作为空中交通复杂系统中的关键组成部分,空中交通管制员(简称“管制员”)的行为对于航空运输安全、高效运行起着至关重要的作用。本书以数据驱动为主要方法,结合心理学、认知学理论,对空中交通管理系统中管制员的行为进行了深入的研究,重点研究了管制员的眼动行为、注意力分配和通信行为的特征及规律。这一领域的研究成果对于优化航空运输系统运行、复杂系统建模和应用系统开发等具有重要的应用价值,而且对于深入理解人类行为、扩展人类动力学研究领域具有重要的理论意义。
随着国民经济的快速发展，航空运输需求日益增长，空中交通流量不断增加。信息技术和自动化技术等在空中交通管理(简称“空管”)系统中的广泛应用，不仅提高了系统的容量，同时也增加了系统的复杂性。作为系统的关键组成部分，管制员的行为对于航空运输安全、高效运行起着至关重要的作用。在“人-机-环-管”组成的系统中，管制员通过多种渠道获取相关信息并迅速做出决策，指挥航班安全顺畅地运行。以往研究主要集中在管制员的工作负荷和认知行为上，而侧重管制员的信息获取行为的研究很少。管制员在管制过程中主要通过眼睛获取各种信息，通过语音通信指挥航班在空中或机场运行。因此，研究管制员的眼动行为和语音通信行为对航空运输安全和效率具有重要的意义。
本书研究管制员眼动行为和语音通信行为，识别管制员信息获取和输出的模式，揭示管制员眼动行为与空域行为之间的关系。通过对管制员与飞行员通信行为的时空特性分析，揭示管制员指挥行为的动力学机制。
在管制员信息获取行为方面，通过设计不同的管制模拟实验，对管制员眼动行为的内在规律进行研究，发现管制经验对管制员眼动行为模式具有重要影响，以及管制员的眼动行为与扇区交通行为之间存在一定的关系；对管制员信息输出行为进行研究，发现管制员语音通信行为的时间特征同样具有重尾特征；通过提出将通信时间序列转换为复杂网络的方法，研究管制员语音通信行为的空间特征，发现通信行为中存在“链状”和“环状”的通信行为模体；发现管制员通信行为的波动特征可以用泰勒法则进行刻画。此外，通过分析实证数据，发现人类在面临压力时处理任务的行为机制与正常状态下的行为机制不尽相同。
本书在优化航空运输系统运行、复杂系统建模和应用系统开发等方面具有重要应用价值，并且对于深入理解人类行为、扩展人类动力学研究领域具有重要的理论意义。
本书得到了国家自然科学基金项目的资助(项目批准号：U1833126，61773203，61304190)。
第1章 空中交通管理和空中交通管制员行为 1
1.1 空中交通管理系统的重新划分 1
1.1.1 静态子系统 2
1.1.2 动态子系统 5
1.1.3 人为子系统 5
1.1.4 空中交通管理系统的主要特征 7
1.2 空中交通管制员的角色 7
1.2.1 管制任务 8
1.2.2 管制员作为一个管制黑盒 9
1.2.3 语音通信 11
1.2.4 通过语音通信的信息扩散 12
1.3 管制员行为研究综述 13
1.3.1 任务需求：空域行为 14
1.3.2 内部行为：策略管理 14
1.3.3 外部行为：语音通信和性能表现 16
1.3.4 局限性 17
1.4 本章小结 17
第2章 眼动行为研究相关基础 18
2.1 引 言 18
2.2 眼动行为基本类型 18
2.3 眼动行为表征参数 19
2.3.1 注视行为参数 19
2.3.2 扫视行为参数 19
2.3.3 眨眼行为参数 20
2.4 眼动数据区分算法 20
2.5 航空运输领域眼动行为相关研究 22
2.5.1 飞行领域中眼动行为的研究 22
2.5.2 空管领域中眼动行为的研究 23
2.5.3 研究现状评述 24
2.6 本章小结 25
第3章 管制专家与新手眼动行为对比 26
3.1 引 言 26
3.2 实验设计 26
3.3 结果分析 29
3.3.1 不同场景下管制员的注视行为分析 29
3.3.2 不同场景下管制员的扫视行为分析 35
3.3.3 管制员眼动行为差异的显著性分析 41
3.4 本章小结 44
第4章 管制员眼动行为与工作负荷的关系 45
4.1 引 言 45
4.2 实验设计 45
4.3 管制员工作负荷概述 47
4.3.1 管制员工作负荷定义 47
