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歷史文獻：人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))概論

　　陳 信    龍升照

　　(北京航天醫學(xué)工程研究所)

　　隨著(zhù)現代科學(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(mén)嶄新的邊緣科學(xué)——人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))。人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))，通過(guò)揭示人、機（計算機或機器）、環(huán)境之間相互關(guān)系的規律，確保人-機-環(huán)境系統的總體性能最優(yōu)。我們提出這門(mén)學(xué)科的目的，不僅是對以往實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行概括和總結，而且是為了推動(dòng)該學(xué)科業(yè)已開(kāi)始的發(fā)展和迎接隨即來(lái)臨的更大進(jìn)展，并強調指出它對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要意義。

　　一、人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的提出

　　人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))是一門(mén)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)驗的理論總結，又是實(shí)踐的需要。我們是通過(guò)載人航天研究的實(shí)踐抽象概括出來(lái)的。

　　載人航天的中心問(wèn)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、超重、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練航天員上。人類(lèi)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，這里出現了兩個(gè)問(wèn)題：第一，在航天的特殊環(huán)境下，依靠選拔、訓練來(lái)提高人耐受各種物理因素的能力，是很有限度的。溫度超過(guò)100℃，再選拔、再訓練，人也是要死的；第二，在載人航天過(guò)程中，航天員必須在航天特殊環(huán)境下，進(jìn)行諸如搜索、識別、跟蹤、控制、�？亢蛯�接等一系復雜的工作，各種機器要求人接受大量信息，并完成各種精細的操縱動(dòng)作，這往往也超出了人的工作能力極限。同樣，用選拔、訓練等手段來(lái)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，針對航天這種特殊環(huán)境，從人體和機器的有機結合中去尋找，一方面，既要認真考慮用選拔、訓練等手段來(lái)提高人適應機器的能力；另一方面，在機器設計中，也應充分注意機器適應人的問(wèn)題。例如，通過(guò)對人體進(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(méi)有氧氣不行，

　　缺少氧氣也不行。飛機座艙里的氧分壓下降到140mmHg（1mmHg=133.322Pa），人就要產(chǎn)生缺氧。這時(shí)，就應該在機器設計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)體防護措施，這就要靠工程來(lái)實(shí)現。顯而易見(jiàn)，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)節構成一個(gè)系統，并研究整個(gè)系統各環(huán)節間信息傳輸的相互關(guān)系，從中分析、權衡，尋找出最佳工作狀態(tài)，使該系統在“安全、高效、經(jīng)濟”諸方面獲得最佳效果，這就是我們提出的“人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))”的研究任務(wù)。所以，只有把研究人體機能的科學(xué)——人體科學(xué)和研究機器實(shí)現的科學(xué)——工程技術(shù)，有機地結合在一起，才能保證載人航天活動(dòng)的圓滿(mǎn)成功，這正是形成人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的基礎。

　　應該指出，載人航天研究中提出的問(wèn)題是帶著(zhù)普遍性的。例如，在航空研究中遇到的情形，與航天極為相似。一架現代化的殲擊機，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，飛行員不但要識別、跟蹤敵方目標，而且要使自己處于有利地位，抓住時(shí)機，向敵機發(fā)起攻擊；與此同時(shí)，他還必須設法躲避、擺脫敵機的威脅，以達到保存自己，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(guān)察大量?jì)x表。所以，如果不考慮特殊環(huán)境下的飛行員和飛機的有機結合問(wèn)題，其后果是不堪設想的。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結合，才能確保其戰斗性能。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結合，才能極大地發(fā)揮其戰斗力。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(chǎng)里，在高溫環(huán)境下，如何考慮煉鋼工人和煉鋼機械的關(guān)系；在化工廠(chǎng)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(wèn)題……凡此種種，不一而足。

