基于生理特征的應(yīng)急情境下管制員安全行為能力測評

王宇，王健新

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基于生理特征的應(yīng)急情境下管制員安全行為能力測評

王宇1，王健新2

（1.中國民航大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300300；2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

為了客觀評價(jià)管制員在應(yīng)急情境下的安全行為水平，模擬大流量管制情境，選取14名一線管制員作為被試，采用專家打分方式確定其安全績效，采用生理多導(dǎo)儀測量其心率、心率變異性、皮電等生理數(shù)據(jù)，并構(gòu)建安全行為能力指數(shù)。結(jié)果表明，應(yīng)急情境下管制員的平均心率、SDNN、PNN50、張力EDA、相位EDA等5項(xiàng)生理指標(biāo)有明顯變化，其中SDNN、PNN50隨著流量的增加降低，其余指標(biāo)明顯增加。安全行為能力指數(shù)能有效反映管制員的技能水平和安全行為能力，為管制員的選拔和培訓(xùn)提供一定的參考。

管制員；應(yīng)急情境；生理指標(biāo)；安全績效

近年來，盡管航班量快速增長，但我國空域卻沒有增加，使得管制員在同一時(shí)間內(nèi)指揮更多的航空器，給他們帶來更大的工作壓力。已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，人在緊張情境下受到刺激時(shí)，其大腦活動(dòng)會(huì)最終導(dǎo)致其生理上發(fā)生變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致其錯(cuò)誤的決策行為。因此，有必要分析管制員的生理指標(biāo)與其不安全行為之間的關(guān)系，以測評其在緊張情況下的安全行為能力。

國內(nèi)外學(xué)者通過對司機(jī)、飛行員等人員的生理指標(biāo)進(jìn)行研究，分析其行為能力，如Nassef等[1]提出用HRV1（128 s內(nèi)心率功率譜從0.07～0.14 Hz變化的平均值）和HRV2（相同128 s內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差與HRV1的比值）作為被試的心率變異性指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)司機(jī)的這兩項(xiàng)生理指標(biāo)會(huì)隨著工作負(fù)荷的增加而降低；Veltman等[2]通過測量飛行員的心率、血壓、呼吸和眨眼等指標(biāo)以評估飛行員的工作敏感性，發(fā)現(xiàn)心率和血壓對其工作負(fù)荷變化的敏感性較強(qiáng)；而針對雷達(dá)管制員，已有學(xué)者通過眼動(dòng)和面部特征等指標(biāo)分析其工作負(fù)荷狀況，如汪磊等[3]通過面部特征識別方法實(shí)現(xiàn)了對管制員疲勞狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；王燕青等[4]分析了大流量情境下管制員眼動(dòng)指標(biāo)的變化規(guī)律，為進(jìn)一步評估管制員的應(yīng)急能力提供了依據(jù)。但針對程序管制員，無法通過眼動(dòng)和面部特征指標(biāo)分析其安全行為能力，因此，本文擬通過對雷達(dá)管制員和程序管制員同時(shí)適用的生理特征指標(biāo)以分析管制員的安全行為水平，進(jìn)而為管制員的培訓(xùn)、考核提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器的選取

采用Erglolab生理多導(dǎo)儀記錄被試的各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.2 應(yīng)急情境的設(shè)計(jì)

《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》中第八章第二百條規(guī)定“通常情況下，進(jìn)近扇區(qū)管制席位同時(shí)提供雷達(dá)服務(wù)航空器的數(shù)量最多為8架”，因此，可以以大流量管制作為應(yīng)急情境。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合管制單位的實(shí)際工作情況，將小流量（管制航班為8架次及以下）管制情境作為對照組：將大流量（管制航班為9架次及以上）管制情境作為實(shí)驗(yàn)組。

1.3 被試的選取

選取14名一線男性管制員作為被試，被試均能熟練操作管制模擬機(jī)。實(shí)驗(yàn)前被試均休息良好且滿足《民用航空空中交通管制員執(zhí)照管理規(guī)則》中的管制員上崗要求。根據(jù)被試所持執(zhí)照等級、參與重大任務(wù)保障情況等因素將被試的技能水平分為新手組（編號1～6）和老手組（編號7～14）。

