管制員壓力產(chǎn)生過程LEADSTO動(dòng)態(tài)仿真分析

王潔寧,張聰俊,房曉丹,孫曉萌

(1. 中國民航大學(xué) 空中交通管理研究基地，天津 300300；2. 中國民航大學(xué) 天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300)

0 引 言

目前，隨著航空事業(yè)的發(fā)展，民航各個(gè)系統(tǒng)都面臨著巨大的壓力，管制員作為民航系統(tǒng)的重要組成部分，其一舉一動(dòng)直接影響飛機(jī)的安全，因此，管制員面臨著非常大的壓力。筆者通過對壓力的產(chǎn)生模型進(jìn)行形式化建模，剖析了管制員的壓力產(chǎn)生過程。

管制員的身心健康是空管系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行的保證。近年來，由于管制員壓力過大導(dǎo)致的航空事故正在逐漸增多，因此，提出有效的壓力產(chǎn)生過程的研究方法是許多學(xué)者研究的方向。對于壓力的研究，彭金栓等[1]基于熵率值對駕駛?cè)说囊曈X與心理負(fù)荷進(jìn)行分析研究；豐婷等[2]通過問卷調(diào)查的方式收集數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS19.0和Amos發(fā)現(xiàn)了管制員工作壓力與指揮決策失誤之間的關(guān)系 ，提高了管制員的抗壓能力，但并未建立全局性的模型；張明等[3]基于改進(jìn)的物元分析提出了管制員工作負(fù)荷綜合評價(jià)模型，一定程度上對管制員工作負(fù)荷做出了科學(xué)的評價(jià)，但缺乏相應(yīng)的定性分析；裴成功等[4]采用回歸分析法對管制員工作負(fù)荷進(jìn)行了分析，介紹了工作評估模型在實(shí)例中的應(yīng)用，同樣未建立獨(dú)立的壓力產(chǎn)生過程模型。

國外針對管制員壓力的研究先于國內(nèi)， B. S. WILLIAMS等[5]創(chuàng)新的提出了動(dòng)態(tài)過程的理論壓力模型，但是缺乏形式化的表述；2001年，E. DEMEROUTI等[6]提出二維工作要求-資源模型(job demands-resources model, JDR model)，但是缺乏一種定量和定性的通用分析模型?；诖耍P者主要運(yùn)用形式化的邏輯建模語言建立了管制員壓力產(chǎn)生過程模型。并根據(jù)所建模型，實(shí)現(xiàn)管制員壓力產(chǎn)生過程的仿真。解決了復(fù)雜的壓力產(chǎn)生過程的量化分析，揭示了壓力產(chǎn)生動(dòng)態(tài)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的變化規(guī)律。通過形式化分析，提出了在壓力產(chǎn)生過程中不同層次之間的邏輯關(guān)系，為研究管制員壓力分析及管理工作提供理論依據(jù)。

邏輯建模語言LEADSTO是一種定性和定量相結(jié)合的建模方法，它的特點(diǎn)是其本身是一種描述性建模語言，能夠?qū)?fù)雜的邏輯過程以形式化的形式表現(xiàn)出來，且能結(jié)合定量、定性和邏輯方面做出分析。目前，LEADSTO作為一種建模語言已廣泛應(yīng)用到認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域、生物、社會(huì)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域中。基于此，針對管制員壓力問題，運(yùn)用LEADSTO建立壓力產(chǎn)生模型，為改善管制員的工作負(fù)荷提供理論支持。

1 管制員壓力產(chǎn)生過程分析

1.1 空中交通管制員的職業(yè)特點(diǎn)分析

空中交通管制員需要具備一定的綜合素質(zhì)才能勝任，根據(jù)文獻(xiàn)學(xué)習(xí)以及對管制員的調(diào)研，筆者認(rèn)為管制員應(yīng)該具備以下能力：注意力集中、邏輯與思路清晰、有較強(qiáng)的語言表達(dá)能力、有較強(qiáng)的抗疲勞能力、能隨時(shí)對外界環(huán)境的變化做出快速、正確的反應(yīng)。

根據(jù)管制員的特點(diǎn)分析及對管制員的訪談，總結(jié)壓力源對管制員的壓力產(chǎn)生的影響，見圖1。

圖1 壓力源對管制員的壓力產(chǎn)生的影響Fig. 1 The effect of pressure sources on the pressure of controllers

1.2 管制員壓力產(chǎn)生過程分析

J. M.IVANCEVIVH等[7]將壓力定義為：個(gè)體對壓力源的一種適應(yīng)性反應(yīng)。因此，壓力源是指客觀存在的物質(zhì)，而壓力是一種主觀反應(yīng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[11],筆者總結(jié)了壓力的產(chǎn)生過程，見圖2。輸入是壓力源，通過一系列的壓力感知過程，最后產(chǎn)生一個(gè)量化的壓力值。

