人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論及其在

1、人- 機-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)學工程研究所)眾所周知，在任何生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)機器是進行各種生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是提高生產(chǎn)力的基 本條件。但是，任何機器都必須靠人去掌握和操縱，而且人和機器又都處于各種特定環(huán)境下工 作。所以，生產(chǎn)機器只是一種可能的生產(chǎn)力，它只有與人和工作環(huán)境有機結(jié)合才能成為現(xiàn)實的 生產(chǎn)力。因此，為了極大提高社會生產(chǎn)力，就必須根據(jù)馬克思主義的辯證唯物論原理，并充分 運用現(xiàn)代科學技術(shù)的精華，把精神與物質(zhì)、主觀與客觀、人與機器的關(guān)系從哲學高度的一般定 性描述逐步過渡到定量描述，既要有科學理論的依據(jù)，也要有科學記錄的方法，更要有發(fā)揮人 積極作用的措施。人

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

3、- 環(huán)境系統(tǒng)工程的形成和發(fā)展是經(jīng)過漫長的歷史階段。從遠古時代起，人類一代一代地不斷改善勞動工具，直至大規(guī)模使用機器，以提高人戰(zhàn)勝 自然、改造世界的能力。當人類最初使用簡單工具進行大量和笨重的體力勞動時，客觀上就提 出了人 -機- 環(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)化組合問題。十八、十九世紀的第一次工業(yè)革命及其隨后的能源革 命，使人類進入了機器時代，人們所從事的勞動在復(fù)雜程度和負荷量上都有了很大變化，開始 形成人、機、環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系。二十世紀初，英國的泰羅( 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，人們開始有組織地對人、機、環(huán)境三者之間

4、的關(guān)系進行實驗研究，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，電子計算機的應(yīng)用迅速發(fā)展； 60 年代，載人航天活動取得了突破性的進展。這一切，使 人、機、環(huán)境相互關(guān)系問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 (Human Engineering )、工程心理學 (Engineering Psychology )、工效學 ( Ergonomics )、人的因素工程( Human Factor Engineering )、人 - 機系統(tǒng)( Man-Machine S

5、ystem) , 等眾多的學科名稱，并從不同側(cè)面、不同角度積累了人、機、環(huán)境的實驗數(shù)據(jù)及 經(jīng)驗，為人 - 機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的形成創(chuàng)造了條件。但是，在這個時期，研究工作的重點是 讓人如何適應(yīng)機器、適應(yīng)環(huán)境。而對于機器設(shè)計如何適應(yīng)人的特點和需要，以及如何改造和控 制環(huán)境等問題雖然有所認識，但是缺乏用系統(tǒng)的整體觀點來全面解決人、機、環(huán)境的相互關(guān)系 問題、雖然有了關(guān)于人、機、環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，但如何運用這些數(shù)據(jù)，仍然是憑經(jīng)驗進行，因 而難以取得最佳效果。1980 年末，美國科學院應(yīng)陸、海、空三軍的要求，組成一個專門委員會，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、研究需求的專門報告 2 。該報告 承認， 70 年代由于單純依靠過去二十年的數(shù)據(jù)而放松基礎(chǔ)研究，因而導(dǎo)致若干設(shè)計和研制的重 大失誤。于是，對科研部署作了一些調(diào)整。但是，由于缺乏先進的科學理論作指導(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)先研究的實踐，同時也對國內(nèi)外情況進行了人認真分析，在 錢學森同志系統(tǒng)科學思想的啟發(fā)和親自指導(dǎo)下，概括提出了人 -機- 環(huán)境系統(tǒng)工程的科學概念， 標志著這門新興科學的形成 1 。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程是運用系統(tǒng)科學理論和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機、環(huán)境三大要 素的關(guān)系，深入研究人 -機-環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學，其研究對象為人- 機- 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”，是指人所控制的一切對象（如汽車、飛機、輪船、生產(chǎn)過程 , 等）的總稱； “環(huán)境”，是指人、機共處的特定工作 條件（如溫度、噪聲、震動、有害氣體 , 等） 。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的最大特點是，它把人、機、環(huán)境看作是一個系統(tǒng)的三大要素，在深 入研究三者各自性能的基礎(chǔ)上， 著重強調(diào)從全系統(tǒng)的總體性能出發(fā)， 通過三者之間的信息傳遞、 加工和控制，形成一個相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜巨系統(tǒng)，并運用系統(tǒng)工程的方法，使使系統(tǒng)具有“安全， 高效、經(jīng)濟”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” ， 就是在滿足系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下，系統(tǒng)的建立要花錢最少，也即保證系統(tǒng)的經(jīng)濟性。此外， 人- 機- 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，積極主張把環(huán)境作為系統(tǒng)的 一個環(huán)節(jié)，并按系統(tǒng)的總體要求對其進行全面的規(guī)劃和控制。這樣一來，人- 機- 環(huán)境系統(tǒng)工程不僅把人的因素、人體工程學、工程心理學、工效學、人的因素工程、人- 機系統(tǒng) , 等學科納入一個統(tǒng)一的科學框架，避免概念和術(shù)語的混亂，而且從系統(tǒng)的總體高度研究人-機- 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，把人們設(shè)計和研制人- 機- 環(huán)境系統(tǒng)的實踐

