航天器人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工效學(xué)要求與評(píng)價(jià)技術(shù)研究及實(shí)踐

黃偉芬，田志強(qiáng)，王春慧

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

航天器人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工效學(xué)要求與評(píng)價(jià)技術(shù)研究及實(shí)踐

黃偉芬，田志強(qiáng)，王春慧

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

從人-系統(tǒng)整合的角度分析提出了工效學(xué)要求指標(biāo)體系，通過試驗(yàn)研究確定了工效學(xué)要求，基于小樣本理論和可靠性試驗(yàn)方法建立了復(fù)雜人控回路工效學(xué)評(píng)價(jià)方法。對(duì)人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)開展了系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，重點(diǎn)評(píng)估了航天器顯控系統(tǒng)與人的能力匹配性；結(jié)合神舟八號(hào)與天空一號(hào)自動(dòng)對(duì)接過程中下傳的電視圖像分析確定了人控交會(huì)對(duì)接適宜的光照環(huán)境；通過神舟九號(hào)和神舟十號(hào)載人航天飛行任務(wù)中人控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，驗(yàn)證了工效學(xué)要求的合理性和工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。最后提出了我國(guó)空間站任務(wù)階段航天器人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工效學(xué)研究的重點(diǎn)。

航天器；交會(huì)對(duì)接；人工控制；工效學(xué)；評(píng)價(jià)技術(shù)

1 引言

交會(huì)對(duì)接技術(shù)與載人天地往返、出艙活動(dòng)并稱載人航天的三大基本技術(shù)［1］，是載人航天發(fā)展過程中解決空間站組裝、乘員輪換、貨物補(bǔ)給、載人登月的先決條件，幾乎在所有的載人航天任務(wù)中都要使用［2］。

自20世紀(jì)60年代以來，美、俄共進(jìn)行了300多次的空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)［1，3］。美、俄交會(huì)對(duì)接任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)表明，人控交會(huì)對(duì)接是自動(dòng)控制失效時(shí)保障任務(wù)順利完成的有力輔助手段。美國(guó)在“阿波羅”、天空實(shí)驗(yàn)室、航天飛機(jī)、空間站、“獵戶座”飛船等各項(xiàng)載人航天計(jì)劃中不斷改進(jìn)和完善交會(huì)對(duì)接技術(shù)［3-6］。與自動(dòng)控制相比，人工控制有了航天員的參與，更能靈活應(yīng)變解決緊急、復(fù)雜的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)提高了交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功的概率［7］。因此，人控交會(huì)對(duì)接過程中追蹤航天器的控制特性，顯示、控制界面的工效設(shè)計(jì)水平，以及顯控系統(tǒng)整合與人的能力匹配性將很大程度上決定了人控交會(huì)對(duì)接操作的精度和成敗。工效學(xué)要求作為工程設(shè)計(jì)的輸入條件，與工效學(xué)迭代評(píng)價(jià)是確保航天器人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)信息顯示清晰準(zhǔn)確、操控系統(tǒng)可控、任務(wù)設(shè)計(jì)合理、負(fù)荷適宜的重要手段。

2 工效學(xué)要求體系

人控交會(huì)對(duì)接過程中，追蹤航天器的儀表系統(tǒng)為航天員呈現(xiàn)艙外攝像機(jī)拍攝到的目標(biāo)航天器圖像，航天員根據(jù)識(shí)別的目標(biāo)航天器的位置和姿態(tài)映像到追蹤航天器的位姿偏差，并利用控制手柄消除之。追蹤航天器動(dòng)力系統(tǒng)響應(yīng)手柄信號(hào)，觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，追蹤航天器的空間位置和姿態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而間接引起顯示器上目標(biāo)航天器的圖像變化。在此過程中航天員需要不斷觀察儀表系統(tǒng)顯示的圖像、圖形和數(shù)值信息并做出判斷，而后操控追蹤航天器逐步接近目標(biāo)航天器，確保兩個(gè)航天器間相對(duì)位姿、相對(duì)速度在對(duì)接的允許條件范圍之內(nèi)。這樣，人控交會(huì)對(duì)接構(gòu)成了一個(gè)典型的“人在回路（human-in-the-loop）”的復(fù)雜控制過程，如圖1所示。

圖1 人控交會(huì)對(duì)接控制回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of control loop in MCRVD

