雷达管制班组协作模型

刘永欣，王含柏

（1.中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300；2.民航中南空管局，广州 510405）

雷达管制班组协作模型

刘永欣1，王含柏2

（1.中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300；2.民航中南空管局，广州 510405）

空中交通管制班组成员间的协调与配合是保证空管安全运行的重要环节，利用交互认知模型（MBM）构建雷达管制行为中的班组协作模型，并在雷达管制模拟机上对模型进行验证，分析了雷达管制班组协作中交互认知模型、情景意识保持策略及人际沟通方法之间的关系，为进一步研究非常规情况下的班组协作模型，以及评估空管系统及管制班组工作绩效提供依据。

空中交通管制；雷达管制；交互认知模型；班组情景意识

空中交通管制是一项需要团队协作的工作，良好的管制班组协作可以极大减轻管制员的工作压力，且有效防止人为差错。因此，以当前普遍采用的雷达管制方式为对象，建立班组协作认知模型，将有利于进一步研究班组间的行为本质，从而为提升班组工作绩效提供科学的理论技术支持。

在人工智能和认知科学领域中，一些已成体系的知识，如Minsky[1]等人提出的架构、代码或图示等概念，已广为人知并得以应用。实践表明，在空管领域每位管制员的认知过程都可用“例行程序”的概念来描述，但这是一个建立在“专家知识”基础上所形成的心理模式[2]。每项例行程序中包含了对每个具体空中交通场景的描述。对于管制员个体，其认知模型是将当前空中交通态势与例行程序进行匹配，进而选择并应用相应的程序解决问题的过程。

因为员工需要协作来完成任务，因此班组表现在核工业已成为学术研究的热点。在核工业内的班组表现研究包含了各式的课题,如人的可靠性对班组组织的影响[3]，通信特性和数量[4]，人机界面设计和人员等级对班组绩效的影响[5]等。这些研究为理解空中交通管制班组绩效提供了非常有用的资料。

在航空领域，个人的情景意识已经被延伸到班组情景意识（TSA）中。Wellens和Stout[6]已经提出了班组情景意识的定义,试图对班组情景意识进行评估。这些情景意识在班组成员中共同享有并且影响了每个班组成员。如Endsley和Jones[7]解释了班组情景意识包含了每个成员的情景意识和共享的情景意识。但是尚缺乏对于“共享情景意识的概念”和“班组成员如何通过沟通建立班组情景意识”的具体阐释。因此本文尝试建立一个基于动态共享班组情景意识的认知模型，研究管制班组的协调协作活动。

1 交互认知模型MBM

1.1 MBM模型概念

班组情景意识的认知过程可以用交互认知模型（mutual belief model，MBM）进行描述，因此MBM模型是本文所研究认知模型的基础。Tuomela和Miller[8]介绍了“交互认知”的概念。这种利用个体的认知状态以及相应的往复思想所产生的协作机制可以阐明团队成员共享彼此认知的本质含义。

Kanno[9]在班组认知过程上应用了上述理念，提出了交互认知模型（MBM）用来表示班组协作机制。图1显示了班组中2名成员往复认知的过程。理论上，交互认知的往复结构是无限延伸的，但是这里显示的3层已足以表明现实管制班组的协作情况。

图1 交互认知模型Fig.1 Mutual belief model（MBM）

1.2 MBM模型的内在联系

在MBM模型中，认知的实体是通过同层内或不同层之间的几种交流方式得到的，并以此来维持班组内部的协作。这些交流方式分为4类：语言交流，思维模拟（干预），补充（推测）和证实（一致性检验）。

除了上述4种交流方式之外，以往所从事的MBM模型研究中，提出了下列4种班组情景意识保持的策略：补充个人自身的认知过程、补充个人自身的思维模拟、证实并调整以保持情景意识一致性以及支持其他成员的思维模拟。

2 雷达管制班组协作模型

按照离散认知过程，由认知主导的管制决策取决于已经获得的班组情景意识。雷达管制班组协作模型如图2所示。

图2 雷达管制班组协作模型Fig.2 Radar control team cooperation model

首先，管制班组中的每名成员独立从飞行计划、雷达显示器以及陆空通话中获得个人的情景意识。其次，在建立个人情景意识的基础上，对同伴的意识（交互认知模型第2层）以及同伴与他人的交互意识（交互认知模型第3层）将会得到进一步发展。此即为发展班组情景意识交互认知的过程。

