航天人因工程研究进展

陈善广，姜国华，王春慧（1.中国载人航天工程办公室，北京10070；.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

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航天人因工程研究进展

陈善广1，2，姜国华2，王春慧2
（1.中国载人航天工程办公室，北京100720；2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

航天人因工程是人因工程学在载人航天领域中的应用，秉承“为航天员使用而设计”的理念，系统研究解决航天员、航天器、航天环境之间的关系问题，确保航天员在轨安全、舒适、高效工作。从航天人因工程概念和作用出发，通过系统梳理国际国内航天人因工程研究的发展现状，重点分析了其研究特点及未来发展趋势。结合我国载人航天后续发展对航天人因工程的迫切实际需求，系统梳理了航天人因工程研究技术体系，并从管理与技术研究两个方面，系统论述了我国航天人因工程的研究应迫切开展的工作及后续发展的思路。

载人航天；人因工程；人机交互；人-系统整合；适人性评价

1　引言

人因工程学（Human Factors Engineering）是近些年发展很迅速的一门新兴交叉学科，应用领域十分广阔。在不同时期，相近的学科叫法较多，包括：人的因素（Human Factors）、工效学（Ergonomics）、人机工程（Man-Machine Engineering）、工程心理学（Engineering Psychology）、认知心理学（Cognitive Psychology）、人-机-环境系统工程（Man-Machine-Environment System Engineering）等，研究内容相近，但各有侧重［1，2］。目前，国内外越来越多的学者倾向于应用“人因工程”这一学术名称，以凸显人在系统中的主导和关键作用。

载人航天任务涉及航天器、测控通信、发射回收等多个方面，特别是由于航天员的参与使系统变得更为复杂，对人的安全性和操作的可靠性要求更高，是一个巨复杂系统工程。从美俄早期的太空飞行来看，不管是联盟号飞船还是阿波罗计划，事故发生率都很高；后续航天飞机任务也发生过两次机毁人亡的恶性事故。即便是最近几年，航天任务失利，如天鹅座货运飞船爆炸、太空船2号失败等和国际空间站上出舱活动任务取消和推迟等事故依然不断。中国在二十多年的载人航天历程中成就斐然，虽然没发生重大事故，但结果完美并不等于过程完美，其中也发生过一些险情、出现过一些差错，如出舱舱门开启不畅、返回舱着陆未及时切伞等问题。通过分析、追根溯源，发现绝大多数事故是由于对人的因素考虑不周造成的。因此，在载人航天领域，人因工程也是在不断总结失败教训中提高认识和逐步发展起来的。俄罗斯（前苏联）在载人航天初期就专门成立生物医学问题研究所牵头开展空间飞行极端环境对生物体的影响及机理研究和航天工效研究，在和平号空间站期间通过大量在轨实验深化了对长期飞行人的因素的研究和认识。美国在初期的水星号飞船、空间实验室、阿波罗登月等任务中，重点解决人在太空中能否生存和工作的问题。美国国家航空航天局（NASA）于1987年在约翰逊中心成立适居性和人因部门，作为航天人因工程的主要牵头单位，并建立跨平台的人-系统整合标准NASASTD-3000。1991年为国际空间站（ISS）任务制定了航天人因工程发展计划（SHFE）。2005年推出人的研究计划（HRP），全面深入研究未来深空探测、登火星任务中的人因工程问题，引领国际航天人因工程领域的发展，也对其载人航天任务成功和发展起到巨大推动作用。欧航局制定载人空间探索战略THESEUS研究计划，建立14个专家小组，围绕综合系统生理学、心理学、人机系统、空间辐射、居住地管理和医疗保健五个主要领域开展工作。我国从1968年航天医学工程研究所成立开始就开展航天工效研究，1981年创立人-机-环境系统工程理论，1992年我国载人航天工程启动时设立了航天员系统并下设工效学要求与评价、航天员选拔训练、飞行模拟等与人因工程密切相关的分系统。经过二十多年的实践发展，航天人因工程在研究内容、方法和工程应用上逐步走向成熟，形成了包括载人飞船、货运飞船、空间站舱内、舱外以及舱外航天服等一系列工效学设计要求与规范，目前正为我国空间站工程制订工效学要求和评价标准。航天人因工程在保障载人航天任务策划的科学合理性，提升人信息加工和决策可靠性，减少操作失误，优化人机功能分配，人-系统整合协同高效工作以及提高系统安全性等方面发挥了重要作用［3-7］。

图1　载人航天任务中航天员-航天器（服）-空间环境相互关系图Fig.1 Relation schema between astronauts，spacecrafts（spacesuits），and space environment in manned spaceflight

