空中管制作業仿真的認知負荷評估實驗

張博俊，陳天寧，李魏然，趙宇

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

1 引言

隨著經濟騰飛、民航行業的整體發展，我國空中運輸量一直在不斷激增。據統計，2017年，我國共有航空公司58家，民航運營機場233個，在冊民航運輸飛機3 296架。預計2025年，民航運輸飛機將達到7 000余架。[1]空中運輸量的增加帶來的是認知負荷的提升。為了有效監控飛行器的飛行路線、狀態，空中管制作業人員必須長時間、高負荷地對區域內飛行器的運行軌跡進行監視，并基于監視結果對飛行器的飛行路線、狀態進行分析判斷。隨著監控區域內飛行器數量增多，這一過程中空中管制作業人員的認知負荷就可能出現過載甚至崩潰的現象。

認知負荷是執行具體作業時，作用在作業人員認知系統上的負荷，是一個由反映作業與人員特征之間交互的原因維度和反映心理負荷、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構[2]。認知負荷過載將嚴重影響作業人員的工作績效、操作可靠性和身心健康,進而影響整個人機系統的效率和可靠性，因此認知負荷已成為人機系統評價的主要指標之一[3]。空中管制作業(ATC,Air Traffic Control)作為一個典型的人機任務，其認知負荷直接決定空中管制作業人員的判斷、決策和操控的準確性，對于人為事故的預防和處理都有著重大意義[4]。

為了對空中管制作業的認知負荷進行有效研究，需要建立一套空中管制作業的模擬實驗環境。由于空中管制作業本身往往具備保密性，且考慮作業的安全性和實驗成本，研究人員很難就空中管制作業進行直接研究，就需要在實驗環境下對空中管制作業進行復制。其次，空中管制作業的復雜性使其難以向認知負荷研究進行聚焦，因此需要對作業本身進行簡化的同時保留作業的認知特性。基于以上考慮，本文描述一種滿足上述要求的基于空中管制作業模擬的認知負荷實驗范式及其實驗流程的設計。

2 方法

2.1 作業任務分析

依據空中管制作業的作業任務特征、角色特征、環境特征，空中管制作業具備以下特征：(1)空中管制作業屬于需要高度注意的作業，作業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)作業中出現失誤的主要原因是在人員協同階段產生的誤解和作業階段的疏忽大意，而這兩種失誤均在高作業量水平下多發；(3)作業受作業人員的自身個體因素影響明顯。

空中管制作業的認知負荷被認為與管制區域內的交通密度、空域復雜性具有較大的關聯[5]，此外管制區域的幾何形態、飛行計劃、氣候因素也都會對空中管制作業的認知負荷產生影響[6]。在真實空中管制的作業環境中，這些影響因素對實驗結果的擾動很難被消除，但在仿真環境下，可以對其中某一項影響因素進行針對性的分析，并控制其他影響因素來保障實驗結果的穩定性。那么考慮本研究，通過改變空域內的交通密度，可以實現對作業認知負荷的一個控制，達到以不同的交通密度設計來實現作業認知負荷的梯度化設計。

2.2 實驗范式設計

基于上述的任務分析，研究基于空中管制作業的認知特性設計了如下的實驗任務。實驗程序將在被測人員前方的屏幕上顯示一片空白區域，并以固定的時間間隔在空白區域中的隨機位置產生一個可被鼠標點擊觸發的目標點。當被測人員點擊目標點時，如果這個目標點是第一次被觸發，那么在屏幕右側的固定信息欄會顯示這個目標點的屬性；如果這個目標點被再次觸發，那么屏幕右側的固定信息欄不會產生任何變化(見圖1)。

圖1 實驗范式

在這個過程中，被測人員需要執行兩個任務步驟：(1)尋找視野范圍內所有目標點中新出現的那一個，并使用鼠標點擊以觸發這個目標點；(2)根據屏幕右側固定信息欄上的屬性，依次點擊正確的選項。在實驗過程中，被測人員需要交替進行這兩個任務步驟，直到實驗結束。

屏幕右側的固定信息欄將顯示目標點的 “數量”“類型”“高度”三項屬性。在目標點被首次觸發后，被測人員需要根據這三項屬性的顯示點擊圖6右下方對應的按鈕。例如圖6右側屏幕顯示的是“●”“A”“968”，被測人員需要依次點擊“一架”“軍用飛機”“低空飛行”三個按鈕。各項屬性具體的顯示及其代表的含義見下表1。

