航天虛擬操作分析技術概念研究

葛哲學，楊擁民，羅 旭，吳福章

（國防科學技術大學裝備綜合保障技術重點實驗室，長沙410073）

1 引言

在載人航天活動中，航天員通常需要嚴格遵循各種操作規程，執行大量的維修和試驗操作任務，對于空間站等長期有人值守的航天器來說，航天員的試驗和維修操作任務非常繁重。據統計，國際空間站上每天的維修操作時間超過2h，而和平號空間站的維修操作時間更長。如果載人航天器的設計和操作任務設計不合理，超過人在微重力環境當中的生理極限，很有可能導致航天任務的失敗甚至是重大的災難性事故[1]。

因此，航天器設計的人機界面必須具有良好的可操作性，從而保證航天員能夠高效、可靠地完成規定的各項操作任務。在航天器設計階段，就應當設法利用計算機仿真技術進行可操作性分析，查找出不利航天員操作的設計缺陷并及時加以改進。歐美國家非常重視虛擬操作分析技術的研究，開發了BHMS等一系列虛擬操作分析的軟件工具，并成功應用于國際空間站、航天飛機的研制[1，4，6-8]。而我國在這方面的基礎研究較為薄弱，相關的概念尚不明晰，本文的目的是明確航天虛擬操作分析的基本內涵和技術體系，為后續操作分析方法的理論研究和應用奠定基礎。

2 概念內涵與外延

2.1 內涵

航天虛擬操作分析技術的內涵是指反映對象的特有的、本質的屬性。它是指在航天器設計階段，通過構建航天虛擬操作環境并疊加虛擬航天員模型，利用航天器系統、分系統或者零部件等虛擬數字樣機，借助人在回路或者全虛擬的方法，對涉及到航天操作的行為進行合理性分析和評價，進而檢驗航天器人機界面設計或者操作任務是否符合航天員特性及要求的一門技術。虛擬操作分析是整個載人航天器工效學評價的重要環節和步驟，是質量保障的必要措施，也是航天飛行任務合理性檢查的重要技術手段。

航天虛擬操作分析由方法、工具和過程三部分組成。方法是進行航天虛擬操作分析的技術手段，它支持航天器生命周期中各個階段活動，如設計、驗證、評價和維護等，尤其是設計階段，它是全面檢查涉及方案優劣的重要手段。航天虛擬操作分析工具是航天器設計者在開發航天器的活動中智力和體力的擴展和延伸，它為航天器研制工程中的操作性分析方法和體系管理提供自動的或半自動的軟件實現途徑。航天虛擬操作分析過程則是將航天虛擬操作分析工程的方法和工具綜合起來合理、及時地進行航天器研制。過程定義了方法使用的程序、分析結果的形式、需交付的文檔資料、為保證分析質量所需要的管理活動等。

航天虛擬操作分析必須針對航天環境的特殊性展開，具體表現在：

（1）航天失重環境對人體生理方面的影響。其基本影響包括：鈣喪失、體液轉移、前庭功能改變，由此導致在失重環境下人體的身高增加近3%；人體抗重力肌肉處于松弛狀態，身體的自然姿勢改變為適應失重特征的自然狀態；肌肉萎縮和骨質疏松，肌肉工作能力下降、硬度降低以及下肢圍徑減小，長期飛行會導致航天員工作和運動后十分疲勞。

（2）熱環境對航天操作的影響。熱環境是決定航天員熱舒適性的重要因素之一，座艙加熱、循環和冷卻系統會影響航天員的熱平衡和舒適性，影響因素包括氣體的溫度、濕度、氣流速度、熱輻射等氣體環境參數。在進行航天操作時，會導致皮膚溫度升高，隨后核心溫度會升高，血管開始擴張、出汗，不能完全代償身體的熱負荷。

（3）振動環境對航天操作的影響。振動會產生生理作用、生物力學作用以及煩惱等心理反應。振動可與噪聲協同作用，引起應激效應和疲勞，降低警覺、影響操作。另外，無論目標振動、人體振動還是目標與人體同時振動，都會使視網膜成像模糊，振動對視覺的影響與視距離有關。

（4）噪聲對航天操作的影響。當噪聲存在時，會發生語音被淹沒的現象，這會妨礙航天員對其他聲音的感覺。給定頻率的聲音會掩蔽相鄰頻率的信號，使信號完全不能被聽到。由于噪聲對語言通信的干擾，會使航天員的工作效率降低。

航天虛擬操作分析具有以下幾個方面的特征：

（1）層次性。根據載人航天器人機界面對象層次的不同，工效學評價工作可在不同層次上進行，如被評價的對象可以是單機、在軌可更換單元（ORU）、子系統。對系統進行整體評價是最終和最重要的評價，但這種評價絕對脫離不了其它層次上的數據支持。

