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【WRC 大咖观点】陈善广《载人航天的人因学挑战》

时间: 2021-10-28

2021世界机器人大会第二天线下主论坛——“未来峰会”群星璀璨,产、学、研各领域大咖齐聚首,共话巅峰,为机器人未来发展领航。

峰会现场,国际宇航科学院院士、中国载人航天工程师总设计师陈善广上台发言,演讲主题为《载人航天的人因学挑战》。以下为陈善广先生演讲内容全文整理。

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各位专家、各位嘉宾,大家下午好!非常高兴在这里利用这个机会和大家报告关于载人航天的人因工程学的问题,这里有两个关键词,一个是载人航天,一个是人因学。这和机器人有什么关系呢?昨天开幕式上神州十二号的三位英雄给大会发来了贺词,他们在此之前完成了两次出舱任务,其中就有一个机械臂,这是中国第一个机械臂,也叫空间机器人。人因学的问题也是关于人机问题,这里我临时想到了一个问题,很想和大家交流一下,就是关于机器人,你希望它更像机器还是更像人?或者机器人究竟应该怎么定义?我认为这里就有一些人因学的问题,可以和大家一起思考一下。

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我的报告分为四个部分:人因工程的基本情况、航天如何研究人因工程、主要进展和结束语。

什么是人因工程?实际上这个学科的发展只有几十年的时间,真正发展起来是二战以后,但它的内涵和外延一直不是很清楚,我这里从两个定理和大家探讨一下。一个是墨菲定理,一个是海恩法则。

大家都知道墨菲定理,只是每个人都不期望发生灾难,可是即使是在今天科技高度发展,但灾难还是很难避免的,甚至是墨菲魔咒。

海恩法则大家也都知道,讲的就是所有的这些灾难和事故原则上都是有机可循的,某种程度上来讲是可防可控的。

那么从这个意义来说的话,前一个定理讲的是危机意识,后一个讲的是如何防患于未然,我们可以有所作为,其中人因工程就架起了这样一座桥梁。

大家都知道美军是很先进的,但距离我们非常近的2017年,一年发生了五次重大撞船事故,使美国海军遭受了重创,先后有十几位官兵丧生。应该说这几次事故让大家反思,为什么这么多先进的装备还不能完全避免这样一种恶性的事故?调查表明里面有人为的操作失误,也暴露出人机协同、生理和心理的疲劳、指挥决策的失误、组织和管理的人因问题。

目前从国际上来看,不管是民机还是军机,世界上试飞和飞行过程中机毁人亡的事故很多,因为人的因素造成灾难性的事故达到2/3左右,主要的原因也是人机功能分配有问题,当然可能也有人员训练不足的问题,或者也有人员自身的情绪管理的问题等等。

图中是一场很惨痛的灾难,2018年10月、2019年埃塞俄比亚航空公司和世航的两次民航的失事,波音737飞机基本上全球停飞,造成了337名平民丧生,所以这里就是人机功能分配的问题。航天领域也有不少事故,我们都知道的挑战者号、哥伦比亚号两次失事牺牲了十四名航天员,联盟一号返回的时候由于减速伞没有打开壮烈牺牲,当然也有其它的问题。

阿波罗十三号本来是一个非常严重的事故,因为计划有几次登月,其中这次登月没有成功,因为中途发生了登月舱储氧箱爆炸,三名宇航员急中生智,发挥了人的特殊优势和作用,临时把原来用作登月的登月舱改成返回舱,根据地面的指令采取一系列正确的措施,能够安然无恙地返回地球,充分说明“成功的失败”,就是充分认识并发挥人的作用,也是对整个系统设计至关重要。

我们有很多国际著名品牌的车,这些车的安全性能很好,我们还有一些人性化设计,比如整体美感、装饰风格、操控品质,甚至一些现代的元素,这些都是年轻人非常追逐的一种特性,可以说这些例子都表明机器的设计对人本身密切相关。

