航天器人控交会对接系统工效学要求与评价技术研究及实践

黄伟芬，田志强，王春慧

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094）

航天器人控交会对接系统工效学要求与评价技术研究及实践

黄伟芬，田志强，王春慧

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094）

从人-系统整合的角度分析提出了工效学要求指标体系，通过试验研究确定了工效学要求，基于小样本理论和可靠性试验方法建立了复杂人控回路工效学评价方法。对人控交会对接系统工程设计开展了系统级评价试验，重点评估了航天器显控系统与人的能力匹配性；结合神舟八号与天空一号自动对接过程中下传的电视图像分析确定了人控交会对接适宜的光照环境；通过神舟九号和神舟十号载人航天飞行任务中人控交会对接试验，验证了工效学要求的合理性和工效学评价结果的正确性。最后提出了我国空间站任务阶段航天器人控交会对接系统工效学研究的重点。

航天器；交会对接；人工控制；工效学；评价技术

1 引言

交会对接技术与载人天地往返、出舱活动并称载人航天的三大基本技术［1］，是载人航天发展过程中解决空间站组装、乘员轮换、货物补给、载人登月的先决条件，几乎在所有的载人航天任务中都要使用［2］。

自20世纪60年代以来，美、俄共进行了300多次的空间交会对接任务［1，3］。美、俄交会对接任务的经验表明，人控交会对接是自动控制失效时保障任务顺利完成的有力辅助手段。美国在“阿波罗”、天空实验室、航天飞机、空间站、“猎户座”飞船等各项载人航天计划中不断改进和完善交会对接技术［3-6］。与自动控制相比，人工控制有了航天员的参与，更能灵活应变解决紧急、复杂的问题，提高了系统的可靠性，同时提高了交会对接任务成功的概率［7］。因此，人控交会对接过程中追踪航天器的控制特性，显示、控制界面的工效设计水平，以及显控系统整合与人的能力匹配性将很大程度上决定了人控交会对接操作的精度和成败。工效学要求作为工程设计的输入条件，与工效学迭代评价是确保航天器人控交会对接系统工程设计信息显示清晰准确、操控系统可控、任务设计合理、负荷适宜的重要手段。

2 工效学要求体系

人控交会对接过程中，追踪航天器的仪表系统为航天员呈现舱外摄像机拍摄到的目标航天器图像，航天员根据识别的目标航天器的位置和姿态映像到追踪航天器的位姿偏差，并利用控制手柄消除之。追踪航天器动力系统响应手柄信号，触发发动机点火，追踪航天器的空间位置和姿态发生改变，进而间接引起显示器上目标航天器的图像变化。在此过程中航天员需要不断观察仪表系统显示的图像、图形和数值信息并做出判断，而后操控追踪航天器逐步接近目标航天器，确保两个航天器间相对位姿、相对速度在对接的允许条件范围之内。这样，人控交会对接构成了一个典型的“人在回路（human-in-the-loop）”的复杂控制过程，如图1所示。

图1 人控交会对接控制回路示意图Fig.1 Schematic diagram of control loop in MCRVD

在航天员-航天器-空间环境构成的复杂系统中，人机界面设计不当可能会导致航天员操作失误，进而影响到任务的成败，因此，为确保航天员安全、高效地完成人控交会对接任务，追踪航天器人控交会对接显控界面应既满足航天员判读、控制能力要求，也应使航天员的工作负荷适宜。按照系统论的思想，需要从人-系统整合的角度出发，“以航天员为中心”分析人控交会对接过程中涉及的工效学问题。结合国外人控交会对接工程实践经验和我国载人航天器工程设计的实际，梳理出由人控交会对接显示系统、控制系统、航天员构成的“人控回路”中的工效学要素，如图2所示。

图2 人控交会对接系统设计中的工效学要素Fig.2 Ergonomics elements of engineering design in MCRVD system