　　值得強調的是，電子計算機的誕生和發(fā)展，極大地加強了人體腦力勞動(dòng)的功能。在科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，只要稍許復雜一點(diǎn)的對象，幾乎都用計算機進(jìn)行控制。在人-機-環(huán)境系統中，由于計算機的參與，使人的作用從一個(gè)直接操作者變?yōu)楸O控者和決策者。這不僅使系統性能大為提高，而且系統結構也在發(fā)生變化。人和計算機各有所長(cháng)，也各有其短。讓計算機執行大量的、重復性的、程序化的體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)，而讓人完成高級的、創(chuàng )造性的（其中包括不可預見(jiàn)的）思維活動(dòng)，人通過(guò)界面直接與計算機發(fā)生關(guān)系，這是當代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)。在飛機的發(fā)展中，計算機的應用使座艙儀表大為簡(jiǎn)化，只用幾個(gè)顯示屏幕，并配合一些適當儀表，就可把飛機的全部信息顯示出來(lái)。這不僅可大大提高飛行員駕駛飛機的能力，而且還可減少機組人員。在“阿波羅”飛船中，人和計算機之間配有“程序”、“動(dòng)詞”和“名詞”的場(chǎng)致發(fā)光顯示器的相應控制按鈕。根據各個(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，在相當于月球軌道階段的程序中，航天員可選一個(gè)動(dòng)詞“計算”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，安全返回地球的應有速度是什么。很顯然，共有100萬(wàn)種（106 ）可能性供航天員與計算機發(fā)生聯(lián)系。這樣，航天員就能從各種途徑、并能在各級水平上最充分地結合到各種類(lèi)型的特定系統中去，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(jiàn)，隨著(zhù)計算機的高度發(fā)展和被控對象的不斷復雜化，必然會(huì )把計算機引入到人-機-環(huán)境系統中來(lái)。因此，人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))應發(fā)展為人-計算機-機-環(huán)境系統工程(學(xué))這樣一個(gè)新的含義，它也可寫(xiě)作人-機（或計算機）-環(huán)境系統工程(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(wèn)題：在各種特殊環(huán)境下，如何用科學(xué)的辦法來(lái)使人和機器（或計算機）進(jìn)行有機結合，以發(fā)揮其最大效能？人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))正是適應這方面的需要而登上科學(xué)技術(shù)舞臺的。人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))，它從總體觀(guān)念出發(fā)，將人、機器（或計算機）、環(huán)境看作是一個(gè)相互作用、相互依賴(lài)的超巨系統（圖1），并運用系統工程的方法，合理地安排系統中每一個(gè)布局，以獲得系統的整體最優(yōu)化。

　　二、人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的研究范疇

　　人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的研究對象是人-機-環(huán)境系統。這里所稱(chēng)的“人”，是指作為主體工作的人；所稱(chēng)的“機”，是指人所控制的一切對象的總稱(chēng)，它大至一個(gè)飛船或一架飛機，小至微小環(huán)境、個(gè)人裝備等；所稱(chēng)的“環(huán)境”，是指人、機器（或計算機）共處的特殊條件，它既包括物理因素的效應，也包括社會(huì )因素的影響。人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))把“人”、“機”、“環(huán)境”看作是系統的三大要素。并通過(guò)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)非常復雜的超巨系統（圖1）。很顯然，對任何一個(gè)系統來(lái)說(shuō)，系統的總體性能不僅取決于各組成要素的單獨性能，而且更重要的是取決于系統中各要素的關(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、結構組合不同，卻導致了截然不同的物理性能，這些淺顯的道理，當然已為人們所共知。同樣，在人、機、環(huán)境的總體結合上，情況更是如此。人體本身是一個(gè)巨系統，機器（或計算機）也是一個(gè)巨系統，再加之各種惡劣環(huán)境的影響，因而便構成了人-機-環(huán)境這個(gè)超巨系統。面對這樣龐大的系統，如何實(shí)現它們之間的最優(yōu)組合呢？人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))，正是從“系統”的總體高度出發(fā)，一方面既注意研究人、機、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)調方式，并借助系統工程的科學(xué)成就，

