基本介紹
- 中文名：遙科學
- 外文名：telescience
簡介,組成,按原理分類,按結構分類,功能及關鍵技術,功能,關鍵技術,套用,發展與前景,
簡介
利用空間軌道資源，地面與空間同時開展達到在空間實驗目的的天地一體化空間科學研究系統，這一概念的提出，是源於載人航天的昂貴費用．如：一名太空人在軌道工作和生活，每小時費用為2．5萬美元，即每天就要花費60萬美元；進行出艙活動，每小時費用為3．5萬美元．為了以較少費用達到利用空間軌道資源的目的，1984年美國史丹福大學的班克思(PeterBanks)提出遙科學概念，意即遙控與科學實驗的結合，同年，美國宇航局將這一概念具體化為遙視、甩糠院遙操作與遙分析的結合系統，遙視即從空間向地面研究人員提供實驗圖像和數據，指導地面實驗；遙操作是在空間的太空人直接接受地面實驗人員發出的指令，以隨時改變實驗參數，控制實驗過程；遙分析則是將空間和地面的實驗綜合分析，以擴大地面實驗的規模．實際上遙科學是一種天上和地上同時進行實驗、共享軌道資源、擴大實驗的人機實驗系統，是空間環境條件在地面上重現而擴大軌匪海臘道資源套用能力的一種科學研究系統，發展載人航天的國家都十分重視空間遙科學系統的發展。
組成
按原理分類
我們把按遙科學思想實現的各種系統叫做遙科學系統。我們認為從原理上看，一個遙科學系統就是人類利用遙現、遙作、遙信和虛擬現實等工具認識和處理工作對象的系統。簡單說來，一個遙科學系統一般由人類、遙現、遙作、遙信和工作牛蘭疊對象幾個部分組成。其中：
①人類，是勞動的主體、可以是實驗師、科學家、操作手、工人、士兵或其它勞作者。遙科學系統正是為了提高勞作者的工作安全性、舒適感和擴展他們的工作能力和提高他們的工作效率、能力而設計的。
②遙現部分，是放大、延伸、擴展和加強人類感覺和認識能力(智力)的工具。它可以利用遙信使人類的視、聽、觸、味、嗅等感知能力穿越各種空間障礙，延伸到遠方的、艱險環境中的工作對象。遙現使人類感覺更遠更準確，“秀才不出門便知天下事，’’成為千里眼順風耳。當然還可以使人感知 識別更為精微細膩。
③遙作部分，是放大、延伸人類體能的工具。它使人類的身軀“變得高大有力”，手“伸”得很長。它可以利用遙信，延伸人類體能穿越各種障礙，作用於遠方的、艱險環境中的勞動對象。
④遙信部分，使人類和工作對象之間可以“相距千萬里，天涯若毗鄰”。遙信 是遙科學系統實現遙現和遙作的基本工具，是遙科學的基石。
⑤工作對象部分，可以是實驗儀器、器皿、受試動物或人、生產機器、待加工和搬運的工件、待開採的礦石等等。
⑥虛擬現實部分，是工作對象的虛擬結果，可能是一種物理過程、化學過程等等。它可用於補充遙現信息的不足，豐富遙作棕己幾她操作環境芝射，驗證檢驗遙現與遙作的準確性、培訓人類遙現和遙作的靈活性等等。虛擬現實應當是高級遙科學系統的重要組成部分，簡單、低級遙科學系統不一定包括這個部分。
按結構分類
從結構上看，一般遙科學系統可以分成：人類、遠方站、遠方站工作環境、遙陵項慨虹信系統、本地站、本地站工作環境和工作對象7個模組。這裡：
①人類，如前述。
②遠方站，是系統中遙現與遙作功能遠方部分的組合。其設計應使人類操作手、實驗師、及其它勞動者)能夠“身臨其境”地感知工作對象情況而且操作工作對象儘可能地方便。
③遠方站工作環境，是人類生存和遠方站工作的支持環境。其選擇與設計應使人類工作安全舒適、遠方站運行得到較好支持。也許，最為理想的遠方站工作環境是人類用戶的家庭(遙科學發展的一個方向)，一般可以是用戶實驗室或某種控制中心。
④遙信系統，是連線遠方站與本地站的紐帶。其選擇設計應使遠方站與本地站之間遙現與遙作信息的傳遞暢通無阻，而且時間延遲儘可能小。
