留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

空间站在轨维修操作复杂度评价及试验验证

葛祥雨 黄杰 周前祥 柳忠起

葛祥雨, 黄杰, 周前祥, 等 . 空间站在轨维修操作复杂度评价及试验验证[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2228-2236. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0118
引用本文: 葛祥雨, 黄杰, 周前祥, 等 . 空间站在轨维修操作复杂度评价及试验验证[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2228-2236. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0118
GE Xiangyu, HUANG Jie, ZHOU Qianxiang, et al. Evaluation of space station on-orbit maintenance operation complexity and its experimental validation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(11): 2228-2236. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0118(in Chinese)
Citation: GE Xiangyu, HUANG Jie, ZHOU Qianxiang, et al. Evaluation of space station on-orbit maintenance operation complexity and its experimental validation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(11): 2228-2236. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0118(in Chinese)

空间站在轨维修操作复杂度评价及试验验证

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0118
详细信息
    作者简介:

    葛祥雨  男, 博士研究生。主要研究方向:人因工程

    周前祥  男, 博士, 教授。主要研究方向:生理信号处理、人因工程

    通讯作者:

    周前祥.E-mail:zqxg@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V19

Evaluation of space station on-orbit maintenance operation complexity and its experimental validation

More Information
  • 摘要:

    在轨维修是维持空间站在太空特殊环境安全运行的必要手段,太空特殊环境和空间站结构特点决定了空间站在轨维修任务的复杂度。在轨维修操作复杂度关系到空间站维修方案的优化、维修计划的制定、货运飞船的安排、航天员培训和空间站可维修性设计。然而,针对空间站在轨维修操作复杂度的评价研究较少。因此,提出了空间站在轨维修操作复杂度的概念,考虑了维修固有复杂度和外部影响因子2个方面,基于信息熵理论建立了复杂度评估模型。固有复杂度包括维修操作逻辑、维修动作规模、维修人机界面和维修操作知识,并借助信息熵完成以上4个方面的量化;外部影响因子包括操作空间、有无维修工具、时间压力、视觉遮挡和航天服影响,并利用分级打分制予以量化。为验证模型的有效性,基于地面模拟舱开展了12类产品维修验证试验,采集了受试者的维修动作及时间。实验数据分析表明,提出的模型能够较好地预测产品的维修耗时(相关系数为0.82),并能较为合理地对空间站在轨维修操作复杂度进行量化分级。为在轨维修的开展、维修方案的评价、航天员乘组训练与安排和空间站设计更改提供方法指导。

     

  • 图 1  舱内维修操作复杂度模型的结构

    Figure 1.  Structure of operational complexity model for intravehicular maintenance

    图 2  舱外维修操作复杂度模型的结构

    Figure 2.  Structure of operational complexity model for extravehicular maintenance

    图 3  维修动作控制图

    Figure 3.  Maintenance action control chart

    图 4  维修人机界面图

    Figure 4.  of maintenance man-machine interface

    图 5  维修操作知识支持图

    Figure 5.  Chart of task knowledge supporting

    图 6  产品在轨维修复杂度

    Figure 6.  Product on-orbit maintenance complexity

    图 7  回归分析

    Figure 7.  Regression analysis

    表  1  舱内与舱外维修操作基本动作库

    Table  1.   Basic action library for intravehicular and extravehicular maintenance operations

    编号 舱内动作库 舱内动作库详情 舱外动作库 舱外动作库详情
    1 工具拆螺钉 利用工具拆卸起到紧固作用的螺钉 电动拆螺钉 利用工具拆卸起到紧固作用的螺钉
    2 工具装螺钉 利用工具拧紧起到紧固作用的螺钉 电动装螺钉 利用工具拧紧起到紧固作用的螺钉
    3 徒手拨插件 徒手断开通信或输电的电缆插头 徒手拨插件 徒手断开通信或输电的电缆插头
    4 徒手装插件 徒手连接通信或输电的电缆插头 徒手装插件 徒手连接通信或输电的电缆插头
    5 徒手拨管路 徒手断开输送气液的管路 工具拨插件 利用工具断开通信或输电的电缆插头
    6 徒手装管路 徒手连接输送气液的管路 工具装插件 利用工具连接通信或输电的电缆插头
    7 工具拆管路 利用工具断开输送气液的管路 传递物品 航天员之间传递物品
    8 工具装管路 利用工具连接输送气液的管路 人员移动 航天员从1点移动至2点
    9 设备对位 备件对准安装位置 设备对位 备件对准安装位置
    下载: 导出CSV

    表  2  舱内与舱外维修外部影响因子的度量

    Table  2.   Measurement of external influence factors for intravehicular and extravehicular maintenance