　　引導人們有條不紊地找到最優(yōu)組合方案，使人-機-環(huán)境系統的總體性能達到最佳狀態(tài)。這種最佳狀態(tài)一般都應滿(mǎn)足安全、高效、經(jīng)濟等指標。舉例來(lái)說(shuō)，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？人們對此也曾進(jìn)行過(guò)分析。但這種分析，由于沒(méi)有采用一套科學(xué)方法，今天看來(lái)，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，對航天員來(lái)說(shuō)，不會(huì )造成缺氧；而且，由于與外界的壓力差小，對飛船的壓力負擔就可能小一點(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)對航天員來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生缺氧的可能性就增加了。究竟哪個(gè)是最佳值？我們只要采用系統工程的方法，對飛船這個(gè)特定的人-機-環(huán)境系統進(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，對飛船設計的重量有多大影響？經(jīng)濟上合適不合適？人在這種環(huán)境中能生活得如何？這一切，通過(guò)計算分析或數學(xué)模擬，都可以事先預測出來(lái)。如果只是局限于以往的知識，硬往上湊，那是不科學(xué)的。當然，湊出來(lái)的結果，有時(shí)可能會(huì )相對合理。但是，可能有比它更合理的，我們還不知道，因為沒(méi)有用最優(yōu)化方法來(lái)逼近那個(gè)最合理的最佳狀態(tài)。所以，采用系統工程方法來(lái)對人-機-環(huán)境系統進(jìn)行最優(yōu)化分析，就能避免盲目性，工作少走彎路，最終達到安全、高效、經(jīng)濟等多個(gè)目標。這正是人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))研究面臨的最終課題。

　　但值得強調指出的是，人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))，雖然著(zhù)重強調從系統的高度、總體的高度來(lái)思考問(wèn)題，同時(shí)也必須主張對單個(gè)的人體、機器（或計算機）和環(huán)境作更細致的研究。因為系統各部分的各自性能研究得愈透徹，分析得愈仔細，用系統工程的方法來(lái)綜合人-機-環(huán)境系統的基礎也就愈牢靠、愈扎實(shí)。例如，深入研究各種環(huán)境因素對人體的影響，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)，從機器（或計算機）設計的角度，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，若再能對造成各種特殊環(huán)境物理條件的作用機制進(jìn)行仔細研究，并設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(guò)上述三個(gè)方面的研究，就能獲得進(jìn)行人-機-環(huán)境系統綜合的必要參數。有了這套參數，才能用系統工程的方法進(jìn)行最優(yōu)化選擇，否則是不可能的。所以，只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林；或者只見(jiàn)森林，不見(jiàn)樹(shù)木，這都不是人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的研究方針。因此，對人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))研究來(lái)說(shuō)，只有把個(gè)別分析與整體綜合融為一體，才能為揭示人、機、環(huán)境相互關(guān)系的規律，開(kāi)辟一條切實(shí)可行的道路。

　　三、人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))與一些學(xué)科的關(guān)系

　　人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))，是一門(mén)綜合性的邊緣科學(xué)，它一方面有著(zhù)它自己的理論體系，而另一方面又與一些學(xué)科存在著(zhù)密切關(guān)系，同時(shí)也有區別。

　　當然，為了形成人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的理論體系，它從一系列基礎科學(xué)中汲取了豐富的營(yíng)養。諸如：控制論、信息論、一般系統論、巨系統理論、系統工程論、計算機技術(shù)、電子工程學(xué)、人體科學(xué)、環(huán)境醫學(xué)、生物醫學(xué)工程，人-機系統理論等等，都為人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的發(fā)展奠定了理論基礎。

　　與此同時(shí)，當今發(fā)展起來(lái)的一些新興理論，例如：模糊集理論、耗散結構理論、協(xié)合學(xué)和突變理論等，也為人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))研究打開(kāi)了新的思路，并提供了新的手段。

