人-机-环境系统工程理论及其在.doc

人-机-环境系统工程理论及其在生产力发展中的意义龙升照（北京航天医学工程研究所）众所周知，在任何生产过程中，生产机器是进行各种生产的物质基础，是提高生产力的基本条件。但是，任何机器都必须靠人去掌握和操纵，而且人和机器又都处于各种特定环境下工作。所以，生产机器只是一种可能的生产力，它只有与人和工作环境有机结合才能成为现实的生产力。因此，为了极大提高社会生产力，就必须根据马克思主义的辩证唯物论原理，并充分运用现代科学技术的精华，把精神与物质、主观与客观、人与机器的关系从哲学高度的一般定性描述逐步过渡到定量描述，既要有科学理论的依据，也要有科学记录的方法，更要有发挥人积极作用的措施。人-机-环境系统工程理论的积极应用及蓬勃发展，就能使人对生产机器有意识活动的研究，在人体科学、生理学、心理学、工效学、人的因素、工程技术和环境科学等研究的基础上，有了一个新的由定性到定量、由感性认识朝着科学实验研究发展的飞跃，为生产力的发展提供可靠的科学技术手段。本文扼要阐述人-机-环境系统工程理论的的形成和发展、研究内容和方法，并对其在生产力发展中的意义进行初步分析。一、人-机-环境系统工程理论的形成和发展严格地讲，人-机-环境系统工程作为一种理论，作为一门科学的出现，是八十年代初的事。但是，人-机-环境系统工程的古老根源可以追溯到人类的早期活动。所以，人-机-环境系统工程的形成和发展是经过漫长的历史阶段。从远古时代起，人类一代一代地不断改善劳动工具，直至大规模使用机器，以提高人战胜自然、改造世界的能力。当人类最初使用简单工具进行大量和笨重的体力劳动时，客观上就提出了人-机-环境系统的最优化组合问题。十八、十九世纪的第一次工业革命及其随后的能源革命，使人类进入了机器时代，人们所从事的劳动在复杂程度和负荷量上都有了很大变化，开始形成人、机、环境的复杂关系。二十世纪初，英国的泰罗（F.w.Taylor）提出要研究人的操作方法，并从管理的角度制定了相应的操作制度，人们把它称之为“泰罗制”。后来，人们开始有组织地对人、机、环境三者之间的关系进行实验研究，并积累了大量有关数据。40年代，特别是第二次世界大战期间，各种新式武器不断出现，性能也日趋复杂；50年代，电子计算机的应用迅速发展；60年代，载人航天活动取得了突破性的进展。这一切，使人、机、环境相互关系问题的研究就显得更为突出。因此，先后出现了人的因素（Human Factors）、人体工程学（Human Engineering）、工程心理学（Engineering Psychology）、工效学（Ergonomics）、人的因素工程（Human Factor Engineering）、人-机系统（Man-Machine System）等众多的学科名称，并从不同侧面、不同角度积累了人、机、环境的实验数据及经验，为人-机-环境系统工程理论的形成创造了条件。但是，在这个时期，研究工作的重点是让人如何适应机器、适应环境。而对于机器设计如何适应人的特点和需要，以及如何改造和控制环境等问题虽然有所认识，但是缺乏用系统的整体观点来全面解决人、机、环境的相互关系问题、虽然有了关于人、机、环境的各种数据，但如何运用这些数据，仍然是凭经验进行，因而难以取得最佳效果。1980年末，美国科学院应陆、海、空三军的要求，组成一个专门委员会，着重分析和研究该领域的研究现状，并于1983年1月提出了题为人的因素研究需求的专门报告2。该报告承认，70年代由于单纯依靠过去二十年的数据而放松基础研究，因而导致若干设计和研制的重大失误。于是，对科研部署作了一些调整。但是，由于缺乏先进的科学理论作指导，故仍未摆脱传统框框的束缚。