模拟航天任务的操作者功能状态研究

姜 劲，焦学军，张 朕，曹 勇，杨涵钧

（中国航天员科研训练中心人因工程国防科技重点实验室，北京100094）

模拟航天任务的操作者功能状态研究

姜 劲，焦学军∗，张 朕，曹 勇，杨涵钧

（中国航天员科研训练中心人因工程国防科技重点实验室，北京100094）

为研究情绪状态、疲劳状态下模拟航天任务的操作者功能状态变化规律，使用MATB模拟航天任务平台，设计包含了任务负荷、情绪视频刺激和疲劳积累因素的实验。招募15名参试者，通过行为学绩效和脑力负荷评价来研究操作者任务过程中的功能状态变化。发现在同一任务负荷状态下，负性情绪刺激下的脑力负荷评分上升、任务正确率下降和任务反应时上升，积极情绪刺激下的脑力负荷评分和任务绩效较中性情绪刺激有改善。高疲劳刺激下的任务绩效和脑力负荷评分均较低疲劳状态恶化，负性情绪恶化程度远高于积极情绪。表明航天任务需尽量避免航天员陷入负性情绪状态，防止功能状态下降；积极情绪状态和适宜任务负荷状态下的操作者易于实现较高绩效和中等脑力负荷水平，通过施加积极情绪刺激，能够改善高疲劳状态下脑力负荷和任务绩效的恶化程度。

情绪状态；功能状态；脑力负荷；任务负荷

1 引言

在空间站等复杂人机系统中，航天员的功能状态不佳将导致危险事故发生，因此对复杂人机系统，须实时评估任务过程中航天员功能状态变化，监督任务绩效变化并给予必要干预以减少人为失误［1］。

目前，尽管系统的自动化和智能化水平日益提高，然而面对复杂的任务环境以及多样化的任务操作需求，仍倾向于由航天员承担脑力工作，这就引发一系列需要关注的问题：1）航天任务过程中的大量信息认知、处理以及决策等，会引发不平衡脑力负荷以及脑力负荷过载等，而不平衡的脑力负荷会增加失误概率，甚至引发功能状态崩溃等严重后果［2⁃3］；2）航天任务通常在太空极端环境中，存在的失重、密闭环境以及高工作压力会对航天员产生负面影响，从而影响情绪状态［4⁃5］；3）航天飞行任务由于长时间高强度脑力工作和睡眠紊乱，极易引发航天员的脑力疲劳，从而恶化功能状态、反应迟缓以及困倦等，从而危及航天飞行任务安全［6］。上述分析表明不平衡脑力负荷、情绪状态不佳和疲劳是影响航天任务安全的重要因素［6⁃7］。因此，开展复杂任务条件影响下的操作者功能状态研究，对提高飞行任务可靠性具有重要意义。

操作者的功能状态是指操作者在外部因素和内部状态影响下完成当前任务的工作能力，外部因素包括任务负荷，内部状态包括情绪状态和疲劳等［1］。MATB（Multi⁃Attribute Task Battery）是NASA开发的典型航天任务平台，分为系统监督任务、目标跟踪任务、通信交流任务以及油路管理任务，是一种模拟航天任务的多任务平台［8］。研究操作功能状态变化的方法主要有客观和主观评价两种。主观评价方法是通过问卷量表，根据操作者的主观判断和感受评价自身状态［9］；客观评价方法是通过生理学信号和行为学绩效等进行评估。目前，国内外的操作者功能状态评估研究处于探索阶段，多项研究开展了模拟任务的操作者功能状态评估［1，9］。2014年Yin采用脑电评估操作者在空间飞行器模拟任务下的操作者功能状态研究［9］，利用预测操作者的工作绩效来评估操作者的功能状态。然而现有研究评估操作者功能状态的评估基础局限于任务绩效，而忽略了脑力负荷的重要性。脑力负荷作为操作者内部状态的重要部分影响当前工作能力。本研究选用主观量表评价的脑力负荷水平和行为学绩效评价方式来评估模拟复杂航天任务的操作者功能状态变化。

