航天人因工程研究進展

陳善廣，姜國華，王春慧（1.中國載人航天工程辦公室，北京10070；.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094）

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航天人因工程研究進展

陳善廣1，2，姜國華2，王春慧2
（1.中國載人航天工程辦公室，北京100720；2.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094）

航天人因工程是人因工程學在載人航天領域中的應用，秉承“為航天員使用而設計”的理念，系統研究解決航天員、航天器、航天環境之間的關系問題，確保航天員在軌安全、舒適、高效工作。從航天人因工程概念和作用出發，通過系統梳理國際國內航天人因工程研究的發展現狀，重點分析了其研究特點及未來發展趨勢。結合我國載人航天后續發展對航天人因工程的迫切實際需求，系統梳理了航天人因工程研究技術體系，并從管理與技術研究兩個方面，系統論述了我國航天人因工程的研究應迫切開展的工作及后續發展的思路。

載人航天；人因工程；人機交互；人-系統整合；適人性評價

1　引言

人因工程學（Human Factors Engineering）是近些年發展很迅速的一門新興交叉學科，應用領域十分廣闊。在不同時期，相近的學科叫法較多，包括：人的因素（Human Factors）、工效學（Ergonomics）、人機工程（Man-Machine Engineering）、工程心理學（Engineering Psychology）、認知心理學（Cognitive Psychology）、人-機-環境系統工程（Man-Machine-Environment System Engineering）等，研究內容相近，但各有側重［1，2］。目前，國內外越來越多的學者傾向于應用“人因工程”這一學術名稱，以凸顯人在系統中的主導和關鍵作用。

載人航天任務涉及航天器、測控通信、發射回收等多個方面，特別是由于航天員的參與使系統變得更為復雜，對人的安全性和操作的可靠性要求更高，是一個巨復雜系統工程。從美俄早期的太空飛行來看，不管是聯盟號飛船還是阿波羅計劃，事故發生率都很高；后續航天飛機任務也發生過兩次機毀人亡的惡性事故。即便是最近幾年，航天任務失利，如天鵝座貨運飛船爆炸、太空船2號失敗等和國際空間站上出艙活動任務取消和推遲等事故依然不斷。中國在二十多年的載人航天歷程中成就斐然，雖然沒發生重大事故，但結果完美并不等于過程完美，其中也發生過一些險情、出現過一些差錯，如出艙艙門開啟不暢、返回艙著陸未及時切傘等問題。通過分析、追根溯源，發現絕大多數事故是由于對人的因素考慮不周造成的。因此，在載人航天領域，人因工程也是在不斷總結失敗教訓中提高認識和逐步發展起來的。俄羅斯（前蘇聯）在載人航天初期就專門成立生物醫學問題研究所牽頭開展空間飛行極端環境對生物體的影響及機理研究和航天工效研究，在和平號空間站期間通過大量在軌實驗深化了對長期飛行人的因素的研究和認識。美國在初期的水星號飛船、空間實驗室、阿波羅登月等任務中，重點解決人在太空中能否生存和工作的問題。美國國家航空航天局（NASA）于1987年在約翰遜中心成立適居性和人因部門，作為航天人因工程的主要牽頭單位，并建立跨平臺的人-系統整合標準NASASTD-3000。1991年為國際空間站（ISS）任務制定了航天人因工程發展計劃（SHFE）。2005年推出人的研究計劃（HRP），全面深入研究未來深空探測、登火星任務中的人因工程問題，引領國際航天人因工程領域的發展，也對其載人航天任務成功和發展起到巨大推動作用。歐航局制定載人空間探索戰略THESEUS研究計劃，建立14個專家小組，圍繞綜合系統生理學、心理學、人機系統、空間輻射、居住地管理和醫療保健五個主要領域開展工作。我國從1968年航天醫學工程研究所成立開始就開展航天工效研究，1981年創立人-機-環境系統工程理論，1992年我國載人航天工程啟動時設立了航天員系統并下設工效學要求與評價、航天員選拔訓練、飛行模擬等與人因工程密切相關的分系統。經過二十多年的實踐發展，航天人因工程在研究內容、方法和工程應用上逐步走向成熟，形成了包括載人飛船、貨運飛船、空間站艙內、艙外以及艙外航天服等一系列工效學設計要求與規范，目前正為我國空間站工程制訂工效學要求和評價標準。航天人因工程在保障載人航天任務策劃的科學合理性，提升人信息加工和決策可靠性，減少操作失誤，優化人機功能分配，人-系統整合協同高效工作以及提高系統安全性等方面發揮了重要作用［3-7］。

圖1　載人航天任務中航天員-航天器（服）-空間環境相互關系圖Fig.1 Relation schema between astronauts，spacecrafts（spacesuits），and space environment in manned spaceflight

