航天員交互式電子技術(shù)手冊(cè)架構(gòu)與應(yīng)用模式研究

范永亮 仲偉巍 吳大蔚 陳軍偉

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航天員交互式電子技術(shù)手冊(cè)架構(gòu)與應(yīng)用模式研究

范永亮 仲偉巍 吳大蔚 陳軍偉

（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

針對(duì)長期載人航天飛行任務(wù)，基于航天員用交互式電子技術(shù)手冊(cè)的需求和特點(diǎn)，分析飛行計(jì)劃的數(shù)據(jù)類型、展示形式和信息關(guān)聯(lián)等方面的特殊性，提出航天員交互式電子技術(shù)手冊(cè)應(yīng)具備的基本功能。據(jù)此研究適用于載人航天任務(wù)的交互式電子技術(shù)手冊(cè)平臺(tái)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)其應(yīng)用模式和信息流。

航天員；交互式電子手冊(cè)；技術(shù)架構(gòu)

0 引言

交互式電子技術(shù)手冊(cè)（interactive electronic technicalmanual，IETM，下文簡稱電子手冊(cè)）是以數(shù)字形式存儲(chǔ)，采用文字、圖形、表格、音頻和視頻等形式，以人機(jī)交互方式提供裝備基本原理、操作使用和維修等內(nèi)容的技術(shù)出版物[1]。

IETM的發(fā)展和應(yīng)用最早起源于20世紀(jì)70年代的美軍，1989年歐洲航空工業(yè)協(xié)會(huì)（AECMA）頒布S1000D第一版，后又融合了美國工業(yè)界的需求，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為規(guī)范航空、航海、陸地裝備技術(shù)出版物的最大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國外IETM的快速發(fā)展引起了我國軍方和裝備研制單位的高度重視，2009年推出了GB/T 24463和GJB6600系列標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)一些航空、船舶和電子等研究院所已成功研制出與裝備配套的IETM并投入應(yīng)用[2-4]。

在我國載人航天任務(wù)中，也配置了電子手冊(cè)作為紙質(zhì)手冊(cè)的備份。神舟十號(hào)任務(wù)之前，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件，電子手冊(cè)使用模式類似閱讀電子文檔，可實(shí)現(xiàn)目錄查找和關(guān)鍵字搜索，內(nèi)容主要是文字和圖片，展示較為簡單。神舟十一號(hào)任務(wù)時(shí)，試驗(yàn)性地研制了電子手冊(cè)軟件，提高人機(jī)交互能力，增加操作視頻演示，實(shí)現(xiàn)文字、圖片、音頻和視頻記錄功能。相比之前，使用便捷性、交互方式等方面有了進(jìn)步，但在標(biāo)準(zhǔn)滿足性、功能完備性等方面還有待完善，無法適應(yīng)后續(xù)空間站任務(wù)。

1 航天員電子手冊(cè)需求及特點(diǎn)

1.1 航天員電子手冊(cè)需求

空間站任務(wù)中航天員面臨的工作項(xiàng)目操作和處置情況更加繁多復(fù)雜[5]，主要體現(xiàn)在：

1）艙內(nèi)外設(shè)備數(shù)量明顯增加，航天員需要掌握大量設(shè)備的操作方法；

2）在軌實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更新?lián)Q代，航天員需要實(shí)施更多、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)；

3）空間站長期在軌運(yùn)行，需要航天員實(shí)施多層次的維護(hù)和維修操作；

4）在應(yīng)急工況下，航天員需要快速、準(zhǔn)確地開展故障處置。

這些在軌操作需要由飛行手冊(cè)為航天員提供指導(dǎo)，但信息量很大時(shí)，使用紙版飛行手冊(cè)必然效率較低，而IETM技術(shù)是解決該問題的重要手段。因此，航天員電子手冊(cè)應(yīng)以IETM所遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，提供交互式訪問，以文字、圖片、多媒體等多種形式呈現(xiàn)，快捷查詢和瀏覽，內(nèi)容生動(dòng)簡潔且易于理解，為航天員在軌操作提供直觀便捷的指導(dǎo)。

1.2 航天員飛行手冊(cè)種類

為滿足在軌工作需要，通常要為航天員配備以下4類飛行手冊(cè)[6]：

1）計(jì)劃類手冊(cè)（飛行計(jì)劃），包含正常飛行各飛行段航天員工作安排；

2）專項(xiàng)任務(wù)程序類手冊(cè)，主要包括出艙活動(dòng)、交會(huì)對(duì)接等程序；

3）應(yīng)急處置類手冊(cè)，主要明確飛行器失壓、失火等應(yīng)急事件處置程序和緊急撤離、應(yīng)急避險(xiǎn)等程序；

4）操作指南類（或用戶手冊(cè)），用于明確飛行產(chǎn)品、科學(xué)與應(yīng)用試驗(yàn)、航天員健康保障等項(xiàng)目的操作說明和注意事項(xiàng)以及一般性單機(jī)故障維修方法等。

1.3 航天員電子手冊(cè)特點(diǎn)

