认知模型在空管初始技能自主学习训练中的应用研究

周通 刘丽阳 王俊伟

摘 要：认知科学作为一个新兴交叉的学科领域备受当今世界关注。本文简述了认知科学，在介绍五种认知模型的基础上，通过规范性、理论合理性和工程适用性三方面类比分析这些认知模型，从而选择出一种适用于空管初级技能自主训练的认知模型。结果表明认知模型的应用能够帮助软件的使用者提高学习效率。

关键词：认知科学；认知模型；空管初始技能自主学习训练

认知科学是一门研究人类感知和思维信息处理过程的科学，包括从感觉的输入到复杂问题求解，从人类个体到人类社会的智能活动，以及人工智能和机器智能的性质。随着认知心理学的发展，1973年朗盖特·系金斯开始使用“认知科学”一词。1975年，美国斯隆基金投资研究“在认识过程中信息是如何传递的”，为此学者将哲学、心理学、语言学、人类学、计算机科学和神经科学作为六大支撑学科进行合并研究，由此产生了认知科学。认知科学的发展大致经历了三个阶

段，即20世纪40年代中期到50年代中期的前人工智能时期、20世纪50年代末到80

年代初期的经典符号处理模型时期、以及20世纪80年代之后的联结主义模型的兴盛时期。

在认知科学的发展过程中，原本作为支撑的六大学科产生了学科分支，即心智哲学、认知心理学、认知语言学、认知人类学、人工智能和认知神经科学。而后随着六大支撑学科之间进一步的相互交叉融合，由此衍生出11个新兴交叉学科：1、控制论；2、神经语言学；3、神经心理学；4、认知过程仿真；5、计算语言学；6、心理语言学；7、心理哲学；8、语言哲学；9、人类学语言学；10、认知人类学；11、脑进化。认知科学虽然是一门新兴的学科，但是却在人类揭示人脑的工作机理方面做出了卓越贡献。

一、认知模型

所谓认知模型，是指依据认知科学的概念、方法和数据而构建的一种“组织性的框架”。建立认知模型可以使研究人员从特定的角度探索研究人体的思维机制，尤其是人对所接收信息的处理机制，而且为设计人员在设计相应的人工智能系统时，提供新的理论体系和技术方法。

（一）简单介绍几种认知模型

伴随认知科学的发展，人们渴望用语言来表达人类的认知过程，为此科研人员构建了许多认知模型，在此我们简单地介绍五种具有代表性的认知模型，即S-O-R模型、SRK模型、信息处理模型、阶梯模型和通用认知模型。

1、S-O-R模型。从传统心理学的观点来看，感知、信息处理和反应是组成人的认知行为的基本三要素，以此建立了S-O-R模型，如图1所示。模型中S代表外界刺激，指人体在感受到外界的信息时，将其转变成讯号通过神经传递给大脑；O代表人体思维组织，指大脑收到讯号后，先对讯号进行分析处理，然后决策，并制定下一步行动计划，最后将指令经神经传导给相应器官；R代表人体反应，即人体相应器官在收到指令后，执行对应的动作。

2、SRK模型。Rasmussen在1983年提出了SRK模型，他将人的认知行为划分为技能型行为模式、规则型行为模式和知识型行为模式，如图2所示。技能型行为模式是指在人感知外界信息时，凭借自身的工作能力和经验就可毫不犹豫地对信息进行处理、执行的行为模式。规则型行为模式是指人从自身比较熟悉情景中感知到信息时，依据自身以往实践的经验对信息进行识别，然后选择比较合适的规则来执行任务的行为模式。知识型行为模式是指人在外界感知到信息时，无法凭借自身的工作能力和实践经验对信息进行处理，而需要依靠自己知识来对信息进行诊断分析，才能做出决策、制定计划，最终按照行动计划来执行的行为模式。

3、信息处理模型。信息处理模型是Wickens在1984年提出的，从信息接收、信息分析、决策与分析、执行四个阶段来描述了人的认知过程，他将人的认知行为拟化为一个信息流的过程，如图3所示。信息接收模块用于接收外界信息，而信息分析模块则利用大脑的思维能力对信息进行分析处理，然后决策与计划模块则依据处理后的信息确定决策和计划，最终执行模块负责将决策和计划付诸于行动。此外在该流程中，研究人员考虑到了注意力、工作记忆和长效记忆对信息分析、决策与计划、执行等模块的影响。

