作為空中交通復雜系統(tǒng)中的關鍵組成部分,空中交通管制員(簡稱“管制員”)的行為對于航空運輸安全、高效運行起著至關重要的作用。本書以數(shù)據(jù)驅動為主要方法,結合心理學、認知學理論,對空中交通管理系統(tǒng)中管制員的行為進行了深入的研究,重點研究了管制員的眼動行為、注意力分配和通信行為的特征及規(guī)律。這一領域的研究成果對于優(yōu)化航空運輸系統(tǒng)運行、復雜系統(tǒng)建模和應用系統(tǒng)開發(fā)等具有重要的應用價值,而且對于深入理解人類行為、擴展人類動力學研究領域具有重要的理論意義。
隨著國民經濟的快速發(fā)展，航空運輸需求日益增長，空中交通流量不斷增加。信息技術和自動化技術等在空中交通管理(簡稱“空管”)系統(tǒng)中的廣泛應用，不僅提高了系統(tǒng)的容量，同時也增加了系統(tǒng)的復雜性。作為系統(tǒng)的關鍵組成部分，管制員的行為對于航空運輸安全、高效運行起著至關重要的作用。在“人-機-環(huán)-管”組成的系統(tǒng)中，管制員通過多種渠道獲取相關信息并迅速做出決策，指揮航班安全順暢地運行。以往研究主要集中在管制員的工作負荷和認知行為上，而側重管制員的信息獲取行為的研究很少。管制員在管制過程中主要通過眼睛獲取各種信息，通過語音通信指揮航班在空中或機場運行。因此，研究管制員的眼動行為和語音通信行為對航空運輸安全和效率具有重要的意義。
本書研究管制員眼動行為和語音通信行為，識別管制員信息獲取和輸出的模式，揭示管制員眼動行為與空域行為之間的關系。通過對管制員與飛行員通信行為的時空特性分析，揭示管制員指揮行為的動力學機制。
在管制員信息獲取行為方面，通過設計不同的管制模擬實驗，對管制員眼動行為的內在規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)管制經驗對管制員眼動行為模式具有重要影響，以及管制員的眼動行為與扇區(qū)交通行為之間存在一定的關系；對管制員信息輸出行為進行研究，發(fā)現(xiàn)管制員語音通信行為的時間特征同樣具有重尾特征；通過提出將通信時間序列轉換為復雜網絡的方法，研究管制員語音通信行為的空間特征，發(fā)現(xiàn)通信行為中存在“鏈狀”和“環(huán)狀”的通信行為模體；發(fā)現(xiàn)管制員通信行為的波動特征可以用泰勒法則進行刻畫。此外，通過分析實證數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人類在面臨壓力時處理任務的行為機制與正常狀態(tài)下的行為機制不盡相同。
本書在優(yōu)化航空運輸系統(tǒng)運行、復雜系統(tǒng)建模和應用系統(tǒng)開發(fā)等方面具有重要應用價值，并且對于深入理解人類行為、擴展人類動力學研究領域具有重要的理論意義。
本書得到了國家自然科學基金項目的資助(項目批準號：U1833126，61773203，61304190)。
第1章 空中交通管理和空中交通管制員行為 1
1.1 空中交通管理系統(tǒng)的重新劃分 1
1.1.1 靜態(tài)子系統(tǒng) 2
1.1.2 動態(tài)子系統(tǒng) 5
1.1.3 人為子系統(tǒng) 5
1.1.4 空中交通管理系統(tǒng)的主要特征 7
1.2 空中交通管制員的角色 7
1.2.1 管制任務 8
1.2.2 管制員作為一個管制黑盒 9
1.2.3 語音通信 11
1.2.4 通過語音通信的信息擴散 12
1.3 管制員行為研究綜述 13
1.3.1 任務需求：空域行為 14
1.3.2 內部行為：策略管理 14
1.3.3 外部行為：語音通信和性能表現(xiàn) 16
1.3.4 局限性 17
1.4 本章小結 17
第2章 眼動行為研究相關基礎 18
2.1 引 言 18
2.2 眼動行為基本類型 18
2.3 眼動行為表征參數(shù) 19
2.3.1 注視行為參數(shù) 19
2.3.2 掃視行為參數(shù) 19
2.3.3 眨眼行為參數(shù) 20
2.4 眼動數(shù)據(jù)區(qū)分算法 20
2.5 航空運輸領域眼動行為相關研究 22
2.5.1 飛行領域中眼動行為的研究 22
2.5.2 空管領域中眼動行為的研究 23
2.5.3 研究現(xiàn)狀評述 24
2.6 本章小結 25
第3章 管制專家與新手眼動行為對比 26
3.1 引 言 26
3.2 實驗設計 26
3.3 結果分析 29
3.3.1 不同場景下管制員的注視行為分析 29
3.3.2 不同場景下管制員的掃視行為分析 35
