穿艙路徑對空間站內(nèi)航天員定向任務(wù)績效影響的仿真試驗研究

郭俊鵬，姜國華，劉玉慶，安 明，胡福超

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

穿艙路徑對空間站內(nèi)航天員定向任務(wù)績效影響的仿真試驗研究

郭俊鵬1，2，姜國華1，2，劉玉慶1，2，安 明1，2，胡福超1

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

航天員在空間站內(nèi)的不同艙段間穿行時常常會遇到失定向的問題。為了探究不同穿艙路徑對航天員完成定向任務(wù)的影響，建立了多艙段的空間站虛擬環(huán)境，并開展試驗，研究了不同穿艙路徑中完成定向任務(wù)績效的差異。結(jié)果表明：定向任務(wù)的績效在不同種類的穿艙路徑間具有顯著差異，失重條件下運動方式的變化會造成定向任務(wù)績效的下降。研究結(jié)果可以為航天員空間站內(nèi)定向訓(xùn)練和空間站內(nèi)導(dǎo)航輔助標識的設(shè)計提供參考。

空間站；虛擬仿真環(huán)境；空間定向；路徑構(gòu)型

1 引言

按照載人航天“三步走”的戰(zhàn)略，我國未來將要建成長期有人照料的空間站［1?2］。與空間實驗室相比，空間站具有更多的艙段數(shù)和更大的內(nèi)部空間。當航天員在不同艙段間穿行時，由于重力的缺失和空間站的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，航天員往往難以形成對空間站多個艙段間方位關(guān)系的整體認知，從而難以做出正確的定向判斷［3］。國外空間站運營的經(jīng)驗表明，航天員在空間站中的定向能力是關(guān)系到其日常工作效率以及緊急狀況下空間站和航天員安全的重要技能［4?5］，因此對航天員在空間站內(nèi)定向任務(wù)的特點進行研究，開展飛行前的航天員空間站內(nèi)定向訓(xùn)練是十分必要的。

失重環(huán)境中，航天員無法依賴前庭覺和本體覺確定豎直方位，只能依賴艙內(nèi)環(huán)境中的視覺線索來進行“上”、“下”的區(qū)分［6］，因此空間站的每一艙段通常都采用在各個艙壁上設(shè)置不同的視覺線索的方法來人為地建立艙段的局部視覺正向，幫助航天員形成天地方位感［7］。空間站各個艙段的局部視覺正向大部分都朝向同一方向，這一方向也定義了空間站的整體正向，但是由于空間站結(jié)構(gòu)的限制，仍會有部分艙段以局部視覺正向和空間站的整體正向不一致的方式連接，這使得航天員在不同艙段間穿行時可能面臨局部視覺正向的變化，從而使其定向判斷更加困難［8］。研究不同的穿艙路徑對航天員完成空間定向任務(wù)的影響，可以揭示失重環(huán)境中的空間定向特點，發(fā)現(xiàn)引起航天員定向困難的深層次原因，從而更有針對性地開展航天員飛行前的定向訓(xùn)練。

在地面上由于重力的限制，通常的實物訓(xùn)練模擬器難以模擬失重環(huán)境下空間站內(nèi)多身體朝向、多艙段間的定向任務(wù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)則為解決這一問題提供了良好的途徑［2，9?12］。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可建立仿真的空間站場景，模擬失重條件下只能依賴視覺線索進行定向判斷的特點，在地面環(huán)境中為航天員提供以多種身體朝向在空間站虛擬環(huán)境中漫游的體驗。本文基于建立的空間站虛擬環(huán)境，模擬航天員在不同艙段間穿行時的空間定向任務(wù)，進而通過試驗研究分析了穿艙路徑的變化對航天員空間站內(nèi)定向任務(wù)績效的影響。

