航天員空間定向訓(xùn)練綜合評價方法研究

劉 相，劉玉慶，朱秀慶，康金蘭

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094）

航天員空間定向訓(xùn)練綜合評價方法研究

劉 相，劉玉慶，朱秀慶，康金蘭

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094）

為評價航天員空間定向的訓(xùn)練績效，結(jié)合空間站任務(wù)特點提出了需用的訓(xùn)練科目與考核方法；將粗糙集理論和層次分析思想應(yīng)用于訓(xùn)練的綜合評價，挖掘數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，建立并優(yōu)化出一套訓(xùn)練評價指標體系；結(jié)合主客觀組合賦權(quán)方法的結(jié)果確定每個指標的綜合權(quán)重，進而分層次地獲取綜合評價結(jié)果。通過實例計算對比分析了各綜合評價方法的結(jié)果，驗證了所提評價方法。

空間定向；航天員訓(xùn)練；綜合評價；粗糙集；層次分析法

1 引言

在空間站等大型航天器內(nèi)，重力的缺失與復(fù)雜的艙內(nèi)環(huán)境常常致使航天員產(chǎn)生空間定向障礙［1］，嚴重影響航天員在軌工作效率，甚至威脅其生命安全。研究表明，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛行前適應(yīng)性訓(xùn)練能夠有效的緩解空間定向障礙的影響，提高受訓(xùn)者在失重環(huán)境下的定向與導(dǎo)航績效［2?3］。目前，沉浸式的空間定向虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于各國航天員訓(xùn)練中［4］，為航天員熟悉空間工作環(huán)境、掌握定向技能提供了多科目、多方法的訓(xùn)練，然而由于航天員訓(xùn)練及訓(xùn)練設(shè)備的特殊性，空間定向訓(xùn)練評價的方法體系或指標的研究卻比較少。

訓(xùn)練評價作為空間定向虛擬訓(xùn)練的最后一個環(huán)節(jié)，對于科學(xué)合理地綜合評價受訓(xùn)人員的訓(xùn)練績效，選出最優(yōu)者，找出訓(xùn)練中存在的問題和優(yōu)化訓(xùn)練策略具有重要的意義。由于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可進行多科目、多技能的訓(xùn)練，需要根據(jù)多個因素對訓(xùn)練績效進行綜合評估?，F(xiàn)在的航天員訓(xùn)練績效評估一般是使用專家或航天員教員的主觀判斷作為訓(xùn)練評價的依據(jù)，這種方法易于實現(xiàn)，但過分依賴人的經(jīng)驗，當(dāng)需要考察的因素較多或面向新的訓(xùn)練科目時，難以剔除冗余的指標，也無法確定準確的權(quán)重，隨著訓(xùn)練科目所需考慮的因素越來越多，評價對象的復(fù)雜程度越來越高，訓(xùn)練評價工作需要更加客觀科學(xué)的綜合評價方法。

綜合評價是對多屬性體系結(jié)構(gòu)描述的對象系統(tǒng)做出全局性、整體性的評價［8］。綜合評價方法在虛擬維修、虛擬手術(shù)、虛擬飛行訓(xùn)練等評價問題中有廣泛的應(yīng)用。其中，層次分析法、模糊綜合評價法和粗糙集理論方法等傳統(tǒng)方法因其堅實的數(shù)理基礎(chǔ)和易于程序化實現(xiàn)等優(yōu)勢成為應(yīng)用熱點［5］。這三種綜合評價方法優(yōu)缺點比較如表1所示。

表1 三種綜合評價方法優(yōu)缺點比較Tab le 1 Advantages and disadvantages of three com pre?hensive evaluation methods