2　航天人因工程研究體系

載人航天任務中航天員乘組、航天器、以及空間環境構成一個復雜的人-機-環系統，參見圖1。航天員是載人航天任務的主體，其作用能否充分發揮是任務成敗的關鍵。空間飛行中人的作業能力受很多因素影響，失重會導致人骨丟失、肌萎縮、眼壓和顱壓改變、前庭功能等生理系統變化，引起人的操作運動、視覺感知以及空間定向等能力改變；長期狹小空間和單調的社會關系會對航天員情緒、動機等產生影響，長期晝夜節律變化會導致睡眠紊亂、缺失甚至失眠等，由此引發人員腦力疲勞、情緒下降等，嚴重影響航天員作業能力發揮；同時艙載設備增多，信息流更為復雜，航天器人-系統整合設計及適居性的優劣也會影響航天員完成任務的績效。這些都是人因工程需要研究解決的重點問題。NASA在系統工程手冊中明確把人因工程作為其重要學科考慮，并認為人因工程就是要在充分考慮人的能力和局限性對系統性能帶來影響的基礎上實現對人-機界面和與人相關系統的研究、分析、設計和評價［8］。

綜上，航天人因工程是人因工程在載人航天領域的拓展和應用，是直接面向載人航天工程需求的應用基礎學科。它秉承“為航天員使用而設計”的理念，分析研究航天特因環境下航天員生理、心理等能力特性及其變化規律，系統研究解決航天員、航天器、航天環境之間的關系問題，確保航天員在軌安全、舒適、高效工作，實現任務全周期范圍內系統優化整合、性能最優。

航天人因工程研究體系如圖2所示。航天員能力特性研究是人因工程研究的基礎和核心，為系統設計與評估提供基線，內容覆蓋人體參數和生物力學、認知和決策能力以及心理因素等。人機界面與人機交互研究為航天器人機交互效能的提升提供重要的理論和技術，顯示和控制界面主要面向人與設備、人與計算機交互，新型人機交互主要解決當前手勢、眼動、腦機等的先進交互技術中人因關鍵問題，人智能系統協同主要面向人與智能機器人等團隊協同中的人因問題。人誤與人因可靠性通過對航天人誤事件的分析研究識別人誤的影響因素，認識和掌握人誤的普遍特征與規律，深入研究其內在的機制與機理；基于航天獨有環境對人誤的影響機制，構建航天環境下人誤的認知行為模型，建立人誤預測與預防方法；并針對航天任務特點開展人因可靠性分析、評估及可靠性提高方法的研究。人-系統整合設計與評估是從系統層面建立人機功能分配、作業任務設計以及系統效能評估相關的理論、方法、流程和技術。

圖2　航天人因工程研究體系圖Fig.2 Research system of space human factors engineering

3　當前研究重點與進展

航天人因工程研究范圍很寬，下面僅就當前研究的重點、熱點和未來發展方向進行闡述。3.1航天員作業能力與績效

深入了解人在太空中的能力和局限性，是開展人-系統整合設計、任務規劃等重要活動的基礎和保障。NASA在國際空間站建設之初，即通過對空間飛行中人的優勢（智力優勢，對未知或非結構化情景的響應能力等）和局限性（生理局限、個體差異、重復單調的工作容易疲勞和出錯等）的大量基礎研究［9］，從而為空間站人-系統整合設計提供了關鍵的數據和理論基礎。面向未來的載人登火星、深空探測等任務，各航天大國都制定了相應的發展規劃，深入了解和認識空間環境因素對人能力的影響及變化規律［10-11］。

3.1.1人體參數及生物力學特性

隨著載人航天的發展，航天員人體參數及失重環境下骨肌生物力學特性的研究逐步深入，如NASA建立了涵蓋亞洲女性第1百分位到歐洲男性第99百分位的全球人體參數數據庫，有效地支撐了目前低軌道各類載人航天器的研制。同時研究表明，短期失重會導致肌肉質量丟失10%～20%，長期可能達到50%，這些會導致骨肌功能力量下降、運動操作協調性降低、體力疲勞增加［5］。對后續空間站任務，借助973國家重大基礎研究計劃，開展了45天頭低位臥床實驗、中性浮力水槽實驗、失重飛機實驗，研究了長期模擬失重對人的上肢、下肢關節和肌肉力量的變化規律，發現臥床前后固定姿勢下操作力下降，維持時間變短，長期失重也會導致步態模式等發生變化［12-14］，建立從地面、水下到失重飛機的一體的集成化測試平臺，獲取了失重狀態下人體的運動學、力學及肌電特性參數，為空間站設計提供有效支撐。

面向后續深空飛行及星球表面探測任務，長期和變重力環境對人感覺運動能力及協調性的影響成為研究重點，如2009年NASA在人的研究計劃中啟動了骨肌系統的FTT（Functional Task Test）測試項目，借助航天飛機和ISS任務開展神經肌肉、感覺運動響應等測試（爬梯子、開艙門、進出座椅、避障、移動物體等）。

