基于空中交通复杂度的管制员认知负荷测度

沈爱华

(中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东 广州 510000)

0 引言

现阶段国内外关于认知负荷的研究，主要集中于两方面，一方面是围绕认知负荷的评估参数(包括呼吸、脑波、瞳孔反应、心理因素等)进行，这些参数均属于个体特征对认知负荷产生的影响[1-2]。另一方面是从认知负荷测量方法上进行分析，因为不能对个体认知负荷展开直接的精确化测量，所以，通常运用间接的方法实施评估，即任务绩效法、主观评定法、生理测量法。为了探索空中交通复杂度对管制员认知负荷的影响机制，本文进行模拟管制场景设计，其中包括的指标就是航空器数量、冲突点数、进离场比例。形成管制员认知负荷测评量表，对管制仿真试验、认知负荷量表数据进行收集，然后以NASA—TLX方法，对不同空中交通复杂度的管制员认知负荷实施测量，并且采取MBBA法检验模拟仿真结果。

1 管制员认知负荷及测量

认知负荷理论假设人类的认知结构构成是工作记忆以及长时记忆(有限的心理资源)，在个体同一时间展开很多的任务的时候，这些有限的心理资源的配置原则就是此多彼少。有的学者展开综合评估空中交通管制员资源的认知负荷期间，是建立在多生理参数的基础上，结果显示，对管制员的认知负荷水平来说，影响的主要因素就是航空器数量、冲突点数量、各走廊口进场比例的改变。管制员很多心理资源是让空中交通指挥占据，如果空中交通复杂度的管制情境各有差异性，那么一定会占据着管制员相应比例的心理资源识别以及处理信息，由此出现管制员认知负荷。

认知负荷主要有两个特征，一个是个体特征(稳定特征、不稳定特征)，另一个就是任务特征。当前，主要是采取生理测量方法、主观测量法(主观评价、行为绩效评价)进行研究有关认知负荷测量的问题[3]。空中交通复杂度所形成的认知负荷，一般就是在对于实时管制信息进行接收、处理期间产生的内在负荷，所以，运用主观评价法分析管制员的认知负荷是具备良好适用性的。按照Wickens提出的人类信息处理模型以及联系起空中管制员工作特点，对于管制人员执行任务期间，在全部人机系统内把相关信息获取、贮存、使用以及分析的认知过程抽象出来，产生一个整体的框架，即关于“系统研究管制员认知过程的认知结构框架”。当下还没有应用普遍的基于空中交通复杂度的管制员认知负荷量表，但是飞行员以及汽车驾驶员都有成熟的认知负荷评价方法，可以作为相应的借鉴，再运用NASA—TLX量表，考虑到管制员认知过程对不同空中交通复杂度下的管制员认知负荷，展开综合的测量，最终获得几项管制员认知负荷的评价指标[4-5]。按照管制员认知负荷量综合编制认知负荷调查问卷同时发放给管制员，将主观评价数据输入NASA—TLX软件中，对管制员认知负荷测度结果展开分析。管制员认知负荷的评价指标主要包括：个性体征(个性、能力、情感等)、脑力需求(付出的脑力活动)、体力需求(体力活动)、时间需求(管制节奏)、努力程度(为保障安全付出的努力)、受挫程度(负面情绪)、绩效水平(完成工作的满意度)。

2 仿真试验

2.1 试验环境及设计

试验期间运用到管制员模拟机，6名被试人员均来自广州区域管制中心区域雷达管制员，男性和女性分别是4名、2名，全部人员具备3年以上岗位资格，平均年龄31.5岁，具有足够管制经验。模拟试验期间，各试验任务的被试者都是2名，扮演飞行员、管制员。在雷达模拟机上，由管制人员实施管制指令(高度、速率以及航向)的发布，维护空中交通安全及运行畅顺；飞行员在飞行员席位执行管制指令。被试者均接受性格测试，分别选出性格最急躁和冷静的一位，进行对比观察，纳入冷静与急躁组。同时选出两名性格相近的管制员，一名在试验中注意力集中，另一名播放新闻广播，纳入注意力对比组。

