基于人為因素的管制員情景意識(shí)研究

劉繼新，蘭思潔，江灝，徐晨

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

1 引言

空管系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用有效提高了可靠性水平，但在空中交通流量急劇增長的背景下，管制員根據(jù)空中交通態(tài)勢做出準(zhǔn)確判斷的能力受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人機(jī)交互界面及管制員的人因可靠性是當(dāng)前空管安全中面臨的主要挑戰(zhàn)，為了保證空中交通管制安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)管制員情景意識(shí)的要求越來越高。Endsley等人[1]在分析航空事故報(bào)告后發(fā)現(xiàn)，在與人為因素有關(guān)的航空事故中，88%的事故都與人員的工作情景意識(shí)(Situational Awareness，SA)相關(guān)。管制員個(gè)體的變化如疲勞程度、大腦應(yīng)激水平、注意力水平等人為影響因素會(huì)直接作用于管制員當(dāng)前的情景意識(shí)，威脅航空安全。因此，探究影響管制員情景意識(shí)的人為因素，分析影響因素之間的相互關(guān)系，提取關(guān)鍵人為因素，并根據(jù)各因素影響程度大小排序，對(duì)保障民航安全具有重要意義。

國外關(guān)于情景意識(shí)的研究相對(duì)國內(nèi)處于領(lǐng)先階段。1995年，Endsley[1]最先建立的“三層次”模型，將情景意識(shí)定義為對(duì)空間和時(shí)間范圍內(nèi)環(huán)境中的元素感知，對(duì)它們意義的理解，以及它們?cè)趯頎顩r的預(yù)測。從此，學(xué)術(shù)界關(guān)于情景意識(shí)的研究主要基于“三層次”的基礎(chǔ)，從定性和定量兩個(gè)方面進(jìn)行分析。Maarten等人[2]研究了精神疲勞與人行為活動(dòng)的關(guān)系，并討論了任務(wù)負(fù)荷對(duì)個(gè)體生理指標(biāo)的影響。Wickens等人[3]通過分析與情景意識(shí)(Situational Awareness，SA)有關(guān)的事故發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)失誤都與注意和感知有關(guān)，建立了注意力-情景意識(shí)模型。Matthews等人[4]將戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)等整合到SA模型中，建立了駕駛員的情景意識(shí)信息加工模型。Walker等人[5]提出了駕駛員的分布式情景意識(shí)概念，綜合考慮了系統(tǒng)的各個(gè)要素以及它們之間的相互關(guān)系。這些模型或概念僅在理論層面上做出了情景意識(shí)的描述，或僅進(jìn)行了情景意識(shí)的定性分析，實(shí)際應(yīng)用的范圍也相對(duì)較小。部分學(xué)者對(duì)情景意識(shí)進(jìn)行了定量分析。馬伶等人[6]首次論述了駕駛員情景意識(shí)測量方法，包括全面評(píng)估技術(shù)(Situation Awareness Global Assessment Technique，SAGAT)、眼動(dòng)測量方法、命題網(wǎng)絡(luò)方法。馮傳宴等人[7]結(jié)合多資源負(fù)荷理論，建立了新的SA量化模型，該模型有利于優(yōu)化駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)和飛行任務(wù)的分配。王永剛等人[8]第一次從管制員內(nèi)部心理和外部環(huán)境兩個(gè)方面，運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型探究了影響管制員情景意識(shí)的內(nèi)外部因素。

由于缺乏專門從人為因素角度分析管制員情景意識(shí)形成與保持的研究，本文從人為因素角度系統(tǒng)解析情景意識(shí)的形成，構(gòu)建人為因素—情景意識(shí)結(jié)構(gòu)分析模型，并利用問卷調(diào)查回收的數(shù)據(jù)，采用結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling,SEM)進(jìn)行實(shí)證研究，獲取定量分析結(jié)果，為管制員人為因素的研究提供理論支持。