2　航天人因工程研究体系

载人航天任务中航天员乘组、航天器、以及空间环境构成一个复杂的人-机-环系统，参见图1。航天员是载人航天任务的主体，其作用能否充分发挥是任务成败的关键。空间飞行中人的作业能力受很多因素影响，失重会导致人骨丢失、肌萎缩、眼压和颅压改变、前庭功能等生理系统变化，引起人的操作运动、视觉感知以及空间定向等能力改变；长期狭小空间和单调的社会关系会对航天员情绪、动机等产生影响，长期昼夜节律变化会导致睡眠紊乱、缺失甚至失眠等，由此引发人员脑力疲劳、情绪下降等，严重影响航天员作业能力发挥；同时舱载设备增多，信息流更为复杂，航天器人-系统整合设计及适居性的优劣也会影响航天员完成任务的绩效。这些都是人因工程需要研究解决的重点问题。NASA在系统工程手册中明确把人因工程作为其重要学科考虑，并认为人因工程就是要在充分考虑人的能力和局限性对系统性能带来影响的基础上实现对人-机界面和与人相关系统的研究、分析、设计和评价［8］。

综上，航天人因工程是人因工程在载人航天领域的拓展和应用，是直接面向载人航天工程需求的应用基础学科。它秉承“为航天员使用而设计”的理念，分析研究航天特因环境下航天员生理、心理等能力特性及其变化规律，系统研究解决航天员、航天器、航天环境之间的关系问题，确保航天员在轨安全、舒适、高效工作，实现任务全周期范围内系统优化整合、性能最优。

航天人因工程研究体系如图2所示。航天员能力特性研究是人因工程研究的基础和核心，为系统设计与评估提供基线，内容覆盖人体参数和生物力学、认知和决策能力以及心理因素等。人机界面与人机交互研究为航天器人机交互效能的提升提供重要的理论和技术，显示和控制界面主要面向人与设备、人与计算机交互，新型人机交互主要解决当前手势、眼动、脑机等的先进交互技术中人因关键问题，人智能系统协同主要面向人与智能机器人等团队协同中的人因问题。人误与人因可靠性通过对航天人误事件的分析研究识别人误的影响因素，认识和掌握人误的普遍特征与规律，深入研究其内在的机制与机理；基于航天独有环境对人误的影响机制，构建航天环境下人误的认知行为模型，建立人误预测与预防方法；并针对航天任务特点开展人因可靠性分析、评估及可靠性提高方法的研究。人-系统整合设计与评估是从系统层面建立人机功能分配、作业任务设计以及系统效能评估相关的理论、方法、流程和技术。

图2　航天人因工程研究体系图Fig.2 Research system of space human factors engineering

3　当前研究重点与进展

航天人因工程研究范围很宽，下面仅就当前研究的重点、热点和未来发展方向进行阐述。3.1航天员作业能力与绩效

深入了解人在太空中的能力和局限性，是开展人-系统整合设计、任务规划等重要活动的基础和保障。NASA在国际空间站建设之初，即通过对空间飞行中人的优势（智力优势，对未知或非结构化情景的响应能力等）和局限性（生理局限、个体差异、重复单调的工作容易疲劳和出错等）的大量基础研究［9］，从而为空间站人-系统整合设计提供了关键的数据和理论基础。面向未来的载人登火星、深空探测等任务，各航天大国都制定了相应的发展规划，深入了解和认识空间环境因素对人能力的影响及变化规律［10-11］。

3.1.1人体参数及生物力学特性

随着载人航天的发展，航天员人体参数及失重环境下骨肌生物力学特性的研究逐步深入，如NASA建立了涵盖亚洲女性第1百分位到欧洲男性第99百分位的全球人体参数数据库，有效地支撑了目前低轨道各类载人航天器的研制。同时研究表明，短期失重会导致肌肉质量丢失10%～20%，长期可能达到50%，这些会导致骨肌功能力量下降、运动操作协调性降低、体力疲劳增加［5］。对后续空间站任务，借助973国家重大基础研究计划，开展了45天头低位卧床实验、中性浮力水槽实验、失重飞机实验，研究了长期模拟失重对人的上肢、下肢关节和肌肉力量的变化规律，发现卧床前后固定姿势下操作力下降，维持时间变短，长期失重也会导致步态模式等发生变化［12-14］，建立从地面、水下到失重飞机的一体的集成化测试平台，获取了失重状态下人体的运动学、力学及肌电特性参数，为空间站设计提供有效支撑。