2 方法

2.1 志愿者

15名20～30岁的男性志愿者，均为右利手，均无精神疾病和心理疾病史。为了保证实验过程的任务熟练度统一，每位志愿者接受2 h任务技能培训直至达到任务操作者需求。

2.2 实验条件

实验在密闭实验室内完成，操作者坐于19寸显示器前35～45 cm处，调整至舒适姿势。要求志愿者在实验前夜保持充足睡眠，实验时精神状态良好。志愿者以自身为对照，比较不同情绪状态、脑力负荷水平以及疲劳状态的功能状态变化。

2.3 MATB任务设计

实验平台任务是MATB任务，如图1所示。MATB任务分为四级任务难度，每一级难度任务均由系统监督任务、目标跟踪任务和油路管理任务组成。系统监督任务由四个条状方块组成，分别对应功能键F1、F2、F3和F4，当发生异常事件时，志愿者需尽快按下对应功能键。系统监督任务的难度由系统异常事件的发生频率决定，一至四级难度的异常事件间隔时间分别设定为13 s、9 s、6 s和3 s，时间间隔越短，任务难度越高。目标跟踪任务由圆形标靶组成，志愿者通过摇杆控制标靶位置，使之维持在一定范围内。目标跟踪任务的难度由标靶的漂移频率和响应速度决定，一至四级难度的漂移频率和响应速度分别设定为高／低、中／中、中／高和低／高。油路管理任务目标是管理A、B油箱容量，使之保持在2100～2900 L。A、B油箱以固定速率消耗，志愿者通过油泵1至8的开关来控制A、B油箱的输入。油路管理任务的难度通过设定油泵的故障次数来设定。一次MATB任务的时间长度为390 s，实验任务绩效均来自于MATB任务，分别是系统监督任务的正确率（ACC），目标跟踪任务的系统正常时间百分比（TIR1）和油路管理任务的系统正常时间百分比（TIR2）［1］，总体绩效指数计算公式如式（1）～（3）。

其中，a1、a2、a3分别是0.5437、0.3143和0.1420，分别代表系统监督任务、目标跟踪任务和油路管理任务的绩效分配权重，通过计受试者的主观注意力分配权重获得。tnormal和ttotal分别代表系统的正常工作时间和总体工作时间。

2.4 情绪视频

实验设计中采用三种类型情绪视频刺激，分别是负性情绪、积极情绪和中性情绪，每段情绪视频长度约为30 s至90 s。为确保情绪视频刺激对志愿者施加单一情绪影响，预实验对候选情绪视频刺激采用情绪量表评价以筛选出具有稳定情绪刺激影响的视频刺激集合，志愿者从唤醒度和愉悦度两个维度来评价图片情绪刺激的主观感受［12］。

实验选用的情绪视频评价结果如图2。情绪视频唤醒度评价分别为：负性视频（均值M＝5.91，方差SD＝0.84），中性视频（M＝3.2，SD＝1.11），积极视频（M＝5.07，SD＝1.05）。经多重测量方差分析，三种情绪视频刺激的唤醒度评价存在显著差异（F（2，118）＝55.27，p＜0.001）。经post⁃hoc事后分析检测分析，三种类型情绪视频刺激的唤醒度两两之间均存在显著差异（all p＜0.001）。情绪视频刺激的愉悦度评价分别为：负性（M＝2.23，SD＝0.12），中性（M＝4.27，SD＝0.06），积极（M＝5.66，SD＝0.12）。经多重测量ANOVA分析，三种类型情绪视频刺激的愉悦度评价存在显著差异（F（2，124）＝25.21，p＜0.001）。经post⁃hoc事后分析检测分析，三种类型情绪视频刺激的愉悦度两两之间均存在显著差异（p＜0.001）。因此任务三种类型情绪视频能够对志愿者的情绪状态产生显著影响。

