人-机-环境系统工程的过去、现在与未来

1、PAGE 1PAGE 14历史文献献：人-机-环环境系统统工程(学)概概论陈 信信 龙龙升照(北京航航天医学学工程研研究所)随着现代代科学技技术的飞飞速发展展，人体体科学和和工程技技术的相相互渗透透，逐步步形成了了一门崭崭新的边边缘科学学人-机-环环境系统统工程(学)。人-机机-环境境系统工工程(学学)，通通过揭示示人、机机（计算算机或机机器）、环境之之间相互互关系的的规律，确保人-机-环境系统的总体性能最优。我们提出这门学科的目的，不仅是对以往实践经验进行概括和总结，而且是为了推动该学科业已开始的发展和迎接随即来临的更大进展，并强调指出它对科学技术发展的重要意义。一、人-机-环环境系统统工程

2、(学)的的提出人-机-环境系系统工程程(学)是一门门技术科科学。技技术科学学是直接接为工程程技术服服务的，它它是实践践经验的的理论总总结，又又是实践践的需要要。我们们是通过过载人航航天研究究的实践践抽象概概括出来来的。载人航天天的中心心问题是是把人送送入宇宙宙空间，并并在航天天特殊环环境下（如如高温、低压、缺氧、超重、失重、振动、噪音等），既既要保证证人的生生命安全全，又要要提高他他的工作作能力。为了实实现这一一点，在在载人航航天的早早期研究究中，注注意力主主要是放放在选拔拔和训练练航天员员上。人人类个体体之间是是有差异异的，因因而尽量量从人本本身挖掘掘潜力，提提高人本本身的性性能，使使人能胜

3、胜任航天天工作，是是很有意意义的。但是，这这里出现现了两个个问题：第一，在在航天的的特殊环环境下，依依靠选拔拔、训练练来提高高人耐受受各种物物理因素素的能力力，是很很有限度度的。温温度超过过1000，再选选拔、再再训练，人人也是要要死的；第二，在在载人航航天过程程中，航航天员必必须在航航天特殊殊环境下下，进行行诸如搜搜索、识识别、跟跟踪、控控制、停停靠和对对接等一一系复杂杂的工作作，各种种机器要要求人接接受大量量信息，并并完成各各种精细细的操纵纵动作，这这往往也也超出了了人的工工作能力力极限。同样，用用选拔、训练等等手段来来提高人人的工作作能力也也是不行行的。矛矛盾如何何解决？最根本本的出路路

4、在于，针针对航天天这种特特殊环境境，从人人体和机机器的有有机结合合中去寻寻找，一一方面，既既要认真真考虑用用选拔、训练等等手段来来提高人人适应机机器的能能力；另另一方面面，在机机器设计计中，也也应充分分注意机机器适应应人的问问题。例例如，通通过对人人体进行行研究，可可以确定定人耐受受航天特特殊环境境的极限限，找出出适合人人工作能能力的限限度。但但是，单单凭这个个还不行行。就航航天供氧氧而言，我我们知道道，人没没有氧气气不行，缺少氧气气也不行行。飞机机座舱里里的氧分分压下降降到1440mmmHg（1mmHg=133.322Pa），人就要产生缺氧。这时，就应该在机器设计中想办法去维持人的耐受度，因

5、此就需要搞一套人工环境，或采取个体防护措施，这就要靠工程来实现。显而易见，此工程必须考虑到人的因素、环境因素和技术因素等。如果把诸因素的各个环节构成一个系统，并研究整个系统各环节间信息传输的相互关系，从中分析、权衡，寻找出最佳工作状态，使该系统在“安全、高效、经济”诸方面获得最佳效果，这就是我们提出的“人-机-环境系统工程(学)”的研究任务。所以，只有把研究人体机能的科学人体科学和研究机器实现的科学工程技术，有机地结合在一起，才能保证载人航天活动的圆满成功，这正是形成人-机-环境系统工程(学)的基础。应该指出出，载人人航天研研究中提提出的问问题是带带着普遍遍性的。例如，在在航空研研究中遇遇到的

6、情情形，与与航天极极为相似似。一架架现代化化的歼击击机，飞飞行员不不仅要经经受高空空环境中中各种不不利因素素的影响响，而且且随时随随地都要要维持飞飞机的优优良飞行行状态。尤其在在两相格格斗的关关键时刻刻，飞行行员不但但要识别别、跟踪踪敌方目目标，而而且要使使自己处处于有利利地位，抓抓住时机机，向敌敌机发起起攻击；与此同同时，他他还必须须设法躲躲避、摆摆脱敌机机的威胁胁，以达达到保存存自己，消消灭敌人人的目的的。这时时候，在在不到半半分钟的的短时间间里，飞飞行员也也许要完完成七八八个飞行行动作，同同时还要要观察大大量仪表表。所以以，如果果不考虑虑特殊环环境下的的飞行员员和飞机机的有机机结合问问题