1.4 測量指標(biāo)的確定

參考《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》和《民用航空空中交通管制培訓(xùn)管理規(guī)則》的規(guī)定，確定出管制員安全績效定性指標(biāo)包括：保持清醒的判斷、管制意圖正確有效和合理分配注意力等3個(gè)指標(biāo)；定量指標(biāo)包括完成練習(xí)時(shí)間和發(fā)現(xiàn)復(fù)誦錯(cuò)誤次數(shù)等2個(gè)指標(biāo)。

考慮到管制員在應(yīng)急情境下易出現(xiàn)緊張情緒，進(jìn)而可能引發(fā)心率、皮電、血壓等生理變化，確定本實(shí)驗(yàn)測量的生理指標(biāo)主要包括心率、心率變異性和皮電三個(gè)指標(biāo)。

1.5 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)前確認(rèn)被試的身體狀況滿足《空中交通管制員執(zhí)照管理規(guī)則》有關(guān)規(guī)定，并告知其本次實(shí)驗(yàn)的目的；將管制模擬機(jī)設(shè)置為練習(xí)模式；被試調(diào)整坐姿和座椅高度，并穿戴好生理多導(dǎo)儀，確認(rèn)生理數(shù)據(jù)采集正常后即開始模擬機(jī)練習(xí)；模擬管制過程持續(xù)約35 min，期間航班數(shù)量穩(wěn)定增加至9架以上；被試在該階段負(fù)責(zé)管制航班起降、解決航班沖突以及通告軍方活動(dòng)等事宜；待所有出港航班均正常爬升且進(jìn)港航班按理想序列進(jìn)近后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 管制員安全績效數(shù)據(jù)分析

被試的安全績效定性指標(biāo)得分由3名專家打分并取其平均數(shù)得出，其中一名在被試不知情的情況下現(xiàn)場打分，另外兩名通過回放錄像的方式進(jìn)行打分；定量指標(biāo)中的完成練習(xí)時(shí)間由管制模擬機(jī)記錄，發(fā)現(xiàn)復(fù)誦錯(cuò)誤次數(shù)由視頻回放記錄，因此被試的安全績效指標(biāo)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以看出，老手管制員在5項(xiàng)安全績效指標(biāo)數(shù)據(jù)上均明顯優(yōu)于新手，表明老手管制員較新手能更好地保持頭腦清醒、制訂出更加有效的管制策略，在合理分配注意力的情況下以更短的時(shí)間完成任務(wù)，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行員的復(fù)誦失誤。

2.2 生理數(shù)據(jù)分析

在選定的3項(xiàng)生理指標(biāo)中，心率是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)；HRV是指心跳間期有節(jié)律的波動(dòng)，對HRV的分析可分為時(shí)域分析和頻域分析，本實(shí)驗(yàn)選取被廣泛認(rèn)可的SDNN和PNN50作為時(shí)域指標(biāo)，選取LF/HF作為頻域指標(biāo)；皮膚電活動(dòng)（EDA）包括張力EDA（基線值）和相位EDA（反應(yīng)變化值）。現(xiàn)將被試在對照組和實(shí)驗(yàn)組的生理指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

從表2可看出，除平均心率和LF/HF外，其余指標(biāo)的均值均在對照組和實(shí)驗(yàn)組之間有明顯差別，說明應(yīng)急情境的出現(xiàn)會(huì)對管制員的生理指標(biāo)造成一定的影響。

進(jìn)一步對管制員的生理指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)6項(xiàng)生理指標(biāo)值均服從正態(tài)分布（＞0.05），因此，可對對照組和實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果表明管制員在平均心率（=－3.471，=0.004）、SDNN（=8.554，=0.000）、PNN50（=6.417，=0.000）、張力EDA（=－4.818，=0.000）、相位EDA（=－5.374，=0.000）5項(xiàng)生理指標(biāo)上有明顯變化，而在LF/HF（=－1.160，=0.267）上沒有明顯變化，因此，可利用平均心率、SDNN、PNN50、張力EDA和相位EDA等5項(xiàng)生理指標(biāo)來反映管制員在應(yīng)急情境下的安全行為水平。