（2）綜合性。操作性分析應該根據具體的操作形式進行綜合展開，全面評價各種操作的人體工效特性，不能忽略某些重要的操作要素。比如在狹隘的空間中需要進行手柄操作，需要綜合分析可視性、可達性、操作空間、人體受力特性等，如果遺漏了某個方面，則分析評價的結果不全面、可信度降低。

（3）階段性。操作性評價應在載人航天工程進展過程中的不同時期進行，如從方案、初樣直到正樣階段都要進行相應的工效學評價，及時發現并解決問題，最大限度地操作性方面存在的薄弱環節以及潛在的技術風險。

（4）個體差異性。由于虛擬分析一般采用某個特定測量學參數的航天員模型，對于其它航天員，所得到的結果一般會有一定的差異。另外，由于人體是較為復雜的多自由度系統，即便是對于同一種操作可能會有多種可行的操作姿態，不同人的操作習慣也不一樣，虛擬操作性分析得到的結果自然不同。

（5）結果形式多樣性。虛擬操作性分析根據分析對象和內容的不同，得到的結果可以是定量的，也可以是定性的；既可能是圖形化的，也可能是表格、文字形式的；既可能是模糊的，也可能是精確的。

（6）參考性。虛擬分析所采用的模擬環境、人體測量學參數、操作樣式和實際相比一般會有一定的差異，會導致虛擬分析結果不一定很精確，只能作為一定的參考，一般情況下不能替代水槽和飛行試驗。相對而言，模型越精確、操作形式越精準、人體模型及其屬性越科學全面，則分析得到的結果參考性越強。

2.2 外延

航天虛擬操作分析技術的外延就是指具有其所反映的本質屬性的對象。相對于人的經驗和圖紙檢查等傳統的分析手段，它是一種利用計算機軟件技術帶來的革命性變革，是航天器及其運行維護系統設計工程的一個分支，強調航天操作分析不能單純依靠航天器設計者的個人經驗、技巧或創造性，而應該利用一整套嚴謹、科學的技術體系實施分析和評價的工程項目，在給定航天器設計方案或者維護任務的前提下，開發出具有可理解性、可追蹤性、可驗證性和可修改性等特點的技術手段，并能給出是否滿足航天在軌操作需求（包括功能需求和非功能需求）的評價結果。

（1）應用范圍。就航天器對象而言，虛擬操作分析技術可以應用于所有載人航天器的人機界面設計，以及可實施在軌維護和服務航天器對象的被操作對象。就應用過程而言，它一般是應用于航天器的設計階段，包括概念設計、原理樣機設計階段，也可以應用于初樣、正樣等需要修改設計、評估任務的階段，在進行物理實驗之前進行模型分析和評價。

（2）研究目的。主要是對航天操作的任務或者航天器的設計方案進行評價。若以任務為分析對象，則分析任務的可實現性、消耗的時間和人力參數；若以航天器人機界面為分析對象，凡是需要進行操作（包括安裝、拆卸、檢查、更換等）的ORU、子系統、系統，檢查其設計、布局的合理性，給出分析結果、評價結論甚至是改進建議，最終目的是使得航天器重要人機界面在空間微重力環境中易操作。

（3）技術手段。進行虛擬操作分析一般有兩種途徑：一是全虛擬的方法，利用航天器數字樣機和虛擬人模型進行實現，即“虛擬人操作虛擬樣機”，它不需要真實人的參與，這種方法代價低、實現方便；二是基于虛擬現實的辦法，“真實人操作虛擬樣機”，它同樣不需要航天器的物理樣機，真實人通過數據手套、力反饋器、位置跟蹤器等虛擬外部設備來進行模擬操作，實現操作性的分析和評價。

3 技術分類

基于當前的虛擬操作技術的發展水平[3]，從人機交互的深度來分析，它包括以下三種。如圖1所示。

（1）演示性虛擬操作

通過計算機顯示終端觀看操作動作，了解、分析以三維動畫形式來表達的操作過程。這種方法實現較為簡單、成本較低，可通過成熟的軟件工具如CATIA、JACK等進行制作，但缺點是缺乏對操作過程的深入分析，不能反映出每個操作的人體工效參數。根據有無人體模型，它包括兩種：一是僅僅通過三維的數字樣機來編輯生成操作動畫，告訴人們如何進行操作；二是通過虛擬人來仿真基本的操作過程，如圖2所示。

圖1 虛擬操作分析的三類實現方式

圖2 演示性虛擬操作

（2）工效分析性虛擬操作[3]

