人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論及其在

1、人- 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論及其在生產(chǎn)力發(fā)展中的意義龍升照(北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所)眾所周知，在任何生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)機(jī)器是進(jìn)行各種生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是提高生產(chǎn)力的基 本條件。但是，任何機(jī)器都必須靠人去掌握和操縱，而且人和機(jī)器又都處于各種特定環(huán)境下工 作。所以，生產(chǎn)機(jī)器只是一種可能的生產(chǎn)力，它只有與人和工作環(huán)境有機(jī)結(jié)合才能成為現(xiàn)實(shí)的 生產(chǎn)力。因此，為了極大提高社會(huì)生產(chǎn)力，就必須根據(jù)馬克思主義的辯證唯物論原理，并充分 運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的精華，把精神與物質(zhì)、主觀與客觀、人與機(jī)器的關(guān)系從哲學(xué)高度的一般定 性描述逐步過(guò)渡到定量描述，既要有科學(xué)理論的依據(jù)，也要有科學(xué)記錄的方法，更要有發(fā)揮人 積極作用的措施。人

2、 - 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程理論的積極應(yīng)用及蓬勃發(fā)展，就能使人對(duì)生產(chǎn)機(jī)器有意 識(shí)活動(dòng)的研究，在人體科學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、工效學(xué)、人的因素、工程技術(shù)和環(huán)境科學(xué)等研 究的基礎(chǔ)上，有了一個(gè)新的由定性到定量、由感性認(rèn)識(shí)朝著科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展的飛躍，為生產(chǎn) 力的發(fā)展提供可靠的科學(xué)技術(shù)手段。本文扼要闡述人 -機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程理論的的形成和發(fā)展、研究?jī)?nèi)容和方法，并對(duì)其在生產(chǎn) 力發(fā)展中的意義進(jìn)行初步分析。一、人 - 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的形成和發(fā)展嚴(yán)格地講，人 - 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程作為一種理論， 作為一門(mén)科學(xué)的出現(xiàn)，是八十年代初的事。 但是，人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的古老根源可以追溯到人類(lèi)的早期活動(dòng)。所以，人- 機(jī)

3、- 環(huán)境系統(tǒng)工程的形成和發(fā)展是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歷史階段。從遠(yuǎn)古時(shí)代起，人類(lèi)一代一代地不斷改善勞動(dòng)工具，直至大規(guī)模使用機(jī)器，以提高人戰(zhàn)勝 自然、改造世界的能力。當(dāng)人類(lèi)最初使用簡(jiǎn)單工具進(jìn)行大量和笨重的體力勞動(dòng)時(shí)，客觀上就提 出了人 -機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)化組合問(wèn)題。十八、十九世紀(jì)的第一次工業(yè)革命及其隨后的能源革 命，使人類(lèi)進(jìn)入了機(jī)器時(shí)代，人們所從事的勞動(dòng)在復(fù)雜程度和負(fù)荷量上都有了很大變化，開(kāi)始 形成人、機(jī)、環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系。二十世紀(jì)初，英國(guó)的泰羅( F.w.Taylor )提出要研究人的操作 方法，并從管理的角度制定了相應(yīng)的操作制度，人們把它稱之為“泰羅制” 。后來(lái)，人們開(kāi)始有組織地對(duì)人、機(jī)、環(huán)境三者之間

4、的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并積累了大量有 關(guān)數(shù)據(jù)。 40 年代，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，各種新式武器不斷出現(xiàn)，性能也日趨復(fù)雜； 50 年代，電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用迅速發(fā)展； 60 年代，載人航天活動(dòng)取得了突破性的進(jìn)展。這一切，使 人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)系問(wèn)題的研究就顯得更為突出。 因此，先后出現(xiàn)了人的因素 ( HumanFactors )、 人體工程學(xué) (Human Engineering )、工程心理學(xué) (Engineering Psychology )、工效學(xué) ( Ergonomics )、人的因素工程( Human Factor Engineering )、人 - 機(jī)系統(tǒng)( Man-Machine S