为了获得班组情景意识，班组成员首先会尝试进行人际沟通和自我沟通：思维模拟、补充或证实。这些沟通可以用来发现和修复班组情景意识的不一致和不充分的部分。雷达管制员需要实时监控雷达显示器并与飞行员之间进行通话，与此同时协调管制员进行与其他扇区的协调工作，以及处理飞行进程单，并且关注雷达管制员的行为、通话，与雷达管制员保持一致的情景意识。对情景意识的缺失是由思维模拟或假设补充引起的，仅凭自我沟通而获取的班组情景意识是十分有限的，因此人际沟通和自我沟通对获取班组情景意识缺一不可。

如果自我沟通无法发展成合理而又充分的班组情景意识，就需要选择告知，询问与回答以及观察促使人与人之间的交流。“告知”是语言交流的标准方式，但是如果管制员工作压力大或者信息相对不重要时，告知的内容可能不会清晰明确。管制员可以从同伴的行为推测其想法而无需语言交流，前提是这个行为是可见的。通常，观察是低负荷的工作，结果并不像语言交流那样的清晰易懂。当管制员想要明确证实班组情景意识的一致性时，询问与回答是合理的交流方法，特别是当两人意见有冲突时，询问与回答是解决冲突最直接的方法。

3 雷达管制班组协作实验与分析

3.1 模拟管制环境

本实验所使用的空域是模拟的“东方区域”01号扇区，如图3所示。它具有雷达管制的代表性，完全可以反映出一般情况下的雷达管制运行情况。

图3 “东方区域”01号扇区航路结构图Fig.3 Airspace of 01 sector

3.2 实验数据分析方法

在实验中，首先通过雷达模拟机真实再现管制班组的工作过程，记录雷达管制员与飞行员、雷达管制员与协调管制员之间及协调管制员与其他相邻管制单位协调管制员之间的通话,以及全部的飞行数据。

其次,挑选出典型的班组成员协作案例，根据上述MBM模型分级结构之间的相互作用，以及班组情景意识保持策略，对案例中的通话记录和数据进行分析。根据管制员的指令将已经获得的通话和行为记录分解成基本单元，确定各个单元与专家知识之间的联系。然后依据离散认知的概念推断出管制班组协作的认知过程。实验分析的重点为MBM模型中沟通的建立和班组情景意识保持策略的类别,以及MBM模型、班组情景意识保持策略和沟通方式的相关性。

3.3 实验过程与分析

选取一个典型案例。A、B两架进场飞机分别从K11和K12两个交接点进入扇区，它们要求以20 km的间隔、5 400 m的移交高度移交给东方进近，经测算，两机几乎同时到达交接点ALF。另有离场飞机C将由进近雷达管制员自移交点ALF移交给区域雷达管制员，规定的移交高度为5 100 m。此外，在A、B之后又相继有两机进场，飞机以20 km的间隔由ALF点移交给进近。

雷达管制员要对A、B两机进行排序，按照间隔要求移交给进近，其次，接管C机后，其继续上升高度时与后续进场飞机之间的冲突，因此要考虑解决方案。协调管制员要按照雷达管制员的排序意图，就A、B两机与进近管制员提前协调，同时协助雷达管制员考虑C机与其他飞机之间冲突的解决方案。2名管制员间的协作过程可在MBM模型基础上用图4来表示。

图4 雷达管制员与协调管制员的协作流程Fig.4 Cooperation process between radar controller and assistant controller

协调管制员根据自己所具备的情景意识，用思维模拟的方法揣测到雷达管制员对A、B飞机排序的意图，随后采用询问的方式对自己的情景意识进行补充和校正，询问的内容为“A、B飞机哪个先移交？”。雷达管制员听到询问，明确协调管制员已经意识到了雷达管制员的思维活动，此过程与交互认知模型中的第3层相对应。协调管制员监听到雷达管制员对A飞机的减速指令，对管制预案加以证实。

雷达管制员持续对飞行动态进行监控，并发出相应指令保证飞机之间的安全间隔和顺畅运行，协调管制员根据雷达管制员的行为和陆空通话进行思维模拟，跟随雷达管制员的认知变化过程，保持情景意识的一致性。

雷达管制员意识到了C飞机如按预定移交高度5 100 m移交，将造成被后续进场飞机压制高度的问题，并将此告知协调管制员，以求对情景意识的证实。协调管制员意识到此问题，根据已有的知识和经验，向雷达管制员提出建议，与进近协调，提前接管C飞机。雷达管制员对协调管制员提出的解决方案表示同意，并考虑提前上升到的高度。此时，2名管制员获得了班组情景意识的一致性。

