《飞行员情境意识理论与实验》系统地阐述了飞行员情境意识研究的基础理论与*新进展。主要内容包括飞行员情境意识的基本内涵与关键影响因素，定性化与定量化认知建模方法，主观/绩效/生理实验测量方法，以及面向人机界面设计与人员沟通训练的典型工程应用案例。其中，《飞行员情境意识理论与实验》第1章解读了飞行员情境意识的研究背景、基本内涵与影响因素，并结合对数十名飞行员的实际调研与数据统计工作，提取了飞行员情境意识的关键性影响因素，以及分析了这些影响因素之间的关联关系；第2～4章综述分析了国内外具有代表性的飞行员情境意识定性化与定量化的认知建模方法与实验测量方法，并结合**著作人的科研成果，详细论述了飞行员情境意识建模研究与实验研究案例；第5章结合作者的科研成果以及国外新近研究成果，选取典型研究案例详细说明了情境意识在其中的应用过程与应用方法，有效地支撑并验证了前述理论，具有较好的面向实际工程应用的价值。

目录
前言
第1章飞行员情境意识基础理论1
1.1情境意识的研究背景1
1.2情境意识的基本概念2
1.2.1情境意识文献计量概述2
1.2.2个体情境意识3
1.2.3团队情境意识和系统情境意识4
1.3情境意识的影响因素5
1.3.1个体情境意识影响因素5
1.3.2团队和系统情境意识影响因素6
1.4飞行员情境意识影响因素指标体系8
1.4.1飞行员情境意识影响因素研究方法8
1.4.2基于德尔菲调查方法的情境意识影响因素确定9
1.4.3基于决策模型的情境意识关键影响因素提取16
参考文献32
第2章飞行员情境意识认知建模35
2.1飞行员情境意识典型概念模型35
2.1.1情境意识三层次模型35
2.1.2知觉环模型37
2.1.3行动理论模型38
2.1.4多级触发模型39
2.1.5其他情境意识模型39
2.2飞行员情境意识典型量化模型39
2.2.1任务绩效敏感度模型40
2.2.2注意情境意识模型41
2.2.3显示格式与情境意识关系模型43
2.2.4基于MIDAS的情境意识模型43
2.2.5基于认知过程分析的情境意识模型44
2.3飞行员情境意识建模研究案例45
2.3.1基于注意资源分配的情境意识模型研究案例45
2.3.2基于认知过程分析的情境意识模型研究案例53
2.3.3飞行员情境意识动态循环模型研究案例63
参考文献73
第3章情境意识测量与评价方法76
3.1主观测评技术76
3.1.1基于自我评估的主观测评技术77
3.1.2基于观察者评估的主观测评技术79
3.2记忆探查测评技术80
3.2.1基于冻结测量的记忆探查测评技术80
3.2.2基于实时测量的记忆探查测评技术81
3.3作业绩效测评技术82
3.4生理测评技术83
3.4.1眼动测评技术85
3.4.2脑电测评技术86
3.4.3心电测评技术87
3.5情境意识测评技术研究案例87
3.5.1基于眼动测量的自动驾驶任务情境意识分析87
3.5.2基于脑电测量的目标监控任务情境意识分析91
3.5.3基于脑电特征分析的人员情境意识分级评估96
参考文献106
第4章团队情境意识概念与实验分析108
4.1团队情境意识的基本概念108
4.1.1团队情境意识概念108
4.1.2系统情境意识概念109
4.2团队情境意识的理论模型110
4.2.1团队情境意识模型111
4.2.2系统情境意识模型114
4.3团队情境意识的测量方法116
4.3.1基于团队过程推断测评技术116
4.3.2基于个体情境意识计算分析技术118
4.3.3其他团队情境意识综合测量技术120
4.4团队情境意识的研究案例122
4.4.1机组协作与任务复杂度对情境意识的影响122
4.4.2面向协作任务绩效提升的团队沟通行为优化131
4.4.3模拟空战的团队情境意识准确性测量技术140
4.4.4基于系统团队事件分析的分布式机组配置145
参考文献150
第5章情境意识在界面设计与评价中的应用152
5.1界面设计中注意力分配策略对情境意识的影响152
5.1.1研究背景152
5.1.2实验方法152
5.1.3实验结果155
5.1.4讨论与结论160
