載人航天領域決策研究方法初探

石玉生黃偉芬江 源王焰磊吳 昊秦海波

(中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

1 引言

中國載人航天事業已經突破了在軌駐留、出艙活動和交會對接等三大關鍵技術，目前已開啟空間站建設時代。中國空間站建成后，航天員在軌需要執行設備維護、科學實驗、物資管理等復雜任務；且隨著在軌駐留時長的增加，航天員面臨突發情況的可能性也大大增加。這對航天員的決策能力提出了更高要求，需要加強決策的相關研究。

決策一直是心理學領域的研究熱點，研究者進行了包括認知過程、風險偏好、影響因素等多方面的研究。現實生活中的決策往往較為復雜、影響因素較多，為了滿足控制變量等實驗室研究的要求，研究者們發展了各種各樣的實驗任務作為考察受試者決策行為的指標。這些實驗任務雖然與實際生活中的決策存在較大差異，但易于實施、便于控制，對受試者的知識背景技能等無特殊要求，在決策類的研究中得到了廣泛的應用。

由于實驗室任務與現實生活中的決策存在較大差異，自上世紀90年代以來，以自然決策理論為指導，研究者使用訪談、調查等研究方法探究不同領域專家的共有決策流程和影響因素等，取得了不同于實驗室研究的結果。

本文總結梳理不同的決策研究方法和研究任務，結合各種方法的優點，針對失重、密閉、噪音等航天特因環境，開展適用于長期在軌任務飛行的決策研究與決策支持，為空間站時代航天員長期在軌提供支撐。

2 實驗室決策研究的常見任務

2.1 文字情景類任務

這類任務以文字形式呈現，首先描述某一個特定的決策場景，可能涉及到財產、生命安全等問題，要求受試者從給定的兩個或多個選項中選擇一個。例如受試者進行賭博選擇，A選項肯定(100%概率)輸掉50元，B選項25%的概率輸掉200元，75%的概率沒有損失等。研究者使用這種決策任務進行了風險偏好、框架效應、沉沒成本、后悔厭惡、錨定效應等各種決策效應的研究。這些選項往往數學期望值相同，受試者選擇不同的選項體現了他們的不同決策效應的大小。李虹等也使用這種方法研究了模擬逃生情景下決策風格對信源采納偏向的影響。

2.2 風險游戲類任務

與文字類任務不同，風險游戲類任務中受試者往往需要作出數十次決策，每次決策都有可能帶來收益或者損失，以最終的收益數作為衡量受試者風險偏好的指標，使用較多的風險游戲類任務包括擲骰子任務、劍橋博弈任務、氣球模擬風險測試以及模糊決策中的愛荷華博弈任務。

擲骰子任務中受試者需要猜出骰子擲出的點數(1～6)，每次可以猜1～4個數字，分別對應猜對贏或者猜錯輸1000、500、200和100元(數字可以變化)，猜的點數越少，正確的概率越低，同時也是贏錢和輸錢多的選項。劍橋博弈任務中受試者首先選擇下注的概率，之后在給定的輸贏概率中進行下注，下注完畢后系統反饋受試者當前下注的結果，以受試者的最終收益作為風險偏好的指標。這兩種任務受試者可以明確知道當前決策的預期收益，稱之為確定性風險決策。

氣球模擬風險測試任務和愛荷華博弈任務中，受試者需要經過一定的決策次數才知道當前決策的收益期望，這種決策任務稱為不確定決策或模糊決策。氣球模擬風險測試任務中，受試者可以選擇給氣球充氣，以獲得更多的受益，但是充氣越多則氣球的爆炸概率越高，一旦爆炸則當前氣球的受益歸零；也可以選擇停止充氣保存當前收益進入到下一個氣球，以受試者在給定數量的氣球中所獲得的累積收益作為風險偏好的指標。愛荷華博弈任務中被試可以在4種給定的選項中選擇一個作為當前選項，選擇完畢后系統會告知受試者的損失或者收益。4種選項中有2個選項長期收益較低，一個收益高但是損失也高，另一個收益低但是損失也低；另外兩個選項長期收益較高，也滿足收益高損失高、收益低損失低的特點。這類決策任務需要受試者首先學習不同選項的收益概率分布，之后再進行最優化的選擇，一般認為前期的學習過程為模糊決策，后期的決策過程為風險決策。

