人-机-环境系统工程理论及其在

1、人-机-环境系统工程理论及其在生产力发展中的意义龙升照（北京航天医学工程研究所）众所周知，在任何生产过程中，生产机器是进行各种生产的物质基础，是提高生产力的基本条件。但是，任何机器都必须靠人去掌握和操纵，而且人和机器又都处于各种特定环境下工作。所以，生产机器只是一种可能的生产力，它只有与人和工作环境有机结合才能成为现实的生产力。因此，为了极大提高社会生产力，就必须根据马克思主义的辩证唯物论原理，并充分运用现代科学技术的精华，把精神与物质、主观与客观、人与机器的关系从哲学高度的一般定性描述逐步过渡到定量描述，既要有科学理论的依据，也要有科学记录的方法，更要有发挥人积极作用的措施。人-机-环境系统工程理论的积极应用及蓬勃发展，就能使人对生产机器有意识活动的研究，在人体科学、生理学、心理学、工效学、人的因素、工程技术和环境科学等研究的基础上，有了一个新的由定性到定量、由感性认识朝着科学实验研究发展的飞跃，为生产力的发展提供可靠的科学技术手段。本文扼要阐述人-机-环境系统工程理论的的形成和发展、研究内容和方法，并对其在生产力发展中的意义进行初步分析。一、人-机-环境系统工程理论的形成和发展严格

2、地讲，人-机-环境系统工程作为一种理论，作为一门科学的出现，是八十年代初的事。但是，人-机-环境系统工程的古老根源可以追溯到人类的早期活动。所以，人-机-环境系统工程的形成和发展是经过漫长的历史阶段。从远古时代起，人类一代一代地不断改善劳动工具，直至大规模使用机器，以提高人战胜自然、改造世界的能力。当人类最初使用简单工具进行大量和笨重的体力劳动时，客观上就提出了人-机-环境系统的最优化组合问题。十八、十九世纪的第一次工业革命及其随后的能源革命，使人类进入了机器时代，人们所从事的劳动在复杂程度和负荷量上都有了很大变化，开始形成人、机、环境的复杂关系。二十世纪初，英国的泰罗（F.w.Taylor）提出要研究人的操作方法，并从管理的角度制定了相应的操作制度，人们把它称之为“泰罗制”。后来，人们开始有组织地对人、机、环境三者之间的关系进行实验研究，并积累了大量有关数据。40年代，特别是第二次世界大战期间，各种新式武器不断出现，性能也日趋复杂；50年代，电子计算机的应用迅速发展；60年代，载人航天活动取得了突破性的进展。这一切，使人、机、环境相互关系问题的研究就显得更为突出。因此，先后出现了人的

3、因素（Human Factors）、人体工程学（Human Engineering）、工程心理学（Engineering Psychology）、工效学（Ergonomics）、人的因素工程（Human Factor Engineering）、人-机系统（Man-Machine System）等众多的学科名称，并从不同侧面、不同角度积累了人、机、环境的实验数据及经验，为人-机-环境系统工程理论的形成创造了条件。但是，在这个时期，研究工作的重点是让人如何适应机器、适应环境。而对于机器设计如何适应人的特点和需要，以及如何改造和控制环境等问题虽然有所认识，但是缺乏用系统的整体观点来全面解决人、机、环境的相互关系问题、虽然有了关于人、机、环境的各种数据，但如何运用这些数据，仍然是凭经验进行，因而难以取得最佳效果。1980年末，美国科学院应陆、海、空三军的要求，组成一个专门委员会，着重分析和研究该领域的研究现状，并于1983年1月提出了题为人的因素研究需求的专门报告2。该报告承认，70年代由于单纯依靠过去二十年的数据而放松基础研究，因而导致若干设计和研制的重大失误。于是，对科研部署作了一些调整。