3.3.3 管制員眼動行為差異的顯著性分析 41
3.4 本章小結 44
第4章 管制員眼動行為與工作負荷的關系 45
4.1 引 言 45
4.2 實驗設計 45
4.3 管制員工作負荷概述 47
4.3.1 管制員工作負荷定義 47
4.3.2 管制員工作負荷測量方法 47
4.4 結果分析 48
4.4.1 不同場景下管制員的工作負荷 48
4.4.2 場景復雜性對管制員眼動行為的影響 50
4.4.3 任務時間對管制員眼動行為的影響 53
4.4.4 管制員眼動行為和工作負荷的研究結果 57
4.5 本章小結 58
第5章 管制員眼動行為與注意力的關系 59
5.1 引 言 59
5.2 管制員注意力實驗設計 59
5.2.1 實驗環(huán)境及過程 59
5.2.2 采集儀器 60
5.2.3 實驗采集樣本 61
5.2.4 實驗流程 61
5.2.5 實驗設備的調整 61
5.3 數(shù)據(jù)處理方法 62
5.3.1 眼動指標區(qū)分算法 62
5.3.2 生理指標預處理 62
5.4 眼動與生理系統(tǒng)的關聯(lián)性 63
5.5 注意力分配的變化特性 65
5.5.1 眼動及生理指標特征 65
5.5.2 顯著性分析 67
5.5.3 多重分形去趨勢波分析 68
5.6 注意力分配的分布特性分析 77
5.6.1 管制場景區(qū)域劃分方法 77
5.6.2 基于K Means聚類的管制區(qū)域劃分 77
5.6.3 眼動行為參數(shù)選取 79
5.6.4 興趣區(qū)內視覺特性分析 79
5.7 本章小結 82
第6章 航空器速度對管制員注意力分配的影響 83
6.1 注意力分配的變化特性 83
6.1.1 眼動及生理指標特征 83
6.1.2 顯著性分析 85
6.1.3 多重分形去趨勢波分析 86
6.2 注意力分配的分布特性分析 90
6.2.1 興趣區(qū)內視覺特性分析 90
6.2.2 注視熵分析 91
6.3 本章小結 92
第7章 管制員通信行為的時間特征 93
7.1 引 言 93
7.2 人類行為動力學研究 93
7.2.1 人類行為動力學：實證研究 93
7.2.2 人類行為動力學：模型 94
7.2.3 與管制員行為的對比 95
7.3 管制員通信行為定義 96
7.4 管制員通信行為數(shù)據(jù) 97
7.5 空域行為和管制員通信行為之間的關聯(lián) 99
7.5.1 通信行為指標 99
7.5.2 動態(tài)密度(DD) 99
7.5.3 基于動力學系統(tǒng)的交通復雜性 100
7.5.4 關聯(lián)結果 100
7.5.5 CNt和TNt之間的相關性 101
7.5.6 通信、DD和C DSM 之間的相關性 102
7.6 管制員通信行為的時間特征分析 104
7.6.1 管制員通信行為的周期模式 104
7.6.2 去趨勢波動分析法 105
7.6.3 通信時間間隔分布 106
7.7 管制員通信時間行為特征的心理學解釋 111
7.8 本章小結 112
第8章 管制員通信行為的空間特征 113
8.1 引 言 113
8.2 基于抽象結構的管制策略 113
8.3 人類出行行為的一般模式 114
8.4 通信行為空間特征的研究方法 114
8.4.1 將時間序列映射到網絡的方法 114
8.4.2 網絡分析技術 117
8.5 管制員通信行為數(shù)據(jù) 119
8.6 管制員通信行為的空間特征 121
8.6.1 時間聚合網絡 121
8.6.2 含時網絡 124
8.7 本章小結 '3127
第9章 管制員通信行為的波動特征 128
9.1 引 言 128
9.2 波動標度 128
9.2.1 時間尺度上的波動標度 128
9.2.2 系綜尺度上的波動標度 129
9.3 數(shù) 據(jù) 129
9.4 實證結果 129
9.4.1 時間尺度上的波動標度 130
9.4.2 系綜尺度上的波動標度 131
9.5 管制員通信行為波動標度的解釋 134
9.6 本章小結 135
第10章 結論和觀點 136
10.1 管制員行為動力學研究的意義 136
10.1.1 對于基于模型的空管系統(tǒng)仿真的意義 136
10.1.2 對于認知行為研究的意義 136
10.1.3 對于系統(tǒng)設計的意義 137
10.2 未來可能的研究方向 137
10.2.1 對人類活動的理解 137
10.2.2 復雜系統(tǒng)的建模 138
參考文獻 139
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