淺談航天人因工程研究進展論文

　　1 引言

　　人因工程學( Human Factors Engineering) 是近些年發展很迅速的一門新興交叉學科，應用領域十分廣闊。在不同時期，相近的學科叫法較多，包括: 人的因素( Human Factors) 、工效學( Ergonomics)、人機工程( Man-Machine Engineering) 、工程心理學( Engineering Psychology) 、認知心理學( Cognitive Psychology ) 、人-機-環境系統工程( Man-Machine-Environment System Engineering )等，研究內容相近，但各有側重。目前，國內外越來越多的學者傾向于應用“人因工程”這一學術名稱，以凸顯人在系統中的主導和關鍵作用。載人航天任務涉及航天器、測控通信、發射回收等多個方面，特別是由于航天員的參與使系統變得更為復雜，對人的安全性和操作的可靠性要求更高，是一個巨復雜系統工程。從美俄早期的太空飛行來看，不管是聯盟號飛船還是阿波羅計劃，事故發生率都很高; 后續航天飛機任務也發生過兩次機毀人亡的惡性事故。即便是最近幾年，航天任務失利，如天鵝座貨運飛船爆炸、太空船2號失敗等和國際空間站上出艙活動任務取消和推遲等事故依然不斷。中國在二十多年的載人航天歷程中成就斐然，雖然沒發生重大事故，但結果完美并不等于過程完美，其中也發生過一些險情、出現過一些差錯，如出艙艙門開啟不暢、返回艙著陸未及時切傘等問題。通過分析、追根溯源，發現絕大多數事故是由于對人的因素考慮不周造成的。因此，在載人航天領域，人因工程也是在不斷總結失敗教訓中提高認識和逐步發展起來的。俄羅斯( 前蘇聯) 在載人航天初期就專門成立生物醫學問題研究所牽頭開展空間飛行極端環境對生物體的影響及機理研究和航天工效研究，在和平號空間站期間通過大量在軌實驗深化了對長期飛行人的因素的研究和認識。美國在初期的水星號飛船、空間實驗室、阿波羅登月等任務中，重點解決人在太空中能否生存和工作的問題。美國國家航空航天局( NASA) 于1987 年在約翰遜中心成立適居性和人因部門，作為航天人因工程的主要牽頭單位，并建立跨平臺的人-系統整合標準NASASTD-3000。1991 年為國際空間站( ISS) 任務制定了航天人因工程發展計劃( SHFE) 。2005 年推出人的研究計劃( HRP) ，全面深入研究未來深空探測、登火星任務中的人因工程問題，引領國際航天人因工程領域的發展，也對其載人航天任務成功和發展起到巨大推動作用。歐航局制定載人空間探索戰略THESEUS 研究計劃，建立14 個專家小組，圍繞綜合系統生理學、心理學、人機系統、空間輻射、居住地管理和醫療保健五個主要領域開展工作。我國從1968 年航天醫學工程研究所成立開始就開展航天工效研究，1981 年創立人-機-環境系統工程理論，1992 年我國載人航天工程啟動時設立了航天員系統并下設工效學要求與評價、航天員選拔訓練、飛行模擬等與人因工程密切相關的分系統。經過二十多年的實踐發展，航天人因工程在研究內容、方法和工程應用上逐步走向成熟，形成了包括載人飛船、貨運飛船、空間站艙內、艙外以及艙外航天服等一系列工效學設計要求與規范，目前正為我國空間站工程制訂工效學要求和評價標準。航天人因工程在保障載人航天任務策劃的科學合理性，提升人信息加工和決策可靠性，減少操作失誤，優化人機功能分配，人-系統整合協同高效工作以及提高系統安全性等方面發揮了重要作用。