4、但是，由于缺乏先进的科学理论作指导，故仍未摆脱传统框框的束缚。1981年，我们根据载人航天预先研究的实践，同时也对国内外情况进行了人认真分析，在钱学森同志系统科学思想的启发和亲自指导下，概括提出了人-机-环境系统工程的科学概念，标志着这门新兴科学的形成1。人-机-环境系统工程是运用系统科学理论和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，深入研究人-机-环境系统最优组合的一门科学，其研究对象为人-机-环境系统，系统中的“人”，是指作为工作主体的人（如操作人员或决策人员）；“机”，是指人所控制的一切对象（如汽车、飞机、轮船、生产过程等）的总称；“环境”，是指人、机共处的特定工作条件（如温度、噪声、震动、有害气体等）。人-机-环境系统工程的最大特点是，它把人、机、环境看作是一个系统的三大要素，在深入研究三者各自性能的基础上，着重强调从全系统的总体性能出发，通过三者之间的信息传递、加工和控制，形成一个相互关联的复杂巨系统，并运用系统工程的方法，使使系统具有“安全，高效、经济”等综合效能3。所谓“安全”，是指不出现人体的生理危害和伤害，并尽量减少事故的发生；所谓“高效”，是指全系统具有最

5、好的工作性能或最高的工作效率；所谓“经济”，就是在满足系统技术要求的前提下，系统的建立要花钱最少，也即保证系统的经济性。此外，人-机-环境系统工程还抛弃以往把环境作为干扰因素的消极观点，积极主张把环境作为系统的一个环节，并按系统的总体要求对其进行全面的规划和控制。这样一来，人-机-环境系统工程不仅把人的因素、人体工程学、工程心理学、工效学、人的因素工程、人-机系统等学科纳入一个统一的科学框架，避免概念和术语的混乱，而且从系统的总体高度研究人-机-环境系统各种组合方案的优劣，改变以往分散、孤立的研究局面，把人们设计和研制人-机-环境系统的实践活动推向一个崭新阶段。应该强调指出的是，人-机-环境系统工程的提出，并不是对上述各学科的否定或取代，而是把这些大致相似或相辅相成的研究范畴提到一个更高的层次、更广的视野去分析和综合，从而把该领域的研究水平推进到一个新水平。人-机-环境系统工程提出后，我国先后在军工及其他有关部门得到了应用和发展4-8。国内学术刊物如自然杂志和国际航空等也发表了本科学的有关论文。在有影响的报刊上，如解放军报、中国科技报、北京科技报、经济日报和国防科技要闻上也有这门科学的

6、内容简介和科技短文，人-机-环境系统工程已逐渐被广大科技界所熟悉。1984年10月，国防科工委成立了人-机-环境系统工程标准化技术委员会；1986年5月，国防科工委将武器装备的人-机-环境系统工程研究列为国防科技应用、基础研究重点项目；1987年4月，国防科工委成立了人-机-环境系统工程专业组；1988年4月，北京航空航天大学成立了人-机-环境系统工程研究所；1993年10月，中国系统工程学会人-机-环境系统工程专业委员会成立，并于北京召开了第一届全国人-机-环境系统工程学术会议。人-机-环境系统工程问世后，在国际上也引起了很好反响。1984年10月，人-机-环境系统工程理论在第三十二届国际航空、航天医学会议上发表后9，得到了各国学者的热情关注和好评。学者们认为，用人-机-环境系统工程理论来指导研究工作，很有创造性；同时还认为，把人、机、环境作一个系统整体来研究，的确是一个创举，它为实践提供了新的模式。葡萄牙国还把它编入当年的军事医学年鉴；美日学者也很重视这一科学理论，他们说这是中国人的创造，表示愿意与我国在此领域进行宏观上的学术交流；墨西哥一学者将本学科内容向他的学生讲授，引起大学上

