胡添元，許成鑫，魏傳鋒，張?zhí)m濤，李 濤，王廣偉

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.四川航天系統(tǒng)工程研究所，成都 610100）

基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)方法

胡添元1，許成鑫1，魏傳鋒1，張?zhí)m濤1，李 濤1，王廣偉2

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.四川航天系統(tǒng)工程研究所，成都 610100）

針對(duì)目前載人航天器人機(jī)界面任務(wù)需求分析不全面、總體設(shè)計(jì)不充分的問題，提出了一種基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)方法。以一個(gè)載人航天器人機(jī)界面設(shè)計(jì)為例證明了該方法的合理性和有效性。應(yīng)用結(jié)果表明：使用該方法能提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)過程反復(fù)，使人機(jī)界面設(shè)計(jì)更加合理、更趨于完善。

系統(tǒng)工程；載人航天器；人機(jī)界面；總體設(shè)計(jì)

0 引言

載人航天技術(shù)的主要特點(diǎn)是有航天員參與。密封艙作為航天員主要活動(dòng)場(chǎng)所，保障航天員在航天任務(wù)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的監(jiān)視、操作、控制和通信，以及開展空間科學(xué)研究、試驗(yàn)和探索等活動(dòng)[1]。在密封艙相對(duì)狹小的空間內(nèi)，人機(jī)界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅影響著航天員的體力、心理和意識(shí)活動(dòng)，而且會(huì)影響他們的工作效率甚至航天任務(wù)安全。

目前人機(jī)界面設(shè)計(jì)模式是由總體設(shè)計(jì)人員進(jìn)行任務(wù)功能指標(biāo)分析，對(duì)分系統(tǒng)提出研制技術(shù)要求；分系統(tǒng)依據(jù)技術(shù)要求開展分系統(tǒng)層次的詳細(xì)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研制，之后提出布局要求，由總體總裝完成相關(guān)設(shè)備布局；最后，由總體組織人機(jī)界面相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。這種模式的缺點(diǎn)是總體未開展系統(tǒng)層面的總體設(shè)計(jì)，在提出研制技術(shù)要求時(shí)，存在任務(wù)和功能遺漏的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于總體與分系統(tǒng)間的層級(jí)概念過強(qiáng)，導(dǎo)致分系統(tǒng)難以站在系統(tǒng)頂層任務(wù)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案最優(yōu)的角度開展設(shè)計(jì)，人為將本應(yīng)耦合的多學(xué)科、多專業(yè)設(shè)計(jì)割裂開來，使得系統(tǒng)層次的設(shè)計(jì)要素與各專業(yè)技術(shù)的有機(jī)融合不夠，難以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面性和充分性，系統(tǒng)方案難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)[2]。

因此，如何充分體現(xiàn)以人為本設(shè)計(jì)思想，綜合考慮各專業(yè)技術(shù)之間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)出自然、和諧、友好的人機(jī)界面，將是載人航天器總體設(shè)計(jì)人員面臨的難題。

1 基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工程方法是從需求出發(fā)，綜合各種專業(yè)技術(shù)，通過分析—綜合—試驗(yàn)的反復(fù)迭代，以求開發(fā)出滿足使用要求、整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)。系統(tǒng)工程方法的實(shí)踐是強(qiáng)調(diào)總體設(shè)計(jì)，遵循研制程序，以及反復(fù)應(yīng)用的分析—設(shè)計(jì)—驗(yàn)證過程（系統(tǒng)工程過程）[3-4]。

本文結(jié)合載人航天器人機(jī)界面設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將系統(tǒng)工程方法融入人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)過程，提出一種基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)方法。該方法包含系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和分系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

具體流程如下：

1）系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)首先根據(jù)工程要求，以及其他大系統(tǒng)關(guān)于航天員作息、工作和生活保障接口要求開展系統(tǒng)級(jí)任務(wù)需求分析，主要目的是澄清和確認(rèn)用戶的需求和工作目標(biāo)，明確約束條件。

2）根據(jù)系統(tǒng)級(jí)任務(wù)需求分析結(jié)果開展系統(tǒng)功能分析，得到對(duì)系統(tǒng)功能的全面描述，即系統(tǒng)的功能體系。功能分析過程以航天員在軌實(shí)際操作的各項(xiàng)活動(dòng)為基礎(chǔ)，通過活動(dòng)過程推演，保證功能分析充分、全面。