2.1 显示系统

1）对接靶标

安装在目标航天器上的对接靶标是航天员进行两航天器相对位置和相对姿态关系判读的主要依据之一。对接靶标的大小、颜色、亮度、靶标底盘的光反射系数、突出的十字架长度及其与靶标底盘刻线间的投影关系、对接靶标在图像显示页面上的大小、清晰度等等都非常重要。两种可能的靶标设计如图3所示。

2）图像叠加标尺

图像显示页面上需要叠加辅助判读的标尺，它与对接靶标一起构成了两航天器空间关系的几何映射。标尺的颜色、亮度、刻线粗细、刻线间距、刻度等级，及其与目标航天器图像在显示页面上的前后位置关系等要素都关系到航天员判读的精度。

3）页面显示内容

图3 人控交会对接的靶标设计Fig.3 Cross drone image design of MCRVD

航天员在观察电视图像的同时，还需要关注两飞行器的相对距离、相对速度、相对姿态、相对位置、燃料消耗、对接时间、对接机构状态等数据信息，考虑到显示器页面大小，有些信息是无法全部显示的，能够显示的内容以及这些信息的颜色、大小、对比度、字体、数字精度等需要工效学专家与工程师一起分析确定。

4）页面信息布局

确定了页面显示内容后，文字、字符、数字、图像等信息如何在有效的空间里合理布局（如图4），确保航天员快速准确的识别，应该从人的认知特性出发加以解决。

5）图形化显示方式

目标航天器电视图像是在两飞行器相距较

图4 人控交会对接图像信息显示方案之一Fig.4 One display plan of graphic information in MCRVD

近，可以目视观察的条件下为航天员提供的一种信息显示方式。当两飞行器相距较远，还需要靠雷达或卫星提供相对位置和姿态信息时，需要以图形化的显示方式直观地为航天员提供参考信息。追踪航天器位置和姿态的6自由度信息如何约束在一个图形中合理表达，图形的大小、颜色、亮度、刻度形式、位姿象形物形式及相关信息的页面布局等设计难度很大。如图5所示。

2.2 控制系统

1）控制手柄极性

平移和姿态两个控制手柄输出电信号，触发追踪航天器的动力系统点火，继而引起飞船的位置和姿态改变。位置信息包括：前后、上下、左右3个自由度；姿态信息包括：滚转、俯仰、偏航3个自由度。控制手柄设计的形式、安装方式、控制极性-追踪航天器动作的物理意义-航天员认知的一致性，会影响到航天员的操作效率。不合理的设计将会导致航天员工作负荷的大大增加，紧急状态下导致误操作。

图5 飞船多自由度图形化信息显示示意图Fig.5 Schematic diagram of multi-degree graphic information display in spacecraft

2）控制手柄特性

控制手柄轴的转动范围、手柄转动杆长度、死区（间隙）大小、限位设计、回位设计、信号输出、手柄头形状/尺寸、操作力特性等手柄自身特性也是工程设计需要考虑的工效学要素。

3）控制手柄布局

平移和姿态控制手柄的安装位置与显示页面中有关平移和姿态的信息布局是密切关联的，控制手柄头是否落在人的最舒适操控范围内、控制手柄与其他控制器的空间干涉也需要同步考虑。

4）系统控制延迟

系统控制延迟指从控制手柄输出信号到电视图像中的目标航天器发生变化的周期。这个延迟周期与发动机的安置位置、动力系统响应特性、图像信息传输速率等都有关联。系统延迟过大将会给航天员带来错觉，使得控制输入与输出失调。

5）系统控制增益

系统控制增益与航天器动力学响应特性有关。平移手柄和姿态手柄的单点脉冲周期、持续作用时间对应的动力学输出对于交会对接不同控制阶段的要求是不尽相同的。手柄的信号输出量对人的控制能力的影响反映在近距离下的控制精度要求更高。

2.3 航天员能力

1）精细判读能力

对接靶标图像、多自由度图形信息显示内容、显示方式以及数值显示精度、刷新频率要与航天员的判读能力相匹配。显示内容不全给航天员带来信息的缺失，显示内容过多给航天员带来信息搜索方面的负荷。