根據(jù)IETM研制規(guī)范，不同種類手冊(cè)內(nèi)容可按需選用標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義和描述[2,7]，如專項(xiàng)任務(wù)程序類手冊(cè)主要采用程序類結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)導(dǎo)引方式；應(yīng)急處置類手冊(cè)主要采用故障類結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)航天員進(jìn)行故障邏輯診斷和處置；操作指南類手冊(cè)主要采用描述類、程序類結(jié)構(gòu)，必要時(shí)輔以圖解零件、接線類結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

而計(jì)劃類手冊(cè)比較特殊，目前傳統(tǒng)的IETM工具和規(guī)范不具備相關(guān)功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要為此開發(fā)專用軟件模塊、定義新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)包括：

1）飛行計(jì)劃應(yīng)以慣用的日歷形式展示，具備靈活、可視化的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能；

2）飛行計(jì)劃是工作主線，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃與其他類型手冊(cè)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)功能，便于查閱；

3）在飛行計(jì)劃編制方面，應(yīng)提高可視化水平，引入自動(dòng)檢查和校核技術(shù)，確保計(jì)劃正確性；

4）能實(shí)現(xiàn)計(jì)劃執(zhí)行情況自動(dòng)記錄并下傳地面，強(qiáng)化統(tǒng)計(jì)和分析功能，減少對(duì)天地問答、人工記錄的依賴，提高交互效率。

2 電子手冊(cè)功能設(shè)計(jì)

基于長期飛行航天員電子手冊(cè)需求和特點(diǎn)，航天員電子手冊(cè)主要功能包括8項(xiàng)。

2.1 內(nèi)容制作、管理和發(fā)布

支持4類飛行手冊(cè)的內(nèi)容編輯；支持文字、圖片、多媒體信息處理；支持熱點(diǎn)信息編輯，具有規(guī)則檢查、版本控制功能，能夠按照飛行手冊(cè)格式出版發(fā)布。

2.2 手冊(cè)內(nèi)容更新

電子手冊(cè)留軌使用，工作計(jì)劃需定期上傳；在軌設(shè)備不斷更新，需實(shí)現(xiàn)天地動(dòng)態(tài)更新功能，應(yīng)具備整版和增量更新模式。

2.3 飛行計(jì)劃輔助設(shè)計(jì)

在航天員作息制度框架下，支持飛行計(jì)劃可視化設(shè)計(jì)，對(duì)飛行事件的邏輯關(guān)系和時(shí)間沖突進(jìn)行檢查。

2.4 飛行計(jì)劃管理

航天員可通過電子手冊(cè)記錄工作執(zhí)行進(jìn)展并下傳地面。為地面飛控支持人員提供計(jì)劃執(zhí)行情況監(jiān)控、記錄和調(diào)整等功能，并支持對(duì)計(jì)劃執(zhí)行結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析。

2.5 內(nèi)容鏈接功能

飛行手冊(cè)內(nèi)容信息量大，且4類手冊(cè)之間存在層次關(guān)系，需要對(duì)相關(guān)內(nèi)容提供導(dǎo)航鏈接功能，尤其是飛行計(jì)劃與操作指南之間的鏈接，方便航天員使用。

2.6 閱讀導(dǎo)航功能

能夠按飛行器構(gòu)型、功能結(jié)構(gòu)等方式提供目錄導(dǎo)航，提供文字和語音檢索、書簽、意見反饋、注釋管理等功能。

2.7 引導(dǎo)排故功能

通過預(yù)先編制的排故邏輯，引導(dǎo)航天員檢查設(shè)備、閥門、開關(guān)和管線等情況，逐步引導(dǎo)航天員故障定位和實(shí)施相應(yīng)處置。

2.8 打印功能

需具備飛行手冊(cè)打印功能，可對(duì)在軌紙版飛行手冊(cè)替換。

3 架構(gòu)與應(yīng)用模式

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

航天員電子手冊(cè)平臺(tái)架構(gòu)分為地面制作端、交互服務(wù)端和在軌應(yīng)用端3部分，如圖1所示。

1）地面制作端，負(fù)責(zé)電子手冊(cè)內(nèi)容制作、飛行計(jì)劃輔助設(shè)計(jì)與管理，版本控制及發(fā)布。

2）交互服務(wù)端，為電子手冊(cè)內(nèi)容更新上傳、在軌工作執(zhí)行進(jìn)展等信息下傳，提供信息傳輸和運(yùn)行服務(wù)。

3）在軌應(yīng)用端，接收地面發(fā)布的電子手冊(cè)數(shù)據(jù)包，供航天員瀏覽、查詢和記錄等使用。

圖1 航天員電子手冊(cè)平臺(tái)架構(gòu)

與地面網(wǎng)絡(luò)不同，飛行器與地面之間信息交互受測控區(qū)影響[8]，存在通信中斷情況，為確保航天員使用電子手冊(cè)的實(shí)時(shí)性，電子手冊(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)存儲(chǔ)在飛行器端。航天員使用電子手冊(cè)時(shí)，應(yīng)讀取本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，不受測控區(qū)影響。測控區(qū)內(nèi)，可按需更新數(shù)據(jù)，保證在軌數(shù)據(jù)的有效性。