2 空間站虛擬環(huán)境的建立與交互

為了能夠充分研究不同穿艙路徑對空間站內(nèi)定向任務(wù)的影響，本文建立的空間站虛擬模型由11個艙段組成，包括兩個核心艙、五個實驗艙、兩個節(jié)點艙、一個載人飛船和一個貨運飛船。各個艙段的內(nèi)部都具有豐富的視覺線索如圖1所示，航天員在艙內(nèi)可以依據(jù)這些視覺線索判斷出艙段的局部視覺正向。所建立的各艙段的名稱及構(gòu)型外觀如圖2所示，各個艙段旁的箭頭表示該艙段的局部視覺正向的方向。由于除了實驗艙IV和實驗艙V之外，其他各艙段都位于同一平面上，因此將該平面稱為空間站的主平面。

利用建立的虛擬環(huán)境，可以模擬第一人稱視角下的空間站內(nèi)穿艙過程。由于失重條件下人的運動不再被限制在二維平面上，而是可以進行包括俯仰、滾轉(zhuǎn)在內(nèi)的六個自由度運動，因此為了模擬失重條件下的這一運動特點，采用六自由度的三維鼠標作為在虛擬環(huán)境中漫游的交互方式，圖3即為三維鼠標及其對各個自由度上運動方式控制的示意圖。

3 穿艙試驗設(shè)計與實施

3.1受試者

試驗中共招募了16名男性受試者（25.6±1.6歲），均為具有工科背景的研究生，之前沒有過類似的空間站內(nèi)穿艙任務(wù)經(jīng)驗。

3.2試驗任務(wù)

本研究的主要目的是考察不同的穿艙路徑對受試者完成空間定向任務(wù)的影響，因此既需要受試者能夠完成在空間站虛擬環(huán)境中的穿艙過程，也需要設(shè)置合適的定向任務(wù)在穿艙過程結(jié)束后對受試者進行測試。穿艙過程中，受試者按照既定的路徑利用三維鼠標進行操控即可，由于虛擬空間站的多艙段構(gòu)型，每個節(jié)點艙處都連接有多個艙段，為避免受試者在穿艙過程中到達節(jié)點艙時無法自主確定下一個應(yīng)該進入的艙段，本試驗中為受試者提供了專門用于穿艙過程的路徑構(gòu)型，使受試者在節(jié)點艙處有且只有一個下一個能夠進入的艙段，即受試者到達節(jié)點艙后，除去剛剛經(jīng)過的艙段外，只能看到一個新的艙段的入口，而節(jié)點艙的其他艙門則處于關(guān)閉狀態(tài)，受試者無法通過。通過這種方式，受試者可以自主地唯一確定下一個應(yīng)該到達的艙段，而不必依賴外部的提示。按照這一思路選取的12種不同的穿艙路徑的構(gòu)型如表1所示，每一路徑構(gòu)型圖片旁的符號“S”表明該路徑中穿艙的起始艙段。該表不僅列出了用于穿艙的路徑構(gòu)型，還列出了每一路徑包含的艙段數(shù)以及受試者在穿行過程中運動的控制方式。

表1 試驗中選取的十二種穿艙路徑及其相關(guān)參數(shù)Table 1 Twelve route configurations used in experiment and their parameters

在穿艙過程結(jié)束以后，受試者依據(jù)屏幕上的提示信息進行空間定向任務(wù)測試。試驗設(shè)計了回指任務(wù)和路徑重構(gòu)任務(wù)作為對受試者定向判斷進行考察的任務(wù)?；刂溉蝿?wù)是指受試者在到達穿艙過程的終點后需要回指穿艙過程起始艙段的位置，指向的方式為以受試者為中心，將全部空間劃分為26個方向，這26個方向可以從水平和豎直兩個維度進行描述：即從水平方向的維度、沿順時針的順利來說，有“正前”、“右前45°”、“正右”、“右后45°”、“正后”、“左后45°”、“正左”、“左前45°”這八個方向；這八個方向上，每個方向從豎直方向的維度來說，又有“斜向上”、“水平”和“斜向下”三種情況，比如對水平維度上的“右前45°”這一方向來說，可以有“右前45°斜向上”、“右前45°水平”和“右前45°斜向下”這三種不同的情況。因此，將水平維度上的8個方向和豎直維度上的3種方式進行組合，可以得到24個方位的指向，再加上“正頭頂”和“正腳底”兩個方位，即共有26種方位指向。對處于三維空間中的人而言，這26種方位指向涵蓋了其他物體相對于自身所有可能存在的方位。但由于試驗中需要受試者判斷的目標方位不會出現(xiàn)“正頭頂”和“正腳底”這兩種情況，因此本試驗的回指任務(wù)中只設(shè)置了24種可能的指向，受試者完成回指的過程為：首先根據(jù)屏幕上的提示信息按鍵選擇目標方位在水平維度上的方位，之后再按鍵選擇在豎直維度上的方位。通過這兩個步驟即可完成對穿艙過程起始艙段方位的回指任務(wù)。