3）根據(jù)功能分析結(jié)果，建立系統(tǒng)級(jí)任務(wù)功能體系，按照系統(tǒng)功能和性能開展綜合設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中考慮各相關(guān)工程技術(shù)，并輔以對(duì)操作過程的仿真分析用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，最終研制出滿足要求的、優(yōu)化的系統(tǒng)。

4）根據(jù)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)結(jié)果提出對(duì)相關(guān)分系統(tǒng)研制技術(shù)要求。

5）分系統(tǒng)依據(jù)總體提出的研制技術(shù)要求，開展任務(wù)需求分析、功能分析和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品研制，并對(duì)研制的產(chǎn)品進(jìn)行必要的測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。

6）分系統(tǒng)產(chǎn)品交付總體后，經(jīng)系統(tǒng)集成，可開展系統(tǒng)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證，目的是確認(rèn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足要求，以及能否保證在預(yù)定的性能指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

7）上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，每一個(gè)步驟都可以是一個(gè)循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)前一個(gè)步驟的重新訪問，也可以直接根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果返回至任務(wù)需求分析進(jìn)行設(shè)計(jì)的重新迭代。

2 應(yīng)用示例

載人航天器作為航天員在空間長期生活與工作的場(chǎng)所，需要為航天員提供宜居的生活環(huán)境，配置豐富的鍛煉、娛樂和生活設(shè)施，提供全面的醫(yī)學(xué)監(jiān)督和保障[5]。以下將應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)方法對(duì)典型的載人航天器人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證該方法的合理性和有效性。

2.1 任務(wù)需求分析

為保障航天員健康生活、有效工作，依據(jù)工程和其他大系統(tǒng)接口要求，分析、確定載人航天器人機(jī)界面需為航天員提供工作、休息、衛(wèi)生、就餐和健康保障。

2.2 系統(tǒng)功能分析

為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)需求，通過對(duì)航天員在軌操作活動(dòng)過程的推演，提出載人航天器人機(jī)界面綜合設(shè)計(jì)所需具備的功能，具體分析如下：

1）工作保障功能分析

航天員在軌工作期間的操作活動(dòng)主要包括設(shè)備維修維護(hù)操作、日常照料、會(huì)議和應(yīng)急操作等。其中，維修維護(hù)活動(dòng)指對(duì)故障和壽命到期設(shè)備進(jìn)行更換，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)和校準(zhǔn)等；日常照料活動(dòng)指平臺(tái)維護(hù)、載荷照料和物資管理等；會(huì)議活動(dòng)指航天員學(xué)習(xí)和討論等；應(yīng)急操作活動(dòng)是在載人航天器出現(xiàn)緊急情況時(shí)航天員采取的活動(dòng)。

通過對(duì)航天員工作活動(dòng)分析可知，載人航天器需提供專門的工作區(qū)，且工作區(qū)應(yīng)具有足夠的活動(dòng)空間；具有照明功能；具有放置和固定設(shè)備、備附件和工具包等物品的功能；工作時(shí)可接收?qǐng)?bào)警信息，并可與地面進(jìn)行話音通信；具有為工作設(shè)施提供電、信息等保障功能。

2）休息保障功能分析

航天員睡眠活動(dòng)主要包括展開和固定寢具、脫衣，更換睡衣，將衣物分類存儲(chǔ)，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)照明，進(jìn)入睡袋入睡。當(dāng)突發(fā)緊急情況時(shí)，航天員可被及時(shí)叫醒，接收?qǐng)?bào)警或地面話音呼叫信息；睡醒后航天員開啟照明，出睡袋，更換衣物，整理寢具和衣物。

航天員娛樂休息活動(dòng)包括閱讀、書寫、聽音樂、上網(wǎng)、下棋、打牌、觀看視頻、與家人交談、觀看太空風(fēng)景和與其他航天員交流。航天員在娛樂休息活動(dòng)期間會(huì)監(jiān)視載人航天器關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當(dāng)有緊急情況時(shí)，接收?qǐng)?bào)警消息并開展處置。

通過對(duì)航天員休息活動(dòng)分析可知，載人航天器需提供專門的睡眠區(qū)，且睡眠區(qū)應(yīng)具有獨(dú)立、私密的空間，保證環(huán)境安靜舒適；具有照明功能，且照度可調(diào)；具有放置和固定寢具功能；具有存儲(chǔ)和收納衣物、娛樂用品和個(gè)人物品的功能；睡眠時(shí)可接收?qǐng)?bào)警信息，可與地面進(jìn)行話音通信；具有為娛樂設(shè)施提供電和信息的保障功能。