究竟什么是人因学?这里用了人因学和人因工程,两个词本身就没有完全统一,要是面向工程应用的话,一般我们讲人因工程多一些,就是Human Factor Engineering,但我们现在一般叫做人因学Human Factor Science,但二者应该没有什么本质的区别。国际上对人因学和人因工程有一个基本的定义,什么叫做人因工程?就是研究人与系统其它要素之间关系的学科,运用相关的原理、理论、数据、方法开展系统的设计,确保人员的安全、健康、舒适和系统性的最优,这是国际上大家认定的一致性表达。

我们对整个概念的内涵和外延做了深入研究,人因工程在国内有很多传统的叫法,比如人机工程学、人机与环境工程学,这些叫法涵盖的研究内容基本上是差不多的,里面有这样几个重要的方面:首先面向对象是一切由人制造或者有人参与控制使用的产品性能,前面定义也有谈到人与系统其它要素的交互关系,当然也包括基本的原理、激励机制以及人因设计与评估的方法。这个学科有一个重要的理念,就是体现通常所说的以人为本,以人为中心是这个学科的核心价值,也是核心理念。学科的目标有三个方面:安全、高效和宜人,英文中叫做Well-being,涵盖了人的不同需求,我们设计系统的时候关于人这方面的特性和属性的考虑就应该结合具体的应用场景、具体的任务需求认定,我们把它叫做宜人比较合适。

人因工程有几个典型特征:遵循系统工程方法,主要是为工程研制服务,所以是面向设计非常重要的特征。人因工程方向凝聚了非常多的学科进行交叉融合,所以多学科的交叉融合也是人因工程学科的典型特征。我们可以从前面的例子看到进行了充分的人因设计,遵循人因工程方法的系统,不仅能够大大提高系统的性能,也能够大大缩短延迟周期,节省延迟成本,降低系统安全风险。

要是在早期引入人因设计,费用可能会占到系统投入的2%左右,但如果是研发生成以后再来改进,花的代价可能就是5%,甚至超过20%以上。当然,如果是由于人因问题造成人员的伤亡、系统的崩溃,这种损失就更严重了,难以估量。

刚才说人因工程不仅是与飞船飞机这种大国重器相关,也和每个人的生活相关,如果人因工程做不好系统就无法适应人,比如舒适性、操控性、价值追求等等,当然也包括不同年龄段的设计需求的涵盖。

作为人因工程,基础关键问题主要有这样几个方面:

人的能力特性和作用机制,比如团队和个体作业能力的定义、测量和评价,包括感知、认知、决策能力的影响,当然也包括不同环境,机器和任务条件下人的作业能力的变化,比如失重的情况下人的能力会下降,当然还有人因失误、可靠性与安全性,刚才我们看到的几个事例都与这个方向相关,究竟人为什么会失误,怎样造成人的失误,有没有办法防止人的失误,以至于能够防止更严重的事故和安全问题的发生。

人机交互的基本原理,特别是新技术不断产生,对人机系统的影响也是很大的,比如前面报告谈到的人机共生问题,包括人与自动化、人与智能的关系怎么处,这些都是关键科学问题需要面对和解决的。人因设计与测定方法,以及仿真建模,基于人的能力,包括人机功能的分配,我们需要建立一些仿真系统,系统设计之前让人机在仿真和模拟的系统中进行验证。

未来社会发展的人因方案,我们有无穷的可能性,最重要的就是解决发展的技术如何适应人,包括未来社会老龄化的问题,采取怎样的生计符合不同人群的要求,包括刚才谈到的很多重大灾难发生以后,如果我们减轻灾难,里面都有很多人因学需要关注的问题。

