人-机-环境系统工程的过去、现在与未来

7历史文献：人-机-环境系统工程(学)概论陈信龙升照(北京航天医学工程研究所)随着现代科学技术的飞速发展，人体科学和工程技术的相互渗透，逐步形成了一门崭新的边缘科学——人-机-环境系统工程(学)。人-机-环境系统工程(学)，通过揭示人、机（计算机或机器）、环境之间相互关系的规律，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-环境系统工程(学)的提出人-机-环境系统工程(学)是一门技术科学。技术科学是直接为工程技术服务的，它是实践经验的理论总结，又是实践的需要。我们是通过载人航天研究的实践抽象概括出来的。载人航天的中心问题是把人送入宇宙空间，并在航天特殊环境下（如高温、低压、缺氧、超重、失重、振动、噪音……等），既要保证人的生命安全，又要提高他的工作能力。为了实现这一点，在载人航天的早期研究中，注意力主要是放在选拔和训练航天员上。人类个体之间是有差异的，因而尽量从人本身挖掘潜力，提高人本身的性能，使人能胜任航天工作，是很有意义的。但是，这里出现了两个问题：第一，在航天的特殊环境下，依靠选拔、训练来提高人耐受各种物理因素的能力，是很有限度的。温度超过100℃，再选拔、再训练，人也是要死的；第二，在载人航天过程中，航天员必须在航天特殊环境下，进行诸如搜索、识别、跟踪、控制、停靠和对接等一系复杂的工作，各种机器要求人接受大量信息，并完成各种精细的操纵动作，这往往也超出了人的工作能力极限。同样，用选拔、训练等手段来提高人的工作能力也是不行的。矛盾如何解决？最根本的出路在于，针对航天这种特殊环境，从人体和机器的有机结合中去寻找，一方面，既要认真考虑用选拔、训练等手段来提高人适应机器的能力；另一方面，在机器设计中，也应充分注意机器适应人的问题。例如，通过对人体进行研究，可以确定人耐受航天特殊环境的极限，找出适合人工作能力的限度。但是，单凭这个还不行。就航天供氧而言，我们知道，人没有氧气不行，缺少氧气也不行。飞机座舱里的氧分压下降到140mmHg（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8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，载人航天研究中提出的问题是带着普遍性的。例如，在航空研究中遇到的情形，与航天极为相似。一架现代化的歼击机，飞行员不仅要经受高空环境中各种不利因素的影响，而且随时随地都要维持飞机的优良飞行状态。尤其在两相格斗的关键时刻，飞行员不但要识别、跟踪敌方目标，而且要使自己处于有利地位，抓住时机，向敌机发起攻击；与此同时，他还必须设法躲避、摆脱敌机的威胁，以达到保存自己，消灭敌人的目的。这时候，在不到半分钟的短时间里，飞行员也许要完成七八个飞行动作，同时还要观察大量仪表。所以，如果不考虑特殊环境下的飞行员和飞机的有机结合问题，其后果是不堪设想的。再如，一艘潜水艇，在深海的高压、密闭环境下，只有潜艇人员与潜艇的高度有机结合，才能确保其战斗性能。又如，一辆坦克，在恶劣的振动和噪声环境下，只有坦克手与坦克的有机结合，才能极大地发挥其战斗力。以上是军事装备方面的情况。在民用生产中也存在同样情形，例如，在一个钢铁工厂里，在高温环境下，如何考虑炼钢工人和炼钢机械的关系；在化工厂里，在有害气体污染的环境下，如何考虑操作人员和化工机械的关系，极大地提高生产效率。这些也是人们极为重视的问题……凡此种种，不一而足。值得强调的是，电子计算机的诞生和发展，极大地加强了人体脑力劳动的功能。在科学技术蓬勃发展的今天，只要稍许复杂一点的对象，几乎都用计算机进行控制。在人-机-环境系统中，由于计算机的参与，使人的作用从一个直接操作者变为监控者和决策者。