面向后续深空飞行及星球表面探测任务，长期和变重力环境对人感觉运动能力及协调性的影响成为研究重点，如2009年NASA在人的研究计划中启动了骨肌系统的FTT（Functional Task Test）测试项目，借助航天飞机和ISS任务开展神经肌肉、感觉运动响应等测试（爬梯子、开舱门、进出座椅、避障、移动物体等）。

3.1.2舱外作业能力

航天员着舱外航天服加压后对关节活动性、操作力量、手灵活性等作业能力影响很大，如NASA研究给出，戴舱外服手套加压后，手最大握力下降可达50%-70%［15，16］，目前针对轨道出舱航天员着舱外服后作业能力（简称人服作业能力）研究较为全面。我国也面向空间站的研制建立了涵盖形态参数、活动空间、手作业能力、运送物品等9大类的人服作业能力体系及着服后能力变化规律，对空间站舱外活动工效学要求的提出提供了重要的支撑［17，18］。

后续此方面的研究将从轨道出舱人服作业能力向星球表面行走及操作能力拓展，开展服装质心、压力、结构特性等对人运动操作灵活性、舒适性、疲劳以及运动时服装对人体损伤影响等研究。如NASA借助水下、荒漠、失重飞机等地面模拟环境，对未来载人登月等任务可能的任务（走、跪、爬等）开展功能活动性测试，建立各个关节面向任务的功能活动性要求，并对出舱活动中手和前臂的肌肉疲劳进行了研究，探索上肢关节角度和肌肉疲劳的关系等［11，19，20］。

3.1.3感知觉和认知能力

空间失重等特因环境会对人的感知觉产生一定的影响，美俄等国在其载人航天任务之初就对飞行中微重力等环境对人的感知觉开展相关研究，发现微重力环境可导致航天员视域变窄、对比敏感度变差、眼压升高等视功能变化，航天器舱内噪声对航天员听力也会产生很大影响。如俄罗斯借助多次飞行任务开展了短期飞行视觉能力与特性研究，联盟4号和5号任务4名航天员3人高低对比视力出现10%的下降，1人高对比视力出现20%的提高；联盟9号1名航天员高对比视力中下降18%，低对比视力下降4%［21］。最近NASA的研究发现长期飞行的失重环境会导致视功能下降，甚至出现视损伤，并在2013人的研究计划项目财年报告中将视觉损伤与辐射同列为未来飞行任务不可接受风险，同时借助国际空间站平台，启动了视觉损伤/颅内压风险评估项目（VlIP），对在轨飞行30天后利用MRI对眼睛视敏度、眼睛结构和功能、体液分布等进行研究［19］。

另外失重、狭小空间、昼夜节律变化等因素会引起各感知通道输入信息出现不适应或相互冲突，航天员出现空间失定向、眼动神经功能改变和主动视觉退化、手动控制能力下降、平衡和运动功能障碍等［22-25］。同时长期工作负荷、睡眠缺失导致认知能力下降、脑力疲劳增加，跟踪作业绩效和和双作业效能也出现下降［26］，如NASA通过地面研究发现睡眠剥夺（如18小时没睡眠）导致认知和操作绩效下降，类似于人体血液中含0.5%-1%酒精的状态，但总体而言，由于研究样本量有限，对于人在长期空间飞行中感知觉和认知决策能力变化规律及脑的可塑性相对知之甚少，这也是当前国际航天飞行重点关注的。针对此，航天人因工程一方面开展标准和定量化的在轨认知特性测试与评估技术、疲劳预测技术等研究，另一方面对长期空间飞行下认知、行为以及神经结构/功能等变化进行研究，建立光、药物等的生物节律与睡眠调节技术等。如NASA持续研发在轨神经认知评估工具（NeuroCATS），对航天员认知感觉、视觉记忆与学习、持续注意、工作记忆、空间定向、情绪识别、矩阵推理、视觉追踪、风险决策以及警觉性进行测试，在2012年实施“长期飞行操作水平评价”项目，开展长期飞行前后模拟航天器操控能力研究，并启动“空间飞行对神经认知功能的影响”项目，研究飞行对脑结构和功能影响及其与认知和感觉运动能力相关关系［19］。