然而，每一種評價方法都是針對特定的綜合評價問題提出的，有其適用范圍，當(dāng)對同一對象使用不同的方法進行評價時，可能得到不一致的結(jié)果。因此在實際應(yīng)用時，常常使用兩種或多種評價方法集成，弱化每種方法的缺點，得出一個更為合理的結(jié)論。本文旨在快速準確地評價受訓(xùn)航天員的訓(xùn)練水平，對上述三種方法的應(yīng)用效果進行研究。在專家主觀評價的基礎(chǔ)上，首先將層次分析理論和粗糙集理論應(yīng)用于空間定向虛擬訓(xùn)練評價，挖掘績效數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，進行屬性簡約，然后結(jié)合主客觀賦權(quán)方法的結(jié)果確定每個指標的綜合權(quán)重，進而分層次地獲取綜合評價結(jié)果。通過各方法實驗結(jié)果的對比，選取適合于航天員空間定向訓(xùn)練綜合評價的方法。

2 空間定向訓(xùn)練評價指標體系的建立

2.1 空間定向訓(xùn)練考核

相比于傳統(tǒng)的載人飛船、空間站等大型航天器組成艙段更多，具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。工作環(huán)境的擴大要求航天員能夠在艙內(nèi)或艙段間頻繁地移動，需要航天員具有良好的空間定向能力、艙段之間空間關(guān)系判斷能力以及物品操作等技能［6］。基于上述要求，將航天員艙內(nèi)定向與交互操作虛擬訓(xùn)練的內(nèi)容分為空間站艙內(nèi)環(huán)境熟悉、單艙段內(nèi)定向訓(xùn)練、多艙段漫游與導(dǎo)航訓(xùn)練、艙內(nèi)物品（滅火器和儀表等）操作四個方面，如圖1所示。

中國航天員中心目前正在開展虛擬環(huán)境下的空間定向訓(xùn)練系統(tǒng)的研究工作，設(shè)計了一個基于VR的訓(xùn)練系統(tǒng)［4］。該系統(tǒng)實現(xiàn)了空間站多艙段艙內(nèi)視景模擬、微重力下人體運動仿真、多情景訓(xùn)練以及訓(xùn)練控制功能，用以幫助航天員在漫游過程中掌握依賴視覺信息進行空間定向的技能，并訓(xùn)練航天員在低能見度條件下的逃生技能。受訓(xùn)航天員完成所有的定向、導(dǎo)航以及典型操作訓(xùn)練后需要進行考核，記錄、存儲考核成績，用于受訓(xùn)者空間定向與導(dǎo)航技能、操作流程熟練度等方面訓(xùn)練績效的評估?？己藘?nèi)容分為兩種形式：一是關(guān)于空間站外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部布局等空間知識的問卷，考察受訓(xùn)航天員對于虛擬空間站內(nèi)地標之間的方位、艙段之間的路線以及空間站整體認知地圖的掌握情況。二是低能見度條件下的緊急撤離任務(wù)，即模擬空間站內(nèi)某一艙段內(nèi)發(fā)生火災(zāi)并產(chǎn)生煙霧，受訓(xùn)航天員需要迅速準確地找到火源，完成滅火后撤離到目標艙段。在此過程中，航天員需要依次進行如下判斷與決策：辨認自身的位置和朝向、尋找滅火器與火源、完成相關(guān)儀表操作、滅火、判斷目標艙段方向、規(guī)劃撤離路線、撤離到目標艙段。緊急撤離任務(wù)綜合考察受訓(xùn)航天員單艙段內(nèi)定向、多艙段間導(dǎo)航、應(yīng)急條件下物品操作三方面的訓(xùn)練績效，相關(guān)測試指標包括辨認自身位置和方向的時間、尋找物品時間、導(dǎo)航任務(wù)完成時間、導(dǎo)航距離、轉(zhuǎn)向錯誤、終點辨認錯誤、“向回指任務(wù)”角度偏差等。

2.2 指標體系初建

對航天員虛擬空間定向與交互操作訓(xùn)練進行評價應(yīng)當(dāng)對受訓(xùn)者的訓(xùn)練績效進行綜合、科學(xué)、客觀地量化，初步建立指標體系如圖2所示。目標層為訓(xùn)練綜合評價，準則層為環(huán)境熟悉、空間定向、導(dǎo)航與應(yīng)急操作四個科目，指標層為各科目的績效數(shù)據(jù)。

