基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計方法

胡添元，許成鑫，魏傳鋒，張蘭濤，李 濤，王廣偉

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

基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計方法

胡添元1，許成鑫1，魏傳鋒1，張蘭濤1，李 濤1，王廣偉2

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

針對目前載人航天器人機界面任務需求分析不全面、總體設計不充分的問題，提出了一種基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計方法。以一個載人航天器人機界面設計為例證明了該方法的合理性和有效性。應用結果表明：使用該方法能提高設計效率，減少設計過程反復，使人機界面設計更加合理、更趨于完善。

系統工程；載人航天器；人機界面；總體設計

0 引言

載人航天技術的主要特點是有航天員參與。密封艙作為航天員主要活動場所，保障航天員在航天任務過程中實現對航天器的監視、操作、控制和通信，以及開展空間科學研究、試驗和探索等活動[1]。在密封艙相對狹小的空間內，人機界面設計的優劣不僅影響著航天員的體力、心理和意識活動，而且會影響他們的工作效率甚至航天任務安全。

目前人機界面設計模式是由總體設計人員進行任務功能指標分析，對分系統提出研制技術要求；分系統依據技術要求開展分系統層次的詳細設計與產品研制，之后提出布局要求，由總體總裝完成相關設備布局；最后，由總體組織人機界面相關試驗，對系統設計進行驗證。這種模式的缺點是總體未開展系統層面的總體設計，在提出研制技術要求時，存在任務和功能遺漏的風險。此外，由于總體與分系統間的層級概念過強，導致分系統難以站在系統頂層任務和實現系統方案最優的角度開展設計，人為將本應耦合的多學科、多專業設計割裂開來，使得系統層次的設計要素與各專業技術的有機融合不夠，難以保證系統設計的全面性和充分性，系統方案難以實現最優[2]。

因此，如何充分體現以人為本設計思想，綜合考慮各專業技術之間的耦合關系，設計出自然、和諧、友好的人機界面，將是載人航天器總體設計人員面臨的難題。

1 基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計

系統工程方法是從需求出發，綜合各種專業技術，通過分析—綜合—試驗的反復迭代，以求開發出滿足使用要求、整體性能優化的系統。系統工程方法的實踐是強調總體設計，遵循研制程序，以及反復應用的分析—設計—驗證過程（系統工程過程）[3-4]。

本文結合載人航天器人機界面設計特點，將系統工程方法融入人機界面總體設計過程，提出一種基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計方法。該方法包含系統級設計和分系統級設計，如圖1所示。

具體流程如下：

1）系統級設計首先根據工程要求，以及其他大系統關于航天員作息、工作和生活保障接口要求開展系統級任務需求分析，主要目的是澄清和確認用戶的需求和工作目標，明確約束條件。

2）根據系統級任務需求分析結果開展系統功能分析，得到對系統功能的全面描述，即系統的功能體系。功能分析過程以航天員在軌實際操作的各項活動為基礎，通過活動過程推演，保證功能分析充分、全面。

3）根據功能分析結果，建立系統級任務功能體系，按照系統功能和性能開展綜合設計，在設計過程中考慮各相關工程技術，并輔以對操作過程的仿真分析用于設計驗證，最終研制出滿足要求的、優化的系統。

4）根據系統級設計結果提出對相關分系統研制技術要求。

5）分系統依據總體提出的研制技術要求，開展任務需求分析、功能分析和分系統設計及產品研制，并對研制的產品進行必要的測試和試驗驗證。

6）分系統產品交付總體后，經系統集成，可開展系統級和分系統級試驗驗證，目的是確認所設計的系統是否滿足要求，以及能否保證在預定的性能指標下實現所要求的功能。

7）上述的系統設計和分系統設計過程中，每一個步驟都可以是一個循環過程，實現對前一個步驟的重新訪問，也可以直接根據試驗驗證結果返回至任務需求分析進行設計的重新迭代。

2 應用示例

載人航天器作為航天員在空間長期生活與工作的場所，需要為航天員提供宜居的生活環境，配置豐富的鍛煉、娛樂和生活設施，提供全面的醫學監督和保障[5]。以下將應用基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計方法對典型的載人航天器人機界面進行設計，以驗證該方法的合理性和有效性。