在航天員-航天器-空間環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)中，人機(jī)界面設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致航天員操作失誤，進(jìn)而影響到任務(wù)的成敗，因此，為確保航天員安全、高效地完成人控交會(huì)對(duì)接任務(wù)，追蹤航天器人控交會(huì)對(duì)接顯控界面應(yīng)既滿足航天員判讀、控制能力要求，也應(yīng)使航天員的工作負(fù)荷適宜。按照系統(tǒng)論的思想，需要從人-系統(tǒng)整合的角度出發(fā)，“以航天員為中心”分析人控交會(huì)對(duì)接過程中涉及的工效學(xué)問題。結(jié)合國(guó)外人控交會(huì)對(duì)接工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)載人航天器工程設(shè)計(jì)的實(shí)際，梳理出由人控交會(huì)對(duì)接顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、航天員構(gòu)成的“人控回路”中的工效學(xué)要素，如圖2所示。

圖2 人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的工效學(xué)要素Fig.2 Ergonomics elements of engineering design in MCRVD system

2.1 顯示系統(tǒng)

1）對(duì)接靶標(biāo)

安裝在目標(biāo)航天器上的對(duì)接靶標(biāo)是航天員進(jìn)行兩航天器相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)關(guān)系判讀的主要依據(jù)之一。對(duì)接靶標(biāo)的大小、顏色、亮度、靶標(biāo)底盤的光反射系數(shù)、突出的十字架長(zhǎng)度及其與靶標(biāo)底盤刻線間的投影關(guān)系、對(duì)接靶標(biāo)在圖像顯示頁面上的大小、清晰度等等都非常重要。兩種可能的靶標(biāo)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2）圖像疊加標(biāo)尺

圖像顯示頁面上需要疊加輔助判讀的標(biāo)尺，它與對(duì)接靶標(biāo)一起構(gòu)成了兩航天器空間關(guān)系的幾何映射。標(biāo)尺的顏色、亮度、刻線粗細(xì)、刻線間距、刻度等級(jí)，及其與目標(biāo)航天器圖像在顯示頁面上的前后位置關(guān)系等要素都關(guān)系到航天員判讀的精度。

3）頁面顯示內(nèi)容

圖3 人控交會(huì)對(duì)接的靶標(biāo)設(shè)計(jì)Fig.3 Cross drone image design of MCRVD

航天員在觀察電視圖像的同時(shí)，還需要關(guān)注兩飛行器的相對(duì)距離、相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置、燃料消耗、對(duì)接時(shí)間、對(duì)接機(jī)構(gòu)狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，考慮到顯示器頁面大小，有些信息是無法全部顯示的，能夠顯示的內(nèi)容以及這些信息的顏色、大小、對(duì)比度、字體、數(shù)字精度等需要工效學(xué)專家與工程師一起分析確定。

4）頁面信息布局

確定了頁面顯示內(nèi)容后，文字、字符、數(shù)字、圖像等信息如何在有效的空間里合理布局（如圖4），確保航天員快速準(zhǔn)確的識(shí)別，應(yīng)該從人的認(rèn)知特性出發(fā)加以解決。

5）圖形化顯示方式

目標(biāo)航天器電視圖像是在兩飛行器相距較

圖4 人控交會(huì)對(duì)接圖像信息顯示方案之一Fig.4 One display plan of graphic information in MCRVD

近，可以目視觀察的條件下為航天員提供的一種信息顯示方式。當(dāng)兩飛行器相距較遠(yuǎn)，還需要靠雷達(dá)或衛(wèi)星提供相對(duì)位置和姿態(tài)信息時(shí)，需要以圖形化的顯示方式直觀地為航天員提供參考信息。追蹤航天器位置和姿態(tài)的6自由度信息如何約束在一個(gè)圖形中合理表達(dá)，圖形的大小、顏色、亮度、刻度形式、位姿象形物形式及相關(guān)信息的頁面布局等設(shè)計(jì)難度很大。如圖5所示。

2.2 控制系統(tǒng)

