人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程MMESE

#歷史文獻(xiàn)：人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）概論陳信龍升照（北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所 ）隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人體科學(xué)和工程技術(shù)的相互滲透，逐步形成了一門嶄新的邊緣科學(xué)——人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)），通過揭示人、機(jī)（計(jì)算機(jī)或機(jī)器）、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，確保人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能最優(yōu)。我們提出這門學(xué)科的目的，不僅是對(duì)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概括和總結(jié)，而且是為了推動(dòng)該學(xué)科業(yè)已開始的發(fā)展和迎接隨即來臨的更大進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)指出它對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要意義。一、人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的提出人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）是一門技術(shù)科學(xué)。技術(shù)科學(xué)是直接為工程技術(shù)服務(wù)的，它是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的理論總結(jié)， 又是實(shí)踐的需要。 我們是通過載人航天研究的實(shí)踐抽象概括出來的。載人航天的中心問題是把人送入宇宙空間，并在航天特殊環(huán)境下（如高溫、低壓、缺氧、口重、失重、振動(dòng)、噪音……等），既要保證人的生命安全，又要提高他的工作能力。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在載人航天的早期研究中，注意力主要是放在選拔和訓(xùn)練航天員上。人類個(gè)體之間是有差異的，因而盡量從人本身挖掘潛力，提高人本身的性能，使人能勝任航天工作，是很有意義的。但是，這里出現(xiàn)了兩個(gè)問題：第一，在航天的特殊環(huán)境下，依靠選拔、訓(xùn)練來提高人耐受各種物理因素的能力，是很有限度的。溫度超過 100℃，再選拔、再訓(xùn)練，人也是要死的；第二，在載人航天過程中，航天員必須在航天特殊環(huán)境下，進(jìn)行諸如搜索、識(shí)別、跟蹤、控制、?？亢蛯?duì)接等一系復(fù)雜的工作，各種機(jī)器要求人接受大量信息，并完成各種精細(xì)的操縱動(dòng)作，這往往也超出了人的工作能力極限。同樣，用選拔、訓(xùn)練等手段來提高人的工作能力也是不行的。矛盾如何解決？最根本的出路在于，針對(duì)航天這種特殊環(huán)境，從人體和機(jī)器的有機(jī)結(jié)合中去尋找，一方面，既要認(rèn)真考慮用選拔、訓(xùn)練等手段來提高人適應(yīng)機(jī)器的能力；另一方面，在機(jī)器設(shè)計(jì)中，也應(yīng)充分注意機(jī)器適應(yīng)人的問題。例如，通過對(duì)人體進(jìn)行研究，可以確定人耐受航天特殊環(huán)境的極限，找出適合人工作能力的限度。但是，單憑這個(gè)還不行。就航天供氧而言，我們知道，人沒有氧氣不行，缺少氧氣也不行。飛機(jī)座艙里的氧分壓下降到 140mmHg（1mmHg=133.322Pa），□□□□□缺氧。 這時(shí)， 就應(yīng)該在機(jī)器設(shè)計(jì)中想辦法去維持人的耐受度， 因此就需要搞一套人工環(huán)境，或采取個(gè)體防護(hù)措施，這就要靠工程來實(shí)現(xiàn)。顯而易見，此工程必須考慮到人的因素、環(huán)境因素和技術(shù)因素等。如果把諸因素的各個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，并研究整個(gè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間信息傳輸?shù)南嗷リP(guān)系，從中分析、權(quán)衡，尋找出最佳工作狀態(tài)，使該系統(tǒng)在“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”諸方面獲得最佳效果，這就是我們提出的“人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）”的研究任務(wù)。所以，只有把研究人體機(jī)能的科學(xué)——人體科學(xué)和研究機(jī)器實(shí)現(xiàn)的科學(xué)——工程技術(shù)，有機(jī)地結(jié)合在一起，才能保證載人航天活動(dòng)的圓滿成功， 這正是形成人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的基礎(chǔ)。