2.3 指標篩選

由于對航天員的定向與導(dǎo)航行為缺乏系統(tǒng)深入的研究初步建立的指標體系的眾多指標之間可能存在信息的重復(fù)或因果關(guān)系，如導(dǎo)航距離（U32）與轉(zhuǎn)向錯誤（U34）兩個指標，直觀的感覺會認為轉(zhuǎn)向錯誤數(shù)越多，導(dǎo)航距離越長。本文選用能夠處理不精確和不完整信息的粗糙集理論進行指標篩選。

由于評價指標體系中指標數(shù)量較多，本文針對不同的訓(xùn)練科目分層次地進行指標篩選。下面以導(dǎo)航科目為例，說明基于粗糙集理論的指標篩選過程。抽取8名受試者（x1～x8）的導(dǎo)航績效數(shù)據(jù)，如表2所示［7］。這些數(shù)據(jù)來源于空間站艙內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練方法研究實驗，受訓(xùn)者及其實驗數(shù)據(jù)真實有效，具有廣泛的代表性，能夠反映受訓(xùn)者的導(dǎo)航行為。

1）數(shù)據(jù)離散化

粗糙集理論不能處理連續(xù)型指標，首先需要對連續(xù)型數(shù)據(jù)進行離散化，典型的離散化方法有等距離劃分算法、等頻率劃分算法、自然算法、ChiMerge法等［9］。由于表2中的數(shù)據(jù)屬性值分布均勻，可以使用最簡單的等距離劃分算法，把各指標的屬性值簡單地劃分為距離相等的區(qū)間，如把導(dǎo)航任務(wù)完成次數(shù)（U36）指標的屬性值劃分為［7，8］，［9，10］，［11，12］。離散化結(jié)果如表3所示。

表2 導(dǎo)航訓(xùn)練績效原始數(shù)據(jù)Table 2 Original data of navigation performance

表3 導(dǎo)航訓(xùn)練績效離散化結(jié)果Table 3 Discrete results of navigation perform ance

2）屬性簡約

粗糙集理論通過屬性簡約及求核運算可以去除冗余的指標。本文使用基于區(qū)分矩陣的指標篩選模型。首先根據(jù)粗糙集理論中不可分辨關(guān)系的概念，求取區(qū)分矩陣d，該矩陣中的dij項代表等區(qū)分對象xi和xj的屬性集合，例如表3中的對象x1與x2，只有通過U34這個屬性可以將兩者區(qū)分，則d12＝｛U34｝。完整的區(qū)分矩陣如下：

然后求取區(qū)分函數(shù)：

最后求區(qū)分函數(shù)的極小析取范式，極小析取范式中的所有合取式就是屬性集合的所有簡約。綜合上述計算，篩選得到導(dǎo)航科目的評價指標為U31、U34、U36，即導(dǎo)航用時、轉(zhuǎn)向錯誤和導(dǎo)航成功次數(shù)。

類似地，使用粗糙集理論將其余三個科目的指標進行屬性簡約，去除重疊或關(guān)聯(lián)度較高的指標，得到一個簡化的評價指標體系，如圖3所示。通過屬性簡約，將指標層的指標數(shù)從16個降為9個，極大地減少了綜合評價的計算量。

3 虛擬訓(xùn)練評價方法實例計算

3.1 AHP法賦權(quán)

層次分析法能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的問題分解為幾個層次，用一定的標度量化評價者的主觀判斷［6］。一般過程為構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)，比較判斷矩陣，判斷矩陣一致性檢驗，層次單排序和層次總排序。在第一層指標的比較中，可認為四項考核科目分別考察了航天員不同方面的能力，其重要程度是一致的。而在第二層指標的比較中，個別指標的重要程度更高，如概覽知識水平比地標知識水平更重要。選取1～9的標度，參考10名教員的問卷打分，得到如下比較矩陣：