在回指任務(wù)之后，受試者需要完成路徑重構(gòu)任務(wù)。這一任務(wù)要求受試者在世界坐標系中通過按鍵選擇，重構(gòu)出穿艙過程中經(jīng)歷過的艙段之間的連接方式，這一任務(wù)考察了受試者對多個艙段間構(gòu)型關(guān)系的理解能力。受試者完成路徑重構(gòu)任務(wù)的過程如圖4所示，受試者通過選擇相應(yīng)的數(shù)字按鍵做出相鄰艙段方位關(guān)系的判斷，例如在圖4（a）下，依次選擇數(shù)字 4、1、6，則依次構(gòu)建出（b）、（c）、（d）的路徑。 需要注意的是，在這一任務(wù)中，節(jié)點艙并不計入在內(nèi)。

試驗在桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行。在正式試驗前，向每名受試者提供三個用于熟悉三維鼠標操作和試驗流程的練習(xí)任務(wù)，確保所有受試者經(jīng)過練習(xí)后都能夠熟練操作三維鼠標并正確理解試驗流程。為了平衡穿艙路徑順序可能對試驗結(jié)果造成的干擾，令一半的受試者按照表1中的編號1～12的順序依次進行穿艙過程，而另一半的受試者按照編號12～1的順序依次進行穿艙過程，在每種路徑下受試者只完成一次穿艙過程和定向測試任務(wù)。試驗中以受試者完成定向任務(wù)的準確度和反應(yīng)時作為評價指標，對受試者完成空間定向任務(wù)的績效進行評價，因此試驗過程中記錄了受試者完成回指任務(wù)的回答和反應(yīng)時間以及路徑重構(gòu)任務(wù)的回答和反應(yīng)時間。

4 試驗結(jié)果分析

4.1試驗結(jié)果的描述性統(tǒng)計

由于按照路徑編號1～12順序完成試驗的8名受試者和按照路徑編號12～1順序完成試驗的8名受試者間，在試驗考察的績效數(shù)據(jù)上并沒有顯著性差異，因此在試驗數(shù)據(jù)的分析中將這兩類受試者的試驗數(shù)據(jù)放在一起進行分析。首先對全體16名受試者在12種不同路徑下完成回指任務(wù)和路徑重構(gòu)任務(wù)的績效進行了描述性統(tǒng)計。

1）回指任務(wù)的績效統(tǒng)計

16名受試者在12種不同的穿艙路徑下回指任務(wù)的回答錯誤個數(shù)和反應(yīng)時間分別如圖5和圖6所示。由于共統(tǒng)計了16名受試者的數(shù)據(jù)，因此回指任務(wù)錯誤個數(shù)的上限即為16個。從圖5中可以看出，受試者在不同路徑下回指任務(wù)中的表現(xiàn)有所差異，在編號為3、7、10的三種路徑下，回指任務(wù)錯誤的個數(shù)超過了受試者總數(shù)的50%，而在編號為1、2、5、12的四種路徑下，僅有12.5%的受試者判斷錯誤，在其他五種編號路徑下判斷錯誤的個數(shù)則分布在30%～50%之間。從完成任務(wù)的反應(yīng)時的角度來看（圖6），全部12種路徑下完成回指任務(wù)的平均反應(yīng)時為34.39 s，編號為3、4、6、7、10的五種路徑下，受試者的平均反應(yīng)時均超出這一平均值的30%以上；在第11號路徑下的平均反應(yīng)時雖然接近全體的平均值，但也超出了4.32 s；其他路徑編號下的平均反應(yīng)時則低于總體的平均反應(yīng)時，其中在2號路徑下的平均反應(yīng)時還不到總體平均反應(yīng)時的一半。

