浅谈航天人因工程研究进展

第第页浅谈航天人因工程研究进展人因工程学(HumanFactorsEngineering)是近些年进展很快速的一门新兴交叉学科，应用领域非常宽阔。在不同时期，相近的学科叫法较多，包括:人的因素(HumanFactors)、工效学(Ergonomics)、人机工程(Man-MachineEngineering)、工程心理学(EngineeringPsychology)、认知心理学(CognitivePsychology)、人-机-环境系统工程(Man-Machine-EnvironmentSystemEngineering)等，讨论内容相近，但各有侧重。目前，国内外越来越多的学者倾向于应用“人因工程”这一学术名称，以凸显人在系统中的主导和关键作用。载人航天任务涉及航天器、测控通信、放射回收等多个方面，特殊是由于航天员的参加使系统变得更为冗杂，对人的平安性和操作的牢靠性要求更高，是一个巨冗杂系统工程。从美俄早期的太空飞行来看，不管是联盟号飞船还是阿波罗打算，事故发生率都很高;后续航天飞机任务也发生过两次机毁人亡的恶性事故。即便是最近几年，航天任务失利，如天鹅座货运飞船爆炸、太空船2号失败等和国际空间站上出舱活动任务取消和推延等事故依旧不断。中国在二十多年的载人航天历程中成就斐然，虽然没发生重大事故，但结果完善并不等于过程完善，其中也发生过一些险情、消失过一些过失，如出舱舱门开启不畅、返回舱着陆未准时切伞等问题。通过分析、追根溯源，发觉绝大多数事故是由于对人的因素考虑不周造成的。因此，在载人航天领域，人因工程也是在不断总结失败教训中提高熟悉和逐步进展起来的。俄罗斯(前苏联)在载人航天初期就特地成立生物医学问题讨论所牵头开展空间飞行极端环境对生物体的影响及机理讨论和航天工效讨论，在和平号空间站期间通过大量在轨试验深化了对长期飞行人的因素的讨论和熟悉。美国在初期的水星号飞船、空间试验室、阿波罗登月等任务中，重点解决人在太空中能否生存和工作的问题。美国国家航空航天局(NASA)于1987年在约翰逊中心成立适居性和人因部门，作为航天人因工程的主要牵头单位，并建立跨平台的人-系统整合标准NASASTD-3000。1991年为国际空间站(ISS)任务制定了航天人因工程进展打算(SHFE)。2022年推出人的讨论打算(HRP)，全面深化讨论将来深空探测、登火星任务中的人因工程问题，引领国际航天人因工程领域的进展，也对其载人航天任务胜利和进展起到巨大推动作用。欧航局制定载人空间探究战略THESEUS讨论打算，建立14个专家小组，围绕综合系统生理学、心理学、人机系统、空间辐射、居住地管理和医疗保健五个主要领域开展工作。我国从1968年航天医学工程讨论所成立开头就开展航天工效讨论，1981年创立人-机-环境系统工程理论，1992年我国载人航天工程启动时设立了航天员系统并下设工效学要求与评价、航天员选拔训练、飞行模拟等与人因工程亲密相关的分系统。经过二十多年的实践进展，航天人因工程在讨论内容、方法和工程应用上逐步走向成熟，形成了包括载人飞船、货运飞船、空间站舱内、舱外以及舱外航天服等一系列工效学设计要求与规范，目前正为我国空间站工程制订工效学要求和评价标准。航天人因工程在保障载人航天任务策划的科学合理性，提升人信息加工和决策牢靠性，削减操作失误，优化人机功能安排，人-系统整合协同高效工作以及提高系统平安性等方面发挥了重要作用。

2航天人因工程讨论体系

载人航天任务中航天员乘组、航天器、以及空间环境构成一个冗杂的人-机-环系统，参见图1。航天员是载人航天任务的主体，其作用能否充分发挥是任务成败的关键。空间飞行中人的作业力量受许多因素影响，失重会导致人骨丢失、肌萎缩、眼压和颅压转变、前庭功能等生理系统改变，引起人的操作运动、视觉感知以及空间定向等力量转变;长期狭小空间和单调的社会关系会对航天员心情、动机等产生影响，长期昼夜节律改变会导致睡眠紊乱、缺失甚至失眠等，由此引发人员脑力疲惫、心情下降等，严峻影响航天员作业力量发挥;同时舱载设备增多，信息流更为冗杂，航天器人-系统整合设计及适居性的优劣也会影响航天员完成任务的绩效。这些都是人因工程需要讨论解决的重点问题。NASA在系统工程手册中明确把人因工程作为其重要学科考虑，并认为人因工程就是要在充分考虑人的力量和局限性对系统性能带来影响的基础上实现对人-机界面和与人相关系统的讨论、分析、设计和评价。