9、活動推向一個嶄新階段。應(yīng)該強調(diào)指出的是，人-機- 環(huán)境系統(tǒng)工程的提出，并不是對上述各學科的否定或取代，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)域的研究水平推進到一個新水平。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程提出后， 我國先后在軍工及其他有關(guān)部門得到了應(yīng)用和發(fā)展 4-8 。國內(nèi) 學術(shù)刊物如自然雜志和國際航空等也發(fā)表了本科學的有關(guān)論文。在有影響的報刊上， 如解放軍報 、中國科技報 、北京科技報 、經(jīng)濟日報和國防科技要聞上也有這門 科學的內(nèi)容簡介和科技短文，人 - 機- 環(huán)境系統(tǒng)工程已逐漸被廣大科技界所熟悉。1984 年 10 月，國防科工委成立了人 -機-環(huán)

10、境系統(tǒng)工程標準化技術(shù)委員會；1986 年 5 月，國防科工委將武器裝備的人 -機- 環(huán)境系統(tǒng)工程研究列為國防科技應(yīng)用、 基礎(chǔ)研究重點項目；1987 年 4 月，國防科工委成立了人 - 機-環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)組；1988 年 4 月，北京航空航天大學成立了人 -機- 環(huán)境系統(tǒng)工程研究所；1993 年 10 月，中國系統(tǒng)工程學會人 - 機-環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)委員會成立，并于北京召開了 第一屆全國人 -機- 環(huán)境系統(tǒng)工程學術(shù)會議。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程問世后，在國際上也引起了很好反響。1984年 10月，人 -機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論在第三十二屆國際航空、航天醫(yī)學會議上發(fā)表后 9 ，得到了各國學者的熱情關(guān)注和

11、 好評。學者們認為，用人 - 機- 環(huán)境系統(tǒng)工程理論來指導(dǎo)研究工作，很有創(chuàng)造性；同時還認為， 把人、機、環(huán)境作一個系統(tǒng)整體來研究，的確是一個創(chuàng)舉，它為實踐提供了新的模式。葡萄牙 國還把它編入當年的軍事醫(yī)學年鑒；美日學者也很重視這一科學理論，他們說這是中國人的創(chuàng) 造，表示愿意與我國在此領(lǐng)域進行宏觀上的學術(shù)交流；墨西哥一學者將本學科內(nèi)容向他的學生 講授，引起大學上們極大的興趣；日本學者齋藤一郎來華訪問時，與我國學者進行了這方面的 學術(shù)交流及參觀活動，回國后在日本“宇宙航空環(huán)境醫(yī)學”雜志上發(fā)表文章，贊揚本學科在中 國的發(fā)展。綜上所述，本世紀 40年代之前，是人 -機-環(huán)境系統(tǒng)工程的萌芽期； 40 年

12、代至 70年代，是 準備期； 80 年代初，人 -機-環(huán)境系統(tǒng)工程開始進入真正發(fā)展期。目前，人-機-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生活的各個領(lǐng)域。它的不斷發(fā)展和日趨完善，必將在 科學技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮其積極作用。2二、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容和方法1.研究內(nèi)容3人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容可用圖 研究、機的特性的研究、環(huán)境特性的研究、人人人機關(guān)系機機-環(huán)關(guān)系壞境人-環(huán)關(guān)系人-機-壞境圖1人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究范疇示意圖1來形象描述，它包括七個方面，也即：人的特性-機關(guān)系的研究、機-環(huán)關(guān)系的研究、人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究?，F(xiàn)將這七個方面的部分研究要 點簡述如下：