從反應(yīng)時的時長可以看到，在到達路徑的終點后再判斷起始艙段的方位，并不是一個容易的過程，受試者完成這一任務(wù)需要花費的時間平均達到了30 s以上，說明受試者為了完成這一任務(wù)需要進行充分的思考，并不能通過直觀印象來完成，這也印證了空間站內(nèi)的定向任務(wù)確實具有一定的難度。

2）路徑重構(gòu)任務(wù)的績效統(tǒng)計

對不同路徑下的路徑重構(gòu)任務(wù)中受試者選擇的錯誤數(shù)和平均反應(yīng)時進行統(tǒng)計，得到的結(jié)果分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看到，全部16名受試者在不同的路徑下對路徑重構(gòu)任務(wù)判斷錯誤的個數(shù)在0到6之間分布。與回指任務(wù)相比，路徑重構(gòu)任務(wù)的錯誤個數(shù)明顯減小，而且不同路徑下路徑重構(gòu)任務(wù)錯誤個數(shù)的分布模式和回指任務(wù)的錯誤個數(shù)分布模式明顯不同。這也印證了這兩類任務(wù)考察的是不同類型的空間關(guān)系的認知，路徑重構(gòu)任務(wù)重點在于考察受試者在世界坐標系中對艙段間結(jié)構(gòu)關(guān)系的認知；而回指任務(wù)則重點考察受試者在自我中心的坐標系中對艙段間方位關(guān)系的認知。

路徑重構(gòu)任務(wù)反應(yīng)時的分析中，考慮到不同路徑包含的艙段個數(shù)不同，而需重構(gòu)的艙段個數(shù)可能會對反應(yīng)時造成影響（艙段數(shù)多的路徑完成路徑重構(gòu)任務(wù)的時間長），因此對重構(gòu)任務(wù)中的反應(yīng)時按艙段數(shù)取平均能夠從一定程度上消除不同路徑中艙段數(shù)不同的影響。由此得到的按路徑中艙段數(shù)取平均后的重構(gòu)任務(wù)反應(yīng)時如圖8所示。

從以上各項定向任務(wù)績效指標的分析中可以看到，在各項指標中都存在部分路徑的績效指標明顯優(yōu)于或劣于其他指標的情況，這說明穿艙路徑確實會對空間定向任務(wù)造成影響，但是不同路徑的哪些特點造成的定向績效間的差異卻需要進行進一步的分析。

4.2不同穿艙路徑下定向任務(wù)績效的分類比較

本小節(jié)在上一小節(jié)對試驗結(jié)果描述性統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，對12種穿艙路徑的特點進行分析，并將這些穿艙路徑歸納為不同的類別，進而分析了不同類別間定向任務(wù)績效的差異。

在三項任務(wù)的績效指標中，受試者在編號為1、2、5、12的四種路徑下的定向任務(wù)都有相對較好的績效。由表1中列出的各個路徑的屬性可以看到，這四種路徑中的各個艙段都位于同一個平面內(nèi)，受試者在其中穿行時只需要進行平移和偏航的運動控制，而不需要進行俯仰或滾轉(zhuǎn)的運動控制，這與地面重力環(huán)境中的運動方式類似，為了便于后文的敘述，將這四種路徑稱為A類路徑。在編號為4、8、9、11的四種路徑中，受試者需要經(jīng)過若干次的俯仰才能夠完成穿艙過程，但是到達終點艙以后，不需要進行進一步的姿態(tài)滾轉(zhuǎn)來調(diào)整自身的朝向和艙段的局部視覺正向一致，將這四種路徑稱為B類路徑。在編號為3、6、7、10的四種路徑中，受試者在穿艙過程中不僅需要經(jīng)過若干次的俯仰運動，在到達終點艙后還需要進行90°或180°的滾轉(zhuǎn)來將自身的朝向和艙段的局部視覺正向調(diào)整一致，將這四種路徑稱為C類路徑。