2）精细控制能力

人控交会对接最基本的特征是航天员通过控制平移和姿态手柄实现两个飞行器的交会对接，对接过程中航天员的精细控制能力与追踪航天器的动力学特性密切相关。人控交会对接时两个航天器的初始位姿偏差、系统控制延迟、控制增益要与人的基本控制能力相匹配。

3）控制策略

自控交会对接控制系统有一套程序化的控制方式以确保两个航天器能够实现对接。人控交会对接在遵循基本的控制原则基础上，航天员会依据自身的控制习惯、控制能力建立独特的控制方法［8］。选取能反映控制策略优劣的作业绩效指标，寻找最佳控制策略，对于降低对接过程中的不合理动作、降低燃料消耗和对接时间、提高对接精度大有裨益。

2.4 其它要素

人控交会对接是一个强度较大的脑力活动。工作负荷的大小不但受任务难度高低的影响，同时航天员的操作能力、信息显示的合理性，控制策略的合理性、飞行器的控制特性与航天员的操作能力匹配性等因素也同时起作用。因此，筛选和建立与工作负荷相关性高的绩效指标和测试方法非常重要［9-11］。

2.5 工效学要求实验研究

人控交会对接显示、控制系统工效学要求是工程设计的依据和约束条件。中国航天员科研训练中心（以下简称航天员中心）利用MC-1交会对接训练模拟器、人控交会对接原型实验系统、人控交会对接工效实验平台，针对上述工效学问题开展了近7500余人次的实验研究，取得了丰硕的实验结果［12-18］。例如，针对航天员手动控制与信息显示心理相容性问题，从绩效和认知两个层面揭示了手柄控制极性与图像信息反馈的认知一致性映射关系，提出了追踪航天器人控交会对接的手柄控制极性定义，该极性定义可将多自由度控制的同时性提高60%～76%，有效地避免应急状态下操作失误；还有工效学设计的对接靶标有效地将姿态对接精度在±2°以内的比例提高24%，平移对接精度在±5 cm内的比例提高12%。通过实验结果提炼出来的工效学要求中，涉及显示系统的工效学要求63项，量化指标率达到42%，涉及控制系统的工效学要求48项，量化指标率达到61%，这些量化的工效学指标既是约束工程设计的要素，也是开展工效学评价的重要依据。

3 评价技术

3.1 单机产品的工效学评价方法

图6 人控交会对接系统工效学评价技术体系Fig.6 Ergonomic evaluation technology structure of MCRVD system

针对载人航天器工程研制的工效学评价方法包括单机级和系统级，如图6所示。对接靶标、舱外摄像机安装位置、图像信息显示内容、图形化显示方式、控制手柄（力学特性、安装位置、极性定义）、追踪飞行器控制特性等属于人控交会对接显示系统、控制系统中的单机产品设计。经过载人航天工程的验证，以下四种工效学评价方法可以解决人控交会对接系统中单机设备的可视、可达、可懂、可控的基本要求：

1）调查法：在方案设计阶段，采用访谈、讨论、问卷调查等方法收集被调查者（如航天员、航天员教员、工效学专家、工程人员等）对单机产品设计中的工效学问题的主观感受和意见建议。

2）物理测试法：在专业的实验室内利用标准测试设备、测试流程对工程产品的工效学设计指标进行测试，根据测试结果给出工效学评价结论。

3）仿真分析法：借助虚拟人、虚拟人机系统对作业空间、作业过程进行仿真分析，建立低保真度原型仿真模型，把航天员空间活动以三维的形式展示出来，以验证工程设计方案的合理性。

4）受试者主观评价法：记录典型用户对单机产品人机界面、操作时序、操作方式等体验后的主观感受评价问卷，确定单机产品的工效学设计的合理性。

3.2 复杂人控回路系统级评价方法

前面四种评价方法都相对比较成熟，可以有效支持相关单机项目评价的开展，但是对于系统级的需要采用“人在回路”评价方法的项目，需要重点解决两个方面的难题：

1）回路中人的操作能力影响评价结果：对于有人参与的显控回路，在进行人机界面评价中一个难点是如何剥离人与系统间的互相影响。由于航天员与航天器之间构成了一个整体，航天器设计的不足有可能被评价者的能力所掩蔽，也有可能由于评价者的能力不足而放大，二者互相铰链不易拆分。因此建立人的操作绩效综合评价方法，对参与评价的系统中的人的操作能力和绩效进行量化分析和评估是开展手控交会对接系统级工效评价的基础。