2 管制員人為因素研究與假設(shè)的提出

情景意識(shí)是作業(yè)者在具體的空間和特定的時(shí)間內(nèi)對(duì)所處環(huán)境的構(gòu)成要素的感知，對(duì)其狀態(tài)的理解，以及對(duì)其未來發(fā)展的預(yù)測[9]。人為因素是影響情景意識(shí)的重要因素。 Borghini等人[2]通過相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)疲勞會(huì)通過對(duì)心理和生理的影響對(duì)管制員的情景意識(shí)造成影響。應(yīng)激反應(yīng)是指當(dāng)應(yīng)激源對(duì)機(jī)體有威脅或挑戰(zhàn)的時(shí)候，個(gè)體做出應(yīng)對(duì)的過程[10]。在空中交通管制這樣的復(fù)雜系統(tǒng)中不可避免的會(huì)發(fā)生突發(fā)事件，這些事件會(huì)導(dǎo)致人產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，可能妨礙工作人員生理、心理、認(rèn)知、注意等功能[11]。這些反應(yīng)不僅在特殊情況下會(huì)發(fā)生，日常工作中也會(huì)發(fā)生，成為一個(gè)重要的安全問題。管制工作有復(fù)雜且不斷變化的特點(diǎn)，因此應(yīng)激調(diào)節(jié)能力在管制員情景意識(shí)的保持過程中是至關(guān)重要的。劉繼新等人[12]運(yùn)用變權(quán)層次分析法，對(duì)應(yīng)激源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估排序，為規(guī)避應(yīng)激引發(fā)的不安全事件提供了科學(xué)的依據(jù)。隨著空中交通流量不斷增加，管制員需要指揮的航班架次增多，管制員精神需要高度集中。研究表明，睡眠質(zhì)量低會(huì)導(dǎo)致人的注意力、記憶力等機(jī)能下降，情景意識(shí)的保持也隨之變難[13]。Wallace等人[14]也發(fā)現(xiàn)，睡眠破壞和疲勞的程度越高，工作人員的WSA水平越低。當(dāng)管制員在工作時(shí)注意力不集中或者警覺性差，可能會(huì)干擾其對(duì)當(dāng)前情況的主要感知，導(dǎo)致對(duì)可用信息的忽視，從而造成不安全事件的發(fā)生。馮傳宴等人[15]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)注意力分配策略在不同腦力符合條件下對(duì)作業(yè)人員的WSA影響不同。所以注意力也是影響管制員情景意識(shí)的重要因素。為此，提出影響管制員情景意識(shí)的人為因素假設(shè)：(1)H1為疲勞對(duì)WSA有顯著影響；(2)H2為應(yīng)激調(diào)節(jié)能力對(duì)WSA有顯著影響；(3)H3為睡眠情況對(duì)WSA有顯著影響；(4)H4為注意力對(duì)WSA有顯著影響。

疲勞、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力、睡眠和注意力水平不僅直接影響WSA，且這些因素之間存在相關(guān)關(guān)系。當(dāng)睡眠時(shí)間不足或睡眠質(zhì)量不高，就會(huì)引起疲勞。在現(xiàn)實(shí)生活中由睡眠剝奪造成的司機(jī)疲勞駕駛是交通事故發(fā)生的重要原因[16]。管制員由于工作性質(zhì)原因需要以輪班制工作，而輪班形式常常會(huì)造成睡眠和恢復(fù)時(shí)間不足，所以管制員普遍都有疲勞的癥狀。疲勞對(duì)管制員的注意力、感知、預(yù)測、決斷以及反應(yīng)能力等具有較大影響。郭夢竹[17]在試驗(yàn)中獲取了駕駛員的反應(yīng)時(shí)自我評(píng)價(jià)量表，并構(gòu)建了駕駛員反應(yīng)時(shí)概率密度函數(shù)，對(duì)反應(yīng)時(shí)的駕駛疲勞進(jìn)行量化，結(jié)果表明反應(yīng)時(shí)與疲勞程度密切相關(guān)。應(yīng)激水平的增加也會(huì)導(dǎo)致工作記憶力的下降和注意力的下降[18]?？梢娖诤蛻?yīng)激調(diào)節(jié)能力都會(huì)對(duì)管制員注意力和反應(yīng)等能力造成影響。因此本文提出以下假設(shè)：(5)H5為睡眠對(duì)疲勞有顯著影響；(6)H6為疲勞對(duì)注意力有顯著影響；(7)H7為應(yīng)激調(diào)節(jié)能力對(duì)注意力有顯著影響。

由此，構(gòu)建人為因素-情景意識(shí)結(jié)構(gòu)分析模型如圖1所示。

圖1 人為因素-情景意識(shí)結(jié)構(gòu)分析模型

3 方法

3.1 問卷設(shè)計(jì)

