提高航天员工作能力的方法及其研究趋势
==================================== 周前祥
 
 
一、发挥航天员工作能力的意义
  众所周知,人具有思维认知、决策和操作能力。在空间飞行过程中,可利用人的这些能力,使之与自动操作的机器之间优势互补、配合协调,从而提高系统的安全可靠性。下面以美国水星计划和阿波罗计划为例,阐述达到这一目标的可能性和必要性。
 
 
  1.人在航天中对意外情况能及时做出反应。例如当阿波罗11号飞船的登月舱向月球表面降落时,发现预定的降落点很不安全,航天员立即决定更改原方案,重新选择安全的地方降落;相反,前苏联的一艘无人飞船登月时,因不能机动选择着陆地点而失败。
  2.当载人航天器的硬件部分出现故障时,航天员能进行修理,使系统恢复正常工作,从而提高其安全可靠性。特别是,如果自动控制失灵,航天员还能用人工控制的方式使航天器返回地面。
  3.能独立自主地接受载人航天器系统中各类仪表显示的信息,对它的状态进行判断和决策,并做出快速反应。例如,阿波罗13号飞船发生事故后,航天员将登月舱改作“救生筏”,安全返回地球。
  4.可充分发挥自身的主观能动作用,进行科学实验、观察及生产加工。人的参与将简化自动装置的设计和系统的复杂性。例如在空间采集标本,若全部采用自动装置,其设计和研制都非常困难,而由航天员来完成,则相当简便。
  总之,纵观人类40年来的载人航天飞行历程,航天员不仅能在严酷的宇宙空间中生存,而且是飞行操作的一个敏感的、能发挥作用的部分。自70年代末期以来,载人航天器在设计上减少了很多的自动设备和备份元件,而以手控方式代之,从而发挥人的工作能力,这已成为系统总体设计时必须考虑的一个重要内容。  
 
二、采用的主要手段
  在空间飞行环境条件下,航天员机体受到诸如失重、噪声、辐射、心血管功能失调、空间运动病、工作环境狭小以及飞行危险性等因素的影响,其生理和心理都会发生相应变化(如诱发心血管功能失调或空间运动病)。同时载人航天飞行处于微重力环境而影响到人的空间定向和
 
 
运动控制能力,这样,航天员在地面重力条件下形成的习惯在失重条件下会成为一种干扰,尤其是在舱外无支持物的空间干扰更大,致使航天员在运动或作业时常出现用力过度、失定向以及肌紧张度过高等现象。此外,人的操作往往具有非线性、时变性和随机性等特点,因而由于航天员自身的生理和心理上的障碍,可能出现对载人航天器系统监视和操作上的误判断、误操作和误安装,导致系统出现故障。例如,1966年美国双子星座8号飞船由于航天员操作失误,加之姿控发动机输送系统故障,致使其姿态失控。
  因此,空间飞行过程中发挥人的工作能力有两方面的结果。航天中可以因人的有效参与而使得系统的安全性、可靠性增加;反之,若设计考虑不周,也可能因人的某些机能障碍产生失误,导致系统可靠性降低甚至飞行任务的失败和人员伤亡。为了充分利用航天员的正面作用并尽可能减少其消极影响,国外在此领域所采取的手段是,将载人航天器系统看作为一个人-机-环境大系统,研究航天员、飞行器和空间环境之间的相互作用,防止或减少航天员的疲劳和操作失误,使其与载人航天器之间的信息交互区域--人-机接口可以方便其观察和操作,有利于工作能力的发挥。要根据航天员的工作位置和环境条件,让系统中的信息显示仪表(如CRT显示器、数字显示器、信号灯、受话/送话器、语音报警指示器等)和操纵控制元件(如按钮、开关、选择器、键盘、操纵杆等)的设计符合其信息感知机能特性,从而提高操纵控制的可靠性。从设计上,主要可采用下面6种手段。
  1.依据航天员人体尺寸的工效学设计
  就是发挥人的工作能力而言,人体尺寸工效学设计在载人航天中占有中心地位,若考虑不当,可能损害系统的性能、操作者的安全或部件的可用性。一般情况下,组成人-机接口的相关仪表/控制元件的外形、大小、安放位置等都必须根据航天员的人体尺寸要求来决定,即运用人体测量学方法对航天员人群进行统计分析,将第95百分位数作为极大值,第5百分位数作为极小值,第50百分位数则为平均值,在此范围内的设计尺寸即能满足人的使用尺寸要求。
  设计时除了航天员的上述物理尺寸要求外,还需考虑其心理因素,即当存在多名航天员同时工作时,他们之间的距离应符合“心理空间”需要,如紧身距离区(0~45厘米)在生人间的接触习惯上被禁止;近身距离区(45~120厘米)是友好接触区域;社会距离区(1.2~3.5米)适于没有身体接触的业务性联系;公共距离区(3.5~7.5米以外)超出社交活动范围,采用信息联系手段。因此,针对空间飞行任务性质的不同,在进行人机界面设计时,要对适当的区域采取“屏蔽”措施。

 
   2.航天员工作能力的限度
  人的信息感知和操作能力是有一定限度的,既受制于自身的结构和机能特性,还受到环境条件的影响,特别是航天员所处的微重力环境会干扰其空间定向和运动控制能力。目前的研究工作是从速度、时间延迟和判断方式
 
