空中管制作業(yè)仿真的認(rèn)知負(fù)荷評估實(shí)驗(yàn)

張博俊，陳天寧，李魏然，趙宇

(1.西安交通大學(xué)，西安 710000；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094； 3.航天工程大學(xué)，北京 101416；4.北京協(xié)和醫(yī)院，北京 100730)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)騰飛、民航行業(yè)的整體發(fā)展，我國空中運(yùn)輸量一直在不斷激增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年，我國共有航空公司58家，民航運(yùn)營機(jī)場233個(gè)，在冊民航運(yùn)輸飛機(jī)3 296架。預(yù)計(jì)2025年，民航運(yùn)輸飛機(jī)將達(dá)到7 000余架。[1]空中運(yùn)輸量的增加帶來的是認(rèn)知負(fù)荷的提升。為了有效監(jiān)控飛行器的飛行路線、狀態(tài)，空中管制作業(yè)人員必須長時(shí)間、高負(fù)荷地對區(qū)域內(nèi)飛行器的運(yùn)行軌跡進(jìn)行監(jiān)視，并基于監(jiān)視結(jié)果對飛行器的飛行路線、狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。隨著監(jiān)控區(qū)域內(nèi)飛行器數(shù)量增多，這一過程中空中管制作業(yè)人員的認(rèn)知負(fù)荷就可能出現(xiàn)過載甚至崩潰的現(xiàn)象。

認(rèn)知負(fù)荷是執(zhí)行具體作業(yè)時(shí)，作用在作業(yè)人員認(rèn)知系統(tǒng)上的負(fù)荷，是一個(gè)由反映作業(yè)與人員特征之間交互的原因維度和反映心理負(fù)荷、心理努力和績效等可測性概念的評估維度所組成的多維結(jié)構(gòu)[2]。認(rèn)知負(fù)荷過載將嚴(yán)重影響作業(yè)人員的工作績效、操作可靠性和身心健康,進(jìn)而影響整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)的效率和可靠性，因此認(rèn)知負(fù)荷已成為人機(jī)系統(tǒng)評價(jià)的主要指標(biāo)之一[3]。空中管制作業(yè)(ATC,Air Traffic Control)作為一個(gè)典型的人機(jī)任務(wù)，其認(rèn)知負(fù)荷直接決定空中管制作業(yè)人員的判斷、決策和操控的準(zhǔn)確性，對于人為事故的預(yù)防和處理都有著重大意義[4]。

為了對空中管制作業(yè)的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行有效研究，需要建立一套空中管制作業(yè)的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于空中管制作業(yè)本身往往具備保密性，且考慮作業(yè)的安全性和實(shí)驗(yàn)成本，研究人員很難就空中管制作業(yè)進(jìn)行直接研究，就需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對空中管制作業(yè)進(jìn)行復(fù)制。其次，空中管制作業(yè)的復(fù)雜性使其難以向認(rèn)知負(fù)荷研究進(jìn)行聚焦，因此需要對作業(yè)本身進(jìn)行簡化的同時(shí)保留作業(yè)的認(rèn)知特性?；谝陨峡紤]，本文描述一種滿足上述要求的基于空中管制作業(yè)模擬的認(rèn)知負(fù)荷實(shí)驗(yàn)范式及其實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)。

2 方法

2.1 作業(yè)任務(wù)分析

依據(jù)空中管制作業(yè)的作業(yè)任務(wù)特征、角色特征、環(huán)境特征，空中管制作業(yè)具備以下特征：(1)空中管制作業(yè)屬于需要高度注意的作業(yè)，作業(yè)具備高水平的視覺和聽覺占用，并具備高水平的腦力需求；(2)作業(yè)中出現(xiàn)失誤的主要原因是在人員協(xié)同階段產(chǎn)生的誤解和作業(yè)階段的疏忽大意，而這兩種失誤均在高作業(yè)量水平下多發(fā)；(3)作業(yè)受作業(yè)人員的自身個(gè)體因素影響明顯。

空中管制作業(yè)的認(rèn)知負(fù)荷被認(rèn)為與管制區(qū)域內(nèi)的交通密度、空域復(fù)雜性具有較大的關(guān)聯(lián)[5]，此外管制區(qū)域的幾何形態(tài)、飛行計(jì)劃、氣候因素也都會(huì)對空中管制作業(yè)的認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生影響[6]。在真實(shí)空中管制的作業(yè)環(huán)境中，這些影響因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擾動(dòng)很難被消除，但在仿真環(huán)境下，可以對其中某一項(xiàng)影響因素進(jìn)行針對性的分析，并控制其他影響因素來保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。那么考慮本研究，通過改變空域內(nèi)的交通密度，可以實(shí)現(xiàn)對作業(yè)認(rèn)知負(fù)荷的一個(gè)控制，達(dá)到以不同的交通密度設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)作業(yè)認(rèn)知負(fù)荷的梯度化設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì)