7、们极大的兴趣；日本学者斋藤一郎来华访问时，与我国学者进行了这方面的学术交流及参观活动，回国后在日本“宇宙航空环境医学”杂志上发表文章，赞扬本学科在中国的发展。综上所述，本世纪40年代之前，是人-机-环境系统工程的萌芽期；40年代至70年代，是准备期；80年代初，人-机-环境系统工程开始进入真正发展期。目前，人-机-环境系统工程虽处于初期阶段，但其踪迹却已深入到人类生活的各个领域。它的不断发展和日趋完善，必将在科学技术的发展中发挥其积极作用。二、人-机-环境系统工程的研究内容和方法1.研究内容人-机-环境系统工程的研究内容可用图1来形象描述，它包括七个方面，也即：人的特性研究、机的特性的研究、环境特性的研究、人-机关系的研究、机-环关系的研究、人-机-环境系统总体性能的研究。现将这七个方面的部分研究要点简述如下：（1）人的特性研究 例如，人的工作能力研究；人的基本素质的测试与评价；人的体力负荷、脑力负荷和心理负荷研究；人的可靠性研究；人的数学模型（控制模型和决策模型）研究；人体测量技术研究；人员的选拔和训练研究。（2）机的特性的研究 例如，被控对象动力学的建模技术；机器的防错设计研究。（

8、3）环境特性的研究 例如，环境检测技术的研究；环境控制技术的研究；环境建模技术的研究。（4）人-机关系的研究 主要包括静态人-机关系研究、动态人-机关系研究和多媒体技术在人-机关系研究中的应用等三个方面。静态人-机关系研究主要有 作业域的布局与设计；动态人-机关系研究主要有人、图1 人-机-环境系统工程研究范畴示意图 机功能分配研究（人、机功能比较研究；人-机界面设计及评价技术研究）。（5）人-环关系的研究 例如，环境因素对人的影响；个体防护措施的研究。（6）机-环关系的研究 例如，环境因素对机器性能的影响；机器对环境的影响。（7）人-机-环境系统总体性能的研究 例如，人-机-环境系统总体数学模型的研究；人-机-环境系统全数学模拟、半物理模拟和全物理模拟技术的研究；人-机-环境系统总体性能（安全、高效、经济）的分析、设计和评价。2.研究方法人-机-环境系统工程的研究方法可以概括为四句话、24个字，也即：基于三个理论（控制论、模型论、优化论）、分析三个要素（人、机、环境）、历经三个步骤（方案决策、研制生产、实际使用）、实现三个目标（安全、高效、经济）。（1） 基于三个理论 人-机-环境系

9、统工程是一门综合性边缘技术科学，为了形成其理论体系，它从一系列基础学科中吸取了丰富营养，并奠定了自身的基础理论。人-机-环境系统工程的基础理论可以概括为控制论、模型论和优化论 控制论 控制论的根本贡献在于，它用系统、信息、反馈等一般概念和术语，打破了有生命与无生命的界限，使人们能用统一的观点和尺度来研究人、机、环境这三个物质属性本是截然不同、互不相关的对象，并使其成为一个密不可分的有机整体。 模型论 模型论能为人-机-环境系统工程研究提供一套完整的数学分析工具。很显然，人-机-环境系统工程不仅要求定性，而且要求定量地刻划全系统的运动规律。为此，就必须针对不同客观对象，引入适当数学模型，并通过建模、参数辨识、模拟和检验等步骤，用数学语言来阐明真实世界的客观规律。 优化论 优化论的基本出发点是，在人-机-环境系统的最优组合中，一般总有多种互不相同的方法和途径，而其中必有一种或几种最好或较好的，这样一种寻求最优途径的观点和思路，正是人-机-环境系统工程的精髓。优化论正是体现这一精髓的数学手段。（2）分析三个要素 我们对人、机、环境三个要素进行分析，主要是研究如何运用这三个要素来构成我们所需的、具有特性功能的人-机-环境系统。通常，根据各种系统的性能特点及复杂程度，我们将人-机-环境系统分为三种类型： 简单（或单人、单机）人-机-环境系统 在这种系统中，一名操作人员只使用一台机器在特定环境中工作，其情况如图2所示。现行的汽车、火车、飞机等都属于这类系统。系统输入 E(t) I(t) +系统输出 O(t)机人控制器显示器环境(振动、噪声、温度)图2 简单人-机-环境系统示意图 复杂（或多人、多机）人-机-环境系统 这类系统的特点是，一名操作人员可以操作两台以上的机器，或者是一台或多台机器同时可以被几名操作人员使

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