3.1.4心理、情绪和行为健康

随空间飞行时间延长人的心理、情绪问题增加。长期空间飞行容易引起焦虑、抑郁或心理疲劳、人际关系不和谐等问题，从而导致作业负荷增加，人因可靠性降低。研究表明，社会心理应激因素对于超过6星期的长期航天飞行任务比对短期航天飞行任务影响更大，会导致负性情绪增加、人际关系紧张等。面对未来深空和星际探测，针对长期空间飞行对航天员心理、情绪及行为健康的影响的研究已经成为重点［27］。如美国生命科学部通过艾姆斯（Ames）中心支持，研究在不熟悉和高压力环境下人脑高层次决策能力的关键因素。针对国际空间站多国乘员组成的情况，NASA特别关注团队协作和社会心理特征评估技术及关键影响因素研究。NASA与2008年开始建立人的行为和绩效资质要求，用于选拔和评估空间站乘组，该资质没有包括所有相关的资质要求，如认知和能力，包括但不局限于集中力、记忆、感知、想象力和思考力［28-29］。俄罗斯组织开展了Mars500实验，开展长期隔离环境对人心理、行为的研究，建立定量化评估方法（包括动机水平、情形决策、识别差异等），研究发现长期隔离环境受试者出现沮丧和精神运动能力下降，发现了身体荷尔蒙水平与工作和睡眠计划紊乱的关系［30］。

我国在载人航天工程和国家973项目的资助下，利用地基模拟和天基飞行，开展面向长期空间飞行下人的航天员作业能力变化规律及机制研究，探索了长期失重、狭小空间和生物节律紊乱等特因环境引起的感知觉和认知能力变化、失重下骨肌质量丢失的信号网络机制及防护途径，形成了涵盖人的基本特性、行为和绩效三个层次的骨肌生物力学和认知能力基础数据库，初步具备了对长期空间飞行下人的能力变化规律的分析和测量能力。我国在神九和神十任务中，开展眼手协调性、空间认知、风险决策等认知能力研究，并通过焦虑问卷等对航天员飞行前中后的情绪状态进行了测试［31-33］。

3.2航天器人机界面与人机交互

航天器人机界面是航天员监视、操纵航天器完成任务的重要接口和途径，其设计的优劣直接影响操作绩效及任务成功。当前航天任务的复杂度和航天器的自动化水平不断增加，对人机界面设计与评估技术面临更多的挑战。在此领域包括以下研究重点［34-38］：

3.2.1航天器人工控制工效

主要指航天员对航天器进行交会对接、对地定向、起飞或着陆等操作，是一个典型的人在回路动态精细操控任务，涉及到图像显示、控制手柄、飞船控制特性等的航天人因工程关键问题，美俄等国早在60年代就开展大量的研究，我国也在神九、神十任务中针对飞船手控交会对接任务关键认知特性、对接系统的靶标、操作手柄以及飞船控制特性等相关工效设计开展大量研究，优化了靶标设计方案、多参数多自由度图形显示页面设计以及手控交会对接综合评估模型等，确保我国首次手控交会对接任务的成功［39-41］。当前NASA将人工控制的研究重点放在未来登月及火星等星球表面探测航天器的人工控制上，针对飞船在上升及着陆中操作控制界面开展情景意识、操控品质以及振动对操作工效影响等相关问题研究，该结果对指导星座计划中猎户座飞船的研制起到重要的支持作用。

3.2.2星球表面出舱活动任务

无论近地轨道飞行还是未来的登月、登火星等，舱外操作任务必不可少，其人机界面设计必须与航天员着舱外服后操作能力相匹配，这也是舱外人机界面设计与评价的重点。美俄等国在轨道出舱相关研究上已经取得大量成果，在舱外作业区空间布局、操作力、舱外工具等形成了较为成熟的技术和规范，我国借助神七出舱活动任务和空间站任务，建立了出舱活动人机界面工效设计要求、地面和水下的工效评价技术。当前NASA将舱外人机界面的研究重点放在星球表面舱外活动人因问题进行研究，构建了荒漠、水下等模拟环境下研究与测评技术，对航天员-舱外服-星球探测车系统开展布局及界面设计开展分析与评估。

3.2.3先进交互技术中的人因工程问题

人机交互技术快速发展为航天员在轨信息管理、航天器操作控制等提供了新型的交互途径，但如何建立与人的认知行为特性相匹配的交互模式，解决多通道信息的语义融合（语言、手势、眼神、身体姿势等）、多维信息的整合和协同模式等成为当前航天人因工程关注重点，也是确保这些先进技术真正得到在轨应用的前提。NASA针对在轨信息管理，研制了非手操作的，柔性、可移动信息系统技术（MIST，Mobile Information System Technology），并借助失重飞行开展相关人因问题研究。