應(yīng)該指出，載人航天研究中提出的問題是帶著普遍性的。例如，在航空研究中遇到的情形，與航天極為相似。一架現(xiàn)代化的殲擊機(jī)，飛行員不僅要經(jīng)受高空環(huán)境中各種不利因素的影響，而且隨時(shí)隨地都要維持飛機(jī)的優(yōu)良飛行狀態(tài)。尤其在兩相格斗的關(guān)鍵時(shí)刻，飛行員不但要識(shí)別、跟蹤敵方目標(biāo)，而且要使自己處于有利地位，抓住時(shí)機(jī)，向敵機(jī)發(fā)起攻擊；與此同時(shí)，他還必須設(shè)法躲避、擺脫敵機(jī)的威脅，以達(dá)到保存自己，消滅敵人的目的。這時(shí)候，在不到半分鐘的短時(shí)間里，飛行員也許要完成七八個(gè)飛行動(dòng)作，同時(shí)還要觀察大量儀表。所以，如果不考慮特殊環(huán)境下的飛行員和飛機(jī)的有機(jī)結(jié)合問題，其后果是不堪設(shè)想的。再如，一艘潛水艇，在深海的高壓、密閉環(huán)境下，只有潛艇人員與潛艇的高度有機(jī)結(jié)合，才能確保其戰(zhàn)斗性能。又如，一輛坦克，在惡劣的振動(dòng)和噪聲環(huán)境下，只有坦克手與坦克的有機(jī)結(jié)合，才能極大地發(fā)揮其戰(zhàn)斗力。以上是軍事裝備方面的情況。在民用生產(chǎn)中也存在同樣情形，例如，在一個(gè)鋼鐵工廠里，在高溫環(huán)境下，如何考慮煉鋼工人和煉鋼機(jī)械的關(guān)系；在化工廠里，在有害氣體污染的環(huán)境下，如何考慮操作人員和化工機(jī)械的關(guān)系，極大地提高生產(chǎn)效率。這些也是人們極為重視的問題……凡此種種，不一而足。值得強(qiáng)調(diào)的是，電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，極大地加強(qiáng)了人體腦力勞動(dòng)的功能。在科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，只要稍許復(fù)雜一點(diǎn)的對(duì)象，幾乎都用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。在人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)的參與，使人的作用從一個(gè)直接操作者變?yōu)楸O(jiān)控者和決策者。這不僅使系統(tǒng)性能大為提高，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。人和計(jì)算機(jī)各有所長，也各有其短。讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行大量的、 重復(fù)性的、 程序化的體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)， 而讓人完成高級(jí)的、創(chuàng)造性的（其中包括不可預(yù)見的）思維活動(dòng)，人通過界面直接與計(jì)算機(jī)發(fā)生關(guān)系，這是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)。在飛機(jī)的發(fā)展中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使座艙儀表大為簡化，只用幾個(gè)顯示屏幕，并配合一些適當(dāng)儀表，就可把飛機(jī)的全部信息顯示出來。這不僅可大大提高飛行員駕駛飛機(jī)的能力，而且還可減少機(jī)組人員。在“阿波羅”飛船中，人和計(jì)算機(jī)之間配有“程序”、“動(dòng)詞”和“名詞”的場致發(fā)光顯示器的相應(yīng)控制按鈕。根據(jù)各個(gè)飛行階段的任務(wù)，航天員可從 100條程序中任選一條，每條程序又可選 100個(gè)動(dòng)詞和100個(gè)名詞中的任何一個(gè)。比如，在相當(dāng)于月球軌道階段的程序中，航天員可選一個(gè)動(dòng)詞“計(jì)算”和一個(gè)名詞“失敗速度”。這時(shí)，航天員就能在顯示器上看到在月球軌道飛行階段上失敗速度的三個(gè)正交分量，它們告訴航天員，若此時(shí)此刻飛行失敗，安全返回地球的應(yīng)有速度是什么。很顯然，共有 100萬種（ 106）可能性供航天員與計(jì)算機(jī)發(fā)生聯(lián)系。這樣，航天員就能從各種途徑、并能在各級(jí)水平上最充分地結(jié)合到各種類型的特定系統(tǒng)中去，從而大大提高載人航天活動(dòng)的安全性和可靠性。顯而易見，隨著計(jì)算機(jī)的高度發(fā)展和被控對(duì)象的不斷復(fù)雜化，必然會(huì)把計(jì)算機(jī)引入到人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)中來。因此，人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）應(yīng)發(fā)展為人 -計(jì)算機(jī) -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）這樣一個(gè)新的含義， 它也可寫作人-機(jī)（或計(jì)算機(jī)） -環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）。