很多學(xué)者提出了測量情景意識(shí)的方法，目前最常用的還是Endsley開發(fā)的情景意識(shí)全面評(píng)估技術(shù)(SAGAT)。本文測量情景意識(shí)的問卷借鑒了SAGAT以及明尼蘇達(dá)多項(xiàng)人格測驗(yàn)(MMPI)中相關(guān)指標(biāo)，包括感知、理解和預(yù)測三個(gè)維度[10]。疲勞量表的設(shè)計(jì)主要參考了 FS-14量表，該量表主要測試主觀性疲勞，包括精神疲勞、生理疲勞和動(dòng)機(jī)缺乏三個(gè)維度。對(duì)應(yīng)激調(diào)節(jié)能力的測量問卷包括處理應(yīng)對(duì)能力，專業(yè)能力，以及應(yīng)激反應(yīng)后的自我恢復(fù)能力三個(gè)維度。睡眠情況的問卷設(shè)計(jì)參考了匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)(Pittsburgh Sleep Quality Index，PSQI)[19]量表中的睡眠質(zhì)量、睡眠持續(xù)時(shí)間和入睡難易度三個(gè)維度。對(duì)注意力的測量則分為注意的持續(xù)、集中和分配三個(gè)維度。在對(duì)初始問卷進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行修正后，正式問卷包含33個(gè)問題，測量方法采用里克特5級(jí)量表，將問卷題項(xiàng)答案設(shè)置為5個(gè)等級(jí)。調(diào)查問卷的測量變量如表1所示。

表1 問卷測量變量

3.2 數(shù)據(jù)回收

本次問卷以一線空中交通管制員為調(diào)查對(duì)象，共發(fā)放200份問卷，經(jīng)剔除不合格問卷，最終回收有效問卷180份，有效回收率為90%。利用SPSS 25.0對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信度和效度檢驗(yàn)。

信度又叫可靠性或可靠度，是指測驗(yàn)或者量表工具所測得結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性，目前，使用最廣泛的信度分析方法是L.J Cronbach創(chuàng)建的α系數(shù)，其評(píng)價(jià)的是量表中各個(gè)題項(xiàng)之間的一致性，屬于內(nèi)在的一致性檢驗(yàn)。當(dāng)Cronbach’s α系數(shù)的值>0.6時(shí)，說明調(diào)查問卷信度較高。效度檢驗(yàn)測的是問卷有效性，即測量工具能否正確測量到變量涵蓋的內(nèi)容。學(xué)者界廣泛使用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值來判斷效度檢驗(yàn)的效果。KMO值在0-1之間，越靠近1，說明變量之間的相關(guān)性越強(qiáng)，適合因子分析；越靠近0，說明變量之間的相關(guān)性越弱，不適合因子分析。對(duì)問卷數(shù)據(jù)的數(shù)值分析結(jié)果如表2所示。

表2 問卷變量信效度檢驗(yàn)

從表2可以看出，潛在變量疲勞、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力、注意力和WSA的Cronbach’s α系數(shù)均>0.6，均在較高水平，睡眠情況的Cronbach’s α系數(shù)為0.479，未達(dá)到理想值，但問卷總體的Cronbach’s α系數(shù)達(dá)到0.828，檢驗(yàn)結(jié)果理想，說明問卷總體的一致性較好，因此對(duì)睡眠情況這一潛在變量不予刪除。

對(duì)問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行效度檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，問卷總體的KMO值為0.863，疲勞、睡眠情況、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力、注意力、WSA的KMO值分別為：0.798、0.594、0.669、0.778及0.876，均超過了0.5的最低標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)Bartlett’s球形檢驗(yàn)的P值均為0.000，說明問卷適合做因子分析。

4 結(jié)果

4.1 結(jié)構(gòu)方程模型選擇

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)，屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，能夠通過協(xié)方差矩陣同時(shí)處理多個(gè)因變量之間的關(guān)系，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分析各種變量之間的關(guān)系和大小。SEM通過假設(shè)一組潛在變量之間存在一定的因果關(guān)系，潛在變量由一組觀察變量反映，通過分析協(xié)方差矩陣關(guān)系，分析潛在變量與觀察變量之間的關(guān)系。SEM與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法相比，優(yōu)勢在于可以同時(shí)檢驗(yàn)潛在變量之間以及觀察變量與潛在變量的關(guān)系，從而有助于驗(yàn)證假設(shè)模型與研究結(jié)果的一致性[20]。僅采用問卷調(diào)查獲得數(shù)據(jù)，主觀性過強(qiáng)，采用SEM驗(yàn)證假設(shè)模型并獲得定量分析結(jié)果，可以使研究結(jié)果更具客觀性和準(zhǔn)確性。在結(jié)構(gòu)方程模型分析的路徑圖中包括結(jié)構(gòu)模型與測量模型兩部分。測量模型描述的是潛在變量與觀察變量之間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)模型是指潛在變量之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)模型與測量模型的方程式如式(1)—式(3)所示。

結(jié)構(gòu)方程式：η=γξ+βη+ζ

(1)

外衍變量X的測量方程：X=Λxξ+δ

(2)