3.2.4人-机器人协同

机器人技术的快速发展使得未来人机器人联合进行星际探测成为发展的必然，因此如何确保人机器人协同高效工作成为后续人因研究的重点，NASA在其人的研究计划中提出了人与自动机器人整合（HARI，Human and Automation/Robotic Integration）项目，在对前期空间机械臂、灵巧机械手（SPDM，Special Purpose Dexterous Manipulator）和机器人2号（Robonaut2）等综合分析的基础上，提出了人机器人交互技术发展的重点和差距，人机功能分配、与人的认知能力相匹配的高效交互模式、以及非侵入情景感知和负荷测试技术成为关注重点。如NASA对其R2机器人开展人机协作研究，采用“观点采择（Perspective-taking）”模式增加交互过程中机器人的拟人化思维能力，并研究其对人-机器人团队绩效影响，提升团队协同作业能力和绩效［42］。

3.2.5空间适居性和维修性中的人因问题

乘员舱空间布局及视觉效果、生活设施方便性、工作任务安排合理性及睡眠等多个方面都对适居性产生影响，但如何建立有效的在轨测试技术和方法，成为发现和提升航天器适居性关键，NASA在ISS任务中成立了适居性运行团队，负责识别和分析执行飞行任务适居性问题，如NASA针对睡眠缺失问题，研究了不同频谱的光对“睡眠-觉醒”影响，研究结果用于空间站照明设计。另外以安全性为中心在轨维修工效研究中，重点解决操作工况苛刻、非专业维修人员、心理应激程度高等带来的人因问题，确保维修界面、程序及信息支持系统满足航天员在轨维修操作需求。

3.3航天人误与人因可靠性

随着载人航天系统及任务复杂性不断提高，航天员在任务回路中的参与度不断增强，人的失误引发航天异常、故障和事故的问题日益凸显，使得各国航天机构逐渐意识到人的失误（下文简称人误）可能导致系统可靠性降低、甚至飞行任务失败、人员伤亡和经济损失。载人航天领域人误与人因可靠性研究的发展经历了两种模式，一种是以成熟的人误与人因可靠性分析方法为基础，结合载人航天的特点，进行适用化改进。另一方面，是开发针对性的人误管理工具。NASA目前将人因可靠性和人误分析纳为NASA总部的安全与任务保证办公室工作的重要组成部分，对人误与人因可靠性的关注已逐步上升到战略层次。结合认知科学与人因可靠性的最新发展，研究航天飞行因素对人误的影响，深入研究人误机制与机理，瞄准长期飞行开展人误预测技术，人因可靠性改善与提高方法，从而确保航天员-航天器系统的可靠性与安全性［43-45］。

3.3.1人误特征与机制研究

明确不同任务下的人误特点、规律及其影响因素，对于工程系统针对性的改进任务流程与设计、人机界面设计、人员选拔和训练都有非常重要的意义。NASA借助于核电站发展起来的人误分类方法与人因可靠性分析方法，对已经发生的载人航天事故进行了人误的原因、特点分析。NASA已经采用THERP、ATHEANA以及CREAM方法对借助真实飞行任务获取的人误数据（包括地面指控数据）进行了分析，进行了人误分类和特点分析，并对其原因进行了追溯分析［8］。

研究人误的最终目的之一是减少和预防人误，揭示人误发生的内在机制与机理，明确人误的作用途径，可为人误的预测与预防提供理论基础，并为采取针对性措施减少人误提供支撑。NASA特别重视在轨飞行环境，尤其是长期在轨飞行环境及其导致的人的认知能力、情绪、生理等因素对人误及人因可靠性的研究，在NASA安全和任务保障局推动的“空间飞行任务人因可靠性研究计划（Space Mission Human Reliability Analysis Project，2014）”中就明确提出与人类计划及其它相关领域密切合作，深入系统的研究各种影响因素对人误的影响及其机制机理，从而为人误的预测与预防提供理论支撑［44］。

3.3.2人误预测与预防措施研究

人误预测技术除了需要人误机制与机理研究作为理论支撑之外，还需要构建相关的模型。根据预测的目标、对象的不同，可构建不同的模型。目前国际上的人误预测模型实际上是借助于普通的认知模型（Cognitive Model）或者绩效模型（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。但是这些模型存在一个致命的缺点，由于这些模型开发的目标和出发点着重在于对于思维特征的描述，而不是以人误动态分析与预测为重点的。因此，其在应用过程中存在一些问题。目前，NASA正在开展基于任务网络、认知模型和视觉模型的人误分析与预测模型研究，通过对任务设计与安排、人机交互系统、环境因素等的系统分析，识别潜在人误，提高系统可靠性。