3.1.2艙外作業能力

航天員著艙外航天服加壓后對關節活動性、操作力量、手靈活性等作業能力影響很大，如NASA研究給出，戴艙外服手套加壓后，手最大握力下降可達50%-70%［15，16］，目前針對軌道出艙航天員著艙外服后作業能力（簡稱人服作業能力）研究較為全面。我國也面向空間站的研制建立了涵蓋形態參數、活動空間、手作業能力、運送物品等9大類的人服作業能力體系及著服后能力變化規律，對空間站艙外活動工效學要求的提出提供了重要的支撐［17，18］。

后續此方面的研究將從軌道出艙人服作業能力向星球表面行走及操作能力拓展，開展服裝質心、壓力、結構特性等對人運動操作靈活性、舒適性、疲勞以及運動時服裝對人體損傷影響等研究。如NASA借助水下、荒漠、失重飛機等地面模擬環境，對未來載人登月等任務可能的任務（走、跪、爬等）開展功能活動性測試，建立各個關節面向任務的功能活動性要求，并對出艙活動中手和前臂的肌肉疲勞進行了研究，探索上肢關節角度和肌肉疲勞的關系等［11，19，20］。

3.1.3感知覺和認知能力

空間失重等特因環境會對人的感知覺產生一定的影響，美俄等國在其載人航天任務之初就對飛行中微重力等環境對人的感知覺開展相關研究，發現微重力環境可導致航天員視域變窄、對比敏感度變差、眼壓升高等視功能變化，航天器艙內噪聲對航天員聽力也會產生很大影響。如俄羅斯借助多次飛行任務開展了短期飛行視覺能力與特性研究，聯盟4號和5號任務4名航天員3人高低對比視力出現10%的下降，1人高對比視力出現20%的提高；聯盟9號1名航天員高對比視力中下降18%，低對比視力下降4%［21］。最近NASA的研究發現長期飛行的失重環境會導致視功能下降，甚至出現視損傷，并在2013人的研究計劃項目財年報告中將視覺損傷與輻射同列為未來飛行任務不可接受風險，同時借助國際空間站平臺，啟動了視覺損傷/顱內壓風險評估項目（VlIP），對在軌飛行30天后利用MRI對眼睛視敏度、眼睛結構和功能、體液分布等進行研究［19］。

另外失重、狹小空間、晝夜節律變化等因素會引起各感知通道輸入信息出現不適應或相互沖突，航天員出現空間失定向、眼動神經功能改變和主動視覺退化、手動控制能力下降、平衡和運動功能障礙等［22-25］。同時長期工作負荷、睡眠缺失導致認知能力下降、腦力疲勞增加，跟蹤作業績效和和雙作業效能也出現下降［26］，如NASA通過地面研究發現睡眠剝奪（如18小時沒睡眠）導致認知和操作績效下降，類似于人體血液中含0.5%-1%酒精的狀態，但總體而言，由于研究樣本量有限，對于人在長期空間飛行中感知覺和認知決策能力變化規律及腦的可塑性相對知之甚少，這也是當前國際航天飛行重點關注的。針對此，航天人因工程一方面開展標準和定量化的在軌認知特性測試與評估技術、疲勞預測技術等研究，另一方面對長期空間飛行下認知、行為以及神經結構/功能等變化進行研究，建立光、藥物等的生物節律與睡眠調節技術等。如NASA持續研發在軌神經認知評估工具（NeuroCATS），對航天員認知感覺、視覺記憶與學習、持續注意、工作記憶、空間定向、情緒識別、矩陣推理、視覺追蹤、風險決策以及警覺性進行測試，在2012年實施“長期飛行操作水平評價”項目，開展長期飛行前后模擬航天器操控能力研究，并啟動“空間飛行對神經認知功能的影響”項目，研究飛行對腦結構和功能影響及其與認知和感覺運動能力相關關系［19］。

3.1.4心理、情緒和行為健康

隨空間飛行時間延長人的心理、情緒問題增加。長期空間飛行容易引起焦慮、抑郁或心理疲勞、人際關系不和諧等問題，從而導致作業負荷增加，人因可靠性降低。研究表明，社會心理應激因素對于超過6星期的長期航天飛行任務比對短期航天飛行任務影響更大，會導致負性情緒增加、人際關系緊張等。面對未來深空和星際探測，針對長期空間飛行對航天員心理、情緒及行為健康的影響的研究已經成為重點［27］。如美國生命科學部通過艾姆斯（Ames）中心支持，研究在不熟悉和高壓力環境下人腦高層次決策能力的關鍵因素。針對國際空間站多國乘員組成的情況，NASA特別關注團隊協作和社會心理特征評估技術及關鍵影響因素研究。NASA與2008年開始建立人的行為和績效資質要求，用于選拔和評估空間站乘組，該資質沒有包括所有相關的資質要求，如認知和能力，包括但不局限于集中力、記憶、感知、想象力和思考力［28-29］。俄羅斯組織開展了Mars500實驗，開展長期隔離環境對人心理、行為的研究，建立定量化評估方法（包括動機水平、情形決策、識別差異等），研究發現長期隔離環境受試者出現沮喪和精神運動能力下降，發現了身體荷爾蒙水平與工作和睡眠計劃紊亂的關系［30］。