1）控制手柄極性

平移和姿態(tài)兩個(gè)控制手柄輸出電信號(hào)，觸發(fā)追蹤航天器的動(dòng)力系統(tǒng)點(diǎn)火，繼而引起飛船的位置和姿態(tài)改變。位置信息包括：前后、上下、左右3個(gè)自由度；姿態(tài)信息包括：滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航3個(gè)自由度?？刂剖直O(shè)計(jì)的形式、安裝方式、控制極性-追蹤航天器動(dòng)作的物理意義-航天員認(rèn)知的一致性，會(huì)影響到航天員的操作效率。不合理的設(shè)計(jì)將會(huì)導(dǎo)致航天員工作負(fù)荷的大大增加，緊急狀態(tài)下導(dǎo)致誤操作。

圖5 飛船多自由度圖形化信息顯示示意圖Fig.5 Schematic diagram of multi-degree graphic information display in spacecraft

2）控制手柄特性

控制手柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、手柄轉(zhuǎn)動(dòng)桿長(zhǎng)度、死區(qū)（間隙）大小、限位設(shè)計(jì)、回位設(shè)計(jì)、信號(hào)輸出、手柄頭形狀/尺寸、操作力特性等手柄自身特性也是工程設(shè)計(jì)需要考慮的工效學(xué)要素。

3）控制手柄布局

平移和姿態(tài)控制手柄的安裝位置與顯示頁面中有關(guān)平移和姿態(tài)的信息布局是密切關(guān)聯(lián)的，控制手柄頭是否落在人的最舒適操控范圍內(nèi)、控制手柄與其他控制器的空間干涉也需要同步考慮。

4）系統(tǒng)控制延遲

系統(tǒng)控制延遲指從控制手柄輸出信號(hào)到電視圖像中的目標(biāo)航天器發(fā)生變化的周期。這個(gè)延遲周期與發(fā)動(dòng)機(jī)的安置位置、動(dòng)力系統(tǒng)響應(yīng)特性、圖像信息傳輸速率等都有關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)延遲過大將會(huì)給航天員帶來錯(cuò)覺，使得控制輸入與輸出失調(diào)。

5）系統(tǒng)控制增益

系統(tǒng)控制增益與航天器動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性有關(guān)。平移手柄和姿態(tài)手柄的單點(diǎn)脈沖周期、持續(xù)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)輸出對(duì)于交會(huì)對(duì)接不同控制階段的要求是不盡相同的。手柄的信號(hào)輸出量對(duì)人的控制能力的影響反映在近距離下的控制精度要求更高。

2.3 航天員能力

1）精細(xì)判讀能力

對(duì)接靶標(biāo)圖像、多自由度圖形信息顯示內(nèi)容、顯示方式以及數(shù)值顯示精度、刷新頻率要與航天員的判讀能力相匹配。顯示內(nèi)容不全給航天員帶來信息的缺失，顯示內(nèi)容過多給航天員帶來信息搜索方面的負(fù)荷。

2）精細(xì)控制能力

人控交會(huì)對(duì)接最基本的特征是航天員通過控制平移和姿態(tài)手柄實(shí)現(xiàn)兩個(gè)飛行器的交會(huì)對(duì)接，對(duì)接過程中航天員的精細(xì)控制能力與追蹤航天器的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。人控交會(huì)對(duì)接時(shí)兩個(gè)航天器的初始位姿偏差、系統(tǒng)控制延遲、控制增益要與人的基本控制能力相匹配。

3）控制策略

自控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)有一套程序化的控制方式以確保兩個(gè)航天器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接。人控交會(huì)對(duì)接在遵循基本的控制原則基礎(chǔ)上，航天員會(huì)依據(jù)自身的控制習(xí)慣、控制能力建立獨(dú)特的控制方法［8］。選取能反映控制策略優(yōu)劣的作業(yè)績(jī)效指標(biāo)，尋找最佳控制策略，對(duì)于降低對(duì)接過程中的不合理動(dòng)作、降低燃料消耗和對(duì)接時(shí)間、提高對(duì)接精度大有裨益。

2.4 其它要素

人控交會(huì)對(duì)接是一個(gè)強(qiáng)度較大的腦力活動(dòng)。工作負(fù)荷的大小不但受任務(wù)難度高低的影響，同時(shí)航天員的操作能力、信息顯示的合理性，控制策略的合理性、飛行器的控制特性與航天員的操作能力匹配性等因素也同時(shí)起作用。因此，篩選和建立與工作負(fù)荷相關(guān)性高的績(jī)效指標(biāo)和測(cè)試方法非常重要［9-11］。

