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《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程雜志》2014年第三期

1actr-qn認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)

ACTR-QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)是由ACT-R和QN兩個(gè)認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)結(jié)合而成，它綜合了兩個(gè)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜認(rèn)知行為的建模和腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)。

1．1ACT-R認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)ACT-R是近數(shù)十年來(lái)人類認(rèn)知研究領(lǐng)域有顯著影響的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)，它把人的認(rèn)知過(guò)程表現(xiàn)為一個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)［3-4］，設(shè)定有2類知識(shí)表征:陳述性知識(shí)(由知識(shí)組塊構(gòu)成)和程序性知識(shí)(由產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成)。一個(gè)知識(shí)組塊的回憶時(shí)間和回憶錯(cuò)誤率取決于它的激活度，激活度由該組塊的使用歷史和它與其他組塊的聯(lián)系程度共同決定。每個(gè)產(chǎn)生式是一個(gè)條件動(dòng)作對(duì)，以條件-動(dòng)作(-THEN)匹配表現(xiàn)過(guò)程知識(shí)，只有當(dāng)認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)中各模塊的當(dāng)前狀態(tài)滿足一個(gè)產(chǎn)生式的條件時(shí)，這個(gè)產(chǎn)生式的動(dòng)作才能被執(zhí)行。ACT-R結(jié)構(gòu)中的模塊包括目標(biāo)模塊、陳述性知識(shí)記憶模塊、程序性知識(shí)記憶模塊(中央處理模塊)、問(wèn)題表征模塊、感知覺(jué)模塊(視覺(jué)、聽覺(jué))和動(dòng)作模塊。它們分別執(zhí)行相應(yīng)的認(rèn)知功能，在神經(jīng)生物學(xué)意義上，這些模塊具有其相對(duì)應(yīng)的腦功能區(qū)域。ACT-R通過(guò)執(zhí)行產(chǎn)生式來(lái)協(xié)調(diào)各模塊的信息加工過(guò)程，直至達(dá)到問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)。

1．2QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)基于排隊(duì)理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)把人的大腦表現(xiàn)為一個(gè)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)［5-6］，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定義為服務(wù)器，處理特定的信息數(shù)據(jù)對(duì)象，對(duì)應(yīng)人腦的相應(yīng)功能區(qū)域，那么網(wǎng)絡(luò)中連接服務(wù)器的路徑就類似于人腦各功能區(qū)間的神經(jīng)通路，數(shù)據(jù)對(duì)象通過(guò)這些通路傳遞到服務(wù)器中進(jìn)行處理。如果服務(wù)器是空閑的，數(shù)據(jù)對(duì)象得到立即處理，否則需要排隊(duì)等待。QN網(wǎng)絡(luò)又分成感知、認(rèn)知和動(dòng)作3個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，其中的感知子網(wǎng)包括視覺(jué)、聽覺(jué)等服務(wù)器，處理周圍環(huán)境的感知數(shù)據(jù)。認(rèn)知子網(wǎng)包括視覺(jué)空間畫板、工作記憶、目標(biāo)選擇等服務(wù)器，完成感知信息加工和推理決策過(guò)程，動(dòng)作子網(wǎng)包括感覺(jué)運(yùn)動(dòng)集成、動(dòng)作程序獲取、反饋信息收集、動(dòng)作激勵(lì)等服務(wù)器，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)作觸發(fā)。