將回指任務(wù)中的錯誤個數(shù)和反應(yīng)時間、重構(gòu)任務(wù)中的錯誤個數(shù)和艙段平均反應(yīng)時間作為因變量，以路徑的種類為自變量，對全部16名受試者的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析的方法來比較不同種類路徑下的績效差異。在進行方差分析之前首先對受試者的各項績效數(shù)據(jù)進行正態(tài)性和方差齊性檢驗，檢驗結(jié)果表明各項績效數(shù)據(jù)滿足正態(tài)性和方差齊性的要求，可以適用于方差分析。方差分析的結(jié)果如表2所示，從該表中可以看到，以0.05的顯著性水平作為標準，回指任務(wù)的錯誤個數(shù)和反應(yīng)時指標組間差異顯著（方差分析結(jié)果分別為 F（2，9）＝32.318，p＜0.001；F（2，9）＝24.270，p＜0.001），路徑重構(gòu)任務(wù)的艙段數(shù)平均反應(yīng)時指標組間差異顯著（F（2，9）＝5.702，p＜0.05），但是路徑重構(gòu)任務(wù)的錯誤個數(shù)指標組間的差異不顯著（F（2，9）＝3.432，p＞0.05）。

表2 定向任務(wù)績效按路徑種類的方差分析結(jié)果Table 2 The ANOVA of orientation task performances by the type of route configurations

對不同路徑種類下的各個指標進行兩兩差異比較，結(jié)果如表3所示。從表中可以看到到，B類路徑在回指任務(wù)的錯誤個數(shù)和反應(yīng)時指標、路徑重構(gòu)任務(wù)的艙段數(shù)平均反應(yīng)時指標上都顯著高于A類路徑，在路徑重構(gòu)任務(wù)錯誤個數(shù)指標上和A類路徑的差異不顯著；C類路徑在回指任務(wù)的錯誤個數(shù)和反應(yīng)時指標、路徑重構(gòu)任務(wù)的艙段數(shù)平均反應(yīng)時指標上都顯著高于B類路徑，也顯著高于A類路徑，但是在路徑重構(gòu)任務(wù)錯誤個數(shù)指標上只顯著高于A類路徑，和B類路徑間沒有顯著性差異。各項績效指標數(shù)值越高說明受試者完成的績效越差，因此在這三類路徑中，綜合來看，C類路徑受試者的績效最差，A類路徑受試者的績效最優(yōu)，B類路徑的績效介于兩者之間。這一結(jié)果也與三類路徑中穿行過程的難度一致：在A類路徑中，受試者的運動方式和地面類似，路徑中的各個艙段都位于同一個平面內(nèi)，受試者不需要進行俯仰和滾轉(zhuǎn)；在B類路徑中，受試者需要經(jīng)過俯仰運動進入其他艙段，但是到達終點艙后不需要進行滾轉(zhuǎn)來調(diào)整身體朝向；而C類路徑中，需要受試者進行俯仰運動，在到達終點艙段后還需受試者進行滾轉(zhuǎn)運動來調(diào)整身體姿態(tài)。不同類別的路徑間這種運動方式的差異，可能是造成其定向任務(wù)績效間差異的原因。

表3 穿艙路徑試驗結(jié)果方差分析的多重比較結(jié)果Table 3 Multiple comparison of ANOVA of route configuration experiments

5 討論

空間站的多艙段結(jié)構(gòu)決定了航天員在其中生活和工作時需要在不同的艙段間穿行，并可能需要在穿行的過程中判斷其他艙段所在的位置，但是在空間站中由于重力的缺失和艙段間局部視覺正向的不一致，航天員常常會進行方式更加多變的運動過程，能夠進行包括俯仰、滾轉(zhuǎn)在內(nèi)的六個自由度上的運動。這些新的自由度帶給了航天員在地面上未曾經(jīng)歷過的空間關(guān)系變換方式，由此可能會對定向任務(wù)帶來不利的影響。本試驗的結(jié)果也驗證了這一可能性，當穿艙路徑中的艙段全部都位于同一個平面內(nèi)時，受試者能夠很好地完成空間定向任務(wù)；而當艙段位于不同的平面上時，受試者完成定向任務(wù)的能力則明顯下降。Mou等［13?15］的研究曾指出，在地面重力環(huán)境中，人的空間認知能力會受到物理空間中的“邊界”的影響，基于這些“邊界”劃定的范圍，人在某一局部范圍內(nèi)對空間關(guān)系的判斷通常會優(yōu)于跨越這些范圍之間的方位關(guān)系的判斷。受到這一 “邊界”理論的啟發(fā)，可以將空間站的多個艙段進行不同“邊界”和“范圍”的劃分。基于試驗研究的結(jié)果，空間站結(jié)構(gòu)中“邊界”應(yīng)該定義在位于空間站主平面上的艙段和與空間站主平面豎直連接的艙段之間，雖然該“邊界”并不實際存在，但是當航天員的運動跨過這一“邊界”時，其完成空間定向任務(wù)的能力卻會有明顯的下降，因此當航天員在進行跨“邊界”的運動時需要對相關(guān)的空間關(guān)系給予特別的關(guān)注，以免迷失方向。

