随着中国空间站研究的启动,未来航天员在轨时间将大大延长,同时在轨任务将更加多样化,对航天员作业能力提出了更高的要求。在此背景下,设计和研发了“航天员建模仿真系统”(Astronaut Modeling and Simulation System,AMSS)这一中国首个支持长期飞行下航天员作业能力仿真分析、评估与预测的一体化研究平台。具体研究和研发工作包括:(1)系统模型体系架构分析。针对航天体力和脑力作业任务特点以及人-系统整合设计与评估需求,对建模仿真系统的功能进行了分析,对平台的模型体系构架进行了设计规划。通过分析提出了特性、行为和绩效三个层次的模型体系。该体系能很好地支持对长期飞行中航天员认知、骨肌特性变化与任务执行中航天员的行为特征进行整合,支持几何虚拟人与可计算的认知模型、生物力学模型和负荷绩效评估模型的有机融合。(2)生物力学建模仿真。面向航天任务和环境特征,针对性地开展了长期失重骨骼肌肉力学特性变化规律研究、骨骼肌肉系统数学模型与数值模型构建等研究工作。在特性层,通过45天-6度头低位卧床实验研究了模拟长期失重后骨肌生物力学特性变化规律;通过人体骨试样密度和力学性能测试,建立了骨骼矿物质密度-弹性模量的关系模型。对于行为层建模,建立了失重环境下人体运动学和动力学模型;基于模拟失重下肌肉横截面积、体积以及肌电数据,建立肌肉力计算模型;基于受试者全身CT扫描图像数据建立全身骨骼和肌肉力线的几何模型及骨骼三维有限元模型,实现了运动学和动力学参数及肌肉力的可视化显示。在绩效层,基于关节力和肌肉力分析结果建立了体力负荷和疲劳分析模型。(3)认知绩效建模仿真。通过对航天任务的分析,选取手控交会对接任务作为典型认知类航天任务开展认知绩效建模分析。在特性层,开展了任务的认知需求分析与研究,以及航天飞行环境对任务关键认知特性的影响规律研究;在行为层,开展了典型航天任务感知觉与认知决策模型构建和行为仿真,重点提出了手控交会对接视觉感知模型、选轴决策模型、控制决策模型、手动操作模型等认知与行为模型;在绩效层,开展了认知绩效与作业负荷评估模型构建、认知计算模型与任务仿真环境集成以及模型验证等工作。(4)航天员建模仿真系统的集成。对多层次、多类型的复杂模型进行集成融合,包括在系统中集成生物力学模型、集成认知模型,开发和集成特性数据库软件、绩效分析软件模块、作业任务可视化软件模块,以及平台综合调度管理软件模块。所研制开发的航天员建模仿真系统是我国支持长期飞行下航天员作业能力仿真分析、评估与预测的首个一体化平台。该平台为我国的空间实验室、空间站工程的人机界面设计与任务规划提供了重要技术支持。