穿艙路徑對空間站內航天員定向任務績效影響的仿真試驗研究

郭俊鵬，姜國華，劉玉慶，安 明，胡福超

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094）

穿艙路徑對空間站內航天員定向任務績效影響的仿真試驗研究

郭俊鵬1，2，姜國華1，2，劉玉慶1，2，安 明1，2，胡福超1

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094）

航天員在空間站內的不同艙段間穿行時常常會遇到失定向的問題。為了探究不同穿艙路徑對航天員完成定向任務的影響，建立了多艙段的空間站虛擬環境，并開展試驗，研究了不同穿艙路徑中完成定向任務績效的差異。結果表明：定向任務的績效在不同種類的穿艙路徑間具有顯著差異，失重條件下運動方式的變化會造成定向任務績效的下降。研究結果可以為航天員空間站內定向訓練和空間站內導航輔助標識的設計提供參考。

空間站；虛擬仿真環境；空間定向；路徑構型

1 引言

按照載人航天“三步走”的戰略，我國未來將要建成長期有人照料的空間站［1?2］。與空間實驗室相比，空間站具有更多的艙段數和更大的內部空間。當航天員在不同艙段間穿行時，由于重力的缺失和空間站的復雜結構，航天員往往難以形成對空間站多個艙段間方位關系的整體認知，從而難以做出正確的定向判斷［3］。國外空間站運營的經驗表明，航天員在空間站中的定向能力是關系到其日常工作效率以及緊急狀況下空間站和航天員安全的重要技能［4?5］，因此對航天員在空間站內定向任務的特點進行研究，開展飛行前的航天員空間站內定向訓練是十分必要的。

失重環境中，航天員無法依賴前庭覺和本體覺確定豎直方位，只能依賴艙內環境中的視覺線索來進行“上”、“下”的區分［6］，因此空間站的每一艙段通常都采用在各個艙壁上設置不同的視覺線索的方法來人為地建立艙段的局部視覺正向，幫助航天員形成天地方位感［7］。空間站各個艙段的局部視覺正向大部分都朝向同一方向，這一方向也定義了空間站的整體正向，但是由于空間站結構的限制，仍會有部分艙段以局部視覺正向和空間站的整體正向不一致的方式連接，這使得航天員在不同艙段間穿行時可能面臨局部視覺正向的變化，從而使其定向判斷更加困難［8］。研究不同的穿艙路徑對航天員完成空間定向任務的影響，可以揭示失重環境中的空間定向特點，發現引起航天員定向困難的深層次原因，從而更有針對性地開展航天員飛行前的定向訓練。

在地面上由于重力的限制，通常的實物訓練模擬器難以模擬失重環境下空間站內多身體朝向、多艙段間的定向任務。虛擬現實技術則為解決這一問題提供了良好的途徑［2，9?12］。利用虛擬現實技術，可建立仿真的空間站場景，模擬失重條件下只能依賴視覺線索進行定向判斷的特點，在地面環境中為航天員提供以多種身體朝向在空間站虛擬環境中漫游的體驗。本文基于建立的空間站虛擬環境，模擬航天員在不同艙段間穿行時的空間定向任務，進而通過試驗研究分析了穿艙路徑的變化對航天員空間站內定向任務績效的影響。

2 空間站虛擬環境的建立與交互

為了能夠充分研究不同穿艙路徑對空間站內定向任務的影響，本文建立的空間站虛擬模型由11個艙段組成，包括兩個核心艙、五個實驗艙、兩個節點艙、一個載人飛船和一個貨運飛船。各個艙段的內部都具有豐富的視覺線索如圖1所示，航天員在艙內可以依據這些視覺線索判斷出艙段的局部視覺正向。所建立的各艙段的名稱及構型外觀如圖2所示，各個艙段旁的箭頭表示該艙段的局部視覺正向的方向。由于除了實驗艙IV和實驗艙V之外，其他各艙段都位于同一平面上，因此將該平面稱為空間站的主平面。