预防人误与提高人因可靠性是人误与人因可靠性的重要目标。NASA、俄罗斯以及ESA等在预防人误与提高人因可靠性方面，主要有两种途径。一种是通过制定严格的标准，包括工效学标准、工业设计标准、安全性与可靠性标准等，强制约束产品设计与生产方，确保系统和人的可靠性；并且系统性的介入产品设计与生产，迭代的进行产品工效学评价；第二种是通过工程管理、工业设计、人员选拔和训练的方法，优化任务流程、人机界面设计、人员能力，增强系统的容错能力，从而减少人误提高系统可靠性。

3.3.3人因可靠性分析与评估

注重开发新的HRA模型、方法、工具以及标准体系。NASA特别重视对HRA模型在航天实践应用中的适用性改进，同时推进相关软件、表格等实用性工具及标准体系的开发。1998年，NASA成立了第一个针对空间飞行中人误辨识、限制和管理的人因可靠性项目。该项目建立了一个人误评估和减少的方法-人因过程失效模式与影响分析（HF PFMEA-Human Factors Process Failure Mode and Effects Analysis），可以识别潜在人误因素（失效模式）以及人误因素带来的后果。后来该方法不断发展，形成了HF PFMEA软件（RELEX公司发布了其商用版本）和HF PFMEA训练，并已成功应用于航天飞机、国际空间站等项目［6，46］。NASA于2006年6月组织了人因可靠性研究的顶级专家为美国载人航天撰写了《NASA人因可靠性分析方法选择指南》。运用整体决策树（HDT，Holistic Decision Tree）方法对国际空间站（ISS）进行了人因可靠性分析。

我国在航天人误和人因可靠性研究方面刚刚起步，针对长期航天飞行条件下航天员睡眠不足产生累积性脑力疲劳，开展了脑力疲劳状态下人误的绩效影响因素的负性变化规律研究，初步揭示了脑力疲劳与持续注意能力之间的定量关联，揭示了持续性注意能力与错误觉察能力存在密切的关联，未来可作为人误实时监测与预测的一个重要指标［7，47］。航天员中心人因工程重点实验室正在开展对经验人误数据的分类分析，下一步结合机制与机理研究的成果，构建人误的认知动态模型，提取显著的绩效、生理等特征（脑电、脑血氧）指标，并开发相关的软件实现对人误的预测。

长期空间飞行下人误与人因可靠性对航天任务的完成至关重要，贯穿于航天器研制全周期。下一步研究重点是针对人误与人因可靠性建立有效的分析和评估方法，全面识别长期在轨飞行条件下人误的影响因素；研究典型航天任务的人误特征、规律、机制与机理，结合认知模型建立预测模型，针对人-系统可靠性建立动态分析与评估方法。

3.4人-系统整合设计与评估

3.4.1以人为中心设计的理念HCDP（Human-Centered Design Philosophy）

NASA在几十年的载人航天历程中，不断提升对人的因素的重视程度。NASA不仅提出“把人作为一个系统”HAAS（Human-As-A-System）设计模型，而且在技术标准和程序层面建立了人-系统整合设计要求（NASA-STD3001等），其中特别强调“以人为中心的设计”理念，要求所有载人系统的研发在全周期范围内必须充分考虑人的特性。HCDP有三个突出特点即要求用户方早期参与及不断参与设计、进行性能评估、以及开展迭代式设计（设计-测试-再设计模式）。其过程至少应包括以下几个方面［6，44，45］：a.操作概念和任务场景建立；b.任务分析；c.人-机功能分配；d.人员角色和职责分配；e.迭代式概念设计和原型系统构建；f.试验测试与验证（包括人在回路测试、基于模型的人-系统性能评估等）；g.人-系统性能在轨检测。

3.4.2应激与作业负荷

作业负荷的评估是保证人-系统设计、人的工作合理分配的重要基础。航天员长期在轨飞行面临失重、昼夜节律变化等环境应激，以及繁重的工作等工作应激。这种环境与工作的综合应激，导致航天员在轨作业负荷与地面相比存在较大的差异。NASA针对航天员脑力负荷的分析与评估，很早就开展了相关研究，包括逐步建立脑力负荷评价标准，NASA通过研究分析制定的负荷量表NASA-TLX，已广泛应用于在轨飞行任务和地面诸如汽车、飞机驾驶等研究的脑力负荷评价中［48］。我国航天员中心应用客观绩效、主观问卷、生理参数三种手段结合的方法对脑力负荷进行综合评估，利用脑电和功能性近红外（fNIRS）进行脑力负荷评估［49］；针对单一任务（N-back）及手动追踪任务、组合任务（MATB）均有显著的难度相关性，并且可以利用fNIRS的特征实现较高的非跨任务非跨时间的分类精度；利用fNIRS对模拟交会对接任务进行任务特性分解研究，得出模拟任务中分析、控制、时间压力三个脑力负荷影响特征。

