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(xùn)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(xùn)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(xué)在載人航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，秉承“為航天員使用而設(shè)計”的理念，系統(tǒng)研究解決航天員、航天器、航天環(huán)境之間的關(guān)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(fā)，通過系統(tǒng)梳理國際國內(nèi)航天人因工程研究的發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析了其研究特點及未來發(fā)展趨勢。結(jié)合我國載人航天后續(xù)發(fā)展對航天人因工程的迫切實際需求，系統(tǒng)梳理了航天人因工程研究技術(shù)體系，并從管理與技術(shù)研究兩個方面，系統(tǒng)論述了我國航天人因工程的研究應(yīng)迫切開展的工作及后續(xù)發(fā)展的思路。

載人航天；人因工程；人機交互；人-系統(tǒng)整合；適人性評價

1　引言

人因工程學(xué)（Human Factors Engineering）是近些年發(fā)展很迅速的一門新興交叉學(xué)科，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。在不同時期，相近的學(xué)科叫法較多，包括：人的因素（Human Factors）、工效學(xué)（Ergonomics）、人機工程（Man-Machine Engineering）、工程心理學(xué)（Engineering Psychology）、認(rèn)知心理學(xué)（Cognitive Psychology）、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程（Man-Machine-Environment System Engineering）等，研究內(nèi)容相近，但各有側(cè)重［1，2］。目前，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者傾向于應(yīng)用“人因工程”這一學(xué)術(shù)名稱，以凸顯人在系統(tǒng)中的主導(dǎo)和關(guān)鍵作用。

載人航天任務(wù)涉及航天器、測控通信、發(fā)射回收等多個方面，特別是由于航天員的參與使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，對人的安全性和操作的可靠性要求更高，是一個巨復(fù)雜系統(tǒng)工程。從美俄早期的太空飛行來看，不管是聯(lián)盟號飛船還是阿波羅計劃，事故發(fā)生率都很高；后續(xù)航天飛機任務(wù)也發(fā)生過兩次機毀人亡的惡性事故。即便是最近幾年，航天任務(wù)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(wù)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(fā)生重大事故，但結(jié)果完美并不等于過程完美，其中也發(fā)生過一些險情、出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)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(lǐng)域，人因工程也是在不斷總結(jié)失敗教訓(xùn)中提高認(rèn)識和逐步發(fā)展起來的。俄羅斯（前蘇聯(lián)）在載人航天初期就專門成立生物醫(yī)學(xué)問題研究所牽頭開展空間飛行極端環(huán)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(rèn)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(wù)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(tǒng)整合標(biāo)準(zhǔn)NASASTD-3000。1991年為國際空間站（ISS）任務(wù)制定了航天人因工程發(fā)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(wù)中的人因工程問題，引領(lǐng)國際航天人因工程領(lǐng)域的發(fā)展，也對其載人航天任務(wù)成功和發(fā)展起到巨大推動作用。歐航局制定載人空間探索戰(zhàn)略THESEUS研究計劃，建立14個專家小組，圍繞綜合系統(tǒng)生理學(xué)、心理學(xué)、人機系統(tǒng)、空間輻射、居住地管理和醫(yī)療保健五個主要領(lǐng)域開展工作。我國從1968年航天醫(yī)學(xué)工程研究所成立開始就開展航天工效研究，1981年創(chuàng)立人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，1992年我國載人航天工程啟動時設(shè)立了航天員系統(tǒng)并下設(shè)工效學(xué)要求與評價、航天員選拔訓(xùn)練、飛行模擬等與人因工程密切相關(guān)的分系統(tǒng)。經(jīng)過二十多年的實踐發(fā)展，航天人因工程在研究內(nèi)容、方法和工程應(yīng)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(nèi)、艙外以及艙外航天服等一系列工效學(xué)設(shè)計要求與規(guī)范，目前正為我國空間站工程制訂工效學(xué)要求和評價標(biāo)準(zhǔn)。航天人因工程在保障載人航天任務(wù)策劃的科學(xué)合理性，提升人信息加工和決策可靠性，減少操作失誤，優(yōu)化人機功能分配，人-系統(tǒng)整合協(xié)同高效工作以及提高系統(tǒng)安全性等方面發(fā)揮了重要作用［3-7］。

圖1　載人航天任務(wù)中航天員-航天器（服）-空間環(huán)境相互關(guān)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(wù)中航天員乘組、航天器、以及空間環(huán)境構(gòu)成一個復(fù)雜的人-機-環(huán)系統(tǒng)，參見圖1。航天員是載人航天任務(wù)的主體，其作用能否充分發(fā)揮是任務(wù)成敗的關(guān)鍵?？臻g飛行中人的作業(yè)能力受很多因素影響，失重會導(dǎo)致人骨丟失、肌萎縮、眼壓和顱壓改變、前庭功能等生理系統(tǒng)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(diào)的社會關(guān)系會對航天員情緒、動機等產(chǎn)生影響，長期晝夜節(jié)律變化會導(dǎo)致睡眠紊亂、缺失甚至失眠等，由此引發(fā)人員腦力疲勞、情緒下降等，嚴(yán)重影響航天員作業(yè)能力發(fā)揮；同時艙載設(shè)備增多，信息流更為復(fù)雜，航天器人-系統(tǒng)整合設(shè)計及適居性的優(yōu)劣也會影響航天員完成任務(wù)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(tǒng)工程手冊中明確把人因工程作為其重要學(xué)科考慮，并認(rèn)為人因工程就是要在充分考慮人的能力和局限性對系統(tǒng)性能帶來影響的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對人-機界面和與人相關(guān)系統(tǒng)的研究、分析、設(shè)計和評價［8］。