    影响因子 影响程度 权重(舱内) 权重(舱外)
    操作空间f1 不受限 1 2
    一般受限 1.5 3
    严重受限 3 5
    维修工具f2 有工具 0.5 2.5
    徒手操作容易 1 5
    徒手操作难 2 10
    视线遮挡f3 不遮挡 1 3
    一般遮挡 1.5 4.5
    严重遮挡 3 7
    时间压力f4 随动作数量y
    增加呈指数
    增长
    下载: 导出CSV

    表  3  产品的维修时间

    Table  3.   Product repair time

    产品名称 维修耗时/s
    专用照明灯2控制板 142.12
    智能接口装置b 631.44
    母线滤波器b 1 583.76
    锂离子蓄电池组a 695.50
    母线控制单元a 1 040.1
    内回路泵组件a 120.71
    充放电调节器e 748.87
    冷凝水动态水汽分离器 241.07
    下载: 导出CSV

    表  4  产品的支持向量机复杂度等级分类结果

    Table  4.   Support vector machine complexity classification results of products

    分类结果 产品名称 MOCT 维修时间/s
    非常简单类a1 平板照明灯a 1.28 146.57
    内回路泵组件a 1.29 150.74
    专用照明灯2控制板 1.33 168.28
    简单类a2 中温泵控制器d 1.46 235.50
    复杂b1 母线控制单元a 1.82 521.13
    舱内循环风机a 1.83 531.52
    舱内循环风机b 1.89 597.06
    非常复杂b2 母线滤波器b 1.92 631.92
    智能接口装置b 1.99 718.97
    充放电调节器e 2.00 732.08
    二符惯性测量单元线路盒 2.04 786.23
    锂离子蓄电池组a 2.42 1 455.15
    下载: 导出CSV

    表  5  舱外维修产品的理论维修复杂度

    Table  5.   Theoretical maintenance complexity of extravehicular maintenance products

    产品名称 MOC1 MOC2 MOC3 MOC4 K MOCT
    P1 1.15 3.70 1.00 3.00 4.26 6.39
    P2 1.25 6.21 1.00 3.00 4.70 9.17
    P3 0.99 4.09 1.58 3.70 4.13 7.31
    注:P1为舱外泛光灯H; P2为热控舱外综合业务单元a; P3为电位检测探头。
    下载: 导出CSV
  • [1] WATSON J K, DAVISON M T, LANGENDORF S E.Maintenance of space station freedom-the role of mission controllers:AIM-91-4114[R].Reston, VA:AIAA, 1991:381-386.
    [2] ANGELINI R, COSTA M.Multimedial maintenance manuals:International space station applications for on-orbit maintenance support[J].Acta Astronautica, 2002, 51(1):415-425. http://cn.bing.com/academic/profile?id=1eeaae05bbd8971e1b0f3af194933dd6&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [3] LIU P, LI Z.Task complexity:A review and conceptualization framework[J].International Journal of Industrial Ergonomics, 2012, 42(6):553-568. doi: 10.1016/j.ergon.2012.09.001
    [4] 张宜静, 吴斌, 李志忠, 等.航天应急故障操作程序复杂度度量方法研究[J].宇航学报, 2009, 30(3):1225-1230. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2009.03.064

    ZHANG Y J, WU B, LI Z Z, et al.Operation complexity measure of emergency failure operation procedure in spaceflight[J].Journal of Astronautics, 2009, 30(3):1225-1230(in Chinese). doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2009.03.064
    [5] ZHANG Y Y, LI Z Z, WU B, et al.A spaceflight operation complexity measure and its experimental validation[J].International Journal of Industrial Ergonomics, 2009, 39(5):756-765. doi: 10.1016/j.ergon.2009.03.003
    [6] 尤志锋, 石全, 胡起伟, 等.基于图熵法的战场抢救抢修方案复杂性量化模型[J].军械工程学院学报, 2013, 25(2):7-11. doi: 10.3969/j.issn.1008-2956.2013.02.002

    YOU Z F, SHI Q, HU Q W, et al.A study on quantification model for BDR scheme complexity based on diagram entropy methodology[J].Journal of Ordnance Engineering College, 2013, 25(2):7-11(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1008-2956.2013.02.002
    [7] 孔繁森, 吴雅夫, 李聪.基于信息熵的设备电气故障诊断复杂性评价[J].吉林大学学报:工学版, 2011, 41(3):697-701. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jlgydxzrkxxb201103019

    KONG F S, WU Y F, LI C.Assessment of fault diagnosis complexity about electrical fault diagnosis of equipment based on information entropy[J].Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2011, 41(3):697-701(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jlgydxzrkxxb201103019
    [8] 李世停, 蔡琦, 朱波.舰艇动力装置应急维修作业复杂性量化研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2010, 34(4):813-817. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/whjtkjdxxb201004042

    LI S T, CAI Q, ZHU B.Research on the quantification of emergency maintenance task complexity for marine power facility[J].Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2010, 34(4):813-817(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/whjtkjdxxb201004042
    [9] 孙栋, 张春润, 刘亚东, 等.基于摘理论的装备保障力量体系结构复杂度评价[J].军事交通学院学报, 2008, 4(5):35-38. doi: 10.3969/j.issn.1674-2192.2008.05.009

    SUN D, ZHANG C R, LIU Y D, et al.An evaluation of equipment support resources architecture complexity based on entropy theory[J].Journal of Military Transportation University, 2008, 4(5):35-38(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1674-2192.2008.05.009
    [10] 戴立操.重水堆核电厂人因可靠性分析[D].长沙: 中南大学, 2012.