　　關(guān)于人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的理論體系問(wèn)題，我們打算另文論述。在這里，我們著(zhù)重強調人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))與幾個(gè)相近學(xué)科的關(guān)系和區別，以突出人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))的學(xué)科含義、研究任務(wù)和目的意義。

　　第一，人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))與生物醫學(xué)工程既有聯(lián)系，又有區別。目前，我們國內所稱(chēng)的生物醫學(xué)工程，與國際上的習慣叫法是基本一致的，它的學(xué)科含義，實(shí)際上是指醫務(wù)工程，也即是圍繞醫學(xué)用的各種工程，如手術(shù)器械、醫療電子儀器、人工臟器等這類(lèi)東西，都屬于生物醫學(xué)工程的研究范疇。人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))與這門(mén)學(xué)科有些關(guān)系，有時(shí)在人-機-環(huán)境系統中也用一點(diǎn)醫務(wù)工程方面的東西，但兩者的出發(fā)點(diǎn)是不同的。生物醫學(xué)工程是側重于取代或恢復人體的機能狀態(tài)；而人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))是側重于改善系統的總體性能。

　　第二，人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))與環(huán)境醫學(xué)也既有聯(lián)系，又有區別。通常，環(huán)境醫學(xué)是研究各種環(huán)境因素對人體的影響，找出它們的影響規律，并決定應采取何種醫學(xué)防護措施。所以，環(huán)境醫學(xué)需要研究特殊環(huán)境中的全部醫學(xué)生理學(xué)問(wèn)題；而人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))則是側重研究特殊環(huán)境對人、對機器（或計算機），以至對整個(gè)系統的影響。當然，人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))是要運用環(huán)境醫學(xué)的研究成果的。

　　第三，人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))與人-機系統理論也有著(zhù)十分密切的聯(lián)系，當然也有區別。通常，在人-機系統理論中，環(huán)境是作為一種干擾因素而引入系統的；但人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))卻與此不同，它是把環(huán)境作為系統的一個(gè)環(huán)節而引入（圖1），并且環(huán)境與人、環(huán)境與機器（或計算機）、環(huán)境與系統之間，既存在著(zhù)信息流通、信息加工問(wèn)題，也存在信息控制問(wèn)題。這樣，就把環(huán)境因素從人-機系統理論中的單純消極因素，轉化為一個(gè)主動(dòng)的積極因素，這就更加突出了環(huán)境因素在人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))研究中的重大作用。當然，人-機系統理論的許多觀(guān)點(diǎn)，如人-機通信、人-機界面、人-機配合等，也將被用于人-機-環(huán)境系統工程(學(xué))研究。

　　總而言之，人-機（或計算機）-環(huán)境系統工程(學(xué))是一門(mén)綜合性學(xué)科，是屬于技術(shù)科學(xué)。當科學(xué)技術(shù)的發(fā)展正在創(chuàng )造一個(gè)又一個(gè)奇跡，而人類(lèi)的足跡也不斷擴展到更遙遠的宇宙空間之際，人-機（或計算機）-環(huán)境系統工程(學(xué))所肩負的責任更加廣泛，更加艱巨。因此，我們應該不斷完善和盡量加快這門(mén)學(xué)科的發(fā)展，使它盡早地在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮它應有的威力！

        (注：本文是人-機-環(huán)境系統工程的創(chuàng )立文獻。它于1981年由龍升照同志主筆撰寫(xiě)，陳信同志審定后在航天醫學(xué)工程研究所的學(xué)術(shù)年會(huì )上報告，并在航天醫學(xué)工程研究所的《論文匯編(三)》上發(fā)表。本文于1985年在《自然雜志》第八卷第1期上公開(kāi)發(fā)表。)

　　(文獻來(lái)源:《論文匯編(三)》,航天醫學(xué)工程研究所,1981；《自然雜志》,8(1)，1985)