圖2 壓力產(chǎn)生過程Fig. 2 Pressure generation process

2 基于LEADSTO人壓力產(chǎn)生過程模型仿真

2.1 LEADSTO

LEADSTO是一種基于agent的邏輯建模語言，它從定性、定量與時(shí)態(tài)邏輯3個(gè)方面來描述狀態(tài)屬性，它通過聚合層與時(shí)態(tài)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真與邏輯的分析[9-10]。

建模過程主要針對兩個(gè)方面：模型中的定量方面(如，選擇不同的壓力源)；模型中的定性方面(如，壓力的程度值v)?；赼gent的邏輯建模語言LEADSTO(2007)完全符合建模要求,它可將定性、定量、時(shí)態(tài)邏輯和數(shù)值整合在一起。

圖3為時(shí)序關(guān)系的模型。給定一個(gè)agenta，它在時(shí)間段g內(nèi)的狀態(tài)為α，它到狀態(tài)β需要一個(gè)反應(yīng)時(shí)間段(區(qū)間[e,f])，然后它保持狀態(tài)β的時(shí)間段為h。

圖3 時(shí)序關(guān)系Fig. 3 Sequential relationship

2.2 壓力產(chǎn)生模型建模過程

筆者提出的壓力產(chǎn)生模型通過LEADSTO語言將人的壓力狀態(tài)量化表示，可以更加準(zhǔn)確的反應(yīng)出人的壓力值，以下是該模型的建模過程：① 對管制員的職業(yè)特點(diǎn)、壓力問題及壓力產(chǎn)生過程初始化分析；② 對已經(jīng)存在的壓力產(chǎn)生模型進(jìn)行分析；③ 通過因果鏈的形式表達(dá)該模型；④ 建立該壓力產(chǎn)生模型。

筆者采用的壓力產(chǎn)生模型基于Damasio的body-loop與as if body-loop模型[8-11]，通過對該模型擴(kuò)展，使其回歸，模型如圖4。

圖4 As if body-loop模型Fig. 4 As if body-loop model

基于圖4的as if body-loop 模型，筆者通過LEADSTO語言，建立了如下的壓力產(chǎn)生模型[12-15]：

1)FP1:壓力源的表示

壓力源P存在，則感覺到壓力源P的存在，表示為：

P→feel_exist(P)

2)FP2:壓力源產(chǎn)生的表示

感覺到壓力源P的存在(即FP1存在)，則有壓力源感知器產(chǎn)生：

feel_exist(P)→FE(P)

3)FP3:對于壓力源P,壓力產(chǎn)生情況的表示

如果FP2存在，且壓力類型為r,等級(jí)為v,則人對壓力的感知狀態(tài)p將會(huì)表現(xiàn)為等級(jí)(1+v)/2,沒有壓力源時(shí)表現(xiàn)等級(jí)為v/2:

FE(P) and pressure(r)→pressure_sensing(p,(1+v)/2)

4)FP4：壓力感知的等級(jí)

當(dāng)人對壓力的感知狀態(tài)p的等級(jí)從(1+v)/2或v/2變?yōu)関，則感知到感知器的狀態(tài)為p且壓力感知等級(jí)為v：

pressure_sensing(p,v)→effector_state(p,v)

5)FP5:從感知到感受的過程

當(dāng)FP4存在，則人的狀態(tài)表現(xiàn)為p且等級(jí)為v：

effector_state(p,v)→representation_state(p,v)

6)FP6：感知身體狀態(tài)

當(dāng)FP5存在，則身體狀態(tài)會(huì)感知到：

representation_state(p,v)→feel_exist(p,v)

7)FP7:身體狀態(tài)傳感器

當(dāng)FP6存在，則身體狀態(tài)傳感器的狀態(tài)為p且等級(jí)為v：

feel_exist(p,v)→FE(p,v)

8)FP8:從身體狀態(tài)傳感器到壓力

當(dāng)FP7存在，則壓力r(等級(jí)為v)會(huì)被感覺到：

FE(p,v)→pressure(r,v)

9)FP9:壓力輸出

當(dāng)FP8存在，則會(huì)產(chǎn)生確定的壓力，且等級(jí)v大于等于上限或小于等于下限，傳感器表示壓力源P存在，上限與下限都是常量，筆者假設(shè)上限為0.8,由于下限表示壓力等級(jí)非常小，所以對下限不做假設(shè)。