2）评价试验设计和技术状态约束影响评价结果：工程研制不同于实验研究，有进度的时间要求。由于评价试验的周期约束，采用大样本、多重复次数的评价模式受到制约，需要对受试者的数量和试验次数科学裁剪，包括测试用例（任务难度）、测试样本量的设计。为了保证评价结果的有效性，评价试验中试验现场技术状态要与真实任务保持一致。

针对这两个难题，航天员中心开展了一系列的实验，提出了复杂人控回路中人的操控绩效综合评价模型和基于小子样数据分析理论的“人在回路”工效学评价方法。

3.2.1 研究建立综合绩效指标体系

606例育龄期死亡妇女随年龄升高死亡占有率逐渐升高，且45～50岁育龄期死亡妇女占有率最高。详见表1。

人控交会对接显控回路由航天员、显示系统和控制系统组成，系统中各部分的相互匹配程度决定了对接任务的操作绩效，很难用单一成功率指标对整个系统设计水平进行评价。因此，在众多的指标中筛选反映操作绩效的指标的方法亟待建立［19-20］。

首先通过对多因素、多水平交叉试验状态下操作者绩效指标的变化规律、相关性、一致性等特性分析对指标进行初步筛选。试验数据表明，人控交会对接的绩效指标有明显的阶段性特征。依据此特征可将整个人控交会对接过程划分为远距离的追踪控制段（平移靠拢段停泊点～20 m）、近距离的精确控制段（20 m～0 m）和对接时刻，三阶段内的绩效指标的敏感程度不同［14-15］。

其次采用因子分析法（Factor Analysis）［21-22］对人控交会对接过程不同阶段下绩效指标（包括成功率、控制时间、燃料消耗、累计偏差、平均偏差、平均速度、最大速度和进入对接准入条件的距离等）进行聚类筛选，确定敏感指标。最后采用熵值法根据各级指标的物理意义和差异程度，确定赋权值并建立了综合绩效评价模型［23-25］，包含三个层面的指标：对接过程控制指标、对接时刻精度指标和对接结果指标，分别反映了人控交会对接过程以及结果的优劣程度，如图7所示。

图7 人控交会对接综合绩效评价模型Fig.7 Synthetical performance evaluation model of MCRVD

该模型利用客观指标的规律和特性来赋权重，克服了传统专家打分评价方法的主观性和不稳定性。为了对指标体系和模型进行验证，设计了不同难度、不同类型的对比验证试验，用于验证指标体系和评价模型的效度和信度［15］。验证试验的结果证明了人控交会对接复杂人控回路综合绩效评价模型的有效性。

3.2.2 研究建立评价方法

面向工程设计的工效学评价的特点之一就是受试者、评价时间和试验次数的约束性强。人控交会对接中航天员-航天器-航天环境三者之间互相影响、互相渗透，操作任务难度大小、受试者的能力水平、受试者操作次数等均是影响操作绩效高低和稳定性的关键要素。

1）测试用例设计

我国交会对接任务的执行模式是首选自控对接，在自控系统故障的情况下具备航天员实施人控交会对接的能力。这种任务模式决定了自控转人控时的初始条件不是唯一的。不同的距离、不同的位置和姿态偏差量、不同的初始速度、不同的太阳光照条件等因素的组合，会造成航天员观察的目标航天器图像所呈现的位置、运动趋势、可识别条件各不相同。这对人工控制而言就形成了不同的任务难度。根据工效学要求实验研究的结果，结合工程设计实际，摸索、筛选、确定了3类任务难度、10种测试用例。这些测试用例综合考虑了上述影响因素，基本覆盖了在轨飞行可能出现的各种工况，且保证自控转人控交会对接的初始条件在人的控制能力范围之内。