（二）认知模型的比较

每种模型都是从某个方面对人的认知行为进行模拟，各有各的优势，下面从认知模型的规范性、理论合理性、工程适用性三方面对以上几种认知模型进行对比。

1、认知模型的规范性、判别模型的规范性，可从模型的结构规范性和描述规范性两方面入手。S-O-R模型、SRK模型、信息处理模型，结构清晰，容易让人了解其所描述的认知过程，同时使用了比较规范的语言，例如感知、识别、计划、决策等，这些词语很好地表征了每个认知阶段所代表的功能。相对于这些模型，通用模型在流程中使用了大量的判断语句、执行语句，虽然使行为过程更加细化，但是增加了模型的复杂性，影响了该模型的规范性。

2、认知模型的理论合理性、每一种认知模型的提出都体现出该阶段研究人员对认知行为的探索结果，在当时都具有一定的理论合理性。然而随着时代的进步，由于当时的研究条件和研究领域的限制，使得认知模型的理论不足逐渐凸显。S-O-R模型比较简单，只列出了认知行为的一般性结构；信息处理模型相对详细的描述了人的认知行为过程，同时考虑到了人的注意力和记忆对认知过程的影响，但是将认知行为描述为单一串行化形式；SRK模型，考虑到了认知过程中可能存在的途径，并且SRK模型更是将认知行为模式细化，但是不足之处在于未将认知过程不同阶段之间的交互性做进一步的解释。

3、认知模型的工程适用性、S-O-R模型大多数情况下只作为其他认知模型的理论根源，并不太适合比较复杂的工程系统；信息处理模型结构比较清晰，分析难度不高，比较适合工程应用；SRK模型具备信息处理模型的特点，而且各个认知功能并非严格的串行过程，在认知过程中可重复进行，因此也适合工程应用。

二、认知模型在空管初级技能自主训练中的应用

空中交通管制员的工作性质比较特殊，肩负着保证航空器在地面以及空中的安全、快速、有序地运行的责任。要想很好地完成这项工作，必须有坚实的工作基础和工作经验。管制员需要时刻掌握航班的计划和动态，因此监控下航空公司的徽标、三字代码、航空器呼号、航向、起飞机场和目的机场的四字代码等都是极为重要的情报信息。因此在初级管制员的培训工作中，首先应该让管制员熟练掌握这些信息。因为国内尚未开发初级管制员关于这些技能的学习软件，为此我们开发了空管初始技能训练系统。

国内外的航空公司、机场众多，因此初级管制员需要掌握的知识信息量非常大，但是其中的记忆规律又不是很明显，为此我们选择了较为简单的S-O-R模型作为系统的人体认知过程的理论基础。在空管初始技能训练系统中，界面中文字和图片作为外界刺激源，在使用者将刺激转化为讯号传递给大脑后，然后经由大脑的思维功能对讯号进行处理，将文字与图片相结合，形成相应的联系，制定行动计划，最终将行动讯号作用于记忆细胞，形成短时记忆。使用者在自主学习的过程中，通过不断地刺激，最终促使使用者形成长期记忆，如图5所示。

（一）S-O-R模型的应用结果

空管初始技能训练系统中的航空公司徽标以及三字名代码的模块已经开发完毕，并且已经在已经签约华北空管局的大四学生中投入了试用。为了检验系统的效果，为此我们对四十个大四管制学生进行了测试。在测试者未开始使用该系统自主学习之前，我们应用该系统中的出题系统对测试者进行了模拟考试，并对他们的成绩进行了统计。然后让测试者使用该系统进行了5个小时的训练，训练结束之后，再次进行模拟考核，成功收集了成绩数据。考核结果显示，测试者的国内、国外的航空公司徽标、三字名代码的平均测试结果从35.1分和36分分别提高到了72.94分和71分，对比两次的成绩数据表明出该系统对初级管制员的促进作用。

三、结束语

在我们的生活中，认知模型应用十分广泛，诸如人工智能、类脑计算、人机交互等。但相比国外，我国认知模型的研究还处于初级阶段，人们对于认知模型还没有很深的了解。本文将认知模型引入空管初级技能自学习系统，从成绩分析来看取得了良好的效果，可见应用认知模型能够帮助我们提高学习效率，因此了解认知模型的发展和重要性非常必要。

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基金项目：中国民航大学大学生创新创业资助项目；项目编号（IECAUC2015040）。中国民航大学空中交通管理创新创业实践基地。