载人航天工效学研究

载人航天工效学研究

一、航天飞行的工效学一般来说，人类的空间活动可分为两类：一类是探索和了解外层空间的科学活动；另一类是开发和利用空间资源的活动。在这两类活动中,载人航天均占有重要位置。载人航天的核心是人进入空间。人上了天以后,便与载人航天器及空间飞行环境组成了一个典型的人-机-环境系统。在这个系统中,涉及三个方面的问题:一是航天员,二是载人航天器本身,三是太空环境。因此,用人-机-环境系统工程理论来解决问题是今后的发展方向。20世纪90年代初,美国国家科学研究委员会在题目为《人类的空间探索》的报告中指出:载人月球和火星飞行的关键技术,除了航天运输技术外,主要是人工重力和先进的人-机系统;在保证任务成功所需要的科学知识方面,主要是空间生命科学和物理学,其中空间生命科学包括微重力生理学、宇宙辐射、环境控制和生命保障系统、污染以及航天心理学。该报告也许可以作为上述结论的一个重要旁证。在短期和中长期载人航天飞行中,基础科学及工程技术的研究是决定航天任务成功的关键因素。工效学是一门研究人的工作规律的综合性学科。航天工效学主要研究航天员在航天环境中的工作能力、工作特点和工作规律。1991年,美国宇航局生命科学分部为配合其国家的载人月球和火星飞行规划专门制定了一个航天工效学发展计划。该计划提出了两个发展目标:了解航天员心理、行为和工效对航天环境的适应;为保证航天员在航天飞行中的安全、健康和生产能力,研究可靠的办法。同时,该计划又提出了五项具体任务:测定航天员心理、行为和工效对航天环境的急性和长期反应;测定航天飞行中影响航天员心理和行为的关键因素并查明其机理;确定航天飞行中对工效学和适居性的基本要求;提出工效学的设计要求和监测技术;提出先进的模型和模拟技术,以便在地面研究这些心理、行为和工效反应。为此,结合近年来国内外研究现状,笔者对人/信息/自动化交互等方面进行了一些初步的研究,并对解决未来中国载人航天工效学领域中存在的问题提出一些建议。二、国外的研究现状(一)加强基础训练和专业考核航天员是载人航天的核心,所以一切工作都要紧紧围绕选拔训练出合格的航天员以及保障航天员的安全、健康和工效来开展。飞船进入太空后,将处在一个微重力、高真空和较强空间辐射的环境中。为了确保航天员安全、健康和高效地工作,必须对航天员进行严格的选拔和培训。航天员一般是在综合考虑身体、心理素质的基础上从优秀的飞行员中选拔出来的,不仅要有良好的政治思想素质、过硬的身体素质和心理素质,一般还要有航空飞行经历。选出的航天员还要经过严格的基础训练和专业考核,才能承担载人航天飞行任务。比如:要通过基础理论和专业理论学习,了解和掌握与航天飞行任务有关的知识;通过体质训练和心理训练,提高身体素质和心理素质,掌握心理调控的方法;通过超重耐力适应性训练、前庭功能训练、失重飞机飞行训练、水槽训练、跳伞训练、体验飞行训练、虚拟现实环境训练等,掌握主动适应航天特殊环境的技术和方法,提高对各种负荷的耐受性;通过专业技术操作训练,熟练掌握飞船和舱内有关设备的操作;通过飞行任务训练,掌握正常和应急飞行程序及相关技术方法;通过救生与生存训练,提高航天员在恶劣环境中的生存能力和自救、互救能力;通过对航天员进行社会学方面的训练,提高航天员个体或者整个飞行小组的工作效率;通过对航天员进行体力训练,使其体质处于良好状态,以减轻太空环境对他们的影响。制定科学的航天员选拔训练标准,是每个国家开展载人航天活动的重要前提。美国和前苏联虽然都有选训航天员的方法和标准,但这些只能是参考,中国还应结合本国的实际情况制定标准和方法。中国人的体质和西方人的体质存在差异,在心理素质、灵活性以及协作能力等方面也都有差别。