5.2基于飞行仿真的座舱显示界面情境意识实验分析161
5.2.1研究背景162
5.2.2飞行仿真环境设置162
5.2.3座舱情境意识测量方法164
5.2.4实验方法164
5.2.5实验结果165
5.2.6讨论与结论166
5.3态势图显示模式与交互方式对预警机任务绩效的影响167
5.3.1研究背景167
5.3.2实验方法168
5.3.3结果与讨论169
5.3.4结论175
5.4民机显示界面设计与任务复杂度对情境意识的影响176
5.4.1研究背景176
5.4.2实验方法176
5.4.3实验结果179
5.4.4讨论与结论184
参考文献185

第1章飞行员情境意识基础理论
　　1.1情境意识的研究背景
　　全球民航安全事故记录年度报告表明，随着全球飞行环境复杂程度的日益增加，航班飞行对飞行员的认知能力提出了更高的要求，航空领域中人为因素（human factor）已成为影响民航安全水平的关键因素。例如，在异常飞行情境下（如航路变更、发动机失效、恶劣气象等非预期事件），任务复杂度的骤增会严重抑制飞行员的认知能力；现代驾驶舱显示界面采用了复杂信息集成显示设计方案，不同显示设计方案下飞行员的注意分配模式和注意效率往往存在差异，这些差异会引起飞行员情境意识和工作负荷的不同，进而影响飞行员认知与决策能力对异常飞行情境的适应性；机组沟通在驾驶舱资源管理中起到共享信息与知识，协调机组成员的作用，机组沟通的效率和效益可对飞行机组决策的有效性、及时性，以及飞行操控的合理性、安全性产生重要影响。相关研究表明，在常规飞行情境和异常飞行情境中，飞行员能否及时有效地作出正确决策并实施恰当的操作，很大程度上取决于飞行员的情境意识（situation awareness，SA）［1］。
　　航空事故分析研究指出，飞行员情境意识的削弱或丧失很可能会给飞行带来严重的安全风险。据统计，70.8%的航空事故是人为失误造成的，而88.2%的人为失误事件与飞行员情境意识的削弱或丧失有关［2］。例如，在2009年“6？1”法航客机坠毁事件、2018年“10？29”印尼航班坠毁事故，以及2019年“3？10”埃塞俄比亚航班坠毁事故中，飞行员对传感器（或自动飞行系统）错误信息的不当理解和处置，以及飞行机组成员之间有效沟通的缺乏，是飞行员对异常飞行情境缺乏良好情境意识、错失安全时间窗口的重要原因［3］。在异常飞行情境中，飞行员需要快速且适当地应对非预期的突发或紧急事件，这类场景对飞行员情境意识的要求会更高，飞行员的认知资源可能无法为良好的绩效提供足够支持，这也解释了飞行员情境意识不足会导致人为失误风险增加的原因。因此，研究飞行员情境意识及其影响因素，探究飞行员情境意识的改善策略，对于有效减少飞行员人为失误、提高飞行安全水平具有重要意义。
　　依据Endsley三层次模型的描述［4］，飞行员情境意识是一个反映飞行员与飞行任务情境动态交互的过程性和结果性概念，包括感知（**层次情境意识）、理解（第二层次情境意识）和预测（第三层次情境意识）三个递进发展的层次。飞机驾驶舱系统是一个典型且复杂的人在回路系统，随着信息化、智能化技术的发展，驾驶舱显示与控制系统所承载的信息流日益多样化、复杂化。无论是常规飞行情境还是特殊飞行情境，飞行员（或飞行机组）都必须经历动态的、反复的信息感知、综合判断与决策过程。在这一过程中，飞行员情境意识时刻受到多种因素的挑战。例如，任务复杂度增加、飞行员疲劳、飞行员对自动化系统的过度依赖等因素都可能导致飞行员情境意识丧失，进而引发一架完全没有机械故障的飞机发生致命的飞行事故。飞行员情境意识反映了飞行员在特定飞行任务情境中对影响飞机和机组成员的各种因素和条件的认知水平，飞行员情境意识越高，越有利于保障飞行安全。
　　综上所述，飞行员情境意识在飞行安全中发挥着至关重要的作用。随着航空运输环境日趋复杂，飞行员情境意识正在受到多种因素的综合影响，这使得提出可行的飞行员情境意识改善策略面临着复杂的挑战。因此，采用系统分析方法，确定飞行员情境意识影响因素指标体系并在其中提取出关键性影响因素，进而采用实验测量和模型评估等方法，探究关键影响因素对情境意识的潜在影响机理，揭示飞行员情境意识改善的优先策略，为确定可行的飞行安全保障措施提供理论依据和数据支持具有重要意义。