3.4.3人-系统整合（Human System Integration，HSI）

NASA通过总结载人任务成功经验和失败教训，提出将作为指导载人系统研发实施全周期的工程化方法。HSI要求研发团队从策划、设计、运行、管理等各个方面确保“以人为中心设计”理念的落实，改进人机关系，预防人为差错，消除安全隐患，避免设计反复，节约研制经费，最终实现系统安全、高效和经济的目的。HSI涵盖了与人相关的多个领域包括健康、选拔训练、物资生活保障等，其中人因工程理论和方法是实现人-系统整合设计与评估的核心。NASA在对航天员能力绩效深入研究的基础上，面向航天器研制全周期的阶段特点，在任务分析、人机功能分配、乘员舱适居性、显示和控制界面、作业程序等方面开展以人为中心设计与评估技术研究，形成了包括任务分析、时间线分析，模型和仿真，可用性测试、负荷评估以及人误和人的可靠性评估等方法体系。NASA在2007年将人因工程的方法体系写入其系统工程手册（NASA/SP-6105），指导航天器全周期的人-系统整合设计与评估［8］。

3.4.4适人性评估（Human-Rating）

NASA一直把安全放在首位，对所有新研项目专门提出适人性评估认证（Human-Rating Certification）要求。2008年NASA更新了《空间系统适人性评估要求》（NASA NPR 8705.2B），“星座计划”就是按新要求开展了适人性评估认证的。一个通过适人性评估的系统就是能够适应人的需求、有效利用人的能力、控制风险以确保人员操作安全，且一旦发生危险具备最大限度保证乘组安全恢复的能力。适人性评估应是系统研发全周期所有计划活动中不可缺少的组成部分，包括：设计与研制，测试与验证，计划管理与控制，放飞前确认，任务运行，维护维修，升级与废弃等环节。在实施管理上建立有效组织体系，NASA副局长（A-gency PMC主席）是最高决策者，对系统是否满足适人性评估负责，NASA三个技术机构的主管（任务安全、工程、健康及医疗），负责适人性评估的实施，约翰逊中心主任负责乘员风险可接受性评估，最终结果需要通过独立委员会审核。在项目各个层面上成立人-系统集成工作组（Human System Integration Group，HSIG），作为专门的管理机构推动实施规范化、科学化和有效性。要求在系统研制的每一个阶段的关键里程牌评审中开展适人性的评估，可行性和时效性好，保障了NASA以人为中心设计思想在航天器研制全周期得以有力贯彻，保障航天器适人性设计水平和任务成功［47］。

我国30年前创立的人-机-环境系统工程理论与方法在理念与目标上与HSI很相似，其体现的系统工程思想与方法在我国载人航天任务中的到了有效的应用。从1992年载人航天任务启动开始针对座舱布局、显示与照明、人工控制等开展了深入研究，形成了包括飞船、空间站乘员舱、出舱活动任务和航天服等工效学要求和评价体系，有力的保障了从神舟5号到神舟10号载人航天任务的成功［3，7］。

面向未来载人航天复杂任务的需求，后续人-系统整合的研究重点主要包括：

1）必须进一步推动人-系统整合理念的持续深入和贯彻，这是确保该方向良性发展的思想基础。正如NASA提出的不仅要在项目中将人-系统整合设计与评估专家参与进来，更重要的是要让项目的管理者像这些专家们一样思考问题。

2）大力推动航天器研制全周期人-系统整合测评技术发展，特别是基于仿真的测评技术和平台建立，NASA对此十分重视，其人机整合设计与分析系统MIDAS由NASA Ames研究中心于80年代中期开始开发，到目前已经历6个版本，并持续加大投入，已经能够实现行为绩效模拟、作业负荷分析、可视域、可达域分析等功能，对方案阶段的人-系统整合分析与测评起到重要支撑［50］。我国航天员中心人因工程重点实验室也借助973项目启动了航天员建模与仿真系统AMSS的研制，初步实现了对骨肌生物力学、认知绩效以及工作负荷等建模仿真［51-53］。

3）深入开展定量化、标准化人机界面分析测评技术的研究，这些指标对于推动人机功能分配、作业负荷定量化评估技术建立至关重要。统一的标准化的指标有助于我们实现跨评价项目的数据收集、跨系统共享。NASA已经提出将人作业精度指标、工作负荷指标、情景意识指标、认知指标、个性指标、情绪健康测量、人体参数、生理指标等人的绩效指标进行规范化，并在各个评估阶段进行测试和对比整合分析［46］。