7、，其其后果是是不堪设设想的。再如，一一艘潜水水艇，在在深海的的高压、密闭环环境下，只只有潜艇艇人员与与潜艇的的高度有有机结合合，才能能确保其其战斗性性能。又又如，一一辆坦克克，在恶恶劣的振振动和噪噪声环境境下，只只有坦克克手与坦坦克的有有机结合合，才能能极大地地发挥其其战斗力力。以上上是军事事装备方方面的情情况。在在民用生生产中也也存在同同样情形形，例如如，在一一个钢铁铁工厂里里，在高高温环境境下，如如何考虑虑炼钢工工人和炼炼钢机械械的关系系；在化化工厂里里，在有有害气体体污染的的环境下下，如何何考虑操操作人员员和化工工机械的的关系，极极大地提提高生产产效率。这些也也是人们们极为重重视的问问题

8、凡此种种种，不不一而足足。值得强调调的是，电电子计算算机的诞诞生和发发展，极极大地加加强了人人体脑力力劳动的的功能。在科学学技术蓬蓬勃发展展的今天天，只要要稍许复复杂一点点的对象象，几乎乎都用计计算机进进行控制制。在人人-机-环境系系统中，由由于计算算机的参参与，使使人的作作用从一一个直接接操作者者变为监监控者和和决策者者。这不不仅使系系统性能能大为提提高，而而且系统统结构也也在发生生变化。人和计计算机各各有所长长，也各各有其短短。让计计算机执执行大量量的、重重复性的的、程序序化的体体力劳动动和脑力力劳动，而而让人完完成高级级的、创创造性的的（其中中包括不不可预见见的）思思维活动动，人通通过界

9、面面直接与与计算机机发生关关系，这这是当代代科学技技术和生生产技术术发展的的重要特特点。在在飞机的的发展中中，计算算机的应应用使座座舱仪表表大为简简化，只只用几个个显示屏屏幕，并并配合一一些适当当仪表，就就可把飞飞机的全全部信息息显示出出来。这这不仅可可大大提提高飞行行员驾驶驶飞机的的能力，而而且还可可减少机机组人员员。在“阿波罗罗”飞船中中，人和和计算机机之间配配有“程序”、“动词”和“名词”的场致致发光显显示器的的相应控控制按钮钮。根据据各个飞飞行阶段段的任务务，航天天员可从从1000条程序序中任选选一条，每每条程序序又可选选1000个动词词和1000个名名词中的的任何一一个。比比如，在在

10、相当于于月球轨轨道阶段段的程序序中，航航天员可可选一个个动词“计算”和一个个名词“失败速速度”。这时时，航天天员就能能在显示示器上看看到在月月球轨道道飞行阶阶段上失失败速度度的三个个正交分分量，它它们告诉诉航天员员，若此此时此刻刻飞行失失败，安安全返回回地球的的应有速速度是什什么。很很显然，共共有1000万种种（1006 ）可可能性供供航天员员与计算算机发生生联系。这样，航航天员就就能从各各种途径径、并能能在各级级水平上上最充分分地结合合到各种种类型的的特定系系统中去去，从而而大大提提高载人人航天活活动的安安全性和和可靠性性。显而而易见，随随着计算算机的高高度发展展和被控控对象的的不断复复杂化

11、，必必然会把把计算机机引入到到人-机机-环境境系统中中来。因因此，人人-机-环境系系统工程程(学)应发展展为人-计算机机-机-环境系系统工程程(学)这样一一个新的的含义，它它也可写写作人-机（或或计算机机）-环环境系统统工程(学)。综上所述述，从天天上到地地下，从从陆地到到海洋，从从军事到到民用，在在这些相相当广泛泛的不同同领域里里，都提提出了一一个人们们共同关关心的问问题：在在各种特特殊环境境下，如如何用科科学的办办法来使使人和机机器（或或计算机机）进行行有机结结合，以以发挥其其最大效效能？人人-机-环境系系统工程程(学)正是适适应这方方面的需需要而登登上科学学技术舞舞台的。人-机机-环境境

