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        管制員壓力產(chǎn)生過程LEADSTO動態(tài)仿真分析

        2019-10-14 07:50:08王潔寧張聰俊房曉丹孫曉萌
        關(guān)鍵詞:管制員建模狀態(tài)

        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) 天津市空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室,天津 300300)

        0 引 言

        目前,隨著航空事業(yè)的發(fā)展,民航各個系統(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,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例中的應(yīng)用,同樣未建立獨立的壓力產(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。基于此,筆者主要運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)生動態(tài)過程中各個環(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、社會科學(xué)和人工智能領(lǐng)域中?;诖?,針對管制員壓力問題,運用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、定量與時態(tài)邏輯3個方面來描述狀態(tài)屬性,它通過聚合層與時態(tài)的結(jié)合實現(xiàn)動態(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)。基于agent的邏輯建模語言LEADSTO(2007)完全符合建模要求,它可將定性、定量、時態(tài)邏輯和數(shù)值整合在一起。

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

        圖3 時序關(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、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,等級為v,則人對壓力的感知狀態(tài)p將會表現(xiàn)為等級(1+v)/2,沒有壓力源時表現(xiàn)等級為v/2:

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

        4)FP4:壓力感知的等級

        當(dāng)人對壓力的感知狀態(tài)p的等級從(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(等級為v)會被感覺到:

        FE(p,v)→pressure(r,v)

        9)FP9:壓力輸出

        當(dāng)FP8存在,則會產(chǎn)生確定的壓力,且等級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中壓力等級進(jìn)行分類。

        表1 壓力感知狀態(tài)等級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“控制點”(即壓力的上限)假設(shè)為0.8,當(dāng)壓力等級v為0時,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v從0變?yōu)?.5時,其他模塊也作了同步的變化,此時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v從0.5變?yōu)?.8時,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間之后(即時間點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,從而為不同的壓力源選擇合適的控制點,進(jìn)而控制壓力源對人的壓力影響。

        3.2 管制員壓力產(chǎn)生過程模型層級關(guān)系分析

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

        1)GP1:壓力源存在,產(chǎn)生壓力

        對于軌跡M, 在時間點T1時存在壓力源,則在時間段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,時間點T1,若壓力源P在時間點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,時間點T1,對于任意狀態(tài)p,若人的狀態(tài)發(fā)生變化時,在[T2-d,T1]時間段內(nèi)會感受到此狀態(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,時間點T1,若人的狀態(tài)發(fā)生變化時,在[T2-d,T1]時間段內(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,同時還可以驗證此壓力產(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 層級邏輯關(guān)系Fig. 6 Hierarchical logical diagrams

        圖6中描述的層級邏輯關(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仿真平臺上對該模型進(jìn)行仿真,通過改變感知等級和控制點的位置,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,實現(xiàn)了管制員壓力產(chǎn)生過程的動態(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)險分析提供理論依據(jù)。

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