3）衛(wèi)生保障功能分析

航天員衛(wèi)生活動(dòng)包括大小便、洗澡、日常和定期清潔。大小便活動(dòng)包括大小便前準(zhǔn)備，啟動(dòng)大小便收集設(shè)備；進(jìn)行大小便活動(dòng)，大小便后自身清潔、以及對(duì)大小便收集袋進(jìn)行密封處理等。日常清潔包括洗臉、刷牙和剃須等活動(dòng)，每種活動(dòng)使用具體物品和方式需滿足航天員的在軌活動(dòng)能力。定期清潔包括洗頭、理發(fā)等活動(dòng)，每項(xiàng)活動(dòng)需使用專用工具；在軌理發(fā)必要時(shí)需兩人配合進(jìn)行，剃須、理發(fā)所產(chǎn)生的廢棄物需進(jìn)行收集。

通過對(duì)航天員衛(wèi)生活動(dòng)分析可知，載人航天器需提供專門的衛(wèi)生區(qū)，且衛(wèi)生區(qū)應(yīng)具有獨(dú)立密閉的空間；具有除臭功能；具有照明功能，且照度可調(diào)；具有放置和固定衛(wèi)生紙、垃圾袋、洗澡用品、理發(fā)用品和日常清潔用品功能；具有存儲(chǔ)和收納衛(wèi)生用品功能；可接收?qǐng)?bào)警信息；具有衛(wèi)生設(shè)施的供電保障功能。

4）就餐保障功能分析

航天員就餐活動(dòng)包括食品存取、餐前準(zhǔn)備、用餐和餐后清潔等。航天員定期將食品從貨運(yùn)飛船搬運(yùn)至就餐區(qū)，并按照食品屬性進(jìn)行分類存儲(chǔ)；每次飯前，取出一餐量的食物，進(jìn)行餐前準(zhǔn)備操作；用餐期間會(huì)臨時(shí)固定未吃完食品，取用其他食品；當(dāng)突發(fā)緊急情況時(shí)，可接收?qǐng)?bào)警信息或地面話音呼叫；用餐后對(duì)手口、餐具和餐桌進(jìn)行清潔，將食品包裝和用過的清潔濕巾放置進(jìn)垃圾桶，將未使用的食品和清潔用品放回原處，對(duì)殘?jiān)M(jìn)行收集。

通過對(duì)航天員就餐活動(dòng)分析可知，載人航天器需提供專門的就餐區(qū)，且就餐區(qū)應(yīng)提供充足就餐空間；具有放置、固定、存儲(chǔ)和收納食品、餐具和清潔用品的功能；具有照明功能，且照度可調(diào)；就餐時(shí)具備接收?qǐng)?bào)警信息，并可與地面進(jìn)行話音通信；具備就餐設(shè)備的供電保障功能；具備方便快捷的清潔功能。

5）健康保障功能分析

航天員健康保障活動(dòng)包括鍛煉、在軌清潔和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保等。其中，鍛煉活動(dòng)包括跑步、抗阻鍛煉、拉力器等；在軌清潔活動(dòng)包括每日飯前飯后餐桌和餐具清潔、衛(wèi)生區(qū)設(shè)備使用前后的清潔、醫(yī)監(jiān)醫(yī)?；顒?dòng)前后的清潔、每日收集垃圾與處理。定期進(jìn)行餐桌和餐具、鍛煉設(shè)備、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)的消毒。航天員疾病診斷活動(dòng)前、后應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行消毒。醫(yī)監(jiān)醫(yī)?；顒?dòng)包括日常身體監(jiān)測(cè)、疾病診斷、普通治療和緊急救治。

通過對(duì)航天員健康保障活動(dòng)分析可知，載人航天器需提供專門的鍛煉區(qū)和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)，且鍛煉區(qū)和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)應(yīng)具有足夠的活動(dòng)空間；具備照明功能；具備密封艙內(nèi)環(huán)境清潔與消毒功能；具有放置和固定設(shè)備、備附件等物品，并供航天員方便和緊急使用的功能；具有醫(yī)監(jiān)醫(yī)保時(shí)天地通信與圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)谋Ｕ瞎δ?；醫(yī)監(jiān)醫(yī)保和鍛煉時(shí)可接收?qǐng)?bào)警信息；具有為鍛煉和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保設(shè)備提供電和信息的功能。

