況下出現明顯的增加結果；其次，在冷靜影響因素分析方面，航路點NOLON進港航班比例主效應顯著，冷靜氣質對管制員認知負荷的影響顯著，管制員具備冷靜氣質時，具有更小的認知負荷；最后，注意力影響因素分析上，需要穿越高度航班比例主效應顯著，注意力集中程度明顯地影響到管制員認知負荷，如果管制員的注意力集中，那么其認知負荷會更小些。以上結果，NASA—TLX方法所得結論均是相同于MMBB方法所得結論的。

進行觀察管制行為能夠顯示出，不同的空中交通管制復雜度，對于管制人員來說，認知負荷可以產生一定的影響，同時空中交通管制復雜程度與管制人員認知負荷雙方之間的主要關聯性呈正比。空中交通復雜度中的各走廊口航班比例，正相關聯于管制員認知負荷，管制員認知評價個性特征中的冷靜以及注意力是負相關聯于管制員認知負荷的。此次的研究中，結果良好的符合于管制員評價指標體系，可以有助于更深入的研究分析管制員認知負荷的影響因素。

3 結語

本文進行設計模擬管制場景，形成管制員認知負荷測評量表，對管制仿真試驗、認知負荷量表數據進行收集，然后以NASA—TLX方法測量不同空中交通復雜度的管制員認知負荷相關情況，再以MBBA法檢驗模擬仿真結果。通過分析管制行為可以看出，不同的空中交通管制復雜度對管制員都可產生認知負荷，雙方之間存在明顯的關聯性，即正比關系。隨之提高新管制系統，不斷擴大應用范圍，信息的繁雜程度，對管制員的認知能力具有更高的要求。因此，未來要不斷研究新型空管系統對于空中交通管制員認知負荷的影響機制。