航天员空间操作人员仿真平台范文

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《航天医学与医学工程杂志》2014年第三期

1一体化仿真平台总体方案

1．1平台概述为开展长期太空飞行环境下航天员作业能力变化规律分析，本文建立了航天员空间操作人因分析一体化仿真平台。该平台通过将一个具有物理人体测量特性的虚拟人与可计算的认知模型及生物力学模型联系在一起［7］，用虚拟人代替真实航天员，对航天员完成特定太空操作任务的脑力负荷、生物力学操作和任务绩效进行预测和分析。虚拟人作为人的与系统进行交互，构成人及操作环境的集成，实现人在回路外的计算机仿真(HOOTL)，其目的是取代耗时的被试实验而对任务和系统设计进行早期快速评估。由于人在回路外的仿真实验中用模型代替人，降低了人的危险，大大的提高了实验分析的效率，缩短了研究周期，节省了研究经费。

1．2平台体系架构航天员空间操作人因分析一体化仿真平台整体分为三层，用户界面层提供整个平台的综合调度和管理，用于任务参数和资源输入、模型参数配置及下层功能的调度;功能实现层包括认知仿真、生物力学分析、绩效分析、三维可视化，多模型融合通信和数据库管理系统，主要用于认知决策过程仿真、人体生物力学仿真、工作负荷预测、绩效分析和任务过程可视化。底层平台硬件层通过集群系统为平台提供高性能计算能力，用于骨应力等有限元分析计算。其系统结构如图1所示。整个平台软件系统主要包括平台调度管理软件、认知仿真软件、生物力学仿真软件、绩效分析软件、三维可视化软件、多模型融合通信和数据库接口软件。调度管理系统软件是平台主调度界面，用于任务参数和资源输入、模型参数配置及下层功能平台的选择和调用。认知仿真软件实现认知思维过程的仿真。生物力学分析软件完成操作作业中人的生物力学特性仿真。绩效分析软件的功能是将完成具体任务的作业绩效采用图形、曲线、图表等多样的可视化方式表示出来，并对绩效仿真结果进行评价和分析。三维可视化软件将载入作业任务三维场景，根据任务流程实时可视化表现任务过程。网络通讯接口软件实现平台上各个模块间的数据共享和网络通讯。数据库软件用于记录仿真执行时生成的数据，支持配置数据表、添加、修改、删除、查询、浏览等数据处理功能。航天员空间操作人因分析一体化仿真平台将代替真实航天员，组成人在回路外的仿真系统，开展太空操作航天员认知决策和作业能力预测与分析试验性研究。

1．3平台工作流程平台运行时的仿真流程如图2所示。通过平台调度管理软件进行仿真任务的任务参数及仿真模型参数的初始化配置，并控制各个软件的仿真进程。认知仿真软件和生物力学仿真软件根据初始化参数进行模型计算，实时结果数据用于绩效分析软件的在线分析与监视，需要大运算量的后期处理数据将存储在平台仿真数据库中用于绩效分析软件的离线分析处理，同时这两个软件将通过驱动指令控制作业任务三维可视化软件对整个任务的过程进行三维可视化的显示。

2平台主要部分实现

2．1平台调度管理软件平台调度管理软件是人机交互主调度界面，用于对平台其他软件的调度、监视和管理。提供作业任务描述和模型参数输入功能，用户可以选择任务类型进入任务描述界面，对任务参数，如对接起点位置、路径、时间等进行选择，对认知、绩效等模型参数进行配置。任务配置界面见图3。平台调度管理软件具有任务仿真、模型修改、数据管理和仿真回放4个功能模块，任务仿真模块实现对作业任务的创建、配置、执行、修改和删除。模型修改模块实现人的特性参数配置、认知模型配置、生物力学模型配置和系统参数配置。数据管理模块实现每次任务仿真结果数据的浏览、导出及删除等管理功能。仿真回放可依据已记录在数据库中任务仿真结果实现任务过程的仿真回放。为增强平台的易用性，平台调度管理软件以人的特性为中心组织仿真的配置和参数的设置，将与人相关的认知参数和生物力学参数组织至每个人的个体数据结构中，将认知模型和生物力学模型中与人无关的通用模型参数或系统数据另外组织起来，在每次仿真调度开始时只需要简单设置是任务的初始参数和执行任务的虚拟人。为了实现整个平台的开放性，通过软件设计方法，实现了软件界面的动态生成，像仿真任务调度，任务初始化参数设置，仿真模型参数修改等软件界面都是由XML配置文件生成，当界面需要增加新的参数时，只需修改界面配置文件，就可以实现软件界面的更新，而不必重新修改和编译软件代码。