我國在載人航天工程和國家973項目的資助下，利用地基模擬和天基飛行，開展面向長期空間飛行下人的航天員作業能力變化規律及機制研究，探索了長期失重、狹小空間和生物節律紊亂等特因環境引起的感知覺和認知能力變化、失重下骨肌質量丟失的信號網絡機制及防護途徑，形成了涵蓋人的基本特性、行為和績效三個層次的骨肌生物力學和認知能力基礎數據庫，初步具備了對長期空間飛行下人的能力變化規律的分析和測量能力。我國在神九和神十任務中，開展眼手協調性、空間認知、風險決策等認知能力研究，并通過焦慮問卷等對航天員飛行前中后的情緒狀態進行了測試［31-33］。

3.2航天器人機界面與人機交互

航天器人機界面是航天員監視、操縱航天器完成任務的重要接口和途徑，其設計的優劣直接影響操作績效及任務成功。當前航天任務的復雜度和航天器的自動化水平不斷增加，對人機界面設計與評估技術面臨更多的挑戰。在此領域包括以下研究重點［34-38］：

3.2.1航天器人工控制工效

主要指航天員對航天器進行交會對接、對地定向、起飛或著陸等操作，是一個典型的人在回路動態精細操控任務，涉及到圖像顯示、控制手柄、飛船控制特性等的航天人因工程關鍵問題，美俄等國早在60年代就開展大量的研究，我國也在神九、神十任務中針對飛船手控交會對接任務關鍵認知特性、對接系統的靶標、操作手柄以及飛船控制特性等相關工效設計開展大量研究，優化了靶標設計方案、多參數多自由度圖形顯示頁面設計以及手控交會對接綜合評估模型等，確保我國首次手控交會對接任務的成功［39-41］。當前NASA將人工控制的研究重點放在未來登月及火星等星球表面探測航天器的人工控制上，針對飛船在上升及著陸中操作控制界面開展情景意識、操控品質以及振動對操作工效影響等相關問題研究，該結果對指導星座計劃中獵戶座飛船的研制起到重要的支持作用。

3.2.2星球表面出艙活動任務

無論近地軌道飛行還是未來的登月、登火星等，艙外操作任務必不可少，其人機界面設計必須與航天員著艙外服后操作能力相匹配，這也是艙外人機界面設計與評價的重點。美俄等國在軌道出艙相關研究上已經取得大量成果，在艙外作業區空間布局、操作力、艙外工具等形成了較為成熟的技術和規范，我國借助神七出艙活動任務和空間站任務，建立了出艙活動人機界面工效設計要求、地面和水下的工效評價技術。當前NASA將艙外人機界面的研究重點放在星球表面艙外活動人因問題進行研究，構建了荒漠、水下等模擬環境下研究與測評技術，對航天員-艙外服-星球探測車系統開展布局及界面設計開展分析與評估。

3.2.3先進交互技術中的人因工程問題

人機交互技術快速發展為航天員在軌信息管理、航天器操作控制等提供了新型的交互途徑，但如何建立與人的認知行為特性相匹配的交互模式，解決多通道信息的語義融合（語言、手勢、眼神、身體姿勢等）、多維信息的整合和協同模式等成為當前航天人因工程關注重點，也是確保這些先進技術真正得到在軌應用的前提。NASA針對在軌信息管理，研制了非手操作的，柔性、可移動信息系統技術（MIST，Mobile Information System Technology），并借助失重飛行開展相關人因問題研究。

3.2.4人-機器人協同

機器人技術的快速發展使得未來人機器人聯合進行星際探測成為發展的必然，因此如何確保人機器人協同高效工作成為后續人因研究的重點，NASA在其人的研究計劃中提出了人與自動機器人整合（HARI，Human and Automation/Robotic Integration）項目，在對前期空間機械臂、靈巧機械手（SPDM，Special Purpose Dexterous Manipulator）和機器人2號（Robonaut2）等綜合分析的基礎上，提出了人機器人交互技術發展的重點和差距，人機功能分配、與人的認知能力相匹配的高效交互模式、以及非侵入情景感知和負荷測試技術成為關注重點。如NASA對其R2機器人開展人機協作研究，采用“觀點采擇（Perspective-taking）”模式增加交互過程中機器人的擬人化思維能力，并研究其對人-機器人團隊績效影響，提升團隊協同作業能力和績效［42］。