2.5 工效學(xué)要求實(shí)驗(yàn)研究

人控交會(huì)對(duì)接顯示、控制系統(tǒng)工效學(xué)要求是工程設(shè)計(jì)的依據(jù)和約束條件。中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心（以下簡(jiǎn)稱航天員中心）利用MC-1交會(huì)對(duì)接訓(xùn)練模擬器、人控交會(huì)對(duì)接原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、人控交會(huì)對(duì)接工效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)上述工效學(xué)問題開展了近7500余人次的實(shí)驗(yàn)研究，取得了豐碩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［12-18］。例如，針對(duì)航天員手動(dòng)控制與信息顯示心理相容性問題，從績(jī)效和認(rèn)知兩個(gè)層面揭示了手柄控制極性與圖像信息反饋的認(rèn)知一致性映射關(guān)系，提出了追蹤航天器人控交會(huì)對(duì)接的手柄控制極性定義，該極性定義可將多自由度控制的同時(shí)性提高60%～76%，有效地避免應(yīng)急狀態(tài)下操作失誤；還有工效學(xué)設(shè)計(jì)的對(duì)接靶標(biāo)有效地將姿態(tài)對(duì)接精度在±2°以內(nèi)的比例提高24%，平移對(duì)接精度在±5 cm內(nèi)的比例提高12%。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果提煉出來的工效學(xué)要求中，涉及顯示系統(tǒng)的工效學(xué)要求63項(xiàng)，量化指標(biāo)率達(dá)到42%，涉及控制系統(tǒng)的工效學(xué)要求48項(xiàng)，量化指標(biāo)率達(dá)到61%，這些量化的工效學(xué)指標(biāo)既是約束工程設(shè)計(jì)的要素，也是開展工效學(xué)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

3 評(píng)價(jià)技術(shù)

3.1 單機(jī)產(chǎn)品的工效學(xué)評(píng)價(jià)方法

圖6 人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工效學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)體系Fig.6 Ergonomic evaluation technology structure of MCRVD system

針對(duì)載人航天器工程研制的工效學(xué)評(píng)價(jià)方法包括單機(jī)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，如圖6所示。對(duì)接靶標(biāo)、艙外攝像機(jī)安裝位置、圖像信息顯示內(nèi)容、圖形化顯示方式、控制手柄（力學(xué)特性、安裝位置、極性定義）、追蹤飛行器控制特性等屬于人控交會(huì)對(duì)接顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)中的單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。經(jīng)過載人航天工程的驗(yàn)證，以下四種工效學(xué)評(píng)價(jià)方法可以解決人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)中單機(jī)設(shè)備的可視、可達(dá)、可懂、可控的基本要求：

1）調(diào)查法：在方案設(shè)計(jì)階段，采用訪談、討論、問卷調(diào)查等方法收集被調(diào)查者（如航天員、航天員教員、工效學(xué)專家、工程人員等）對(duì)單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的工效學(xué)問題的主觀感受和意見建議。

2）物理測(cè)試法：在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備、測(cè)試流程對(duì)工程產(chǎn)品的工效學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果給出工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論。

3）仿真分析法：借助虛擬人、虛擬人機(jī)系統(tǒng)對(duì)作業(yè)空間、作業(yè)過程進(jìn)行仿真分析，建立低保真度原型仿真模型，把航天員空間活動(dòng)以三維的形式展示出來，以驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)方案的合理性。

4）受試者主觀評(píng)價(jià)法：記錄典型用戶對(duì)單機(jī)產(chǎn)品人機(jī)界面、操作時(shí)序、操作方式等體驗(yàn)后的主觀感受評(píng)價(jià)問卷，確定單機(jī)產(chǎn)品的工效學(xué)設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 復(fù)雜人控回路系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)方法

前面四種評(píng)價(jià)方法都相對(duì)比較成熟，可以有效支持相關(guān)單機(jī)項(xiàng)目評(píng)價(jià)的開展，但是對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的需要采用“人在回路”評(píng)價(jià)方法的項(xiàng)目，需要重點(diǎn)解決兩個(gè)方面的難題：

