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《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)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(huán)境下航天員作業(yè)能力變化規(guī)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(xué)模型聯(lián)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(wù)的腦力負荷、生物力學(xué)操作和任務(wù)績效進行預(yù)測和分析。虛擬人作為人的與系統(tǒng)進行交互，構(gòu)成人及操作環(huán)境的集成，實現(xiàn)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(wù)和系統(tǒng)設(shè)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(jié)省了研究經(jīng)費。

1．2平臺體系架構(gòu)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(diào)度和管理，用于任務(wù)參數(shù)和資源輸入、模型參數(shù)配置及下層功能的調(diào)度;功能實現(xiàn)層包括認知仿真、生物力學(xué)分析、績效分析、三維可視化，多模型融合通信和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主要用于認知決策過程仿真、人體生物力學(xué)仿真、工作負荷預(yù)測、績效分析和任務(wù)過程可視化。底層平臺硬件層通過集群系統(tǒng)為平臺提供高性能計算能力，用于骨應(yīng)力等有限元分析計算。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個平臺軟件系統(tǒng)主要包括平臺調(diào)度管理軟件、認知仿真軟件、生物力學(xué)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(shù)據(jù)庫接口軟件。調(diào)度管理系統(tǒng)軟件是平臺主調(diào)度界面，用于任務(wù)參數(shù)和資源輸入、模型參數(shù)配置及下層功能平臺的選擇和調(diào)用。認知仿真軟件實現(xiàn)認知思維過程的仿真。生物力學(xué)分析軟件完成操作作業(yè)中人的生物力學(xué)特性仿真。績效分析軟件的功能是將完成具體任務(wù)的作業(yè)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(jié)果進行評價和分析。三維可視化軟件將載入作業(yè)任務(wù)三維場景，根據(jù)任務(wù)流程實時可視化表現(xiàn)任務(wù)過程。網(wǎng)絡(luò)通訊接口軟件實現(xiàn)平臺上各個模塊間的數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)通訊。數(shù)據(jù)庫軟件用于記錄仿真執(zhí)行時生成的數(shù)據(jù)，支持配置數(shù)據(jù)表、添加、修改、刪除、查詢、瀏覽等數(shù)據(jù)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(tǒng)，開展太空操作航天員認知決策和作業(yè)能力預(yù)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(diào)度管理軟件進行仿真任務(wù)的任務(wù)參數(shù)及仿真模型參數(shù)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(xué)仿真軟件根據(jù)初始化參數(shù)進行模型計算，實時結(jié)果數(shù)據(jù)用于績效分析軟件的在線分析與監(jiān)視，需要大運算量的后期處理數(shù)據(jù)將存儲在平臺仿真數(shù)據(jù)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(qū)動指令控制作業(yè)任務(wù)三維可視化軟件對整個任務(wù)的過程進行三維可視化的顯示。

2平臺主要部分實現(xiàn)

2．1平臺調(diào)度管理軟件平臺調(diào)度管理軟件是人機交互主調(diào)度界面，用于對平臺其他軟件的調(diào)度、監(jiān)視和管理。提供作業(yè)任務(wù)描述和模型參數(shù)輸入功能，用戶可以選擇任務(wù)類型進入任務(wù)描述界面，對任務(wù)參數(shù)，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(shù)進行配置。任務(wù)配置界面見圖3。平臺調(diào)度管理軟件具有任務(wù)仿真、模型修改、數(shù)據(jù)管理和仿真回放4個功能模塊，任務(wù)仿真模塊實現(xiàn)對作業(yè)任務(wù)的創(chuàng)建、配置、執(zhí)行、修改和刪除。模型修改模塊實現(xiàn)人的特性參數(shù)配置、認知模型配置、生物力學(xué)模型配置和系統(tǒng)參數(shù)配置。數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)每次任務(wù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的瀏覽、導(dǎo)出及刪除等管理功能。仿真回放可依據(jù)已記錄在數(shù)據(jù)庫中任務(wù)仿真結(jié)果實現(xiàn)任務(wù)過程的仿真回放。為增強平臺的易用性，平臺調(diào)度管理軟件以人的特性為中心組織仿真的配置和參數(shù)的設(shè)置，將與人相關(guān)的認知參數(shù)和生物力學(xué)參數(shù)組織至每個人的個體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，將認知模型和生物力學(xué)模型中與人無關(guān)的通用模型參數(shù)或系統(tǒng)數(shù)據(jù)另外組織起來，在每次仿真調(diào)度開始時只需要簡單設(shè)置是任務(wù)的初始參數(shù)和執(zhí)行任務(wù)的虛擬人。為了實現(xiàn)整個平臺的開放性，通過軟件設(shè)計方法，實現(xiàn)了軟件界面的動態(tài)生成，像仿真任務(wù)調(diào)度，任務(wù)初始化參數(shù)設(shè)置，仿真模型參數(shù)修改等軟件界面都是由XML配置文件生成，當(dāng)界面需要增加新的參數(shù)時，只需修改界面配置文件，就可以實現(xiàn)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(gòu)建立了人腦手控交會對接認知模型。ACTR-QN認知體系結(jié)構(gòu)由感知、認知和動作3個子網(wǎng)絡(luò)組成。感知子網(wǎng)絡(luò)包括視覺和聽覺模塊;認知子網(wǎng)絡(luò)包括產(chǎn)生式模塊、說明性知識模塊、目標(biāo)模塊和各類緩沖器，產(chǎn)生式模塊與緩沖器進行信息交互，實現(xiàn)模塊間行為的調(diào)節(jié)和信息的處理;動作子網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)體系的各個模塊，實現(xiàn)人腦的認知行為過程仿真，一個個認知行為任務(wù)在QN-ACTR系統(tǒng)中循環(huán)執(zhí)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(gòu)建了ACTR-QN認知網(wǎng)絡(luò)圖。認知結(jié)構(gòu)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(guī)律的仿真過程，通過觀察各認知模塊的運行狀態(tài)，實現(xiàn)認知過程的可視化。