根據系統要求它可能涉及普通電纜、閉路電視線路、電信網、計算 機網、衛星通信網乃至航天跟蹤與數據通信網等等。
⑤本地站，是系統中遙現與遙作功能本地部分的組合。其設計應使對工作對象的感知周到、細緻，對工作對象的操作安全、準確，以及，保證本地站與遠方站密切協作。
⑥工作對象，其設計與選擇應使遙現遙作紋重晚便於進行。
⑦本地站工作環境，是本地站和工作對象生存和工作的支持環境。一般是艱險環境。
功能及關鍵技術
功能
根據最初提出的定義，遙科學應包括遙現場與遙操作兩個部分。遙現場的功能是把相距遙遠的實驗對象的有關信息(科學數據與內務數據)呈現在實驗者面前，把實驗者的感官能力延伸至遠距離的實驗對象。而遙操作的功能是把人的行為能力延伸至遠距離的實驗對象，即由實驗者直接發布命令，改變實驗參數與程式。在遙現場與遙操作的共同作用下，實驗者猶如親臨現場一樣，對遙遠的實驗對象與過程進行觀察、分析與控制。因此，遙科學也可以用於空間研究的遙科學的主要組成部分理解為從遠距離實施的科學研究工作。可以預計，遙科學在利用無人的空間乎台實現遠距離的科學實驗方面將發揮巨大的作用。
關鍵技術
與迄今已在地面惡劣環境中採用的基於重複性動作的遙控與遙操作相比，空間遙科學實驗要複雜與困難得多。對於數萬公里之遙空間站來說，遙科學實驗必須解決很多關鍵的技術問題，其中包括：
1、採用什麼樣的接口才能保證研究人員對實驗操作與數據擁有透明度；
2、為了實現遙操作，實驗裝置應具備什麼樣的技術條件；
3、事實驗過程中通信中斷或信號減弱將產生什麼影響；
4、在遙科學實驗中遙控與自主操作如何相互作用；
5、如何協調實驗所需的資源，以及採用什麼樣的用戶接口保證研究人員以協調的方式利用資源。
為了解決這些技術關鍵，需要進行大量的理論研究與模擬實驗，並且利用實際的飛行機會對實驗方案進行檢驗。
套用
遙科學系統技術具有極為廣闊的套用前景，其廣闊的程度看來“只受我們的想像力限制”。分析一下可以發現，在如下幾種情況下，一般可以考慮使用遙科學系統技術。
一、需要在極特殊環境比如太空、深海等中間做科學實驗，但實驗科學家難於直接到場，而實驗系統缺乏智慧型不能完全自主工作時，可以考慮使用遙科學系統。
二、工作環境條件險惡，比如有易燃易爆、劇毒物品，或有高溫、低溫、高氣壓、低氣壓、高電壓、缺氧、強衝擊、噪聲、高濕、強輻射、乾燥等等，人在其中工作有害健康甚至有生命危險，而機器系統又缺乏智慧型不能自主完成其任務時，可以考慮使用遙科學系統。
三、工作環境偏僻邊遠，比如月面、太空、戰區、高原邊防哨卡，海防哨卡、高山雷達站、遠洋、海底、戰略武器發射站、航天試驗場等等，人在那裡工作極難獲得正常生活和工作條件時，可以考慮使用遙科學系統。
四、 邊遠地區極為缺乏有特殊技能人材(如高水平醫生)時，可以考慮使用遙科學系統(如遙醫系統)。
五、試圖改善員工工作環境條件時，可以考慮使用遙科學系統，使他們遠離廠區，在舒適的環境甚至家中遠距離監督和操縱廠內屬於自己負責的機器從事生產。
還有許多情況可以考慮使用這種技術。一言以蔽之，想利用一些極特殊環境做實驗，或者想讓人過得舒服一點，工作效率高一點的任何情況下，都可以考慮信用謠科學系統枯術。
發展與前景
遙科學從概念的提出到現在已有10餘年的歷史。美國、歐洲空間局和日本的研究與實驗表明遙科學不僅在技術上是可行的，而且在空間實驗中的套用確實能夠提高實驗研究的效率，減少失敗的風險，使實驗取得最佳成果。目前，遙科學作為一個新興的空間套用技術領域，在國外已深受科學技術界，尤其是廣大空間科學 ，研究人員的歡迎。