　　2 航天人因工程研究體系

　　載人航天任務中航天員乘組、航天器、以及空間環境構成一個復雜的人-機-環系統，參見圖1。航天員是載人航天任務的主體，其作用能否充分發揮是任務成敗的關鍵。空間飛行中人的作業能力受很多因素影響，失重會導致人骨丟失、肌萎縮、眼壓和顱壓改變、前庭功能等生理系統變化，引起人的操作運動、視覺感知以及空間定向等能力改變; 長期狹小空間和單調的社會關系會對航天員情緒、動機等產生影響，長期晝夜節律變化會導致睡眠紊亂、缺失甚至失眠等，由此引發人員腦力疲勞、情緒下降等，嚴重影響航天員作業能力發揮; 同時艙載設備增多，信息流更為復雜，航天器人-系統整合設計及適居性的優劣也會影響航天員完成任務的績效。這些都是人因工程需要研究解決的重點問題。NASA 在系統工程手冊中明確把人因工程作為其重要學科考慮，并認為人因工程就是要在充分考慮人的能力和局限性對系統性能帶來影響的基礎上實現對人-機界面和與人相關系統的研究、分析、設計和評價。

　　3 當前研究重點與進展

　　航天人因工程研究范圍很寬，下面僅就當前研究的重點、熱點和未來發展方向進行闡述。

　　3. 1 航天員作業能力與績效

　　深入了解人在太空中的能力和局限性，是開展人-系統整合設計、任務規劃等重要活動的基礎和保障。NASA 在國際空間站建設之初，即通過對空間飛行中人的優勢( 智力優勢，對未知或非結構化情景的響應能力等) 和局限性( 生理局限、個體差異、重復單調的工作容易疲勞和出錯等)的大量基礎研究，從而為空間站人-系統整合設計提供了關鍵的數據和理論基礎。面向未來的載人登火星、深空探測等任務，各航天大國都制定了相應的發展規劃，深入了解和認識空間環境因素對人能力的影響及變化規律。

　　3. 1. 1 人體參數及生物力學特性

　　隨著載人航天的發展，航天員人體參數及失重環境下骨肌生物力學特性的研究逐步深入，如NASA 建立了涵蓋亞洲女性第1 百分位到歐洲男性第99 百分位的全球人體參數數據庫，有效地支撐了目前低軌道各類載人航天器的研制。同時研究表明，短期失重會導致肌肉質量丟失10% ～20%，長期可能達到50%，這些會導致骨肌功能力量下降、運動操作協調性降低、體力疲勞增加。對后續空間站任務，借助973 國家重大基礎研究計劃，開展了45 天頭低位臥床實驗、中性浮力水槽實驗、失重飛機實驗，研究了長期模擬失重對人的上肢、下肢關節和肌肉力量的變化規律，發現臥床前后固定姿勢下操作力下降，維持時間變短，長期失重也會導致步態模式等發生變化，建立從地面、水下到失重飛機的一體的集成化測試平臺，獲取了失重狀態下人體的運動學、力學及肌電特性參數，為空間站設計提供有效支撐。面向后續深空飛行及星球表面探測任務，長期和變重力環境對人感覺運動能力及協調性的影響成為研究重點，如2009 年NASA 在人的研究計劃中啟動了骨肌系統的FTT ( Functional TaskTest) 測試項目，借助航天飛機和ISS 任務開展神經肌肉、感覺運動響應等測試( 爬梯子、開艙門、進出座椅、避障、移動物體等) 。

　　3. 1. 2 艙外作業能力

　　航天員著艙外航天服加壓后對關節活動性、操作力量、手靈活性等作業能力影響很大，如NASA 研究給出，戴艙外服手套加壓后，手最大握力下降可達50% - 70%，目前針對軌道出艙航天員著艙外服后作業能力( 簡稱人服作業能力) 研究較為全面。我國也面向空間站的研制建立了涵蓋形態參數、活動空間、手作業能力、運送物品等9 大類的人服作業能力體系及著服后能力變化規律，對空間站艙外活動工效學要求的提出提供了重要的支撐。

　　后續此方面的研究將從軌道出艙人服作業能力向星球表面行走及操作能力拓展，開展服裝質心、壓力、結構特性等對人運動操作靈活性、舒適性、疲勞以及運動時服裝對人體損傷影響等研究。如NASA 借助水下、荒漠、失重飛機等地面模擬環境，對未來載人登月等任務可能的任務( 走、跪、爬等) 開展功能活動性測試，建立各個關節面向任務的功能活動性要求，并對出艙活動中手和前臂的肌肉疲勞進行了研究，探索上肢關節角度和肌肉疲勞的關系等