表1 目標屬性的顯示及其含義

(2)指標設計

實驗進行過程中共記錄正確觸發數、錯誤觸發數、觸發用時、正確判斷數、錯誤判斷數、判斷用時和遺漏次數7項績效數據。

在實驗分析過程中，可以通過這7項績效數據計算到的遺漏率、觸發正確率、判斷率正確、觸發反應時、判斷反應時，并進一步綜合得到任務成功率和任務效率，見表2。

表2 實驗范式產生的績效指標

2.3 被試標準

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

2.4 實驗平臺

實驗平臺應設置在暗室或其他可控的人工光照環境中，建議為10 m2左右的封閉空間(參考空中管制作業的一般作業環境)，避免明顯噪聲干擾。實驗平臺上應布署兩臺PC設備：一臺PC設備用于被試人員操作實驗范式及進行屏幕錄制，該PC設備應包含顯示設備、鍵盤與鼠標輸入設備。另一臺PC設備用于實驗人員監視、記錄被試的生理數據，與生理記錄設備相連，例如多導生理記錄儀、眼動儀等。

2.5 驗證實驗

為了驗證范式設計的有效性，確保實驗設計能夠體現空中管制作業的認知特性，本研究設計了一組實驗，驗證實驗范式所采集的任務績效數據是否能與主流的主觀評價量表NASA-TLX所得的結果保持一致。

本次實驗在中國航天員中心的支持下招募了16名戰士參與本次實驗。所有受試者均為男性(為了與空中管制作業的實際性別分布情況相匹配)，年齡范圍介于18-35歲，具有大專或以上學歷，能夠正常使用PC設備。實驗共采集16名受試者數據，每一名受試者采集2次實驗的數據，共計32例實驗數據被納入分析。

實驗使用了上文所述的范式作為實驗的主要任務，以受試者的個人特質作為實驗的因變量，使用任務績效作為認知負荷的主要數據依據，輔以NASA-TLX量表進行主觀評估。每名被測進行兩次重復實驗，每次實驗的時長為10 min，實驗中目標點出現間隔設定為5 s。兩次實驗中間間隔5 min。實驗具體流程見下表3。

表3 實驗流程

每次實驗結束后，受試者填寫一次NASA-TLX量表。NASA-TLX量表是一種評估作業人員執行任務的工作負荷多維量表[7]，通過NASA-TLX量表可以讓作業人員進行工作負荷的自我評估，它考察工作6個維度：心智需求、體力需求、時間需求、自我績效、努力程度、受挫程度[8]。本實驗所使用NASA-TLX量表見表4。

表4 實驗中使用的NASA-TLX量表

3 結果

3.1 作業任務績效

實驗統計了32例樣本數據中的績效數據，如下表5所示。

表5 作業任務績效的描述統計

3.2 工作負荷自我評估

實驗通過NASA-TLX量表采集了受試者對工作負荷的自我評估，結果如表6所示。

表6 NASA-TLX量表的描述統計

圖2 NASA-TLX量表的箱型圖

3.3 績效與評估的相關性

研究使用IBM SPSS Statistics軟件對任務績效與NASA-TLX量表的結果進行皮爾遜相關性分析。表7是皮爾遜相關性分析的結果。

表7 任務績效與NASA-TLX量表結果的皮爾遜相關性分析

上表顯示，任務正確率與心智需求在0.01級別呈現顯著的負相關，并與受挫程度在0.05級別呈現顯著的負相關；任務效率與心智需求在0.01級別呈現顯著的負相關，并與努力程度在0.05級別呈現顯著的正相關。這說明在所設計的范式中，任務績效水平確實與作業人員的心理負荷中的心智需求具有明顯的關聯。

4 討論

利用仿真技術對空中管制作業進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驗證外部顯示輔助設備對于減少預期記憶錯誤的效果[9]；RS Pierce等人則在低保真的空中管制模擬系統中比較了幾種情境意識探測技術的效果[10]；JB Brookings等人通過空中管制模擬技術研究工作負荷對于人員生理和心理層面的影響[11]。這些年，空中管制作業的仿真在空管人員培訓、空管系統的研發中也發揮著越來越重要的作用，因為它能夠一定程度上再現空中交通狀況，同時又不會對人員和設備產生實質的風險[12]。

隨著技術的成熟，對空中管制的模擬越來越走向高保真、高復雜度和多模態交互，但對于空中管制中的某些機制的研究來說，反而導致了研究難以聚焦、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的認知特征提取和建立空中管制作業的簡化作業任務，以目標搜索和信息識別兩個元任務建立了實驗范式，用于認知負荷相關的研究，對未來相關領域的探索具備實用價值。

但本研究也存在一定的局限性。空中管制作業人員的工作除了對空域進行監控等認知型任務之外，也包含對使用和維護設備等操作型任務。在實際空中管制作業中，設備的差異對于空中管制作業的認知負荷也產生了較為明顯的影響，這說明這類任務對于認知負荷的研究仍然是不可忽略。而這一點在目前的實驗范式中無法得到體現。對空中管制設備的具體操作細節缺乏了解是造成這一局限性的主要原因，因此后續我們還將繼續進行這項研究，基于不同的背景和目的設計開發更多適合空中管制作業任務的實驗范式。