12、系统工工程(学学)，它它从总体体观念出出发，将将人、机机器（或或计算机机）、环环境看作作是一个个相互作作用、相相互依赖赖的超巨巨系统（图图1），并并运用系系统工程程的方法法，合理理地安排排系统中中每一个个布局，以以获得系系统的整整体最优优化。图1 人-机机-环境境系统示示意图二、人-机-环环境系统统工程(学)的的研究范范畴人-机-环境系系统工程程(学)的研究究对象是是人-机机-环境境系统。这里所所称的“人”，是指指作为主主体工作作的人；所称的的“机”，是指指人所控控制的一一切对象象的总称称，它大大至一个个飞船或或一架飞飞机，小小至微小小环境、个人装装备等；所称的的“环境”，是指指人、机机器（或

13、或计算机机）共处处的特殊殊条件，它它既包括括物理因因素的效效应，也也包括社社会因素素的影响响。人-机-环环境系统统工程(学)把把“人”、“机”、“环境”看作是是系统的的三大要要素。并并通过这这三大要要素之间间的信息息传递、信息加加工和信信息控制制等作用用，组成成一个非非常复杂杂的超巨巨系统（图图1）。很显然然，对任任何一个个系统来来说，系系统的总总体性能能不仅取取决于各各组成要要素的单单独性能能，而且且更重要要的是取取决于系系统中各各要素的的关联形形式，也也即信息息的传递递、加工工和控制制的方式式。例如如，金刚刚石和石石墨的化化学成分分都是碳碳元素，但但由于两两者的原原子排列列、结构构组合不不

14、同，却却导致了了截然不不同的物物理性能能，这些些浅显的的道理，当当然已为为人们所所共知。同样，在在人、机机、环境境的总体体结合上上，情况况更是如如此。人人体本身身是一个个巨系统统，机器器（或计计算机）也也是一个个巨系统统，再加加之各种种恶劣环环境的影影响，因因而便构构成了人人-机-环境这这个超巨巨系统。面对这这样庞大大的系统统，如何何实现它它们之间间的最优优组合呢呢？人-机-环环境系统统工程(学)，正正是从“系统”的总体体高度出出发，一一方面既既注意研研究人、机、环环境各要要素本身身的性能能，另一一方面却却更重视视研究这这三大要要素之间间的相互互关系、相互作作用、相相互影响响，以及及它们的的协

15、调方方式，并并借助系系统工程程的科学学成就，引导人们们有条不不紊地找找到最优优组合方方案，使使人-机机-环境境系统的的总体性性能达到到最佳状状态。这这种最佳佳状态一一般都应应满足安安全、高高效、经经济等指指标。举举例来说说，飞船船的座舱舱压力，究究竟多大大合适？是二分分之一个个大气压压力好呢呢，还是是三分之之一个大大气压力力好？人人们对此此也曾进进行过分分析。但但这种分分析，由由于没有有采用一一套科学学方法，今今天看来来，就显显得比较较粗糙。为什么么呢？我我们知道道，如果果与通常常采用的的一个大大气压力力相比，飞飞船座舱舱采用二二分之一一个大气气压力，对对航天员员来说，不不会造成成缺氧；而且，

16、由由于与外外界的压压力差小小，对飞飞船的压压力负担担就可能能小一点点，因而而飞船的的重量也也许能有有所减轻轻。如果果采用三三分之一一个大气气压力，飞飞船的重重量将会会减轻得得更多，但但这时对对航天员员来说，产产生缺氧氧的可能能性就增增加了。究竟哪哪个是最最佳值？我们只只要采用用系统工工程的方方法，对对飞船这这个特定定的人-机-环环境系统统进行科科学地分分析，就就能找到到一个明明确的答答案。飞飞船座舱舱压力的的变化，对对飞船设设计的重重量有多多大影响响？经济济上合适适不合适适？人在在这种环环境中能能生活得得如何？这一切切，通过过计算分分析或数数学模拟拟，都可可以事先先预测出出来。如如果只是是局限

17、于于以往的的知识，硬硬往上凑凑，那是是不科学学的。当当然，凑凑出来的的结果，有有时可能能会相对对合理。但是，可可能有比比它更合合理的，我我们还不不知道，因因为没有有用最优优化方法法来逼近近那个最最合理的的最佳状状态。所所以，采采用系统统工程方方法来对对人-机机-环境境系统进进行最优优化分析析，就能能避免盲盲目性，工工作少走走弯路，最最终达到到安全、高效、经济等等多个目目标。这这正是人人-机-环境系系统工程程(学)研究面面临的最最终课题题。但值得强强调指出出的是，人人-机-环境系系统工程程(学)，虽然然着重强强调从系系统的高高度、总总体的高高度来思思考问题题，同时时也必须须主张对对单个的的人体、

