航空安全领域的情境意识研究进展

靳慧斌，朱国蕾，穆晓萌，刘亚威

(1. 中国民航大学 通用航空学院，天津 300300； 2. 中国民航大学 飞行技术学院，天津 300300； 3. 郑州航空工业管理学院 民航学院，河南 郑州 450046)

0 引 言

情境意识是航空安全领域的焦点话题之一，尤其在人因差错的研究方面。据统计，情境意识错误是导致民航不安全事件乃至事故的主要因素之一：美国航空安全自愿报告系统的不安全事件(1986—1992年)中有38%可归因于情境意识错误[1]；D.G.JONES等通过分析美国国家运输安全委员会的24起民航事故调查报告发现，人为差错导致的重大事故中高达88%是情境意识错误造成的[2]。因此，回顾情境意识的理论模型、测量方法及其在航空安全领域的应用进展，有利于未来更好地发挥其对航空人员选拔、培训以及航空人机交互系统优化设计的指导作用，对预防人为差错、提高航空系统的安全性具有十分重要的意义。

1 情境意识理论模型

情境意识研究起源于军事航空领域，目前已广泛应用于交通运输[3-6]、过程控制[7-8]、应急管理[9-10]、工业设计[11]等领域。研究对象也从最开始的个体拓展到团队和系统。

1.1 个体情境意识理论模型

目前，最经典、最广泛应用的情境意识理论为M.R.ENDSLEY基于信息加工模型提出的三水平论[12]：第一水平——信息感知，感知周围环境中任务相关元素的属性、状态和变化等；第二水平——信息理解，基于自身知识经验等对上一水平获取的信息进行过滤、加工和理解； 第三水平——在前两个水平的基础上预测未来的系统状态，从而指导决策和进行行为响应(虽然术语是“第一、二、三水平”，但该模型并不是线性的[13])。这种定义不仅概括了许多早期研究情境意识问题的成果[14-15]，而且和更基本的“输入-处理-输出”(input-processing-output，IPO)认知模型有相似之处[16]，和1980年发端的认知心理学的时代思潮一脉相承。另外一个值得关注的情境意识理论为K.SMITH和P.A.HANCOCK 在图式理论[17]及知觉环模型基础上提出的“知觉/行动环”模型。该模型将情境意识定义为“自适应，外部导向性的意识”[18]，是一个在知识、行动和信息的自适应循环中的不变成分，能够促进对情境的预测，引导个人注意环境中的线索并指导行动。N.A.STANTON等认为，情境意识是工作记忆的一个子集，但更重要的是，它既不存在于系统中，也不完全在人，而是在人与系统的交互过程中才会出现[19]。

M.R.ENDSLEY的三水平论将情境意识描述为一个包含3个层次的内部认知“产品”，而K.SMITH和P.A.HANCOCK的“知觉/行动环”理论则认为情境意识存在于获取和保持它的过程中。这就是目前情境意识研究中“产品论”和“过程论”的争议之处。

1.2 团队情境意识理论模型

团队的特点在于任务协作、队员配合、专业的成员角色以及强化沟通等[20]。一个高效的团队会有大量的交互式绩效监控。从本质上讲，这是一种对他们所处共同情境的扫描、感知、理解和预测。因此，E.SALAS等将团队情境意识(team situation awareness，TSA)定义为“在某一时间点对团队成员之间情况共同的理解”[21]。同时，E.SALAS等认为团队情境意识的关键是信息交换，这不仅仅涉及语言交流，还包括在任务状态、信息显示和复杂的团队环境中存在的无数其他线索的信息。团队中个体对信息的理解既受到其他团队成员理解的影响，同时也影响着团队其他成员的理解。因此，个体情境意识是团队情境意识的构成基础，团队情境意识也反过来影响着个体的情境意识。

Y.SHU等[22]在团队情境意识理论模型的基础上提出了“共识”的概念(共识是指理解对方的活动、信念和意图)，认为团队情境意识包括个体情境意识和“共识”，并进一步定义团队情境意识为“两个或两个以上的个人在共同的环境下，对目前情境和队友协作任务的理解。”