由于测试的样本量与测试的时间成正比，放大测试次数量固然可以取得更理想、更稳定的结果，但是带来的时间和费用都会大幅提高，需要在参试人数和操作次数之间找到一个平衡点。从小子样数据分析理论入手［26-27］，基于成功率不低于95%的标准，采用试差法，在95%的置信区间内确定了测试人数不小于6人即可满足测试样本量检验抽样的相对误差不大于5%的要求，即完成上述95%任务成功率基线的实验召集6位受试者即可保证分析结果有效性，如表1所示。在确定了测试所需最少人数之后，另外一个重点就是选择合适的试验次数。研究者借鉴了GB5080.5中的“截尾序贯试验法”［28］，来验证人在复杂系统中完成任务成功率是否达到预先设定的成功率水平，提出了在约定的95%成功率下，不同任务难度、不同失败数的最小测试样本量方案，如表2。

表1 “试差法”求解最小受试者人数结果Table 1 The result of minimum number of subjects calculated by trial and error method

表2 180次操作截尾序贯试验失误数推算结果Table 2 The calculating result of operating errors with urine sediment test in 180 trials

3）受试者选拔培训

确定了测试用例难度和测试样本数量，最后一个关键环节就是要选拔培训合格的受试者群体。预选受试者经过交会对接理论培训、控制能力初选、强化训练后，根据之前建立的综合绩效评价模型筛选出部分预选受试者进行最后的考核测试，测试中要求任何考核用例下均能够在限定的对接时间、燃料消耗下1次对接成功，同时对接过程追踪航天器各自由度控制稳定，控制策略运用合理。如此，经过近百次培训练习和几轮筛选，选拔出的受试者技能水平接近于航天员，且彼此之间个体差异小。

4 评价实践

人控交会对接系统工效学评价结论是首次交会对接任务载人航天器出厂放行的条件之一。在工程研制的方案阶段，根据工效学要求研究的实验结果，航天员中心对工程方案的设计指标进行分析，提出工效学改进建议；初样阶段，依据工效学要求，航天员中心对人控交会对接工程设计的单机级产品进行工效学评价，对存在问题的项目提出具体的改进措施；在部件级产品评价合格的基础上，正样阶段，航天员中心对人控交会对接人控回路开展系统级工效学评价。从工程方案设计开始，借助不同的试验平台［29-31］（如图8），紧贴工程迭代开展5大类86项工效学评价，发现并改进工程设计中的工效学问题。考虑到地面评价平台不能完全模拟在轨飞行的光环境，在地面评价结果的基础上，利用无人飞行试验迭代验证地面评价的结果。如此，各阶段、各试验现场实施的评价，从系统层面解决了工程设计中的工效学问题，确保航天员-航天器-航天环境三者构成的人控回路安全、协同、高效。

4.1 “人控回路”地面状态的工效学评价结果

2011年7月利用载人航天器人控系统地面验证平台，开展了人控交会对接系统人控回路的工效学评价试验。利用建立的复杂人控回路工效学评价方法，从航天员中心选拔了6名合格的受试者，确定了3种任务难度、10个覆盖自控转手控的典型初始状态测试用例、180人次评价试验次数的试验方案，固化了评价对象的技术状态。

1）对接操作客观指标结果

受试者实施的180人次评价试验均1次对接成功，受试者在各个难度水平上的对接时间和燃料消耗满足单次对接成功的标准。基于评价对象技术状态和任务难度，航天员中心给出了3种任务模式下完成人控交会对接的成功率均不低于95%的结论，满足“任务成功率≥95%”的“合格”判据。这表明自控转手控任务难度水平，追踪航天器控制系统与人的操作能力匹配，人控交会对接显示系统人机界面综合性能满足工效学要求。