2.5 实验范式设计

实验范式包含任务负荷、情绪状态和疲劳三种因素。实验分为低疲劳期、疲劳积累期和高疲劳期三部分，其中疲劳积累期中志愿者需完成2hour字符2⁃back工作记忆任务以积累疲劳效应。低疲劳期和高疲劳期两段的实验任务流程均为志愿者先随机观看不同类型情绪视频刺激30 s至90 s，然后操作MATB任务，最后填写NASA⁃TLX主观量表，依次循环，流程如图3所示。四级任务难度MATB任务和三种不同类型情绪视频组合为12组任务，因此低疲劳期和高疲劳期的志愿者均需完成12组任务，共计24组任务。志愿者在任务开始前、疲劳积累前、疲劳积累后以及任务结束时均需填写疲劳主观量表。

3 结果

3.1 疲劳状态分析

疲劳状态的评价标准采取4个维度，分别是困倦程度、注意力集中程度、思维清晰程度和主观疲劳程度，均为10分值，综合疲劳程度为四项评价结果累加。对志愿者的四次脑力疲劳评价量表进行分析，统计结果为：任务开始时（M＝6.73，SD＝3.17），疲劳积累前期（M＝11.32，SD＝3.73），疲劳积累后期（M＝19.43，SD＝5.35），任务结束（M＝18.97，SD＝4.92）。经多重测量方差分析，发现脑力疲劳量表中存在显著差异（F（3，42）＝43.3，p＜0.001）。经post⁃hoc事后分析检测事后检测分析，发现任务开始时、疲劳前和疲劳后间均存在显著差异（p＜0.001），但任务结束和疲劳积累后期的脑力疲劳量表结果不存在显著差异。四次脑力疲劳评价量表结果如图4所示。

3.2 MATB任务结果分析

研究综合考虑MATB任务的系统监督任务的正确率（ACC），目标跟踪任务的TIR1；油路管理任务的TIR2，提出了综合绩效指标P。

研究分析低疲劳状态中性情绪视频刺激下的MATB任务绩效，统计MATB四级任务绩效为：1级（M＝0.94，SD＝0.066），2级（M＝0.88，SD＝0.054），3级（M＝0.81，SD＝0.05），4级（M＝0.71，SD＝0.058）。经多重测量方差分析可知，四级任务难度之间存在显著差异（F（3，582）＝52.12，p＜0.001）。经post⁃hoc事后分析检测分析，四级任务难度两两之间均存在显著差异（all p＜0.001）。操作者在低疲劳状态下中性情绪视频刺激的MATB任务绩效分布如图5所示。

为评估疲劳和不同情绪状态等任务条件影响下操作者功能状态变化规律，分析了疲劳、情绪状态和任务负荷等因素影响下的MATB任务绩效变化规律。结果发现疲劳（F（1，194）＝28.78，p＜0.001）和不同类型情绪状态（F（2，388）＝4.44，p＝0.001）对任务绩效变化存在显著性差异，多种因素影响下的MATB任务绩效的显著性检测如表1和表2所示，检测方法采用配对t检验。MATB任务绩效变化趋势如图6所示。

表1 不同情绪条件下MATB任务绩效的p值检验结果Table 1 The p⁃value of MATB performance under dif⁃ferent emotional state

表2 MATB任务绩效分析及p值检验结果Table 2 The performance of MATB and result of p⁃value

3.3 NASA⁃TLX主观量表评价

NASA⁃TLX量表共有脑力需求、体力需求、绩效表现、努力程度、受挫程度与时间压力六个维度，均为10分值评价。操作者根据自己的主观感受予以评估确定相应分值。其中“绩效表现”作为操作者对工作任务绩效的主观评估，在数据处理时，需用10分值减去“绩效表现”的评估值，得到反映任务绩效变化的真实“绩效表现”值。反映操作者脑力负荷变化的主观量表值为采取六个维度的评分值求和而获得［10］。

