航空安全領(lǐng)域的情境意識研究進展

靳慧斌，朱國蕾，穆曉萌，劉亞威

(1. 中國民航大學(xué) 通用航空學(xué)院，天津 300300； 2. 中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300； 3. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 民航學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引 言

情境意識是航空安全領(lǐng)域的焦點話題之一，尤其在人因差錯的研究方面。據(jù)統(tǒng)計，情境意識錯誤是導(dǎo)致民航不安全事件乃至事故的主要因素之一：美國航空安全自愿報告系統(tǒng)的不安全事件(1986—1992年)中有38%可歸因于情境意識錯誤[1]；D.G.JONES等通過分析美國國家運輸安全委員會的24起民航事故調(diào)查報告發(fā)現(xiàn)，人為差錯導(dǎo)致的重大事故中高達88%是情境意識錯誤造成的[2]。因此，回顧情境意識的理論模型、測量方法及其在航空安全領(lǐng)域的應(yīng)用進展，有利于未來更好地發(fā)揮其對航空人員選拔、培訓(xùn)以及航空人機交互系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的指導(dǎo)作用，對預(yù)防人為差錯、提高航空系統(tǒng)的安全性具有十分重要的意義。

1 情境意識理論模型

情境意識研究起源于軍事航空領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于交通運輸[3-6]、過程控制[7-8]、應(yīng)急管理[9-10]、工業(yè)設(shè)計[11]等領(lǐng)域。研究對象也從最開始的個體拓展到團隊和系統(tǒng)。

1.1 個體情境意識理論模型

目前，最經(jīng)典、最廣泛應(yīng)用的情境意識理論為M.R.ENDSLEY基于信息加工模型提出的三水平論[12]：第一水平——信息感知，感知周圍環(huán)境中任務(wù)相關(guān)元素的屬性、狀態(tài)和變化等；第二水平——信息理解，基于自身知識經(jīng)驗等對上一水平獲取的信息進行過濾、加工和理解； 第三水平——在前兩個水平的基礎(chǔ)上預(yù)測未來的系統(tǒng)狀態(tài)，從而指導(dǎo)決策和進行行為響應(yīng)(雖然術(shù)語是“第一、二、三水平”，但該模型并不是線性的[13])。這種定義不僅概括了許多早期研究情境意識問題的成果[14-15]，而且和更基本的“輸入-處理-輸出”(input-processing-output，IPO)認(rèn)知模型有相似之處[16]，和1980年發(fā)端的認(rèn)知心理學(xué)的時代思潮一脈相承。另外一個值得關(guān)注的情境意識理論為K.SMITH和P.A.HANCOCK 在圖式理論[17]及知覺環(huán)模型基礎(chǔ)上提出的“知覺/行動環(huán)”模型。該模型將情境意識定義為“自適應(yīng)，外部導(dǎo)向性的意識”[18]，是一個在知識、行動和信息的自適應(yīng)循環(huán)中的不變成分，能夠促進對情境的預(yù)測，引導(dǎo)個人注意環(huán)境中的線索并指導(dǎo)行動。N.A.STANTON等認(rèn)為，情境意識是工作記憶的一個子集，但更重要的是，它既不存在于系統(tǒng)中，也不完全在人，而是在人與系統(tǒng)的交互過程中才會出現(xiàn)[19]。

M.R.ENDSLEY的三水平論將情境意識描述為一個包含3個層次的內(nèi)部認(rèn)知“產(chǎn)品”，而K.SMITH和P.A.HANCOCK的“知覺/行動環(huán)”理論則認(rèn)為情境意識存在于獲取和保持它的過程中。這就是目前情境意識研究中“產(chǎn)品論”和“過程論”的爭議之處。

1.2 團隊情境意識理論模型

團隊的特點在于任務(wù)協(xié)作、隊員配合、專業(yè)的成員角色以及強化溝通等[20]。一個高效的團隊會有大量的交互式績效監(jiān)控。從本質(zhì)上講，這是一種對他們所處共同情境的掃描、感知、理解和預(yù)測。因此，E.SALAS等將團隊情境意識(team situation awareness，TSA)定義為“在某一時間點對團隊成員之間情況共同的理解”[21]。同時，E.SALAS等認(rèn)為團隊情境意識的關(guān)鍵是信息交換，這不僅僅涉及語言交流，還包括在任務(wù)狀態(tài)、信息顯示和復(fù)雜的團隊環(huán)境中存在的無數(shù)其他線索的信息。團隊中個體對信息的理解既受到其他團隊成員理解的影響，同時也影響著團隊其他成員的理解。因此，個體情境意識是團隊情境意識的構(gòu)成基礎(chǔ)，團隊情境意識也反過來影響著個體的情境意識。

Y.SHU等[22]在團隊情境意識理論模型的基礎(chǔ)上提出了“共識”的概念(共識是指理解對方的活動、信念和意圖)，認(rèn)為團隊情境意識包括個體情境意識和“共識”，并進一步定義團隊情境意識為“兩個或兩個以上的個人在共同的環(huán)境下，對目前情境和隊友協(xié)作任務(wù)的理解。”