1．3集成ACT-R與QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)的AC-TR-QNACT-R和QN是兩個(gè)互補(bǔ)的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)，ACT-R可以建模復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程，而QN則憑借排隊(duì)理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)模擬大腦結(jié)構(gòu)和時(shí)序活動(dòng)機(jī)制的仿真模型。集成這兩個(gè)認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，ACTR-QN把ACT-R模塊轉(zhuǎn)化為用QN形式來(lái)表達(dá)［8-9］，在QN模型中，信息是在服務(wù)器中存儲(chǔ)和處理;在ACT-R中，由模塊處理信息，緩沖存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，在ACTR-QN中，ACT-R中的模塊和緩沖轉(zhuǎn)化為QN網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器，知識(shí)塊、產(chǎn)生式規(guī)則、緩沖請(qǐng)求等信息數(shù)據(jù)則在這些服務(wù)器之間流動(dòng)并得到處理。ACTR-QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)由感知、認(rèn)知和動(dòng)作3個(gè)子網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。感知子網(wǎng)絡(luò)包括視覺(jué)和聽覺(jué)模塊;認(rèn)知子網(wǎng)絡(luò)包括產(chǎn)生式模塊、說(shuō)明性知識(shí)模塊、目標(biāo)模塊和各類緩沖器，產(chǎn)生式模塊與緩沖器進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)模塊間行為的調(diào)節(jié)和信息的處理;動(dòng)作子網(wǎng)絡(luò)包括手動(dòng)模塊和語(yǔ)言輸出模塊。ACTR-QN認(rèn)知建模就是將人的認(rèn)知行為過(guò)程映射到ACTR-QN認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)人腦的認(rèn)知行為過(guò)程仿真，具體化的認(rèn)知行為過(guò)程在ACTR-QN系統(tǒng)中循環(huán)執(zhí)行，模擬完成整個(gè)認(rèn)知行為。ACTR-QN模型的引入為認(rèn)知過(guò)程仿真的可視化和定量地評(píng)價(jià)人的認(rèn)知負(fù)荷以及仿真多任務(wù)認(rèn)知過(guò)程創(chuàng)造了條件。

1．4認(rèn)知負(fù)荷的評(píng)價(jià)認(rèn)知負(fù)荷是一個(gè)多維的概念，它涉及到工作要求，時(shí)間壓力，操作者的能力和努力程度，行為表現(xiàn)和其它許多因素。當(dāng)任務(wù)信息加工需求超出了人的信息處理速度或容量時(shí)，就可認(rèn)為出現(xiàn)了認(rèn)知負(fù)荷過(guò)載的情形，在這種情形下，人出現(xiàn)失誤的概率將大大增加。當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷過(guò)于不足時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)人喪失警覺(jué)性，而錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵的任務(wù)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)認(rèn)知負(fù)荷評(píng)價(jià)，提出適合人的能力水平的認(rèn)知負(fù)荷指標(biāo)，指導(dǎo)人機(jī)交互設(shè)計(jì)和任務(wù)規(guī)劃，對(duì)于任務(wù)順利完成具有重要意義。認(rèn)知負(fù)荷評(píng)測(cè)主要包括主觀評(píng)測(cè)法，生理評(píng)測(cè)法和績(jī)效評(píng)測(cè)法，一般是通過(guò)人在回路的模擬實(shí)驗(yàn)的方法，需要建立仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)主體的參與，消耗人力物力，甚至不能模擬出實(shí)際環(huán)境。近年來(lái)，采用數(shù)學(xué)建模等計(jì)算方法建立人在回路外的仿真預(yù)測(cè)成為研究的熱點(diǎn)。數(shù)學(xué)建模的仿真結(jié)果通過(guò)和真實(shí)環(huán)境或仿真環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，提高模型的可靠性和準(zhǔn)確性，可以用于對(duì)未來(lái)任務(wù)的仿真預(yù)測(cè)，將會(huì)大大提高工作效率，節(jié)省經(jīng)費(fèi)開支。NASA-TLX量表是常用的認(rèn)知負(fù)荷主觀評(píng)價(jià)方法［10］，該方法是由NASA開發(fā)的一個(gè)多維腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)量表，量表中涉及到六個(gè)負(fù)荷維度:腦力需求、體力需求、時(shí)間壓力、績(jī)效表現(xiàn)、努力程度和挫折程度，被測(cè)試人員根據(jù)任務(wù)中的主觀感受，給出6個(gè)維度的評(píng)分，總的腦力負(fù)荷即為6個(gè)維度評(píng)分的加權(quán)平均值。在負(fù)荷預(yù)測(cè)中，針對(duì)認(rèn)知負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)照NASA-TLX主觀評(píng)價(jià)獲得的負(fù)荷指標(biāo)，驗(yàn)證負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的有效性。在ACTR-QN模型中，腦力負(fù)荷被定義為服務(wù)器的平均使用率，與人腦神經(jīng)生理學(xué)相對(duì)應(yīng)，大腦的某個(gè)區(qū)域使用的多，就會(huì)消耗更多的氨基酸而造成疲勞。針對(duì)NASA-TLX量表的6個(gè)負(fù)荷評(píng)價(jià)維度，腦力需求負(fù)荷是感知子網(wǎng)中視覺(jué)和聽覺(jué)感知以及認(rèn)知子網(wǎng)所有服務(wù)器的平均使用率統(tǒng)計(jì)值;體力需求負(fù)荷是動(dòng)作子網(wǎng)所有服務(wù)器的平均使用率統(tǒng)計(jì)值;時(shí)間壓力、績(jī)效表現(xiàn)、努力程度和挫折程度等負(fù)荷表現(xiàn)的是整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷評(píng)價(jià)，因此是所有認(rèn)知子網(wǎng)的平均使用率統(tǒng)計(jì)值［6］。