3当前讨论重点与进展

航天人因工程讨论范围很宽，下面仅就当前讨论的重点、热点和将来进展方向进行阐述。

3.1航天员作业力量与绩效

深化了解人在太空中的力量和局限性，是开展人-系统整合设计、任务规划等重要活动的基础和保障。NASA在国际空间站建设之初，即通过对空间飞行中人的优势(智力优势，对未知或非结构化情景的响应力量等)和局限性(生理局限、个体差异、重复单调的工作简单疲惫和出错等)的大量基础讨论，从而为空间站人-系统整合设计供应了关键的数据和理论基础。面对将来的载人登火星、深空探测等任务，各航天大国都制定了相应的进展规划，深化了解和熟悉空间环境因素对人力量的影响及改变规律。

3.1.1人体参数及生物力学特性

随着载人航天的进展，航天员人体参数及失重环境下骨肌生物力学特性的讨论逐步深化，如NASA建立了涵盖亚洲女性第1百分位到欧洲男性第99百分位的全球人体参数数据库，有效地支撑了目前低轨道各类载人航天器的研制。同时讨论说明，短期失重会导致肌肉质量丢失10%～20%，长期可能到达50%，这些会导致骨肌功力量量下降、运动操作协调性降低、体力疲惫增加。对后续空间站任务，借助973国家重大基础讨论打算，开展了45天头低位卧床试验、中性浮力水槽试验、失重飞机试验，讨论了长期模拟失重对人的上肢、下肢关节和肌肉力气的改变规律，发觉卧床前后固定姿态下操作力下降，维持时间变短，长期失重也会导致步态模式等发生改变，建立从地面、水下到失重飞机的一体的集成化测试平台，猎取了失重状态下人体的运动学、力学及肌电特性参数，为空间站设计供应有效支撑。面对后续深空飞行及星球外表探测任务，长期和变重力环境对人感觉运动力量及协调性的影响成为讨论重点，如2022年NASA在人的讨论打算中启动了骨肌系统的FTT(FunctionalTaskTest)测试项目，借助航天飞机和ISS任务开展神经肌肉、感觉运动响应等测试(爬梯子、开舱门、进出座椅、避障、移动物体等)。

3.1.2舱外作业力量

航天员着舱外航天服加压后对关节活动性、操作力气、手敏捷性等作业力量影响很大，如NASA讨论给出，戴舱外服手套加压后，手最大握力下降可达50%-70%，目前针对轨道出舱航天员着舱外服后作业力量(简称人服作业力量)讨论较为全面。我国也面对空间站的研制建立了涵盖形态参数、活动空间、手作业力量、运输物品等9大类的人服作业力量体系及着服后力量改变规律，对空间站舱外活开工效学要求的提出供应了重要的支撑。

后续此方面的讨论将从轨道出舱人服作业力量向星球外表行走及操作力量拓展，开展服装质心、压力、结构特性等对人运动操作敏捷性、舒适性、疲惫以及运动时服装对人体损伤影响等讨论。如NASA借助水下、荒漠、失重飞机等地面模拟环境，对将来载人登月等任务可能的任务(走、跪、爬等)开展功能活动性测试，建立各个关节面对任务的功能活动性要求，并对出舱活动中手和前臂的肌肉疲惫进行了讨论，探究上肢关节角度和肌肉疲惫的关系等

3.2航天器人机界面与人机交互

航天器人机界面是航天员监视、操纵航天器完成任务的重要接口和途径，其设计的优劣直接影响操作绩效及任务胜利。当前航天任务的冗杂度和航天器的自动化水平不断增加，对人机界面设计与评估技术面临更多的挑战。在此领域包括以下讨论重点:

3.2.1航天器人工掌握工效

主要指航天员对航天器进行交会对接、对地定向、起飞或着陆等操作，是一个典型的人在回路动态精细操控任务，涉及到图像显示、掌握手柄、飞船掌握特性等的航天人因工程关键问题，美俄等国早在60年月就开展大量的讨论，我国也在神九、神十任务中针对飞船手控交会对接任务关键认知特性、对接系统的靶标、操作手柄以及飞船掌握特性等相关工效设计开展大量讨论，优化了靶标设计方案、多参数多自由度图形显示页面设计以及手控交会对接综合评估模型等，确保我国首次手控交会对接任务的胜利。当前NASA将人工掌握的讨论重点放在将来登月及火星等星球外表探测航天器的人工掌握上，针对飞船在上升及着陆中操作掌握界面开展情景意识、操控品质以及振动对操作工效影响等相关问题讨论，该结果对指导星座打算中猎户座飞船的研制起到重要的支持作用。