內(nèi)衍變量Y的測量方程：Y=Λyη+ε

(3)

其中，η為潛在內(nèi)衍變量；ξ為潛在外衍變量；β為潛在內(nèi)衍變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣；γ為潛在外衍變量對(duì)潛在內(nèi)衍的相關(guān)系數(shù)矩陣；ζ為殘差項(xiàng)，反映了η在結(jié)構(gòu)方程中干擾因素或未被分解的部分。X為外衍變量構(gòu)成的向量，Y為內(nèi)衍變量構(gòu)成的向量，Λx與Λy為指標(biāo)變量(X，Y)的因素負(fù)荷矩陣，δ為外衍變量X的測量誤差，ε為內(nèi)衍變量Y的測量誤差。

通常，結(jié)構(gòu)方程模型的驗(yàn)證步驟共包含分為五個(gè)部分，模型設(shè)定、模型識(shí)別、模型估計(jì)、模型評(píng)價(jià)和模型修正。模型設(shè)定是指根據(jù)前期的理論分析，將構(gòu)建好的理論模型與回收的問卷數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AMOS 21.0中；模型識(shí)別是指導(dǎo)入的模型能夠求出參數(shù)估計(jì)的唯一解。識(shí)別的參數(shù)值一般是自由度(df)，當(dāng)自由度>0時(shí)，模型識(shí)別成功；當(dāng)自由度<0時(shí)，模型識(shí)別失敗；模型估計(jì)就是檢查每一個(gè)參數(shù)的誤差是否超出了可接受的范圍；模型評(píng)價(jià)則是對(duì)模型的擬合度進(jìn)行檢驗(yàn)，以及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)信度。一般來說模型擬合度的檢驗(yàn)指標(biāo)包括CMIN、GFI、AGFI、BI、NFI、RFI、IFI、CFI、PNFI等擬合度指標(biāo)；模型修正是指對(duì)模型進(jìn)行修正，通過修改、增加或刪除模型的參數(shù)或變量，得到新的模型，并驗(yàn)證擬合度標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)模型如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)模型

4.2 模型構(gòu)建與修正

選取CMIN/DF、GFI、AGFI、NFI、CFI、IFI、RMSEA等作為模型擬合評(píng)價(jià)的指標(biāo)，結(jié)果如表所示。每一項(xiàng)適配度指數(shù)均在參考范圍內(nèi)，可以認(rèn)為假設(shè)模型與數(shù)據(jù)基本吻合，模型可以被接受。結(jié)構(gòu)模型擬合度指數(shù)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)模型擬合度指數(shù)

潛在變量的構(gòu)建信度(Construct Reliability，CR)是模型內(nèi)在質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。修正后的模型中各潛在變量的構(gòu)建信度及因子載荷值如表所示。從表可以看出睡眠情況的構(gòu)建信度為0.51，略<0.6，而除睡眠情況，其余均超過構(gòu)建信度的標(biāo)準(zhǔn)值(CR>0.6)，說明此模型的內(nèi)在質(zhì)量較好。結(jié)構(gòu)模型變量信度檢驗(yàn)及因子載荷如表4所示。

表4 信度檢驗(yàn)及因子載荷

結(jié)構(gòu)方程模型輸出的各潛在變量間的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)如表5所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)

疲勞、注意力、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力和睡眠情況對(duì)管制員情景意識(shí)(WSA)有直接影響，影響程度分別為：0.200、0.355、0.578和0.082，說明H1-H4均成立。其中影響程度最大的因素是應(yīng)激調(diào)節(jié)能力(0.578)。在應(yīng)激狀態(tài)下，工作人員的生理指標(biāo)會(huì)發(fā)生顯著變化，從而影響其判斷和反應(yīng)等行為能力，進(jìn)而影響一個(gè)人的工作情景意識(shí)[21]。注意力對(duì)管制員情景意識(shí)(WSA)的路徑系數(shù)為0.355。管制員工作環(huán)境復(fù)雜，需要其在工作中高度集中注意力，以處理指揮過程中的各種信息和情況。疲勞對(duì)管制員情景意識(shí)也有直接影響。疲勞癥狀會(huì)降低管制員工作時(shí)的警惕性，引起感知和理解能力降低，從而導(dǎo)致不安全事件的發(fā)生。對(duì)情景意識(shí)作用路徑系數(shù)最小的變量是睡眠情況(0.082)。