　　3. 2 航天器人機界面與人機交互

　　航天器人機界面是航天員監視、操縱航天器完成任務的重要接口和途徑，其設計的優劣直接影響操作績效及任務成功。當前航天任務的復雜度和航天器的自動化水平不斷增加，對人機界面設計與評估技術面臨更多的挑戰。在此領域包括以下研究重點:

　　3. 2. 1 航天器人工控制工效

　　主要指航天員對航天器進行交會對接、對地定向、起飛或著陸等操作，是一個典型的人在回路動態精細操控任務，涉及到圖像顯示、控制手柄、飛船控制特性等的航天人因工程關鍵問題，美俄等國早在60 年代就開展大量的研究，我國也在神九、神十任務中針對飛船手控交會對接任務關鍵認知特性、對接系統的靶標、操作手柄以及飛船控制特性等相關工效設計開展大量研究，優化了靶標設計方案、多參數多自由度圖形顯示頁面設計以及手控交會對接綜合評估模型等，確保我國首次手控交會對接任務的成功。當前NASA 將人工控制的研究重點放在未來登月及火星等星球表面探測航天器的人工控制上，針對飛船在上升及著陸中操作控制界面開展情景意識、操控品質以及振動對操作工效影響等相關問題研究，該結果對指導星座計劃中獵戶座飛船的研制起到重要的支持作用。

　　3. 2. 2 星球表面出艙活動任務

　　無論近地軌道飛行還是未來的登月、登火星等，艙外操作任務必不可少，其人機界面設計必須與航天員著艙外服后操作能力相匹配，這也是艙外人機界面設計與評價的重點。美俄等國在軌道出艙相關研究上已經取得大量成果，在艙外作業區空間布局、操作力、艙外工具等形成了較為成熟的技術和規范，我國借助神七出艙活動任務和空間站任務，建立了出艙活動人機界面工效設計要求、地面和水下的工效評價技術。當前NASA 將艙外人機界面的研究重點放在星球表面艙外活動人因問題進行研究，構建了荒漠、水下等模擬環境下研究與測評技術，對航天員-艙外服-星球探測車系統開展布局及界面設計開展分析與評估。

　　3. 3 航天人誤與人因可靠性

　　隨著載人航天系統及任務復雜性不斷提高，航天員在任務回路中的參與度不斷增強，人的失誤引發航天異常、故障和事故的問題日益凸顯，使得各國航天機構逐漸意識到人的失誤( 下文簡稱人誤) 可能導致系統可靠性降低、甚至飛行任務失敗、人員傷亡和經濟損失。載人航天領域人誤與人因可靠性研究的發展經歷了兩種模式，一種是以成熟的人誤與人因可靠性分析方法為基礎，結合載人航天的特點，進行適用化改進。另一方面，是開發針對性的人誤管理工具。NASA 目前將人因可靠性和人誤分析納為NASA 總部的安全與任務保證辦公室工作的重要組成部分，對人誤與人因可靠性的關注已逐步上升到戰略層次。結合認知科學與人因可靠性的最新發展，研究航天飛行因素對人誤的影響，深入研究人誤機制與機理，瞄準長期飛行開展人誤預測技術，人因可靠性改善與提高方法，從而確保航天員-航天器系統的可靠性與安全性。

　　3. 4 人-系統整合設計與評估

　　3. 4. 1 以人為中心設計的理念HCDP( Human-Centered Design Philosophy)

　　NASA 在幾十年的載人航天歷程中，不斷提升對人的因素的重視程度。NASA 不僅提出“把人作為一個系統”HAAS( Human-As-A-System) 設計模型，而且在技術標準和程序層面建立了人-系統整合設計要求( NASA-STD3001 等) ，其中特別強調“以人為中心的設計”理念，要求所有載人系統的研發在全周期范圍內必須充分考慮人的特性。HCDP 有三個突出特點即要求用戶方早期參與及不斷參與設計、進行性能評估、以及開展迭代式設計( 設計-測試-再設計模式) 。其過程至少應包括以下幾個方面: a. 操作概念和任務場景建立; b. 任務分析; c. 人-機功能分配; d. 人員角色和職責分配; e. 迭代式概念設計和原型系統構建; f. 試驗測試與驗證( 包括人在回路測試、基于模型的人-系統性能評估等) ; g. 人-系統性能在軌檢測。