这不仅使系统性能大为提高，而且系统结构也在发生变化。人和计算机各有所长，也各有其短。让计算机执行大量的、重复性的、程序化的体力劳动和脑力劳动，而让人完成高级的、创造性的（其中包括不可预见的）思维活动，人通过界面直接与计算机发生关系，这是当代科学技术和生产技术发展的重要特点。在飞机的发展中，计算机的应用使座舱仪表大为简化，只用几个显示屏幕，并配合一些适当仪表，就可把飞机的全部信息显示出来。这不仅可大大提高飞行员驾驶飞机的能力，而且还可减少机组人员。在“阿波罗”飞船中，人和计算机之间配有“程序”、“动词”和“名词”的场致发光显示器的相应控制按钮。根据各个飞行阶段的任务，航天员可从100条程序中任选一条，每条程序又可选100个动词和100个名词中的任何一个。比如，在相当于月球轨道阶段的程序中，航天员可选一个动词“计算”和一个名词“失败速度”。这时，航天员就能在显示器上看到在月球轨道飞行阶段上失败速度的三个正交分量，它们告诉航天员，若此时此刻飞行失败，安全返回地球的应有速度是什么。很显然，共有100万种（106）可能性供航天员与计算机发生联系。这样，航天员就能从各种途径、并能在各级水平上最充分地结合到各种类型的特定系统中去，从而大大提高载人航天活动的安全性和可靠性。显而易见，随着计算机的高度发展和被控对象的不断复杂化，必然会把计算机引入到人-机-环境系统中来。因此，人-机-环境系统工程(学)应发展为人-计算机-机-环境系统工程(学)这样一个新的含义，它也可写作人-机（或计算机）-环境系统工程(学)。综上所述，从天上到地下，从陆地到海洋，从军事到民用，在这些相当广泛的不同领域里，都提出了一个人们共同关心的问题：在各种特殊环境下，如何用科学的办法来使人和机器（或计算机）进行有机结合，以发挥其最大效能？人-机-环境系统工程(学)正是适应这方面的需要而登上科学技术舞台的。人-机-环境系统工程(学)，它从总体观念出发，9将人、机器（或计算机）、环境看作是一个相互作用、相互依赖的超巨系统（图1），并运用系统工程的方法，合理地安排系统中每一个布局，以获得系统的整体最优化。图1人-机-环境系统示意图二、人-机-环境系统工程(学)的研究范畴人-机-环境系统工程(学)的研究对象是人-机-环境系统。这里所称的“人”，是指作为主体工作的人；所称的“机”，是指人所控制的一切对象的总称，它大至一个飞船或一架飞机，小至微小环境、个人装备等；所称的“环境”，是指人、机器（或计算机）共处的特殊条件，它既包括物理因素的效应，也包括社会因素的影响。人-机-环境系统工程(学)把“人”、“机”、“环境”看作是系统的三大要素。并通过这三大要素之间的信息传递、信息加工和信息控制等作用，组成一个非常复杂的超巨系统（图1）。很显然，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，而且更重要的是取决于系统中各要素的关联形式，也即信息的传递、加工和控制的方式。例如，金刚石和石墨的化学成分都是碳元素，但由于两者的原子排列、结构组合不同，却导致了截然不同的物理性能，这些浅显的道理，当然已为人们所共知。同样，在人、机、环境的总体结合上，情况更是如此。人体本身是一个巨系统，机器（或计算机）也是一个巨系统，再加之各种恶劣环境的影响，因而便构成了人-机-环境这个超巨系统。面对这样庞大的系统，如何实现它们之间的最优组合呢？人-机-环境系统工程(学)，正是从“系统”的总体高度出发，一方面既注意研究人、机、环境各要素本身的性能，另一方面却更重视研究这三大要素之间的相互关系、相互作用、相互影响，以及它们的协调方式，并借助系统工程的科学成就，引导人们有条不紊地找到最优组合方案，使人-机-环境系统的总体性能达到最佳状态。