4.3.2 管制员工作负荷测量方法 47
4.4 结果分析 48
4.4.1 不同场景下管制员的工作负荷 48
4.4.2 场景复杂性对管制员眼动行为的影响 50
4.4.3 任务时间对管制员眼动行为的影响 53
4.4.4 管制员眼动行为和工作负荷的研究结果 57
4.5 本章小结 58
第5章 管制员眼动行为与注意力的关系 59
5.1 引 言 59
5.2 管制员注意力实验设计 59
5.2.1 实验环境及过程 59
5.2.2 采集仪器 60
5.2.3 实验采集样本 61
5.2.4 实验流程 61
5.2.5 实验设备的调整 61
5.3 数据处理方法 62
5.3.1 眼动指标区分算法 62
5.3.2 生理指标预处理 62
5.4 眼动与生理系统的关联性 63
5.5 注意力分配的变化特性 65
5.5.1 眼动及生理指标特征 65
5.5.2 显著性分析 67
5.5.3 多重分形去趋势波分析 68
5.6 注意力分配的分布特性分析 77
5.6.1 管制场景区域划分方法 77
5.6.2 基于K Means聚类的管制区域划分 77
5.6.3 眼动行为参数选取 79
5.6.4 兴趣区内视觉特性分析 79
5.7 本章小结 82
第6章 航空器速度对管制员注意力分配的影响 83
6.1 注意力分配的变化特性 83
6.1.1 眼动及生理指标特征 83
6.1.2 显著性分析 85
6.1.3 多重分形去趋势波分析 86
6.2 注意力分配的分布特性分析 90
6.2.1 兴趣区内视觉特性分析 90
6.2.2 注视熵分析 91
6.3 本章小结 92
第7章 管制员通信行为的时间特征 93
7.1 引 言 93
7.2 人类行为动力学研究 93
7.2.1 人类行为动力学：实证研究 93
7.2.2 人类行为动力学：模型 94
7.2.3 与管制员行为的对比 95
7.3 管制员通信行为定义 96
7.4 管制员通信行为数据 97
7.5 空域行为和管制员通信行为之间的关联 99
7.5.1 通信行为指标 99
7.5.2 动态密度(DD) 99
7.5.3 基于动力学系统的交通复杂性 100
7.5.4 关联结果 100
7.5.5 CNt和TNt之间的相关性 101
7.5.6 通信、DD和C DSM 之间的相关性 102
7.6 管制员通信行为的时间特征分析 104
7.6.1 管制员通信行为的周期模式 104
7.6.2 去趋势波动分析法 105
7.6.3 通信时间间隔分布 106
7.7 管制员通信时间行为特征的心理学解释 111
7.8 本章小结 112
第8章 管制员通信行为的空间特征 113
8.1 引 言 113
8.2 基于抽象结构的管制策略 113
8.3 人类出行行为的一般模式 114
8.4 通信行为空间特征的研究方法 114
8.4.1 将时间序列映射到网络的方法 114
8.4.2 网络分析技术 117
8.5 管制员通信行为数据 119
8.6 管制员通信行为的空间特征 121
8.6.1 时间聚合网络 121
8.6.2 含时网络 124
8.7 本章小结 '3127
第9章 管制员通信行为的波动特征 128
9.1 引 言 128
9.2 波动标度 128
9.2.1 时间尺度上的波动标度 128
9.2.2 系综尺度上的波动标度 129
9.3 数 据 129
9.4 实证结果 129
9.4.1 时间尺度上的波动标度 130
9.4.2 系综尺度上的波动标度 131
9.5 管制员通信行为波动标度的解释 134
9.6 本章小结 135
第10章 结论和观点 136
10.1 管制员行为动力学研究的意义 136
10.1.1 对于基于模型的空管系统仿真的意义 136
10.1.2 对于认知行为研究的意义 136
10.1.3 对于系统设计的意义 137
10.2 未来可能的研究方向 137
10.2.1 对人类活动的理解 137
10.2.2 复杂系统的建模 138
参考文献 139
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