3.2 應(yīng)用模式

電子手冊(cè)平臺(tái)應(yīng)用模式如圖2所示，可劃分為手冊(cè)編制和任務(wù)實(shí)施2個(gè)階段。

3.2.1 手冊(cè)編制階段

1）電子手冊(cè)平臺(tái)部署在局域網(wǎng)中，各手冊(cè)設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上，利用網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)軟件編制飛行手冊(cè)。

2）各設(shè)計(jì)人員完成所屬手冊(cè)內(nèi)容編制后，按照流程進(jìn)行手冊(cè)內(nèi)容的提交與審核。

3）按預(yù)定格式發(fā)布線性手冊(cè)；發(fā)布電子手冊(cè)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)入運(yùn)營服務(wù)器，后續(xù)任務(wù)實(shí)施階段可在軌更新。

圖2 電子手冊(cè)平臺(tái)應(yīng)用模式

3.2.2 任務(wù)實(shí)施階段

任務(wù)實(shí)施階段主要涉及在軌飛行器、飛控現(xiàn)場2個(gè)現(xiàn)場。

1） 在軌飛行器

航天員使用電子手冊(cè)PAD，瀏覽查閱手冊(cè)內(nèi)容、記錄工作計(jì)劃執(zhí)行情況等，必要時(shí)在軌打印。

2） 飛控現(xiàn)場

飛控現(xiàn)場部署服務(wù)器，負(fù)責(zé)天地?cái)?shù)據(jù)交互，支持電子手冊(cè)更新，同時(shí)接收在軌工作執(zhí)行情況。當(dāng)需要調(diào)整飛行計(jì)劃時(shí)，現(xiàn)場調(diào)整經(jīng)審核批準(zhǔn)后，發(fā)布新的飛行計(jì)劃并上行更新。地面人員可對(duì)計(jì)劃執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可為制定后續(xù)飛行計(jì)劃提供參考。

4 結(jié)語

航天員的飛行工作時(shí)間是載人航天任務(wù)的重要資源，提高航天員在軌工作效率是發(fā)揮載人航天工程效益的有效手段?？臻g站長期飛行中，航天員在設(shè)備使用、實(shí)現(xiàn)操作和維護(hù)維修方面需要使用大量信息，IETM技術(shù)是為航天員提供信息快速查詢和瀏覽的重要途徑，但應(yīng)針對(duì)航天員飛行手冊(cè)信息特點(diǎn)、載人航天數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)等進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和二次開發(fā)，確保信息處理適用性、使用便捷性及天地?cái)?shù)據(jù)交互可行性。

[1] 劉新見,章引平,余暉,等.GJB6600.1-2008,裝備交互式電子技術(shù)手冊(cè)第一部分:總則[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2008.

[2] 徐宗昌,雷育生.裝備IETM研制工程總論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[3] 崔建鋒.交互式電子技術(shù)手冊(cè)-IETM綜述[J].航空制造技術(shù), 2011(12):105-107.

[4] 戴文明.交互式電子技術(shù)手冊(cè)在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2011,27 (2):12-15.

[5] 周建平.我國空間站工程總體構(gòu)想[J].載人航天,2013,19(2): 1-10.

[6] Thomas Uhlig, Alexander Nitsch, Joachim Kehr. HOW COLUMBUS LEARNT TO FLY--Glimpses of a unique space mission[M]. ESA Communications, 2013.

[7] ASD/ATA.S1000D:International specification for technical publications utilizing a common source database (Issue3.0) [S]. 2007.

[8] 陳志國,張強(qiáng).國際空間站信息系統(tǒng)架構(gòu)綜述[J].載人航天, 2011,17(1):5-9,33.

Research on Architecture and Application Mode of Interactive Electronic Technical Manual for Astronaut

Fan Yongliang Zhong Weiwei Wu Dawei Chen Junwei

(China Astronauts Research and Training Center)

The requirement and characteristic of Interactive Electronic Technical Manual (IETM) using by astronaut for long-term manned spaceflights were analyzed. This paper laid special stress on analyzing the particularity in data type, display form and information correlation of flight working plan which was a part of the IETM. The basic functions of astronaut IETM were proposed. Base on the above-functions, the technical architecture of IETM for manned spaceflights was built, and the application pattern and information flow were designed.

Astronaut; Interactive Electronic Technical Manual (IETM); Technical Architecture

范永亮，男，1982年生，碩士，助理研究員，主要研究方向：載人航天軟件總體設(shè)計(jì)。E-mail: 54310302@qq.com

仲偉巍，男，1982年生，學(xué)士，助理研究員，主要研究方向：載人航天飛行手冊(cè)總體設(shè)計(jì)。

吳大蔚，女，1972年生，碩士，研究員，主要研究方向：載人航天航天員系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

陳軍偉，男，1985年生，博士，助理研究員，主要研究方向：載人航天軟件總體設(shè)計(jì)。