航天器乘員艙人機(jī)界面人因可靠性模型

蔣建軍， 肖毅， 胡鴻， 張力， 楊丹， 席釕姿， 劉建橋，劉雪陽(yáng)

(1.湖南工學(xué)院安全與管理工程學(xué)院， 衡陽(yáng) 421002； 2.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)

航天器乘員艙內(nèi)人機(jī)界面是航天員與飛行器進(jìn)行信息交換的界面，是航天員獲取信息、參數(shù)變化、完成相關(guān)任務(wù)的主要載體。由于航天員所處環(huán)境與一般人機(jī)交互情況不同，在這一過程中，航天員會(huì)面臨很多的問題。例如， 信息過載，數(shù)據(jù)顯示過于煩瑣，信息延遲等，加上心理壓力，失重等外部條件干擾，航天員發(fā)生人因失誤的可能性較大，如：①信息獲取產(chǎn)生偏差、診斷失誤、決策失誤、操縱桿執(zhí)行偏差等；②信息獲取及判斷失誤、操作力量不當(dāng)、誤觸、誤碰等[1]。

實(shí)踐證明，當(dāng)今社會(huì)直接由機(jī)械故障導(dǎo)致的工業(yè)事故比例已經(jīng)下降到了一個(gè)很低的水平。在系統(tǒng)事故的處理過程中，有70%～90%的事故或故障都是由人的失誤引發(fā)的[2]。美國(guó)國(guó)家航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)曾對(duì)1990—1993年612件宇宙飛船事故和事件進(jìn)行分析，結(jié)果表明66%以上的原因可歸于人誤[3]。顯然，人誤是導(dǎo)致事故的主要原因，人機(jī)界面是發(fā)生人因事故的主要載體，因此，為減少人因失誤，對(duì)航天器乘員艙人機(jī)界面下人因可靠性進(jìn)行分析顯得十分必要，該分析可為人因可靠性影響因子水平改善提供理論依據(jù)，為人因可靠性分析提供方法指導(dǎo)。

目前為止，人機(jī)交互過程中，人因可靠性在定性、定量分析方面已取得了一些相關(guān)的研究成果。Musharraf等[4]提出了緊急情況下人因可靠性定量分析方法，該方法主要處理專家判斷的不確定性，提出了人員之間的相互依賴和關(guān)聯(lián)行為。Jang等[5]提出了一個(gè)新的方法，該方法通過執(zhí)行軟控制任務(wù)分析，可以評(píng)價(jià)人因失誤。Zhang等[6]基于決策過程，提出一個(gè)集成的人因可靠性模型，該模型把遺傳算法與神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)結(jié)合，分析了模糊認(rèn)知可靠性及人的失誤，同年，Jiang等[7]一個(gè)認(rèn)知可靠性模型被提出，該模型利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字化系統(tǒng)人機(jī)交互為背景，構(gòu)建了認(rèn)知可靠性定量計(jì)算方法。又如：鄒樹梁等[8]提出了海上浮動(dòng)核電站人員認(rèn)知可靠性模型，張帥等[9]提出了考慮動(dòng)態(tài)熱環(huán)境因素的潛航員人因可靠性評(píng)估方法，王紅紅等[10]提出基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)人因可靠性分析方法。

上述分析方法主要針對(duì)核電站、工業(yè)人機(jī)交互系統(tǒng)，為人因可靠性定性、定量分析提供了理論基礎(chǔ)和方法指導(dǎo)，為分析人因可靠性、認(rèn)知可靠性、影響因子等提供了有效的方法和手段?，F(xiàn)以此為啟發(fā)，針對(duì)航天器乘員艙內(nèi)人機(jī)界面，開展人因可靠性影響因子體系及可靠性模型研究，該研究可為航天員人因失誤分析提供幫助，為人機(jī)交互過程影響因子水平改善提供參考，為人機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)，也可為人因可靠性分析提供方法指導(dǎo)。

1 航天器乘員艙人機(jī)界面人因可靠性影響因子

1.1 初步影響因子

確定初步影響因子的依據(jù)主要來源于文獻(xiàn)調(diào)研。本文調(diào)研了經(jīng)典的人因可靠性分析方法，及人因可靠性分析理論研究成果。影響因子初步篩選主要遵循的原則：①頻率出現(xiàn)較高的影響因子；②與研究背景接近程度高的影響因子。經(jīng)過梳理，確定初步影響因子體系如表1所示。