2.1 任務需求分析

為保障航天員健康生活、有效工作，依據工程和其他大系統接口要求，分析、確定載人航天器人機界面需為航天員提供工作、休息、衛生、就餐和健康保障。

2.2 系統功能分析

為實現上述任務需求，通過對航天員在軌操作活動過程的推演，提出載人航天器人機界面綜合設計所需具備的功能，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主要包括設備維修維護操作、日常照料、會議和應急操作等。其中，維修維護活動指對故障和壽命到期設備進行更換，對設備進行定期檢測和校準等；日常照料活動指平臺維護、載荷照料和物資管理等；會議活動指航天員學習和討論等；應急操作活動是在載人航天器出現緊急情況時航天員采取的活動。

通過對航天員工作活動分析可知，載人航天器需提供專門的工作區，且工作區應具有足夠的活動空間；具有照明功能；具有放置和固定設備、備附件和工具包等物品的功能；工作時可接收報警信息，并可與地面進行話音通信；具有為工作設施提供電、信息等保障功能。

2）休息保障功能分析

航天員睡眠活動主要包括展開和固定寢具、脫衣，更換睡衣，將衣物分類存儲，并根據需要調節照明，進入睡袋入睡。當突發緊急情況時，航天員可被及時叫醒，接收報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包括閱讀、書寫、聽音樂、上網、下棋、打牌、觀看視頻、與家人交談、觀看太空風景和與其他航天員交流。航天員在娛樂休息活動期間會監視載人航天器關鍵數據，當有緊急情況時，接收報警消息并開展處置。

通過對航天員休息活動分析可知，載人航天器需提供專門的睡眠區，且睡眠區應具有獨立、私密的空間，保證環境安靜舒適；具有照明功能，且照度可調；具有放置和固定寢具功能；具有存儲和收納衣物、娛樂用品和個人物品的功能；睡眠時可接收報警信息，可與地面進行話音通信；具有為娛樂設施提供電和信息的保障功能。

3）衛生保障功能分析

航天員衛生活動包括大小便、洗澡、日常和定期清潔。大小便活動包括大小便前準備，啟動大小便收集設備；進行大小便活動，大小便后自身清潔、以及對大小便收集袋進行密封處理等。日常清潔包括洗臉、刷牙和剃須等活動，每種活動使用具體物品和方式需滿足航天員的在軌活動能力。定期清潔包括洗頭、理發等活動，每項活動需使用專用工具；在軌理發必要時需兩人配合進行，剃須、理發所產生的廢棄物需進行收集。

通過對航天員衛生活動分析可知，載人航天器需提供專門的衛生區，且衛生區應具有獨立密閉的空間；具有除臭功能；具有照明功能，且照度可調；具有放置和固定衛生紙、垃圾袋、洗澡用品、理發用品和日常清潔用品功能；具有存儲和收納衛生用品功能；可接收報警信息；具有衛生設施的供電保障功能。

4）就餐保障功能分析

航天員就餐活動包括食品存取、餐前準備、用餐和餐后清潔等。航天員定期將食品從貨運飛船搬運至就餐區，并按照食品屬性進行分類存儲；每次飯前，取出一餐量的食物，進行餐前準備操作；用餐期間會臨時固定未吃完食品，取用其他食品；當突發緊急情況時，可接收報警信息或地面話音呼叫；用餐后對手口、餐具和餐桌進行清潔，將食品包裝和用過的清潔濕巾放置進垃圾桶，將未使用的食品和清潔用品放回原處，對殘渣進行收集。

通過對航天員就餐活動分析可知，載人航天器需提供專門的就餐區，且就餐區應提供充足就餐空間；具有放置、固定、存儲和收納食品、餐具和清潔用品的功能；具有照明功能，且照度可調；就餐時具備接收報警信息，并可與地面進行話音通信；具備就餐設備的供電保障功能；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包括鍛煉、在軌清潔和醫監醫保等。其中，鍛煉活動包括跑步、抗阻鍛煉、拉力器等；在軌清潔活動包括每日飯前飯后餐桌和餐具清潔、衛生區設備使用前后的清潔、醫監醫?；顒忧昂蟮那鍧?、每日收集垃圾與處理。定期進行餐桌和餐具、鍛煉設備、睡眠區、衛生區的消毒。航天員疾病診斷活動前、后應對周圍環境進行消毒。醫監醫?；顒影ㄈ粘Ｉ眢w監測、疾病診斷、普通治療和緊急救治。

