航天員空間操作人員仿真平臺范文

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《航天醫學與醫學工程雜志》2014年第三期

1一體化仿真平臺總體方案

1．1平臺概述為開展長期太空飛行環境下航天員作業能力變化規律分析，本文建立了航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺。該平臺通過將一個具有物理人體測量特性的虛擬人與可計算的認知模型及生物力學模型聯系在一起［7］，用虛擬人代替真實航天員，對航天員完成特定太空操作任務的腦力負荷、生物力學操作和任務績效進行預測和分析。虛擬人作為人的與系統進行交互，構成人及操作環境的集成，實現人在回路外的計算機仿真(HOOTL)，其目的是取代耗時的被試實驗而對任務和系統設計進行早期快速評估。由于人在回路外的仿真實驗中用模型代替人，降低了人的危險，大大的提高了實驗分析的效率，縮短了研究周期，節省了研究經費。

1．2平臺體系架構航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺整體分為三層，用戶界面層提供整個平臺的綜合調度和管理，用于任務參數和資源輸入、模型參數配置及下層功能的調度;功能實現層包括認知仿真、生物力學分析、績效分析、三維可視化，多模型融合通信和數據庫管理系統，主要用于認知決策過程仿真、人體生物力學仿真、工作負荷預測、績效分析和任務過程可視化。底層平臺硬件層通過集群系統為平臺提供高性能計算能力，用于骨應力等有限元分析計算。其系統結構如圖1所示。整個平臺軟件系統主要包括平臺調度管理軟件、認知仿真軟件、生物力學仿真軟件、績效分析軟件、三維可視化軟件、多模型融合通信和數據庫接口軟件。調度管理系統軟件是平臺主調度界面，用于任務參數和資源輸入、模型參數配置及下層功能平臺的選擇和調用。認知仿真軟件實現認知思維過程的仿真。生物力學分析軟件完成操作作業中人的生物力學特性仿真。績效分析軟件的功能是將完成具體任務的作業績效采用圖形、曲線、圖表等多樣的可視化方式表示出來，并對績效仿真結果進行評價和分析。三維可視化軟件將載入作業任務三維場景，根據任務流程實時可視化表現任務過程。網絡通訊接口軟件實現平臺上各個模塊間的數據共享和網絡通訊。數據庫軟件用于記錄仿真執行時生成的數據，支持配置數據表、添加、修改、刪除、查詢、瀏覽等數據處理功能。航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺將代替真實航天員，組成人在回路外的仿真系統，開展太空操作航天員認知決策和作業能力預測與分析試驗性研究。

1．3平臺工作流程平臺運行時的仿真流程如圖2所示。通過平臺調度管理軟件進行仿真任務的任務參數及仿真模型參數的初始化配置，并控制各個軟件的仿真進程。認知仿真軟件和生物力學仿真軟件根據初始化參數進行模型計算，實時結果數據用于績效分析軟件的在線分析與監視，需要大運算量的后期處理數據將存儲在平臺仿真數據庫中用于績效分析軟件的離線分析處理，同時這兩個軟件將通過驅動指令控制作業任務三維可視化軟件對整個任務的過程進行三維可視化的顯示。

2平臺主要部分實現

2．1平臺調度管理軟件平臺調度管理軟件是人機交互主調度界面，用于對平臺其他軟件的調度、監視和管理。提供作業任務描述和模型參數輸入功能，用戶可以選擇任務類型進入任務描述界面，對任務參數，如對接起點位置、路徑、時間等進行選擇，對認知、績效等模型參數進行配置。任務配置界面見圖3。平臺調度管理軟件具有任務仿真、模型修改、數據管理和仿真回放4個功能模塊，任務仿真模塊實現對作業任務的創建、配置、執行、修改和刪除。模型修改模塊實現人的特性參數配置、認知模型配置、生物力學模型配置和系統參數配置。數據管理模塊實現每次任務仿真結果數據的瀏覽、導出及刪除等管理功能。仿真回放可依據已記錄在數據庫中任務仿真結果實現任務過程的仿真回放。為增強平臺的易用性，平臺調度管理軟件以人的特性為中心組織仿真的配置和參數的設置，將與人相關的認知參數和生物力學參數組織至每個人的個體數據結構中，將認知模型和生物力學模型中與人無關的通用模型參數或系統數據另外組織起來，在每次仿真調度開始時只需要簡單設置是任務的初始參數和執行任務的虛擬人。為了實現整個平臺的開放性，通過軟件設計方法，實現了軟件界面的動態生成，像仿真任務調度，任務初始化參數設置，仿真模型參數修改等軟件界面都是由XML配置文件生成，當界面需要增加新的參數時，只需修改界面配置文件，就可以實現軟件界面的更新，而不必重新修改和編譯軟件代碼。