表1 初步影響因子Table 1 Initial influencing factors

1.2 航天器乘員艙人機(jī)界面人因可靠性影響因子體系構(gòu)建

1.2.1 相對(duì)重要度計(jì)算式

在初步影響因子的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查表的方式邀請(qǐng)專家、學(xué)者對(duì)影響因子進(jìn)行打分，回收專業(yè)人員調(diào)查表，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算指標(biāo)的相對(duì)重要度。確定重要度的方法為

(1)

式(1)中：Ej表示第j個(gè)影響因子的重要度；j表示第j個(gè)影響因子；xi表示第i位專家對(duì)指標(biāo)的熟練程度(專家對(duì)指標(biāo)的熟練程度分為：高、較高、中、較低、低)；yi表示指標(biāo)對(duì)人因可靠性的影響程度，分為5個(gè)等級(jí)：高、較高、中、較低、低，這5個(gè)等級(jí)分別用權(quán)重5、4、3、2、1表示；i表示第i個(gè)專家。

1.2.2 問卷調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析

為合理確定人因可靠性影響因子，采用問卷調(diào)查的方式，調(diào)研對(duì)象為航天員訓(xùn)練中心專家、航天領(lǐng)域的專家及學(xué)者，共發(fā)放調(diào)查問卷32份，有效回收問卷30份。

(1)信度和效度分析。對(duì)問卷調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了信度和效度分析，分析工具采用SPSS 18.0,經(jīng)過分析，得到KMO值為0.89；Cronbach’s Alpha的系數(shù)為0.96。KMO值大于0.8，說明問卷調(diào)研結(jié)果具有較好的效度；Cronbach’s Alpha的系數(shù)在0.9以上，說明調(diào)研結(jié)果具有很好的信度。

(2)相對(duì)重要度分析。基于式(1)，對(duì)調(diào)研的數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)重要度計(jì)算，影響因子的相對(duì)重要度用平均值表示，結(jié)果見表2。

表2 人因可靠性影響因子相對(duì)重要度Table 2 Relative importance of human reliability influencing factors

1.2.3 航天器乘員艙人機(jī)界面人因可靠性影響因子體系

人因可靠性影響因子經(jīng)過問卷調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析求得相對(duì)重要度后，再結(jié)合專家意見(來源于南華大學(xué)、湖南工學(xué)院)確定最后的指標(biāo)體系。專家意見如表3。為方便分析，在專家問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果表中增加了指標(biāo)的平均相對(duì)重要度值及擬淘汰的指標(biāo)說明。

從表3可知，得到最終的航天員人因可靠性影響因子為：任務(wù)因素、經(jīng)驗(yàn)、人機(jī)界面、認(rèn)知負(fù)荷、生理因素、環(huán)境因素、時(shí)間壓力、心理壓力。

表3 影響因子專家判斷結(jié)果及擬淘汰的指標(biāo)說明Table 3 Expert judgment results of influencing factors and the descriptions of influencing factors to be eliminated

2 航天器乘員艙人機(jī)界面人因可靠性模型

2.1 任務(wù)/事故人因可靠性分析框架

首先，對(duì)被分析的任務(wù)進(jìn)行子任務(wù)劃分，然后再對(duì)人因可靠性進(jìn)行分析。人因可靠性分析 (human reliability analysis，HRA)框架以任務(wù)/事故處理階段為導(dǎo)向，以HRA事件樹為表現(xiàn)手段。每個(gè)分支表示處理階段的成功、失敗2種情況。以HRA事件樹的框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，順序與并行關(guān)系任務(wù)/事故的分析過程如圖1所示。

圖1 人因可靠性分析框架Fig.1 Analysis frame of human reliability

T1、T2、…、Tn分別表示任務(wù)分解的第1、2、…、n階段；T1_f、T2_f、…、Tn_f分別表示第1,2，…,n階段，任務(wù)處理失??；類似，T1_s、T2_s, …，Tn_s分別表示處理第1,2，…，n階段，任務(wù)處理成功。