所以,应该在深入研究中国航天员在太空微重力环境以及星球表面部分重力条件下的生理反应、心理变化、团结协作等的基础上来制定中国的航天员选拔训练标准,从生理学、心理学、社会学等方面对航天员进行训练和选拔。建立一个综合考虑中国人体动力学、力量、运动范围、耐久力、可承受负载程度以及疲劳等信息的生物力学模型,也是一个值得研究的课题。(二)人类信息与自动化的互动1.对基于视觉-运动特性的操作要素研究是重在太空飞行过程中,由于长期处于失重状态,航天员常常会出现知觉上的幻觉和操作技能上的衰退现象。由于这些现象涉及到航天活动的安全问题,因而具有重要的理论和实际意义,所以有必要进行有针对性的探讨,为提出改善的途径和方法打下基础。NASA研究计划主要研究结合重力环境(在地面或太空中)的视觉刺激是怎样影响人的眼动控制、感知和视觉-运动特性的。这些研究结果对理解人的空间定位和方向知觉的丧失,以及多感官的交互作用和修正感知、动作行为的反馈机制等都具有重要的作用。对分析、描述和预测方法的研究将加深对这些机制(在地面或太空环境中、在正常或异常生理条件下)的理解。最后,这些研究可能对人的空间编码信息优化接收、转换和传递有帮助。2.基层人—人机界面技术在载人航天技术的发展初期,如美国的水星计划主要是研究人能否在空间环境中发挥作用,并在此基础上,确定系统人-机功能分配、人-机接口、航天服合体性、舱外活动机动装置的可操作性等涉及人的因素问题。现阶段这些问题已基本解决,一个重要的标志是美国宇航局发布的相关标准(NASASTD-3000)。随着载人航天器人-机接口朝着以计算机技术为基础的多功能综合显示/控制的图形用户界面方向发展,而航天员的信息输入仍然依靠视觉来观察各种显示器,动作与信息输出则大多通过双手操纵各种控制元件,再加上空间任务日趋多样和复杂,将会形成人-机接口信息阻塞的趋势。近年来,科学家正在研究语音控制和人工智能技术的应用,希望通过让计算机理解人所发出的口头命令、手势、体位、眼的运动等行为来操作被控对象,以减轻其肢体所承受的负荷,并缩短作业反应时间,从而开辟人-机接口的新通道。同时,运用人工智能技术,并根据人-机间的几次交互情况,就能判断出操作者的作业水平,让同一界面能为不同层次的航天员所使用。这样,多通道和自适应性将产生载人航天器新一代的人-机接口-全用户界面。它采用一切可以表达信息的媒介物(文字、图像、声音和视频等),全面刺激人的感官,充分调动其注意力,并实现全方位互动,从而提高人-机交互的可靠性和效率。根据这种变化和航天技术的发展方向,笔者认为,为了更好地发挥出航天员的工作能力,必须开展围绕交互对接人工控制、出舱活动、空间站等任务进行涉及如何可靠、充分地发挥出人的工作能力等方向的研究。从内容来看,其重点为:(1)多通道整合工效学研究;(2)人的认知规律的研究;(3)新型交互设备的工效学设计;(4)语音指令系统中人-机对话工效学研究;(5)虚拟现实技术将成为新一代人-机接口适人设计研究的重要手段;(6)各种航天环境因素模拟器是进行航天工效学研究必不可少的手段。三、最优利用评论员的工作能力的基础航天员与信息/自动化交互过程的心理学公式是:刺激(S)→意识(O)→反应(R),即信息输入、处理和行为输出三个阶段。了解这三个过程中人的能力特点,并确定合理的工作负荷就构成最优利用航天员的工作能力的基础。目前由于客观条件的限制,关于太空条件下人的目标拾取、情境觉知运动特性研究还不多,主要是进行了正常重力条件下人的目标拾取、情境觉知运动特性研究,并在结合国内外有关研究的基础上,建立了定量化的二维目标拾取运动特性模型(1998年)和定性化的情境觉知运动特性模型(2002年)。