利用建立的虛擬環境，可以模擬第一人稱視角下的空間站內穿艙過程。由于失重條件下人的運動不再被限制在二維平面上，而是可以進行包括俯仰、滾轉在內的六個自由度運動，因此為了模擬失重條件下的這一運動特點，采用六自由度的三維鼠標作為在虛擬環境中漫游的交互方式，圖3即為三維鼠標及其對各個自由度上運動方式控制的示意圖。

3 穿艙試驗設計與實施

3.1受試者

試驗中共招募了16名男性受試者（25.6±1.6歲），均為具有工科背景的研究生，之前沒有過類似的空間站內穿艙任務經驗。

3.2試驗任務

本研究的主要目的是考察不同的穿艙路徑對受試者完成空間定向任務的影響，因此既需要受試者能夠完成在空間站虛擬環境中的穿艙過程，也需要設置合適的定向任務在穿艙過程結束后對受試者進行測試。穿艙過程中，受試者按照既定的路徑利用三維鼠標進行操控即可，由于虛擬空間站的多艙段構型，每個節點艙處都連接有多個艙段，為避免受試者在穿艙過程中到達節點艙時無法自主確定下一個應該進入的艙段，本試驗中為受試者提供了專門用于穿艙過程的路徑構型，使受試者在節點艙處有且只有一個下一個能夠進入的艙段，即受試者到達節點艙后，除去剛剛經過的艙段外，只能看到一個新的艙段的入口，而節點艙的其他艙門則處于關閉狀態，受試者無法通過。通過這種方式，受試者可以自主地唯一確定下一個應該到達的艙段，而不必依賴外部的提示。按照這一思路選取的12種不同的穿艙路徑的構型如表1所示，每一路徑構型圖片旁的符號“S”表明該路徑中穿艙的起始艙段。該表不僅列出了用于穿艙的路徑構型，還列出了每一路徑包含的艙段數以及受試者在穿行過程中運動的控制方式。

表1 試驗中選取的十二種穿艙路徑及其相關參數Table 1 Twelve route configurations used in experiment and their parameters

在穿艙過程結束以后，受試者依據屏幕上的提示信息進行空間定向任務測試。試驗設計了回指任務和路徑重構任務作為對受試者定向判斷進行考察的任務。回指任務是指受試者在到達穿艙過程的終點后需要回指穿艙過程起始艙段的位置，指向的方式為以受試者為中心，將全部空間劃分為26個方向，這26個方向可以從水平和豎直兩個維度進行描述：即從水平方向的維度、沿順時針的順利來說，有“正前”、“右前45°”、“正右”、“右后45°”、“正后”、“左后45°”、“正左”、“左前45°”這八個方向；這八個方向上，每個方向從豎直方向的維度來說，又有“斜向上”、“水平”和“斜向下”三種情況，比如對水平維度上的“右前45°”這一方向來說，可以有“右前45°斜向上”、“右前45°水平”和“右前45°斜向下”這三種不同的情況。因此，將水平維度上的8個方向和豎直維度上的3種方式進行組合，可以得到24個方位的指向，再加上“正頭頂”和“正腳底”兩個方位，即共有26種方位指向。對處于三維空間中的人而言，這26種方位指向涵蓋了其他物體相對于自身所有可能存在的方位。但由于試驗中需要受試者判斷的目標方位不會出現“正頭頂”和“正腳底”這兩種情況，因此本試驗的回指任務中只設置了24種可能的指向，受試者完成回指的過程為：首先根據屏幕上的提示信息按鍵選擇目標方位在水平維度上的方位，之后再按鍵選擇在豎直維度上的方位。通過這兩個步驟即可完成對穿艙過程起始艙段方位的回指任務。

在回指任務之后，受試者需要完成路徑重構任務。這一任務要求受試者在世界坐標系中通過按鍵選擇，重構出穿艙過程中經歷過的艙段之間的連接方式，這一任務考察了受試者對多個艙段間構型關系的理解能力。受試者完成路徑重構任務的過程如圖4所示，受試者通過選擇相應的數字按鍵做出相鄰艙段方位關系的判斷，例如在圖4（a）下，依次選擇數字 4、1、6，則依次構建出（b）、（c）、（d）的路徑。 需要注意的是，在這一任務中，節點艙并不計入在內。