1.3 系统情境意识理论模型

首次在系统的水平讨论情境意识是C.GARBIS等[23]提出的“主动构建一种部分共享和部分分布在两个或多个代理(包括人和机)之间的情境模式，从中可以预见未来重要的状态” 。该观点的创新之处是认为情境意识不仅分布在团队成员中，而且也分布在团队使用的机器设备中，应该将联合认知系统作为一个整体，研究团队成员和人机之间的交互，而不是个体的认知。

后来N.A.STANTON等[24]又提出了分布式情境意识理论(distributed situation awareness， DSA)。“在一个随着情境发展变化的系统中，被激活的针对特定任务的知识”，这是目前表达最完善且已经得到充分发展的可用的情境意识系统观。该观点认为系统的情境意识是由观点和所有权不同的构成要素的组成的信息网络，其关键在于这些不同观点是彼此联系的，使适当的信息能够在在适当的时间传递给合适的人机代理[25-26]。分布式情境意识理论认为每个代理因目标、角色、任务等差异都拥有各自独特的情境意识，但这些情境意识是兼容的。这种兼容性是降低风险、支撑安全和有效绩效的关键要素。P.M.SALMON等[27]进一步将分布式情境意识理论应用于法国航空447空难的分析中，认为事故是由人机代理之间信息交流故障导致系统情境意识丧失造成的，而不只是飞行员个体丧失情境意识的后果。

此外，情境意识还有一些其他的理论模型，但由于并非主流，影响力有限，且杨家忠等[28]和N.A.STANTON等[19]已经做过阐释，笔者不再赘述。

综上可知，情境意识的研究已经逐步从传统的关注个体开始转向团队和系统水平。例如，人们从研究管制员的个体情境意识开始转移到研究管制单位的团队情境意识，还进一步扩展到研究整个空管系统的情境意识(包含管制人员和雷达系统、语音交互系统、空管自动化系统、数据库等，见图1)。这种转变与安全观念的发展演进(从个人因素到系统安全观)一致。

图1 空管领域情境意识研究发展示意Fig. 1 Development of situational awareness research in air trafficcontrol

通过对模型进行对比，总结出Endsley模型适用于个人及中等以下规模的团队，彼此之间有重叠和共享的情景意识。分布式情景意识模型能够应用于大规模的团队和系统，可以根据团队中每个个体不同的角色进行归类，绘制出相应的连接网[29]。情境意识理论模型要点概括见表1。

表1 情境意识理论模型要点概括Table 1 Summary of the key points of situational awareness theorymodel

2 情境意识测量方法

经过多年的研究发展，专家们已经开发出种类丰富的情境意识测量方法[28-31]。其中，应用于航空领域的经典情境意识测量方法有：情境意识自评技术[33](situation awareness rating techniques，SART)、冻结探测技术[30-31](situation awareness global assessment, SAGAT)及其空管版本[34]、即时情境评估方法[35-36](situation present assessment method，SPAM)、欧洲航空安全组织融合实时探测技术和实验后问卷开发的SASHA情境意识测量方法[37](situation awareness measures for solutions for human-automation partnerships，SASHA)以及作为过程指标的口语报告分析[38]和眼动测量[39-40]等等。其中一个值得关注的趋势是随着眼动测量技术的快速发展及眼动与大脑注意和信息加工机制的密切联系，利用眼动测量情境意识受到越来越多国内学者的重视。如靳慧斌等[41-42]利用眼动指标研究了空管人员的情境意识；刘双等[43]利用眼动分析研究了民航飞行员的情境意识。航空领域情境意识测量方法概览见表2。更加详细的可见姬鸣对情景意识测量方法的总结[45]。

表2 航空领域情境意识测量方法概览Table 2 Overview of situational awareness measurement in aviation