2）受试者主观问卷结果

受试者操作体验问卷调查的结果表明：地面视景仿真条件下，阳照区和阴影区均可以完成人控交会对接操作。阴影区对接对远距离下辨识目标航天器和识别靶标稍有影响，增加了人控对接操作的难度。此外6名受试者的工作负荷量表数据也表明人控交会对接任务的工作负荷水平适宜。

4.2 自控交会对接下传电视图像分析验证

在人控交会对接过程中，航天员对目标航天器的观测将直接受太阳光照反射强度的影响。空间交会对接必须在满足太阳光照条件的前提下进行［32］。为了复核地面模型和视景仿真状态下的工效学评价结果，利用神舟八号与天宫一号自控交会对接试验，验证了空间光环境对不同距离点目标航天器及靶标可辨识性的评价结果。2011 年11月通过对两次自控对接过程下传电视图像的工效学分析（如图9），航天员中心得出如下复核结论：在轨飞行时阳照区、阴影区内执行人控交会对接的电视图像均能满足航天员监视、判读的工效学要求；由于阳照区和阴影区过渡期间光影变化强烈，两航天器的位姿偏差难以辨别，此阶段不利于航天员执行人控对接任务。

图9 自控交会对接过程中目标航天器的图像Fig.9 Image of target spacecraft from TV cameraduring automatic RVD

4.3 人控交会对接在轨试验任务验证

2012年6月和2013年6月的两次载人航天飞行任务中，阳照区内航天员手动控制追踪航天器与天宫一号实施两次交会对接试验，自120 m保持开始至对接完成，航天员执行人控交会对接的操作过程稳定、对接精准、操作时间和燃料消耗在正常范围，全面验证人控交会对接技术。航天员返回地面后反馈，对人控交会对接系统人机界面工效学设计非常满意，进一步验证了工效学要求的合理性和工效学评价结果的正确性。

5 结束语

通过试验研究，建立了复杂人控回路中人的操控绩效综合评价模型和基于小子样数据分析理论的人在回路工效学评价方法，保障了人控交会对接系统的设计水平，为人控交会对接试验任务的圆满成功提供了保障，为空间站工程交会对接系统工程设计的工效学评价奠定了坚实的基础。目前我国载人空间站工程已经启动，空间站工程面临新的交会对接工况［33-34］，如：追踪航天器可能采取绕飞、R向对接、遥操作控制等，这将带来新的工效学问题。因此应从人-系统整合的角度，重点围绕工程新特点进一步开展深入研究，有针对性地提出新的要求和评价方法，确保工程研制任务平稳推进。

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Research and Practice of Ergonomic Requirements and Evaluation Technology in Manually Controlled Rendezvous and Docking of Spacecrafts

HUANG Weifen，TIAN Zhiqiang，WANG Chunhui
（China Astronaut Research and Training Center，National Key laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China）

This paper analyzed the ergonomic requirements on the engineering design of Manually Controlled Rendezvous and Docking（MCRVD）system in spacecrafts from the human-system integration perspective.Based on small sample theory and reliability testing method，a scientific and effective evaluation method for complex human controlled loops was established.System-level evaluation experiment of the engineering design in MCRVD system was carried out to study the compatibility of human capability with the spacecraft display-control system.Proper illumination environment for MCRVD was determined by analyzing the video images of Shenzhou 8 and Tiangong 1 automatic RVD and the effectiveness of ergonomics requirements and evaluation results were confirmed by two MCRVD testing during Shenzhou 9 and Shenzhou 10 manned space missions.Finally，according to the structure characteristics of the Chinese space station，the research focus of the ergonomics in MCRVD technology during space station phase was proposed.

spacecraft；RVD；manual-control；ergonomics；evaluation technology

V423.4+1

A

1674-5825（2015）06-0535-09

2015-06-24；

2015-11-10

中国载人航天工程资助项目（HY100927）；中国航天医学工程预先研究项目（2012SY54A1705，2014SY54A001）

黄伟芬（1964-），女，硕士，研究员，中国载人航天工程航天员系统副总设计师，研究方向为航天人因工程。E-mail：hwf_2006 @sina.com