1981年，我们根据载人航天预先研究的实践，同时也对国内外情况进行了人认真分析，在钱学森同志系统科学思想的启发和亲自指导下，概括提出了人-机-环境系统工程的科学概念，标志着这门新兴科学的形成1。人-机-环境系统工程是运用系统科学理论和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，深入研究人-机-环境系统最优组合的一门科学，其研究对象为人-机-环境系统，系统中的“人”，是指作为工作主体的人（如操作人员或决策人员）；“机”，是指人所控制的一切对象（如汽车、飞机、轮船、生产过程等）的总称；“环境”，是指人、机共处的特定工作条件（如温度、噪声、震动、有害气体等）。人-机-环境系统工程的最大特点是，它把人、机、环境看作是一个系统的三大要素，在深入研究三者各自性能的基础上，着重强调从全系统的总体性能出发，通过三者之间的信息传递、加工和控制，形成一个相互关联的复杂巨系统，并运用系统工程的方法，使使系统具有“安全，高效、经济”等综合效能3。所谓“安全”，是指不出现人体的生理危害和伤害，并尽量减少事故的发生；所谓“高效”，是指全系统具有最好的工作性能或最高的工作效率；所谓“经济”，就是在满足系统技术要求的前提下，系统的建立要花钱最少，也即保证系统的经济性。此外，人-机-环境系统工程还抛弃以往把环境作为干扰因素的消极观点，积极主张把环境作为系统的一个环节，并按系统的总体要求对其进行全面的规划和控制。这样一来，人-机-环境系统工程不仅把人的因素、人体工程学、工程心理学、工效学、人的因素工程、人-机系统等学科纳入一个统一的科学框架，避免概念和术语的混乱，而且从系统的总体高度研究人-机-环境系统各种组合方案的优劣，改变以往分散、孤立的研究局面，把人们设计和研制人-机-环境系统的实践活动推向一个崭新阶段。应该强调指出的是，人-机-环境系统工程的提出，并不是对上述各学科的否定或取代，而是把这些大致相似或相辅相成的研究范畴提到一个更高的层次、更广的视野去分析和综合，从而把该领域的研究水平推进到一个新水平。人-机-环境系统工程提出后，我国先后在军工及其他有关部门得到了应用和发展4-8。国内学术刊物如自然杂志和国际航空等也发表了本科学的有关论文。在有影响的报刊上，如解放军报、中国科技报、北京科技报、经济日报和国防科技要闻上也有这门科学的内容简介和科技短文，人-机-环境系统工程已逐渐被广大科技界所熟悉。1984年10月，国防科工委成立了人-机-环境系统工程标准化技术委员会；1986年5月，国防科工委将武器装备的人-机-环境系统工程研究列为国防科技应用、基础研究重点项目；1987年4月，国防科工委成立了人-机-环境系统工程专业组；1988年4月，北京航空航天大学成立了人-机-环境系统工程研究所；1993年10月，中国系统工程学会人-机-环境系统工程专业委员会成立，并于北京召开了第一届全国人-机-环境系统工程学术会议。人-机-环境系统工程问世后，在国际上也引起了很好反响。1984年10月，人-机-环境系统工程理论在第三十二届国际航空、航天医学会议上发表后9，得到了各国学者的热情关注和好评。学者们认为，用人-机-环境系统工程理论来指导研究工作，很有创造性；同时还认为，把人、机、环境作一个系统整体来研究，的确是一个创举，它为实践提供了新的模式。葡萄牙国还把它编入当年的军事医学年鉴；美日学者也很重视这一科学理论，他们说这是中国人的创造，表示愿意与我国在此领域进行宏观上的学术交流；墨西哥一学者将本学科内容向他的学生讲授，引起大学上们极大的兴趣；日本学者斋藤一郎来华访问时，与我国学者进行了这方面的学术交流及参观活动，回国后在日本“宇宙航空环境医学”杂志上发表文章，赞扬本学科在中国的发展。