5、ystem) , 等眾多的學(xué)科名稱，并從不同側(cè)面、不同角度積累了人、機(jī)、環(huán)境的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及 經(jīng)驗(yàn)，為人 - 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的形成創(chuàng)造了條件。但是，在這個(gè)時(shí)期，研究工作的重點(diǎn)是 讓人如何適應(yīng)機(jī)器、適應(yīng)環(huán)境。而對(duì)于機(jī)器設(shè)計(jì)如何適應(yīng)人的特點(diǎn)和需要，以及如何改造和控 制環(huán)境等問(wèn)題雖然有所認(rèn)識(shí)，但是缺乏用系統(tǒng)的整體觀點(diǎn)來(lái)全面解決人、機(jī)、環(huán)境的相互關(guān)系 問(wèn)題、雖然有了關(guān)于人、機(jī)、環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，但如何運(yùn)用這些數(shù)據(jù)，仍然是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因 而難以取得最佳效果。1980 年末，美國(guó)科學(xué)院應(yīng)陸、海、空三軍的要求，組成一個(gè)專(zhuān)門(mén)委員會(huì)，著重分析和研究 該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并于 1983 年 1 月提出了題為人的因素

6、研究需求的專(zhuān)門(mén)報(bào)告 2 。該報(bào)告 承認(rèn)， 70 年代由于單純依靠過(guò)去二十年的數(shù)據(jù)而放松基礎(chǔ)研究，因而導(dǎo)致若干設(shè)計(jì)和研制的重 大失誤。于是，對(duì)科研部署作了一些調(diào)整。但是，由于缺乏先進(jìn)的科學(xué)理論作指導(dǎo)，故仍未擺脫傳統(tǒng)框框的束縛。1981 年，我們根據(jù)載人航天預(yù)先研究的實(shí)踐，同時(shí)也對(duì)國(guó)內(nèi)外情況進(jìn)行了人認(rèn)真分析，在 錢(qián)學(xué)森同志系統(tǒng)科學(xué)思想的啟發(fā)和親自指導(dǎo)下，概括提出了人 -機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程的科學(xué)概念， 標(biāo)志著這門(mén)新興科學(xué)的形成 1 。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程是運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機(jī)、環(huán)境三大要 素的關(guān)系，深入研究人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門(mén)科學(xué)，其研究對(duì)象為人- 機(jī)- 環(huán)境系

7、統(tǒng)，系統(tǒng)中的“人” ，是指作為工作主體的人（如操作人員或決策人員）；“機(jī)”，是指人所控制的一切對(duì)象（如汽車(chē)、飛機(jī)、輪船、生產(chǎn)過(guò)程 , 等）的總稱； “環(huán)境”，是指人、機(jī)共處的特定工作 條件（如溫度、噪聲、震動(dòng)、有害氣體 , 等） 。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的最大特點(diǎn)是，它把人、機(jī)、環(huán)境看作是一個(gè)系統(tǒng)的三大要素，在深 入研究三者各自性能的基礎(chǔ)上， 著重強(qiáng)調(diào)從全系統(tǒng)的總體性能出發(fā)， 通過(guò)三者之間的信息傳遞、 加工和控制，形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜巨系統(tǒng)，并運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，使使系統(tǒng)具有“安全， 高效、經(jīng)濟(jì)”等綜合效能 3 。所謂“安全” ，是指不出現(xiàn)人體的生理危害和傷害，并盡量減少事 故的發(fā)生；所謂“高

8、效” ，是指全系統(tǒng)具有最好的工作性能或最高的工作效率；所謂“經(jīng)濟(jì)” ， 就是在滿足系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下，系統(tǒng)的建立要花錢(qián)最少，也即保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。此外， 人- 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程還拋棄以往把環(huán)境作為干擾因素的消極觀點(diǎn)，積極主張把環(huán)境作為系統(tǒng)的 一個(gè)環(huán)節(jié)，并按系統(tǒng)的總體要求對(duì)其進(jìn)行全面的規(guī)劃和控制。這樣一來(lái)，人- 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程不僅把人的因素、人體工程學(xué)、工程心理學(xué)、工效學(xué)、人的因素工程、人- 機(jī)系統(tǒng) , 等學(xué)科納入一個(gè)統(tǒng)一的科學(xué)框架，避免概念和術(shù)語(yǔ)的混亂，而且從系統(tǒng)的總體高度研究人-機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)各種組合方案的優(yōu)劣，改變以往分散、孤立的研究局面，把人們?cè)O(shè)計(jì)和研制人- 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)的實(shí)踐