影響管制員情景意識(shí)的各個(gè)因素之間也互相影響。從表5可以看出，應(yīng)激調(diào)節(jié)能力對(duì)注意力影響程度最大，為0.813。疲勞和睡眠情況以及注意力為負(fù)相關(guān)，其中，睡眠情況對(duì)疲勞的路徑系數(shù)為-0.436，疲勞對(duì)注意力的路徑系數(shù)為-0.162，說明H5-H7均成立。睡眠情況對(duì)疲勞的作用系數(shù)>睡眠情況對(duì)工作情景意識(shí)(WSA)的路徑系數(shù)，說明睡眠情況通過直接作用于疲勞從而對(duì)管制員情景意識(shí)(WSA)產(chǎn)生作用的影響更顯著。疲勞對(duì)注意力也有影響，當(dāng)管制員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，將影其響工作指揮過程中的注意力。

5 討論

從結(jié)構(gòu)方程模型輸出的結(jié)果可以看出，運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)能夠定性并且定量地分析人為因素對(duì)管制員情景意識(shí)的影響程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面：第一，充分考慮了管制員工作實(shí)際情況，通過文獻(xiàn)研究和對(duì)一線管制員的問卷調(diào)查，較全面的總結(jié)了四種影響管制員情景意識(shí)的人為因素。第二，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法相比，SEM優(yōu)勢在于可以通過分析協(xié)方差矩陣關(guān)系同時(shí)檢驗(yàn)潛在變量之間以及觀察變量與潛在變量的關(guān)系，有助于驗(yàn)證假設(shè)模型與研究結(jié)果的一致性，增強(qiáng)了分析結(jié)果的客觀性和精準(zhǔn)度。

結(jié)構(gòu)方程模型輸出的各潛在變量間的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)(表5)顯示了疲勞、注意力、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力和睡眠情況對(duì)管制員情景意識(shí)(WSA)均有直接影響，且影響程度最大的因素是應(yīng)激調(diào)節(jié)能力，表明了管制員在遇到緊急情況時(shí)的處理應(yīng)對(duì)能力，專業(yè)能力以及應(yīng)激反應(yīng)過后的自我調(diào)節(jié)能力會(huì)顯著影響情景意識(shí)水平。所以面對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生的緊急情況時(shí)，需要管制員具備快速應(yīng)激的能力。對(duì)情景意識(shí)作用路徑系數(shù)最小的變量是睡眠情況，但并不能否認(rèn)管制員睡眠情況對(duì)工作情景意識(shí)的作用，因?yàn)樗吣苡行Ь徑夤苤茊T疲勞癥狀，睡眠質(zhì)量長期不好會(huì)直接影響管制員的工作效率，因此，本文保留了睡眠情況對(duì)情景意識(shí)(WSA)這一作用路徑。同時(shí)，從表5還可以看出，影響管制員情景意識(shí)的各潛在變量之間也互相影響，這是因?yàn)閼?yīng)激調(diào)節(jié)能力的高低會(huì)影響管制員在指揮過程中注意力的集中、持續(xù)以及對(duì)各類信息的注意力分配，而睡眠質(zhì)量與疲勞程度密切相關(guān)，有效的睡眠則可以使人體緩解疲勞，恢復(fù)體力。

6 結(jié)論

(1)本文從人為因素角度構(gòu)建了影響管制員情景意識(shí)的的分析模型。選用李克特(Likert)量表針對(duì)疲勞、注意力、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力、睡眠情況和工作情景意識(shí)(WSA)5個(gè)變量進(jìn)行測度、然后利用SEM方法通過實(shí)證研究驗(yàn)證了提出的理論模型。對(duì)最終模型的驗(yàn)證和分析后顯示，疲勞、注意力、應(yīng)激調(diào)節(jié)能力、睡眠情況對(duì)管制員情景意識(shí)(WSA)的形成和保持有直接影響，其中，應(yīng)激調(diào)節(jié)能力對(duì)情景意識(shí)的影響程度最大，睡眠情況對(duì)情景意識(shí)的影響程度最??；同時(shí)4個(gè)變量之間互相影響。管制員在日常工作中需要保持高度的情景意識(shí)水平，而情景意識(shí)的形成與保持受管制員自身的因素即人為因素影響，因此安全管理應(yīng)該關(guān)注管制員的疲勞、睡眠質(zhì)量等狀況，合理排班，積極和管制員溝通，同時(shí)鞏固管制員的專業(yè)能力。

(2)通過結(jié)構(gòu)方程模型定量分析獲得的各人為因素影響程度大小，找到情景意識(shí)關(guān)鍵影響因素，可以提出更有針對(duì)性的空中交通管理策略。以上結(jié)論為研究管制員人為因素引發(fā)的不安全事件提供了科學(xué)的依據(jù)和保障。