综上所述，本世纪40年代之前，是人-机-环境系统工程的萌芽期；40年代至70年代，是准备期；80年代初，人-机-环境系统工程开始进入真正发展期。目前，人-机-环境系统工程虽处于初期阶段，但其踪迹却已深入到人类生活的各个领域。它的不断发展和日趋完善，必将在科学技术的发展中发挥其积极作用。二、人-机-环境系统工程的研究内容和方法1.研究内容人-机-环境系统工程的研究内容可用图1来形象描述，它包括七个方面，也即：人的特性研究、机的特性的研究、环境特性的研究、人-机关系的研究、机-环关系的研究、人-机-环境系统总体性能的研究。现将这七个方面的部分研究要点简述如下：（1）人的特性研究 例如，人的工作能力研究；人的基本素质的测试与评价；人的体力负荷、脑力负荷和心理负荷研究；人的可靠性研究；人的数学模型（控制模型和决策模型）研究；人体测量技术研究；人员的选拔和训练研究。（2）机的特性的研究 例如，被控对象动力学的建模技术；机器的防错设计研究。（3）环境特性的研究 例如，环境检测技术的研究；环境控制技术的研究；环境建模技术的研究。（4）人-机关系的研究 主要包括静态人-机关系研究、动态人-机关系研究和多媒体技术在人-机关系研究中的应用等三个方面。静态人-机关系研究主要有 作业域的布局与设计；动态人-机关系研究主要有人、图1 人-机-环境系统工程研究范畴示意图 机功能分配研究（人、机功能比较研究；人-机界面设计及评价技术研究）。（5）人-环关系的研究 例如，环境因素对人的影响；个体防护措施的研究。（6）机-环关系的研究 例如，环境因素对机器性能的影响；机器对环境的影响。（7）人-机-环境系统总体性能的研究 例如，人-机-环境系统总体数学模型的研究；人-机-环境系统全数学模拟、半物理模拟和全物理模拟技术的研究；人-机-环境系统总体性能（安全、高效、经济）的分析、设计和评价。2.研究方法人-机-环境系统工程的研究方法可以概括为四句话、24个字，也即：基于三个理论（控制论、模型论、优化论）、分析三个要素（人、机、环境）、历经三个步骤（方案决策、研制生产、实际使用）、实现三个目标（安全、高效、经济）。（1） 基于三个理论 人-机-环境系统工程是一门综合性边缘技术科学，为了形成其理论体系，它从一系列基础学科中吸取了丰富营养，并奠定了自身的基础理论。人-机-环境系统工程的基础理论可以概括为控制论、模型论和优化论 控制论 控制论的根本贡献在于，它用系统、信息、反馈等一般概念和术语，打破了有生命与无生命的界限，使人们能用统一的观点和尺度来研究人、机、环境这三个物质属性本是截然不同、互不相关的对象，并使其成为一个密不可分的有机整体。 模型论 模型论能为人-机-环境系统工程研究提供一套完整的数学分析工具。很显然，人-机-环境系统工程不仅要求定性，而且要求定量地刻划全系统的运动规律。为此，就必须针对不同客观对象，引入适当数学模型，并通过建模、参数辨识、模拟和检验等步骤，用数学语言来阐明真实世界的客观规律。 优化论 优化论的基本出发点是，在人-机-环境系统的最优组合中，一般总有多种互不相同的方法和途径，而其中必有一种或几种最好或较好的，这样一种寻求最优途径的观点和思路，正是人-机-环境系统工程的精髓。优化论正是体现这一精髓的数学手段。（2）分析三个要素 我们对人、机、环境三个要素进行分析，主要是研究如何运用这三个要素来构成我们所需的、具有特性功能的人-机-环境系统。通常，根据各种系统的性能特点及复杂程度，我们将人-机-环境系统分为三种类型： 简单（或单人、单机）人-机-环境系统 在这种系统中，一名操作人员只使用一台机器在特定环境中工作，其情况如图2所示。现行的汽车、火车、飞机等都属于这类系统。