綜上，航天人因工程是人因工程在載人航天領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用，是直接面向載人航天工程需求的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。它秉承“為航天員使用而設(shè)計”的理念，分析研究航天特因環(huán)境下航天員生理、心理等能力特性及其變化規(guī)律，系統(tǒng)研究解決航天員、航天器、航天環(huán)境之間的關(guān)系問題，確保航天員在軌安全、舒適、高效工作，實現(xiàn)任務(wù)全周期范圍內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)化整合、性能最優(yōu)。

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(chǔ)和核心，為系統(tǒng)設(shè)計與評估提供基線，內(nèi)容覆蓋人體參數(shù)和生物力學(xué)、認(rèn)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(shù)，顯示和控制界面主要面向人與設(shè)備、人與計算機交互，新型人機交互主要解決當(dāng)前手勢、眼動、腦機等的先進交互技術(shù)中人因關(guān)鍵問題，人智能系統(tǒng)協(xié)同主要面向人與智能機器人等團隊協(xié)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(rèn)識和掌握人誤的普遍特征與規(guī)律，深入研究其內(nèi)在的機制與機理；基于航天獨有環(huán)境對人誤的影響機制，構(gòu)建航天環(huán)境下人誤的認(rèn)知行為模型，建立人誤預(yù)測與預(yù)防方法；并針對航天任務(wù)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(tǒng)整合設(shè)計與評估是從系統(tǒng)層面建立人機功能分配、作業(yè)任務(wù)設(shè)計以及系統(tǒng)效能評估相關(guān)的理論、方法、流程和技術(shù)。

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

3　當(dāng)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(dāng)前研究的重點、熱點和未來發(fā)展方向進行闡述。3.1航天員作業(yè)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(tǒng)整合設(shè)計、任務(wù)規(guī)劃等重要活動的基礎(chǔ)和保障。NASA在國際空間站建設(shè)之初，即通過對空間飛行中人的優(yōu)勢（智力優(yōu)勢，對未知或非結(jié)構(gòu)化情景的響應(yīng)能力等）和局限性（生理局限、個體差異、重復(fù)單調(diào)的工作容易疲勞和出錯等）的大量基礎(chǔ)研究［9］，從而為空間站人-系統(tǒng)整合設(shè)計提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。面向未來的載人登火星、深空探測等任務(wù)，各航天大國都制定了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，深入了解和認(rèn)識空間環(huán)境因素對人能力的影響及變化規(guī)律［10-11］。

3.1.1人體參數(shù)及生物力學(xué)特性

隨著載人航天的發(fā)展，航天員人體參數(shù)及失重環(huán)境下骨肌生物力學(xué)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(shù)數(shù)據(jù)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(dǎo)致肌肉質(zhì)量丟失10%～20%，長期可能達到50%，這些會導(dǎo)致骨肌功能力量下降、運動操作協(xié)調(diào)性降低、體力疲勞增加［5］。對后續(xù)空間站任務(wù)，借助973國家重大基礎(chǔ)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(guān)節(jié)和肌肉力量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致步態(tài)模式等發(fā)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(tài)下人體的運動學(xué)、力學(xué)及肌電特性參數(shù)，為空間站設(shè)計提供有效支撐。

面向后續(xù)深空飛行及星球表面探測任務(wù)，長期和變重力環(huán)境對人感覺運動能力及協(xié)調(diào)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(tǒng)的FTT（Functional Task Test）測試項目，借助航天飛機和ISS任務(wù)開展神經(jīng)肌肉、感覺運動響應(yīng)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(yè)能力

航天員著艙外航天服加壓后對關(guān)節(jié)活動性、操作力量、手靈活性等作業(yè)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(yè)能力（簡稱人服作業(yè)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(tài)參數(shù)、活動空間、手作業(yè)能力、運送物品等9大類的人服作業(yè)能力體系及著服后能力變化規(guī)律，對空間站艙外活動工效學(xué)要求的提出提供了重要的支撐［17，18］。

后續(xù)此方面的研究將從軌道出艙人服作業(yè)能力向星球表面行走及操作能力拓展，開展服裝質(zhì)心、壓力、結(jié)構(gòu)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(huán)境，對未來載人登月等任務(wù)可能的任務(wù)（走、跪、爬等）開展功能活動性測試，建立各個關(guān)節(jié)面向任務(wù)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(guān)節(jié)角度和肌肉疲勞的關(guān)系等［11，19，20］。

3.1.3感知覺和認(rèn)知能力

空間失重等特因環(huán)境會對人的感知覺產(chǎn)生一定的影響，美俄等國在其載人航天任務(wù)之初就對飛行中微重力等環(huán)境對人的感知覺開展相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境可導(dǎo)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(nèi)噪聲對航天員聽力也會產(chǎn)生很大影響。如俄羅斯借助多次飛行任務(wù)開展了短期飛行視覺能力與特性研究，聯(lián)盟4號和5號任務(wù)4名航天員3人高低對比視力出現(xiàn)10%的下降，1人高對比視力出現(xiàn)20%的提高；聯(lián)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(fā)現(xiàn)長期飛行的失重環(huán)境會導(dǎo)致視功能下降，甚至出現(xiàn)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(wù)不可接受風(fēng)險，同時借助國際空間站平臺，啟動了視覺損傷/顱內(nèi)壓風(fēng)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(jié)構(gòu)和功能、體液分布等進行研究［19］。