主要是指在虛擬操作過程中，構建全虛擬的操作環境和虛擬人模型，虛擬人在虛擬環境中同操作對象進行交互，控制虛擬人的姿態和動作來完成操作過程。這種方式由于虛擬人完全受程序的控制，可以進行各種動作的工效學分析，兼顧了良好的可分析性和展示性。系統的基本構成如圖3所示。

圖3 工效分析性虛擬操作

（3）基于虛擬現實的虛擬操作

這種方式引入虛擬現實的外部設備來控制人體模型動作，即人在回路的仿真方式，屬于“真實人員操作虛擬產品”。人沉浸于虛擬環境中，能感受周圍的操作環境，能逼真體驗操作過程，主要根據人的親身感受來對操作過程進行評價。根據用戶參與虛擬現實的形式以及沉浸程度的不同，它包括兩種：

一是桌面式虛擬操作，它利用個人計算機和普通工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的窗口。通過各種輸入設備實現與虛擬現實世界的充分交互，包括鼠標、追蹤器、力矩球等。這種方式有一定的沉浸感，但仍然會受到周圍現實環境的干擾，成本中等，有一定的應用。

二是沉浸式虛擬操作系統，它利用頭盔式顯示器或其他設備，把參與者的視覺、聽覺與其它感覺“封閉”起來，提供一個虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數據手套以及其它手控輸入設備，使得航天員產生身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺[5]。這種方式能完全逼真反映操作環境，操作的真實感最強，它是一種最為高端的虛擬操作實現方式，代表未來虛擬操作的發展方向，存在的缺點是成本高昂。其基本技術框架如圖4所示，包括硬件系統、軟件系統、軟硬件接口以及仿真驅動系統等組成部分。

圖4 沉浸式虛擬操作的系統基本技術框圖

4 虛擬操作分析的驅動模型

航天虛擬操作分析有兩種驅動模型：一是以任務為目標的虛擬操作分析，重點評價任務的成功性；二是以航天器為中心的虛擬操作分析，重點評價航天器人機界面設計的合理性。其中前者更為實用，但由于任務是難以窮舉的，所以分析的難度和工作量更大。以下分別進行探討。

（1）以任務為目標的虛擬操作分析驅動模型

其目的是對操作任務進行可行性分析，以保證所有的操作任務能夠被成功執行，這是操作任務分析評價的最高層次。如圖5所示。任務主要是根據載人航天器使用和維護的總要求來確定。首先需要對總的任務計劃進行分析和分解，列舉出所有的子任務，然后建立每個子任務的操作流程，再對每個操作單元進行虛擬操作性評價，得到局部的分析結果，最后根據操作流程綜合得到操作任務的分析、評價結果。

（2）以航天器人機界面評價為目標的虛擬操作分析驅動模型

其目的是對航天器的人機界面進行分析，以評價設計的合理性，是否存在設計缺陷。它具有明顯的層次性，分析的對象從下到上可能是單機、ORU、子系統、系統等，同時也包括相應的輔助設備、維修保障資源等，評價內容涵蓋了人、機、工具、環境的協調性、整體性。對于每個人機界面，要分析各種可能的操作特征，比如人手的抓、拿、放、轉等操作，要對這些交互特征分別進行分析。在得到局部、個體的分析結果之后，再逐步往上匯總、綜合，得到子系統、分系統、系統級的分析評價結論。如圖6所示。

對于這兩種不同的分析驅動模型，在技術上都有很多相同之處，均需要得到每個具體操作的工效和時間分析結果，這也正是虛擬操作分析的重點和難點，在獲取這些個體和底層數據后，進行綜合分析和處理，可實現航天器整體人機界面還是航天任務的操作性分析評價。

5 航天虛擬操作分析的內容和技術體系

圖5 以任務為目標的虛擬操作分析驅動模型

圖6 以航天器人機界面評價為目標的虛擬操作分析驅動模型

以下分別從廣義和狹義的角度探討虛擬操作分析的研究內容。廣義虛擬操作分析是針對各種操作任務需求，全面分析航天員操作的空間可達特性、力學和疲勞特性、生理反應等，實現航天器操作性的完備評價。而狹義虛擬操作分析主要是立足于目前的可行技術手段，以剛性人體模型為基礎，一般分析人體可視性、可達性等基本屬性，為航天器操作性的整體評價提供部分依據。

5.1 廣義虛擬操作分析

從廣義角度來說，虛擬操作分析可分為以下幾個相互關聯的研究內容。

（1）人的特性。在載人航天飛行過程中，航天員是整個飛行系統的主體、核心，一切由航天員監視、控制和操作的裝置、部件，都要便于航天員使用；一切航天員接觸到的環境因素都必須滿足航天員的生理與心理要求。為達到此目的就必須需要研究航天員的心理、生理特性及操作能力、限度等諸多問題，如人體體力和耐力特性、人體活動范圍、人體承受各種壓力情況的心理及反應特性、人體信息獲取與決策特性等。