　　3. 4. 2 應激與作業負荷

　　作業負荷的評估是保證人-系統設計、人的工作合理分配的重要基礎。航天員長期在軌飛行面臨失重、晝夜節律變化等環境應激，以及繁重的工作等工作應激。這種環境與工作的綜合應激，導致航天員在軌作業負荷與地面相比存在較大的差異。NASA 針對航天員腦力負荷的分析與評估，很早就開展了相關研究，包括逐步建立腦力負荷評價標準，NASA 通過研究分析制定的負荷量表NASA-TLX，已廣泛應用于在軌飛行任務和地面諸如汽車、飛機駕駛等研究的腦力負荷評價中。我國航天員中心應用客觀績效、主觀問卷、生理參數三種手段結合的方法對腦力負荷進行綜合評估，利用腦電和功能性近紅外( fNIRS)進行腦力負荷評估; 針對單一任務( N-back) 及手動追蹤任務、組合任務( MATB) 均有顯著的難度相關性，并且可以利用fNIRS 的特征實現較高的`非跨任務非跨時間的分類精度; 利用fNIRS 對模擬交會對接任務進行任務特性分解研究，得出模擬任務中分析、控制、時間壓力三個腦力負荷影響特征。

　　4 我國航天人因工程發展建議

　　長期空間飛行和載人深空探測是國際航天未來的主要任務，這些任務在給人因工程研究帶來重大機遇的同時也帶來更多的挑戰，包括月球、火星探測等變重力環境下人的能力與績效、星球表面艙外活動、人機器人團隊協作、航天人誤預防和人因可靠性等必須解決的難題。目前我國空間站研制處于初樣研制的關鍵階段，后續任務也在醞釀之中。如何確保將我國的空間站真正打造成為航天員安全、可靠、舒適的太空之家? 如何確保航天員在每次航天任務中充分發揮獨特作用以使系統獲得最大效益? 充分借鑒國外經驗，切實重視并推動我國航天人因工程研究和應用不僅十分迫切更具有長遠意義。特別應在以下幾個薄弱環節做出努力:

　　4. 1 理念與認識

　　經過近20 年的發展，從項目的頂層管理者到具體的工程設計人員對系統中的人因問題的認識有了提高，但對人因工程涉及的理念和方法理解不深。人因工程是對傳統工效學的超越，它不僅著眼工作績效的提高，更把消除隱患確保安全置于首要。人因工程的研究重點之一是全周期的關注人-機關系，而人-機關系本質上講是人-人關系，因為機是人的創造物，必然打上人的烙印，表現在產品研發上是設計者與使用者( 用戶) 之間的關系。設計者與使用者是對立統一體，設計者常常把自己當成使用者，而使用者常常對設計者期望過高，人因工程提供了解決這種沖突達到系統諧同的科學途徑。因此，亟需加強“以人為中心的設計”理念宣貫和推動，在工程全線深入領會“人因”，人-系統整合設計對任務完成的重要性，真正從管理到技術各個環節作為一種必須遵守的原則和設計約束來認識和貫徹。

　　4. 2 組織與管理

　　目前我國載人航天系統的人-系統整合設計在組織和管理層面上做了一些規定，包括載人航天器出廠放行需要通過工效學分系統的評價，但總體來說缺乏系統性，缺少頂層規范和成系統的組織管理保障。一方面，組織機構不健全，只有一個分系統以技術形式開展要求和測評研制工作，缺乏各層次相應的組織機構; 另一方面，在管理上不嚴格，更多的是航天員系統和工程方之間一種系統間技術溝通，無論從規范性和嚴格程度上都不足。因此必須加強頂層策劃，建立起多層次組織和管理體系包括第三方工效測評體系，保證航天器人-系統整合設計及評估在航天器全周期研制中的貫徹和落實。

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