遥操作中空间认知过程及绩效的研究

Teleoperation is the control of a remotely located machine by human operator using visual displays of spatial information. In such context, spatial cognitive performance, i.e. the operator's performance of integrating spatial information to make judgment and decisions, plays an important role. Spatial cognitive performance is affected by both sides of the human-machine system. Specifically, two key factors are likely to be, 1) the characteristics of the operator's cognitive abilities, and 2) the presentation of spatial information. However, traditional human factor studies on teleoperation tend to focus on task performance outcomes, and overlook the process analysis. This project will fill this gap by examining space teleoperation tasks, particularly the spatial tasks, on the cognitive level using both perception and physiological metrics. First, a cognitive task analysis of the robotic arm control task will be conducted. Meta-tasks will be identified. Potential problems associated with faulty mental model and the mechanism causing the problems will be analyzed. Second, the operator's cognitive abilities associated with the performance of the meta-tasks will be identified. Classification of population in terms of cognitive abilities will then be proposed. Another focus of this study will be how different presentations of spatial information affect the spatial cognitive performance. Particularly, the effectiveness of the reference frame fusion technique will be examined. Finally, the combination of operator's cognitive characteristics and spatial information display that leads to the best spatial cognitive performance will be proposed and evaluated through human-in-the-loop simulator studies. The findings will add to the knowledge base of human cognition in teleoperation tasks, and inform the design of human-machine systems and personnel selection and training in teleoperations.

遥操作是利用空间图像信息远程控制机械体目标以完成某任务的操作形式，其关键在于操作者对空间信息综合认知判断的绩效表现（简称空间认知绩效）。与传统人因研究中任务绩效关注结果不同，空间认知绩效是联合主观感知和生理指标在认知层面上考察操作过程，探讨隐含的认知问题及其发生机制。因此，本项目将结合空间站机械臂任务，以分析空间认知过程为基础，提出空间认知绩效评价指标及方法，并从人和机两个方面探讨提高空间认知绩效的人因学途径，即操作者认知特征和操作界面空间信息呈现。首先提取与遥操作相关的典型认知特征并采用因子分析和聚类分析建立人群分型方法，分析不同认知特征人群在空间认知绩效上的表现差异；然后设计具有不同信息熵的空间信息呈现方式，探讨采用参照系融合技术提升空间认知绩效的有效性；最后得到最佳空间认知绩效的人机组合形式并分析其规律和原理。研究结果将对遥操作系统设计和操作人员选拔训练具有理论指导意义。

遥操作是利用空间图像信息远程控制机械体目标以完成某任务的操作形式，其关键在于操作者对空间信息综合认知判断的绩效表现（简称空间认知绩效）。与传统人因研究中任务绩效关注结果不同，本项目联合主观感知和生理指标在认知层面上考察操作过程，关注“人”和“机”两个方面的影响因素，并探讨隐含的认知过程及其机制。首先，本项目结合空间交会对接任务，分析了空间信息的认知过程，并实现了遥操作过程中的认知失误建模，进而采用VACP方法定量化了机械臂遥操作的认知过程，提出了空间认知绩效评价指标并构建评价模型，同时结合模糊认知图（FCM）方法建立了情境意识的预测模型。进而，本项目结合空间站机械臂遥操作，归纳抽象出三类典型任务，并基于虚拟机器人仿真平台（V-REP），搭建了机械臂遥操作仿真实验系统。最后，基于该实验系统，本项目从“机”、“人”以及人机组合等三个方面开展了8项实验研究。在“机”的角度上，分别探讨了空间信息配置、立体信息缺失、控制域大小和操作难度对机械臂遥操作绩效的影响。设计了团队协调和团队合作任务，研究了空间信息配置和系统时延对团队遥操作绩效的影响。在“人”的角度上，在空间交会对接任务中，研究了视觉化能力、空间定向能力和动态空间能力对不同技能水平操作者的绩效影响。接着结合机械臂遥操作任务，通过实验研究了认知特征与人格特质对遥操作绩效的影响。最后结合机器车遥操作任务，探索了空间能力和人格特质对遥操作任务绩效产生影响的具体机制。在人机组合研究中，首先联合空间信息组成原理以及已有的实验结论，通过了空间信息复杂度和信息透明度的定量化研究，设计了具有不同空间信息辅助方式的信息界面，最后通过实验研究了认知特征与辅助信息方式对遥操作绩效的交互影响，得到了空间信息辅助方式和认知特征的最佳组合形式。研究结果为机械臂遥操作设计及相关人员选拔和训练提供了理论支持，也对载人航天、国防安全、生产制造等领域均有推广与应用的意义。