(一)情境觉知的概念及其训练当前,情境觉知SA(SituationAwareness)是一个在感觉及认知工效领域文献中非常常见的概念,但缺乏统一的严格定义,几乎每个学者对此都可能有不同的定义。但是,一个把人、环境情形和系统状态之间的交互作为整体来进行分析的集成概念,它具有基本的可描述性。当前的最基础的研究工作就是通过对情境觉知影响因素的系统分析实现概念定义,以便对其进行定性、定量建模。通过对情境觉知的分析可以看出,不同个体情境觉知的差别主要在于:感知能力(包括感知速度、编码速度、警觉性及模式匹配能力)、注意分配、记忆(包括工作记忆和长期记忆)能力、高级认知能力(分析、综合理解、预测)、决策及操作能力等方面,由此可以制定出提高情境觉知技能的相应训练措施。如可以要求操作者识别特定区域内的重要特征(如情境中的成分、这些成分的运动特性及其随后的变化情况)。另外,对情境觉知的获取与保持也可以训练。如使用有效的扫描、注意方式,从客体有限特征数据中提取最大信息量等。此外,通过训练所建立的有效反馈机能还可以增强操作者情境觉知的精确性和完整性,使操作者充分了解自己对情境的评估和觉知错误,以便更好地进行修正。(二)基于cad的面板设计方法随着人机系统的发展,对作为人机界面的控制面板设计的要求越来越高。现代人机系统的控制面板具有几百个单元,设计任务越来越复杂。随着计算机技术的发展,在控制面板设计中也引进了计算机辅助设计,出现了许多基于CAD的控制面板设计方法。控制面板CAD的基本思路是:根据操作任务、功能要求和工效学准则,在显示和控制单元之间建立约束条件,构造目标函数,进行优化设计,求得满足优化条件的解。由于具体问题的约束条件和目标函数不一定能得到最优解或最优解不唯一,还可能需要进一步的交互处理。(三)地面二维目标取值运动理论目标拾取运动作为人-机-环境系统中人机界面作业的一种基本操作技能,对于系统和任务的设计有着重要的影响。建立这种运动特性的理论模型,可以使人机界面/作业系统的设计和评价的一些指标逐渐量化,有利于提高系统设计水平和评价准确程度,更适用于采用计算机等现代化数字手段进行系统设计和评价。因此,这方面的工作对于航天人-机-环境系统的人机工效学分析是十分有价值的。在借鉴前人研究的基础上,笔者设计并进行了较为全面的地面二维目标拾取运动实验,提出了五条基本假设,并在此基础上建立了人的二维目标拾取运动特性的理论模型,并采用所获得的实验数据对本理论模型进行了实验系数确定。结果表明,该模型对于各种一维和二维的目标拾取运动具有广泛的适用性和较高的描述精度,具有一定的实用价值,它不仅可以描述手的目标拾取运动,而且还适用于其它肢体。四、加强学生仿真及优化我国航天技术研究,为提高系统可靠性奠定科学基础航天员、载人航天器以及空间飞行环境构成了一个典型的人-机-环境系统。由于人的随机、时变、模糊以及自适应等特性,为可靠地发挥其作用,提高系统可靠性,必须充分考虑航天员的心理认知、控制和反应能力,在观念上从“人适应机器”转变为“机器适应人”是非常必要的。国外已在这方面采取预先研究的办法。长时间、远距离和多乘员的载人航天已成为当今航天技术发展的重要方向,研究如何发挥出航天员工作能力的方法以提高系统的可靠性,是载人航天的重要组成部分。为此,必须在充分弄清楚人的各项工作能力和局限性的基础上,针对航天背景,与工程部门展开联合设计,相互配合,共同发展,才能实现这一目标,最终保证航天员安全、高效地工作。所以建议进一步加强航天人-飞船-空间环境系统工效研究的预研工作,只有这样,才能为充分发挥人在空间飞行中的作用奠定科学基础。由于载人航天是一项耗资