(1)如果任務(wù)T1,T2,…,Tn均為順序關(guān)系，那么航天員完成任務(wù)的失敗概率為

Pevent_seq(F)=[p(T1_f)p(T2_f|T1_f)+

p(T1_f)p(T2_s|T1_f)]+

[p(T1_s)p(T2_f)p(T3_f|T2_f)+

p(T2_f)p(T3_s|T2_f)]+…+

[p(Tn-1_s)p(Tn_f)]

(1)

式(1)中：Pevent_seq(F)表示任務(wù)為順序關(guān)系時(shí)的失敗概率；p(T1_f)表示第T1個(gè)處理階段的失敗概率；類似，p(T1_s)表示第T1個(gè)處理階段的成功概率。類似，p(Tn_f)表示第Tn個(gè)處理階段的失敗概率；類似，p(Tn_s)表示第Tn個(gè)處理階段的成功概率；p(T2_f|T1_f)表示第T1個(gè)子任務(wù)失敗下，第T2個(gè)子任務(wù)失敗的概率；同理，p(T2_s|T1_f)表示第T1個(gè)子任務(wù)失敗下，第T2個(gè)子任務(wù)成功的概率。

式(1)中，對(duì)于任意情況下的條件概率，有

P(Ty_s|Tx_f)=1-P(Ty_f|Tx_f)

(2)

式(2)中：Tx_f為子任務(wù)為x時(shí)處理失敗；Ty_s為子任務(wù)為y時(shí)處理成功。

將式(2)代入式(1)中所有類似的地方，整理后為

Pevent_seq(F)=p(T1_f)+p(T1_s)p(T2_f)+…+

p(T1_s)p(T2_s)…p(Tn_f)

(3)

如果任務(wù)T1,T2,…,Tn為并行關(guān)系，那么航天員完成任務(wù)的失敗概率為

Pevent_p(F)=p(T1_f)p(T2_f|T1_f)…

p(Tn_f|Tn-1_f)

(4)

式(4)中：Pevent_p(F)表示任務(wù)為并行關(guān)系時(shí)的失敗概率。

從式(4)看出，分解后的任務(wù)之間存在相關(guān)性，本文相關(guān)性處理方法采用THERP中的研究成果。假設(shè)子任務(wù)B為子任務(wù)A的后一個(gè)子任務(wù)，A與B之間的相關(guān)程度定義為：完全相關(guān)(CD),高相關(guān)(HD),中相關(guān)(MD),低相關(guān)(LD),零相關(guān)(ZD),計(jì)算式見表4[11]。

表4 任務(wù)階段之間的相關(guān)性Table 4 The correlation between tasks

P(B|A)表示A失敗下B失敗的可能性；p(B)表示子任務(wù)B的失誤率，則p(B)=1-p(b),p(b)表示完成子任務(wù)B的成功概率。

2.2 人因可靠性計(jì)算方法

2.2.1 方法定義

當(dāng)前，人因可靠性研究無論是定性分析還是定量分析均形成了一定的成果。在定量方面，一些研究成果指出人的可靠性特征邊界、分布總體上與指數(shù)函數(shù)一致，如，一些研究成果認(rèn)為失誤率總體服從指數(shù)分布[8,11,13,21-22]。類似地，本研究對(duì)航天器乘員艙人機(jī)界面人因可靠性總體上采用指數(shù)分布。以乘員艙人機(jī)界面為背景，考慮了人因可靠性計(jì)算的三個(gè)方面：①可用時(shí)間及心理壓力修正因子；②航天員人因可靠性影響因子；③影響因子權(quán)重。由此，航天器乘員艙人機(jī)界面人因失誤率計(jì)算方法定義為

(5)

式(5)中：P(x) 表示完成子任務(wù)x時(shí)，航天員的人因失誤率；k表示修正系數(shù)；wi表示第i個(gè)影響因子的權(quán)重；ranki,j表示第i個(gè)影響因子處于第j等級(jí)時(shí)的輸入值;tc表示可用時(shí)間修正系數(shù);mc表示心理壓力修正系數(shù)。

可用時(shí)間及心理壓力對(duì)人員在事故處理過程中有重要影響，幾乎所有人因可靠性影響因子研究中均提到了這2個(gè)因子[11-12,15]，因此本研究把這2個(gè)影響因子單獨(dú)作為修正因子，以凸顯這2個(gè)影響因子對(duì)人因可靠性影響的重要性及顯著性。