另外失重、狹小空間、晝夜節(jié)律變化等因素會引起各感知通道輸入信息出現(xiàn)不適應(yīng)或相互沖突，航天員出現(xiàn)空間失定向、眼動神經(jīng)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(fù)荷、睡眠缺失導(dǎo)致認(rèn)知能力下降、腦力疲勞增加，跟蹤作業(yè)績效和和雙作業(yè)效能也出現(xiàn)下降［26］，如NASA通過地面研究發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪（如18小時沒睡眠）導(dǎo)致認(rèn)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(tài)，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(rèn)知決策能力變化規(guī)律及腦的可塑性相對知之甚少，這也是當(dāng)前國際航天飛行重點關(guān)注的。針對此，航天人因工程一方面開展標(biāo)準(zhǔn)和定量化的在軌認(rèn)知特性測試與評估技術(shù)、疲勞預(yù)測技術(shù)等研究，另一方面對長期空間飛行下認(rèn)知、行為以及神經(jīng)結(jié)構(gòu)/功能等變化進行研究，建立光、藥物等的生物節(jié)律與睡眠調(diào)節(jié)技術(shù)等。如NASA持續(xù)研發(fā)在軌神經(jīng)認(rèn)知評估工具（NeuroCATS），對航天員認(rèn)知感覺、視覺記憶與學(xué)習(xí)、持續(xù)注意、工作記憶、空間定向、情緒識別、矩陣推理、視覺追蹤、風(fēng)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(jīng)認(rèn)知功能的影響”項目，研究飛行對腦結(jié)構(gòu)和功能影響及其與認(rèn)知和感覺運動能力相關(guān)關(guān)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(guān)系不和諧等問題，從而導(dǎo)致作業(yè)負(fù)荷增加，人因可靠性降低。研究表明，社會心理應(yīng)激因素對于超過6星期的長期航天飛行任務(wù)比對短期航天飛行任務(wù)影響更大，會導(dǎo)致負(fù)性情緒增加、人際關(guān)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(jīng)成為重點［27］。如美國生命科學(xué)部通過艾姆斯（Ames）中心支持，研究在不熟悉和高壓力環(huán)境下人腦高層次決策能力的關(guān)鍵因素。針對國際空間站多國乘員組成的情況，NASA特別關(guān)注團隊協(xié)作和社會心理特征評估技術(shù)及關(guān)鍵影響因素研究。NASA與2008年開始建立人的行為和績效資質(zhì)要求，用于選拔和評估空間站乘組，該資質(zhì)沒有包括所有相關(guān)的資質(zhì)要求，如認(rèn)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(huán)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(fā)現(xiàn)長期隔離環(huán)境受試者出現(xiàn)沮喪和精神運動能力下降，發(fā)現(xiàn)了身體荷爾蒙水平與工作和睡眠計劃紊亂的關(guān)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(yè)能力變化規(guī)律及機制研究，探索了長期失重、狹小空間和生物節(jié)律紊亂等特因環(huán)境引起的感知覺和認(rèn)知能力變化、失重下骨肌質(zhì)量丟失的信號網(wǎng)絡(luò)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(xué)和認(rèn)知能力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，初步具備了對長期空間飛行下人的能力變化規(guī)律的分析和測量能力。我國在神九和神十任務(wù)中，開展眼手協(xié)調(diào)性、空間認(rèn)知、風(fēng)險決策等認(rèn)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(tài)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(jiān)視、操縱航天器完成任務(wù)的重要接口和途徑，其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響操作績效及任務(wù)成功。當(dāng)前航天任務(wù)的復(fù)雜度和航天器的自動化水平不斷增加，對人機界面設(shè)計與評估技術(shù)面臨更多的挑戰(zhàn)。在此領(lǐng)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(tài)精細(xì)操控任務(wù)，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(guān)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(wù)中針對飛船手控交會對接任務(wù)關(guān)鍵認(rèn)知特性、對接系統(tǒng)的靶標(biāo)、操作手柄以及飛船控制特性等相關(guān)工效設(shè)計開展大量研究，優(yōu)化了靶標(biāo)設(shè)計方案、多參數(shù)多自由度圖形顯示頁面設(shè)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(wù)的成功［39-41］。當(dāng)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(zhì)以及振動對操作工效影響等相關(guān)問題研究，該結(jié)果對指導(dǎo)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(wù)

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(wù)必不可少，其人機界面設(shè)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(shè)計與評價的重點。美俄等國在軌道出艙相關(guān)研究上已經(jīng)取得大量成果，在艙外作業(yè)區(qū)空間布局、操作力、艙外工具等形成了較為成熟的技術(shù)和規(guī)范，我國借助神七出艙活動任務(wù)和空間站任務(wù)，建立了出艙活動人機界面工效設(shè)計要求、地面和水下的工效評價技術(shù)。當(dāng)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(gòu)建了荒漠、水下等模擬環(huán)境下研究與測評技術(shù)，對航天員-艙外服-星球探測車系統(tǒng)開展布局及界面設(shè)計開展分析與評估。

3.2.3先進交互技術(shù)中的人因工程問題

人機交互技術(shù)快速發(fā)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(rèn)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(xié)同模式等成為當(dāng)前航天人因工程關(guān)注重點，也是確保這些先進技術(shù)真正得到在軌應(yīng)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(tǒng)技術(shù)（MIST，Mobile Information System Technology），并借助失重飛行開展相關(guān)人因問題研究。