2.3 信息板類任務

信息板類任務為了探究受試者在不同的情境下所采取的選項比較策略和搜索策略的不同，觀察的是受試者在時間壓力下進行選項比較的行為。常見的信息板任務會給出多個選項以及多個選項屬性，不同的屬性具有不同的權重值，要求受試者通過比較不同選項的屬性值選出一個最合適的選項。例如，針對選購商品設置有品牌、價格、好評度、包裝、購買便利性等5個維度，每個維度具有不同的權重值，給被試呈現6種商品，6種商品在5個維度上具有不同的得分，要求受試者綜合商品的維度得分以及維度權重選擇出一個最合適的商品。受試者選擇的難點在于商品的維度得分均需要點擊之后才能查看，并且決策時間有限，因此無法計算所有選項的維度加權和。實驗過程中記錄受試者查看選項的順序以及總查看數量等信息，分析得到受試者采用的不同策略。已有研究表明不同時間壓力下受試者選擇的搜索策略也存在差異。

2.4 社會關系決策類任務

上述的決策任務均為單人決策任務，受試者的決策不會對他人造成影響，但是在實際生活中人們的決策除了影響自己之外還會涉及到他人。社會關系類決策任務研究的是不同因素對受試者進行社會類決策的影響。使用較為廣泛的社會決策任務為最后通牒博弈任務以及在此基礎上發展而來的獨裁者任務。最后通牒博弈任務中分為分配者與接受者兩個角色，在獎金總額固定的情況下，由分配者提出分配方案，接受者如果選擇接受方案則雙方按照分配者的方案獲取獎金，如果拒絕則雙方均無法獲得本次分配的獎金。按照理性人假設，無論分配者提出何種方案，接受者均應接受以獲取收益，但是實際上如果接受者知曉分配者為人類被試，則往往拒絕明顯不公平的分配方案。這個任務也成為了證明社會關系公平原則的經典任務。在決策的研究中，通過讓受試者扮演分配者或者接受者等方法，可以探究不同個性、不同情境下的受試者決策行為上的差異。

2.5 小結

從目前使用廣泛的4類任務來看，實驗室研究中使用的決策任務具有以下特點:

1)決策情景簡單。受試者在實驗室決策過程中情景簡單直接，決策選項往往是不同偏好之間的差異；

2)決策信息完備。決策任務本身能夠給受試者提供充足的決策信息，受試者不需要進行額外的信息搜索和分析處理過程，利用當前信息即可作出決策；

3)決策結果無連鎖影響。決策任務往往是即時任務，受試者當前決策結果并不會對后續的決策任務造成影響。

4)決策者無專業背景要求。由于絕大部分實驗室研究均在大學、研究機構等場所開展，參與實驗的被試往往是在校學生，實驗任務也基本以文字閱讀的形式開展，對受試者的專業背景、個人經歷、技能水平等均沒有額外要求。

相比之下，現實生活中的決策場景往往是情景復雜、信息缺失、決策結果環環相扣的，尤其在緊急狀態下許多決策結果會造成重大影響；此外，許多執行復雜決策的人員都是該領域中的專業人員。實驗室任務與現實生活決策任務之間的不同也讓目前的決策研究成果很難直接應用于實際生活中。

3 自然決策理論指導下的研究方法

目前研究大多集中在條件控制嚴格、場景設置較為簡單的實驗室研究，其研究結果的外部效度受到了部分研究者的質疑，許多研究結論無法直接在復雜的日常生活中進行應用。為此，部分研究者提出了自然決策理論，利用對經歷過應急狀態的專家進行關鍵事件訪談的方法，分析復雜的、高壓力情景下專家的實際認知加工流程，試圖以此來提高應急狀態下新手的決策能力。

