基于认知能力的民航飞行员陆空通话绩效研究

王燕青，李 甲，王 宇

(中国民航大学飞行技术学院，天津300300)

航空器与空中交通服务单位之间进行语音通信的方式是无线电陆空通话(以下简称陆空通话)[1]。为保证陆空通话的准确有效，当管制员发出指令后，飞行员需要复诵指令。然而，在复诵过程中，由于飞行员认知能力方面的影响，会导致陆空通话差错的发生。航空科学第27次国际会议统计指出，有80%的飞行员陆空通话中含有一个甚至多个错误信息，其中30%的不安全事件、40%的跑道侵入事件均是由陆空通话差错引起的[2]，因此，有必要深入分析飞行员复诵产生差错的根本原因，以提高航空安全水平。

目前，中外学者对陆空通话开展了相关研究。Molesworth等[3]通过模拟不同管制信息数量情境下的陆空通话，认为管制信息的数量会影响飞行员的陆空通话绩效；Morron等[4]基于认知能力首次指出飞行员的记忆能力的差异会造成其对管制员指令记忆出现偏差，最终导致飞行事故；Prinzo等[5-6]研究发现管制信息中数字信息的长度和格式会影响通航飞行员的复诵绩效；Benthem等[7]通过对54名不同年龄的通航飞行员进行研究，发现年龄会影响飞行员的认知能力，进而影响飞行员工作绩效；2011年，石瑞芳等[8]首次基于管制员的认知过程对陆空通话错误原因进行了分析，发现每一个认知阶段中都存在因管制员认知能力的不足而导致陆空通话出错的可能；韩佳佳等[9]在陆空通话的教学研究中运用能力导向理念，将这种教学方法与陆空通话语言能力的培养相关性进行了分析。

综上所述，尽管已有学者从记忆能力[10-11]、语言能力[12]、文化[13]、年龄差异[14]等方面对飞行员的陆空通话差错的影响开展研究，但很少从飞行员陆空通话时的综合认知能力分析其复诵差错。因此，基于Wickens的信息加工模型，构建飞行员陆空通话认知模型，并基于此，设计开展模拟实验，从飞行员的多个认知能力全面分析其复诵产生差错的根本原因，进而构建飞行员陆空通话综合认知能力模型，以期帮助提高飞行员陆空通话绩效，减少飞行事故的发生。

1 飞行员陆空通话认知模型

信息加工理论认为人的认知过程与计算机的信息加工过程一样，也包含“输入”“处理”“输出”3个阶段。李敬强等[15]基于信息加工过程对管制人因差错概率量化方法进行了研究，对管制员的选拔、评估安全风险具有指导意见。结合飞行员陆空通话特点，采用Wickens的信息加工模型，构建飞行员陆空通话认知模型，如图1所示。

图1 飞行员陆空通话认知模型Fig.1 Pilots’ radiotelephony communication cognitive model

在信息输入阶段，飞行员将通过信息感知和感觉记忆来获取管制员发出的指令，因此，此时飞行员需要感知、记忆等认知能力；在信息处理阶段，飞行员需要对管制员发出的指令进行加工并记忆，所以飞行员需要记忆、思维等认知能力；在信息输出阶段，飞行员将复诵管制员的指令并作出决策，飞行员需要决策等认知能力。另外，在整个陆空通话过程中，都需要飞行员有良好的注意力和较强的语言能力，因此拟通过飞行员的注意力、短时记忆能力、思维能力、语言能力4项指标来分析其陆空通话认知能力。

2 实验方法

2.1 被试

实验选取20名男性飞行学员作为被试，视力、听力正常，均通过飞行人员英语等级三级考试，且获得飞行私照。

2.2 实验设备及材料

采用飞行模拟器模拟实际飞行任务中的驾驶舱环境。实验中部分陆空通话指令如图2、图3所示。

2.3 实验设计

实验研究飞行员的认知能力(注意力、短时记忆力、思维能力、语言能力)对其陆空通话绩效的影响，拟采用2×2×2×2的组内设计。自变量如下。

(1)干扰。在陆空通话任务中，因为受到突发事件的干扰而注意资源分配不合理，常常导致飞行员陆空通话差错。因此实验设置干扰(在正常飞行任务中还要做一项干扰任务)、无干扰组，比较有、无干扰情况下飞行员的陆空通话情况，进而分析注意力对飞行员陆空通话绩效的影响。

(2)指令长度。在陆空通话任务中，飞行员基于其短时记忆力，对长度不同的指令获取与加工的效率也不同，也会影响到陆空通话绩效。因此通过改变陆空通话指令中数字组合的个数，使得指令长度不同，比较指令长度不同情况下飞行员的陆空通话情况，进而分析短时记忆力对飞行员陆空通话的影响。