3.2.4人-機器人協(xié)同

機器人技術(shù)的快速發(fā)展使得未來人機器人聯(lián)合進行星際探測成為發(fā)展的必然，因此如何確保人機器人協(xié)同高效工作成為后續(xù)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(chǔ)上，提出了人機器人交互技術(shù)發(fā)展的重點和差距，人機功能分配、與人的認(rèn)知能力相匹配的高效交互模式、以及非侵入情景感知和負(fù)荷測試技術(shù)成為關(guān)注重點。如NASA對其R2機器人開展人機協(xié)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(xié)同作業(yè)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(shè)施方便性、工作任務(wù)安排合理性及睡眠等多個方面都對適居性產(chǎn)生影響，但如何建立有效的在軌測試技術(shù)和方法，成為發(fā)現(xiàn)和提升航天器適居性關(guān)鍵，NASA在ISS任務(wù)中成立了適居性運行團隊，負(fù)責(zé)識別和分析執(zhí)行飛行任務(wù)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(jié)果用于空間站照明設(shè)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(yè)維修人員、心理應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)及任務(wù)復(fù)雜性不斷提高，航天員在任務(wù)回路中的參與度不斷增強，人的失誤引發(fā)航天異常、故障和事故的問題日益凸顯，使得各國航天機構(gòu)逐漸意識到人的失誤（下文簡稱人誤）可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低、甚至飛行任務(wù)失敗、人員傷亡和經(jīng)濟損失。載人航天領(lǐng)域人誤與人因可靠性研究的發(fā)展經(jīng)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(chǔ)，結(jié)合載人航天的特點，進行適用化改進。另一方面，是開發(fā)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(wù)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(guān)注已逐步上升到戰(zhàn)略層次。結(jié)合認(rèn)知科學(xué)與人因可靠性的最新發(fā)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(zhǔn)長期飛行開展人誤預(yù)測技術(shù)，人因可靠性改善與提高方法，從而確保航天員-航天器系統(tǒng)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(wù)下的人誤特點、規(guī)律及其影響因素，對于工程系統(tǒng)針對性的改進任務(wù)流程與設(shè)計、人機界面設(shè)計、人員選拔和訓(xùn)練都有非常重要的意義。NASA借助于核電站發(fā)展起來的人誤分類方法與人因可靠性分析方法，對已經(jīng)發(fā)生的載人航天事故進行了人誤的原因、特點分析。NASA已經(jīng)采用THERP、ATHEANA以及CREAM方法對借助真實飛行任務(wù)獲取的人誤數(shù)據(jù)（包括地面指控數(shù)據(jù)）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(yù)防人誤，揭示人誤發(fā)生的內(nèi)在機制與機理，明確人誤的作用途徑，可為人誤的預(yù)測與預(yù)防提供理論基礎(chǔ)，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(huán)境，尤其是長期在軌飛行環(huán)境及其導(dǎo)致的人的認(rèn)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(wù)保障局推動的“空間飛行任務(wù)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(guān)領(lǐng)域密切合作，深入系統(tǒng)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(yù)測與預(yù)防提供理論支撐［44］。

3.3.2人誤預(yù)測與預(yù)防措施研究

人誤預(yù)測技術(shù)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(gòu)建相關(guān)的模型。根據(jù)預(yù)測的目標(biāo)、對象的不同，可構(gòu)建不同的模型。目前國際上的人誤預(yù)測模型實際上是借助于普通的認(rèn)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(fā)的目標(biāo)和出發(fā)點著重在于對于思維特征的描述，而不是以人誤動態(tài)分析與預(yù)測為重點的。因此，其在應(yīng)用過程中存在一些問題。目前，NASA正在開展基于任務(wù)網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知模型和視覺模型的人誤分析與預(yù)測模型研究，通過對任務(wù)設(shè)計與安排、人機交互系統(tǒng)、環(huán)境因素等的系統(tǒng)分析，識別潛在人誤，提高系統(tǒng)可靠性。

預(yù)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(biāo)。NASA、俄羅斯以及ESA等在預(yù)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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，包括工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、安全性與可靠性標(biāo)準(zhǔn)等，強制約束產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)方，確保系統(tǒng)和人的可靠性；并且系統(tǒng)性的介入產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)，迭代的進行產(chǎn)品工效學(xué)評價；第二種是通過工程管理、工業(yè)設(shè)計、人員選拔和訓(xùn)練的方法，優(yōu)化任務(wù)流程、人機界面設(shè)計、人員能力，增強系統(tǒng)的容錯能力，從而減少人誤提高系統(tǒng)可靠性。

3.3.3人因可靠性分析與評估

注重開發(fā)新的HRA模型、方法、工具以及標(biāo)準(zhǔn)體系。NASA特別重視對HRA模型在航天實踐應(yīng)用中的適用性改進，同時推進相關(guān)軟件、表格等實用性工具及標(biāo)準(zhǔn)體系的開發(fā)。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(fā)展，形成了HF PFMEA軟件（RELEX公司發(fā)布了其商用版本）和HF PFMEA訓(xùn)練，并已成功應(yīng)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(chǎn)生累積性腦力疲勞，開展了腦力疲勞狀態(tài)下人誤的績效影響因素的負(fù)性變化規(guī)律研究，初步揭示了腦力疲勞與持續(xù)注意能力之間的定量關(guān)聯(lián)，揭示了持續(xù)性注意能力與錯誤覺察能力存在密切的關(guān)聯(lián)，未來可作為人誤實時監(jiān)測與預(yù)測的一個重要指標(biāo)［7，47］。航天員中心人因工程重點實驗室正在開展對經(jīng)驗人誤數(shù)據(jù)的分類分析，下一步結(jié)合機制與機理研究的成果，構(gòu)建人誤的認(rèn)知動態(tài)模型，提取顯著的績效、生理等特征（腦電、腦血氧）指標(biāo)，并開發(fā)相關(guān)的軟件實現(xiàn)對人誤的預(yù)測。