1992年10月，美國利用太空梭第52次任務的機會，首次進 最行了遙科學的飛行試驗，並取得完全的成功。在這次試驗中，在 的“哥倫比亞”號太空梭的貨艙內放置了兩個微重力實驗裝置：一個用於液氦特性研究，另一個用於晶體生長實驗。從長遠的利益出發，降低載人航天的費用巳成為美國空間戰略計畫的重點。為此美國國會已決定把自動化和機器人技術的發展及其套用作為提高空間站效率和國家工業生產率的中心任務。1985年美國航空航天局開始實施自動化和機器人研究計畫，以進一步擴大有關遙操作、機器人敏感與控制、人工智慧規劃與診斷方面的研究，其目的就是探索和證實用遙控機器人支持空間維修、裝配以及遙科學任務的合理概念。
義大利、德國、法國、荷蘭、比利時等國先後建立了遙科學中心，並已經投入使用。為保證天地之間和地地之間的通信聯繫，歐洲空間局正在籌建互聯地面子通信網路，將通過這個網路把分散在歐洲各地的用戶支持與操作中心、用戶基地與其他相關設施聯繫起來。同時還要實現與美國航空航天局有關設施的接口。
通過在太空梭與空間實驗室上所作的試驗表明，在載人航天中採用遙科學概念具有很多明顯的優點，例如：
1、可以避免航天員直接接近污染、毒性和高溫環境，有利於航天員的安全；
2、可以減輕航天員參與具體實驗任務的負擔，把精力集中在更重要的工作上；
3、可以充分利用科研人員的專業知識與才能，直接觀察判斷實驗現象、分析實驗數據、鑑定實驗結果、修改實驗計畫等；
4、可以組織不同領域或具有不同知識背景的科學家組成研究小組從多方面鑑定同一項科學實驗以及協商確定實驗現象的研究程式；
5、可以利用地面輔助設施實時或近實時模擬空間實驗過程，提供參考信息，幫助對比分析。
當前美國、歐洲空間局、日本、加拿大和俄羅斯正在聯合研製大型的阿爾法國際空間站，該計畫從一開始就考慮採用遙科學的操作模式。阿爾法國際空間站投入運行後，將成為21世紀世界最大的長期運行的綜合性空間遙科學實驗室，屆時分散於各地的科學家將有可能用遙操作的方式開展多學科領域的空間實驗活動。
遙科學最初是為載人空間站的研製與套用而提出來的，但經過進一步的研究與試驗後可以確認，它也能在不載人航天活動中套用，甚至能發揮更大的作用。通過遙科學技術，科學家可以在地面像航天員在太空那樣觀察與操作上面的儀器設備，開展科學研究和觀測活動，這既能提高太空飛行器上儀器設備的工作可靠性和科學效益，又可避免一般載人航天的高費用，科學家也不必接受航天訓練或參加飛行。可以預料，在不載人的空間平台的實驗中採用遙科學操作模式將是一種必然趨勢。而這種操作模式的採用，不僅將導致太空飛行器、實驗裝置和地面輔助沒施設計的改變，而且也將引起傳統的只有少數人參與航天活動的方式發生變革，為空間環境的開發與利用帶來新的活力。
除了在航天領域的套用之外，最近幾年遙科學的套用正擴展到許多新的領域。許多科學家認為，遙科學在地球上的套用前景十分廣闊，高溫、嚴寒、強輻射、海底、水下等難以接近的惡劣環境中進行的實驗活動都是遙科學的用武之地。最近，國外有的研究部門提出，遙科學技術可以用在遙醫學(Telemedecine)，即可以對遠隔千里的病人進行遙診斷。遙科學在火山、地震等自然災害的研究與預報方面也將發揮巨大的作用。
⑥虛擬現實部分，是工作對象的虛擬結果，可能是一種物理過程、化學過程等等。它可用於補充遙現信息的不足，豐富遙作操作環境，驗證檢驗遙現與遙作的準確性、培訓人類遙現和遙作的靈活性等等。虛擬現實應當是高級遙科學系統的重要組成部分，簡單、低級遙科學系統不一定包括這個部分。
按結構分類
從結構上看，一般遙科學系統可以分成：人類、遠方站、遠方站工作環境、遙信系統、本地站、本地站工作環境和工作對象7個模組。這裡：
①人類，如前述。