18、机器（或或计算机机）和环环境作更更细致的的研究。因为系系统各部部分的各各自性能能研究得得愈透彻彻，分析析得愈仔仔细，用用系统工工程的方方法来综综合人-机-环环境系统统的基础础也就愈愈牢靠、愈扎实实。例如如，深入入研究各各种环境境因素对对人体的的影响，并并找出人人体的耐耐受限度度和保证证工作效效率的界界限，仍仍是十分分重要的的；与此此同时，从从机器（或或计算机机）设计计的角度度，大力力研究保保证人正正常生活活和工作作的最佳佳技术途途径，同同样也是是必不可可少的。更甚之之，若再再能对造造成各种种特殊环环境物理理条件的的作用机机制进行行仔细研研究，并并设法从从根本上上杜绝或或减轻环环境因素素的影响响

19、，那就就更加完完善了。通过上上述三个个方面的的研究，就就能获得得进行人人-机-环境系系统综合合的必要要参数。有了这这套参数数，才能能用系统统工程的的方法进进行最优优化选择择，否则则是不可可能的。所以，只只见树木木，不见见森林；或者只只见森林林，不见见树木，这这都不是是人-机机-环境境系统工工程(学学)的研研究方针针。因此此，对人人-机-环境系系统工程程(学)研究来来说，只只有把个个别分析析与整体体综合融融为一体体，才能能为揭示示人、机机、环境境相互关关系的规规律，开开辟一条条切实可可行的道道路。三、人-机-环环境系统统工程(学)与与一些学学科的关关系 人-机机-环境境系统工工程(学学)，是是一

20、门综综合性的的边缘科科学，它它一方面面有着它它自己的的理论体体系，而而另一方方面又与与一些学学科存在在着密切切关系，同同时也有有区别。 当然，为为了形成成人-机机-环境境系统工工程(学学)的理理论体系系，它从从一系列列基础科科学中汲汲取了丰丰富的营营养。诸诸如：控控制论、信息论论、一般般系统论论、巨系系统理论论、系统统工程论论、计算算机技术术、电子子工程学学、人体体科学、环境医医学、生生物医学学工程，人人-机系系统理论论等等，都都为人-机-环环境系统统工程(学)的的发展奠奠定了理理论基础础。 与此同同时，当当今发展展起来的的一些新新兴理论论，例如如：模糊糊集理论论、耗散散结构理理论、协协合学和

21、和突变理理论等，也也为人-机-环环境系统统工程(学)研研究打开开了新的的思路，并并提供了了新的手手段。关于人-机-环环境系统统工程(学)的的理论体体系问题题，我们们打算另另文论述述。在这这里，我我们着重重强调人人-机-环境系系统工程程(学)与几个个相近学学科的关关系和区区别，以以突出人人-机-环境系系统工程程(学)的学科科含义、研究任任务和目目的意义义。 第一，人人-机-环境系系统工程程(学)与生物物医学工工程既有有联系，又又有区别别。目前前，我们们国内所所称的生生物医学学工程，与与国际上上的习惯惯叫法是是基本一一致的，它它的学科科含义，实实际上是是指医务务工程，也也即是围围绕医学学用的各各种

22、工程程，如手手术器械械、医疗疗电子仪仪器、人人工脏器器等这类类东西，都都属于生生物医学学工程的的研究范范畴。人人-机-环境系系统工程程(学)与这门门学科有有些关系系，有时时在人-机-环环境系统统中也用用一点医医务工程程方面的的东西，但但两者的的出发点点是不同同的。生生物医学学工程是是侧重于于取代或或恢复人人体的机机能状态态；而人人-机-环境系系统工程程(学)是侧重重于改善善系统的的总体性性能。 第二，人人-机-环境系系统工程程(学)与环境境医学也也既有联联系，又又有区别别。通常常，环境境医学是是研究各各种环境境因素对对人体的的影响，找找出它们们的影响响规律，并并决定应应采取何何种医学学防护措措施。所所以，环环境医学学需要研研究特殊殊环境中中的全部部医学生生理学问问题；而而人-机机-环境境系统工工程(学学)则是是侧重研研究特殊殊环境对对人、对对机器（或或计算机机），以以至对整整个系统统的影响响。当然然，人-机-环环境系统统工程(学)是是要运用用环境医医学的研研究成果果的。 第三，人人-机-环境系系统工程程(学)与人-机系统统理论也也有着十十分密切切的联系系，当然然也有区区别