图2 陆空通话英文指令Fig.2 English instructions of radiotelephony communication

图3 陆空通话中文指令Fig.3 Chinese in structions of radiotelephony communication

(3)错误指令。在陆空通话任务中，如果飞行员没有识别错误指令而执行管制员的指令，将导致严重的飞行事故，而思维能力在飞行员接收到指令后，会帮助飞行员对指令进行分析、判断和推理，识别出错误指令。因此，实验中在一些指令中加入错误指令，通过比较在有、无错误指令情况下飞行员陆空通话的情况，进而分析思维能力对飞行员陆空通话的影响。

(4)语言。在陆空通话任务中，因为语言语法的差异导致飞行员陆空通话中听错、遗漏指令的事件时有发生。因此实验中设置中英文情况下的陆空通话，通过比较中、英文情况下飞行员的陆空通话情况，进而分析语言能力对飞行员陆空通话的影响。

图4 陆空通话实验设计Fig.4 experimental design of radiotelephony communication

因变量为反映陆空通话质量的2项绩效指标，即被试复诵指令的错误次数和要求管制员重复指令的次数。

控制变量：为减少其他变量对实验的影响，实验指令都由一位男性管制员负责，保证语速和音量一致，被试均无疲劳反应且身体状况正常，均采用相同的进近方式，在相同的飞行环境中进行实验。

根据实际陆空通话，制定实验中的指令长短，指令形式单一。由于干扰和错误指令两个自变量的出现顺序可能会对实验结果产生影响，因此采用拉丁方设计的方法设计4个子实验来平衡这一影响。实验设计如图4所示。依据实际情况，干扰和错误指令两项极少同时出现，因此实验不包含两项同时出现的情况。

图4中，括号内数字表示被试的数量。根据拉丁方设计完成①②③④ 4个实验的设计，每个实验由5名被试完成，图中每个子实验里方框的数量代表管制员向飞行员发送指令的次数，方框中“通信建立”“管制移交”分别表示管制员与飞行员之间取得联系和移交通话的例行沟通模式，方框中的数字表示发送指令时，指令当中包含的数字组合的个数，背景由斜线填充的方框，表示本次发送的指令中有一条错误指令，背景由圆点填充的方框，表示飞行员在听到指令时还需要完成一项干扰任务。

2.4 实验程序

(1)将20名被试分为4组完成4个子实验。

(2)实验前，被试试听语音材料(与实验内容无关)，并调节适合自己的音量，熟悉管制员发出指令的语速。

(3)被试需先在模拟机进行练习，确保飞行模拟器的正常运行。

(4)设置本次实验的飞行模拟参数准备进行实验。实验开始后，被试驾驶航空器从2 400 m的高空下降，注意听管制员发出的指令，收到指令后复诵接收到的指令，记录实验数据，实验结束。

3 数据分析与讨论

3.1 数据预处理

由于管制指令中数字指令的个数为2或3，需对其通话绩效进行如下的预处理：

(1)

3.2 飞行员陆空通话时的认知能力分析

3.2.1 注意分配能力

经过数据预处理，计算得到有、无干扰情境下被试的平均陆空通话绩效，如表1所示。

表1 有、无干扰条件下子实验中被试平均陆空通话绩效Table 1 The average radiotelephony communication performance of the participants in each sub-experiment with and without interference

从表1可知，在无干扰情境下，被试要求管制员的平均重复次数、被试复诵指令的平均错误次数均要少于有干扰的情境下的平均次数。

对被试要求管制员重复指令的次数作有、无干扰情境下的配对样本t检验。在干扰情境下被试要求管制员重复次数显著高于无干扰的情境下(t=-4.436,P=0.000<0.01)，说明有干扰的情境下被试在复诵管制指令时，由于注意资源被干扰占用，要求管制员更多次地重复指令来记忆。

对被试复诵错误次数作有、无干扰情境下的配对样本t检验。有干扰的情境下被试复诵指令时的错误次数显著高于无干扰的情境下(t=-3.236,P=0.004<0.01)，表明此时被试的注意力被分散，更容易在复诵过程中出现差错。

3.2.2 短时记忆力

经过数据预处理，计算得到指令长度不同时被试的平均陆空通话绩效，如表2所示。

表2 指令长度不同时各子实验被试的平均陆空通话绩效Table 2 Average radiotelephony communication performance of participants in each sub-experiment when the length of the instruction is different