②遠方站，是系統中遙現與遙作功能遠方部分的組合。其設計應使人類操作手、實驗師、及其它勞動者)能夠“身臨其境”地感知工作對象情況而且操作工作對象儘可能地方便。
③遠方站工作環境，是人類生存和遠方站工作的支持環境。其選擇與設計應使人類工作安全舒適、遠方站運行得到較好支持。也許，最為理想的遠方站工作環境是人類用戶的家庭(遙科學發展的一個方向)，一般可以是用戶實驗室或某種控制中心。
④遙信系統，是連線遠方站與本地站的紐帶。其選擇設計應使遠方站與本地站之間遙現與遙作信息的傳遞暢通無阻，而且時間延遲儘可能小。
根據系統要求它可能涉及普通電纜、閉路電視線路、電信網、計算 機網、衛星通信網乃至航天跟蹤與數據通信網等等。
⑤本地站，是系統中遙現與遙作功能本地部分的組合。其設計應使對工作對象的感知周到、細緻，對工作對象的操作安全、準確，以及，保證本地站與遠方站密切協作。
⑥工作對象，其設計與選擇應使遙現遙作便於進行。
⑦本地站工作環境，是本地站和工作對象生存和工作的支持環境。一般是艱險環境。
功能及關鍵技術
功能
根據最初提出的定義，遙科學應包括遙現場與遙操作兩個部分。遙現場的功能是把相距遙遠的實驗對象的有關信息(科學數據與內務數據)呈現在實驗者面前，把實驗者的感官能力延伸至遠距離的實驗對象。而遙操作的功能是把人的行為能力延伸至遠距離的實驗對象，即由實驗者直接發布命令，改變實驗參數與程式。在遙現場與遙操作的共同作用下，實驗者猶如親臨現場一樣，對遙遠的實驗對象與過程進行觀察、分析與控制。因此，遙科學也可以用於空間研究的遙科學的主要組成部分理解為從遠距離實施的科學研究工作。可以預計，遙科學在利用無人的空間乎台實現遠距離的科學實驗方面將發揮巨大的作用。
關鍵技術
與迄今已在地面惡劣環境中採用的基於重複性動作的遙控與遙操作相比，空間遙科學實驗要複雜與困難得多。對於數萬公里之遙空間站來說，遙科學實驗必須解決很多關鍵的技術問題，其中包括：
1、採用什麼樣的接口才能保證研究人員對實驗操作與數據擁有透明度；
2、為了實現遙操作，實驗裝置應具備什麼樣的技術條件；
3、事實驗過程中通信中斷或信號減弱將產生什麼影響；
4、在遙科學實驗中遙控與自主操作如何相互作用；
5、如何協調實驗所需的資源，以及採用什麼樣的用戶接口保證研究人員以協調的方式利用資源。
為了解決這些技術關鍵，需要進行大量的理論研究與模擬實驗，並且利用實際的飛行機會對實驗方案進行檢驗。
套用
遙科學系統技術具有極為廣闊的套用前景，其廣闊的程度看來“只受我們的想像力限制”。分析一下可以發現，在如下幾種情況下，一般可以考慮使用遙科學系統技術。
一、需要在極特殊環境比如太空、深海等中間做科學實驗，但實驗科學家難於直接到場，而實驗系統缺乏智慧型不能完全自主工作時，可以考慮使用遙科學系統。
二、工作環境條件險惡，比如有易燃易爆、劇毒物品，或有高溫、低溫、高氣壓、低氣壓、高電壓、缺氧、強衝擊、噪聲、高濕、強輻射、乾燥等等，人在其中工作有害健康甚至有生命危險，而機器系統又缺乏智慧型不能自主完成其任務時，可以考慮使用遙科學系統。
三、工作環境偏僻邊遠，比如月面、太空、戰區、高原邊防哨卡，海防哨卡、高山雷達站、遠洋、海底、戰略武器發射站、航天試驗場等等，人在那裡工作極難獲得正常生活和工作條件時，可以考慮使用遙科學系統。
四、 邊遠地區極為缺乏有特殊技能人材(如高水平醫生)時，可以考慮使用遙科學系統(如遙醫系統)。
五、試圖改善員工工作環境條件時，可以考慮使用遙科學系統，使他們遠離廠區，在舒適的環境甚至家中遠距離監督和操縱廠內屬於自己負責的機器從事生產。
還有許多情況可以考慮使用這種技術。一言以蔽之，想利用一些極特殊環境做實驗，或者想讓人過得舒服一點，工作效率高一點的任何情況下，都可以考慮信用謠科學系統枯術。