綜上所述，從天上到地下，從陸地到海洋，從軍事到民用，在這些相當(dāng)廣泛的不同領(lǐng)域里，都提出了一個(gè)人們共同關(guān)心的問題：在各種特殊環(huán)境下，如何用科學(xué)的辦法來使人和機(jī)器（或計(jì)算機(jī)）進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以發(fā)揮其最大效能？人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）正是適應(yīng)這方面的需要而登上科學(xué)技術(shù)舞臺(tái)的。人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)），它從總體觀念出發(fā)，1），并1），并運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，合理地安排系統(tǒng)中每一個(gè)布局，以獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)化。圖1圖1人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)示意圖二、人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）的研究范疇人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的研究對(duì)象是人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)。這里所稱的“人”，是指作為主體工作的人；所稱的“機(jī)”，是指人所控制的一切對(duì)象的總稱，它大至一個(gè)飛船或一架飛機(jī)，小至微小環(huán)境、個(gè)人裝備等；所稱的“環(huán)境”，是指人、機(jī)器（或計(jì)算機(jī)）共處的特殊條件，它既包括物理因素的效應(yīng)， 也包括社會(huì)因素的影響。 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）把“人”、“機(jī)”、“環(huán)境”看作是系統(tǒng)的三大要素。并通過這三大要素之間的信息傳遞、信息加工和信息控制等作用，組成一個(gè)非常復(fù)雜的超巨系統(tǒng)（圖 1）。很顯然，對(duì)任何一個(gè)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的總體性能不僅取決于各組成要素的單獨(dú)性能，而且更重要的是取決于系統(tǒng)中各要素的關(guān)聯(lián)形式，也即信息的傳遞、加工和控制的方式。例如，金剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳元素，但由于兩者的原子排列、結(jié)構(gòu)組合不同，卻導(dǎo)致了截然不同的物理性能，這些淺顯的道理，當(dāng)然已為人們所共知。同樣，在人、機(jī)、環(huán)境的總體結(jié)合上，情況更是如此。人體本身是一個(gè)巨系統(tǒng)，機(jī)器（或計(jì)算機(jī)）也是一個(gè)巨系統(tǒng)，再加之各種惡劣環(huán)境的影響，因而便構(gòu)成了人 -機(jī)-環(huán)境這個(gè)超巨系統(tǒng)。面對(duì)這樣龐大的系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)它們之間的最優(yōu)組合呢？人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)），正是從“系統(tǒng)”的總體高度出發(fā)，一方面既注意研究人、機(jī)、環(huán)境各要素本身的性能，另一方面卻更重視研究這三大要素之間的相互關(guān)系、相互作用、相互影響，以及它們的協(xié)調(diào)方式，并借助系統(tǒng)工程的科學(xué)成就，引導(dǎo)人們有條不紊地找到最優(yōu)組合方案，使人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能達(dá)到最佳狀態(tài)。這種最佳狀態(tài)一般都應(yīng)滿足安全、高效、經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)。舉例來說，飛船的座艙壓力，究竟多大合適？是二分之一個(gè)大氣壓力好呢，還是三分之一個(gè)大氣壓力好？人們對(duì)此也曾進(jìn)行過分析。但這種分析， 由于沒有采用一套科學(xué)方法， 今天看來， 就顯得比較粗糙。 為什么呢？我們知道，如果與通常采用的一個(gè)大氣壓力相比，飛船座艙采用二分之一個(gè)大氣壓力，對(duì)航天員來說，不會(huì)造成缺氧；而且，由于與外界的壓力差小，對(duì)飛船的壓力負(fù)擔(dān)就可能小一點(diǎn)，因而飛船的重量也許能有所減輕。如果采用三分之一個(gè)大氣壓力，飛船的重量將會(huì)減輕得更多，但這時(shí)對(duì)航天員來說，產(chǎn)生缺氧的可能性就增加了。究竟哪個(gè)是最佳值？