2手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)航天員認(rèn)知仿真建模

2．1手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)的航天員認(rèn)知行為分析與駕駛認(rèn)知行為類似［4］，手控交會(huì)對(duì)接認(rèn)知描述主要有3個(gè)組成部分:交會(huì)對(duì)接過(guò)程中具體化的任務(wù)認(rèn)知、對(duì)接中執(zhí)行的任務(wù)以及完成對(duì)接任務(wù)航天員所使用的操作部件。

2．1．1操作任務(wù)手控交會(huì)對(duì)接中，航天員的主要任務(wù)可以分為3類:一是對(duì)飛船與對(duì)接目標(biāo)相對(duì)狀態(tài)的感知，即監(jiān)測(cè);二是形成態(tài)勢(shì)了解和操作策略的思維過(guò)程，即決策;三是操作飛船完成對(duì)接過(guò)程，即控制。這3個(gè)任務(wù)交替出現(xiàn)、共同作用使對(duì)接過(guò)程處在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)。

2．1．2操作部件手控交會(huì)對(duì)接中，航天員的主要交互操作部件是兩個(gè)操作手柄。平移控制手柄:平移控制手柄是航天員控制飛船平移的工具，具備獨(dú)立的3個(gè)自由度輸出，可以單獨(dú)或同時(shí)控制垂直和橫向兩軸運(yùn)動(dòng)，前后方向的運(yùn)動(dòng)單獨(dú)控制。三軸輸出用于控制飛船質(zhì)心的前后、垂直和橫向運(yùn)動(dòng)。姿態(tài)控制手柄:姿態(tài)控制手柄是航天員控制飛船姿態(tài)的工具，具備獨(dú)立的3個(gè)自由度輸出，在一定的外力作用下可單獨(dú)或同時(shí)繞2個(gè)或3個(gè)正交軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并分別輸出相應(yīng)于所繞各個(gè)軸轉(zhuǎn)角的電壓。三軸輸出用于控制飛船的俯仰、滾動(dòng)和偏航姿態(tài)。

2．1．3具體化感知交會(huì)對(duì)接認(rèn)知有許多高層的決策過(guò)程，也有低層的控制以及狀態(tài)感知。認(rèn)知與航天器之間的交互行為就是具體化的感知過(guò)程和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這些過(guò)程為控制航天器提供外部輸入并且把內(nèi)部信息輸出到外部。同時(shí)，任務(wù)的執(zhí)行是并行的，而這種并行不可避免地降低實(shí)際操作能力或存在操作瓶頸。認(rèn)知建模的目標(biāo)是對(duì)認(rèn)知任務(wù)嚴(yán)格意義上的描述，使模型能夠處理盡可能多的相關(guān)任務(wù)，同時(shí)融入實(shí)時(shí)控制及航天器動(dòng)力學(xué)，通過(guò)實(shí)時(shí)感知與運(yùn)動(dòng)過(guò)程交互的認(rèn)知過(guò)程執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)。嚴(yán)格意義建模無(wú)論對(duì)于航天員行為的理解還是模型理論本身在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用都是非常重要的。