2．3生物力學(xué)仿真軟件生物力學(xué)仿真軟件通過新鮮尸體骨力學(xué)性能測試實驗結(jié)果、CT掃描圖像數(shù)據(jù)、骨密度測試數(shù)據(jù)以及長期臥床試驗肌肉體積、肌電、最大肌力等測量數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模型與計算機軟件開發(fā)技術(shù)，建立包含骨肌系統(tǒng)運動學(xué)動力學(xué)仿真分析模塊、航天員典型動作的運動學(xué)動力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊、操作能力變化的預(yù)測模塊、骨骼肌肉應(yīng)力分析和骨折風(fēng)險預(yù)測模塊等，實現(xiàn)航天員長期在軌飛行肌肉骨骼工作能力變化規(guī)律的預(yù)測。

2．4融合通信系統(tǒng)融合通信系統(tǒng)根據(jù)平臺各模型間對數(shù)據(jù)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)上采用UDP組播通信，完成仿真參數(shù)配置、仿真流程控制、關(guān)鍵仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果的實時交換及作業(yè)任務(wù)三維動畫驅(qū)動等功能;異步集成采用數(shù)據(jù)庫方式，使用Oracle11g數(shù)據(jù)庫，局域網(wǎng)絡(luò)連接方式，完成仿真輸入?yún)?shù)和仿真計算結(jié)果統(tǒng)一的管理和存儲，提供數(shù)據(jù)回放功能，支持仿真數(shù)據(jù)的離線績效顯示與分析。網(wǎng)絡(luò)接口軟件針對異構(gòu)模型的并發(fā)處理特點，研究多模型交互融合系統(tǒng)的實時集成機制，開發(fā)了基于多通道組播的實時數(shù)據(jù)通信模塊，該模塊將平臺軟件之間的數(shù)據(jù)交換分為三層:應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、通信層。應(yīng)用層為上層軟件及模型，它只需依據(jù)數(shù)據(jù)名稱訪問和更新數(shù)據(jù)，不用關(guān)心數(shù)據(jù)的來源及復(fù)雜交換過程，數(shù)據(jù)層建立了數(shù)據(jù)池表及管理模塊，負責(zé)數(shù)據(jù)的建立、交換和維護;通信層只用負責(zé)在多個通道上傳送數(shù)據(jù)。通過XML可對模型之間數(shù)據(jù)交換的通道、數(shù)據(jù)報文、數(shù)據(jù)分組、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。

2．5負荷績效分析軟件平臺的負荷與績效數(shù)據(jù)來源于3個部分:外部模擬器系統(tǒng)、認知仿真軟件和生物力學(xué)仿真軟件［10］。平臺在MSS的Network下構(gòu)建了ACTR-QN認知網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)對感知、認知和動作作業(yè)負荷預(yù)測，在仿真過程中通過對組塊工作狀態(tài)的顯示，實現(xiàn)認知占有率的實時顯示。而生物力學(xué)分析軟件仿真產(chǎn)生的運動學(xué)、動力學(xué)、肌肉力與骨應(yīng)力等指標(biāo)用于生物力學(xué)績效的分析。任務(wù)負荷績效分析預(yù)測軟件對這些仿真結(jié)果數(shù)據(jù)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(xiàn)績效預(yù)測結(jié)果的可視化，并通過對比負荷與績效指標(biāo)，實現(xiàn)操作人員的個性化評價。