系统输入 E(t) I(t) +系统输出 O(t)机人控制器显示器环境(振动、噪声、温度)图2 简单人-机-环境系统示意图 复杂（或多人、多机）人-机-环境系统 这类系统的特点是，一名操作人员可以操作两台以上的机器，或者是一台或多台机器同时可以被几名操作人员使用，其情况如图3所示。目前许多工业生产机器的操作，都类似于此。机器1机器2 机器n控制器1控制器2 控制器n操作人员1操作人员2 操作人员n显示器1显示器2显示器n系统输入 +系统输出环境(振动、噪声、温度)图3 复杂人-机-环境系统示意图 广义（或大规模）人-机-环境系统 这类系统广泛存在于各种生产部门。各生产部门的最高决策者通过一套指挥/控制系统，对下属各基层单位的生产状况实施统一的管理和调度，这是一种典型的广义人-机-环境系统，其情况如图4所示。系统输出系统输入 +机指挥/控制人环境(经济、社会、政治)图4 广义人-机-环境系统示意图很显然，无论是简单的、复杂的，还是广义的人-机-环境系统，都是一个复杂的巨系统。这是因为，人体本身是一个巨系统，机器（或计算机）也是巨系统，再加上各种环境因素的作用和影响，因而形成人-机-环境这个复杂巨系统。实践证明，对任何一个系统来说，系统的总体性能不仅取决于各组成要素的单独性能，更重要的是取决于各要素的关联形式，也即信息的传递、加工和控制方式。因此，要实现人、机、环境的最优组合，其难度是相当大。而且，人们对人-机-环境这三个要素的研究，原先都是隶属于不同的学科领域，其研究方法和研究思想也大不相同。现在，为了将它们组合成一个复杂巨系统，首先就必须有一个能够统一描述人、机、环境各自能力及相互关系的理论，没有这样一个理论作指导，就根本谈不上对整个系统作深入研究，也就更谈不上实现全系统的最优化组合设计。所以，人-机-环境系统工程正是针对这种现实应运而生。（3）历经三个步骤 为了将人-机-环境系统工程理论应用于各个领域，一般都应经历方案决策、研制生产和实际使用三个阶段。图5表明了这三个阶段的工作步骤和流程。由于图5已图5 人-机-环境系统工程实施阶段示意图将各个步骤列举得比较详细，现仅就各有关阶段的研究重点做些说明，其余细节可相应参阅文献3-9。 方案决策阶段 方案决策是属于理论分析范畴，也是最关键步骤。在这个阶段，人-机-环境系统工程能为人-机-环境系统的总体方案设计提供一套完整的决策理论，其中最主要的任务是建立人、机、环境的各自数学模型和系统的总体模型，并借助计算机进行全系统的数学模拟和优化计算，以确定人、机、环境的最优参数和系统的最优组合方案。 研制生产阶段 在研制生产阶段，人-机-环境系统工程的任务是确定实现最优方案的最佳途径。在这个阶段，始终强调把作为工作主体的人参与到系统中去，并通过半物理模拟或全物理模拟，不断分析和检验人-机-环境系统的整体性能和局部性能，并协调各分系统的技术指标，使总体性能达最佳状态。 实际使用阶段 在实际使用阶段，人-机-环境系统工程的任务是通过实际使用的验证，提出充分发挥现存系统性能的意见（如选拔操作人员的标准和训练操作人员的方案和计划），全面做到物尽其用，人尽其才，并为进一步改善和提高系统性能提出新的建议。（4）实现三个目标 一般而论，要同时满足安全、高效、经济这三个指标是困难的，而且有时是矛盾的。因此，为了用系统工程方法来使我们所建造的人-机-环境系统实现安全、高效、经济这三个目标，首先我们必需假设几种设计方案，然后针对每种方案用全数学模拟、半物理模拟或全物理模拟方法，获得图6所示的关系曲线。图6 各种参数对系统性能的影响为了将安全、高效、经济这三个效能指标合并为一个综合效能指标，我们可以定义一个综合评定值Q：Q=W1安全+W2高效+W3经济式中W1、w2、W3分别为对各指标的加权系数，并有W1+w2+W3=1这三个加权系数的选择取决于三种因素：国家的技术水平和经济实力。