这种最佳状态一般都应满足安全、高效、经济等指标。举例来说，飞船的座舱压力，究竟多大合适？是二分之一个大气压力好呢，还是三分之一个大气压力好？人们对此也曾进行过分析。但这种分析，由于没有采用一套科学方法，今天看来，就显得比较粗糙。为什么呢？我们知道，如果与通常采用的一个大气压力相比，飞船座舱采用二分之一个大气压力，对航天员来说，不会造成缺氧；而且，由于与外界的压力差小，对飞船的压力负担就可能小一点，因而飞船的重量也许能有所减轻。如果采用三分之一个大气压力，飞船的重量将会系统输出任务要求+-显示人环境控制环境机飞船、飞机、导弹、坦克、舰艇、火炮......10减轻得更多，但这时对航天员来说，产生缺氧的可能性就增加了。究竟哪个是最佳值？我们只要采用系统工程的方法，对飞船这个特定的人-机-环境系统进行科学地分析，就能找到一个明确的答案。飞船座舱压力的变化，对飞船设计的重量有多大影响？经济上合适不合适？人在这种环境中能生活得如何？这一切，通过计算分析或数学模拟，都可以事先预测出来。如果只是局限于以往的知识，硬往上凑，那是不科学的。当然，凑出来的结果，有时可能会相对合理。但是，可能有比它更合理的，我们还不知道，因为没有用最优化方法来逼近那个最合理的最佳状态。所以，采用系统工程方法来对人-机-环境系统进行最优化分析，就能避免盲目性，工作少走弯路，最终达到安全、高效、经济等多个目标。这正是人-机-环境系统工程(学)研究面临的最终课题。但值得强调指出的是，人-机-环境系统工程(学)，虽然着重强调从系统的高度、总体的高度来思考问题，同时也必须主张对单个的人体、机器（或计算机）和环境作更细致的研究。因为系统各部分的各自性能研究得愈透彻，分析得愈仔细，用系统工程的方法来综合人-机-环境系统的基础也就愈牢靠、愈扎实。例如，深入研究各种环境因素对人体的影响，并找出人体的耐受限度和保证工作效率的界限，仍是十分重要的；与此同时，从机器（或计算机）设计的角度，大力研究保证人正常生活和工作的最佳技术途径，同样也是必不可少的。更甚之，若再能对造成各种特殊环境物理条件的作用机制进行仔细研究，并设法从根本上杜绝或减轻环境因素的影响，那就更加完善了。通过上述三个方面的研究，就能获得进行人-机-环境系统综合的必要参数。有了这套参数，才能用系统工程的方法进行最优化选择，否则是不可能的。所以，只见树木，不见森林；或者只见森林，不见树木，这都不是人-机-环境系统工程(学)的研究方针。因此，对人-机-环境系统工程(学)研究来说，只有把个别分析与整体综合融为一体，才能为揭示人、机、环境相互关系的规律，开辟一条切实可行的道路。三、人-机-环境系统工程(学)与一些学科的关系人-机-环境系统工程(学)，是一门综合性的边缘科学，它一方面有着它自己的理论体系，而另一方面又与一些学科存在着密切关系，同时也有区别。当然，为了形成人-机-环境系统工程(学)的理论体系，它从一系列基础科学中汲取了丰富的营养。诸如：控制论、信息论、一般系统论、巨系统理论、系统工程论、计算机技术、电子工程学、人体科学、环境医学、生物医学工程，人-机系统理论等等，都为人-机-环境系统工程(学)的发展奠定了理论基础。与此同时，当今发展起来的一些新兴理论，例如：模糊集理论、耗散结构理论、协合学和突变理论等，也为人-机-环境系统工程(学)研究打开了新的思路，并提供了新的手段。关于人-机-环境系统工程(学)的理论体系问题，我们打算另文论述。在这里，我们着重强调人-机-环境系统工程(学)与几个相近学科的关系和区别，以突出人-机-环境系统工程(学)的学科含义、研究任务和目的意义。第一，人-机-环境系统工程(学)与生物医学工程既有联系，又有区别。目前，我们国内所称的生物医学工程，与国际上的习惯叫法是基本一致的，它的学科含义，实际上是指11医务工程，也即是围绕医学用的各