NASA⁃TLX主观量表分析结果如表3和表4所示。经过多重测量方差分析，多级任务负荷主观量表结果发现显著性差异（F（3，42）＝157.58，p＜0.001）。经成对检验post⁃hoc事后分析检测分析，四级任务难度之间均存在显著差异（all p＜0.001）。多重测量方差分析表明疲劳对志愿者的主观量表评价存在显著差异（F（1，14）＝25.23，p＜0.001），情绪刺激对主观量表存在显著差异（F（2，28）＝10.46，p＜0.001）。经posh⁃hoc分析得知中性情绪刺激与积极情绪（p＜0.001）、负性情绪（p＝0.011）两两之间存在显著差异。主观量表结果变化趋势如图7所示。

表3 不同情绪条件下NASA⁃TLX量表的p值检验结果Tab le 3 The p⁃value of NASA⁃TLX scale under differ⁃ent emotional states

4 讨论

4.1 任务负荷对操作者功能状态的影响

MATB任务设定了4种任务负荷难度水平。根据图6所示的任务绩效变化和图7所示的主观量表水平变化，发现随着任务难度的增加，志愿者主观评价的脑力负荷水平呈现上升趋势、任务绩效指标出现下降趋势，第4级任务难度的绩效指标处于系统可靠性可以接受的70%水平以下。其中，低疲劳状态的中性情绪视频刺激为正常状态，正常状态志愿者主观评价的脑力负荷水平在2、3级任务负荷均处于20分值左右，而任务绩效指标处于80%以上，志愿者在完成正常状态下的2、3级任务负荷时处于适宜脑力负荷水平且能达到较高任务绩效水平，志愿者的工作状态处于较佳水平。

4.2 负性和积极情绪状态下操作者的功能状态分析

在低疲劳状态下，志愿者在MATB任务开始前接受30～90 s的积极情绪视频刺激和负性情绪视频刺激，以诱发志愿者的情绪状态变化，影响志愿者脑力负荷水平进而影响志愿者功能状态变化。根据图2结果、唤醒度与愉悦度评价结果可证实情绪视频刺激的情绪诱发效果。对于负性和积极情绪状态下的志愿者实验结果分析以低疲劳状态为主。

表4 NASA⁃TLX主观量表结果Table 4 The result of NASA⁃TLX scale

在负性情绪状态下，志愿者的任务绩效和主观量表评价均发生变化。任务绩效的变化规律是负性情绪状态影响下的1级任务负荷的任务绩效高于中性情绪状态，但负性情绪状态影响下的2、3、4级任务负荷的任务绩效低于中性情绪状态，且4级任务难度出现较大幅度下降，如图6所示。表2的任务绩效结果和表1的配对检验结果证明负性情绪下的任务绩效显著低于中性情绪状态的趋势。同时，图7表明负性情绪刺激下志愿者1级任务负荷的主观量表评分与中性情绪刺激情况大致相等，负性情绪刺激下测2至4级任务负荷的主观量表分值显著高于中性情绪刺激情况，表明负性情绪下的脑力负荷水平均高于中性情绪状态。表3的配对检验结果证明2至4级任务负荷下，负性情绪状态会诱发更高脑力负荷水平。相比较于中性情绪情况，负性情绪状态下操作者执行较低任务负荷任务时，脑力负荷水平保持相同状态，但任务负荷处于中等和较高级别时，操作者的功能状态出现下降且脑力负荷水平上升。上述变化原因是负性情绪刺激降低了志愿者执行任务的意愿，从而降低了任务绩效水平。同时为了完成任务，志愿者需要付出更多努力并面临更强的挫折感受，从而导致脑力负荷水平上升。因此在任务过程中需要施加必要的干预，以避免人员陷入负性情绪状态而出现任务绩效崩溃。

积极情绪状态下，志愿者的任务绩效和主观量表评分的脑力负荷水平相对于中性情绪状态发生变化。积极情绪状态下的志愿者在1级至3级任务负荷下的任务绩效高于中性情绪状态大致相等，4级任务负荷下的任务绩效水平略低于于中性情绪状态，如图6所示。同时，积极情绪下的主观量表评价脑力负荷在1至3级任务负荷均略低于中性情绪状态，但4级任务负荷时高于中性情绪状态。表3的配对检验结果表明中性情绪与积极情绪状态的2至4级任务负荷的主观量表评分存在显著差异。积极情绪刺激会改善志愿者的内部状态，从而降低志愿者在较低和中等任务负荷下的脑力负荷水平，提高任务绩效水平。然而在较高任务负荷时，积极情绪状态下的志愿者的功能状态恶化速度高于中性情绪状态，从而导致任务绩效出现快速下降。