通過對航天員健康保障活動分析可知，載人航天器需提供專門的鍛煉區和醫監醫保區，且鍛煉區和醫監醫保區應具有足夠的活動空間；具備照明功能；具備密封艙內環境清潔與消毒功能；具有放置和固定設備、備附件等物品，并供航天員方便和緊急使用的功能；具有醫監醫保時天地通信與圖像實時傳輸的保障功能；醫監醫保和鍛煉時可接收報警信息；具有為鍛煉和醫監醫保設備提供電和信息的功能。

2.3 系統綜合設計

根據功能分析，對載人航天器艙內整體空間進行規劃，在艙內配置工作區、睡眠區、衛生區、就餐區、醫監醫保區和鍛煉區。其中，睡眠區和衛生區相對獨立，其他各區域可相互連通，實現區域空間的綜合利用。在確定各功能區位置后，分別開展各功能區綜合設計。

工作區主要針對照明、限物限位、攝像、話音、報警提示和標志等功能開展綜合設計；睡眠區提供獨立的空間，實現密封隔離，針對照明、限物限位、報警、通信、存儲等功能開展綜合設計；衛生區提供私密空間，主要針對照明、限物限位等功能設計；就餐區、醫監醫保區和鍛煉區布局在工作區通道區域內，主要針對限物限位和存儲等功能進行綜合設計，其他照明、攝像、通話、報警和標志設計可參見工作區功能設計。

設計過程中使用 Jack軟件對航天員在各功能區中典型操作的可視、可達、舒適和便利等方面進行仿真分析（見圖2），并根據仿真結果評價系統設計對任務功能要求的滿足情況，如果不滿足要求，則持續完善系統設計或補充相關功能，再進行仿真驗證，直至滿足要求。

在本應用示例中，通過仿真分析，從舒適性和便利性方面提出了設備布局調整、補充設備功能和修改設備接口等方面改進建議，并進行了系統設計仿真驗證，滿足要求。

在系統設計完成后，總體對相關分系統提出研制要求，分系統開展進一步詳細設計，并根據設計結果進行分系統級產品研制。

2.4 試驗驗證

在人機界面系統綜合設計基礎上，總體和分系統分別進行系統級和分系統級試驗驗證，驗證內容包括容納空間，攝像話音與報警，艙內視覺效果，設備布局與操作，在軌物資管理，維修、試驗載荷拆裝和操作等。試驗完成后，依據試驗驗證結果，對系統設計是否滿足要求進行評價，如果不滿足要求，則修改完善設計，再進行試驗驗證，直至滿足要求。

3 結束語

本文提出了一種基于系統工程的載人航天器人機界面綜合設計方法，并將其應用于典型載人航天器人機界面設計。應用結果表明：該方法可以提高效率，設計出舒適、便利的載人航天器人機界面；在設計過程中，通過詳細的任務功能需求分析、以及對操作活動的推演和仿真，提出了調整設備布局、補充設備功能和修改設備接口等多項改進建議，減少了設計反復，使人機界面設計更趨于全面、更加合理。

（References）

[1]戚發軔, 朱仁璋, 李頤黎.載人航天器技術[M].2版.北京: 國防工業出版社, 2013: 184-190

[2]余后滿, 林益明, 陳虎, 等.航天器系統方案設計模式研究[J].航天器工程, 2010, 19(3): 1-6 YU H M, LIN Y M, CHEN H, et al.Improved mode for spacecraft system scheme design[J]. Spacecraft Engineering, 2010, 19(3): 1-6

[3]郭寶柱.“系統工程”辨析[J].航天器工程, 2013, 22(4): 1-6 GUO B Z.What is systems engineering[J].Spacecraft Engineering, 2013, 22(4): 1-6

[4]NASA.NASA系統工程手冊[M].朱一凡, 李群, 楊峰,等, 譯.北京: 電子工業出版社, 2012: 4-6

[5]周建平.我國空間站工程總體構想[J].載人航天, 2013, 19(2): 1-10 ZHOU J P.Chinese space station project overall vision[J].Manned Spaceflight, 2013, 19(2): 1-10

（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，博士學位，高級工程師，研究方向為載人航天器總體設計。E-mail：hutianyuan04011@126.com。

2016-07-15；

：2017-01-23

國家重大科技專項工程

胡添元，許成鑫，魏傳鋒,等.基于系統工程的載人航天器人機界面總體設計方法[J].航天器環境工程, 2017, 34(1): 76-80

HU T Y, XU C X, WEI C F, et al.System design approach of human-machine interface for manned spacecraft based on systems engineering[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 76-80