自然決策理論的研究主要為滿足民航、軍隊等特殊環境下的決策需求而開展，主要目的是研究人們在困難情況下如何決策，這些困難情況的典型特征有高時間壓力、高不確定性、高風險以及任務目標不固定等。在1989年的第一屆自然決策理論學術會議上，研究者提出了自然決策理論，認為專家在應急狀態下的決策主要以匹配、可用為主，而不是傳統決策中的評估和選擇。隨后這個研究主題受到越來越多的研究者的關注，在1994年召開的第二屆自然決策理論學術會議時有更多的研究者加入到這個領域的研究當中(與會人員由30余名增加至接近100名)。自然決策理論還激發了研究者關于情境意識、團隊情境意識、團隊共享心智模型等領域的研究，開創了一個全新的研究領域。

3.1 自然決策理論介紹

傳統決策模型從人的認知加工過程出發，將決策看作是一個輸入—處理—輸出的過程，關注的是人們如何在給定條件下做出理性的決策，評價標準通常是觀察被試做出的決策與數學上的最優解是否相符。實驗室條件決定了傳統決策無法模擬實際情景中較為復雜、動態的場景。

為了解決傳統決策研究中存在的問題，同時結合決策研究的現實需求，研究者提出了新的自然決策理論。該理論認為在現實的、復雜的動態環境中，面臨不確定的、高壓力的場景，決策者并不是遵從傳統的輸入—處理—輸出過程進行決策，而是對情景進行評估后選擇已有的處理模式進行反應。一般而言有3種反應模式:①如果當下情境與經驗中的某些情境匹配，則直接采取對應的決策流程和決策行為；②如果當下情境與經驗中的情境存在一定的差異，則主要尋找這種差異存在的原因，評估這些差異帶來的可能影響并對決策方案進行對應的修改，然后實施該方案；③如果當下情境無法與經驗中的決策情景匹配，則根據當前情景的特征、結合過去的經驗構建出新的處理方法，并且依據這種處理方法對當下情景的發展做出預測，如果預測結果能夠接受則按照當前的方法進行處理，否則對當前方法進行一定的修改。其決策的核心是多種形式的匹配，而不是選擇。

3.2 關鍵決策訪談法

為了獲得專家在應急狀態下的決策認知過程，自然決策理論的研究者們開發了關鍵決策訪談法來獲取專家決策的全流程、關鍵決策點、決策依據等信息，并且隨著實踐不斷發展完善。關鍵決策法是一套半結構化的訪談流程，通過對經歷過緊急事件的專家進行訪談，獲取專家在該種情況下的決策過程，主要包括情景分析(信息收集和評估)、決策點辨別(當前處于何種場景、該采取如何行動)以及行動評估(采取了這種行動是否可行)等。在關鍵決策法的訪談中，如何獲取專家們的認知線索是一個非常重要的過程，為了更好地獲取專家們的認知線索，研究者們積累了不同決策方向的問題作為認知探針，通過對認知探針回答的整理來分析專家的決策依據[41]。

一般而言，訪談過程需要全程錄音，并且每次訪談持續時間不低于1 h，不高于2 h，但是在某些情況下也可以采取快速訪談方法(一般在15 min內結束)。訪談結束后需要整理錄音的文字稿，讓兩名或者以上的編碼者對訪談者提到的信息和決策點進行編碼，然后分析受訪者的決策流程和決策的關鍵點，為后續的研究或者信息顯示提供決策依據。

3.3 自然決策理論的應用

作為一種主要使用專家訪談方法進行研究的決策理論，自然決策理論受到了許多傳統決策研究者的質疑，他們認為自然決策理論的觀點無法在實驗室環境中得到驗證，并且利用訪談方式得到的結論一致性較差。

為了應對這些質疑，自然決策理論的研究者們對包括消防員、坦克組組長、海上平臺的項目管理經理等各種人群進行了訪談和回訪，發現熟練的決策者在超過80%的情況下使用的是自然決策理論總結提煉的方法，并且其回訪的結論一致性信度也較高。自然決策理論提出之后在美軍的訓練中得到了廣泛應用；Wong等在救護團隊的研究中使用了自然決策理論對決策流程進行研究和改進；Orasanu等在2005年利用自然決策理論對國際空間站中的乘組表現進行分析；Darby等利用該方法對鐵路調度員的決策過程進行了探究。總的來看，自然決策理論在軍事、航天、運動以及復雜工程場景下的應用越來越多。