等方面研究航天员工作能力的耐受性与舒适性数值,例如,屏幕显示或等效物的平均调出时间应小于2秒,理想状态下小于1秒。一般可在此基础上,提出发挥航天员工作能力的设计措施。
  3.工作负荷的工效学评价
  航天员操纵控制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3个阶段。了解这3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人的工作能力的基础。已取得的研究成果表明,在人-机界面的工效设计时须防止航天员在完成任务时出现超负荷或负荷不足的情况。很明显,在超负荷状态下,操作者往往难以同时完成全部信息的感知和加工,从而出现信息遗漏或感知错误,导致人发生差错;相反,低负荷会使操作者由于久久得不到目标信息的强化而处于一种单调枯燥、注意力分散的状况,于是敏感性差,同样可能出现失误。目前,工作负荷的评价主要有三个技术途径:(1)主观评级法;(2)生理学评级法,即通过分析某些生理指标在操作过程中的变化来评价人的功能状态;(3)定量计算模型,如实测的肌电信号(EMG)模型等。
  4.显示/控制部件的宜人设计
  显示/控制部件宜人设计的基本要求是有利于航天员精确地认读和操纵,组成最佳人-机交互系统。对显示部件而言,可从可读性、编码、分辨率以及显色指数等方面提出宜人设计的指标和评价方法。控制部件的宜人设计,则应在首先按人的效应器官(手、足)的尺寸与操作方式确定其大小、形状、结构和力学特性等物理参数后,再以适当的刺激对操作者进行识别编码,以提高操作效率和防止误操作。
Mb>  5.整体布局的工效学设计与评价
  人-机接口中的显示/控制部件是联合使用的,只有两者在整体布局上协调,才能降低航天员对系统信息进行加工和操作的复杂性,从而缩短反应时间,提高操作速度。这主要需从两者的逻辑位置、运动方向、位移量以及显示信息等方面的协调性上展开研究,目前已经形成的基本布局原则有功能与相互关系、使用或操作顺序、使用频率、重要性和防误操作等原则。其根本宗旨是使航天员进出与脱离操作位置方便、操纵姿态舒适且保证信息的可视性,以此提高人操作的可靠性。
  6.计算机仿真实验设备
  由于载人航天是一项耗资巨大的工程,不可能在地面条件用实物进行具体试验,因此,采用以计算机为基本手段的先进技术对飞船的人工控制、仪表显示、报警方式以及座舱结构等方面进行仿真研究就显得尤为必要。例如,美国航宇局阿姆斯研究中心在80年代就利用航天工效学原理研制出一套人-飞船-空间环境系统研究设备,重点研究操作中人产生差错的原因以及寻找有效的防差错办法。

三、研究的发展趋势
  在载人航天技术的发展初期,例如前面所说的美国水星计划,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,一个重要的体现是美国航宇局发布的相关标准(NASA STD-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的发展,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,再加上空间任务的日趋多样和复杂,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,我们认为为了更好地发挥出航天员的工作能力,必须开展的研究领域是围绕交会对接人工控制、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的研究。从内容来看,其重点为:
  1.多通道整合工效学研究。多通道整合是多通道人-机交互接口宜人设计技术研究的核心问题,其本质是对操作者输入的信息进行降维处理,让系统识别和理解人的意图。它涉及的交互输入是跨通道、异质、并行和非精确的。目前该方面的研究工作集中于整合语言和手势,尚缺少通用的整合原理与方法。此外,是否在所有交互任务中多通道都一定优于单通道、什么是优势通道、通道间的协作关系以及交互风格与任务的匹配性等,都有待于工效学研究,并运用有关研究结果对新一代人-机界面进行评价。
  2.人的认知规律的研究。无论载人航天器人-机接口变得如何复杂、高级,其前提条件之一都是必须对人的信息感知规律展开充分研究,而这也正是目前的难点问题。所以,建立航天员的智能模型,然后让人-机接口的设计符合人的认知规律,就能够使之易于掌握,并且减少差错。至于具体的研究内容,可以从语音识别输入、脑波、姿势手势以及表情等方面研究人为完成某种任务时所呈现出的规律,为新一代界面的工效学设计打下基础。
  3.新型交互设备的工效学设计。交互设备包括头盔显示器、数据手套和语音识别等装置,因此它们本身必须符合工效学要求,这也是载人航天器未来新一代界面中人、机最佳匹配的必要条件。国外已经开展了此方面的研究工作,并取得了一些成果,例如在头盔设计中,需着力解决舒适性、视场角和分辨率之间的协调关系。

  
4.语音指令系统中人-机对话工效学研究。综合语音控制显示指令系统将在未来新一代人-机接口中占有重要地位。它是人-机交互的首选通道,可简化操纵,节约时间,减轻航天员的工作负荷。因此,开展此方面的工效学研究,对未来载人航天器人-机界面设计具有很大的应用价值。  
  5.虚拟现实技术将成为新一代人-机接口宜人设计研究的重要手段。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,它由计算机形成具有动态声、像功能的三维空间环境,通过视、听、触觉等的作用,最终使得参与者产生“身临其境”的感觉。这种交互式观景仿真的基本特征包括多感知性、沉浸感、交互性和自主性。该技术比较适合人-机界面工效学设计仿真,因为两者在交互通道和人的信息感知规律等方面具有一定的可类比性。
  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。智能型计算机辅助训练系统已应用到航天员任务训练中。该系统是由美国航宇局为适应未来载人航天计划要求,在阿波罗计划和航天飞机等航天员传统训练经验的基础上,融入人工智能技术而开发出来的一种自主性训练系统。它已正式用来训练美国航宇局的航天员、飞行管理人员以及地面保障人员。
 
四、结束语
  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,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,所以应该加强在新一代人-机接口条件下提高航天员工作能力的预研工作,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。
  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。□
 
 
 
 
 
 
 
 
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