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)的測試與評價；人的體力負荷、腦力負 荷和心理負荷研究；人的可靠性研究；人的數(shù)學模型（控制模型和決策模型）研究；人體測量技術(shù)研究； 人員的選拔和訓(xùn)練研究。（2）機的特性的研究 例如，被控對象動力學的 建模技術(shù)；機器的防錯設(shè)計研究。（3）環(huán)境特性的研究 例如，環(huán)境檢測技術(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-機關(guān)系的研究 主要包括靜態(tài)人-機關(guān)系 研究、動態(tài)人-機關(guān)系研究和多媒體技術(shù)在人 -機關(guān)系 研究中的應(yīng)用等三個方面。 靜態(tài)人-機關(guān)系研究主要有 作業(yè)域的布局與設(shè)計；動態(tài)人-機關(guān)系研究主要有人、機功能分配研究（人、機功

14、能比較研究；人-機界面設(shè)計及評價技術(shù)研究）。（5）人-環(huán)關(guān)系的研究 例如，環(huán)境因素對人的影響；個體防護措施的研究。（6）機-環(huán)關(guān)系的研究 例如，環(huán)境因素對機器性能的影響；機器對環(huán)境的影響。（7）人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究 例如，人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體數(shù)學模型的研究；人 - 機-環(huán)境系統(tǒng)全數(shù)學模擬、 半物理模擬和全物理模擬技術(shù)的研究； 人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能 （安 全、高效、經(jīng)濟）的分析、設(shè)計和評價。2.研究方法人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的研究方法可以概括為四句話、24個字，也即：基于三個理論（控制論、模型論、優(yōu)化論）、分析三個要素（人、機、環(huán)境）、歷經(jīng)三個步驟（方案決策、研制生產(chǎn)、 實際使用）、

15、實現(xiàn)三個目標（安全、高效、經(jīng)濟） 。（1）基于三個理論人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程是一門綜合性邊緣技術(shù)科學，為了形成其理論體系，它從一系列基礎(chǔ)學科中吸取了豐富營養(yǎng)，并奠定了自身的基礎(chǔ)理論。人-機-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 控制論的根本貢獻在于，它用系統(tǒng)、信息、反饋等一般概念和術(shù)語，打破了有 生命與無生命的界限，使人們能用統(tǒng)一的觀點和尺度來研究人、機、環(huán)境這三個物質(zhì)屬性本是截然不同、互不相關(guān)的對象，并使其成為一個密不可分的有機整體。 模型論 模型論能為人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究提供一套完整的數(shù)學分析工具。很顯然， 人-機-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)的運動規(guī)律。為此，就必須針對不同客觀對象，弓I入適當數(shù)學模型，并通過建模、參數(shù)辨識、模擬和檢驗等步驟，用數(shù)學語 言來闡明真實世界的客觀規(guī)律。 優(yōu)化論 優(yōu)化論的基本出發(fā)點是， 在人-機-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)途徑的觀點和思路，正是人-機-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)學手段。（2）分析三個要素我們對人、機、環(huán)境三個要素進行分析，主要是研究如何運用這三個要素來構(gòu)成我們所需的、具有特性功能的人-機-環(huán)境系統(tǒng)。通常，根據(jù)各種系統(tǒng)的性能特點及復(fù)雜程度，我們將人-機-環(huán)境系統(tǒng)分為三種類型： 簡單（或單人、單機）人-機-環(huán)境系統(tǒng) 在這種系統(tǒng)中，一名操作人員只使用一臺機器 在特定環(huán)境中工作，其情況如圖2所示?，F(xiàn)行的汽車、火車、飛機”等都屬于這類系統(tǒng)。圖2簡單人-機-環(huán)境系統(tǒng)示意圖5# 復(fù)雜（或多人、多機）人-機-環(huán)境系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的特點是，一名操作人員可以操作兩臺以上的機器，或者是一臺或多臺機器同時可以被幾名操作人