2．2認知仿真軟件平臺采用了Cao等［8］提出的ACTR-QN認知體系架構建立了人腦手控交會對接認知模型。ACTR-QN認知體系結構由感知、認知和動作3個子網絡組成。感知子網絡包括視覺和聽覺模塊;認知子網絡包括產生式模塊、說明性知識模塊、目標模塊和各類緩沖器，產生式模塊與緩沖器進行信息交互，實現模塊間行為的調節和信息的處理;動作子網絡包括手動模塊和語言輸出模塊［9］。ACTR-QN認知建模就是將人的認知行為過程映射到ACTR-QN認知結構體系的各個模塊，實現人腦的認知行為過程仿真，一個個認知行為任務在QN-ACTR系統中循環執行，最終模擬完成整個認知行為。平臺在基于離散事件仿真工具軟件MicroSaintSharp(MSS)上構建了ACTR-QN認知網絡圖。認知結構包括視覺、聽覺、中央處理、記憶與運動組塊等，在各模塊中融合太空操作認知規律的仿真過程，通過觀察各認知模塊的運行狀態，實現認知過程的可視化。

2．3生物力學仿真軟件生物力學仿真軟件通過新鮮尸體骨力學性能測試實驗結果、CT掃描圖像數據、骨密度測試數據以及長期臥床試驗肌肉體積、肌電、最大肌力等測量數據，結合數學模型、數值模型與計算機軟件開發技術，建立包含骨肌系統運動學動力學仿真分析模塊、航天員典型動作的運動學動力學參數數據庫模塊、操作能力變化的預測模塊、骨骼肌肉應力分析和骨折風險預測模塊等，實現航天員長期在軌飛行肌肉骨骼工作能力變化規律的預測。

2．4融合通信系統融合通信系統根據平臺各模型間對數據的交換方式，支持同步集成和異步集成兩種方式。同步集成采用實時局域網網絡通信，實現上采用UDP組播通信，完成仿真參數配置、仿真流程控制、關鍵仿真數據及結果的實時交換及作業任務三維動畫驅動等功能;異步集成采用數據庫方式，使用Oracle11g數據庫，局域網絡連接方式，完成仿真輸入參數和仿真計算結果統一的管理和存儲，提供數據回放功能，支持仿真數據的離線績效顯示與分析。網絡接口軟件針對異構模型的并發處理特點，研究多模型交互融合系統的實時集成機制，開發了基于多通道組播的實時數據通信模塊，該模塊將平臺軟件之間的數據交換分為三層:應用層、數據層、通信層。應用層為上層軟件及模型，它只需依據數據名稱訪問和更新數據，不用關心數據的來源及復雜交換過程，數據層建立了數據池表及管理模塊，負責數據的建立、交換和維護;通信層只用負責在多個通道上傳送數據。通過XML可對模型之間數據交換的通道、數據報文、數據分組、數據名稱進行任意配置。即平臺中要增加一個新軟件、模型，或者模型生成一組新的數據，只要在配置中進行修改，整個平臺的上層軟件就都可以得到和訪問這些新加數據。

2．5負荷績效分析軟件平臺的負荷與績效數據來源于3個部分:外部模擬器系統、認知仿真軟件和生物力學仿真軟件［10］。平臺在MSS的Network下構建了ACTR-QN認知網絡圖［11］，通過對認知仿真過程中各組塊資源時間占有率的計算，實現對感知、認知和動作作業負荷預測，在仿真過程中通過對組塊工作狀態的顯示，實現認知占有率的實時顯示。而生物力學分析軟件仿真產生的運動學、動力學、肌肉力與骨應力等指標用于生物力學績效的分析。任務負荷績效分析預測軟件對這些仿真結果數據通過在線或離線的方式進行可視化分析，提供柱狀圖、折線圖、表格及動畫等多種形式實現績效預測結果的可視化，并通過對比負荷與績效指標，實現操作人員的個性化評價。

2．6三維可視化軟件通過對作業任務場景的三維建模工作，建立航天員、空間實驗室、軌道艙及返回艙等作業人物及環境模型，基于OGRE開源引擎開發了作業任務三維可視化軟件，構建并加載虛擬航天員和虛擬工作場景模型，實現航天員手控交會對接、開艙門和搬生物等作業的三維圖形可視化表現，而作業過程則由認知仿真軟件和生物力學仿真軟件實時驅動。