長期空間飛行下人誤與人因可靠性對航天任務(wù)的完成至關(guān)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(wù)的人誤特征、規(guī)律、機制與機理，結(jié)合認(rèn)知模型建立預(yù)測模型，針對人-系統(tǒng)可靠性建立動態(tài)分析與評估方法。

3.4人-系統(tǒng)整合設(shè)計與評估

3.4.1以人為中心設(shè)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(tǒng)”HAAS（Human-As-A-System）設(shè)計模型，而且在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和程序?qū)用娼⒘巳?系統(tǒng)整合設(shè)計要求（NASA-STD3001等），其中特別強調(diào)“以人為中心的設(shè)計”理念，要求所有載人系統(tǒng)的研發(fā)在全周期范圍內(nèi)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(shè)計、進行性能評估、以及開展迭代式設(shè)計（設(shè)計-測試-再設(shè)計模式）。其過程至少應(yīng)包括以下幾個方面［6，44，45］：a.操作概念和任務(wù)場景建立；b.任務(wù)分析；c.人-機功能分配；d.人員角色和職責(zé)分配；e.迭代式概念設(shè)計和原型系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)性能評估等）；g.人-系統(tǒng)性能在軌檢測。

3.4.2應(yīng)激與作業(yè)負(fù)荷

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

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

NASA通過總結(jié)載人任務(wù)成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)，提出將作為指導(dǎo)載人系統(tǒng)研發(fā)實施全周期的工程化方法。HSI要求研發(fā)團隊從策劃、設(shè)計、運行、管理等各個方面確?！耙匀藶橹行脑O(shè)計”理念的落實，改進人機關(guān)系，預(yù)防人為差錯，消除安全隱患，避免設(shè)計反復(fù)，節(jié)約研制經(jīng)費，最終實現(xiàn)系統(tǒng)安全、高效和經(jīng)濟的目的。HSI涵蓋了與人相關(guān)的多個領(lǐng)域包括健康、選拔訓(xùn)練、物資生活保障等，其中人因工程理論和方法是實現(xiàn)人-系統(tǒng)整合設(shè)計與評估的核心。NASA在對航天員能力績效深入研究的基礎(chǔ)上，面向航天器研制全周期的階段特點，在任務(wù)分析、人機功能分配、乘員艙適居性、顯示和控制界面、作業(yè)程序等方面開展以人為中心設(shè)計與評估技術(shù)研究，形成了包括任務(wù)分析、時間線分析，模型和仿真，可用性測試、負(fù)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(tǒng)工程手冊（NASA/SP-6105），指導(dǎo)航天器全周期的人-系統(tǒng)整合設(shè)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(rèn)證（Human-Rating Certification）要求。2008年NASA更新了《空間系統(tǒng)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(rèn)證的。一個通過適人性評估的系統(tǒng)就是能夠適應(yīng)人的需求、有效利用人的能力、控制風(fēng)險以確保人員操作安全，且一旦發(fā)生危險具備最大限度保證乘組安全恢復(fù)的能力。適人性評估應(yīng)是系統(tǒng)研發(fā)全周期所有計劃活動中不可缺少的組成部分，包括：設(shè)計與研制，測試與驗證，計劃管理與控制，放飛前確認(rèn)，任務(wù)運行，維護維修，升級與廢棄等環(huán)節(jié)。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(tǒng)是否滿足適人性評估負(fù)責(zé)，NASA三個技術(shù)機構(gòu)的主管（任務(wù)安全、工程、健康及醫(yī)療），負(fù)責(zé)適人性評估的實施，約翰遜中心主任負(fù)責(zé)乘員風(fēng)險可接受性評估，最終結(jié)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(tǒng)集成工作組（Human System Integration Group，HSIG），作為專門的管理機構(gòu)推動實施規(guī)范化、科學(xué)化和有效性。要求在系統(tǒng)研制的每一個階段的關(guān)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(shè)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(shè)計水平和任務(wù)成功［47］。

我國30年前創(chuàng)立的人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論與方法在理念與目標(biāo)上與HSI很相似，其體現(xiàn)的系統(tǒng)工程思想與方法在我國載人航天任務(wù)中的到了有效的應(yīng)用。從1992年載人航天任務(wù)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(wù)和航天服等工效學(xué)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(wù)的成功［3，7］。

面向未來載人航天復(fù)雜任務(wù)的需求，后續(xù)人-系統(tǒng)整合的研究重點主要包括：

1）必須進一步推動人-系統(tǒng)整合理念的持續(xù)深入和貫徹，這是確保該方向良性發(fā)展的思想基礎(chǔ)。正如NASA提出的不僅要在項目中將人-系統(tǒng)整合設(shè)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(tǒng)整合測評技術(shù)發(fā)展，特別是基于仿真的測評技術(shù)和平臺建立，NASA對此十分重視，其人機整合設(shè)計與分析系統(tǒng)MIDAS由NASA Ames研究中心于80年代中期開始開發(fā)，到目前已經(jīng)歷6個版本，并持續(xù)加大投入，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)行為績效模擬、作業(yè)負(fù)荷分析、可視域、可達域分析等功能，對方案階段的人-系統(tǒng)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(tǒng)AMSS的研制，初步實現(xiàn)了對骨肌生物力學(xué)、認(rèn)知績效以及工作負(fù)荷等建模仿真［51-53］。