2．2手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)航天員認(rèn)知行為建模手控對(duì)接任務(wù)中，目標(biāo)飛行器位置姿態(tài)通過(guò)電視攝像機(jī)屏幕由航天員的視覺(jué)系統(tǒng)反饋到大腦中，形成實(shí)際情況的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射，即心理圖式。這種心理圖式存儲(chǔ)在工作記憶中。同時(shí)，存儲(chǔ)在航天員長(zhǎng)期記憶中的知識(shí)和處理問(wèn)題的固定思維模式也被調(diào)動(dòng)出來(lái)。最后，將由通訊信道獲得的有關(guān)飛行器狀況的信息與工作記憶和長(zhǎng)期記憶中的信息結(jié)合起來(lái)，通過(guò)大腦中央處理控制系統(tǒng)綜合處理，分配注意力資源，關(guān)注實(shí)際情況，并且不斷地進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)控，從而不斷更新心理圖式，保持情景意識(shí)，達(dá)到對(duì)過(guò)程的掌握與控制。手控交會(huì)對(duì)接過(guò)程是一個(gè)典型的人在回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，任務(wù)中，航天員需要觀察跟蹤目標(biāo)的位置、姿態(tài)、速度和加速度等信息，進(jìn)行判斷決策，通過(guò)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制，完成控制任務(wù)。在這一過(guò)程中，還需要同時(shí)考慮燃料、能源的消耗和時(shí)間的限制，必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成控制任務(wù)。對(duì)接過(guò)程中，航天員認(rèn)知活動(dòng)的主要任務(wù)包括監(jiān)測(cè)、決策和控制這3種主要任務(wù)形式。在基于ACTR-QN的認(rèn)知仿真模型中，以圖2所示ACT-R模型實(shí)現(xiàn)的較精細(xì)的手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)認(rèn)知活動(dòng)仿真模塊和緩沖被轉(zhuǎn)換為ACTR-QN模型中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，三種認(rèn)知任務(wù)在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中順序執(zhí)行，并形成緊密相連的小認(rèn)知和有關(guān)操作的循環(huán)，整個(gè)模型由交會(huì)對(duì)接任務(wù)相關(guān)的陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)，以及對(duì)接任務(wù)操作和任務(wù)目標(biāo)的ACT-R產(chǎn)生系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等部分組成。如圖2所示，整個(gè)對(duì)接任務(wù)的完成是在不斷圖2ACT-R認(rèn)知行為模型圖Fig2TaskbehaviormodelsinACT-Rcognitivearchi-tecture地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、決策和控制的小任務(wù)循環(huán)的過(guò)程中完成的。監(jiān)測(cè):監(jiān)測(cè)任務(wù)是通過(guò)感知子網(wǎng)的視覺(jué)模塊連續(xù)感知外部信息，在對(duì)接任務(wù)中，包括電視圖像信息和儀表信息，通過(guò)視覺(jué)緩沖把收集信息送入產(chǎn)生系統(tǒng)。決策:決策任務(wù)則通過(guò)監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)查詢得到的匹配以及通過(guò)目標(biāo)模塊進(jìn)入目標(biāo)緩沖的目標(biāo)內(nèi)容，觸發(fā)一條或多條產(chǎn)生規(guī)則，將執(zhí)行結(jié)果送入運(yùn)動(dòng)緩沖，通過(guò)操作模塊執(zhí)行完成決策下達(dá)的任務(wù)。以平移控制為例，采取時(shí)間-位移控制策略，根據(jù)時(shí)間預(yù)估，決定是否操作控制手柄。首先選擇操作軸，優(yōu)先選擇前進(jìn)軸向的操作，然后，根據(jù)水平和垂直軸向的偏差判斷，選擇優(yōu)先控制軸以及操作方向，或者無(wú)操作?？刂?一項(xiàng)控制任務(wù)由一條產(chǎn)生規(guī)則觸發(fā)，執(zhí)行結(jié)果送入運(yùn)動(dòng)緩沖，通過(guò)操作實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，也即將操作模塊輸出的控制信息傳遞到平移控制手柄的操作。

