人-机-环境系统工程 (MMESE)

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MMESE 学科简介

 

MMESE 学科简介

  

      1981年,在著名科学家钱学森院士的亲自指导下,一门综合性边缘技术科学——人-机-环境系统工程(Man-Machine-Environment System Engineering,简称MMESE)在中国诞生。钱钱学森院士对这门新兴科学给予了极高评价。他于1993年10月22日致函学科创始人龙升照教授指出,“你们是在社会主义中国开创了这门重要现代科学技术”。

  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(如工具、机器、计算机、系统和技术)的总称;“环境”,是指人、机共处的特定工作条件(如温度、噪声、振动……)。系统最优组合的基本目标是“安全、高效、经济”。所谓“安全”,是指不出现人体的生理危害或伤害,并避免各种事故的发生;所谓“高效”,是指全系统具有最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,系统的建立要投资最省。

  1.MMESE的产生背景

  2.MMESE的显著特点

  3.MMESE的重要作用

  4.MMESE的研究内容

  5.MMESE的实施方法

  6.MMESE的应用领域

   

 

  1.MMESE的产生背景

  人类社会发展的历史,就是一部人、机(包括工具、机器、计算机、系统和技术)、环境三大要素相互关联、相互制约、相互促进的历史,其情况如图1所示。由于环境的影响,高级灵长目动物演变成为人类;人类的诞生导致了机的出现;机的出现又产生了新的环境;新的环境又在影响人类的生活、工作和生存。

  时至今日,当人们沉浸在享受高科技带来的社会繁荣之际,却也不知不觉地闯入了两大误区:①在机的设计时,由于漠视了人的特点和要求,致使工作系统效率降低、事故增加,对社会发展造成严重影响;②在机的设计时,由于漠视了环境的特点和要求,不但影响了机器本身性能的发挥,而且带来了严重的环境恶化,对人类的生活、工作和生存造成重大威胁。今以汽车为例,它的出现,一方面是极大地推动了社会的进步,另一方面却也给社会带来了灾难,每年死于道路交通事故的人数全世界约有25万人,同时,它也是造成城市污染的主要因素之一。其他的类似例子也很多。因此,当务之急,就是要研究和探索一套研究人、机、环境三大要素的运行规律及其最优组合的科学方法。人-机-环境系统工程正是针对这种现实而登上科学技术的历史午台!

 

  2.MMESE的显著特点

  人-机-环境系统工程的显著特点主要有3个:

  第一、人-机-环境系统工程特别强调机(包括工具、机器、计算机、系统和技术)的设计要苻合人的特点和要求。以往,人们有一种误解,认为只要机设计出来了,通过选拔和训练操作人员就可以发挥系统性能。其实,如果机的设计不苻合人的生理、心理特点,单纯通过选拔、训练来使人适应机的特性,不但不能确保系统性能的发挥,而且还会导致事故的发生。因此,人-机-环境系统工程首先是强调机的设计要苻合人的特点,然后再强调通过选拔和训练,让人去适应机的特点,使人、机协调达到最优化;

  第二、人-机-环境系统工程与以往一些相邻学科(如人的因素,工效学、人-机系统……)的根本区别之一,就是环境因素不再作为一种被动的干扰因素排斥在系统之外,而是作为一种积极的主动因素纳入系统之中,并成为系统的一个重要环节。很显然,环境既影响人的生存和工作能力,又影响机的性能和可靠运转。反之,人和机也影响环境的状态。所以,环境与人、环境与机、环境与系统之间,既存在信息流通、信息加工问题,也存在信息控制问题,这就更加突出了环境在系统中的重要作用。实践证明,只有把环境作为系统的一个环节,才能从系统的总体高度对环境进行全面的规划与控制,有的可以消除,有的可以防护,有的可减至允许限度,有的可获取最桂值,从而使全系统处于最优工作状态,这就从根本上杜绝了那种先出产品后治环境,或在管理工作中头痛治头、脚疼医脚的被动局面,使人们的科学实践活动始终沿着科学的道路前进;