3實驗與驗證

3．1實驗設計本文選用太空飛行中人控交會對接任務作為用例［12］，該任務是一個典型的認知仿真任務。在人控交會對接任務中，航天員通過圖形、數字和靶標圖像等測量信息判斷追蹤飛行器與目標飛行器的相對位置、姿態等運動情況，并通過操作控制手柄，控制追蹤飛行器完成與目標飛行器的對接。目標航天器靶標圖像信息是航天員進行手控交會對接最主要的觀察信息，即通過電視攝像機將目標飛行器對接口下方的十字形靶標的圖案顯示在屏幕上，航天員據此信息確定追蹤飛行器與目標飛行器的相對位置和相對姿態，通過操縱手柄對追蹤飛行器進行姿態控制和平移控制，直至對接成功。試驗的框架如圖4所示，一體化平臺中的平臺調度管理軟件、認知仿真軟件和作業任務三維可視化等軟件與真實的便攜式手控交會對接模擬器連接起來，用開發的MSS插件實現認知模型對模擬器電視圖像的信息感知，并開發了控制手柄模擬程序，實現認知模型對模擬器手柄的控制，平臺模擬一個虛擬的航天員，進行人在回路外的手控交會對接任務。根據前面對ACTR-QN體系的描述，建立了手控交會對接認知行為模型，在模型中，手控交會對接任務是在不斷完成基本任務后而得以實現，這些基本任務包括觀測、決策和控制［13］。觀測任務是通過視覺模塊連續感知外部信息，通過視覺緩沖把收集信息送入產生式模塊;在產生式模塊中，經過查詢與過程性知識匹配的信息則觸發一條產生式;決策任務則通過觀測到的信息，查詢得到匹配并通過目標模塊的目標內容，觸發一條或多條產生式，將執行結果送入運動緩沖，通過操作模塊執行完成決策下達的任務。三類任務在QN-ACTR認知中央加工處理器中按順序執行，形成認知與行為過程的反復循環。

3．2實驗結果及分析任務過程三維可視化軟件運行時界面如圖5所示，構建并加載虛擬航天員和虛擬工作場景模型，實現航天員手控交會對接作業過程的三維圖形可視化表現，其中航天員手部操作動作與ACT-QN中動作模塊的輸出同步。認知仿真軟件運行時的界面見圖6，在仿真中通過對ACT-QN各個模塊的實時閃爍，觀察認知模塊的運行狀態，實現認知過程的可視化。在本文中通過任務完成時間、燃料消耗、位置和姿態等指標實現任務績效預測。實驗中基于ACTR-QN模型成功在訓練用模擬器上完成了兩軸控制的手控交會對接任務，能在各種初始條件下實現兩飛行器的成功對接。圖7是實驗中平臺軟件模擬的虛擬人與真實操作人員控制實現兩飛行器在20m距離對接過程的Y軸和Z軸偏差對比，其中虛線是平臺軟件控制的對接過程偏差曲線，實線是操作人員的實際操控曲線，通過對比可以看出，基于軟件模型的對接策略及認知仿真實現了與人基本一致的控制曲線及變化趨勢。本實驗針對太空飛行中人控交會對接任務進行了平臺的認知仿真試驗驗證，平臺與真實訓練模擬器的交互、對接任務的完成情況及認知仿真結果的分析都達到了預期的目標。通過實驗證明了平臺設計時基于離散事件仿真工具軟件上構建的ACTR-QN認知模型在運行效率、可擴展性和可視化能力都具有優勢，完全可實現與航天訓練用模擬器系統的實時協同仿真。實驗過程中融合通信系統配置靈活、簡便，在單機及聯網等各種情況實現了平臺各軟件間的數據交換需求，沒出現任務通信問題，穩定可靠，具有較強的多模型、多系統交互支撐能力。作業任務的三維可視化可實時直觀的監視任務進程，并可在前期用于認知模型中任務策略的調試和改進。任務仿真的結果數據分析也表明平臺通過認知仿真軟件的認知模型模擬的虛擬航天員可實現了與真實操作人員基本一致的控制曲線及變化趨勢，進一步證實了所建立平臺的實用性和有效性。

4結論

長期在軌條件下人的因素研究是我國空間站任務背景下一個急需開展的研究課題之一，本文建立的平臺是開展太空飛行中航天員作業能力研究的集成化平臺。平臺中所建立的認知體系模型和生物力學仿真模型可以實現人在回路外的仿真，可以對航天員完成特定太空操作任務的認知、生物力學及任務負荷與績效進行預測及可視化顯示，為進一步分析航天員在太空失重環境下認知和作業能力的變化奠定技術基礎。

作者：周伯河陳善廣劉玉慶朱秀慶王金坤陳學文康金蘭胡福超安明單位：中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室中國航天員科研訓練中心