4　我国航天人因工程发展建议

长期空间飞行和载人深空探测是国际航天未来的主要任务，这些任务在给人因工程研究带来重大机遇的同时也带来更多的挑战，包括月球、火星探测等变重力环境下人的能力与绩效、星球表面舱外活动、人机器人团队协作、航天人误预防和人因可靠性等必须解决的难题。目前我国空间站研制处于初样研制的关键阶段，后续任务也在酝酿之中。如何确保将我国的空间站真正打造成为航天员安全、可靠、舒适的太空之家？如何确保航天员在每次航天任务中充分发挥独特作用以使系统获得最大效益？充分借鉴国外经验，切实重视并推动我国航天人因工程研究和应用不仅十分迫切更具有长远意义。特别应在以下几个薄弱环节做出努力：

4.1理念与认识

经过近20年的发展，从项目的顶层管理者到具体的工程设计人员对系统中的人因问题的认识有了提高，但对人因工程涉及的理念和方法理解不深。人因工程是对传统工效学的超越，它不仅着眼工作绩效的提高，更把消除隐患确保安全置于首要。人因工程的研究重点之一是全周期的关注人-机关系，而人-机关系本质上讲是人-人关系，因为机是人的创造物，必然打上人的烙印，表现在产品研发上是设计者与使用者（用户）之间的关系。设计者与使用者是对立统一体，设计者常常把自己当成使用者，而使用者常常对设计者期望过高，人因工程提供了解决这种冲突达到系统谐同的科学途径。因此，亟需加强“以人为中心的设计”理念宣贯和推动，在工程全线深入领会“人因”，人-系统整合设计对任务完成的重要性，真正从管理到技术各个环节作为一种必须遵守的原则和设计约束来认识和贯彻。

4.2组织与管理

目前我国载人航天系统的人-系统整合设计在组织和管理层面上做了一些规定，包括载人航天器出厂放行需要通过工效学分系统的评价，但总体来说缺乏系统性，缺少顶层规范和成系统的组织管理保障。一方面，组织机构不健全，只有一个分系统以技术形式开展要求和测评研制工作，缺乏各层次相应的组织机构；另一方面，在管理上不严格，更多的是航天员系统和工程方之间一种系统间技术沟通，无论从规范性和严格程度上都不足。因此必须加强顶层策划，建立起多层次组织和管理体系包括第三方工效测评体系，保证航天器人-系统整合设计及评估在航天器全周期研制中的贯彻和落实。

4.3技术与研究

前期的载人航天工程，航天人因工程面向工程需求开展了一些研究，但面向未来空间站长期飞行和载人登月任务，在技术和研究上都存在较大差距。一方面针对长期空间飞行中人因问题在研究深度和广度上存在不足，基础数据、规律、技术方法的储备等无法满足任务需求；另一方面在研究和测评平台的完整性和先进性上也存在不足，无法解决后续测试与评价中的定量化、系统化和覆盖性要求。应充分发挥工程部门、科研院所、高校等在不同层次研究特点，进行分层次科研规划和管理，同时可借助人因工程重点实验室的国家级科研平台，推动国内科研力量整合，拓展人因工程的研究广度与深度。

4.4制度与标准

航天人因工程在人-系统整合中作用的发挥必须依靠制度与标准支撑，前期虽然形成一些工效学要求和部门标准，但标准全面性不够，等级不高，推广和执行过程中制度保障不足，作用发挥有限。我国空间站涉及多舱段、多平台、多系统融合，设计必须贯彻通用化、标准化要求。应加强人因标准和规范研究，尽快形成我国空间站工程人-系统设计要求和规范，也为后续任务打下良好基础。

4.5投入与保障

工效先行是产品研制的基本原则。人因和工效学要求往往在产品设计前需要提出和明确，而在约束指标、设计和评价技术方法上研究越深入、定量化程度和可操作性越高，对航天器人-系统整合设计保障越强。目前在航天产品人因工程的先期工作中还存在以下两个方面的不足：一方面我国工程型号中基础研究经费来源单一，可投入预先研究的经费严重不足，无法满足后续任务需要；另一方面，工效学和人因研究应先行先投入，可由于任务偏“软”，条件保障往往得不到应有的重视。应切实改变观念要在工程研制的前期阶段部署相关人因工程的先行研究工作和平台建设工作，拓宽经费支持渠道，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

国家重大基础研究973计划项目（2011CB711000）；中国载人航天工程预先研究项目

陈善广（1962-），男，博士，研究员，中国载人航天工程副总设计师，国际宇航科学院院士，研究方向为航天人因工程。E-mail：shanguang_chen@126.com