  第三、人-机-环境系统工程以科学的方法论一一唯物辨证法作指导,特别强调自上而下、由总而细的系统思考方法,遵循系统一一还原一一再系统一一再还原、乃至不断循环上升的思维程序,把系统观与还原观有机结合,不断推动人-机-环境系统工程研究往纵深发展。恩格斯曾强调指出:“旧的研究方法和思维方法、黑格尔称之为‘形而上学’的方法,主要是把事物当作一成不变的东西去研究。……必须先研究一个事物是什么,而后才研究过程。必须先知道一个事物是什么,而后才能觉察这个事物中所发生的变化。自然科学中的情形正是这样。……而当这种研究已经进展到可以向前迈出决定性的一步,即可过渡到系统地研究这些事物在自然界本身中所发生的变化的时候,在哲学领域内也就响起了旧形而上学的丧钟。”人-机-环境系统工程正是抛弃以往那种只着眼于只要单个要素优良,其整体性能就必然优良的形而上学观点。而是根据唯物辨证法思想,从系统的总体高度,研究人、机、环境三大要素的相互关系和整体变化规律,从而推动科学技术向前发展。

 

  3.MMESE的重要作用

  科学技术的发展,不仅包括从深度和广度上发展已经建立的各门学科,而且还有赖于新兴科学的出现。通常,新兴科学的诞生和发展主要受两种因素的影响:一是专门性、二是普遍性。

  科学技术的专门性理论,是由于发现了新的研究对象,或出现了特别的科学趋势,促使人们去研究一类比较狭窄的对象,如细胞生物学、高分子化学等科学理论就是这种例子。这些学科的特点是用专门手段提出问题,并解决问题,它只涉及比较狭窄的研究领域。科学技术的普遍性科学理论,一般都是为了研究非常广泛的一类对象中出现的自然现象而创立,如控制论、系统科学等科学理论就属此例。与那些专门科学理论相反,普遍性科学理论往往都是边缘科学。正因如此,为了沟通各个专门性科学之间的渠道,这些普遍性边缘科学往往更趋向于理论化,而且更加依赖于描述它们所用的语言,如数学语言或其它语言。所以,普遍性边缘科学具有两个重要特征:第一是纵向整体化,使基础科学与工程技术相互渗透,甚至融为一体;第二是横向整体化,大力推行横跨学科的交叉研究。边缘科学的这两个特点,打破了各个学科、各个部门之间的森严壁垒,反过来又极大地促进了科学技术的蓬勃发展。

  人-机-环境系统工程作为一门综合性边缘技术科学,其整体化特征表现最为突出。在纵向整体化方面,人-机-环境系统工程是一门技术科学,相对其基础科学(如生理学、心理学、系统科学……)而言,它是注重于实际应用,强调实践性;它相对其工程技术(如航天人-机-环境系统工程,航空人-机-环境系统工程、坦克人-机-环境系统工程、汽车人-机-环境系统工程、防空兵人-机-环境系统工程……)而言,又为实际应用提供理论依据。所以,人-机-环境系统工程使理论与应用相互交融、密不可分。

  在横向整体化方面,人一机一环境系统工程的研究范围从系统构思开始,历经系统建立、系统运行和系统维护,直至系统消亡为终,没有多种学科知识和多种方法论指导,就无法取得最佳效果,故其学科交叉非常明显。因此,目前国内外学者在论述该研究领域时,总是众说纷坛,各执一词,诸如人的因素,人体工程学、工程心理学、工效学、人的因素工程、人一机系统、环境医学等等。实际上它们都是从不同侧面、不同角度来探索人、机、环境三者之间的关系。因此,用人-机-环境系统工程这门新兴科学,能把这些大致相近或相辅相成的学科纳入一个统一的科学框架,这不仅能避免概念和术语的混乱,也使人们的认识水平大大向前推进一步。