9、活動(dòng)推向一個(gè)嶄新階段。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是，人-機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程的提出，并不是對(duì)上述各學(xué)科的否定或取代，而是把這些大致相似或相輔相成的研究范疇提到一個(gè)更高的層次、更廣 的視野去分析和綜合，從而把該領(lǐng)域的研究水平推進(jìn)到一個(gè)新水平。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程提出后， 我國(guó)先后在軍工及其他有關(guān)部門(mén)得到了應(yīng)用和發(fā)展 4-8 。國(guó)內(nèi) 學(xué)術(shù)刊物如自然雜志和國(guó)際航空等也發(fā)表了本科學(xué)的有關(guān)論文。在有影響的報(bào)刊上， 如解放軍報(bào) 、中國(guó)科技報(bào) 、北京科技報(bào) 、經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)和國(guó)防科技要聞上也有這門(mén) 科學(xué)的內(nèi)容簡(jiǎn)介和科技短文，人 - 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程已逐漸被廣大科技界所熟悉。1984 年 10 月，國(guó)防科工委成立了人 -機(jī)-環(huán)

10、境系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)；1986 年 5 月，國(guó)防科工委將武器裝備的人 -機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程研究列為國(guó)防科技應(yīng)用、 基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目；1987 年 4 月，國(guó)防科工委成立了人 - 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)組；1988 年 4 月，北京航空航天大學(xué)成立了人 -機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程研究所；1993 年 10 月，中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)人 - 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)成立，并于北京召開(kāi)了 第一屆全國(guó)人 -機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程問(wèn)世后，在國(guó)際上也引起了很好反響。1984年 10月，人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論在第三十二屆國(guó)際航空、航天醫(yī)學(xué)會(huì)議上發(fā)表后 9 ，得到了各國(guó)學(xué)者的熱情關(guān)注和

11、 好評(píng)。學(xué)者們認(rèn)為，用人 - 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程理論來(lái)指導(dǎo)研究工作，很有創(chuàng)造性；同時(shí)還認(rèn)為， 把人、機(jī)、環(huán)境作一個(gè)系統(tǒng)整體來(lái)研究，的確是一個(gè)創(chuàng)舉，它為實(shí)踐提供了新的模式。葡萄牙 國(guó)還把它編入當(dāng)年的軍事醫(yī)學(xué)年鑒；美日學(xué)者也很重視這一科學(xué)理論，他們說(shuō)這是中國(guó)人的創(chuàng) 造，表示愿意與我國(guó)在此領(lǐng)域進(jìn)行宏觀上的學(xué)術(shù)交流；墨西哥一學(xué)者將本學(xué)科內(nèi)容向他的學(xué)生 講授，引起大學(xué)上們極大的興趣；日本學(xué)者齋藤一郎來(lái)華訪問(wèn)時(shí)，與我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了這方面的 學(xué)術(shù)交流及參觀活動(dòng)，回國(guó)后在日本“宇宙航空環(huán)境醫(yī)學(xué)”雜志上發(fā)表文章，贊揚(yáng)本學(xué)科在中 國(guó)的發(fā)展。綜上所述，本世紀(jì) 40年代之前，是人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的萌芽期； 40 年

12、代至 70年代，是 準(zhǔn)備期； 80 年代初，人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程開(kāi)始進(jìn)入真正發(fā)展期。目前，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程雖處于初期階段，但其蹤跡卻已深入到人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域。它的不斷發(fā)展和日趨完善，必將在 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮其積極作用。2二、人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的研究?jī)?nèi)容和方法1.研究?jī)?nèi)容3人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的研究?jī)?nèi)容可用圖 研究、機(jī)的特性的研究、環(huán)境特性的研究、人人人機(jī)關(guān)系機(jī)機(jī)-環(huán)關(guān)系壞境人-環(huán)關(guān)系人-機(jī)-壞境圖1人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程研究范疇示意圖1來(lái)形象描述，它包括七個(gè)方面，也即：人的特性-機(jī)關(guān)系的研究、機(jī)-環(huán)關(guān)系的研究、人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究?，F(xiàn)將這七個(gè)方面的部分研究要 點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

13、（1）人的特性研究 例如，人的工作能力研究； 人的基本素質(zhì)的測(cè)試與評(píng)價(jià)；人的體力負(fù)荷、腦力負(fù) 荷和心理負(fù)荷研究；人的可靠性研究；人的數(shù)學(xué)模型（控制模型和決策模型）研究；人體測(cè)量技術(shù)研究； 人員的選拔和訓(xùn)練研究。（2）機(jī)的特性的研究 例如，被控對(duì)象動(dòng)力學(xué)的 建模技術(shù)；機(jī)器的防錯(cuò)設(shè)計(jì)研究。（3）環(huán)境特性的研究 例如，環(huán)境檢測(cè)技術(shù)的研 究；環(huán)境控制技術(shù)的研究；環(huán)境建模技術(shù)的研究。（4）人-機(jī)關(guān)系的研究 主要包括靜態(tài)人-機(jī)關(guān)系 研究、動(dòng)態(tài)人-機(jī)關(guān)系研究和多媒體技術(shù)在人 -機(jī)關(guān)系 研究中的應(yīng)用等三個(gè)方面。 靜態(tài)人-機(jī)關(guān)系研究主要有 作業(yè)域的布局與設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)人-機(jī)關(guān)系研究主要有人、機(jī)功能分配研究（人、機(jī)功