求取比較矩陣的特征向量和最大特征根，矩陣一致性檢驗證明評價者思維的一致性，獲得了可信的單層次的權(quán)重值如下：

通過層次總排序，最終獲取每個指標的權(quán)重：W11＝0.0625，W13＝0.1875，W22＝0.1667，W23＝0.0833，W31＝0.1125，W34＝0.0250，W36＝0.1125，W41＝0.1250，W43＝0.1250。

根據(jù)已獲得的權(quán)重值，評價結(jié)果可表示為標準分數(shù)值的線性加權(quán)和

選取一名受試者的考核成績，以向量的形式表示［7 7 11.4 56.1 78 0 12 60 75］，將該成績轉(zhuǎn)換為標準分數(shù)（百分制，保留至個位）［91 93 72 96 83 90 96 57 80］。則他的總體評價分數(shù)為82.6，屬于優(yōu)秀。

3.2 基于AHP的模糊綜合評價法

AHP方法將定性分析與定量分析有效結(jié)合，不僅能保證模型的系統(tǒng)性和合理性，而且能夠讓決策人員充分運用其有價值的經(jīng)驗和判斷能力，從而為許多多規(guī)則決策問題提供強有力的支持。層次分析法與模糊綜合評價法的結(jié)合，主要體現(xiàn)在將評價指標體系分成遞階層次結(jié)構(gòu)，運用層次分析法確定各指標的權(quán)重，然后分層次地進行模糊綜合評價，最后綜合出總的評價結(jié)果。

選取一名受試者的考核成績，以向量的形式表示［7 7 11.4 56.1 78 0 12 60 75］，將該成績轉(zhuǎn)換為標準分數(shù)（百分制，保留至個位）［91 93 72 96 83 90 96 57 80］。以此成績?yōu)槔M行后續(xù)討論。

四個訓(xùn)練科目考察的模糊評價矩陣分別為：

3.3 粗糙集理論賦權(quán)

利用粗糙集理論具有智能化的特點，確定權(quán)重時無需提供任何數(shù)據(jù)之外的信息，能夠降低人為因素的影響，增強權(quán)重的客觀性。它將賦權(quán)問題轉(zhuǎn)換為粗糙集屬性重要度評價問題［9］。

仍以導(dǎo)航科目為例，說明基于粗糙集理論的指標賦權(quán)過程。首先求取在簡約后的屬性集Q、上具有不可分辨關(guān)系的所有等價類構(gòu)成的集合如下：

求得信息熵如下：

最終獲取單層次指標權(quán)重W＝［0.4 0.2 0.4］T?；趯哟畏治龅乃枷?，類似地使用粗糙集理論確定其余三個科目單層次指標以及科目層的權(quán)重。

最終獲取每個指標的權(quán)重：

根據(jù)已獲得的權(quán)重值，評價結(jié)果可表示為標準分數(shù)值的線性加權(quán)和∑xi·wi。選取一名受試者的考核成績，以向量的形式表示［7 7 11.4 56.1 78 0 12 60 75］，將該成績轉(zhuǎn)換為標準分數(shù)（百分制，保留至個位）［91 93 72 96 83 90 96 57 80］。則他的總體評價分數(shù)為85.3，屬于優(yōu)秀。

4 綜合評價結(jié)果比較

選取的8名受試者的原始實驗數(shù)據(jù)［7］，包含了簡化的指標體系中所有項目的績效。為避免在對指標打分過程中因不同指標的尺度不同而引起得分不可比的情況，需要對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。由于原始數(shù)據(jù)通過正態(tài)檢驗，可以將其轉(zhuǎn)化為Z分數(shù)。但是Z分數(shù)常常帶有小數(shù)且有負值，不符合人們使用習(xí)慣。通常把Z分數(shù)再作一次線性變換，得到T分數(shù)。T分數(shù)計算式為T＝10Z＋75。上面公式中均值為75，標準差為10。這樣就可以保證約98.8%的成績落在區(qū)間［50，100］（超出此區(qū)間的成績小于50記為50，大于100記為100），約7%的成績落在不及格區(qū)間［50，60］，以及約7%的成績落在優(yōu)秀區(qū)間［90，100］，同時良、中、差（落在［80，90］、［70，80］、［60，70］內(nèi)）分別約占24%、38%、24%。