    DAI L C.Human reliability analysis of heavy water reactor nuclear power plant[D].Changsha: Central South University, 2012(in Chinese).
    [11] 罗爱民.信息系统体系结构的复杂性分析方法[J].计算机科学, 2011, 38(10):291-294. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2011.10.069

    LUO A M.Complexity analysis method on information systems architecture[J].Computer Science, 2011, 38(10):291-294(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2011.10.069
    [12] 姜林.软件分形复杂度[D].北京: 北京邮电大学, 2011.

    JIANG L.Fractal complexity of software[D].Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011(in Chinese).
    [13] 姜林, 艾波, 漆涛.分形理论在软件复杂度中的应用[J].计算机应用, 2010, 30(10):2730-2734. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjyy201010046

    JIANG L, AI B, QI T.Application of fractal theory to software complexity[J].Journal of Computer Applications, 2010, 30(10):2730-2734(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjyy201010046
    [14] PARK J K, JUNG W.A study on the validity of a task complexity measure for emergency operating procedures of nuclear power plants-Comparing with a subjective workload[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2006, 53(5):2962-2970. doi: 10.1109/TNS.2006.882149
    [15] PARK J K.Validation of TACOM measure[M].Berlin:Springer, 2009:127-136.
    [16] PARK J.The complexity of proceduralized tasks[M].Berlin:Springer, 2009.
    [17] 蒋英杰, 孙志强, 宫二玲, 等.一种系统化的行为形成因子分类方法[J].中国安全科学学报, 2010, 20(10):20-25. doi: 10.3969/j.issn.1003-3033.2010.10.004

    JIANG Y J, SUN Z Q, GONG E L, et al.A systematic taxonomy for performance shaping factor[J].China Safety Science Journal, 2010, 20(10):20-25(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1003-3033.2010.10.004
    [18] DARISIPUDI A. Towards a generalized team task complexity model[D].Baton Rouge: Lousiana State University, 2006.
    [19] ENDSLEY M, JONES D, BETTY B.Designing for situation awareness[J].Intelligence, 2003, 56(4):727-728. http://cn.bing.com/academic/profile?id=bfd15e1cccc3d1b618c8b49735ea8442&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [20] BRAARUD P Ø.Subjective task complexity and subjective workload:criterion validity for complex team tasks[J].International Journal of Cognitive Ergonomics, 2001, 5(3):261-273. doi: 10.1207/S15327566IJCE0503_7
    [21] PARK J, JUNG W, HA J.Development of the step complexity measure for emergency operating procedures using entropy concepts[J].Reliability Engineering & System Safety, 2001, 71(2):115-130. http://cn.bing.com/academic/profile?id=4be7a1fd0d19ae6b52f2051df3b95e72&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [22] RUSSELL J F, KLAUS D M.Maintenance, reliability and policies for orbital space station life support systems[J].Reliability Engineering & System Safety, 2007, 92(6):808-820. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=4f3e96d1ea6ab04796f859255aaa2cae
    [23] RUSSELL J F, KLAUS D M, MOSHER T J.Applying analysis of international space station crew-time utilization to mission design[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2006, 43(1):130-136. doi: 10.2514/1.16135
    [24] 尚坤, 刘向阳, 李猛.航天服手套指尖力测量方法研究[J].航天医学与医学工程, 2014, 27(2):138-141. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/htyxyyxgc201402012

    SHANG K, LIU X Y, LI M.Study on measurement method of spacesuit glove fingertip force[J].Space Medicine & Medical Engineering, 2014, 27(2):138-141(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/htyxyyxgc201402012
    [25] 李倬有, 丁立, 岳国栋.舱外航天服手套对手指力学影响的仿真研究[J].生物医学工程学杂志, 2013, 30(4):767-771. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=swyxgcx201304018

    LI Z Y, DING L, YUE G D.Study of mechanical effects of the eva glove finger base with finite element modeling[J].Journal of Biomedical Engineering, 2013, 30(4):767-771(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=swyxgcx201304018
  • 加载中
图(7) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  821
  • HTML全文浏览量:  24
  • PDF下载量:  333
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-20
  • 录用日期:  2019-06-21
  • 网络出版日期:  2019-11-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答