表1是對模型FP3中壓力等級(jí)進(jìn)行分類。

表1 壓力感知狀態(tài)等級(jí)Table 1 Stress awareness status rating

3 壓力產(chǎn)生過程仿真分析

3.1 管制員壓力產(chǎn)生過程模型仿真

根據(jù)建立的模型，以及上述分析，假設(shè)開始v=0，做出如圖5的仿真。

圖5 壓力產(chǎn)生仿真實(shí)例Fig. 5 Pressure generation simulation example

根據(jù)圖5的壓力仿真軌跡圖可知，人的狀態(tài)等級(jí)“控制點(diǎn)”(即壓力的上限)假設(shè)為0.8，當(dāng)壓力等級(jí)v為0時(shí)，其他模塊的值都為0，當(dāng)感知器、身體傳感器與人的壓力等級(jí)v從0變?yōu)?.5時(shí)，其他模塊也作了同步的變化，此時(shí)人的影響還處于正常范圍之內(nèi)；當(dāng)感知器、身體傳感器與人的壓力等級(jí)v從0.5變?yōu)?.8時(shí)，人的影響已經(jīng)處于正常范圍的最大值，當(dāng)這種影響維持一段時(shí)間之后(即時(shí)間點(diǎn)20之后)，應(yīng)該對壓力源P加以削弱，避免對人造成負(fù)影響，導(dǎo)致事故的發(fā)生。由于對于不同的壓力源所得出的狀態(tài)等級(jí)是不同的，因此，通過將壓力源分析歸類，輸入上述模型中，得出確定的壓力值與控制點(diǎn)，從而為不同的壓力源選擇合適的控制點(diǎn)，進(jìn)而控制壓力源對人的壓力影響。

3.2 管制員壓力產(chǎn)生過程模型層級(jí)關(guān)系分析

筆者通過運(yùn)用時(shí)態(tài)追蹤語言 (temporal trace language, TTL)，對上述各個(gè)層級(jí)建立形式化模型，驗(yàn)證模型中行為是否符合期望及仿真軌跡，通過應(yīng)用時(shí)態(tài)追蹤語言，可以對全局屬性(global properties, GP)及局部屬性(intermediate properties)進(jìn)行形式化識(shí)別及自動(dòng)化驗(yàn)證。具體過程如下：

1)GP1:壓力源存在，產(chǎn)生壓力

對于軌跡M, 在時(shí)間點(diǎn)T1時(shí)存在壓力源，則在時(shí)間段D之內(nèi)產(chǎn)生壓力。

GP1:(T1:TIME,M:TRACE,D：REAL)

state:(M,T1)

[state:(M,T2)]

2)IP1:FP1-FP4過程

即對于任意軌跡m,時(shí)間點(diǎn)T1，若壓力源P在時(shí)間點(diǎn)T2存在，則[T2-d,T1]感受到人的狀態(tài)情況。

m:TRACE(壓力源)

state(m,T1)P

[state(m,T2)effector_state(p,y)T2-d

3)IP2:FP5-FP6過程

即對于任意軌跡m,時(shí)間點(diǎn)T1,對于任意狀態(tài)p，若人的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，在[T2-d,T1]時(shí)間段內(nèi)會(huì)感受到此狀態(tài)。

m:TRACE(人的狀態(tài))

state(m,T1)

[state(m,T2)feel_exist(p,v)T2-d

4)IP3:FP7-FP8過程

即對于任意軌跡m，時(shí)間點(diǎn)T1，若人的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，在[T2-d,T1]時(shí)間段內(nèi)感受到此壓力。

m:TRACE(人的狀態(tài))

state(m,T1)

[state(m,T2)pressure(p,v)T2-d

通過以上屬性即可以分析全局屬性、中間屬性、局部屬性三者之間的邏輯關(guān)系，同時(shí)還可以驗(yàn)證此壓力產(chǎn)生過程的完整性。

3.3 內(nèi)在邏輯關(guān)系

圖6是一個(gè)完整的全局屬性GP1不同層面屬性之間邏輯關(guān)系A(chǔ)ND-tree。

圖6 層級(jí)邏輯關(guān)系Fig. 6 Hierarchical logical diagrams

圖6中描述的層級(jí)邏輯關(guān)系可理解為限定語義關(guān)系，在頂層，表示(IP1&IP2&IP3)→GP1,在底層，表示：(FP1&FP2&FP3&FP4)→IP1,(FP5&FP6)→IP2,(FP7&FP8)→IP3。圖6的全局屬性為產(chǎn)生壓力，通過構(gòu)架局部屬性，最終挖掘出與全局屬性之間的關(guān)系，驗(yàn)證了壓力產(chǎn)生過程的正確性及完整性，目標(biāo)與結(jié)果具有一致性。因此，筆者認(rèn)為壓力產(chǎn)生模型是正確的，通過仿真軌跡圖可以清楚的了解壓力產(chǎn)生過程，以及隨時(shí)間的變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

1)在本體建模理論的基礎(chǔ)上建立了agent模型，通過agent建模理論建立了管制員壓力產(chǎn)生模型的框架。

2)在LEADSTO仿真平臺(tái)上對該模型進(jìn)行仿真，通過改變感知等級(jí)和控制點(diǎn)的位置，找到壓力源對人的壓力產(chǎn)生影響范圍，為管理者對管制員工作的管理提供依據(jù)。

3)改變了傳統(tǒng)的壓力分析靜態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)了管制員壓力產(chǎn)生過程的動(dòng)態(tài)模擬和仿真分析。通過對管制員壓力致因與壓力相互影響的分析，對復(fù)雜定量的管制員壓力風(fēng)險(xiǎn)分析提供理論依據(jù)。