3手控交會(huì)對(duì)接認(rèn)知仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)人控交會(huì)對(duì)接任務(wù)進(jìn)行了認(rèn)知仿真系統(tǒng)建模，設(shè)計(jì)了仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知過(guò)程可視化和認(rèn)知腦力負(fù)荷的預(yù)測(cè)。在人控交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，航天員通過(guò)圖形數(shù)字和靶標(biāo)圖像等測(cè)量信息判斷追蹤與目標(biāo)飛行器的相對(duì)位置、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)情況，并通過(guò)控制追蹤飛行器完成與目標(biāo)飛行器的對(duì)接。目標(biāo)飛行器靶標(biāo)圖像是航天員進(jìn)行手控交會(huì)對(duì)接最主要的觀察信息，即通過(guò)電視攝像機(jī)將目標(biāo)飛行器對(duì)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(duì)位置、姿態(tài)和速率，通過(guò)操縱手柄對(duì)追蹤飛行器進(jìn)行姿態(tài)控制和平移控制，直至對(duì)接成功。根據(jù)前文對(duì)ACTR-QN體系的描述，建立了手控交會(huì)對(duì)接認(rèn)知行為模型，在模型中，手控交會(huì)對(duì)接任務(wù)通過(guò)不斷完成基本任務(wù)而得以實(shí)現(xiàn)，這些基本任務(wù)包括監(jiān)測(cè)、決策和控制。監(jiān)測(cè)任務(wù)是通過(guò)視覺(jué)模塊連續(xù)感知外部信息，通過(guò)視覺(jué)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(guò)查詢與過(guò)程性知識(shí)匹配的信息觸發(fā)一條產(chǎn)生式;決策任務(wù)則通過(guò)觀測(cè)到的信息，查詢得到匹配并通過(guò)比較目標(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)果送入動(dòng)作緩沖，通過(guò)動(dòng)作模塊執(zhí)行完成決策下達(dá)的任務(wù)。三類任務(wù)在QN-ACTR認(rèn)知中央加工處理器中按順序執(zhí)行，形成認(rèn)知與行為過(guò)程的反復(fù)循環(huán)。

3．1認(rèn)知仿真軟件仿真軟件采用Cao等［8-9］提出的ACTR-QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)建立了手控交會(huì)對(duì)接認(rèn)知模型。應(yīng)用離散事件仿真引擎(microsaintsharp，MSS)構(gòu)建了ACTR-QN認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖。MSS是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)，提供對(duì)QN建模的自然支持。在構(gòu)建中，ACT-R的模塊和緩沖被設(shè)計(jì)為服務(wù)器(對(duì)應(yīng)MSS中的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)節(jié)點(diǎn))，知識(shí)塊和產(chǎn)生式規(guī)則設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)對(duì)象，ACT-R的函數(shù)被移植為MSS的函數(shù)，可以被相關(guān)的服務(wù)器調(diào)用，全局變量保持與ACT-R中一致的缺省值。ACTR-QN中設(shè)計(jì)了解析函數(shù)可以直接讀取ACT-R模型文件中定義的知識(shí)塊、產(chǎn)生式規(guī)則和參數(shù)碼，這樣，ACTR-QN中用到的任務(wù)知識(shí)保持和ACT-R中的一致，可以直接使用。外部任務(wù)環(huán)境模型通過(guò)交會(huì)對(duì)接模擬器的仿真數(shù)據(jù)獲得，模擬器仿真運(yùn)行交會(huì)對(duì)接過(guò)程，包括飛船和目標(biāo)飛行器的運(yùn)動(dòng)模型［11］，并可以接收外部的虛擬操作信息而改變飛行狀態(tài)。模擬器仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出運(yùn)行環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊插件，保持手控交會(huì)對(duì)接認(rèn)知仿真模型與交會(huì)對(duì)接模擬器的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)人在回路外的仿真過(guò)程。認(rèn)知軟件實(shí)現(xiàn)手控交會(huì)對(duì)接認(rèn)知仿真的界面如圖3所示。圖3認(rèn)知仿真軟件界面Fig．3Softwareinterfaceofcognitivesimulation

