Green 版 (精华区)

发信人: dragon (海狼), 信区: Green
标  题: 载人航天中人的可靠性问题及研究进展
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年01月15日15:08:12 星期一), 站内信件

载人航天中人的可靠性问题及研究进展
周前祥
　　一、问题的提出
　　前苏联航天员加加林进行首次太空飞行以后，已有越来越多的人进入太空。人在航
天中的作用可以概括为：大多数情况下，能承担各种类型的工作，处理意外事故。因而
考虑航天员在太空飞行中的作用，可以发挥整个系统的最大效能。当系统的硬件部分出
现故障时，航天员能进行修理，使之恢复正常工作；当自动控制失灵时，他又能用人工
控制的方法将载人航天器返回地面；航天员能独立自主地接受各类仪表显示的信息，对
系统状态进行判断和决策，并做出快速反应；还能充分发挥自己的主观能动作用，进行
科学实验、观察及生产加工。因此在载人航天中，由于人的思维、认知、决策和操作能
力，使得航天器系统更可靠，使用寿命更长，完成任务的成功率更大。这样，发挥人的
作用将会简化系统的自动化设计和操作的复杂性，表1是历次飞行中航天员在系统安全性
上所起作用的不完全统计。
　　然而，在空间飞行环境条件下，航天员机体又受到诸如失重、噪声、辐射、心血管
功能失调、航天员运动并工作环境狭小以及飞行危险性等因素的影响，生理和心理都会
发生相应变化，加之载人航天飞行处于微重力环境而影响到人的空间定向和运动控制能
力，例如，航天员在地面重力情况下形成的习惯在航天失重的情况下会成为一种干扰，
尤其在舱外无支持物的空间干扰会更大，使得航天员在运动或作业时常出现用力过度、
失定向以及肌紧张度过高等现象。此外，人的操作往往具有非线性、时变性和随机性等
特点，由于航天员自身生理和心理上的障碍，可以出现对系统监视和操作上的误判断、
误操作和误安装，导致飞行任务的失败。表2是俄罗斯(前苏联)载人飞船发生的与人操作
有关的故障情况统计。
 　　从这两个表中可以看出，航天员的可靠性对系统的影响不可忽视。载人航天中，可
以因人的有效参与而使得系统的安全可靠性增加，也可能出现由于某些原因而产生的人
的失误，导致系统的可靠性降低，甚至出现飞行任务失败和人员伤亡。国外载人航天飞
行中人的操作事故统计表明，截止1994年底，在136次载人飞行统计中，共出现各种大小
事故48起，其中由于航天员操作失误占7起。因此，进行人的可靠性研究与提高载人航天
器设备硬件的可靠性一样重要，特别是，随着载人航天技术的发展，长时间、远距离和
多乘员的载人空间飞行和出舱活动将是21世纪航天事业发展的必然趋势，为了保证重要
的零部件在安装时不可能装错，直接影响系统可靠性与安全性的操作动作不失误，目前
，国内外对载人飞行中人的可靠性问题的研究已变得更加关注。
　　二、研究现状
　　在载人航天的发展过程中，往往对航天器系统和设备的安全与可靠性研究较多，而
针对空间飞行过程中人的可靠性研究所发表的文献较少，究其原因可能是系统设备的可
靠性直接关系到飞行安全，且有研制经验可循。开展飞行过程中人的可靠性研究，只是
近20多年的事情。另外，航天中人与机之间的复杂性、变异性和自身的不确定性，都给
研究飞行过程人的可靠性带来困难。加之人本身是一个复杂的巨系统，动机和压力对人
的可靠性的影响也很大，这又加重了对人的可靠性进行预测的不确定性。例如，每个人
都具有在危急情境中由常态迅即转向应急状态的能力，这时活动目的和注意力更加明确
和集中，于是可靠性和工作效率往往因此达到最佳状态。目前载人航天过程中人的可靠
性研究主要如下：
　　1.失误分析
　　一般情况下，航天员操作失误可以理解为人在操作过程中产生的各项失误（如读错
仪表值、按错按钮以及惊慌中踩下加速踏板等）而导致系统部分或全部丧失效能的行为
。在实际过程中，尽管有许多差错，由于人又是能迅速改变其思想、看法与行为的一种
特殊系统，因此，有时即使想错了或者做错了，但能及时地加以纠正而没有造成丝毫后
果，这样的差错就不能视为人的操作失误。所以，航天员操作失误可以定义为：在正常
条件下，规定时间内，不能正确完成一项任务或一项操作或者超出任务要求以外的一些
操作行为，使飞行器的功能降低、退化或者对其功能退化有潜在影响的操作行为。在空
间飞行环境影响下，对航天员的操作失误达成的共识为：
　　(1)必然性
　　实践证明，加强航天员的心理和智能选拔、有效地进行模拟操作训练以及体质锻炼
等能够显著地减少航天员操作差错率（差错次数与总操作数之比）。但根据墨非定律：
如果一台机器存在操作错误的可能性，那么一定会有人错误地操作它。加之在太空飞行
中失重、辐射和心理等因素对人体健康和工作能力的影响也越来越大，复杂多样的航天
任务对航天员工作能力的要求也越来越高，这样航天员操作失误就具有必然性的特征。