1）回路中人的操作能力影響評(píng)價(jià)結(jié)果：對(duì)于有人參與的顯控回路，在進(jìn)行人機(jī)界面評(píng)價(jià)中一個(gè)難點(diǎn)是如何剝離人與系統(tǒng)間的互相影響。由于航天員與航天器之間構(gòu)成了一個(gè)整體，航天器設(shè)計(jì)的不足有可能被評(píng)價(jià)者的能力所掩蔽，也有可能由于評(píng)價(jià)者的能力不足而放大，二者互相鉸鏈不易拆分。因此建立人的操作績(jī)效綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)參與評(píng)價(jià)的系統(tǒng)中的人的操作能力和績(jī)效進(jìn)行量化分析和評(píng)估是開展手控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)級(jí)工效評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

2）評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和技術(shù)狀態(tài)約束影響評(píng)價(jià)結(jié)果：工程研制不同于實(shí)驗(yàn)研究，有進(jìn)度的時(shí)間要求。由于評(píng)價(jià)試驗(yàn)的周期約束，采用大樣本、多重復(fù)次數(shù)的評(píng)價(jià)模式受到制約，需要對(duì)受試者的數(shù)量和試驗(yàn)次數(shù)科學(xué)裁剪，包括測(cè)試用例（任務(wù)難度）、測(cè)試樣本量的設(shè)計(jì)。為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性，評(píng)價(jià)試驗(yàn)中試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)狀態(tài)要與真實(shí)任務(wù)保持一致。

針對(duì)這兩個(gè)難題，航天員中心開展了一系列的實(shí)驗(yàn)，提出了復(fù)雜人控回路中人的操控績(jī)效綜合評(píng)價(jià)模型和基于小子樣數(shù)據(jù)分析理論的“人在回路”工效學(xué)評(píng)價(jià)方法。

3.2.1 研究建立綜合績(jī)效指標(biāo)體系

606例育齡期死亡婦女隨年齡升高死亡占有率逐漸升高，且45～50歲育齡期死亡婦女占有率最高。詳見表1。

人控交會(huì)對(duì)接顯控回路由航天員、顯示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)中各部分的相互匹配程度決定了對(duì)接任務(wù)的操作績(jī)效，很難用單一成功率指標(biāo)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，在眾多的指標(biāo)中篩選反映操作績(jī)效的指標(biāo)的方法亟待建立［19-20］。

首先通過對(duì)多因素、多水平交叉試驗(yàn)狀態(tài)下操作者績(jī)效指標(biāo)的變化規(guī)律、相關(guān)性、一致性等特性分析對(duì)指標(biāo)進(jìn)行初步篩選。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，人控交會(huì)對(duì)接的績(jī)效指標(biāo)有明顯的階段性特征。依據(jù)此特征可將整個(gè)人控交會(huì)對(duì)接過程劃分為遠(yuǎn)距離的追蹤控制段（平移靠攏段停泊點(diǎn)～20 m）、近距離的精確控制段（20 m～0 m）和對(duì)接時(shí)刻，三階段內(nèi)的績(jī)效指標(biāo)的敏感程度不同［14-15］。

其次采用因子分析法（Factor Analysis）［21-22］對(duì)人控交會(huì)對(duì)接過程不同階段下績(jī)效指標(biāo)（包括成功率、控制時(shí)間、燃料消耗、累計(jì)偏差、平均偏差、平均速度、最大速度和進(jìn)入對(duì)接準(zhǔn)入條件的距離等）進(jìn)行聚類篩選，確定敏感指標(biāo)。最后采用熵值法根據(jù)各級(jí)指標(biāo)的物理意義和差異程度，確定賦權(quán)值并建立了綜合績(jī)效評(píng)價(jià)模型［23-25］，包含三個(gè)層面的指標(biāo)：對(duì)接過程控制指標(biāo)、對(duì)接時(shí)刻精度指標(biāo)和對(duì)接結(jié)果指標(biāo)，分別反映了人控交會(huì)對(duì)接過程以及結(jié)果的優(yōu)劣程度，如圖7所示。

圖7 人控交會(huì)對(duì)接綜合績(jī)效評(píng)價(jià)模型Fig.7 Synthetical performance evaluation model of MCRVD

該模型利用客觀指標(biāo)的規(guī)律和特性來賦權(quán)重，克服了傳統(tǒng)專家打分評(píng)價(jià)方法的主觀性和不穩(wěn)定性。為了對(duì)指標(biāo)體系和模型進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了不同難度、不同類型的對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，用于驗(yàn)證指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型的效度和信度［15］。驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果證明了人控交會(huì)對(duì)接復(fù)雜人控回路綜合績(jī)效評(píng)價(jià)模型的有效性。