此外，實驗室研究中也有支持自然決策理論的證據。一項對比國際象棋領域中新手和專家表現的研究發現，新手在快棋(一局棋局時間少于5 min)中走出臭棋的比例要遠遠高于慢棋(一局棋局的時間往往大于50 min)，而專家在快棋與慢棋中的表現則較為一致，這與自然決策理論的預期一致。

3.4 小結

對比來看，實驗室研究的決策任務較為簡單，其可以較好地控制被試接收到的決策信息、較為明確地控制決策流程，對決策結果優劣也有明確的評價標準，便于進行數據分析，并且可以對比不同研究取得的結果，有助于了解被試基本的決策原則、偏好以及影響因素。但是實驗室研究的外部效度較差，很多決策研究結果在現實生活中、尤其是復雜場景下進行應用時往往因各種因素的干擾而失效。

與實驗室決策研究方法不同，自然決策理論的研究方法一開始就瞄準復雜環境下的決策過程，以真實執行過復雜決策任務的領域專家為研究對象，雖然得到的研究結果與實驗室研究結果具有較大差異，但是往往更具有現實和指導意義，能夠幫助現實生活中的決策者改進決策流程和決策質量。不過由于該方法進行的是定性分析研究，也存在著某些概念定義不清、不同研究者之間的研究方法差異較大等問題。目前已有研究者呼吁將定量分析、建模分析等方法引入自然決策理論下一步的研究之中。

總結來看，兩種研究方法的主要差異見表1。

表1 自然決策理論研究方法與傳統決策研究方法的主要區別Table 1 The main differences between naturalistic decision-making research methods and traditional decision-making research methods

4 載人航天領域中的決策研究

目前，國內外載人航天領域中關于決策方面的研究還較少，絕大部分研究和測試都集中在基本認知能力方面，通過測試評估航天員在軌工作記憶、知覺、注意等能力狀態，避免因航天員基本認知能力下降導致操作失誤。鑒于這些基本認知能力是進行良好決策，尤其是應急狀態下決策的基礎，因此也可以借鑒到載人航天領域的決策研究中。

目前NASA在國際空間站新一代的認知測試工具Cognition中引入了氣球模擬測試任務，并且在雙生子研究中發現長期在軌飛行并沒有對氣球測試中的表現產生影響，但是該研究只有一個對比樣本，還需要更多的數據才能得到有說服力的結論。

5 展望

考慮到未來長期在軌飛行壓力高、風險大、突發性強、關鍵決策后果不可逆等特點，開展針對航天員在軌決策的有關研究、分析航天員在軌決策能力和決策傾向變化等具有重要意義。

當前實驗室決策研究發展出了豐富的決策范式和成果，利用成熟的測試方法評估航天員在軌決策風險偏好、理性決策傾向等決策特性的變化，將幫助研究者探究長期在軌環境對決策表現的影響，并可以指導工作安排及地面支持等工作。

此外，自然決策理論的研究目標與航天領域的決策研究目標更加貼近，需要更加重視其在航天領域內的發展和應用。目前自然決策理論在美軍及NASA的研究中都得到了應用，尤其指導了美軍和NASA部分工作手冊和決策評估程序的編制與改進，取得了較好的應用成果。但是目前自然決策理論在國內的相關研究還比較少見，大部分決策研究仍以實驗室決策任務為對象，取得的結果較難直接應用在復雜決策場景中。考慮到文化因素的可能影響，以自然決策理論為指導，開展真實、復雜、動態決策條件下的載人航天決策研究，將不僅能夠在學術上豐富自然決策理論內涵，而且研究成果將能夠直接用于指導航天員和相關系統提高決策質量，是未來載人航天決策研究中重點方向。