由表2可知，每种情境意识测量方法均各有优劣。如主观量表式的测量方法，虽然具有快捷方便的优点，但主观打分自身所固有的信效度问题以及主观量表介入测量的时机(实验中还是实验后)等均为该方法很难克服的缺陷。再比如生理测量(脑电、心电等)，虽然有学者认为利用该方法可以“推断”被试的情境意识水平，但生理测量不仅操作复杂，很难付诸实际应用，而且其到底反映的是不是被试的情境意识还有待深入探讨。综合来说，单一的测量方法已经无法满足在实时人因工程中测量情境意识的要求，考虑多种测量技术的融合，如将过程指标(如眼动分析)和产品指标(如主观自评)有机结合起来，是解决该问题的一个可能方案。同时，还应积极探索新的情境意识测量技术，否则研究者们只会使用已知且经过广泛验证的方法(如SAGAT技术)，这会造成情境意识测量技术的发展止步不前[32]。

3 情境意识在航空安全领域的应用及展望

情境意识在航空安全领域的应用大致包括3个方面：

1)指导航空人为差错事件/事故的深入分析[1-2，27，43-44]，预防类似事故的再次发生。人为差错导致的重大事故中高达88%由情境意识错误造成。从情景意识方面入手分析事故发生的根本原因，能够有效的避免类似事故的重复发生，对保障航空安全具有重要的意义。

2)人员选拔和培训。选拔出胜任的人是保障安全的重要措施。如今情境意识已成为飞行员选拔和绩效考核的一项核心指标，未来将拓展到对管制员等的选拔和培训中[41]。管制员情景意识的优劣不仅关系到空管乃至民航安全，也关系到管制效率：某些大流量情境下，情景意识良好的管制员能够采取高效的策略进行管制，保证航空安全的同时也能降低自身工作负荷；而情景意识较差的管制员面对大流量的管制工作时，因采取的策略不合理，不仅容易给自身带来高度的工作负荷，也容易出现管制差错，影响航空安全。

3)对现用的系统进行评估以及指导新的系统的设计。如应用在航空器上为了降低飞行员低头查看仪表的频率，避免注意力中断以及丧失对情境意识而设计的平视显示器(head up display，HUD)[46]；增强军事飞行员的战场情境意识的基于眼动追踪的头盔显示器[47](helmet-mounted display，HMD)；T.LAURAIN等[48]设计的3D机载天气情境意识系统(onboard weather situation awareness system，OWSAS)；S.BOULNOIS等[49]开发的机载情境感知信息系统(onboard context-sensitive information system，OCSIS)，等等。通过利用情景意识来对系统进行评估改进是未来系统设计的一个重要评估点。情景意识的优劣关系到航空安全。现有系统或开发的新系统是否会提高或者干扰人员的情景意识越来越成为航空领域关注的热点方向。对情景意识不断的测量来评估和改进系统的设计或者开发新系统来提高情景意识的水平已成为航空领域乃至其他工业设计领域的新趋势。

关于情境意识理论模型和测量方法的研究，未来在以下两个方面仍需要加强：

1)较为普适的情境意识理论模型。由上述的分析可知，情境意识理论的模型众多，且模型之间多有争议之处，如“过程论”和“产品论”之争。考虑博采众家之长，对概念、定义进一步清晰化，发展出更为普适，可操作性强的情境意识理论模型是情境意识研究向前进步的重要突破口。

2)能够无侵入性进行情境意识实时测量的方法。团队和系统的情境意识测量方法大都是从对个体的情境意识测量方法改进来的，但测量方法的适用性、敏感性、诊断性等，以及能否投入未来人机交互更为频繁的环境中应用，均为迫切需要解决的问题。考虑多种测量方法的融合，以及无侵入地采集到被试在实验中的情境意识数据，是实现情境意识测量方法演进的重要途径。

综上所述，情境意识已经逐步从研究个体转向更为复杂的团队和人机系统。但是这并不意味着对个体的情境意识研究已经彻底明了，将“过程论”和 “产品论”有机结合起来，挖掘更加普适、可靠高效的情境意识测量方法依然是未来的一大研究重点。 这些理论和测量方法上的突破将为航空安全领域的实际应用发挥更好的指导作用。