3．2腦力負(fù)荷預(yù)測(cè)在ACTR-QN認(rèn)知仿真軟件運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)認(rèn)知仿真過(guò)程中各服務(wù)器資源時(shí)間占有率的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知、認(rèn)知和動(dòng)作各個(gè)子網(wǎng)的負(fù)荷評(píng)測(cè)。另外，通過(guò)任務(wù)完成時(shí)間、燃料消耗、操作過(guò)程中的誤差累計(jì)等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)任務(wù)績(jī)效預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)比負(fù)荷與績(jī)效指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)操作人員的個(gè)性化評(píng)價(jià)。

3．3認(rèn)知過(guò)程可視化仿真太空操作認(rèn)知過(guò)程中，通過(guò)觀察各認(rèn)知模塊的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知過(guò)程的可視化。AC-TR-QN在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)服務(wù)器模塊邊設(shè)計(jì)了模塊細(xì)節(jié)窗口，例如，視覺(jué)服務(wù)器邊設(shè)置視覺(jué)細(xì)節(jié)窗口，打開可以看到視覺(jué)模塊和緩沖的細(xì)節(jié)信息，包括系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)視覺(jué)信息和知識(shí)塊。認(rèn)知過(guò)程可視化還支持當(dāng)信息處理進(jìn)程運(yùn)行到某個(gè)服務(wù)器模塊時(shí)，該模塊表現(xiàn)為變色、閃爍的顯示模式，指示認(rèn)知過(guò)程的進(jìn)展情況。另外，系統(tǒng)集成了三維圖形化顯示界面，構(gòu)建并加載虛擬航天員和虛擬工作場(chǎng)景模型，實(shí)現(xiàn)航天員手控交會(huì)對(duì)接作業(yè)過(guò)程的三維圖形可視化表現(xiàn)，其中航天員操作動(dòng)作與ACT-QN中動(dòng)作模塊的輸出同步，更加形象地表現(xiàn)人的認(rèn)知仿真過(guò)程。腦力負(fù)荷可視化通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)服務(wù)器的利用率，以曲線圖模式實(shí)時(shí)顯示感知、認(rèn)知和動(dòng)作三個(gè)子網(wǎng)的負(fù)荷。另外，仿真系統(tǒng)以柱狀圖、折線圖、表格及動(dòng)畫等多種形式實(shí)現(xiàn)了績(jī)效分析結(jié)果的可視化。

4結(jié)論

認(rèn)知過(guò)程仿真研究、腦力負(fù)荷與績(jī)效分析評(píng)價(jià)是開展未來(lái)空間任務(wù)航天員作業(yè)能力研究的重要工具。建立認(rèn)知體系模型可以實(shí)現(xiàn)人在回路外的仿真，對(duì)航天員完成特定空間操作任務(wù)的認(rèn)知負(fù)荷與績(jī)效進(jìn)行預(yù)測(cè)及可視化顯示，為進(jìn)一步分析航天員在太空失重環(huán)境下認(rèn)知能力的變化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。ACTR-QN認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)可以模擬復(fù)雜任務(wù)的認(rèn)知過(guò)程，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知仿真的可視化和腦力負(fù)荷的定量評(píng)價(jià)，對(duì)于人的認(rèn)知過(guò)程研究，具有重要的應(yīng)用意義。后續(xù)研究中，認(rèn)知仿真模型的建模精度還需要進(jìn)一步細(xì)化，腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性需要與其它評(píng)價(jià)方法的數(shù)值進(jìn)行比較，提高預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度。長(zhǎng)期在軌、微重力環(huán)境以及生物節(jié)律等影響因素也需要在未來(lái)的模型細(xì)化中綜合考慮。

作者：朱秀慶陳善廣劉玉慶周伯河單位：中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室