我們只要采用系統(tǒng)工程的方法，對(duì)飛船這個(gè)特定的人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)地分析，就能找到一個(gè)明確的答案。飛船座艙壓力的變化，對(duì)飛船設(shè)計(jì)的重量有多大影響？經(jīng)濟(jì)上合適不合適？人在這種環(huán)境中能生活得如何？這一切，通過計(jì)算分析或數(shù)學(xué)模擬，都可以事先預(yù)測出來。如果只是局限于以往的知識(shí)，硬往上湊，那是不科學(xué)的。當(dāng)然，湊出來的結(jié)果，有時(shí)可能會(huì)相對(duì)合理。但是，可能有比它更合理的，我們還不知道，因?yàn)闆]有用最優(yōu)化方法來逼近那個(gè)最合理的最佳狀態(tài)。所以，采用系統(tǒng)工程方法來對(duì)人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化分析，就能避免盲目性，工作少走彎路，最終達(dá)到安全、高效、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)目標(biāo)。這正是人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）研究面臨的最終課題。但值得強(qiáng)調(diào)指出的是，人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)），雖然著重強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的高度、總體的高度來思考問題，同時(shí)也必須主張對(duì)單個(gè)的人體、機(jī)器（或計(jì)算機(jī)）和環(huán)境作更細(xì)致的研究。因?yàn)橄到y(tǒng)各部分的各自性能研究得愈透徹，分析得愈仔細(xì)，用系統(tǒng)工程的方法來綜合人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的基礎(chǔ)也就愈牢靠、愈扎實(shí)。例如，深入研究各種環(huán)境因素對(duì)人體的影響，并找出人體的耐受限度和保證工作效率的界限，仍是十分重要的；與此同時(shí)，從機(jī)器（或計(jì)算機(jī)）設(shè)計(jì)的角度，大力研究保證人正常生活和工作的最佳技術(shù)途徑，同樣也是必不可少的。更甚之，若再能對(duì)造成各種特殊環(huán)境物理?xiàng)l件的作用機(jī)制進(jìn)行仔細(xì)研究，并設(shè)法從根本上杜絕或減輕環(huán)境因素的影響，那就更加完善了。通過上述三個(gè)方面的研究，就能獲得進(jìn)行人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)綜合的必要參數(shù)。有了這套參數(shù)，才能用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行最優(yōu)化選擇，否則是不可能的。所以，只見樹木，不見森林；或者只見森林，不見樹木，這都不是人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的研究方針。因此，對(duì)人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）研究來說，只有把個(gè)別分析與整體綜合融為一體，才能為揭示人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)系的規(guī)律，開辟一條切實(shí)可行的道路。三、人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）與一些學(xué)科的關(guān)系人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)），是一門綜合性的邊緣科學(xué)，它一方面有著它自己的理論體系，而另一方面又與一些學(xué)科存在著密切關(guān)系，同時(shí)也有區(qū)別。當(dāng)然，為了形成人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的理論體系，它從一系列基礎(chǔ)科學(xué)中汲取了豐富的營養(yǎng)。諸如：控制論、信息論、一般系統(tǒng)論、巨系統(tǒng)理論、系統(tǒng)工程論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子工程學(xué)、人體科學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程，人 -機(jī)系統(tǒng)理論等等，都為人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時(shí)，當(dāng)今發(fā)展起來的一些新興理論，例如：模糊集理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)合學(xué)和突變理論等， 也為人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）研究打開了新的思路， 并提供了新的手段。