3）深入開展定量化、標(biāo)準(zhǔn)化人機界面分析測評技術(shù)的研究，這些指標(biāo)對于推動人機功能分配、作業(yè)負(fù)荷定量化評估技術(shù)建立至關(guān)重要。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)有助于我們實現(xiàn)跨評價項目的數(shù)據(jù)收集、跨系統(tǒng)共享。NASA已經(jīng)提出將人作業(yè)精度指標(biāo)、工作負(fù)荷指標(biāo)、情景意識指標(biāo)、認(rèn)知指標(biāo)、個性指標(biāo)、情緒健康測量、人體參數(shù)、生理指標(biāo)等人的績效指標(biāo)進行規(guī)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(fā)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(wù)，這些任務(wù)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(zhàn)，包括月球、火星探測等變重力環(huán)境下人的能力與績效、星球表面艙外活動、人機器人團隊協(xié)作、航天人誤預(yù)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(guān)鍵階段，后續(xù)任務(wù)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(wù)中充分發(fā)揮獨特作用以使系統(tǒng)獲得最大效益？充分借鑒國外經(jīng)驗，切實重視并推動我國航天人因工程研究和應(yīng)用不僅十分迫切更具有長遠意義。特別應(yīng)在以下幾個薄弱環(huán)節(jié)做出努力：

4.1理念與認(rèn)識

經(jīng)過近20年的發(fā)展，從項目的頂層管理者到具體的工程設(shè)計人員對系統(tǒng)中的人因問題的認(rèn)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(tǒng)工效學(xué)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(guān)注人-機關(guān)系，而人-機關(guān)系本質(zhì)上講是人-人關(guān)系，因為機是人的創(chuàng)造物，必然打上人的烙印，表現(xiàn)在產(chǎn)品研發(fā)上是設(shè)計者與使用者（用戶）之間的關(guān)系。設(shè)計者與使用者是對立統(tǒng)一體，設(shè)計者常常把自己當(dāng)成使用者，而使用者常常對設(shè)計者期望過高，人因工程提供了解決這種沖突達到系統(tǒng)諧同的科學(xué)途徑。因此，亟需加強“以人為中心的設(shè)計”理念宣貫和推動，在工程全線深入領(lǐng)會“人因”，人-系統(tǒng)整合設(shè)計對任務(wù)完成的重要性，真正從管理到技術(shù)各個環(huán)節(jié)作為一種必須遵守的原則和設(shè)計約束來認(rèn)識和貫徹。

4.2組織與管理

目前我國載人航天系統(tǒng)的人-系統(tǒng)整合設(shè)計在組織和管理層面上做了一些規(guī)定，包括載人航天器出廠放行需要通過工效學(xué)分系統(tǒng)的評價，但總體來說缺乏系統(tǒng)性，缺少頂層規(guī)范和成系統(tǒng)的組織管理保障。一方面，組織機構(gòu)不健全，只有一個分系統(tǒng)以技術(shù)形式開展要求和測評研制工作，缺乏各層次相應(yīng)的組織機構(gòu)；另一方面，在管理上不嚴(yán)格，更多的是航天員系統(tǒng)和工程方之間一種系統(tǒng)間技術(shù)溝通，無論從規(guī)范性和嚴(yán)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(tǒng)整合設(shè)計及評估在航天器全周期研制中的貫徹和落實。

4.3技術(shù)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(wù)，在技術(shù)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(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)律、技術(shù)方法的儲備等無法滿足任務(wù)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(xù)測試與評價中的定量化、系統(tǒng)化和覆蓋性要求。應(yīng)充分發(fā)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(guī)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)

航天人因工程在人-系統(tǒng)整合中作用的發(fā)揮必須依靠制度與標(biāo)準(zhǔn)支撐，前期雖然形成一些工效學(xué)要求和部門標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)全面性不夠，等級不高，推廣和執(zhí)行過程中制度保障不足，作用發(fā)揮有限。我國空間站涉及多艙段、多平臺、多系統(tǒng)融合，設(shè)計必須貫徹通用化、標(biāo)準(zhǔn)化要求。應(yīng)加強人因標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范研究，盡快形成我國空間站工程人-系統(tǒng)設(shè)計要求和規(guī)范，也為后續(xù)任務(wù)打下良好基礎(chǔ)。

4.5投入與保障

工效先行是產(chǎn)品研制的基本原則。人因和工效學(xué)要求往往在產(chǎn)品設(shè)計前需要提出和明確，而在約束指標(biāo)、設(shè)計和評價技術(shù)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(tǒng)整合設(shè)計保障越強。目前在航天產(chǎn)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(chǔ)研究經(jīng)費來源單一，可投入預(yù)先研究的經(jīng)費嚴(yán)重不足，無法滿足后續(xù)任務(wù)需要；另一方面，工效學(xué)和人因研究應(yīng)先行先投入，可由于任務(wù)偏“軟”，條件保障往往得不到應(yīng)有的重視。應(yīng)切實改變觀念要在工程研制的前期階段部署相關(guān)人因工程的先行研究工作和平臺建設(shè)工作，拓寬經(jīng)費支持渠道，加大保障力度。

［1］蔣祖華.人因工程［M］.科學(xué)出版社，2011. Jiang Zuhua.Human Factors Engineering［M］.Science Press，2011.（in Chinese）