（2）空間環境對人的影響。空間環境包括微重力、振動、沖擊、噪聲、溫度、濕度、超重以及輻射等各種環境因素，這些環境對人體的影響機制較為復雜，并且存在各種短、長期效應，借助虛擬手段分析和研究對航天員工作能力和健康的影響，研究這些環境條件下人的耐力、特性的變化。

（3）工作負荷。航天員的工作負荷直接影響工作效率和健康狀況，它指的是航天員操作時投入的體力和腦力的多少，決定于任務的輕重，同時與每個人的能力大小以及功能狀態有關，而功能狀態又受到環境、技能及心理狀態的影響。虛擬操作性分析要研究在不同條件下、不同操作時航天員的人體負荷，尋求評價工作負荷的可靠、有效的方法。

（4）綜合評價方法。航天器的設計是一項巨大的系統工程，航天操作任務往往非常復雜，對其進行操作性評價牽涉的內容、影響的因素眾多。要在試驗評估之前，給出層次化、綜合化的虛擬分析和評價，全面檢驗設計方案的操作性特征。

5.2 狹義的虛擬操作分析

廣義的虛擬操作概念比較寬泛，若以良好的技術可實現性以及適中的效費比等角度來考慮，特別是基于虛擬人和虛擬環境進行操作性分析，此時航天虛擬操作分析則為狹義的概念，它包括以下基本內容[6-8]。

（1）可視性分析功能?？梢愿鶕梭w在微重力環境下的姿態生成可視錐，顯示兩眼的可視區域，并可對椎體參數進行調整。

（2）可達性分析功能。提供正向和逆向可達性分析，正向分析可顯示人體手臂的可達幾何體；逆向分析可根據手形和位置生成人體姿態。

（3）受力分析功能。支持空間操作任務分析當中常用的力和扭矩評價、脊柱受力分析、腰部受力分析、靜態受力評價等。

（4）操作舒適度分析功能。根據失重環境下的生物力學—生理學模型，以及操作姿態、操作時間、受力大小等條件，進行關節舒適度評價、代謝能耗與恢復分析評價等。

（5）綜合分析評價功能。根據建立的完整操作任務流程或者整個人機界面評價模型，采用層次分析法或綜合加權法進行綜合分析可以得到全局的評價結論。

5.3 支撐技術

航天虛擬操作分析是一門具有較強應用性和針對性的技術，是多學科和多領域技術的交叉融合的邊緣科學，與許多學科有著密不可分的關系。從一般層面來講，它以航天工程、系統工程、醫學工程等學科作為支撐，同時融合了人因分析、航天器設計等領域的專業技術。其支撐技術體系如圖7所示。

圖7 航天虛擬操作分析支撐技術體系

研究和應用航天虛擬操作分析技術，必須建立在這些理論和技術基礎之上，缺一則不完整。應充分借助該技術體系開展技術研究和探索，突破航天虛擬操作分析方法，開發虛擬操作分析軟件工具。

6 結束語

本文主要對航天虛擬操作分析的基本概念問題進行了研究，分析了航天虛擬操作分析技術的內涵、外延、技術分類和驅動模型等，探討了廣義和狹義虛擬操作分析的研究內容。

下一步將著重針對航天環境對于航天員及其操作的影響，系統研究人體建模和動作仿真、可達性和舒適度評價的技術方法，在此基礎上研制具有我國自主知識產權的航天虛擬操作分析軟件工具，為提高航天器人機界面的操作性設計水平提供支撐。◇

［1］Christie Bertels.Crew Maintenance Lessons Learned from ISS and Considerations for future Manned Missions，2006，35.

［2］馬冶家，周前祥.航天工效學.國防工業出版社，2003.

［3］劉鵬遠，李瑞，張錫恩.某型武器系統虛擬操作訓練系統.計算機工程，2003，29（18）：180-182.

［4］N I Badler，C B Phillips，B L Webber.Simulating Humans:Computer Graphics，Animation，and Control.London:Oxford University Press，1999.

［5］周前祥.虛擬現實技術在航天工效學中的應用進展.計算機仿真，2001，18（2）：8-14.

［6］Abdel-Malek K，Yang J，Brand R，Tanbour E.Towards Understanding the workspace of the upper extremities.SAE Transactions– Journal of Passenger Cars:Mechanical Systems，2001，110（6），2198–2206.

［7］Patrick C，Damien C，Christophe Le R.A distributed approach for access and visibility task with a manikin and a robot in a virtual reality environment.IEEE Transactions On Industrial Electronics，2003，50（4）:692-698.

［8］W.P.Neumann.Inventory of Human Factors Tools and Methods，http://www.ryerson.ca/hfe/，2007.