  第一,它为人类社会的健康和可持续发展提供了科学方法。

  如前所述,人类社会发展的历史,就是一部人、机(包括工具、机器、计算机、系统和技术)、环境三大要素相互关联、相互制约、相互促进的历史。

  人-机-环境系统工程的诞生,使人们在设计和研制任何一个人-机-环境系统时,将产生三个方面的飞跃:①从经验走向科学;②从不自觉走向自觉;③从定性走向定量。其结果,不仅可以避免经济上的巨大损失,而且可以加速人类社会发展的进程。

  第二,人-机-环境系统工程也为社会生产力的发展提供了技术手段。

  通常,哲学上是将生产力定义为:“从事物质资料生产的人同以生产工具为主的被用于生产的劳动资料相结合,就构成社会生产力。”很显然,生产力应该是人(从事物质资料生产的人)、机(生产工具和机器)、环境(生产场所的有关劳动条件)三大要素的有机结合。因此,采用人-机-环境系统工程方法,就能全面优化人、机、环境三者之间的关系,推动社会生产力全面发展。

   

  4.MMESE的研究内容

  人-机-环境系统工程的研究内容主要包括七个方面(见图2):①人的特性的研究;②机的特性的研究;③环境特性的研究;④人-机关系的研究;⑤人-环关系的研究;⑥机-环关系的研究;⑦人-机-环境系统总体性能的研究。

  (1)人的特性的研究——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等。

  (2)机的特性的研究——被控对象动力学的建模技术;机的可操作性研究;机的可维护性研究;机的本质安全性(防错设计)研究等。

  (3)环境特性的研究——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等。

  (4)人-机关系的研究——静态人-机关系研究(作业域的布局与设计);动态人-机关系研究(人-机界面研究;显示和控制技术研究;人-机界面设计及评价技术研究;人、机功能分配研究;人、机功能比较研究;人、机功能分配方法研究;人工智能研究);多媒体技术在人-机关系研究中的应用;数字人体在人-机关系研究中的应用等。

  (5)人-环关系的研究——环境对人影响的研究;人对环境影响的研究;个体防护措施的研究等。

  (6)机-环关系的研究——环境对机器性能影响的研究;机器对环境影响的研究等。

  (7)人-机-环境系统总体性能的研究——人-机-环境系统总体数学模型的研究;人-机-环境系统模拟(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)的分析和评价研究;虚拟技术(Virtual Reality)在系统总体性能研究中的应用等。

 

  5. MMESE的实施方法

  人-机-环境系统工程的实施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

  ① 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。

  ② 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行规律。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。

  ③ 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:

  ① 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。现行的汽车、火车、飞机……等都属于这类系统。

  ② 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用。目前许多工业生产机器的操作,都类似于此。

  ③ 广义(或大规模)人-机-环境系统  这类系统广泛存在于各种生产部门。各生产部门的最高决策者通过一套指挥/控制系统,对下属各基层单位的生产状况实施统一的管理和调度,这是一种典型的广义人-机-环境系统。

  很显然,无论是简单的、复杂的,还是广义的人-机-环境系统,都是一个复杂的巨系统。这是因为,人体本身是一个巨系统,机器(或计算机)也是巨系统,再加上各种环境因素的作用和影响,因而形成人-机-环境这个复杂巨系统。实践证明,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,更重要的是取决于各要素的关联形式,也即信息的传递、加工和控制方式。因此,要实现人、机、环境的最优组合,其难度是相当大。而且,人们对人-机-环境这三个要素的研究,原先都是隶属于不同的学科领域,其研究方法和研究思想也大不相同。现在,为了将它们组合成一个复杂巨系统,首先就必须有一个能够统一描述人、机、环境各自能力及相互关系的理论,没有这样一个理论作指导,就根本谈不上对整个系统作深入研究,也就更谈不上实现全系统的最优化组合设计。所以,人-机-环境系统工程正是针对这种现实应运而生。