關(guān)于人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的理論體系問題，我們打算另文論述。在這里，我們著重強(qiáng)調(diào)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）與幾個(gè)相近學(xué)科的關(guān)系和區(qū)別， 以突出人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）的學(xué)科含義、研究任務(wù)和目的意義。第一，人 -機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程 （學(xué)）與生物醫(yī)學(xué)工程既有聯(lián)系，又有區(qū)別。目前，我們國內(nèi)所稱的生物醫(yī)學(xué)工程，與國際上的習(xí)慣叫法是基本一致的，它的學(xué)科含義，實(shí)際上是指醫(yī)務(wù)工程，也即是圍繞醫(yī)學(xué)用的各種工程，如手術(shù)器械、醫(yī)療電子儀器、人工臟器等這類東西，都屬于生物醫(yī)學(xué)工程的研究范疇。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）與這門學(xué)科有些關(guān)系，有時(shí)在人有時(shí)在人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)中也用一點(diǎn)醫(yī)務(wù)工程方面的東西，但兩者的出發(fā)點(diǎn)是不同的。生物醫(yī)學(xué)工程是側(cè)重于取代或恢復(fù)人體的機(jī)能狀態(tài)；而人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）是側(cè)重于改善系統(tǒng)的總體性能。第二，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）與環(huán)境醫(yī)學(xué)也既有聯(lián)系，又有區(qū)別。通常，環(huán)境醫(yī)學(xué)第二，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）與環(huán)境醫(yī)學(xué)也既有聯(lián)系，又有區(qū)別。通常，環(huán)境醫(yī)學(xué)是研究各種環(huán)境因素對(duì)人體的影響，找出它們的影響規(guī)律，并決定應(yīng)采取何種醫(yī)學(xué)防護(hù)措施。所以，環(huán)境醫(yī)學(xué)需要研究特殊環(huán)境中的全部醫(yī)學(xué)生理學(xué)問題；而人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）施。所以，環(huán)境醫(yī)學(xué)需要研究特殊環(huán)境中的全部醫(yī)學(xué)生理學(xué)問題；而人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）則是側(cè)重研究特殊環(huán)境對(duì)人、對(duì)機(jī)器（或計(jì)算機(jī)），以至對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。當(dāng)然，人機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）是要運(yùn)用環(huán)境醫(yī)學(xué)的研究成果的。第三，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）與人-機(jī)系統(tǒng)理論也有著十分密切的聯(lián)系，當(dāng)然也有區(qū)別。通常，在人-機(jī)系統(tǒng)理論中，環(huán)境是作為一種干擾因素而引入系統(tǒng)的；但人-機(jī)-環(huán)境系機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）是要運(yùn)用環(huán)境醫(yī)學(xué)的研究成果的。第三，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）與人-機(jī)系統(tǒng)理論也有著十分密切的聯(lián)系，當(dāng)然也有區(qū)別。通常，在人-機(jī)系統(tǒng)理論中，環(huán)境是作為一種干擾因素而引入系統(tǒng)的；但人-機(jī)-環(huán)境系1），并且環(huán)境與人、信息控制問題。這樣， 就把環(huán)境因素從人-機(jī)系統(tǒng)理論中的單純消極因素，轉(zhuǎn)化為一個(gè)主動(dòng)的積極因素，這就更加突出了環(huán)境因素在人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）研究中的重大作用。當(dāng)然，人 -機(jī)系統(tǒng)理論的許多觀點(diǎn)，如人-機(jī)通信、人-機(jī)界面、人-機(jī)配合等，也將被用于人機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程（學(xué)）研究。總而言之，人-機(jī)（或計(jì)算機(jī)）-環(huán)境系統(tǒng)工程1），并