試驗在桌面式虛擬現實系統中進行。在正式試驗前，向每名受試者提供三個用于熟悉三維鼠標操作和試驗流程的練習任務，確保所有受試者經過練習后都能夠熟練操作三維鼠標并正確理解試驗流程。為了平衡穿艙路徑順序可能對試驗結果造成的干擾，令一半的受試者按照表1中的編號1～12的順序依次進行穿艙過程，而另一半的受試者按照編號12～1的順序依次進行穿艙過程，在每種路徑下受試者只完成一次穿艙過程和定向測試任務。試驗中以受試者完成定向任務的準確度和反應時作為評價指標，對受試者完成空間定向任務的績效進行評價，因此試驗過程中記錄了受試者完成回指任務的回答和反應時間以及路徑重構任務的回答和反應時間。

4 試驗結果分析

4.1試驗結果的描述性統計

由于按照路徑編號1～12順序完成試驗的8名受試者和按照路徑編號12～1順序完成試驗的8名受試者間，在試驗考察的績效數據上并沒有顯著性差異，因此在試驗數據的分析中將這兩類受試者的試驗數據放在一起進行分析。首先對全體16名受試者在12種不同路徑下完成回指任務和路徑重構任務的績效進行了描述性統計。

1）回指任務的績效統計

16名受試者在12種不同的穿艙路徑下回指任務的回答錯誤個數和反應時間分別如圖5和圖6所示。由于共統計了16名受試者的數據，因此回指任務錯誤個數的上限即為16個。從圖5中可以看出，受試者在不同路徑下回指任務中的表現有所差異，在編號為3、7、10的三種路徑下，回指任務錯誤的個數超過了受試者總數的50%，而在編號為1、2、5、12的四種路徑下，僅有12.5%的受試者判斷錯誤，在其他五種編號路徑下判斷錯誤的個數則分布在30%～50%之間。從完成任務的反應時的角度來看（圖6），全部12種路徑下完成回指任務的平均反應時為34.39 s，編號為3、4、6、7、10的五種路徑下，受試者的平均反應時均超出這一平均值的30%以上；在第11號路徑下的平均反應時雖然接近全體的平均值，但也超出了4.32 s；其他路徑編號下的平均反應時則低于總體的平均反應時，其中在2號路徑下的平均反應時還不到總體平均反應時的一半。

從反應時的時長可以看到，在到達路徑的終點后再判斷起始艙段的方位，并不是一個容易的過程，受試者完成這一任務需要花費的時間平均達到了30 s以上，說明受試者為了完成這一任務需要進行充分的思考，并不能通過直觀印象來完成，這也印證了空間站內的定向任務確實具有一定的難度。

2）路徑重構任務的績效統計

對不同路徑下的路徑重構任務中受試者選擇的錯誤數和平均反應時進行統計，得到的結果分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看到，全部16名受試者在不同的路徑下對路徑重構任務判斷錯誤的個數在0到6之間分布。與回指任務相比，路徑重構任務的錯誤個數明顯減小，而且不同路徑下路徑重構任務錯誤個數的分布模式和回指任務的錯誤個數分布模式明顯不同。這也印證了這兩類任務考察的是不同類型的空間關系的認知，路徑重構任務重點在于考察受試者在世界坐標系中對艙段間結構關系的認知；而回指任務則重點考察受試者在自我中心的坐標系中對艙段間方位關系的認知。

路徑重構任務反應時的分析中，考慮到不同路徑包含的艙段個數不同，而需重構的艙段個數可能會對反應時造成影響（艙段數多的路徑完成路徑重構任務的時間長），因此對重構任務中的反應時按艙段數取平均能夠從一定程度上消除不同路徑中艙段數不同的影響。由此得到的按路徑中艙段數取平均后的重構任務反應時如圖8所示。

從以上各項定向任務績效指標的分析中可以看到，在各項指標中都存在部分路徑的績效指標明顯優于或劣于其他指標的情況，這說明穿艙路徑確實會對空間定向任務造成影響，但是不同路徑的哪些特點造成的定向績效間的差異卻需要進行進一步的分析。