　　1.2情境意识的基本概念
　　1.2.1情境意识文献计量概述
　　在Google Ngram中搜索1970～2022年期间情境意识英文术语“situation awareness”，可发现该术语的词频统计结果如图1.1所示。结果显示，情境意识研究发轫于1985年前后，在20世纪90年代迎来**个快速发展时期，图1.1过去50年英文术语“situation awareness”在Google Ngram中的词频统计
　　进入21世纪第二个十年再次进入快速发展时期。这表明，情境意识已经成为一个新兴研究热点，其在学术和工程应用领域中的重要作用正在得到越来越多的关注。
　　基于Web of Science核心合集数据库和MEDLINE数据库，搜索2017～2022年标题含“situation awareness”的已发表文献，文献计量结果如图1.2所示。情境意识所涉及的研究领域主要包括计算机科学、工程、心理学、行为科学、自动控制系统、数学、交通、机器人、通信、健康医护等方向。
　　图1.22017～2022年情境意识文献涉及的研究领域
　　1.2.2个体情境意识
　　早期情境意识研究主要关注个体作业人员（individual operator）在任务中是如何构建自身情境意识的，这些早期研究多以认知心理学为基础，致力于解释人的信息加工过程，如图1.3所示［5］。这些研究多聚焦于心智模型（mental model）、图式（schema）、感知（perception）、理解（comprehension）以及知识（knowledge），以试图阐述人的意识的本质。
　　图1.3人的信息加工理论模型［5］
　　其中，影响力较大的个体情境意识理论，包括Endsley提出的情境意识三层次模型理论［4］以及Smith、Hancock等提出的感知循环模型理论［6］。情境意识三层次模型指出情境意识的构建包括对情境元素（situation element）的感知、理解和预测这三个递进层次，如图1.4所示，该理论应用*为广泛，而且随着个体情境意识理论逐渐被纳入更加复杂的系统级场景中，情境意识三层次模型理论与新兴技术理论的结合越来越多，为解释系统认知与交互提供理论支持。感知循环模型理论强调情境意识是一种适应性的、外部情境导向的意识，人从动态任务情境中获取信息与知识，进而指导人的行动并作用于任务情境。
　　图1.4Endsley情境意识三层次模型理论
　　1.2.3团队情境意识和系统情境意识
　　Salas［7］对团队进行了如下定义：两人或多人团队成员，围绕共同的、有价值的目标，彼此间开展动态的、协同的、互相适应的互动，每个团队成员各自扮演特定角色、发挥特定作用，且各成员的角色作用并非一成不变的。关于团队情境意识的文献表明，工作卓有成效的团队都进行了大量的相互行为监视和感知，即相互了解彼此的工作情境与环境。典型的团队情境意识理论包括Salas等提出的团队情境意识模型（team SA model）理论，以及Shu等［8］提出的相互意识模型（mutual awareness model）理论。团队情境意识模型理论认为团队情境意识包括个体情境意识和各种团队过程（team process），团队情境意识的关键组成是包括口头交流在内的多种形式的信息交换，信息交换可以弥补团队中个体成员的认知局限。相互意识模型理论认为团队情境意识除包括个体情境意识外，还包括相互情境意识（即相互理解对方的行动和意图），团队情境意识反映了团队成员对其所处的情境的既共享又*立的理解。