　　（2）随机性
　　航天员作为系统的主体，是操作失误得以发生的主要因素，而人本身又是个极其复
杂的系统，具有明显的时变特性。因此，操作差错发生的时间、部位、场合以及发生在
谁身上都是随机的、不肯定的，很难用确切的数学模型来表达，只能依靠大量的数理统
计，才能掌握航天员操作失误发生的一般规律。
　　（3）突然性
　　由于载人航天的特殊性，使得航天员操作失误不像机器性能衰减或构件强度降低那
样，有一个渐变的过程。它造成的后果往往会突然爆发出来，使操作者立即处于措手不
及的境地而造成飞船系统的失效。例如，1967年1月27日在发射阿波罗4号飞船时，由于
航天员操作失误使得指令舱内电路短路起火，引起火灾，加之座舱门又不能及时打开，
3名航天员当场死亡。
　　（4）隐蔽性
　　航天员操作失误往往是在操作者误认为正确的情况下发生的，由于人的习惯性和迟
滞性，对自己的差错纠正能力比较低。一些差错发生在机件组装过程中，组装完毕，差
错以隐蔽的形式存在于航天器内部，很难发现。因此必须有严格的检验复查制度和先进
的检测手段。
 　　2.理论模型和可靠性预测
　　经过多年的研究，归纳起来，可用于研究航天员可靠性的数学模型有：广义人的可
靠度函数；鲁克模型；人认知可靠性（ＨＣＲ）计算模型；应力－强度模型等。上述模
型分别从一般正常情况、航天员协同作业、人的认识能力和航天员所能承受的负荷方面
来研究航天员的可靠性。
　　预测人的可靠性的前提是：（1）任务明确；（2）采用的方法能用公式详细表示;（
3）可以把任务分解为一系列的子任务或多个组成部分；（4）可以得到每个子任务的可
靠性以及表征相关任务的条件参数。近年来，对人的可靠性预测方法有了很大发展，仅
定量预测方法就有20多种。例如，人的差错率预测方法、通过量比率法、人的可靠性指
数法、框图法和模糊集合论分析法等。这些方法虽然各有优点，但是考虑的问题都是以
人的差错率为基本前提。由于人的行为受多种因素的影响，具有很大的不确定性，因此
仅用人的差错率不能充分表达出人的可靠性，预测结果也比较粗略。综合起来，模糊集
合集方法则更接近实际。
　　三、发展趋势
　　载人航天的核心是使人进入空间，充分发挥其能动性，以促进空间事业的发展。航
天员上了天，在完成任务之后或出现紧急情况时，就必须返回地面。美国的双子星座计
划表明，航天员不仅能在严酷的宇宙空间环境中生存，而且是飞行操作中一个敏感的能
发挥作用的部分。因此，后来发展的航天器就减少了很多自动设备和备份元件，而以人
控方式代之。所以如何确定空间飞行过程中人的可靠性与工作效率，实现人与飞行器操
作自动化的最优组合，以保证整个系统的安全、可靠，这将是研究人的可靠性的主要目
标，我们认为，其未来重点研究方向是：
　　1.人的认知规律与可靠性的关系
　　由于在未来的载人航天器中，不断采用新的信息显示和操纵控制技术，并且随着航
天任务的增加，需要由航天员完成的操纵控制数量也急剧增长，人－机界面越来越复杂
。例如，新研制的航天飞机上都用电子综合显示器和多功能键盘代替了机电式仪表和多
数控制器，使各种设备和传感器的信息数字化，经过计算机综合处理，按时分制原则，
汇总传输，综合显示与控制。所以必须研究人的认知特性与其本身的作业可靠性的关系
。目前，美国航宇局人的因素研究中心建立了人的认知规律模型，它主要研究飞行操作
中人的认知规律，确定航天员失误的原因和测试复杂操作时人的特性等。
　　2.人的可靠性影响因素及其控制对策
　　人是航天飞行过程中的主体，同时其失误也是系统中重要的潜在事故源，这一点已
成为在整个载人航天器系统中人及其功能不易明确的争论焦点，但另一方面，又不能完
全否定航天员的作用。所以解决的办法是从人本身的心理、生理状态和外在管理出发，
研究航天员失误的主要因素，建立人的生物节律监控系统，改善人－机设计和舱内环境
条件，消除或减少失误行为，提高可靠性。例如，俄罗斯学者利用和平号空间站在一次
探险过程中获得的资料，研究指令长、随船工程师等人的误操作与其心理生理状态、工
作休息制度之间的关系，之后提出了改进措施。
　　3.虚拟现实技术已成为人的可靠性仿真研究的重要手段
　　该技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态声、像功能的三
维空间环境，并且使操作者能够“进入”该环境，直接观测和参与环境中事物的变化与
相互作用。该系统主要由计算机、头盔显示器、数据手套和数据服等组成。因此，利用
虚拟现实技术进行空间飞行过程中人的操作仿真是比较合适的，几乎可以模拟飞行操作
的所有过程。1993年12月，美国航天员出舱活动，成功地修复了哈勃望远镜，这是虚拟
现实技术问世以来所做出的最大贡献。航天员就是预先在地面应用虚拟现实技术进行人
的操作可靠性训练仿真，熟练掌握了修复该望远镜的操作技术。
 　　4.人的可靠性分析与增长技术
　　在有人参与的航天器系统中，不少指标现在只能定性而不能定量分析，研究工作有
一定的难度，尤其是人的可靠性研究更为困难。但人的可靠性分析与方法的研究发展很
快，种类也有十几种。经历了静态的可靠性分析评价方法（即以专家判断与统计分析相
结合）向动态的总体可靠性分析方法（以人工智能方法与认知心理学相结合）的发展。