从以上案例分析中，可以看出2名管制员在形成班组情景意识前具体的交互和沟通策略，这些策略与交互认知模型中的描述是一致的。

3.4 班组交互中的人际沟通

交互认知模型中人际沟通只定义了语言交流，但从整个过程来看，管制员经常通过观察同伴的行为来获取信息。因此，根据信息的提供和获取行为，人际沟通可以分成“告知”、“询问与回答”和“观察”3类，他们与交互认知模型中的语言交流是对应的。

图5显示了MBM模型/班组情景意识保持策略与3种人际沟通方法之间的关系。可以看出，观察同伴的行为通常会引发思维模拟去推测同伴的想法。对于证实和保持班组情景意识的一致性而言，“告知”是用于证实并调整情景意识一致性中使用最为常用的方法，同时也是支持同伴思维模拟的主要手段。“询问与回答”较其他沟通方法而言使用较少，但它对班组情景意识保持的每个策略都有影响。“询问”是为了辅助个人的感知、思维模拟等认知过程，同时也用来证实班组情景意识的一致性或支持同伴的思维模拟，相应的，听者也能从询问者的问题中推断出他的意图。

图5 交互认知模型/班组情景意识保持策略/ 3种人际沟通方法之间的关系Fig.5 Relationship between MBM team situation awareness and communication methods

4 结语

利用MBM模型解释了雷达管制中班组协作的过程，并建立了雷达管制班组协作模型，通过雷达模拟机实验记录并分析了班组协作过程的各项数据，验证了基于MBM模型建立的管制班组协作模型是可行的。从而可对进一步提高班组整体绩效水平提供理论依据，以及为开展空管系统评估打下理论基础。

[1]MINSKY M.A Frame Work for Representing Knowledge.Winston P，The Theory of Computer Vision[M].New York：McGraw-Hill，1975.

[2]INOUE S，AOYAMA H，KAGEYAMA K，et al.Task Analysis for Safety Assessment in En-Route Air Traffic Control[C]//Proceedings 13th InternationalSymposiumAviationPsychology.Oklahoma，2005：253-258.

[3]FURUTA K，KONDO S.Impact of group organization on human reliability[J].Reliab Eng SystSaf，1992，38：193-198.

[4]UJITA H，RYUTARO K，YOSHIMURA S.An approach for evaluating expert performance in emergency situations[J].Reliab Eng Syst Saf 47，1995，47：163-173.

[5]SEBOK A.Team performance in process control:influences of interface design and staffing levels[J].Ergonomics，2000，43：1210-1236.

[6]WELLENS A R.Group Situation Awareness and Distributed Decision Making：From Military to Civilian Applications[C]//Castellan NJ Jr（ed）Individual and Group Decision Making.Lawrence Erlbaum，Mahwah，1993：267-291.

[7]ENDSLEY M R，JONES W M.A Model of Inter-and Intra-Team Situational Awareness：Implications for Design，Training and Measurement[C]//In:McNeese M，Salas E，Endsley M（eds）New Trends in Cooperative Activities：Understanding System Dynamics in Complex.Human Factors and Ergonomics Society.2001：46-68.

[8]TUOMELA R，MILLERK.We-Intentions[J].Philos Stud，1988，53：367-389.

[9]KANNO T.The Notion of Sharedness Based on Mutual Belief[C]//Proceedings 12th International Conference Human-Computer Interaction. Beijing，2007：1347-1351.

（责任编辑：黄 月）

Model of radar control team cooperation

LIU Yong-xin1，WANG Han-bo2
（1.College of Air Traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China；2.Middle South Regional Air Traffic Management Sub-Bureau，CAAC，Guangzhou 510405，China）

The cooperation and coordination of air traffic controller teams are a vital part for ensuring the safe operation of air traffic control.Using mutual belief model（MBM），the cooperation model of radar control is developed.The validity of the model is verified by radar control simulator.The MBM in the cooperation of radar controller teams and the relationships between the strategy of maintaining situation awareness and communication approaches are analyzed，which will promote the further research of team cooperation model in abnormal situations.Besides,the outcomes also provide evidence of the assessment of air traffic control system and the performance of controller teams.

air traffic control；radar control；mutual belief model；team situation awareness

V355

：A

：1674-5590（2014）04-0005-04

2013-05-15；

：2013-08-25

：中国民航大学科研基金项目(2010kyE06)

刘永欣（1978—），男，天津人，讲师，硕士，研究方向为空中交通管理.