基于上述的任務(wù)分析，研究基于空中管制作業(yè)的認(rèn)知特性設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)程序?qū)⒃诒粶y人員前方的屏幕上顯示一片空白區(qū)域，并以固定的時(shí)間間隔在空白區(qū)域中的隨機(jī)位置產(chǎn)生一個(gè)可被鼠標(biāo)點(diǎn)擊觸發(fā)的目標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)被測人員點(diǎn)擊目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，如果這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)是第一次被觸發(fā)，那么在屏幕右側(cè)的固定信息欄會(huì)顯示這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的屬性；如果這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)被再次觸發(fā)，那么屏幕右側(cè)的固定信息欄不會(huì)產(chǎn)生任何變化(見圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)范式

在這個(gè)過程中，被測人員需要執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)步驟：(1)尋找視野范圍內(nèi)所有目標(biāo)點(diǎn)中新出現(xiàn)的那一個(gè)，并使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊以觸發(fā)這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)；(2)根據(jù)屏幕右側(cè)固定信息欄上的屬性，依次點(diǎn)擊正確的選項(xiàng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，被測人員需要交替進(jìn)行這兩個(gè)任務(wù)步驟，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

屏幕右側(cè)的固定信息欄將顯示目標(biāo)點(diǎn)的 “數(shù)量”“類型”“高度”三項(xiàng)屬性。在目標(biāo)點(diǎn)被首次觸發(fā)后，被測人員需要根據(jù)這三項(xiàng)屬性的顯示點(diǎn)擊圖6右下方對應(yīng)的按鈕。例如圖6右側(cè)屏幕顯示的是“●”“A”“968”，被測人員需要依次點(diǎn)擊“一架”“軍用飛機(jī)”“低空飛行”三個(gè)按鈕。各項(xiàng)屬性具體的顯示及其代表的含義見下表1。

表1 目標(biāo)屬性的顯示及其含義

(2)指標(biāo)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中共記錄正確觸發(fā)數(shù)、錯(cuò)誤觸發(fā)數(shù)、觸發(fā)用時(shí)、正確判斷數(shù)、錯(cuò)誤判斷數(shù)、判斷用時(shí)和遺漏次數(shù)7項(xiàng)績效數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)分析過程中，可以通過這7項(xiàng)績效數(shù)據(jù)計(jì)算到的遺漏率、觸發(fā)正確率、判斷率正確、觸發(fā)反應(yīng)時(shí)、判斷反應(yīng)時(shí)，并進(jìn)一步綜合得到任務(wù)成功率和任務(wù)效率，見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)范式產(chǎn)生的績效指標(biāo)

2.3 被試標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)要求受試者視力或矯正視力正常，沒有色盲，沒有認(rèn)知或精神障礙，無癲癇及其他光誘發(fā)性疾病史。實(shí)驗(yàn)前一天內(nèi)沒有熬夜，沒有酒精、可樂、咖啡、精神藥物(安眠藥、興奮劑等)的攝入。

2.4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)設(shè)置在暗室或其他可控的人工光照環(huán)境中，建議為10 m2左右的封閉空間(參考空中管制作業(yè)的一般作業(yè)環(huán)境)，避免明顯噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上應(yīng)布署兩臺(tái)PC設(shè)備：一臺(tái)PC設(shè)備用于被試人員操作實(shí)驗(yàn)范式及進(jìn)行屏幕錄制，該P(yáng)C設(shè)備應(yīng)包含顯示設(shè)備、鍵盤與鼠標(biāo)輸入設(shè)備。另一臺(tái)PC設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)人員監(jiān)視、記錄被試的生理數(shù)據(jù)，與生理記錄設(shè)備相連，例如多導(dǎo)生理記錄儀、眼動(dòng)儀等。

2.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證范式設(shè)計(jì)的有效性，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)空中管制作業(yè)的認(rèn)知特性，本研究設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)范式所采集的任務(wù)績效數(shù)據(jù)是否能與主流的主觀評價(jià)量表NASA-TLX所得的結(jié)果保持一致。

本次實(shí)驗(yàn)在中國航天員中心的支持下招募了16名戰(zhàn)士參與本次實(shí)驗(yàn)。所有受試者均為男性(為了與空中管制作業(yè)的實(shí)際性別分布情況相匹配)，年齡范圍介于18-35歲，具有大?；蛞陨蠈W(xué)歷，能夠正常使用PC設(shè)備。實(shí)驗(yàn)共采集16名受試者數(shù)據(jù)，每一名受試者采集2次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，共計(jì)32例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被納入分析。