2.2.2 影響因子輸入值ranki,j取值情況

式(5)中，影響因子輸入值ranki,j應(yīng)根據(jù)因子所處水平，在對(duì)應(yīng)的取值范圍由航天員或領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)事故過程實(shí)際情況確定。本研究影響因子水平分為4個(gè)等級(jí)，即：{優(yōu)，良，中等，差}，每個(gè)等級(jí)依次對(duì)應(yīng)的取值范圍為{[0.75,1]，[0.6,0.75), [0.4,0.6), (0,0.4)}[23]。取值時(shí)，影響因子所處水平越好或影響因子水平越有利于任務(wù)執(zhí)行或事故處理，ranki,j取值就越大，否則，ranki,j取值就越少。取值應(yīng)基于要分析的對(duì)象，即具體子任務(wù)/事故情況, 航天員本身情況及其他環(huán)境情況，根據(jù)這些具體情況下影響因子水平及取值等級(jí)對(duì)每個(gè)影響因子給出一個(gè)具體的數(shù)值。

2.2.3 人因可靠性計(jì)算方法參數(shù)值的確定

(2)調(diào)整因子可用時(shí)間(tc)及心理壓力mc的確定。因SPAR-H方法對(duì)關(guān)聯(lián)影響因子重疊計(jì)算有一定的優(yōu)勢(shì)，因此，可用時(shí)間tc及心理壓力mc調(diào)整因子基于SPAR-H研究成果，見表5和表6[12]。

表5 tc和mc的取值Table 5 The values of tc

表6 影響因子權(quán)重Table 6 The weights of influencing factors

2.2.4 影響因子權(quán)重

航天員人因可靠性影響因子權(quán)重采用層次分析法，初始數(shù)據(jù)通過問卷調(diào)查獲得。本研究問卷調(diào)查涉及的人員包括：航天員訓(xùn)練中心專家、人因可靠性分析專家、人因工程領(lǐng)域?qū)＜壹皩W(xué)者。共發(fā)放問卷33份，實(shí)際有效數(shù)據(jù)31份。

經(jīng)問卷整理，基于層次分析法理論[24]，獲得航天員人因可靠性影響因子的權(quán)重，見表6。

2.2.5 人因可靠性分析方法性能分析

為描述式(5)失誤率的合理性，對(duì)其失誤率的邊界及變化情況進(jìn)行分析?；谑?5)確定的參數(shù)值，對(duì)其人因失誤率變化情況、邊界情況進(jìn)行分析，如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出：①失誤率隨著因子權(quán)重與因子輸入值乘積和的增大而減少，這是合理的，因?yàn)槌朔e的和越大說明影響因子所處的水平越好，影響因子所處的水平越好，失誤率就會(huì)越少；②失誤率隨可用時(shí)間調(diào)整因子tc取值的增大而增大，這是合理的，因?yàn)閠c越大說明可用時(shí)間越少，可用時(shí)間越少說明處理事故的時(shí)間越少，失誤率就會(huì)越大；③失誤率隨心理壓力調(diào)整因子mc取值的增大而增大，這是合理的，因?yàn)閙c越大說明心理壓力越大，心理壓力越大失誤率自然而然會(huì)越大；④失誤率的值、變化趨勢(shì)和量級(jí)基本與相關(guān)研究成果類似[11,13,23,26]，這說明人因失誤率的值、邊界、變化范圍是可接受的。

圖2 當(dāng) ∑(wiranki,j)∈[0.1,1]時(shí)，失誤率變化趨勢(shì)及邊界值Fig.2 Variation trend and boundary values of error probabilities with (∑wi,jranki,j)∈[0.1,1]

圖3 當(dāng) tc=0.1,1，10時(shí)，失誤率變化趨勢(shì)及邊界值Fig.3 Variation trend and boundary values of error probabilities when tc = 0.1, 1 and10

圖4 當(dāng)mc=1,2 ， 5時(shí)，失誤率變化趨勢(shì)及邊界值Fig.4 Variation trend and boundary values of error probabilities when mc = 1, 2 and 5