發展與前景
遙科學從概念的提出到現在已有10餘年的歷史。美國、歐洲空間局和日本的研究與實驗表明遙科學不僅在技術上是可行的，而且在空間實驗中的套用確實能夠提高實驗研究的效率，減少失敗的風險，使實驗取得最佳成果。目前，遙科學作為一個新興的空間套用技術領域，在國外已深受科學技術界，尤其是廣大空間科學 ，研究人員的歡迎。
1992年10月，美國利用太空梭第52次任務的機會，首次進 最行了遙科學的飛行試驗，並取得完全的成功。在這次試驗中，在 的“哥倫比亞”號太空梭的貨艙內放置了兩個微重力實驗裝置：一個用於液氦特性研究，另一個用於晶體生長實驗。從長遠的利益出發，降低載人航天的費用巳成為美國空間戰略計畫的重點。為此美國國會已決定把自動化和機器人技術的發展及其套用作為提高空間站效率和國家工業生產率的中心任務。1985年美國航空航天局開始實施自動化和機器人研究計畫，以進一步擴大有關遙操作、機器人敏感與控制、人工智慧規劃與診斷方面的研究，其目的就是探索和證實用遙控機器人支持空間維修、裝配以及遙科學任務的合理概念。
義大利、德國、法國、荷蘭、比利時等國先後建立了遙科學中心，並已經投入使用。為保證天地之間和地地之間的通信聯繫，歐洲空間局正在籌建互聯地面子通信網路，將通過這個網路把分散在歐洲各地的用戶支持與操作中心、用戶基地與其他相關設施聯繫起來。同時還要實現與美國航空航天局有關設施的接口。
通過在太空梭與空間實驗室上所作的試驗表明，在載人航天中採用遙科學概念具有很多明顯的優點，例如：
1、可以避免航天員直接接近污染、毒性和高溫環境，有利於航天員的安全；
2、可以減輕航天員參與具體實驗任務的負擔，把精力集中在更重要的工作上；
3、可以充分利用科研人員的專業知識與才能，直接觀察判斷實驗現象、分析實驗數據、鑑定實驗結果、修改實驗計畫等；
4、可以組織不同領域或具有不同知識背景的科學家組成研究小組從多方面鑑定同一項科學實驗以及協商確定實驗現象的研究程式；
5、可以利用地面輔助設施實時或近實時模擬空間實驗過程，提供參考信息，幫助對比分析。
當前美國、歐洲空間局、日本、加拿大和俄羅斯正在聯合研製大型的阿爾法國際空間站，該計畫從一開始就考慮採用遙科學的操作模式。阿爾法國際空間站投入運行後，將成為21世紀世界最大的長期運行的綜合性空間遙科學實驗室，屆時分散於各地的科學家將有可能用遙操作的方式開展多學科領域的空間實驗活動。
遙科學最初是為載人空間站的研製與套用而提出來的，但經過進一步的研究與試驗後可以確認，它也能在不載人航天活動中套用，甚至能發揮更大的作用。通過遙科學技術，科學家可以在地面像航天員在太空那樣觀察與操作上面的儀器設備，開展科學研究和觀測活動，這既能提高太空飛行器上儀器設備的工作可靠性和科學效益，又可避免一般載人航天的高費用，科學家也不必接受航天訓練或參加飛行。可以預料，在不載人的空間平台的實驗中採用遙科學操作模式將是一種必然趨勢。而這種操作模式的採用，不僅將導致太空飛行器、實驗裝置和地面輔助沒施設計的改變，而且也將引起傳統的只有少數人參與航天活動的方式發生變革，為空間環境的開發與利用帶來新的活力。
除了在航天領域的套用之外，最近幾年遙科學的套用正擴展到許多新的領域。許多科學家認為，遙科學在地球上的套用前景十分廣闊，高溫、嚴寒、強輻射、海底、水下等難以接近的惡劣環境中進行的實驗活動都是遙科學的用武之地。最近，國外有的研究部門提出，遙科學技術可以用在遙醫學(Telemedecine)，即可以對遠隔千里的病人進行遙診斷。遙科學在火山、地震等自然災害的研究與預報方面也將發揮巨大的作用。