2．6三維可視化軟件通過對作業(yè)任務(wù)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(yè)人物及環(huán)境模型，基于OGRE開源引擎開發(fā)了作業(yè)任務(wù)三維可視化軟件，構(gòu)建并加載虛擬航天員和虛擬工作場景模型，實現(xiàn)航天員手控交會對接、開艙門和搬生物等作業(yè)的三維圖形可視化表現(xiàn)，而作業(yè)過程則由認知仿真軟件和生物力學(xué)仿真軟件實時驅(qū)動。

3實驗與驗證

3．1實驗設(shè)計本文選用太空飛行中人控交會對接任務(wù)作為用例［12］，該任務(wù)是一個典型的認知仿真任務(wù)。在人控交會對接任務(wù)中，航天員通過圖形、數(shù)字和靶標(biāo)圖像等測量信息判斷追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器的相對位置、姿態(tài)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(biāo)飛行器的對接。目標(biāo)航天器靶標(biāo)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(biāo)飛行器對接口下方的十字形靶標(biāo)的圖案顯示在屏幕上，航天員據(jù)此信息確定追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器的相對位置和相對姿態(tài)，通過操縱手柄對追蹤飛行器進行姿態(tài)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(diào)度管理軟件、認知仿真軟件和作業(yè)任務(wù)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(fā)的MSS插件實現(xiàn)認知模型對模擬器電視圖像的信息感知，并開發(fā)了控制手柄模擬程序，實現(xiàn)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(wù)。根據(jù)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(wù)是在不斷完成基本任務(wù)后而得以實現(xiàn)，這些基本任務(wù)包括觀測、決策和控制［13］。觀測任務(wù)是通過視覺模塊連續(xù)感知外部信息，通過視覺緩沖把收集信息送入產(chǎn)生式模塊;在產(chǎn)生式模塊中，經(jīng)過查詢與過程性知識匹配的信息則觸發(fā)一條產(chǎn)生式;決策任務(wù)則通過觀測到的信息，查詢得到匹配并通過目標(biāo)模塊的目標(biāo)內(nèi)容，觸發(fā)一條或多條產(chǎn)生式，將執(zhí)行結(jié)果送入運動緩沖，通過操作模塊執(zhí)行完成決策下達的任務(wù)。三類任務(wù)在QN-ACTR認知中央加工處理器中按順序執(zhí)行，形成認知與行為過程的反復(fù)循環(huán)。

3．2實驗結(jié)果及分析任務(wù)過程三維可視化軟件運行時界面如圖5所示，構(gòu)建并加載虛擬航天員和虛擬工作場景模型，實現(xiàn)航天員手控交會對接作業(yè)過程的三維圖形可視化表現(xiàn)，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(tài)，實現(xiàn)認知過程的可視化。在本文中通過任務(wù)完成時間、燃料消耗、位置和姿態(tài)等指標(biāo)實現(xiàn)任務(wù)績效預(yù)測。實驗中基于ACTR-QN模型成功在訓(xùn)練用模擬器上完成了兩軸控制的手控交會對接任務(wù)，能在各種初始條件下實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wù)進行了平臺的認知仿真試驗驗證，平臺與真實訓(xùn)練模擬器的交互、對接任務(wù)的完成情況及認知仿真結(jié)果的分析都達到了預(yù)期的目標(biāo)。通過實驗證明了平臺設(shè)計時基于離散事件仿真工具軟件上構(gòu)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(yōu)勢，完全可實現(xiàn)與航天訓(xùn)練用模擬器系統(tǒng)的實時協(xié)同仿真。實驗過程中融合通信系統(tǒng)配置靈活、簡便，在單機及聯(lián)網(wǎng)等各種情況實現(xiàn)了平臺各軟件間的數(shù)據(jù)交換需求，沒出現(xiàn)任務(wù)通信問題，穩(wěn)定可靠，具有較強的多模型、多系統(tǒng)交互支撐能力。作業(yè)任務(wù)的三維可視化可實時直觀的監(jiān)視任務(wù)進程，并可在前期用于認知模型中任務(wù)策略的調(diào)試和改進。任務(wù)仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)論

長期在軌條件下人的因素研究是我國空間站任務(wù)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(yè)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(xué)仿真模型可以實現(xiàn)人在回路外的仿真，可以對航天員完成特定太空操作任務(wù)的認知、生物力學(xué)及任務(wù)負荷與績效進行預(yù)測及可視化顯示，為進一步分析航天員在太空失重環(huán)境下認知和作業(yè)能力的變化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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