基于脑功能网络分析的无人机系统人因失误认知机理研究

Human is the kernel of the unmanned aircraft system (UAS). The efficient interaction between human and UAS is essential to successfully fulfill the misssion. Researches indicated that, one main cause of the system failure was human error. The analysis of human error mechanism and control strategy are crucial to assure the safety and efficiency of UAS. Currently the second generation of human reliability analysis methods are focusing on the human cognition model. But the human cognitive process is complicated, the data directly relating with human error is difficult to acquire, and the efficacy and reliablity of current cognition model needs further research. Besides, the interaction and introjection of researchs on huamn reliability and cognitive science is not enough, and hence the prior research results on human error control and reinforcement learning in the cognition science can't be abstracted and applied in the reasech of human reliability. In this project, based on the same UAS simulation training system, the training performance and functional magnetic resonance imaging (fMRI) of the UAS manipulators are to be recorded to observe the human error throught the behavioural and cerebral functional viewpoints. The brain functional network of huamn error is to be constructed, and its spatial and temporal characteristics are to be explored to promote the understanding of the circuits and modules for the error control and reinforcement learning. The cognition mechanisms of human error in the UAS are to be throughly explorated to supply new thoughts and references for the evaluation of huamn error.

在无人机系统中，人具有核心作用，人机有效交互是系统成功执行任务的必要保证。研究表明，系统失效的一个主要原因就是人因失误。人因失误的机理分析及控制对策研究对确保无人机系统的安全及效率至关重要。目前，第二代人因可靠性分析方法以人的认知模型为核心要素。但由于人的认知过程非常复杂，与人因失误直接相关的数据获取困难，现有认知模型的有效性和可信度尚待研究；此外，人因可靠性和认知学研究的交流融合不够，认知领域内关于人类差错控制、增强学习等方向的最新研究成果难以被抽象引入到人因可靠性的研究中。本项目以无人机模拟训练系统为平台，同时观测无人机操作员模拟训练表现和磁共振功能成像数据，从行为学、脑功能这两个角度观察人因失误，构建人因失误的脑功能网络，探索其时空特性，加深对差错控制、增强学习有关的模块和环路的理解，全面探究无人机系统人因失误的认知机理，为人因失误的评估提供新的思路和依据。

人因失误的机理分析及控制对策对无人机的安全及效率至关重要。第二代人因可靠性分析以人的认知模型为核心。但现有模型的有效性和可信度尚待研究，且和认知学的融合不够。本项目通过观测无人机操作员模拟训练表现和磁共振功能成像数据，从行为学、脑功能角度观察人因失误，从脑功能网络入手探究人因失误的认知机理，为其评估提供新的思路和依据。..针对研究平台建设，研制了基于战斗任务流程的无人机实境训练与维修支持系统，建立虚拟教学仿真、半实物模拟仿真和小型无人教练机模拟飞行相结合的渐进训练体系；改进磁共振脑功能视听刺激系统，解决了电磁屏蔽和时序同步问题。..针对功能磁共振数据分析，研究了脑激活区检测及网络分析方法。提出无偏的概率密度函数估计了及野点检测算法MaxMin，融合参数和非参数估计，使所有样本点上非参数和参数概率密度的最小比值最大。方法准确度和鲁棒性高，ROC曲线优于统计参数映射。将MaxMin及Gibbs抽样过程融合，提出鲁棒回归分析方法，即使数据被大比例严重偏离的野点污染，仍能准确估计斜率和截距。改进种子区定义方法，将标准脑图谱和种群特异性灰质模板融合，功能连接分析灵敏度大大提高。对心理生理交互效应(Psychophysiological Interaction, PPI) 理论进行研究，整理了激活区检测及PPI分析流程，为研究脑功能网络及其在不同实验条件下的特征、理解脑功能的组织方式提供了有效手段。..针对无人机操作员视觉及运动功能，从脑功能网络角度进行研究。静息状态下视觉区功能连接网络局限于舌回，左右脑分别在初级和高级视觉信息处理中占主导。设计了左右手混合对指运动实验，健康人相对帕金森病患者，具有对联合皮层、扣带回、楔前叶更强的壳核调控网络，表明壳核活动对顶叶、扣带回的调控对左右手协同运动具有非常重要的作用。..针对无人机系统可靠性，对无人机人因故障与系统故障进行了研究。发现人因失误可归纳为疏忽和错误，可通过操作考核和问卷测试检测。装备操作能力与培训时间有显著相关性。根据技能型、规则型和知识型行为特点，设置装备基础概念、装备操作规程、装备维修与应急空情处置测试题，发现无人机操作员的得分标准化比例约为7:2.5:1。分析了某型无人机的飞机系统、控制与导航系统、无线电系统、任务设备系统中的易损件，利用故障树评估了主要易损件的重要度，对无人机的系统可靠性及备件优化策略进行了解析。