　　5.航天工效学与人的可靠性相结合
　　航天工效学主要研究在空间微重力环境条件下人的工作效率及所必须采取的保障手
段，使航天器中人－机界面的设计适合于航天员的能力特性。所以，航天工效学与人的
可靠性是紧密联系的。在这一交叉研究的过程中，人的工作负荷的定量评价仍是一个难
题，目前，国外学者正致力于建立工作负荷的客观评价模型，以为飞行过程中人的可靠
性研究打下基础。
　　四、结束语
　　目前，有一种观点认为在载人航天器研制初期，系统大部分功能可由自动装置来完
成，因此在进行设计时较少考虑航天员的因素，甚至忽略人的作用。但是，随着飞行时
间的延长，特别是对中、长期载人航天来说，完全采用自动控制技术是不现实的。因此
全部自动化，尤其是对意外事件的处置与复杂的维修活动等，在近期以至几十年内由于
技术、系统结构或成本上的原因都是不可能实现的，所以发挥人的作用不容置疑。这样
载人航天中人的可靠性研究就成为一个贯穿于载人航天计划始终的大问题：在概念研究
阶段，要从理论上正确认识人的作用；在研制发展阶段，要从工程设计上保证人的可靠
性；在飞行实施阶段，则要从技术措施上提高人的可靠性。航天飞行过程中，航天员、
航天器和空间环境构成一个典型的人－机－环境系统，所以，必须对人、机、环境三个
方面因素进行综合考虑来提高人的可靠性，即除了提高飞行器系统的本质安全可靠性外
，还应该对人－机接口进行工效学设计，并采取良好的飞行管理措施，以维持航天员的
健康状态和工作能力，来确保人的可靠性。同时，当飞行中的人具有高度可靠性时，由
于他是整个系统的一个冗余子系统，这也就提高了载人航天的安全性。 

--
         ------没有比人更高的山，
                   没有比脚更长的路。

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: bbs.ndc.neu.edu.cn]