3.2.2 研究建立評(píng)價(jià)方法

面向工程設(shè)計(jì)的工效學(xué)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)之一就是受試者、評(píng)價(jià)時(shí)間和試驗(yàn)次數(shù)的約束性強(qiáng)。人控交會(huì)對(duì)接中航天員-航天器-航天環(huán)境三者之間互相影響、互相滲透，操作任務(wù)難度大小、受試者的能力水平、受試者操作次數(shù)等均是影響操作績(jī)效高低和穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素。

1）測(cè)試用例設(shè)計(jì)

我國(guó)交會(huì)對(duì)接任務(wù)的執(zhí)行模式是首選自控對(duì)接，在自控系統(tǒng)故障的情況下具備航天員實(shí)施人控交會(huì)對(duì)接的能力。這種任務(wù)模式?jīng)Q定了自控轉(zhuǎn)人控時(shí)的初始條件不是唯一的。不同的距離、不同的位置和姿態(tài)偏差量、不同的初始速度、不同的太陽光照條件等因素的組合，會(huì)造成航天員觀察的目標(biāo)航天器圖像所呈現(xiàn)的位置、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、可識(shí)別條件各不相同。這對(duì)人工控制而言就形成了不同的任務(wù)難度。根據(jù)工效學(xué)要求實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)際，摸索、篩選、確定了3類任務(wù)難度、10種測(cè)試用例。這些測(cè)試用例綜合考慮了上述影響因素，基本覆蓋了在軌飛行可能出現(xiàn)的各種工況，且保證自控轉(zhuǎn)人控交會(huì)對(duì)接的初始條件在人的控制能力范圍之內(nèi)。

由于測(cè)試的樣本量與測(cè)試的時(shí)間成正比，放大測(cè)試次數(shù)量固然可以取得更理想、更穩(wěn)定的結(jié)果，但是帶來的時(shí)間和費(fèi)用都會(huì)大幅提高，需要在參試人數(shù)和操作次數(shù)之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。從小子樣數(shù)據(jù)分析理論入手［26-27］，基于成功率不低于95%的標(biāo)準(zhǔn)，采用試差法，在95%的置信區(qū)間內(nèi)確定了測(cè)試人數(shù)不小于6人即可滿足測(cè)試樣本量檢驗(yàn)抽樣的相對(duì)誤差不大于5%的要求，即完成上述95%任務(wù)成功率基線的實(shí)驗(yàn)召集6位受試者即可保證分析結(jié)果有效性，如表1所示。在確定了測(cè)試所需最少人數(shù)之后，另外一個(gè)重點(diǎn)就是選擇合適的試驗(yàn)次數(shù)。研究者借鑒了GB5080.5中的“截尾序貫試驗(yàn)法”［28］，來驗(yàn)證人在復(fù)雜系統(tǒng)中完成任務(wù)成功率是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的成功率水平，提出了在約定的95%成功率下，不同任務(wù)難度、不同失敗數(shù)的最小測(cè)試樣本量方案，如表2。

表1 “試差法”求解最小受試者人數(shù)結(jié)果Table 1 The result of minimum number of subjects calculated by trial and error method

表2 180次操作截尾序貫試驗(yàn)失誤數(shù)推算結(jié)果Table 2 The calculating result of operating errors with urine sediment test in 180 trials

3）受試者選拔培訓(xùn)

確定了測(cè)試用例難度和測(cè)試樣本數(shù)量，最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要選拔培訓(xùn)合格的受試者群體。預(yù)選受試者經(jīng)過交會(huì)對(duì)接理論培訓(xùn)、控制能力初選、強(qiáng)化訓(xùn)練后，根據(jù)之前建立的綜合績(jī)效評(píng)價(jià)模型篩選出部分預(yù)選受試者進(jìn)行最后的考核測(cè)試，測(cè)試中要求任何考核用例下均能夠在限定的對(duì)接時(shí)間、燃料消耗下1次對(duì)接成功，同時(shí)對(duì)接過程追蹤航天器各自由度控制穩(wěn)定，控制策略運(yùn)用合理。如此，經(jīng)過近百次培訓(xùn)練習(xí)和幾輪篩選，選拔出的受試者技能水平接近于航天員，且彼此之間個(gè)體差異小。