3.2.5空間適居性和維修性中的人因問題

乘員艙空間布局及視覺效果、生活設施方便性、工作任務安排合理性及睡眠等多個方面都對適居性產生影響，但如何建立有效的在軌測試技術和方法，成為發現和提升航天器適居性關鍵，NASA在ISS任務中成立了適居性運行團隊，負責識別和分析執行飛行任務適居性問題，如NASA針對睡眠缺失問題，研究了不同頻譜的光對“睡眠-覺醒”影響，研究結果用于空間站照明設計。另外以安全性為中心在軌維修工效研究中，重點解決操作工況苛刻、非專業維修人員、心理應激程度高等帶來的人因問題，確保維修界面、程序及信息支持系統滿足航天員在軌維修操作需求。

3.3航天人誤與人因可靠性

隨著載人航天系統及任務復雜性不斷提高，航天員在任務回路中的參與度不斷增強，人的失誤引發航天異常、故障和事故的問題日益凸顯，使得各國航天機構逐漸意識到人的失誤（下文簡稱人誤）可能導致系統可靠性降低、甚至飛行任務失敗、人員傷亡和經濟損失。載人航天領域人誤與人因可靠性研究的發展經歷了兩種模式，一種是以成熟的人誤與人因可靠性分析方法為基礎，結合載人航天的特點，進行適用化改進。另一方面，是開發針對性的人誤管理工具。NASA目前將人因可靠性和人誤分析納為NASA總部的安全與任務保證辦公室工作的重要組成部分，對人誤與人因可靠性的關注已逐步上升到戰略層次。結合認知科學與人因可靠性的最新發展，研究航天飛行因素對人誤的影響，深入研究人誤機制與機理，瞄準長期飛行開展人誤預測技術，人因可靠性改善與提高方法，從而確保航天員-航天器系統的可靠性與安全性［43-45］。

3.3.1人誤特征與機制研究

明確不同任務下的人誤特點、規律及其影響因素，對于工程系統針對性的改進任務流程與設計、人機界面設計、人員選拔和訓練都有非常重要的意義。NASA借助于核電站發展起來的人誤分類方法與人因可靠性分析方法，對已經發生的載人航天事故進行了人誤的原因、特點分析。NASA已經采用THERP、ATHEANA以及CREAM方法對借助真實飛行任務獲取的人誤數據（包括地面指控數據）進行了分析，進行了人誤分類和特點分析，并對其原因進行了追溯分析［8］。

研究人誤的最終目的之一是減少和預防人誤，揭示人誤發生的內在機制與機理，明確人誤的作用途徑，可為人誤的預測與預防提供理論基礎，并為采取針對性措施減少人誤提供支撐。NASA特別重視在軌飛行環境，尤其是長期在軌飛行環境及其導致的人的認知能力、情緒、生理等因素對人誤及人因可靠性的研究，在NASA安全和任務保障局推動的“空間飛行任務人因可靠性研究計劃（Space Mission Human Reliability Analysis Project，2014）”中就明確提出與人類計劃及其它相關領域密切合作，深入系統的研究各種影響因素對人誤的影響及其機制機理，從而為人誤的預測與預防提供理論支撐［44］。

3.3.2人誤預測與預防措施研究

人誤預測技術除了需要人誤機制與機理研究作為理論支撐之外，還需要構建相關的模型。根據預測的目標、對象的不同，可構建不同的模型。目前國際上的人誤預測模型實際上是借助于普通的認知模型（Cognitive Model）或者績效模型（Performance Model），如ACT-R（Adaptive Control of Thought-Rational）模型，MIDAS（Man-Machine Integration Design and Analysis System）模型、CES（Cognitive Environment Simulation）［45］等等。但是這些模型存在一個致命的缺點，由于這些模型開發的目標和出發點著重在于對于思維特征的描述，而不是以人誤動態分析與預測為重點的。因此，其在應用過程中存在一些問題。目前，NASA正在開展基于任務網絡、認知模型和視覺模型的人誤分析與預測模型研究，通過對任務設計與安排、人機交互系統、環境因素等的系統分析，識別潛在人誤，提高系統可靠性。

預防人誤與提高人因可靠性是人誤與人因可靠性的重要目標。NASA、俄羅斯以及ESA等在預防人誤與提高人因可靠性方面，主要有兩種途徑。一種是通過制定嚴格的標準，包括工效學標準、工業設計標準、安全性與可靠性標準等，強制約束產品設計與生產方，確保系統和人的可靠性；并且系統性的介入產品設計與生產，迭代的進行產品工效學評價；第二種是通過工程管理、工業設計、人員選拔和訓練的方法，優化任務流程、人機界面設計、人員能力，增強系統的容錯能力，從而減少人誤提高系統可靠性。