目前人因工程的主要发展趋势和研究领域在不断扩大,应用范围越来越宽,包括飞机、飞船到个人的衣食住行都有密切的关联,核心就是研究人和认识人的问题,所以和这些成果都是相关的,再就是未来高科技领域的作用非常独特,现在虚拟现实这些新的交互技术的出现,包括互联网到物联网,人工智能、云计算这些技术的发生和发展,人机关系也有发生变化,人的角色定位可能引发新的问题,这些问题都需要人因工程在更大的范围进行应对。

接下来介绍一下载人航天的人因工程体系,其中有一个重要的特点,就是一般的卫星发射不同的地方就是因为人的存在,系统变得更为复杂,我们把它叫做人机环境系统,比如现在到月球表面进行探测都会涉及到人机与所处的环境之间关系的问题。我们经常说人是一个复杂开放的系统,人是有思维层面和生物层面的双重复杂性,复杂系统的人机交互必然呈现更多不可确定和不可预测性,复杂系统设计的安全性要求会更高。

我们设计的载人航天研究体系包括这样几个方面:航天员的能力特性的变化,航天器的人机界面和人机交互设计,特别关注人物和人员安全可靠性的问题,最后也是要把人与系统如何进行整合设计和评估让工程得到很好的应用。

下面我们把美国和中国在这方面所做的工作介绍一下:生物力学特性、作业能力、基本感知和飞行中的心理和情绪变化,因为空间环境特别是长期失重环境会对人的生理心理产生很大的变化,通过几十年的载人航天的实践已经得到初步证明,NASA包括中国在内进行载人航天设计的时候都要考虑到这些能力的变化特征,提供给工程部门进行设计,我们也发展了人服作业能力,就是人穿着航天服以后能力会受到约束,空间站中到舱外的话还有舱外环境的问题,我们在大型失重水槽也建立起这样的评判数据和失重模拟。

基本感知在失重情况下是会发生变化的,一个非常著名的实验就是在2015年美国NASA开展的非常有名的实验,就是孪生双胞胎航天员,一个是在天上待了340天,一个是在地面进行对照,这个实验说明了很多问题,特别是对认知来说,我们觉得航天员在很长时间内,总体的认知水平是有的,但在返回以后认知的变化准确度出现了降低。当然,这些也和环境有关系。

我们的神舟十一号和这次的神舟十二号都有开展相关实验,人体参数和生物力学,包括人的尺寸会变化,一般在飞行中会延长3-4公分左右,很多人说想要增高的话是不是到天上旅游一下,回来适应地球环境又会变回来,感知特性也会发生变化,视觉的变化也是很大的,我们的肌肉骨丢失的变化,认知能力也会发生变化,回来三年以后发现基因突变有7%,并没有完全恢复,就是空间辐射综合效应对人的影响是很大的。这些问题都会对人的能力产生变化,特别是心理问题,因为长期的空间隔绝和地球环境的影响会导致他们有些心理问题出现。

人机界面设计如何符合人的要求,比如这是NASA专门的航天飞机,这个方面做了很多工作,包括当时信息怎么呈现,哪些是重要信息,什么样的表达和表现,设计之前做了非常多的仿真和实验,我们国家也是载人航天早期到现在看到比较宽敞的中国的空间站,这些站点的设计也是非常多,包括仪表板、控制器、显示器都在这里完成。

我们看到7月4日航天员第一次出舱,刘国明进行舱外活动,机械臂和人紧密配合,完成了第一次长达7小时的出舱活动,一般情况下出舱活动是6+2,7小时就是第一次达到这个时间,还是很不容易的,就是空间站的首次飞行。人工控制是典型的人机紧耦合系统,第一次完成是航天员刘旺,设计这个人机交互系统对接的话还是非常复杂的,可以说我们研究了1万多人次的实验,包括靶标怎么设计、怎么符合一般性的操作特性,这些都要进行反复的研究,最后从地面的训练到天上的实际操控圆满地证明了这种人机控制本身设计的正确性。