例如，当国家经济实力较强时，W3取值较小，反之应取较大值；人-机-环境系统的种类。例如，飞机与船舶相比，飞机的安全性要求更高，故飞机的W1可取较大值，而船舶可取较小值；人-机-环境系统的工作状态。例如，战斗机的一般飞行状态与两机格斗状态相比，一般飞行状态的W2可取较小值，而两机格斗状态应取较大值。获得Q值后，可将图6曲线转换成图7。图7 各种参数对综合评定值Q的影响根据图7就能预测人、机、环境的最有参数。基于这些参数，又能建立图8所示的关系曲线，根据该曲线，就可确定最优方案。在进行系统方案可行性（或可实现性）研究之后，最后可对最优方案进行决策。据此选择的方案，就是比较理想的方案。图8 各种方案与Q值的关系总之，运用人-机-环境系统工程的研究方法，能为人们在设计和建立任何人-机-环境系统时，从定性走向定量、从不精确走向精确、从经验走向科学。这不仅可以实现人-机-环境系统的最优组合，而且可以避免工程技术的大量返工和经济上的巨大损失，并可加速人-机-环境系统的研制进程。三、人-机-环境系统工程理论在生产力发展中的意义从哲学的观点来看，生产力是这样来定义的：“人们为了进行物质资料的生产，必须使用一定的生产工具。从事生产物质资料生产的人同以生产工具为主的被用于生产的劳动资料相结合，就构成社会生产力。”10很显然，在任何生产过程中，生产机器（或生产工具）是进行各种物质资料生产的物质基础，是提高生产力的基本条件。但是，任何机器都必须靠人去掌握和操纵，而且人和机器又都处于各种特定环境下工作。所以，生产机器只是一种可能的生产力，它只有与人和工作环境有机结合才能成为现实的生产力。因此，为了极大提高社会生产力，就必须根据马克思主义的辩证唯物论原理，并充分运用现代科学技术的精华，把精神与物质、主观与客观、人与机器的关系从哲学高度的一般定性描述逐步过渡到定量描述，既要有科学理论的依据，也要有科学记录的方法，更要有发挥人积极作用的措施。人-机-环境系统工程理论的积极应用及蓬勃发展，就能使人对生产机器有意识活动的研究，在人体科学、生理学、工效学、人的因素、工程技术和环境科学等研究的基础上，有了一个新的有定性到定量、由感性认识朝着科学实验研究发展的飞跃，为生产力的发展提供可靠的科学技术手段。众所周知，马克思的资本论是从解剖资本主义的最基本细胞商品开始，从而揭露了资本主义的发展规律。克劳赛维茨在战争论中也是从解剖战争中的最简单、最抽象、最基本的要素搏斗开始，从而实现对战争规律的描述。同样，当我们对社会生产活动进行描述时，也必须从生产的最普通、最常见、最基本的要素简单（也即单人、单机）人-机-环境系统开始，情况如图9所示，图9是图4的另一种表达方式。图9的最下层就是最典型的简单人-机-环境系统。图9 各种生产群体示意图因此，当我们研究任何一个生产群体时，都必须从最简单、一对一的生产实体开始，随后再对一对多、多对一、多对多的生产实体（也即复杂人-机-环境系统），最后乃至大规模的生产群体（也即广义人-机-环境系统）进行研究。为了进行这些研究，人-机-环境系统工程就是一种有效的科学技术手段。所以，只要我们积极运用人-机-环境系统工程理论，将能全面揭示生产力发展的各种规律，从而为生产力的提高提供科学依据和实施途径。事实也已表明，只要我们认真按照人-机-环境系统工程原理来从事生产活动，就能取得较好效果。例如，怀化铁路分局，运用人-机-环境系统工程理论来分析铁路职工工伤事故的原因，并采取相应的改进措施，使725名调车作业人员，取得了连续90个月无责任因工死亡的好成绩11。综上所述，可以深信，人-机-环境系统工程理论的积极应用，必将对国民经济的发