實(shí)驗(yàn)使用了上文所述的范式作為實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)，以受試者的個(gè)人特質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)的因變量，使用任務(wù)績效作為認(rèn)知負(fù)荷的主要數(shù)據(jù)依據(jù)，輔以NASA-TLX量表進(jìn)行主觀評估。每名被測進(jìn)行兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)長為10 min，實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)間隔設(shè)定為5 s。兩次實(shí)驗(yàn)中間間隔5 min。實(shí)驗(yàn)具體流程見下表3。

表3 實(shí)驗(yàn)流程

每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，受試者填寫一次NASA-TLX量表。NASA-TLX量表是一種評估作業(yè)人員執(zhí)行任務(wù)的工作負(fù)荷多維量表[7]，通過NASA-TLX量表可以讓作業(yè)人員進(jìn)行工作負(fù)荷的自我評估，它考察工作6個(gè)維度：心智需求、體力需求、時(shí)間需求、自我績效、努力程度、受挫程度[8]。本實(shí)驗(yàn)所使用NASA-TLX量表見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)中使用的NASA-TLX量表

3 結(jié)果

3.1 作業(yè)任務(wù)績效

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了32例樣本數(shù)據(jù)中的績效數(shù)據(jù)，如下表5所示。

表5 作業(yè)任務(wù)績效的描述統(tǒng)計(jì)

3.2 工作負(fù)荷自我評估

實(shí)驗(yàn)通過NASA-TLX量表采集了受試者對工作負(fù)荷的自我評估，結(jié)果如表6所示。

表6 NASA-TLX量表的描述統(tǒng)計(jì)

圖2 NASA-TLX量表的箱型圖

3.3 績效與評估的相關(guān)性

研究使用IBM SPSS Statistics軟件對任務(wù)績效與NASA-TLX量表的結(jié)果進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析。表7是皮爾遜相關(guān)性分析的結(jié)果。

表7 任務(wù)績效與NASA-TLX量表結(jié)果的皮爾遜相關(guān)性分析

上表顯示，任務(wù)正確率與心智需求在0.01級別呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，并與受挫程度在0.05級別呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)；任務(wù)效率與心智需求在0.01級別呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，并與努力程度在0.05級別呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。這說明在所設(shè)計(jì)的范式中，任務(wù)績效水平確實(shí)與作業(yè)人員的心理負(fù)荷中的心智需求具有明顯的關(guān)聯(lián)。

4 討論

利用仿真技術(shù)對空中管制作業(yè)進(jìn)行模擬輔助研究并不是一種新思路，S Loft等人利用空中管制模擬系統(tǒng)驗(yàn)證外部顯示輔助設(shè)備對于減少預(yù)期記憶錯(cuò)誤的效果[9]；RS Pierce等人則在低保真的空中管制模擬系統(tǒng)中比較了幾種情境意識探測技術(shù)的效果[10]；JB Brookings等人通過空中管制模擬技術(shù)研究工作負(fù)荷對于人員生理和心理層面的影響[11]。這些年，空中管制作業(yè)的仿真在空管人員培訓(xùn)、空管系統(tǒng)的研發(fā)中也發(fā)揮著越來越重要的作用，因?yàn)樗軌蛞欢ǔ潭壬显佻F(xiàn)空中交通狀況，同時(shí)又不會(huì)對人員和設(shè)備產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)[12]。

隨著技術(shù)的成熟，對空中管制的模擬越來越走向高保真、高復(fù)雜度和多模態(tài)交互，但對于空中管制中的某些機(jī)制的研究來說，反而導(dǎo)致了研究難以聚焦、變量難以控制、干擾因素過多等一些問題。本研究從空中管制作業(yè)的認(rèn)知特征提取和建立空中管制作業(yè)的簡化作業(yè)任務(wù)，以目標(biāo)搜索和信息識別兩個(gè)元任務(wù)建立了實(shí)驗(yàn)范式，用于認(rèn)知負(fù)荷相關(guān)的研究，對未來相關(guān)領(lǐng)域的探索具備實(shí)用價(jià)值。

但本研究也存在一定的局限性。空中管制作業(yè)人員的工作除了對空域進(jìn)行監(jiān)控等認(rèn)知型任務(wù)之外，也包含對使用和維護(hù)設(shè)備等操作型任務(wù)。在實(shí)際空中管制作業(yè)中，設(shè)備的差異對于空中管制作業(yè)的認(rèn)知負(fù)荷也產(chǎn)生了較為明顯的影響，這說明這類任務(wù)對于認(rèn)知負(fù)荷的研究仍然是不可忽略。而這一點(diǎn)在目前的實(shí)驗(yàn)范式中無法得到體現(xiàn)。對空中管制設(shè)備的具體操作細(xì)節(jié)缺乏了解是造成這一局限性的主要原因，因此后續(xù)我們還將繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)研究，基于不同的背景和目的設(shè)計(jì)開發(fā)更多適合空中管制作業(yè)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)范式。