3.3.3人因可靠性分析與評估

注重開發新的HRA模型、方法、工具以及標準體系。NASA特別重視對HRA模型在航天實踐應用中的適用性改進，同時推進相關軟件、表格等實用性工具及標準體系的開發。1998年，NASA成立了第一個針對空間飛行中人誤辨識、限制和管理的人因可靠性項目。該項目建立了一個人誤評估和減少的方法-人因過程失效模式與影響分析（HF PFMEA-Human Factors Process Failure Mode and Effects Analysis），可以識別潛在人誤因素（失效模式）以及人誤因素帶來的后果。后來該方法不斷發展，形成了HF PFMEA軟件（RELEX公司發布了其商用版本）和HF PFMEA訓練，并已成功應用于航天飛機、國際空間站等項目［6，46］。NASA于2006年6月組織了人因可靠性研究的頂級專家為美國載人航天撰寫了《NASA人因可靠性分析方法選擇指南》。運用整體決策樹（HDT，Holistic Decision Tree）方法對國際空間站（ISS）進行了人因可靠性分析。

我國在航天人誤和人因可靠性研究方面剛剛起步，針對長期航天飛行條件下航天員睡眠不足產生累積性腦力疲勞，開展了腦力疲勞狀態下人誤的績效影響因素的負性變化規律研究，初步揭示了腦力疲勞與持續注意能力之間的定量關聯，揭示了持續性注意能力與錯誤覺察能力存在密切的關聯，未來可作為人誤實時監測與預測的一個重要指標［7，47］。航天員中心人因工程重點實驗室正在開展對經驗人誤數據的分類分析，下一步結合機制與機理研究的成果，構建人誤的認知動態模型，提取顯著的績效、生理等特征（腦電、腦血氧）指標，并開發相關的軟件實現對人誤的預測。

長期空間飛行下人誤與人因可靠性對航天任務的完成至關重要，貫穿于航天器研制全周期。下一步研究重點是針對人誤與人因可靠性建立有效的分析和評估方法，全面識別長期在軌飛行條件下人誤的影響因素；研究典型航天任務的人誤特征、規律、機制與機理，結合認知模型建立預測模型，針對人-系統可靠性建立動態分析與評估方法。

3.4人-系統整合設計與評估

3.4.1以人為中心設計的理念HCDP（Human-Centered Design Philosophy）

NASA在幾十年的載人航天歷程中，不斷提升對人的因素的重視程度。NASA不僅提出“把人作為一個系統”HAAS（Human-As-A-System）設計模型，而且在技術標準和程序層面建立了人-系統整合設計要求（NASA-STD3001等），其中特別強調“以人為中心的設計”理念，要求所有載人系統的研發在全周期范圍內必須充分考慮人的特性。HCDP有三個突出特點即要求用戶方早期參與及不斷參與設計、進行性能評估、以及開展迭代式設計（設計-測試-再設計模式）。其過程至少應包括以下幾個方面［6，44，45］：a.操作概念和任務場景建立；b.任務分析；c.人-機功能分配；d.人員角色和職責分配；e.迭代式概念設計和原型系統構建；f.試驗測試與驗證（包括人在回路測試、基于模型的人-系統性能評估等）；g.人-系統性能在軌檢測。

3.4.2應激與作業負荷

作業負荷的評估是保證人-系統設計、人的工作合理分配的重要基礎。航天員長期在軌飛行面臨失重、晝夜節律變化等環境應激，以及繁重的工作等工作應激。這種環境與工作的綜合應激，導致航天員在軌作業負荷與地面相比存在較大的差異。NASA針對航天員腦力負荷的分析與評估，很早就開展了相關研究，包括逐步建立腦力負荷評價標準，NASA通過研究分析制定的負荷量表NASA-TLX，已廣泛應用于在軌飛行任務和地面諸如汽車、飛機駕駛等研究的腦力負荷評價中［48］。我國航天員中心應用客觀績效、主觀問卷、生理參數三種手段結合的方法對腦力負荷進行綜合評估，利用腦電和功能性近紅外（fNIRS）進行腦力負荷評估［49］；針對單一任務（N-back）及手動追蹤任務、組合任務（MATB）均有顯著的難度相關性，并且可以利用fNIRS的特征實現較高的非跨任務非跨時間的分類精度；利用fNIRS對模擬交會對接任務進行任務特性分解研究，得出模擬任務中分析、控制、時間壓力三個腦力負荷影響特征。

3.4.3人-系統整合（Human System Integration，HSI）

NASA通過總結載人任務成功經驗和失敗教訓，提出將作為指導載人系統研發實施全周期的工程化方法。HSI要求研發團隊從策劃、設計、運行、管理等各個方面確保“以人為中心設計”理念的落實，改進人機關系，預防人為差錯，消除安全隱患，避免設計反復，節約研制經費，最終實現系統安全、高效和經濟的目的。HSI涵蓋了與人相關的多個領域包括健康、選拔訓練、物資生活保障等，其中人因工程理論和方法是實現人-系統整合設計與評估的核心。NASA在對航天員能力績效深入研究的基礎上，面向航天器研制全周期的階段特點，在任務分析、人機功能分配、乘員艙適居性、顯示和控制界面、作業程序等方面開展以人為中心設計與評估技術研究，形成了包括任務分析、時間線分析，模型和仿真，可用性測試、負荷評估以及人誤和人的可靠性評估等方法體系。NASA在2007年將人因工程的方法體系寫入其系統工程手冊（NASA/SP-6105），指導航天器全周期的人-系統整合設計與評估［8］。