14、能比較研究；人-機(jī)界面設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)技術(shù)研究）。（5）人-環(huán)關(guān)系的研究 例如，環(huán)境因素對(duì)人的影響；個(gè)體防護(hù)措施的研究。（6）機(jī)-環(huán)關(guān)系的研究 例如，環(huán)境因素對(duì)機(jī)器性能的影響；機(jī)器對(duì)環(huán)境的影響。（7）人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究 例如，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體數(shù)學(xué)模型的研究；人 - 機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)全數(shù)學(xué)模擬、 半物理模擬和全物理模擬技術(shù)的研究； 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能 （安 全、高效、經(jīng)濟(jì)）的分析、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。2.研究方法人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的研究方法可以概括為四句話、24個(gè)字，也即：基于三個(gè)理論（控制論、模型論、優(yōu)化論）、分析三個(gè)要素（人、機(jī)、環(huán)境）、歷經(jīng)三個(gè)步驟（方案決策、研制生產(chǎn)、 實(shí)際使用）、

15、實(shí)現(xiàn)三個(gè)目標(biāo)（安全、高效、經(jīng)濟(jì)） 。（1）基于三個(gè)理論人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程是一門(mén)綜合性邊緣技術(shù)科學(xué)，為了形成其理論體系，它從一系列基礎(chǔ)學(xué)科中吸取了豐富營(yíng)養(yǎng)，并奠定了自身的基礎(chǔ)理論。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)理論可以概括為控制論、模型論和優(yōu)化論 控制論 控制論的根本貢獻(xiàn)在于，它用系統(tǒng)、信息、反饋等一般概念和術(shù)語(yǔ)，打破了有 生命與無(wú)生命的界限，使人們能用統(tǒng)一的觀點(diǎn)和尺度來(lái)研究人、機(jī)、環(huán)境這三個(gè)物質(zhì)屬性本是截然不同、互不相關(guān)的對(duì)象，并使其成為一個(gè)密不可分的有機(jī)整體。 模型論 模型論能為人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程研究提供一套完整的數(shù)學(xué)分析工具。很顯然， 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程不僅要求定性，而且要求定量地刻劃全

16、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為此，就必須針對(duì)不同客觀對(duì)象，弓I入適當(dāng)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)建模、參數(shù)辨識(shí)、模擬和檢驗(yàn)等步驟，用數(shù)學(xué)語(yǔ) 言來(lái)闡明真實(shí)世界的客觀規(guī)律。 優(yōu)化論 優(yōu)化論的基本出發(fā)點(diǎn)是， 在人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)組合中， 一般總有多種互不 相同的方法和途徑，而其中必有一種或幾種最好或較好的，這樣一種尋求最優(yōu)途徑的觀點(diǎn)和思路，正是人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的精髓。優(yōu)化論正是體現(xiàn)這一精髓的數(shù)學(xué)手段。（2）分析三個(gè)要素我們對(duì)人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)要素進(jìn)行分析，主要是研究如何運(yùn)用這三個(gè)要素來(lái)構(gòu)成我們所需的、具有特性功能的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)。通常，根據(jù)各種系統(tǒng)的性能特點(diǎn)及復(fù)雜程度，我們將人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)分為三種類(lèi)型： 簡(jiǎn)單（或單人、單機(jī)）人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng) 在這種系統(tǒng)中，一名操作人員只使用一臺(tái)機(jī)器 在特定環(huán)境中工作，其情況如圖2所示?，F(xiàn)行的汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)”等都屬于這類(lèi)系統(tǒng)。圖2簡(jiǎn)單人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)示意圖5# 復(fù)雜（或多人、多機(jī)）人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng) 這類(lèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)是，一名操作人員可以操作兩臺(tái)以上的機(jī)器，或者是一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器同時(shí)可以被幾名操作人