4.2不同穿艙路徑下定向任務績效的分類比較

本小節在上一小節對試驗結果描述性統計的基礎上，對12種穿艙路徑的特點進行分析，并將這些穿艙路徑歸納為不同的類別，進而分析了不同類別間定向任務績效的差異。

在三項任務的績效指標中，受試者在編號為1、2、5、12的四種路徑下的定向任務都有相對較好的績效。由表1中列出的各個路徑的屬性可以看到，這四種路徑中的各個艙段都位于同一個平面內，受試者在其中穿行時只需要進行平移和偏航的運動控制，而不需要進行俯仰或滾轉的運動控制，這與地面重力環境中的運動方式類似，為了便于后文的敘述，將這四種路徑稱為A類路徑。在編號為4、8、9、11的四種路徑中，受試者需要經過若干次的俯仰才能夠完成穿艙過程，但是到達終點艙以后，不需要進行進一步的姿態滾轉來調整自身的朝向和艙段的局部視覺正向一致，將這四種路徑稱為B類路徑。在編號為3、6、7、10的四種路徑中，受試者在穿艙過程中不僅需要經過若干次的俯仰運動，在到達終點艙后還需要進行90°或180°的滾轉來將自身的朝向和艙段的局部視覺正向調整一致，將這四種路徑稱為C類路徑。

將回指任務中的錯誤個數和反應時間、重構任務中的錯誤個數和艙段平均反應時間作為因變量，以路徑的種類為自變量，對全部16名受試者的數據采用單因素方差分析的方法來比較不同種類路徑下的績效差異。在進行方差分析之前首先對受試者的各項績效數據進行正態性和方差齊性檢驗，檢驗結果表明各項績效數據滿足正態性和方差齊性的要求，可以適用于方差分析。方差分析的結果如表2所示，從該表中可以看到，以0.05的顯著性水平作為標準，回指任務的錯誤個數和反應時指標組間差異顯著（方差分析結果分別為 F（2，9）＝32.318，p＜0.001；F（2，9）＝24.270，p＜0.001），路徑重構任務的艙段數平均反應時指標組間差異顯著（F（2，9）＝5.702，p＜0.05），但是路徑重構任務的錯誤個數指標組間的差異不顯著（F（2，9）＝3.432，p＞0.05）。

表2 定向任務績效按路徑種類的方差分析結果Table 2 The ANOVA of orientation task performances by the type of route configurations

對不同路徑種類下的各個指標進行兩兩差異比較，結果如表3所示。從表中可以看到到，B類路徑在回指任務的錯誤個數和反應時指標、路徑重構任務的艙段數平均反應時指標上都顯著高于A類路徑，在路徑重構任務錯誤個數指標上和A類路徑的差異不顯著；C類路徑在回指任務的錯誤個數和反應時指標、路徑重構任務的艙段數平均反應時指標上都顯著高于B類路徑，也顯著高于A類路徑，但是在路徑重構任務錯誤個數指標上只顯著高于A類路徑，和B類路徑間沒有顯著性差異。各項績效指標數值越高說明受試者完成的績效越差，因此在這三類路徑中，綜合來看，C類路徑受試者的績效最差，A類路徑受試者的績效最優，B類路徑的績效介于兩者之間。這一結果也與三類路徑中穿行過程的難度一致：在A類路徑中，受試者的運動方式和地面類似，路徑中的各個艙段都位于同一個平面內，受試者不需要進行俯仰和滾轉；在B類路徑中，受試者需要經過俯仰運動進入其他艙段，但是到達終點艙后不需要進行滾轉來調整身體朝向；而C類路徑中，需要受試者進行俯仰運動，在到達終點艙段后還需受試者進行滾轉運動來調整身體姿態。不同類別的路徑間這種運動方式的差異，可能是造成其定向任務績效間差異的原因。

表3 穿艙路徑試驗結果方差分析的多重比較結果Table 3 Multiple comparison of ANOVA of route configuration experiments