2．2认知仿真软件平台采用了Cao等［8］提出的ACTR-QN认知体系架构建立了人脑手控交会对接认知模型。ACTR-QN认知体系结构由感知、认知和动作3个子网络组成。感知子网络包括视觉和听觉模块;认知子网络包括产生式模块、说明性知识模块、目标模块和各类缓冲器，产生式模块与缓冲器进行信息交互，实现模块间行为的调节和信息的处理;动作子网络包括手动模块和语言输出模块［9］。ACTR-QN认知建模就是将人的认知行为过程映射到ACTR-QN认知结构体系的各个模块，实现人脑的认知行为过程仿真，一个个认知行为任务在QN-ACTR系统中循环执行，最终模拟完成整个认知行为。平台在基于离散事件仿真工具软件MicroSaintSharp(MSS)上构建了ACTR-QN认知网络图。认知结构包括视觉、听觉、中央处理、记忆与运动组块等，在各模块中融合太空操作认知规律的仿真过程，通过观察各认知模块的运行状态，实现认知过程的可视化。

2．3生物力学仿真软件生物力学仿真软件通过新鲜尸体骨力学性能测试实验结果、CT扫描图像数据、骨密度测试数据以及长期卧床试验肌肉体积、肌电、最大肌力等测量数据，结合数学模型、数值模型与计算机软件开发技术，建立包含骨肌系统运动学动力学仿真分析模块、航天员典型动作的运动学动力学参数数据库模块、操作能力变化的预测模块、骨骼肌肉应力分析和骨折风险预测模块等，实现航天员长期在轨飞行肌肉骨骼工作能力变化规律的预测。

2．4融合通信系统融合通信系统根据平台各模型间对数据的交换方式，支持同步集成和异步集成两种方式。同步集成采用实时局域网网络通信，实现上采用UDP组播通信，完成仿真参数配置、仿真流程控制、关键仿真数据及结果的实时交换及作业任务三维动画驱动等功能;异步集成采用数据库方式，使用Oracle11g数据库，局域网络连接方式，完成仿真输入参数和仿真计算结果统一的管理和存储，提供数据回放功能，支持仿真数据的离线绩效显示与分析。网络接口软件针对异构模型的并发处理特点，研究多模型交互融合系统的实时集成机制，开发了基于多通道组播的实时数据通信模块，该模块将平台软件之间的数据交换分为三层:应用层、数据层、通信层。应用层为上层软件及模型，它只需依据数据名称访问和更新数据，不用关心数据的来源及复杂交换过程，数据层建立了数据池表及管理模块，负责数据的建立、交换和维护;通信层只用负责在多个通道上传送数据。通过XML可对模型之间数据交换的通道、数据报文、数据分组、数据名称进行任意配置。即平台中要增加一个新软件、模型，或者模型生成一组新的数据，只要在配置中进行修改，整个平台的上层软件就都可以得到和访问这些新加数据。

2．5负荷绩效分析软件平台的负荷与绩效数据来源于3个部分:外部模拟器系统、认知仿真软件和生物力学仿真软件［10］。平台在MSS的Network下构建了ACTR-QN认知网络图［11］，通过对认知仿真过程中各组块资源时间占有率的计算，实现对感知、认知和动作作业负荷预测，在仿真过程中通过对组块工作状态的显示，实现认知占有率的实时显示。而生物力学分析软件仿真产生的运动学、动力学、肌肉力与骨应力等指标用于生物力学绩效的分析。任务负荷绩效分析预测软件对这些仿真结果数据通过在线或离线的方式进行可视化分析，提供柱状图、折线图、表格及动画等多种形式实现绩效预测结果的可视化，并通过对比负荷与绩效指标，实现操作人员的个性化评价。

2．6三维可视化软件通过对作业任务场景的三维建模工作，建立航天员、空间实验室、轨道舱及返回舱等作业人物及环境模型，基于OGRE开源引擎开发了作业任务三维可视化软件，构建并加载虚拟航天员和虚拟工作场景模型，实现航天员手控交会对接、开舱门和搬生物等作业的三维图形可视化表现，而作业过程则由认知仿真软件和生物力学仿真软件实时驱动。