　　随着系统方法论逐渐成为工效学研究的一种重要的基础科研范式，社会技术系统（socio-technical system，STS）概念在航空航天、交通、船舶、核能工业、国防军事等高技术领域正在得到越来越多的关注。STS是指人（社会）的代理（human agent）与技术代理（non-human agent或technological agent）相互结合、相互作用从而支持组织活动的复杂实体，其中，人的部门包含但不限于人员个体、团队和组织，技术代理包含但不限于基础技术设施等。在STS情境意识研究中，分布式情境意识（distributed situation awareness，DSA）模型理论是一个正在快速发展和应用的系统情境意识理论［9］，该理论将情境意识视作系统级协作的产物，产生于系统内各类人和技术代理之间的交互过程中。DSA模型理论认为，由于社会技术系统由人的代理和技术代理有机组成，情境意识并不局限于人的代理中，也存在于技术代理中，系统各有关代理形成了各自不同视角的情境意识，而它们又彼此紧密联系、相互作用，共同组成了系统情境意识，进而共同影响系统的运行效率、可靠性和安全性。
　　1.3情境意识的影响因素
　　1.3.1个体情境意识影响因素
　　大量实验研究证实，飞行员个体特征（如工作记忆能力、注意资源分配模式、警觉度、疲劳等）、任务特征、显示界面设计等因素均可对情境意识产生明显影响，进而制约飞行员的认识行为绩效和飞行安全。
　　任务特征对飞行员情境意识具有明显的约束作用。异常飞行情境下高任务复杂度对飞行员情境意识的挑战愈发得到人们重视。飞机系统和飞行环境的不确定性往往是高任务复杂度的重要源头，意外突发事件（如机械故障、发动机突发警情）和恶劣气象条件（如强对流天气、低能见度）等均会导致任务复杂度增加，给异常飞行情境下的飞行机组决策和飞行安全带来严峻挑战。与常规飞行情境不同，异常飞行情境下的作业流程往往会被非预期突发事件中断，飞行员须迅速决定是继续执行当前的作业流程还是执行替代的作业流程。例如，对发动机故障的监测和处置是一个动态连续的作业流程，飞行员需对异常信息进行实时的监视并在必要时修改飞行计划，不当或延迟的响应可能会导致飞行计划中断或安全性降低［10］。异常飞行情境通常需要飞行员具有足够充分的情境意识，来支持其快速评估和决策，而事实上，对于非预期的突发事件（如飞机发动机故障、空中交通阻断、机上医疗急救等），飞行员并不总是能够及时做出恰当的应对，这增加了飞行安全性和可靠性降低的风险［11］。
　　受目标冲突、时间压力、动态决策、高工作负荷等复杂任务特征的影响，在任务复杂度更高的异常飞行情境下，飞行员的情境意识和操作绩效趋于下降，人为失误趋于增加。因此，探究高任务复杂度条件下飞行员情境意识下降的原因机理，以及维持飞行员良好情境意识的可行途径，正在成为一项研究热点。相关研究指出，随着任务复杂度或时间压力的增加，多任务并行处理会增加对飞行员注意资源分配能力的挑战，形成高负荷下的分心效应，进而导致飞行员情境意识的下降［12］。例如，恶劣气象条件下飞行员依赖于仪表飞行（instrument flight），高信息处理密度使得飞行员承受高时间压力、高工作记忆需求、高注意力资源需求，这导致飞行员在精确操作任务中做出较差决策的可能性增加。Pritchett等［13］提出，当突发紧急事件发生后，为了应对原飞行计划被迫暂停或终止的情况，飞行员需再次评估当前的新情境，并为当前情境制定合适的行动方案，这一认知重构过程将受益于必要的决策分析工具对情境意识的支持。目前研究中已提出了一些可行的技术手段来改善高任务复杂度条件下的飞行员情境意识，包括提供决策辅助工具（如安全飞行路径规划）、优化驾驶舱人机交互界面设计等。
　　作为飞行员与外部飞行情境交互的媒介，驾驶舱人机交互系统在飞行员情境意识的形成过程中发挥着重要作用。例如，驾驶舱显示界面提供了组织化的飞行信息，良好的显示界面设计（即以合理的方式呈现合理的信息）有助于维持和提高飞行员的情境意识水平；驾驶舱自动化与智能化设计提供了支持快速响应、降低飞行负荷、辅助决策与控制等重要功能，从而对于提升改善飞行员的情境意识起到积极作用。现有文献就驾驶舱显示界面设计对飞行员情境意识的影响展开了大量研究。相关研究表明，系统安全风险主要来自人机交互障碍，这意味着除了提高飞行员的认知能力，优化显示界面设计也应作为改善系统安全风险的重要途径，特别是在异常飞行情境下，不当的显示界面设计对飞行员情境意识的削弱可能会放大［14］。飞行员在执行飞行操作的过程中，会基于特定的任务目标开展