3.4.4適人性評估（Human-Rating）

NASA一直把安全放在首位，對所有新研項目專門提出適人性評估認證（Human-Rating Certification）要求。2008年NASA更新了《空間系統適人性評估要求》（NASA NPR 8705.2B），“星座計劃”就是按新要求開展了適人性評估認證的。一個通過適人性評估的系統就是能夠適應人的需求、有效利用人的能力、控制風險以確保人員操作安全，且一旦發生危險具備最大限度保證乘組安全恢復的能力。適人性評估應是系統研發全周期所有計劃活動中不可缺少的組成部分，包括：設計與研制，測試與驗證，計劃管理與控制，放飛前確認，任務運行，維護維修，升級與廢棄等環節。在實施管理上建立有效組織體系，NASA副局長（A-gency PMC主席）是最高決策者，對系統是否滿足適人性評估負責，NASA三個技術機構的主管（任務安全、工程、健康及醫療），負責適人性評估的實施，約翰遜中心主任負責乘員風險可接受性評估，最終結果需要通過獨立委員會審核。在項目各個層面上成立人-系統集成工作組（Human System Integration Group，HSIG），作為專門的管理機構推動實施規范化、科學化和有效性。要求在系統研制的每一個階段的關鍵里程牌評審中開展適人性的評估，可行性和時效性好，保障了NASA以人為中心設計思想在航天器研制全周期得以有力貫徹，保障航天器適人性設計水平和任務成功［47］。

我國30年前創立的人-機-環境系統工程理論與方法在理念與目標上與HSI很相似，其體現的系統工程思想與方法在我國載人航天任務中的到了有效的應用。從1992年載人航天任務啟動開始針對座艙布局、顯示與照明、人工控制等開展了深入研究，形成了包括飛船、空間站乘員艙、出艙活動任務和航天服等工效學要求和評價體系，有力的保障了從神舟5號到神舟10號載人航天任務的成功［3，7］。

面向未來載人航天復雜任務的需求，后續人-系統整合的研究重點主要包括：

1）必須進一步推動人-系統整合理念的持續深入和貫徹，這是確保該方向良性發展的思想基礎。正如NASA提出的不僅要在項目中將人-系統整合設計與評估專家參與進來，更重要的是要讓項目的管理者像這些專家們一樣思考問題。

2）大力推動航天器研制全周期人-系統整合測評技術發展，特別是基于仿真的測評技術和平臺建立，NASA對此十分重視，其人機整合設計與分析系統MIDAS由NASA Ames研究中心于80年代中期開始開發，到目前已經歷6個版本，并持續加大投入，已經能夠實現行為績效模擬、作業負荷分析、可視域、可達域分析等功能，對方案階段的人-系統整合分析與測評起到重要支撐［50］。我國航天員中心人因工程重點實驗室也借助973項目啟動了航天員建模與仿真系統AMSS的研制，初步實現了對骨肌生物力學、認知績效以及工作負荷等建模仿真［51-53］。

3）深入開展定量化、標準化人機界面分析測評技術的研究，這些指標對于推動人機功能分配、作業負荷定量化評估技術建立至關重要。統一的標準化的指標有助于我們實現跨評價項目的數據收集、跨系統共享。NASA已經提出將人作業精度指標、工作負荷指標、情景意識指標、認知指標、個性指標、情緒健康測量、人體參數、生理指標等人的績效指標進行規范化，并在各個評估階段進行測試和對比整合分析［46］。

4　我國航天人因工程發展建議

長期空間飛行和載人深空探測是國際航天未來的主要任務，這些任務在給人因工程研究帶來重大機遇的同時也帶來更多的挑戰，包括月球、火星探測等變重力環境下人的能力與績效、星球表面艙外活動、人機器人團隊協作、航天人誤預防和人因可靠性等必須解決的難題。目前我國空間站研制處于初樣研制的關鍵階段，后續任務也在醞釀之中。如何確保將我國的空間站真正打造成為航天員安全、可靠、舒適的太空之家？如何確保航天員在每次航天任務中充分發揮獨特作用以使系統獲得最大效益？充分借鑒國外經驗，切實重視并推動我國航天人因工程研究和應用不僅十分迫切更具有長遠意義。特別應在以下幾個薄弱環節做出努力：