5 討論

空間站的多艙段結構決定了航天員在其中生活和工作時需要在不同的艙段間穿行，并可能需要在穿行的過程中判斷其他艙段所在的位置，但是在空間站中由于重力的缺失和艙段間局部視覺正向的不一致，航天員常常會進行方式更加多變的運動過程，能夠進行包括俯仰、滾轉在內的六個自由度上的運動。這些新的自由度帶給了航天員在地面上未曾經歷過的空間關系變換方式，由此可能會對定向任務帶來不利的影響。本試驗的結果也驗證了這一可能性，當穿艙路徑中的艙段全部都位于同一個平面內時，受試者能夠很好地完成空間定向任務；而當艙段位于不同的平面上時，受試者完成定向任務的能力則明顯下降。Mou等［13?15］的研究曾指出，在地面重力環境中，人的空間認知能力會受到物理空間中的“邊界”的影響，基于這些“邊界”劃定的范圍，人在某一局部范圍內對空間關系的判斷通常會優于跨越這些范圍之間的方位關系的判斷。受到這一 “邊界”理論的啟發，可以將空間站的多個艙段進行不同“邊界”和“范圍”的劃分。基于試驗研究的結果，空間站結構中“邊界”應該定義在位于空間站主平面上的艙段和與空間站主平面豎直連接的艙段之間，雖然該“邊界”并不實際存在，但是當航天員的運動跨過這一“邊界”時，其完成空間定向任務的能力卻會有明顯的下降，因此當航天員在進行跨“邊界”的運動時需要對相關的空間關系給予特別的關注，以免迷失方向。

對受試者在定向任務中錯誤種類進行分析發現，受試者出現錯誤的首要類型是在進行俯仰或滾轉運動時，沒有正確更新周圍環境相對于自身的空間關系。以圖9所示的情況為例，當受試者在從核心艙I進入實驗艙V的時候，由于其進行了俯仰運動，周圍物體的空間關系發生了相應的變換，在判斷起始艙段的方位關系時需要結合這一變換進行考慮，否則就會把本應位于自身“正后方斜向上”方位中的艙段（圖9（a））誤判為位于自身“正后方斜向下”（圖9（b）），而如果俯仰運動之后又疊加滾轉運動時，受試者在進行空間方位判斷時就會更加困難，這也是在甲乙丙三類路徑中受試者的績效依次下降的原因。

6 結論

本文基于建立的空間站虛擬環境開展試驗，研究了在空間站內不同艙段間的穿行過程中，穿艙路徑對定向任務績效的影響，研究發現在需要進行俯仰、滾轉等方式的穿艙路徑中，人對空間方位的正確判斷會更加困難、更容易出現錯誤。

本研究的成果可以為航天員飛行前的空間站內定向訓練和空間站內導航輔助標識的設計提供參考。在空間站內定向訓練中應當更多地關注航天員在進行俯仰、滾轉等運動之后的方位判斷能力；在空間站內導航標識的設計中，針對某些更容易出現方向迷失的艙段應更有針對性地設計相關的導航標識，來幫助航天員更加準確高效地完成定向任務。

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（責任編輯：康金蘭）

Simulation Research on Effects of Route Configuration on Spatial Orientation Task Performance of Astronauts inside Space Station

GUO Junpeng1，2，JIANG Guohua1，2，LIU Yuqing1，2，AN Ming1，2，HU Fuchao1

（1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 10094，China；2.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

Disorientation is one of the major problems that astronauts usually met when navigating across different modules inside a space station within various routes.To explore the role of route con?figuration in completing the spatial orientation tasks，a simulated virtual multi?module space station was established and an experiment was conducted.The results showed that the performances of the spatial orientation tasks varied significantly among the different types of the configuration of the routes.The change of movement model caused by weightlessness could lead to the decrease in the o?rientation task performances.The findings may contribute to the spatial orientation training and the design of the navigation aid system.

space station；simulated virtual environment；spatial orientation；route configuration

TP391.9

：A

：1674?5825（2017）02?0258?08

2016?03?31；

2017?01?25

國防基礎科研計劃（B1720132001）；人因工程重點實驗室基金資助（SYFD140051807）

郭俊鵬，男，碩士，研究實習員，研究方向為航天飛行訓練模擬技術。E?mail：dragonguo＠126.com