  (3)历经三个步骤  为了将人-机-环境系统工程理论应用于各个领域,一般都应经历方案决策、研制生产和实际使用三个阶段。

  ① 方案决策阶段  方案决策是属于理论分析范畴,也是最关键步骤。在这个阶段,人-机-环境系统工程能为人-机-环境系统的总体方案设计提供一套完整的决策理论,其中最主要的任务是建立人、机、环境的各自数学模型和系统的总体模型,并借助计算机进行全系统的数学模拟和优化计算,以确定人、机、环境的最优参数和系统的最优组合方案。

  ② 研制生产阶段  在研制生产阶段,人-机-环境系统工程的任务是确定实现最优方案的最佳途径。在这个阶段,始终强调把作为工作主体的人参与到系统中去,并通过半物理模拟或全物理模拟,不断分析和检验人-机-环境系统的整体性能和局部性能,并协调各分系统的技术指标,使总体性能达最佳状态。

  ③ 实际使用阶段  在实际使用阶段,人-机-环境系统工程的任务是通过实际使用的验证,提出充分发挥现存系统性能的意见(如选拔操作人员的标准和训练操作人员的方案和计划),全面做到物尽其用,人尽其才,并为进一步改善和提高系统性能提出新的建议。

  (4)实现三个目标  一般而论,要同时满足安全、高效、经济这三个指标是困难的,而且有时是矛盾的。因此,为了用系统工程方法来使我们所建造的人-机-环境系统实现安全、高效、经济这三个目标,首先我们必需假设几种设计方案,然后针对每种方案用全数学模拟、半物理模拟或全物理模拟方法,获得安全、高效、经济这三个效能指标的关系曲线。根据关系曲线就能预测人、机、环境的最有参数。基于这些参数,就可确定最优方案。在进行系统方案可行性(或可实现性)研究之后,最后可对最优方案进行决策。据此选择的方案,就是比较理想的方案。

  总之,运用人-机-环境系统工程的实施方法,能为人们在设计和建立任何人-机-环境系统时,从定性走向定量、从不精确走向精确、从经验走向科学。这不仅可以实现人-机-环境系统的最优组合,而且可以避免工程技术的大量返工和经济上的巨大损失,并可加速人-机-环境系统的研制进程。

 

  6. MMESE的应用领域

  人-机-环境系统工程认为,凡是有人参与的工作系统,都可以定义为一个人-机-环境系统。而且,根据各种系统的性能特点及复杂程度,又可将人-机-环境系统分为三种类型:简单(或单人、单机)人-机-环境系统、复杂(或多人、多机)人-机-环境系统和广义(或大规模)人-机-环境系统。因此,人-机-环境系统工程虽然是一门新兴的边缘技术科学,但它的踪迹却已深入到国民经济的各条战线。表1列出了它的应用领域及人-机-环境系统的特性。在各个领域的实际应用中,应根据具体应用对象的各自特点,明确界定人-机-环境系统的具体功能与内涵,以便取得最佳应用效果。

 

 

  

1  --环境系统工程应用领域一览表

应用领域

应用对象

--环境系统三大要素

环境

国防建设

航天

航天员

航天飞行器及设备

超重、失重、冲击、孤独、……

航空

飞行员

航空飞行器及装备

超重、冲击、高温、缺氧、……

航海

船(艇)员

舰船、潜艇及装备

有害气体、振动、噪声、水下高压、……

兵器

装甲兵

装甲车辆及装备

高温、高湿、振动、噪声、有害气体、……

作战指挥

指挥员

作战部队

作战环境(地形、地物、气候、……)

……

……

……

……

交通运输

飞机

飞行员

民航飞机

高温、缺氧、噪声、……

汽车

驾驶员

汽车

车内环境、车外路况及气候、……

火车

驾驶员

火车

车内环境、车外路况及气候、……

船舶

驾驶员

轮船

船内噪声、温湿度,船外水域状况、……

……

……

……

工业生产

煤炭

煤炭工人

掘煤设备

振动、噪声、粉尘、高温、高湿、……

钢铁

炼钢工人

炼钢设备

高温、噪声、……

生产管理

各级管理者

生产群体

生产内外环境(物理环境、营销环境、……)

……

……

……

……

……

……

……

……

……