3实验与验证

3．1实验设计本文选用太空飞行中人控交会对接任务作为用例［12］，该任务是一个典型的认知仿真任务。在人控交会对接任务中，航天员通过图形、数字和靶标图像等测量信息判断追踪飞行器与目标飞行器的相对位置、姿态等运动情况，并通过操作控制手柄，控制追踪飞行器完成与目标飞行器的对接。目标航天器靶标图像信息是航天员进行手控交会对接最主要的观察信息，即通过电视摄像机将目标飞行器对接口下方的十字形靶标的图案显示在屏幕上，航天员据此信息确定追踪飞行器与目标飞行器的相对位置和相对姿态，通过操纵手柄对追踪飞行器进行姿态控制和平移控制，直至对接成功。试验的框架如图4所示，一体化平台中的平台调度管理软件、认知仿真软件和作业任务三维可视化等软件与真实的便携式手控交会对接模拟器连接起来，用开发的MSS插件实现认知模型对模拟器电视图像的信息感知，并开发了控制手柄模拟程序，实现认知模型对模拟器手柄的控制，平台模拟一个虚拟的航天员，进行人在回路外的手控交会对接任务。根据前面对ACTR-QN体系的描述，建立了手控交会对接认知行为模型，在模型中，手控交会对接任务是在不断完成基本任务后而得以实现，这些基本任务包括观测、决策和控制［13］。观测任务是通过视觉模块连续感知外部信息，通过视觉缓冲把收集信息送入产生式模块;在产生式模块中，经过查询与过程性知识匹配的信息则触发一条产生式;决策任务则通过观测到的信息，查询得到匹配并通过目标模块的目标内容，触发一条或多条产生式，将执行结果送入运动缓冲，通过操作模块执行完成决策下达的任务。三类任务在QN-ACTR认知中央加工处理器中按顺序执行，形成认知与行为过程的反复循环。

3．2实验结果及分析任务过程三维可视化软件运行时界面如图5所示，构建并加载虚拟航天员和虚拟工作场景模型，实现航天员手控交会对接作业过程的三维图形可视化表现，其中航天员手部操作动作与ACT-QN中动作模块的输出同步。认知仿真软件运行时的界面见图6，在仿真中通过对ACT-QN各个模块的实时闪烁，观察认知模块的运行状态，实现认知过程的可视化。在本文中通过任务完成时间、燃料消耗、位置和姿态等指标实现任务绩效预测。实验中基于ACTR-QN模型成功在训练用模拟器上完成了两轴控制的手控交会对接任务，能在各种初始条件下实现两飞行器的成功对接。图7是实验中平台软件模拟的虚拟人与真实操作人员控制实现两飞行器在20m距离对接过程的Y轴和Z轴偏差对比，其中虚线是平台软件控制的对接过程偏差曲线，实线是操作人员的实际操控曲线，通过对比可以看出，基于软件模型的对接策略及认知仿真实现了与人基本一致的控制曲线及变化趋势。本实验针对太空飞行中人控交会对接任务进行了平台的认知仿真试验验证，平台与真实训练模拟器的交互、对接任务的完成情况及认知仿真结果的分析都达到了预期的目标。通过实验证明了平台设计时基于离散事件仿真工具软件上构建的ACTR-QN认知模型在运行效率、可扩展性和可视化能力都具有优势，完全可实现与航天训练用模拟器系统的实时协同仿真。实验过程中融合通信系统配置灵活、简便，在单机及联网等各种情况实现了平台各软件间的数据交换需求，没出现任务通信问题，稳定可靠，具有较强的多模型、多系统交互支撑能力。作业任务的三维可视化可实时直观的监视任务进程，并可在前期用于认知模型中任务策略的调试和改进。任务仿真的结果数据分析也表明平台通过认知仿真软件的认知模型模拟的虚拟航天员可实现了与真实操作人员基本一致的控制曲线及变化趋势，进一步证实了所建立平台的实用性和有效性。

4结论

长期在轨条件下人的因素研究是我国空间站任务背景下一个急需开展的研究课题之一，本文建立的平台是开展太空飞行中航天员作业能力研究的集成化平台。平台中所建立的认知体系模型和生物力学仿真模型可以实现人在回路外的仿真，可以对航天员完成特定太空操作任务的认知、生物力学及任务负荷与绩效进行预测及可视化显示，为进一步分析航天员在太空失重环境下认知和作业能力的变化奠定技术基础。

作者：周伯河陈善广刘玉庆朱秀庆王金坤陈学文康金兰胡福超安明单位：中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室中国航天员科研训练中心