由表2可知，当指令中包含2个数字指令时，被试要求管制员重复指令的平均次数、被试复诵指令的平均错误次数均要少于指令中包含3个数字指令时的平均次数。

对被试要求管制员重复次数进行不同数字指令个数的配对样本t检验。数字指令个数为3个时，被试要求管制员重复次数显著高于数字指令个数为2个时的次数(t=-7.471,P=0.000<0.01)，表明被试的短时记忆力更容易记忆较短的指令，当指令较长时，被试会要求管制员多次重复来加强对指令的记忆。

对被试复诵错误次数进行不同数字指令个数的配对样本t检验。数字指令个数为3个时，被试复诵指令的错误次数显著高于数字指令个数为2个时的次数(t=-4.467,P=0.000<0.01)，表明被试的短时记忆力更容易记忆信息量较少的指令，当指令较长、内容较为复杂的情况下，被试在复诵时更容易出错。与Morrow等[4]的结论一样，较长的指令会导致飞行员记忆指令不准确，最后影响复诵绩效。

3.2.3 思维能力

经过数据预处理，计算得到含有正确、错误指令情况下被试对指令的识别率以及平均陆空通话绩效，如表3所示。

表3 正确、错误指令下各子实验中的平均识别率Table 3 Average recognition rate in each sub-experiment under correct and incorrect instructions

从表3中可以看出，所有被试都识别出了正确指令，但对错误指令的识别却明显不高。

对指令识别率作有、无错误指令的配对样本t检验。有错误指令情境下，被试对指令的识别率显著低于没有错误指令时的识别率(t=-6.990,P=0.000<0.01)，即被试的思维能力显著影响着其对指令的识别，且错误指令的识别对被试的思维能力要求很高。进一步分析被试对错误指令的识别率不同的情况下，对其陆空通话绩效的影响。图5所示为被试的错误指令识别率不同时，其陆空通话绩效的平均值。

图5 错误指令识别率不同时的平均绩效Fig.5 Average performance with different error instructions recognition rates

由图5可得，错误指令的识别率在0～0.5时，被试要求管制员重复指令的次数呈下降趋势，而在0.5～1重复指令的次数又有上升趋势，对指令重复次数进行方差齐性检验，得到P=0.402>0.05，满足方差齐性检验，进一步作重复次数的单因素方差分析，发现错误指令的识别率不同时，重复指令的次数(F=0.096,P=0.909>0.05)无显著性差异；错误指令的识别率在0～0.5时，被试复诵指令的错误次数有下降趋势，但在0.5～1其复诵错误次数有上升趋势，对复诵错误次数作方差齐性检验，发现P=0.786>0.05，满足方差齐性检验，进一步作错误次数的单因素方差分析，发现错误指令识别率不同时，错误次数没有显著差异(F=1.104,P=0.354>0.05)，表明被试的思维能力对陆空通话中的错误次数和重复次数影响不大。这与游旭群等[16]的结论一样，即飞行员的判断决策力与其飞行业绩考核呈显著正相关。

3.2.4 语言能力

经过数据预处理，计算得到中、英文环境下被试的平均陆空通话绩效，如表4所示。

表4 中、英文环境下子实验中被试的平均陆空通话绩效Table 4 Average radiotelephony communication performance of participants in each sub-experiment in Chinese and English

从表4可知，在英文情境下，被试要求管制员的重复次数显然多于在中文情境下重复次数，但中、英文情境下被试复诵指令时错误次数并没有显著变化。

在中、英文陆空通话情境下，对被试要求管制员重复指令次数进行配对样本t检验。在中文情境下被试要求管制员重复指令的次数显著少于英文情境下的次数(t=-3.647,P=0.002<0.05)，说明被试在中文情境下其陆空通话更容易获取到指令。

在中、英文陆空通话情境下，对被试复诵指令的错误次数进行配对样本t检验。在中、英文情境下，错误次数没有显著差异(t=0.000,P=1.000>0.05)。与Mirkovic等[12]的结论一样，语言能力的差异导致的缺乏沟通甚至是误解，严重阻碍了对安全至关重要的信息的流通，影响着航空安全。

4 综合认知对陆空通话差错影响模型

4.1 认知能力与陆空通话绩效的相关性分析

经前文研究，飞行员的注意分配能力、短时记忆力、思维能力和语言能力会一定程度上影响其陆空通话绩效。但通过此4项认知能力难以直观看出飞行员认知能力与其陆空通话绩效的关系，因此，需要综合4项认知能力指标，构造反映飞行员认知能力的综合模型，进一步探究飞行员认知能力与陆空通话绩效的相关关系。