對受試者在定向任務(wù)中錯誤種類進行分析發(fā)現(xiàn)，受試者出現(xiàn)錯誤的首要類型是在進行俯仰或滾轉(zhuǎn)運動時，沒有正確更新周圍環(huán)境相對于自身的空間關(guān)系。以圖9所示的情況為例，當受試者在從核心艙I進入實驗艙V的時候，由于其進行了俯仰運動，周圍物體的空間關(guān)系發(fā)生了相應(yīng)的變換，在判斷起始艙段的方位關(guān)系時需要結(jié)合這一變換進行考慮，否則就會把本應(yīng)位于自身“正后方斜向上”方位中的艙段（圖9（a））誤判為位于自身“正后方斜向下”（圖9（b）），而如果俯仰運動之后又疊加滾轉(zhuǎn)運動時，受試者在進行空間方位判斷時就會更加困難，這也是在甲乙丙三類路徑中受試者的績效依次下降的原因。

6 結(jié)論

本文基于建立的空間站虛擬環(huán)境開展試驗，研究了在空間站內(nèi)不同艙段間的穿行過程中，穿艙路徑對定向任務(wù)績效的影響，研究發(fā)現(xiàn)在需要進行俯仰、滾轉(zhuǎn)等方式的穿艙路徑中，人對空間方位的正確判斷會更加困難、更容易出現(xiàn)錯誤。

本研究的成果可以為航天員飛行前的空間站內(nèi)定向訓(xùn)練和空間站內(nèi)導(dǎo)航輔助標識的設(shè)計提供參考。在空間站內(nèi)定向訓(xùn)練中應(yīng)當更多地關(guān)注航天員在進行俯仰、滾轉(zhuǎn)等運動之后的方位判斷能力；在空間站內(nèi)導(dǎo)航標識的設(shè)計中，針對某些更容易出現(xiàn)方向迷失的艙段應(yīng)更有針對性地設(shè)計相關(guān)的導(dǎo)航標識，來幫助航天員更加準確高效地完成定向任務(wù)。

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（責(zé)任編輯：康金蘭）

Simulation Research on Effects of Route Configuration on Spatial Orientation Task Performance of Astronauts inside Space Station

GUO Junpeng1，2，JIANG Guohua1，2，LIU Yuqing1，2，AN Ming1，2，HU Fuchao1

（1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 10094，China；2.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

Disorientation is one of the major problems that astronauts usually met when navigating across different modules inside a space station within various routes.To explore the role of route con?figuration in completing the spatial orientation tasks，a simulated virtual multi?module space station was established and an experiment was conducted.The results showed that the performances of the spatial orientation tasks varied significantly among the different types of the configuration of the routes.The change of movement model caused by weightlessness could lead to the decrease in the o?rientation task performances.The findings may contribute to the spatial orientation training and the design of the navigation aid system.

space station；simulated virtual environment；spatial orientation；route configuration

TP391.9

：A

：1674?5825（2017）02?0258?08

2016?03?31；

2017?01?25

國防基礎(chǔ)科研計劃（B1720132001）；人因工程重點實驗室基金資助（SYFD140051807）

郭俊鵬，男，碩士，研究實習(xí)員，研究方向為航天飛行訓(xùn)練模擬技術(shù)。E?mail：dragonguo＠126.com