1.3 系統(tǒng)情境意識理論模型

首次在系統(tǒng)的水平討論情境意識是C.GARBIS等[23]提出的“主動構(gòu)建一種部分共享和部分分布在兩個或多個代理(包括人和機)之間的情境模式，從中可以預(yù)見未來重要的狀態(tài)” 。該觀點的創(chuàng)新之處是認(rèn)為情境意識不僅分布在團隊成員中，而且也分布在團隊使用的機器設(shè)備中，應(yīng)該將聯(lián)合認(rèn)知系統(tǒng)作為一個整體，研究團隊成員和人機之間的交互，而不是個體的認(rèn)知。

后來N.A.STANTON等[24]又提出了分布式情境意識理論(distributed situation awareness， DSA)?！霸谝粋€隨著情境發(fā)展變化的系統(tǒng)中，被激活的針對特定任務(wù)的知識”，這是目前表達最完善且已經(jīng)得到充分發(fā)展的可用的情境意識系統(tǒng)觀。該觀點認(rèn)為系統(tǒng)的情境意識是由觀點和所有權(quán)不同的構(gòu)成要素的組成的信息網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵在于這些不同觀點是彼此聯(lián)系的，使適當(dāng)?shù)男畔⒛軌蛟谠谶m當(dāng)?shù)臅r間傳遞給合適的人機代理[25-26]。分布式情境意識理論認(rèn)為每個代理因目標(biāo)、角色、任務(wù)等差異都擁有各自獨特的情境意識，但這些情境意識是兼容的。這種兼容性是降低風(fēng)險、支撐安全和有效績效的關(guān)鍵要素。P.M.SALMON等[27]進一步將分布式情境意識理論應(yīng)用于法國航空447空難的分析中，認(rèn)為事故是由人機代理之間信息交流故障導(dǎo)致系統(tǒng)情境意識喪失造成的，而不只是飛行員個體喪失情境意識的后果。

此外，情境意識還有一些其他的理論模型，但由于并非主流，影響力有限，且楊家忠等[28]和N.A.STANTON等[19]已經(jīng)做過闡釋，筆者不再贅述。

綜上可知，情境意識的研究已經(jīng)逐步從傳統(tǒng)的關(guān)注個體開始轉(zhuǎn)向團隊和系統(tǒng)水平。例如，人們從研究管制員的個體情境意識開始轉(zhuǎn)移到研究管制單位的團隊情境意識，還進一步擴展到研究整個空管系統(tǒng)的情境意識(包含管制人員和雷達系統(tǒng)、語音交互系統(tǒng)、空管自動化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等，見圖1)。這種轉(zhuǎn)變與安全觀念的發(fā)展演進(從個人因素到系統(tǒng)安全觀)一致。

圖1 空管領(lǐng)域情境意識研究發(fā)展示意Fig. 1 Development of situational awareness research in air trafficcontrol

通過對模型進行對比，總結(jié)出Endsley模型適用于個人及中等以下規(guī)模的團隊，彼此之間有重疊和共享的情景意識。分布式情景意識模型能夠應(yīng)用于大規(guī)模的團隊和系統(tǒng)，可以根據(jù)團隊中每個個體不同的角色進行歸類，繪制出相應(yīng)的連接網(wǎng)[29]。情境意識理論模型要點概括見表1。

表1 情境意識理論模型要點概括Table 1 Summary of the key points of situational awareness theorymodel

2 情境意識測量方法

經(jīng)過多年的研究發(fā)展，專家們已經(jīng)開發(fā)出種類豐富的情境意識測量方法[28-31]。其中，應(yīng)用于航空領(lǐng)域的經(jīng)典情境意識測量方法有：情境意識自評技術(shù)[33](situation awareness rating techniques，SART)、凍結(jié)探測技術(shù)[30-31](situation awareness global assessment, SAGAT)及其空管版本[34]、即時情境評估方法[35-36](situation present assessment method，SPAM)、歐洲航空安全組織融合實時探測技術(shù)和實驗后問卷開發(fā)的SASHA情境意識測量方法[37](situation awareness measures for solutions for human-automation partnerships，SASHA)以及作為過程指標(biāo)的口語報告分析[38]和眼動測量[39-40]等等。其中一個值得關(guān)注的趨勢是隨著眼動測量技術(shù)的快速發(fā)展及眼動與大腦注意和信息加工機制的密切聯(lián)系，利用眼動測量情境意識受到越來越多國內(nèi)學(xué)者的重視。如靳慧斌等[41-42]利用眼動指標(biāo)研究了空管人員的情境意識；劉雙等[43]利用眼動分析研究了民航飛行員的情境意識。航空領(lǐng)域情境意識測量方法概覽見表2。更加詳細(xì)的可見姬鳴對情景意識測量方法的總結(jié)[45]。

表2 航空領(lǐng)域情境意識測量方法概覽Table 2 Overview of situational awareness measurement in aviation