4 評(píng)價(jià)實(shí)踐

人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論是首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)載人航天器出廠放行的條件之一。在工程研制的方案階段，根據(jù)工效學(xué)要求研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，航天員中心對(duì)工程方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，提出工效學(xué)改進(jìn)建議；初樣階段，依據(jù)工效學(xué)要求，航天員中心對(duì)人控交會(huì)對(duì)接工程設(shè)計(jì)的單機(jī)級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)存在問題的項(xiàng)目提出具體的改進(jìn)措施；在部件級(jí)產(chǎn)品評(píng)價(jià)合格的基礎(chǔ)上，正樣階段，航天員中心對(duì)人控交會(huì)對(duì)接人控回路開展系統(tǒng)級(jí)工效學(xué)評(píng)價(jià)。從工程方案設(shè)計(jì)開始，借助不同的試驗(yàn)平臺(tái)［29-31］（如圖8），緊貼工程迭代開展5大類86項(xiàng)工效學(xué)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)工程設(shè)計(jì)中的工效學(xué)問題?？紤]到地面評(píng)價(jià)平臺(tái)不能完全模擬在軌飛行的光環(huán)境，在地面評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用無人飛行試驗(yàn)迭代驗(yàn)證地面評(píng)價(jià)的結(jié)果。如此，各階段、各試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的評(píng)價(jià)，從系統(tǒng)層面解決了工程設(shè)計(jì)中的工效學(xué)問題，確保航天員-航天器-航天環(huán)境三者構(gòu)成的人控回路安全、協(xié)同、高效。

4.1 “人控回路”地面狀態(tài)的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果

2011年7月利用載人航天器人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)，開展了人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)人控回路的工效學(xué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。利用建立的復(fù)雜人控回路工效學(xué)評(píng)價(jià)方法，從航天員中心選拔了6名合格的受試者，確定了3種任務(wù)難度、10個(gè)覆蓋自控轉(zhuǎn)手控的典型初始狀態(tài)測(cè)試用例、180人次評(píng)價(jià)試驗(yàn)次數(shù)的試驗(yàn)方案，固化了評(píng)價(jià)對(duì)象的技術(shù)狀態(tài)。

1）對(duì)接操作客觀指標(biāo)結(jié)果

受試者實(shí)施的180人次評(píng)價(jià)試驗(yàn)均1次對(duì)接成功，受試者在各個(gè)難度水平上的對(duì)接時(shí)間和燃料消耗滿足單次對(duì)接成功的標(biāo)準(zhǔn)?；谠u(píng)價(jià)對(duì)象技術(shù)狀態(tài)和任務(wù)難度，航天員中心給出了3種任務(wù)模式下完成人控交會(huì)對(duì)接的成功率均不低于95%的結(jié)論，滿足“任務(wù)成功率≥95%”的“合格”判據(jù)。這表明自控轉(zhuǎn)手控任務(wù)難度水平，追蹤航天器控制系統(tǒng)與人的操作能力匹配，人控交會(huì)對(duì)接顯示系統(tǒng)人機(jī)界面綜合性能滿足工效學(xué)要求。

2）受試者主觀問卷結(jié)果

受試者操作體驗(yàn)問卷調(diào)查的結(jié)果表明：地面視景仿真條件下，陽照區(qū)和陰影區(qū)均可以完成人控交會(huì)對(duì)接操作。陰影區(qū)對(duì)接對(duì)遠(yuǎn)距離下辨識(shí)目標(biāo)航天器和識(shí)別靶標(biāo)稍有影響，增加了人控對(duì)接操作的難度。此外6名受試者的工作負(fù)荷量表數(shù)據(jù)也表明人控交會(huì)對(duì)接任務(wù)的工作負(fù)荷水平適宜。