2.2 管制模拟试验设计

采取莱斯系统模拟管制软件(由南京28所开发)，管制场景是广州区域管制2号、20号扇区合并运行管制过程。该区域是管理广州、深圳、珠海、澳门、平潭、佛山、香港进港和途经(Enroute)管制区的飞机，管理由地面至无限高的空域。区域管制另一项重要工作是处理紧急状况。由于区域管制的飞机距离目的地机场还有一定距离，如有任何特发甚至是紧急情况都需要由区域管制员对飞行员做出即刻的支援。试验围绕七个因素进行，其中的外部因素包括权重最高的航空器数量、冲突点数、各走廊口进场比例；内部因素是注意力、冷静气质，试验场景一共是5个。试验期间，对管制员手工操作时间、通话时间进行记录，结束以后，发放NASA—TLX问卷展开调查。

2.3 试验的步骤

首先开启模拟机系统练习；其次，被试者将开始的指令发出，对于管制员手工操作时间、通讯时间展开记录；再次，结束模拟管制工作，完成记录[6]；最后，NASA—TLX主观测量结束试验，包括体力需求、努力程度、业绩水平、受挫程度几项指标。

2.4 模拟试验的有效性验证

采取MMBB方法划分管制员的区域管制工作进程，以此验证模拟仿真试验有效性[7]。基于管制指令目的分析的基础，划分管制员工作进程为发出速度改变指令、发出高度改变指令、发布穿越高度指令、电子进程单的操作及填写、对进入扇区的航空器发出管制指令、对脱离扇区的航空器发出管制指令几个进程。结果显示，冷静组试验中，指挥单架飞机有34.79 s的思考时间，结束试验后展开NASA—TLX量表测量，结果此场景对冷静组的认知负荷是84.67。以折线表示MMBB方法的测量结果，用簇状表示NASA—TLX方法的测量结果，整体趋势相同，相关系数是0.976，相关性显著。

2.5 结果分析

首先，在冲突点数的影响上。此试验结果显示，冲突点数的主效应明显，冲突点数因素深刻的影响管制员区域管制认知负荷，认知负荷在冲突点数增加的情况下出现明显的增加结果；其次，在冷静影响因素分析方面，航路点NOLON进港航班比例主效应显著，冷静气质对管制员认知负荷的影响显著，管制员具备冷静气质时，具有更小的认知负荷；最后，注意力影响因素分析上，需要穿越高度航班比例主效应显著，注意力集中程度明显地影响到管制员认知负荷，如果管制员的注意力集中，那么其认知负荷会更小些。以上结果，NASA—TLX方法所得结论均是相同于MMBB方法所得结论的。

进行观察管制行为能够显示出，不同的空中交通管制复杂度，对于管制人员来说，认知负荷可以产生一定的影响，同时空中交通管制复杂程度与管制人员认知负荷双方之间的主要关联性呈正比。空中交通复杂度中的各走廊口航班比例，正相关联于管制员认知负荷，管制员认知评价个性特征中的冷静以及注意力是负相关联于管制员认知负荷的。此次的研究中，结果良好的符合于管制员评价指标体系，可以有助于更深入的研究分析管制员认知负荷的影响因素。

3 结语

本文进行设计模拟管制场景，形成管制员认知负荷测评量表，对管制仿真试验、认知负荷量表数据进行收集，然后以NASA—TLX方法测量不同空中交通复杂度的管制员认知负荷相关情况，再以MBBA法检验模拟仿真结果。通过分析管制行为可以看出，不同的空中交通管制复杂度对管制员都可产生认知负荷，双方之间存在明显的关联性，即正比关系。随之提高新管制系统，不断扩大应用范围，信息的繁杂程度，对管制员的认知能力具有更高的要求。因此，未来要不断研究新型空管系统对于空中交通管制员认知负荷的影响机制。