4.3 疲劳状态下的功能状态分析

实验过程中每位志愿者填写了疲劳问卷，评价自身的疲劳程度，如图3所示。统计学分析结果表明实验设计有效诱发了志愿者的高疲劳状态。

高疲劳状态下操作者的任务绩效出现了显著下降，主观量表评价的脑力负荷水平显著上升，如表2和表4所示。长时间的工作记忆任务会引发脑力疲劳，导致志愿者的警觉性、应激能力下降和处理任务信息的能力降低，从而导致了任务绩效下降［11］。高疲劳状态的负性情绪刺激显著恶化了志愿者的功能状态，导致了同等任务负荷条件下的任务绩效下降和脑力负荷上升，这可能由于志愿者负性情绪状态而降低了执行任务的意愿［12］。高疲劳状态下的积极情绪状态的志愿者实现了与低疲劳状态大致相同的任务绩效，脑力负荷主观量表评分相对于其它两种情绪状态也较低，表明积极情绪会显著改善高疲劳状态下操作者的功能状态。此发现可以用于自适应人机功能分配领域，作为调节操作者当前工作状态依据，在高疲劳状态下通过施加积极情绪刺激以提高操作者的任务执行绩效并降低脑力负荷水平。

5 结论

1）操作者的功能状态会在负性情绪状态影响下出现恶化，恶化程度随任务负荷增加而加大。

2）积极情绪状态下，操作者在适宜任务负荷下会提高任务绩效并降低脑力负荷水平，但是在过高或过低任务负荷状态会导致功能状态下降。

3）高疲劳状态下操作者会出现脑力负荷上升和功能状态下降，但施加积极情绪刺激能够改善操作者在高疲劳状态下的功能状态。

（References）

［1］ Wang R，Zhang J，Zhang Y，etal.Assessmentof human op⁃erator functional state using a novel differential evolution opti⁃mization based adaptive fuzzy model［J］.Biomedical Signal Processing＆Control，2011，7（5）：490⁃498.

［2］ 陈善广，王春慧，陈晓萍，等.长期空间飞行中人的作业能力变化特性研究［J］.航天医学与医学工程，2015，28（1）：1⁃11. Chen S，Wang C，Chen X，etal.Study on changes of human performance capabilities in long⁃duration spaceflight［J］. Space Medicine＆Medical Engineering，2015，28（1）：1⁃11.（in Chinese）

［3］ Lorensuhewa A，Pham B，Geva S.Measuring neurophysiolog⁃ical signals in aircraft pilots and car drivers for the assessment ofmentalworkload，fatigue and drowsiness［J］.Neuroscience＆Biobehavioral Reviews，2014，44（7）：58⁃75.

［4］ Fallahi M，Motamedzade M，Heidarimoghadam R，et al. Effects ofmentalworkload on physiological and subjective re⁃sponses during traffic density monitoring：A field study［J］. Applied Ergonomics，2016，52（1）：95⁃103.

［5］ 王峻，白延强，秦海波，等.空间站任务航天员心理问题及心理支持［J］.载人航天，2012，18（2）：68⁃74. Wang J，Bai Y，Qin H，et al.Psychological problems and supportmeasures for astronauts during space station missions［J］.Manned Spaceflight，2012，18（2）：68⁃74.（in Chinese）

［6］ 吴斌，陈善广.航天员选拔与训练［J］.科学，2008，60（6）：43⁃46. Wu Bin，Chen Shanguang.Astronaut recruit and training［J］.Science，2008，60（6）：43⁃46.（in Chinese）