4.1理念與認識

經過近20年的發展，從項目的頂層管理者到具體的工程設計人員對系統中的人因問題的認識有了提高，但對人因工程涉及的理念和方法理解不深。人因工程是對傳統工效學的超越，它不僅著眼工作績效的提高，更把消除隱患確保安全置于首要。人因工程的研究重點之一是全周期的關注人-機關系，而人-機關系本質上講是人-人關系，因為機是人的創造物，必然打上人的烙印，表現在產品研發上是設計者與使用者（用戶）之間的關系。設計者與使用者是對立統一體，設計者常常把自己當成使用者，而使用者常常對設計者期望過高，人因工程提供了解決這種沖突達到系統諧同的科學途徑。因此，亟需加強“以人為中心的設計”理念宣貫和推動，在工程全線深入領會“人因”，人-系統整合設計對任務完成的重要性，真正從管理到技術各個環節作為一種必須遵守的原則和設計約束來認識和貫徹。

4.2組織與管理

目前我國載人航天系統的人-系統整合設計在組織和管理層面上做了一些規定，包括載人航天器出廠放行需要通過工效學分系統的評價，但總體來說缺乏系統性，缺少頂層規范和成系統的組織管理保障。一方面，組織機構不健全，只有一個分系統以技術形式開展要求和測評研制工作，缺乏各層次相應的組織機構；另一方面，在管理上不嚴格，更多的是航天員系統和工程方之間一種系統間技術溝通，無論從規范性和嚴格程度上都不足。因此必須加強頂層策劃，建立起多層次組織和管理體系包括第三方工效測評體系，保證航天器人-系統整合設計及評估在航天器全周期研制中的貫徹和落實。

4.3技術與研究

前期的載人航天工程，航天人因工程面向工程需求開展了一些研究，但面向未來空間站長期飛行和載人登月任務，在技術和研究上都存在較大差距。一方面針對長期空間飛行中人因問題在研究深度和廣度上存在不足，基礎數據、規律、技術方法的儲備等無法滿足任務需求；另一方面在研究和測評平臺的完整性和先進性上也存在不足，無法解決后續測試與評價中的定量化、系統化和覆蓋性要求。應充分發揮工程部門、科研院所、高校等在不同層次研究特點，進行分層次科研規劃和管理，同時可借助人因工程重點實驗室的國家級科研平臺，推動國內科研力量整合，拓展人因工程的研究廣度與深度。

4.4制度與標準

航天人因工程在人-系統整合中作用的發揮必須依靠制度與標準支撐，前期雖然形成一些工效學要求和部門標準，但標準全面性不夠，等級不高，推廣和執行過程中制度保障不足，作用發揮有限。我國空間站涉及多艙段、多平臺、多系統融合，設計必須貫徹通用化、標準化要求。應加強人因標準和規范研究，盡快形成我國空間站工程人-系統設計要求和規范，也為后續任務打下良好基礎。

4.5投入與保障

工效先行是產品研制的基本原則。人因和工效學要求往往在產品設計前需要提出和明確，而在約束指標、設計和評價技術方法上研究越深入、定量化程度和可操作性越高，對航天器人-系統整合設計保障越強。目前在航天產品人因工程的先期工作中還存在以下兩個方面的不足：一方面我國工程型號中基礎研究經費來源單一，可投入預先研究的經費嚴重不足，無法滿足后續任務需要；另一方面，工效學和人因研究應先行先投入，可由于任務偏“軟”，條件保障往往得不到應有的重視。應切實改變觀念要在工程研制的前期階段部署相關人因工程的先行研究工作和平臺建設工作，拓寬經費支持渠道，加大保障力度。

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Advancement in Space Human Factors Engineering

CHEN Shanguang1，2，JIANG Guohua2，WANG Chunhui2
（1.China Manned Space Agency，Beijing 100720，China；2.National Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

Space Human Factors Engineering（SHFE）is the application of Human Factors Engineering（HFE）in themanned space field，which adheres to the philosophy of astronaut-centered design，focuses on the bestmatch and systematic integration of human，machine and environment in manned spacemissions in order to ensure the safety，comfortability and performance of astronauts. In this paper，the concept and role of SHFE was introduced and the research features and trends of SHFE was analyzed by reviewing its progress in China and abroad.The technical system of SHFE was proposed according to the requirements of futuremanned spacemissions in China on the study of SHFE.The contents and roadmap of SHFE researches in Chinawere also proposed in terms ofmanagement and technology.

manned spaceflight；human factors engineering；human machine interaction；human system integration；human-rating

R85

A

1674-5825（2015）02-0095-11

2014-11-01；

2015-02-10

國家重大基礎研究973計劃項目（2011CB711000）；中國載人航天工程預先研究項目

陳善廣（1962-），男，博士，研究員，中國載人航天工程副總設計師，國際宇航科學院院士，研究方向為航天人因工程。E-mail：shanguang_chen@126.com