將這些原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，分別按照上述三種綜合評價方法進行計算，得到表4和圖4的結(jié)果。

表4 三種評估方法結(jié)果比較Table 4 Evaluation results of the threemethods

從評價等級上看，三種方法均得到了較為令人滿意的效果，基本與專家打分成績相符。從具體的評價分數(shù)看，層次分析法和粗糙集理論方法的評價結(jié)果是近似的，兩條曲線近乎重合，而與模糊層次綜合評價法存在部分差異。究其原因，可能是這兩種方法均使用了定性與定量相結(jié)合的方式進行評估，且都是用了層次分析法作為評估的基礎(chǔ)。

但是，在實際分數(shù)的排名上，各種評價方法存在較大差異，例如編號為1的受試者，在AHP方法和模糊評價法中排名第一，但在粗糙集理論方法中排名第二。對于這種現(xiàn)象的解釋是在專家給予指標權(quán)重的過程中主要考慮指標之間的相對重要程度，而無法量化重要程度的差異，而粗糙集方法源于實驗數(shù)據(jù)的挖掘，兩者間存在一定的差異。一種可能的原因是1號受試者得分較高的某一項指標上數(shù)據(jù)散布較大，導(dǎo)致在成績標準化的過程中縮小了差異，另一種原因是對于某些評價指標，幾種方法賦予的權(quán)重存在較大差異。

綜合上述結(jié)論，我們建議綜合AHP和粗糙集方法的權(quán)重，獲取一個基于主客觀評價的綜合權(quán)重，進行式（1）所示加權(quán)計算獲取評價結(jié)果：

其中，α（0＜α＜1）為經(jīng)驗因子，WH為AHP方法得出的主觀權(quán)重，WR為粗糙集方法得出的客觀權(quán)重。

在使用過程中，教員能夠根據(jù)自身的經(jīng)驗對各指標權(quán)重和經(jīng)驗因子α進行微調(diào)。根據(jù)10名專家的反饋，默認的權(quán)重值略傾向于專家打分（AHP方法的結(jié)果），給α的賦值為0.55進而獲取指標重要性。在評價軟件中設(shè)計各指標的默認權(quán)重如表5所示。

表5 各績效指標權(quán)重Table 5 W eights of performance index

5 結(jié)論

本文以航天員空間定向虛擬訓(xùn)練為任務(wù)背景，比較了三種綜合評價方法的實際評價效果。實驗結(jié)果表明，將層次分析思想和粗糙集理論綜合運用到訓(xùn)練評價中，可以實現(xiàn)定性與定量結(jié)合的綜合評估，能夠獲取更加科學(xué)、客觀的評價結(jié)果。

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Research on Comprehensive Evaluation of Spatial Orientation Training in Astronauts

LIU Xiang，LIU Yuqing，ZHU Xiuqing，KANG Jinlan
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

To accurately and scientifically evaluate the astronaut performance in spatial orientation training，three comprehensive evaluation methodswere discussed.According to the task features in spacecraft，the training subjectswere proposed and the evaluation index system of training perform?ance was established.Comprehensive weights and evaluation resultswere obtained hierarchically.A comprehensive evaluation method based on rough set and Analytic Hierarchy Process（AHP）was demonstrated to be suitable for evaluating astronauts’performance in spatial orientation training.

spatial orientation；astronaut training；comprehensive evaluation；rough set；Analytic Hierarchy Process（AHP）

TP391.9

A

1674?5825（2017）01?0130?07

2016?03?09；

2017?01?09

國防基礎(chǔ)科研計劃（B1720132001）

劉相，男，碩士研究生，主要從事航天飛行訓(xùn)練仿真。E?mail：lx9177xiang＠163.com