3 管制員安全行為能力模型的構(gòu)建

為了進(jìn)一步分析管制員各生理指標(biāo)的變化與其安全行為水平間的關(guān)系，現(xiàn)構(gòu)建一無量綱指數(shù)，即安全行為能力指數(shù)，以綜合衡量應(yīng)急情境下的管制員生理指標(biāo)變化，計(jì)算方法如下：

式（1）中：i為第個(gè)被試的安全行為能力指數(shù)；ij和ij分別為第個(gè)被試在應(yīng)急情境出現(xiàn)前、后產(chǎn)生正向變化的第個(gè)生理指標(biāo)，=1，2，3；ik和ik分別為第個(gè)被試在應(yīng)急情境出現(xiàn)前、后產(chǎn)生負(fù)向變化的第項(xiàng)生理指標(biāo)，=1，2.

為了驗(yàn)證值的適用性，將14名被試的生理數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算出各被試的值，將值與管制員的技能水平做二列相關(guān)分析，得=0.905**，=0.000，說明被試的值與其技能水平有極強(qiáng)的相關(guān)性，并將值與各安全績效指標(biāo)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，指數(shù)與被試各項(xiàng)安全績效均有高度相關(guān)性，即值越大，被試完成任務(wù)所需時(shí)間越少，對飛行員復(fù)誦越專注，頭腦判斷越清醒，管制策略越高效，注意力分配越合理。因此，可用安全行為能力指數(shù)來反映管制員的安全績效。

表1 管制員安全績效數(shù)據(jù)

技能水平定性指標(biāo)定量指標(biāo) 保持清醒判斷管制意圖正確有效合理分配注意力完成練習(xí)時(shí)間發(fā)現(xiàn)復(fù)誦錯(cuò)誤次數(shù) 新手2.777 82.777 83.166 735.366 70.333 3 老手3.541 73.458 33.541 731.012 51.500 0

表2 管制員生理指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

生理指標(biāo)實(shí)驗(yàn)分組 對照組實(shí)驗(yàn)組 均值標(biāo)準(zhǔn)差均值標(biāo)準(zhǔn)差 平均心率/bmp87.589 112.473 188.669 912.553 7 SDNN/ms98.251 513.025 885.453 111.142 1 PNN50/（%）8.946 93.468 87.297 73.130 6 LF/HF4.231 10.231 84.376 20.381 9 張力EDA/μs4.072 43.466 57.410 05.558 3 相位EDA/μs0.150 40.084 80.239 20.136 5

表3 指數(shù)與安全績效的相關(guān)性分析

完成練習(xí)時(shí)間發(fā)現(xiàn)復(fù)誦錯(cuò)誤次數(shù) 保持清醒的判斷管制意圖正確有效合理分配注意力 相關(guān)系數(shù)－0.592*0.680**0.593*0.724**0.646* P-value0.0260.0070.0260.0030.013

4 結(jié)論

應(yīng)急情境出現(xiàn)時(shí)，管制員的平均心率、SDNN、PNN50、張力EDA和相位EDA等5項(xiàng)生理指標(biāo)會(huì)發(fā)生明顯變化，而HRV中LF/HF的變化不明顯。其中，平均心率、張力EDA和相位EDA的變化率越大，則值越大；SDNN和PNN50的變化率越大，則值越小。構(gòu)造的安全行為能力指數(shù)與管制員的技能水平和安全績效之間高度相關(guān)，表明值能很好地反映管制員在大流量應(yīng)急情境下的安全行為能力，它的提出利用能有效降低專家打分的主觀性。

［1］Nassef，M.Mahfouf，D.A.Linkens.The assessment of hart rate variability（HRV）and task load index（TLI） as physiological markers for physical stress［J］.World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering，2009，25（09）：146-149.

［2］J.A.Veltman，A.W.K.Gaillard.Physiological indices of workload in a simulated flight task［J］.Biological Psychology，1996，6（01）：323-342.

［3］汪磊，孫瑞山.基于面部特征識別的管制員疲勞監(jiān)測方法研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（07）：66-71.

［4］王燕青，王健新，惠金有.大流量管制情境下雷達(dá)管制員眼動(dòng)特征分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，6（26）：1-6.

2095－6835（2018）24－0137－02

F272.92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.137

〔編輯：張思楠〕