［2］威肯斯等著；張侃等譯.人因工程學(xué)導(dǎo)論［M］.華東師范大學(xué)出版社，2005. Wickens C D.Introduction to Human Factors Engineering［M］.Press of East China Normal University，2005.（in Chinese）

［3］陳善廣.航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)發(fā)展60年［M］.科學(xué)出版社，2009. Chen Shanguang.60 Years’Development of Space Medico and Medical Engineering［M］.Science Press，2009.（in Chinese）

［4］霍爾，謝勒著；周曉飛，張柏楠，尚志等譯.聯(lián)盟號飛船［M］.中國宇航出版社，2006. R.D.Hall and D.J.Shayler.Soyuz：A Universal Spacecraft［M］.China Astronautic Publishing House，2006.（in Chinese）

［5］克萊芒著；陳善廣等譯.航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)［M］.中國宇航出版社，2008. Clement.Fundamentals of Space Medicine［M］.China Astronautic Publishing House，2008.（in Chinese）

［6］Human Integration Design Handbook（NASA/SP-2010-3407）［R］.NASA，Washington D.C.，2010.

［7］龍升照，黃端生，陳道木等.人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論與應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.科學(xué)出版社，2004. Long Shengzhao，Huang Duansheng，Chen Daomu，et al. Fundamentals of Human-Machine-Environment System Engineering Theory and Application［M］.Science Press，2004.（in Chinese）

［8］Systems Engineering Handbook［R］.NASA Headquarters，Washington，D.C.NASA/SP-2007-6105 Rev 1，2007.

［9］Vontiesenhausen G.An approach toward function allocation between humans and machines in space station activities［J］. 1982.

［10］Griffin B N，Howard R，Rajulu S，et al.Creating a Lunar EVA Work Envelope［R］.SAE Technical Paper，2009.

［11］England SA，Benson E A，Rajulu S L.Functional Mobility Testing：Quantification of Functionally Utilized Mobility among Unsuited and Suited Subjects［R］.NASA/TP-2010-216122）NASA Johnson Space Center，Houston，TX，2010.

［12］Li F，Wang C，Liu H，et al.Mechanical Characteristics of Basic Actions in Simulated Space Operation Conditions［C］// 2nd International Conference on Electronic&Mechanical Engineering and Information Technology.Atlantis Press，2012.

［13］Wang C，Chen S，Li F，et al.Typical Muscle Endurance Force Analysis of Upper Limb Pre and Post the Bed TestUsing Detrended Fluctuation Analysis［C］//2nd International Conference on Electronic&Mechanical Engineering and Information Technology.Atlantis Press，2012.

［14］Tan C，Li Z，Chen S，et al.Investigation of gait pattern in simulated weightlessness environment［J］.Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，19-20.

［15］Appendino S，Battezzato A，Chen F C，et al.Effects of EVA spacesuit glove on grasping and pinching tasks［J］.Acta Astronautica，2014，96：151-158.

［16］Bishu R R，Klute G.The effects of extra vehicular activity（EVA）gloves on human performance［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，1995，16（3）：165-174.

［17］Yang H，Wang C，Teng P，etal.Experimental Investigations of Force Character of Extra Vehicular Activity Glove in Different Pressure Levels［C］//2nd International Conference on E-lectronic&Mechanical Engineering and Information Technology.Atlantis Press，2012.

［18］王麗，王春慧，周詩華，等.艙外活動作業(yè)類型及操作動作對航天員手操作能力的要求分析［C］.第十二屆人機環(huán)境系統(tǒng)工程大會，22-26. Wang Li，Wang Chunhui，Zhou Shihua，et al.The demand of EVA work type and movement on astronaut’s hand operation capbility［C］.The 12thHuman-Machine-Environment System Engineering conference，22-26.（in Chinese）

［19］Effenhauser L.Human Research Program：2012 Fiscal Year Annual Report［J］.2012.

［20］Ross A，Kosmo J，Janoiko B.Historical synopses of Desert RATS 1997-2010 and a preview of Desert RATS 2011［J］. Acta Astronautica，2013，90（2）：182-202.

［21］Kubis JF，McLaughlin E J，Jackson JM，et al.Task and work performance on Skylabmissions2，3，and 4：Time and motion study：Experiment M151［J］.1977.

［22］Gerathewohl S J，Stallings H D，Strughold H.Sensomotor performance during weightlessness；eye-hand coordination［J］.The Journal of aviation medicine，1957，28（1）：7.

［23］Reschke M R，Bloomberg J J，Harm D L，et al.Visual-vestibular integration as a function of adaptation to space flight and return to Earth［J］.1999.

［24］Krukowski A E，Pirog K A，Beutter B R，et al.Human discrimination of visual direction of motion with and without smooth pursuit eyemovements［J］.Journal of Vision，2003，3（11）：16.

［25］CorballisM C，Zbrodoff N J，Shetzer L I，etal.Decisions about identity and orientation of rotated letters and digits［J］. Memory&Cognition，1978，6（2）：98-107.

［26］卡納斯，曼蔡著；白延強，王愛華譯.航天心理學(xué)與精神病學(xué)［M］.中國宇航出版社，2009. Kanas N and Manzy D.Space Psychology and Psychiatry［M］.China Astronautic Publishing House，2008.（in Chinese）

［27］Gabriel G，van Baarsen B，F(xiàn)erlazzo F，etal.Future perspectives on space psychology：Recommendations on psychosocial and neurobehavioural aspects of human spaceflight［J］.Acta Astronautica，2012，81（2）：587-599.

［28］Bessone L，Coffey E，Inoue N.International Space Station Human Behavior&Performance Competency Model［R］. NASA/TM-2008-214775 Vol1，2008.

