本文是一篇工业工程论文，笔者通过将本文提出的改进模特法与传统模特法对相同作业内动作序列的时间预测值，与中国空间站航天员实际EVA维修任务过程中的动作序列时间进行对比，传统模特法时间预测值误差超过90%，改进模特法的时间预测值误差均不超过20%，验证了本研究改进模特法的有效性。
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
航空航天和空间技术是高端装备制造业的主要组成部分，也是一个国家科技实力、综合国力以及国防实力的重要标志。空间站与普通的人造卫星等航天器对比，容积更大、载荷人数更多多、运行的寿命也更长、并且有着更高的综合利用率，是人类进入太空的重要基地[1]。在人类历史上，前苏联与美国在空间站的发展与演变过程中做出了重要的贡献，如图1.1所示为国内外载人航天发展历程时间轴。空间站建设不仅可以带动航天产业链的进步，还可以利用微重力环境，完成太空医学等多领域的前沿实验；同时，还能促进人工智能等先进技术的发展，有利于我国独立自主研发重大核心技术，以免受制于人[2]。
1.2国内外研究现状
本文以提升航天员出舱维修任务的整体效率为主要目标，通过建立航天员任务效率评价体系，作业标准化，合理任务规划和分配三种手段实现该目标。本部分内容由Web of Science 、Springer、Scopus、 EI 、中国知网和万方数据库等文献平台，对相关研究内容的文献进行检索和关联检索后整理与总结得出。
1.2.1航天员的出舱作业效率分析与评价研究
航天员出舱维修任务在所有航天员出舱作业类型中时间占比最大，众多国外学者通过对国际空间站航天员执行的出舱任务的时间进行分析，尝试量化任务效率，实现对整体任务的效率评估。Looper C A[14]针对国际空间站将航天员出舱任务中的作业时间进行划分，通过收集国际空间站出舱维修作业时间数据，研究航天员出舱任务效率；并且通过收集国际空间站地面训练作业时间和实际任务时间的数据，进行比较分析，从时间规划和流程规划的角度总结了航天员出舱任务效率提升的经验。Miller M J[16]通过建立航天员舱外作业时间计划表，与航天员实际作业的时间进行统计与对比，实现对舱外作业效率进行定量的评估。有关量化出舱作业效率的研究，通常对维修任务中的作业进行划分，通过不同类型作业的时间占比，评价整体任务效率，事实上不同的作业类型的期望时间存在很大差异，从宏观角度分析各项任务在总任务流程中的时间占比并不能找到时间浪费的根源，也就难以实现作业效率提升的目标，因此这些研究缺少对每一项作业时间合理性的单独评价。
第2章航天员出舱维修任务评价体系的构建
2.1 空间站舱外在轨维修环境及任务分解
空间站舱外的特殊环境使执行出舱任务的航天员身处真空、高辐射和失重的严酷环境。航天员需身着保障维持生命系统的宇航服离开空间站舱内相对安全的环境，在空间站外部进行高难度操作[76]。空间站外部的操作空间、与机械臂的配合、宇航服带来的关节灵活度下降、视觉遮挡、维修工具的使用以及时间和疲劳压力都对航天员的操作提出了更加严格的要求。
不同国家的空间站采取的主要在轨维修策略存在部分差异，如表2.1所示为俄罗斯和平号空间站、国际空间站在轨维修策略对比。
2.2 航天员出舱维修任务效率与标准度评价体系的设计
基于航天员EVA维修任务的分解模型，对航天员任务从两个方面进行评价：任务的整体效率和任务的完成度。任务整体效率除了任务完成总时间，还表现为构成任务的作业时间是否存在浪费，在作业中执行操作的航天员动作时间是否也存在浪费；任务的标准度表现为任务内的作业流程与作业内容是否达到预期计划，即作业是否标准如图2.7所示。本节考虑任务不同层次的累积效应与关联，建立综合评价体系，为提升航天员EVA维修任务效率和标准度的提高提供改善思路和研究方向。
2.2.1协同维修任务-作业层效率评价指标设计
单次出舱任务由维修不同的ORU任务组成，每一项维修任务由两名航天员与机械臂协同作业完成，其中机械臂无法单独作业，主要任务为辅助航天员移动与定位，且机械臂运行时间由程序设定，本文不做单独研究。
作业层由时间维度上三条平行的作业序列组成，以航天员为研究主体标准作业包括：航天员移动类，作业现场准备类和辅助设备操作类以及维修操作类。事实上在实际维修任务过程中，存在计划外的故障，需要航天员执行故障排除作业；由于双人以及人机协作的作业模式，作业的分配将不可避免的产生航天员的等待，此外航天员长时间执行高强度的维修作业需要计划内的休息恢复体力的时间。为了方便进行时间效率研究，本文将以上三种航天员在实际操作过程中不可避免的时间消耗活动归类为特殊作业：计划外作业、等待类作业、休息类作业。
第3章 航天员出舱维修任务工作时间的建立与验证....................... 27
3.1失重环境下的改进模特法设计.......................... 28
3.1.1失重环境的动素设计和判定原则...................... 28
3.1.2改进模特法基础动素时间的测定与验证............... 32
第4章 航天员出舱维修任务调度模型的建立与算法研究............................ 47
4.1考虑效能变化的出舱维修任务调度模型建立......................... 48
4.1.1问题描述与假设条件的设定.............................. 48
4.1.2出舱维修任务时间表构建................................... 52
第5章 中国空间站航天员出舱维修任务案例研究............................. 63
5.1航天员出舱维修任务案例概述................................. 63
5.2航天员出舱维修任务作业工作时间的计算与标准度评价................ 66
5.3航天员出舱维修任务效率评价与调度规划........................ 69
第5章 中国空间站航天员出舱维修任务案例研究
5.1航天员出舱维修任务案例概述
中国空间站航天员舱外维修任务案例的由航天员01与航天员02和问天实验舱小机械臂协同作业完成，任务包含6个ORU的维修组装任务，分别为扩展泵组a安装、全景相机b抬升、线缆防护装置c安装、线缆防护装置d安装和线缆防护装置e的安装和舱外工具箱f组装。六项维修任务作业地点都位于天和空间站的问天实验舱外如图5.1所示。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本文针对我国空间站航天员出舱维修任务的效率提升问题，进行了三个方面的研究：
1、从提升航天员任务的整体效率角度出发，根据工业工程工作研究原理，将航天员EVA维修任务进行总结分类，并划分四个层次：任务层、作业层、动作层和动素层。基于该层次分解模型，建立航天员EVA维修任务-作业层效率评价模型和动作-动素标准度评价模型。
2、针对航天员EVA维修任务进行时间研究，为动作-动素层标准度评价指标提供依据。设计适合航天员舱外失重环境的改进模特法，并测定基本动素时间，最后结合标准资料库法，建立模糊标准作业工时模型。
3、依据任务-作业层效率评价指标，以缩短航天员任务总时间、减少移动和休息等待的浪费为目标，考虑航天员疲劳与恢复建立航天员任务规划数学模型，并设计基于作业模式要求的VNS-NSGA-II算法，最后根据作业类型的增值必要度确定多目标函数的目标权重。
参考文献（略）