4.2 自控交會(huì)對(duì)接下傳電視圖像分析驗(yàn)證

在人控交會(huì)對(duì)接過程中，航天員對(duì)目標(biāo)航天器的觀測(cè)將直接受太陽光照反射強(qiáng)度的影響。空間交會(huì)對(duì)接必須在滿足太陽光照條件的前提下進(jìn)行［32］。為了復(fù)核地面模型和視景仿真狀態(tài)下的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果，利用神舟八號(hào)與天宮一號(hào)自控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，驗(yàn)證了空間光環(huán)境對(duì)不同距離點(diǎn)目標(biāo)航天器及靶標(biāo)可辨識(shí)性的評(píng)價(jià)結(jié)果。2011 年11月通過對(duì)兩次自控對(duì)接過程下傳電視圖像的工效學(xué)分析（如圖9），航天員中心得出如下復(fù)核結(jié)論：在軌飛行時(shí)陽照區(qū)、陰影區(qū)內(nèi)執(zhí)行人控交會(huì)對(duì)接的電視圖像均能滿足航天員監(jiān)視、判讀的工效學(xué)要求；由于陽照區(qū)和陰影區(qū)過渡期間光影變化強(qiáng)烈，兩航天器的位姿偏差難以辨別，此階段不利于航天員執(zhí)行人控對(duì)接任務(wù)。

圖9 自控交會(huì)對(duì)接過程中目標(biāo)航天器的圖像Fig.9 Image of target spacecraft from TV cameraduring automatic RVD

4.3 人控交會(huì)對(duì)接在軌試驗(yàn)任務(wù)驗(yàn)證

2012年6月和2013年6月的兩次載人航天飛行任務(wù)中，陽照區(qū)內(nèi)航天員手動(dòng)控制追蹤航天器與天宮一號(hào)實(shí)施兩次交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，自120 m保持開始至對(duì)接完成，航天員執(zhí)行人控交會(huì)對(duì)接的操作過程穩(wěn)定、對(duì)接精準(zhǔn)、操作時(shí)間和燃料消耗在正常范圍，全面驗(yàn)證人控交會(huì)對(duì)接技術(shù)。航天員返回地面后反饋，對(duì)人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)人機(jī)界面工效學(xué)設(shè)計(jì)非常滿意，進(jìn)一步驗(yàn)證了工效學(xué)要求的合理性和工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。

5 結(jié)束語

通過試驗(yàn)研究，建立了復(fù)雜人控回路中人的操控績(jī)效綜合評(píng)價(jià)模型和基于小子樣數(shù)據(jù)分析理論的人在回路工效學(xué)評(píng)價(jià)方法，保障了人控交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，為人控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)任務(wù)的圓滿成功提供了保障，為空間站工程交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的工效學(xué)評(píng)價(jià)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前我國(guó)載人空間站工程已經(jīng)啟動(dòng)，空間站工程面臨新的交會(huì)對(duì)接工況［33-34］，如：追蹤航天器可能采取繞飛、R向?qū)?、遙操作控制等，這將帶來新的工效學(xué)問題。因此應(yīng)從人-系統(tǒng)整合的角度，重點(diǎn)圍繞工程新特點(diǎn)進(jìn)一步開展深入研究，有針對(duì)性地提出新的要求和評(píng)價(jià)方法，確保工程研制任務(wù)平穩(wěn)推進(jìn)。

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Tang Guojin，Zhou Jianyong，Zhang Bo，et al.A survey of

Research and Practice of Ergonomic Requirements and Evaluation Technology in Manually Controlled Rendezvous and Docking of Spacecrafts

HUANG Weifen，TIAN Zhiqiang，WANG Chunhui
（China Astronaut Research and Training Center，National Key laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China）

This paper analyzed the ergonomic requirements on the engineering design of Manually Controlled Rendezvous and Docking（MCRVD）system in spacecrafts from the human-system integration perspective.Based on small sample theory and reliability testing method，a scientific and effective evaluation method for complex human controlled loops was established.System-level evaluation experiment of the engineering design in MCRVD system was carried out to study the compatibility of human capability with the spacecraft display-control system.Proper illumination environment for MCRVD was determined by analyzing the video images of Shenzhou 8 and Tiangong 1 automatic RVD and the effectiveness of ergonomics requirements and evaluation results were confirmed by two MCRVD testing during Shenzhou 9 and Shenzhou 10 manned space missions.Finally，according to the structure characteristics of the Chinese space station，the research focus of the ergonomics in MCRVD technology during space station phase was proposed.

spacecraft；RVD；manual-control；ergonomics；evaluation technology

V423.4+1

A

1674-5825（2015）06-0535-09

2015-06-24；

2015-11-10

中國(guó)載人航天工程資助項(xiàng)目（HY100927）；中國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目（2012SY54A1705，2014SY54A001）

黃偉芬（1964-），女，碩士，研究員，中國(guó)載人航天工程航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師，研究方向?yàn)楹教烊艘蚬こ?。E-mail：hwf_2006 @sina.com