由表2可知，每種情境意識測量方法均各有優(yōu)劣。如主觀量表式的測量方法，雖然具有快捷方便的優(yōu)點，但主觀打分自身所固有的信效度問題以及主觀量表介入測量的時機(實驗中還是實驗后)等均為該方法很難克服的缺陷。再比如生理測量(腦電、心電等)，雖然有學(xué)者認(rèn)為利用該方法可以“推斷”被試的情境意識水平，但生理測量不僅操作復(fù)雜，很難付諸實際應(yīng)用，而且其到底反映的是不是被試的情境意識還有待深入探討。綜合來說，單一的測量方法已經(jīng)無法滿足在實時人因工程中測量情境意識的要求，考慮多種測量技術(shù)的融合，如將過程指標(biāo)(如眼動分析)和產(chǎn)品指標(biāo)(如主觀自評)有機結(jié)合起來，是解決該問題的一個可能方案。同時，還應(yīng)積極探索新的情境意識測量技術(shù)，否則研究者們只會使用已知且經(jīng)過廣泛驗證的方法(如SAGAT技術(shù))，這會造成情境意識測量技術(shù)的發(fā)展止步不前[32]。

3 情境意識在航空安全領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

情境意識在航空安全領(lǐng)域的應(yīng)用大致包括3個方面：

1)指導(dǎo)航空人為差錯事件/事故的深入分析[1-2，27，43-44]，預(yù)防類似事故的再次發(fā)生。人為差錯導(dǎo)致的重大事故中高達88%由情境意識錯誤造成。從情景意識方面入手分析事故發(fā)生的根本原因，能夠有效的避免類似事故的重復(fù)發(fā)生，對保障航空安全具有重要的意義。

2)人員選拔和培訓(xùn)。選拔出勝任的人是保障安全的重要措施。如今情境意識已成為飛行員選拔和績效考核的一項核心指標(biāo)，未來將拓展到對管制員等的選拔和培訓(xùn)中[41]。管制員情景意識的優(yōu)劣不僅關(guān)系到空管乃至民航安全，也關(guān)系到管制效率：某些大流量情境下，情景意識良好的管制員能夠采取高效的策略進行管制，保證航空安全的同時也能降低自身工作負(fù)荷；而情景意識較差的管制員面對大流量的管制工作時，因采取的策略不合理，不僅容易給自身帶來高度的工作負(fù)荷，也容易出現(xiàn)管制差錯，影響航空安全。

3)對現(xiàn)用的系統(tǒng)進行評估以及指導(dǎo)新的系統(tǒng)的設(shè)計。如應(yīng)用在航空器上為了降低飛行員低頭查看儀表的頻率，避免注意力中斷以及喪失對情境意識而設(shè)計的平視顯示器(head up display，HUD)[46]；增強軍事飛行員的戰(zhàn)場情境意識的基于眼動追蹤的頭盔顯示器[47](helmet-mounted display，HMD)；T.LAURAIN等[48]設(shè)計的3D機載天氣情境意識系統(tǒng)(onboard weather situation awareness system，OWSAS)；S.BOULNOIS等[49]開發(fā)的機載情境感知信息系統(tǒng)(onboard context-sensitive information system，OCSIS)，等等。通過利用情景意識來對系統(tǒng)進行評估改進是未來系統(tǒng)設(shè)計的一個重要評估點。情景意識的優(yōu)劣關(guān)系到航空安全。現(xiàn)有系統(tǒng)或開發(fā)的新系統(tǒng)是否會提高或者干擾人員的情景意識越來越成為航空領(lǐng)域關(guān)注的熱點方向。對情景意識不斷的測量來評估和改進系統(tǒng)的設(shè)計或者開發(fā)新系統(tǒng)來提高情景意識的水平已成為航空領(lǐng)域乃至其他工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的新趨勢。

關(guān)于情境意識理論模型和測量方法的研究，未來在以下兩個方面仍需要加強：

1)較為普適的情境意識理論模型。由上述的分析可知，情境意識理論的模型眾多，且模型之間多有爭議之處，如“過程論”和“產(chǎn)品論”之爭?？紤]博采眾家之長，對概念、定義進一步清晰化，發(fā)展出更為普適，可操作性強的情境意識理論模型是情境意識研究向前進步的重要突破口。

2)能夠無侵入性進行情境意識實時測量的方法。團隊和系統(tǒng)的情境意識測量方法大都是從對個體的情境意識測量方法改進來的，但測量方法的適用性、敏感性、診斷性等，以及能否投入未來人機交互更為頻繁的環(huán)境中應(yīng)用，均為迫切需要解決的問題?？紤]多種測量方法的融合，以及無侵入地采集到被試在實驗中的情境意識數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)情境意識測量方法演進的重要途徑。

綜上所述，情境意識已經(jīng)逐步從研究個體轉(zhuǎn)向更為復(fù)雜的團隊和人機系統(tǒng)。但是這并不意味著對個體的情境意識研究已經(jīng)徹底明了，將“過程論”和 “產(chǎn)品論”有機結(jié)合起來，挖掘更加普適、可靠高效的情境意識測量方法依然是未來的一大研究重點。 這些理論和測量方法上的突破將為航空安全領(lǐng)域的實際應(yīng)用發(fā)揮更好的指導(dǎo)作用。