［7］ 杨辉，韦明，牟锴钰，等.模拟失重条件下长时间脑力负荷始末前额区脑电多尺度墒的变化分析［J］.航天医学与医学工程，2011，24（5）：369⁃371. Yang H，WeiM，Mou K Y，et al.Changes of EEG Signal Mul⁃tiscale Entropy at Prefrontal Cortex Area after Mental Work⁃load Operation in Simulated Weightlessness［J］.Space Medi⁃cine＆Medical Engineering，2011，24（5）：369⁃371.（in Chinese）

［8］ 潘津津，焦学军，焦典，等.利用功能性近红外光谱法研究大脑皮层血氧情况随任务特征变化规律［J］.光学学报，2015（8）：226⁃232. Pan J，Jiao X，Jiao D，etal.Study on variation in cortex oxy⁃gen with task features using functional near⁃infrared spectros⁃copy［J］.Acta Optica Sinica，2015，35（8）：226⁃232.（in Chinese）

［9］ 潘津津，焦学军，姜劲，等.基于功能性近红外光谱的脑力负荷评估［J］.光学学报，2015（A01）：403⁃412. Pan JJ，Jiao X J，Jiang J，et al.Mentalworkload assessment based on functional near⁃infrared spectroscopy Acta Optica Sinica，2015（A01）：403⁃412.（in Chinese）

［10］ NicklasDahlstrom，StaffanNahlinder.MentalWorkload in Air⁃craft and Simulator During Basic Civil Aviation Training［J］. International Journal of Aviation Psychology，2009，19（4）：309⁃325.

［11］ 王萌，张宜静，杜晓平，等.手控交会对接中操作者的情境意识和脑力负荷研究［J］.载人航天，2014，20（4）：378⁃385. WANG Meng，ZHANG Yijing，DU Xiaoping.Investigation on operator’s situation awareness and mental workload during manually controlled rendezvous and docking［J］.Manned Spaceflight，2014，20（4）：378⁃385.（in Chinese）

［12］ Jeon M，Walker B N，Yim JB.Effects of specific emotions on subjective judgment，driving performance，and perceived workload［J］.Transportation Research Part F Traffic Psychol⁃ogy＆Behaviour，2014，24（3）：197⁃209.

Study on Functional State of Operators during Simulated Space Tasks

JIANG Jin，JIAO Xuejun∗，ZHANG Zhen，CAO Yong，YANG Hanjun
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

The purpose of this paper is to study the changes of the functional states of operators in simulated complex space tasks under different emotional status and different degree of fatigues.Mul⁃tiple Attribute Task Battery（MATB）was used as the experimental platform and experiments invol⁃ving factors such as the task load，the emotion stimulus and the fatigue were designed.15 volunteers participated the experiment and the behavioral result and the subjective mental workload rating to variation of operational state of operatorswere analyzed.Itwas found that thementalworkload rating increased，the accuracy increased but the reaction time descended under negative emotional state. Compared to the neutral emotional state，the positive emotional stimulus improved the subjective rat⁃ing and task performance.As fatigue increased，the task performance and mental workload rating deteriorated，and negative emotional state deteriorated greater than positive emotional state.So it is very important to prevent astronauts from being in negative status，thus to avoid work capacity de⁃cline.Operators could accomplish optimalwork capacity with appropriate task load under positive e⁃motional state.The degree of deterioration ofmentalworkload and task performance induced by fa⁃tigue status could be improved by positive emotional stimulus.

emotional state；operational capacity；mental workload；task load

TB18

A

1674⁃5825（2017）01⁃0123⁃07

2016⁃04⁃13；

2017⁃01⁃09

国家自然科学基金青年基金（71201148）；中国航天员科研训练中心国防重点实验室实验技术课题（9140C770208150C77320，2012SY54B1701）；飞天基金（FTK201509）

姜劲，男，硕士研究生，研究方向为功能性近红外光谱、脑电、心电等多生理参数的脑力负荷、操作者功能状态。E⁃mail：jiangjin02180018＠qq.com

∗通讯作者：焦学军，男，博士，副研究员，研究方向为航天环境下的脑力负荷、操作者功能状态下以及生物特性。E⁃mail：jxjisme＠sina. com