3 應(yīng)用舉例

選取載人航天飛行“手控交會(huì)對(duì)接”為例說明人因可靠性分析應(yīng)用過程，該任務(wù)的選取涵蓋了交互過程不同復(fù)雜性，能較好地說明應(yīng)用過程。

3.1 任務(wù)分解階段確定

基于已有研究成果的梳理[27]，手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)分解后的序列及行為過程如圖5所示。

圖5 手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)序列及行為過程Fig.5 The task sequence and behavioural process of manual rendezvous and docking

3.2 參數(shù)確定

人因可靠性定量分析之前，應(yīng)根據(jù)具體情況確定相關(guān)參數(shù)值。本部分主要目的是描述人因可靠性模型的分析過程，參數(shù)輸入值采用專家訪談的方式獲得(訪談人因工程領(lǐng)域2位專家)，其中，每個(gè)子任務(wù)可用時(shí)間(tc)及心理壓力(mc)調(diào)整系數(shù)值見表7，影響因子輸入值(ranki,j)見表8。

表7 可用時(shí)間(tc)及心理壓力(mc)調(diào)整系數(shù)值Table 7 The adjustment coefficient values of available time (tc) and mental stress (mc)

表8 子任務(wù)的影響因子輸入值Table 8 The input values of influencing factors for the subtasks

3.3 建模與計(jì)算

基于圖5的任務(wù)分解，及圖1的人因可靠性分析框架，手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)HRA分析樹如圖6所示。

圖6 手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)HRA分析Fig.6 HRA analysis of manual rendezvous and docking task

基于圖6及式(3)，任務(wù)T的失誤率為

P(T)=p(T1_f)+p(T1_s)p(T2_f)+

p(T1_s)p(T2_s)p(T3_f)

(6)

基于式(5)、表9、表10，T1、T2、T3的失誤概率分別為

=0.01exp[-(0.196×0.75+0.153×0.85+

0.082 4×0.75+0.136×0.65+0.114×0.8+

0.184×0.6+0.041 1×0.8+0.093 5×0.75)]×

1×2

=0.009 65;

=0.01exp[-(0.196×0.7+0.153×0.85+

0.082 4×0.75+0.136×0.6+0.114×0.8+

0.184×0.6+0.041 1×0.75+0.093 5×0.7)]×1×2

=0.009 875。

基于式(6)，有

P(T)=P(T1_f)+[1-p(T1_f)]p(T2_f)+

[1-p(T1_f)][1-p(T2_f)]p(T3_f)

=0.000 475+(1-0.000 475)×0.009 65+

(1-0.000 475)(1-0.009 65)×0.009 875

=0.019 9。

因此，獲得的載人航天飛行“手控交會(huì)對(duì)接”任務(wù)的人因失誤率為0.019 9。

從失誤率看，失誤率處于中等水平。以失誤率為依據(jù)，可分析失誤過程，追溯影響因子水平的不足，從而對(duì)任務(wù)執(zhí)行過程的改進(jìn)提供依據(jù)，如：如何減少手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)執(zhí)行過程的認(rèn)知負(fù)荷、如何優(yōu)化人機(jī)界面、如何采取有效措施減少環(huán)境干擾等。

4 結(jié)論

(1)從人因失誤的角度構(gòu)建的人因可靠性影響因子，有利于追溯失誤根原因，改善影響因子水平，可為人機(jī)交互設(shè)計(jì)提供幫助，分析人因可靠性提供支持，預(yù)防人因可靠性提供源頭。

(2)以任務(wù)或事故為分析對(duì)象，借助事件樹，考慮成功、失敗兩種狀態(tài)，構(gòu)建了人因可靠性分析總體計(jì)算方法；另一方面，基于人因可靠性已有研究成果、問卷調(diào)查、仿真實(shí)驗(yàn)獲得了人因可靠性分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為任務(wù)情景下的人因可靠性定量分析提供了方法指導(dǎo)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及現(xiàn)有的航天員數(shù)據(jù)有限，未能深入研究人因可靠性影響因子體系及失誤規(guī)律，若未來隨著航天員失誤數(shù)據(jù)的增加，可進(jìn)一步完善影響因子體系及人因可靠性分析方法中的參數(shù)，有助于提高人因可靠性分析模型的適應(yīng)性及合理性。