人机交互也有很多,特别是未来在智能化提升以后,包括将来载人登月,我们要有登月机器人,火星上会有挖矿机器人、采矿机器人,这些会涉及到人与智能机器人之间如何进行交互,这些方面都需要解决,我们已经开始做很多基础方面的研究。

人机系统整合和试运行的评估,这方面非常关键,实际上这是面向工程实施的,怎样把刚才我们探索的这些基础科学问题、基本数据用到工程上去,要有一整套的思路,NASA也是非常科学地提出人的系统整合思想,实际上就是要把人整合到策划、设计、研制乃至交付使用和运行的全生命周期的环境,然后在这个环境中突出以人为核心的理念。

整个团队总体设计的时候就涵盖了包括技术的专家,人因学家各个方面,美国国防部早先就进行了多方面的实践,也是取得了很好的效果,现在以人为中心设计已经成为了一个国际标准,里面包括怎样在方案阶段、任务分析、人机功能分配等等,采取什么样的措施和方法都做了很多的规定和规范,也是非常有价值和意义的。要求以人为中心的设计涵盖整个研制,比如人因、人类功效学、乘员的安全和健康以及系统工程,比如航天中还有在轨维护保养、舱外活动和训练。实际设计中也有一个流程,需要先进行分析和可用性评估,也要对航天员在作业的场景下的工作负荷进行评估,包括人因失误分析,这些评估都是结合人和机在复杂系统中应该要考虑的几个方面。

当然,我们也已经建立起了很多规范和标准,NASA就有很多,非常有名的就是失能性评估,也是唯一强制性的,要求不仅系统要通过人因需求分析、可用性的评估,也要对安全性做到非常高的几个原则。中国载人航天工程也有自身的一套方法,借鉴国际上的成功经验基础上建立自己的功效学,就是人因学管理的规定和规范。我们专门在载人航天工程中有一个航天员系统,现在也有提出功效学要求和设计评估的分析,载人飞船、货运飞船和空间站,我们已经形成了一系列的要求、标准和规范。目前我们还是第一次在这么复杂工程中建立功效学的管理规定,不仅仅是一个技术规范的问题,而且从管理层面要贯彻到研制过程,应该说这方面还是做了不少工作。为了让人机系统分析和评估取得更好的效果,我们还专门在相关的重点领域建立功效学测评中心,应该说也是非常好的做法。

人是万物的尺度,未来万物唯一的标准就是人,一切都为讨好人而存在,你讨好人的程度就决定了你存在的价值,这是人因的价值和使命,让我们的产品做到更适宜人,为人服务。人机关系本质上体现的是人人关系,为什么这么说?因为所有的设计都会打上人的烙印,但现实中这是一个矛盾,因为设计师经常把自己想成用户,用户又非常难以理解设计师的苦恼和约束限制,所以人因工程要架起比较合理的沟通和方法学的桥梁,这一点还是非常有意义的。

我们要认识人因工程在工业1.0进化到未来的4.0过程中,实际上可以看到也是解放人的体力、提升人的效率、拓展人的能力、增强人的智力、机械化、电气化、自动化和智能化仅仅是围绕对人能力的提升、对人负荷的解放、对人机系统效率做文章,所以不同阶段人因工程都有自身的使命。未来的智能化将来会是未来生活和人的关键点都会发生变化,刚才有同志谈到人机共融、人机协作、人机共生都是我们需要面对的,应该说人因工程的责任更重大。

中国载人航天已经完成近地轨道飞行,无人飞行已经到达火星,阿波罗登月已经实现了地面和天体的登陆,实际上从中国载人航天发展规划来说,下一步也是将要到月球和火星探测。不管怎么说,人类不会止步于现在的探索,一定会把目光投到更深更远,所以这个过程中人因工程都会发生自身的作用,当然也会引起许多挑战。

主办单位

北京市人民政府 中华人民共和国工业和信息化部 中国科学技术协会

承办单位

中国电子学会 北京市经济和信息化局 北京经济技术开发区管委会
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