［29］Gabriel G，Navas JM M，Bozal R G.Neurocognitive performance using the Windows spaceflight cognitive assessment tool（WinSCAT）in human spaceflight simulations［J］.Aerospace Science and Technology，2014，35：87-92.

［30］Tafforin C.The Mars-500 crew in daily life activities：An ethological study［J］.Acta Astronautica，2013，91：69-76.

［31］田雨，陳善廣，王春慧，等.心理旋轉(zhuǎn)能力與人控交會對接任務(wù)績效的關(guān)聯(lián)［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2012，25（6）：397-402. Tian Yu，Chen Shanguang，Wang Chunhui，et al.Correlation of Mental Rotation Ability with the Performance of Manually Controlled Rendezvous and Docking［J］.Space Medicine& Medical Engineering，2012，25（6）：397-402.（in Chinese）

［32］Rao L，Jiang C，Liang Z，etal.High-risk decisionmaking in space［J］.Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，38-39.

［33］Zhao X，Zhou R，Liu Q，et al.Effects ofmicrogravity on cognitive performance［J］.Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，40.

［34］Bilimoria K D.Effects of control power and guidance cues on lunar lander handling qualities［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2009，46（6）：1261-1271.

［35］Mueller E，Bilimoria K D，F(xiàn)rost C.Handling Qualities Evaluation for Spacecraft Docking in Low Earth Orbit［J］.AIAA Paper，2008，6832.

［36］Bailey R E，Jackson EB，Goodrich K H，etal.Initial Investigation of Reaction Control System Design on Spacecraft Handling Qualities for Earth Orbit Docking［J］.AIAA Paper，2008，6553.

［37］Bilimoria K，Mueller E R，F(xiàn)rost C R.Handling qualities evaluation of pilot tools for spacecraft docking in earth orbit［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2011，48（5）：846-855.

［38］Mueller E，Bilimoria K D，F(xiàn)rost C.Dynamic coup ling and control response effectson spacecrafthandling qualities during docking［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2009，46（6）：1288-1297.

［39］Wang C，Jiang T，Tian Y，etal.The human factors inmanually controlled rendezvous and docking：Implications for engineering new designs［J］.Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，26-27.

［40］Wang C，Tian Y，Chen S，et al.Predicting performance in manually controlled rendezvous and docking through spatial abilities［J］.Advances in Space Research，2014，53（2）：362-369.

［41］王春慧，蔣婷.手控交會對接任務(wù)中顯示-控制系統(tǒng)的工效學(xué)研究［J］.載人航天，2011，17（2）：50-53，64. Wang Chunhui，Jiang Ting.Study on Ergonomic Design of Display-control System in Manual-control Rendezvous and Docking［J］.Manned Spaceflight，2011，17（2）：50-53，64.（in Chinese）

［42］Trafton JG，Cassimatis N L，Bugajska M D，et al.Enabling effective human-robot interaction using perspective-taking in robots［J］.Systems，Man and Cybernetics，Part A：Systems and Humans，IEEE Transactions on，2005，35（4）：460-470.

［43］Man-Systems Integration Standards NASA-STD-3000［R］. NASA，Washington D.C.，1994.

［44］Space Flight Human-System Standard NASA-STD-3001［R］. NASA，WashingtonD.C.，2011.

［45］Leiden K，Laughery K R，Keller J，et al.A review of human performance models for the prediction of human error［J］. Ann Arbor，2001，1001：48105.

［46］Fitts D J，Sandor A，Litaker Jr H L，etal.Human Factors in Human-Systems Integration［R］.Human Research Program-Space Human Factors&Habitability Space Human Factors Engineering Project，2008.

［47］Xiao Y，Ma F，Lv Y，et al.Sustained attention is associated with error processing impairment：evidence from mental fatigue study in four-choice reaction time task［J］.Plos One，DOI：10.1371/journal.pone.0117837.（in Press）

［48］Hart SG.NASA-task load index（NASA-TLX）；20 years later［C］//Proceedings of the human factors and ergonomics society annualmeeting.Sage Publications，2006，50（9）：904-908.

［49］李鵬杰，姚志，王萌等.心率變異性在手控交會對接操作腦力負(fù)荷評價中的應(yīng)用［J］.人類工效學(xué)，2013，19（3）：1-5，11. Li Pengjie，Yao Zhi，Wang Meng，et al.The Application of Heart Rate Variability in the Evaluation of Mental Workload during Manual Controlled Rendezvous and Docking［J］.Chinese Journal of Ergonomics，2013，19（3）：1-5，11.（in Chinese）

［50］Gore B F.Man-machine integration design and analysis system（MIDAS）v5：augmentations，motivations，and directions for aeronautics applications［M］//Human modelling in assisted transportation.Springer Milan，2011：43-54.

［51］Chen S，Liu Y，Wang C，etal.Astronautperformance simulations：An integrated modeling and simulation platform［J］. Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，57-60.

［52］Wang Z，Wang S，Wang C，etal.Virtualmodeling and simulation of astronaut motions［J］.Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，62-63.

［53］Tang G，Wang D，Xiao K，et al.Biomechanical modeling and dynamics simulation of an astronaut’s musculoskeletal system，［J］.Science（Human Performance in Space：Advancing Astronautics Research in China），2014，64-65.

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(chǔ)研究973計劃項目（2011CB711000）；中國載人航天工程預(yù)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(shè)計師，國際宇航科學(xué)院院士，研究方向為航天人因工程。E-mail：shanguang_chen@126.com