2.3 系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)

根據(jù)功能分析，對(duì)載人航天器艙內(nèi)整體空間進(jìn)行規(guī)劃，在艙內(nèi)配置工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)。其中，睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)相對(duì)獨(dú)立，其他各區(qū)域可相互連通，實(shí)現(xiàn)區(qū)域空間的綜合利用。在確定各功能區(qū)位置后，分別開展各功能區(qū)綜合設(shè)計(jì)。

工作區(qū)主要針對(duì)照明、限物限位、攝像、話音、報(bào)警提示和標(biāo)志等功能開展綜合設(shè)計(jì)；睡眠區(qū)提供獨(dú)立的空間，實(shí)現(xiàn)密封隔離，針對(duì)照明、限物限位、報(bào)警、通信、存儲(chǔ)等功能開展綜合設(shè)計(jì)；衛(wèi)生區(qū)提供私密空間，主要針對(duì)照明、限物限位等功能設(shè)計(jì)；就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)布局在工作區(qū)通道區(qū)域內(nèi)，主要針對(duì)限物限位和存儲(chǔ)等功能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，其他照明、攝像、通話、報(bào)警和標(biāo)志設(shè)計(jì)可參見工作區(qū)功能設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)過程中使用 Jack軟件對(duì)航天員在各功能區(qū)中典型操作的可視、可達(dá)、舒適和便利等方面進(jìn)行仿真分析（見圖2），并根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)任務(wù)功能要求的滿足情況，如果不滿足要求，則持續(xù)完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)或補(bǔ)充相關(guān)功能，再進(jìn)行仿真驗(yàn)證，直至滿足要求。

在本應(yīng)用示例中，通過仿真分析，從舒適性和便利性方面提出了設(shè)備布局調(diào)整、補(bǔ)充設(shè)備功能和修改設(shè)備接口等方面改進(jìn)建議，并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證，滿足要求。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，總體對(duì)相關(guān)分系統(tǒng)提出研制要求，分系統(tǒng)開展進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品研制。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在人機(jī)界面系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，總體和分系統(tǒng)分別進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證內(nèi)容包括容納空間，攝像話音與報(bào)警，艙內(nèi)視覺效果，設(shè)備布局與操作，在軌物資管理，維修、試驗(yàn)載荷拆裝和操作等。試驗(yàn)完成后，依據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果不滿足要求，則修改完善設(shè)計(jì)，再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，直至滿足要求。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面綜合設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于典型載人航天器人機(jī)界面設(shè)計(jì)。應(yīng)用結(jié)果表明：該方法可以提高效率，設(shè)計(jì)出舒適、便利的載人航天器人機(jī)界面；在設(shè)計(jì)過程中，通過詳細(xì)的任務(wù)功能需求分析、以及對(duì)操作活動(dòng)的推演和仿真，提出了調(diào)整設(shè)備布局、補(bǔ)充設(shè)備功能和修改設(shè)備接口等多項(xiàng)改進(jìn)建議，減少了設(shè)計(jì)反復(fù)，使人機(jī)界面設(shè)計(jì)更趨于全面、更加合理。

（References）

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（編輯：馮露漪）

System design method of human-machine interface for manned spacecraft based on systems engineering

HU Tianyuan1, XU Chengxin1, WEI Chuanfeng1, ZHANG Lantao1, LI Tao1，WANG Guangwei2
(1.Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China；2.Systems Engineering Institute of Sichuan Aerospace, Chengdu 610100, China)

In view of the fact that the mission requirement analysis of the existing human-machine interface for the manned spacecraft does not cover every aspect and the system design is not sufficient, an integrated design method of human-machine interface for the manned spacecraft based on systems engineering is proposed.The reasonability and the validity of the method are shown through an example of the human-machine interface design.The application results show that with this method, the design efficiency is significantly improved, the repetition in the design process is reduced, and the human-machine interface design is made more reasonable.

systems engineering; manned spacecraft; human-machine interface; system-level design

V57

：A

： 1673-1379(2017)01-0076-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.012

胡添元（1981—），男，博士學(xué)位，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩d人航天器總體設(shè)計(jì)。E-mail：hutianyuan04011@126.com。

2016-07-15；

：2017-01-23

國家重大科技專項(xiàng)工程

胡添元，許成鑫，魏傳鋒,等.基于系統(tǒng)工程的載人航天器人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)方法[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(1): 76-80

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