3.2.2星球外表出舱活动任务

无论近地轨道飞行还是将来的登月、登火星等，舱外操作任务必不行少，其人机界面设计必需与航天员着舱外服后操作力量相匹配，这也是舱外人机界面设计与评价的重点。美俄等国在轨道出舱相关讨论上已经取得大量成果，在舱外作业区空间布局、操作力、舱外工具等形成了较为成熟的技术和规范，我国借助神七出舱活动任务和空间站任务，建立了出舱活动人机界面工效设计要求、地面和水下的工效评价技术。当前NASA将舱外人机界面的讨论重点放在星球外表舱外活动人因问题进行讨论，构建了荒漠、水下等模拟环境下讨论与测评技术，对航天员-舱外服-星球探测车系统开展布局及界面设计开展分析与评估。

3.3航天人误与人因牢靠性

随着载人航天系统及任务冗杂性不断提高，航天员在任务回路中的参加度不断增添，人的失误引发航天异样、故障和事故的问题日益凸显，使得各国航天机构渐渐意识到人的失误(下文简称人误)可能导致系统牢靠性降低、甚至飞行任务失败、人员伤亡和经济损失。载人航天领域人误与人因牢靠性讨论的进展经受了两种模式，一种是以成熟的人误与人因牢靠性分析方法为基础，结合载人航天的特点，进行适用化改良。另一方面，是开发针对性的人误管理工具。NASA目前将人因牢靠性和人误分析纳为NASA总部的平安与任务保证办公室工作的重要组成部分，对人误与人因牢靠性的关注已逐步上升到战略层次。结合认知科学与人因牢靠性的最新进展，讨论航天飞行因素对人误的影响，深化讨论人误机制与机理，瞄准长期飞行开展人误预报技术，人因牢靠性改善与提高方法，从而确保航天员-航天器系统的牢靠性与平安性。

3.4人-系统整合设计与评估

3.4.1以人为中心设计的理念HCDP(Human-CenteredDesignPhilosophy)

NASA在几十年的载人航天历程中，不断提升对人的因素的重视程度。NASA不仅提出“把人作为一个系统”HAAS(Human-As-A-System)设计模型，而且在技术标准和程序层面建立了人-系统整合设计要求(NASA-STD3001等)，其中特殊强调“以人为中心的设计”理念，要求全部载人系统的研发在全周期范围内必需充分考虑人的特性。HCDP有三个突出特点即要求用户方早期参加及不断参加设计、进行性能评估、以及开展迭代式设计(设计-测试-再设计模式)。其过程至少应包括以下几个方面:a.操作概念和任务场景建立;b.任务分析;c.人-机功能安排;d.人员角色和职责安排;e.迭代式概念设计和原型系统构建;f.试验测试与验证(包括人在回路测试、基于模型的人-系统性能评估等);g.人-系统性能在轨检测。

3.4.2应激与作业负荷

作业负荷的评估是保证人-系统设计、人的工作合理安排的重要基础。航天员长期在轨飞行面临失重、昼夜节律改变等环境应激，以及繁重的工作等工作应激。这种环境与工作的综合应激，导致航天员在轨作业负荷与地面相比存在较大的差异。NASA针对航天员脑力负荷的分析与评估，很早就开展了相关讨论，包括逐步建立脑力负荷评价标准，NASA通过讨论分析制定的负荷量表NASA-TLX，已广泛应用于在轨飞行任务和地面诸如汽车、飞机驾驶等讨论的脑力负荷评价中。我国航天员中心应用客观绩效、主观问卷、生理参数三种手段结合的`方法对脑力负荷进行综合评估，利用脑电和功能性近红外(fNIRS)进行脑力负荷评估;针对单一任务(N-back)及手动追踪任务、组合任务(MATB)均有显著的难度相关性，并且可以利用fNIRS的特征实现较高的非跨任务非跨时间的分类精度;利用fNIRS对模拟交会对接任务进行任务特性分解讨论，得出模拟任务中分析、掌握、时间压力三个脑力负荷影响特征。

4我国航天人因工程进展建议

长期空间飞行和载人深空探测是国际航天将来的主要任务，这些任务在给人因工程讨论带来重大机遇的同时也带来更多的挑战，包括月球、火星探测等变重力环境下人的力量与绩效、星球外表舱外活动、人机器人团队协作、航天人误预防和人因牢靠性等必需解决的难题。目前我国空间站研制处于初样研制的关键阶段，后续任务也在酝酿之中。如何确保将我国的空间站真正打造成为航天员平安、牢靠、舒适的太空之家?如何确保航天员在每次航天任务中充分发挥独特作用以使系统获得最大效益?充分借鉴国外阅历，切实重视并推动我国航天人因工程讨论和应用不仅非常迫切更具有长远意义。特殊应在以下几个薄弱环节做出努力:

4.1理念与熟悉

经过近20