结合被试在实验中的表现和数据的统计分析结果。提出认知能力指数i来度量被试的认知能力，计算公式为

(2)

式(2)中：ijp表示第j个被试的第p项认知能力，j=1，2，…，20；p=1，2，3，4，且p=1表示注意力，p=2表示短时记忆力，p=3表示思维能力，p=4表示语言能力。Zp1q表示第p项认知能力在第1个水平下的第q项绩效(无干扰、数字指令个数为2、无错误指令、中文语言环境下)，p=1，2，4；q=1，2，且p=1表示注意力，p=2表示短时记忆力，p=4表示语言能力；q=1表示重复次数，q=2表示错误次数。Zp2q表示第p项认知能力在第2个水平下的第q项绩效(有干扰、数字指令个数为3、有错误指令、英文语言环境下)，p=1，2，4；q=1，2，且p=1表示注意力，p=2表示短时记忆力，p=4表示语言能力；q=1表示重复次数，q=2表示错误次数。Sj1表示第j个被试在无错误指令下对指令的识别率，j=1，2，…，20；Sj2表示第j个被试在有错误指令下对指令的的识别率j=1，2，…，20。

结合式(2)，计算出20名被试的各项综合认知能力值，并与陆空通话绩效作Spearman相关性检验，结果如表5所示。

由表5可知:被试的注意力与重复次数呈强相关，与错误次数呈强相关；短时记忆力与重复次数呈强相关，与错误次数呈弱相关；思维能力与重复次数呈弱相关，与错误次数呈弱相关；语言能力与重复次数呈强相关，与错误次数呈弱相关。

表5 各认知能力与陆空通话绩效的相关指数Table 5 Correlation index of cognitive ability and radiotelephony communication performance

注：*表示P<0.05，**表示P<0.0.1。

4.2 综合认知能力模型

综合上述相关性进行分析，经过与专家讨论，将各项认知能力赋予权重，提出一个无量纲指数I，以I来综合度量飞行员的注意力、短时记忆力、思维能力和语言能力这4项认知能力，I的计算公式为

Ij=[1-(0.31Ij+0.31Ij+0.07Ij+0.31Ij)]×100

(3)

式(3)中：Ij表示第j个被试的综合认知能力值，j=1，2，…，20。

Ijp表示第j个被试的第p项认知能力的归一化数值，j=1，2，…，20；p=1，2，3，4，且p=1表示注意力，p=2表示短时记忆力，p=3表示思维能力，p=4表示语言能力。Ijp的计算公式为

(4)

式(4)中：ijp表示第j个被试的第p项认知能力，j=1，2，…，20；p=1，2，3，4，且p=1表示注意力，p=2表示短时记忆力，p=3表示思维能力，p=4表示语言能力。

结合式(2)、式(3)、式(4)计算出20名被试的I，并将其与被试的陆空通话绩效作Spearman相关性检验，得I与重复次数的相关系数r=-0.873**，I与错误次数的相关系数r=-0.506*。表明I与被试的陆空通话绩效存在较强相关性，可以在一定程度上反映被试的陆空通话绩效。且I越大，表明被试综合认知能力越强，陆空通话绩效越好，相应的重复和错误次数越少。

I可综合衡量飞行员在陆空通话中的注意力、短时记忆力、思维能力和语言能力4项认知能力，反映其陆空通话绩效的优劣，并可根据I的大小对其后期的陆空通话绩效作出预测。

5 结论

通过模拟飞行员与管制员之间的陆空通话实验，采集被试在不同认知能力不同水平下的陆空通话绩效指标，综合考量不同认知能力对陆空通话绩效的影响，建立认知能力与陆空通话绩效的预测模型，为飞行员选拔、培训提供指导依据。研究结论如下。

(1)飞行员注意力分配和短时记忆能力对其陆空通话绩效影响显著。在飞行员与管制员的陆空通话过程中，注意资源受到干扰，很容易造成飞行员对指令识别不全或识别出现错误，影响飞行安全。当飞行员接收到较短的指令时，更容易对其识别与加工，而较长的指令则更容易导致飞行员的错、忘、漏。

(2)飞行员的思维能力对其陆空通话过程中的指令识别率影响显著，较高的思维能力可以帮助飞行员准确地识别管制员指令。飞行员的语言能力对其陆空通话过程中要求管制员重复指令的次数有显著影响，较高的语言能力可以帮助飞行员较为容易地识别指令。

(3)构建反映飞行员综合认知能力的模型，通过该模型可以对飞行员综合认知能力进行评测，进而在一定程度上反映飞行员陆空通话绩效的优劣。