人-机-环境系统工程 (MMESE)

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钱学森与人-机-环境系统工程

  

钱学森与人-机-环境系统工程

  龙升照

  (航天医学工程研究所,北京 100094)

  摘要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,简称为MMESE)在我国诞生。本文以钱老的一系列重要讲话和信函为根据,从指导人-机-环境系统工程的及时创立、强调人-机-环境系统工程的重要作用、促进人-机-环境系统工程的蓬勃发展、明确人-机-环境系统工程的应用领域和展望人-机-环境系统工程的光辉前景等五个方面,全面阐述了钱老精心指导人-机-环境系统工程的创立及发展的全部历程。

  关键词:钱学森;人-机-环境系统;人-机-环境系统工程

  Qian Xuesen and Man-Macine-Environment System Engineering

  Long Shengzhao

  (Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China)

  Abstract:In 1981, under directing of famous scientist QIAN Xue-sheng, Man- Machine- Environment System Engineering(MMESE) is founded in China. According to some lectures and letters, this paper roundly expatiates QIAN Xue-sheng directing all history of foundation and development of the MMESE. It is including five aspects: directing foundation in time of the MMESE, emphasizing important effect of the MMESE, promoting flourish development of the MMESE, defining application field of the MMESE and looking into blaze foreground of the MMESE.

  Key WordsQian Xuesen;Man- Machine-Environment System;Man-Machine-
Environment System Engineering

  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,简称为MMESE)在我国诞生。钱老对这门新兴科学给予极高评价。他于1993年10月22日指出,“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(如飞船、汽车、飞机、生产过程……)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。

  人-机-环境系统工程的研究内容主要包括七个方面(见图1):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。

  本文以钱老的一系列重要讲话和信函为根据,从指导人-机-环境系统工程的及时创立、强调人-机-环境系统工程的重要作用、促进人-机-环境系统工程的蓬勃发展、明确人-机-环境系统工程的应用领域和展望人-机-环境系统工程的光辉前景等五个方面,全面阐述了钱老精心指导人-机-环境系统工程的创立及发展的全部历程。

  1 指导人-机-环境系统工程的及时创立

  1979年11月30日,钱老在上海理工大学系统科学与系统工程研究所成立大会上的讲话中指出:“在系统工程的实践当中,它总离不开人的因素。可以概念地说,我把人也包括在系统里面了,但是具体你怎么办?人太复杂了,现在还没有一个通用的理论可以预计人的行为。”[2]

  根据钱老提出的应该“把人也包括在系统里面”的指导思想,航天医学工程研究所的陈信、龙升照,通过深入学习钱老关于系统科学和系统工程的科学思想,并在钱老的亲自指导下,通过总结我国载人航天预先研究的实践经验,同时也对国内外相关领域的研究情况进行了认真分析,于1981年撰写了《人-机-环境系统工程概论》一文[3],概括提出了人-机-环境系统工程的科学概念,用系统科学的思想和系统工程的方法,将人、机、环境三大因素包含在同一个系统之中,并提出了实现三大因素最优组合的途径。这不仅标志着人-机-环境系统工程这门新兴科学的形成,而且也实现了钱老提出的应该“有一个通用的理论可以预计人的行为”的设想[4]

  1985年10月21日,钱老在航天医学工程研究所的讲话中非常高兴地说:“人-机-环境系统工程,这是一项很重要的工作,因为过去我们对精神与物质,主观与客观,人与武器,这些问题只能从哲学的角度论述,要具体化好像就没有办法,不能定量,也不能严格地科学地分析,虽然从哲学的角度说,那些话都是对的,但是要具体地用,比如,用到国防科学技术方面,那就不是一个科学问题了,用科学的方法,计算的方法,分析的方法不能解决这个问题。但是,这么一个状态到最近10年我看开始有了变化,主要是由于自然科学技术的发展,对于人,在人的生理、功能、心理以至于脑科学方面的发展。然而在这些发展的同时还有另一方面的发展——就是系统科学的发展,它可能把这各个领域里的发展综合起来,由量变到质变,产生一个飞跃。你们所(指航天医学工程研究所)提出来的人-机-环境系统工程,把人、机器跟整个客观环境连在一起来考虑,这就跟单个考虑人、考虑环境不一样,这就是辩证法,综合了,辩证统一了。因此,你们所提出这个问题——人-机-环境系统工程——对于国防科学技术是有深远意义的。” [5]

  2 强调人-机-环境系统工程的重要作用

  1985年10月28日,钱老在航天医学工程研究所的讲话中指出:“接前两次讲过的,我在这儿一直宣传,就是同志们的工作对今后科学的发展以至国家建设都具有重要的意义。……作为应用研究所,你们的人-机-环境系统工程的发展,肯定是一次技术革命,不管我们是否认识到这个高度,……人-机-环境系统工程研究确实非常重要。” [6]

  钱老所强调的人-机-环境系统工程研究确实非常重要,主要包含三个方面的内涵[7][8][9][10]

  第一,它为人类社会的健康和可持续发展提供了科学方法。应该说,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2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(见图3)。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,推动社会生产力的全面发展。

  

  第三,人-机-环境系统工程为国防现代化建设和部队战斗力的提高提供了切实可行的技术途径。

  众所周知,在任何战争中,武器装备是进行战争的物质基础,是决定战争胜负的基本条件。但是,任何武器装备必须靠人去掌握和操纵,而且它也只能在特定的作战条件下才能发挥其性能。因此,武器装备只是一种可能的战斗力,它只有同人和环境有机结合,才能成为现实的战斗力。所以,正确处理人、武器装备、作战环境三个基本要素的关系,历来都是提高部队战斗力的关键(见图4)。只要我们在军事领域积极应用人-机-环境系统工程理论,就能为国防科学技术的发展和部队战斗力的提高产生积极作用。

  


   

  3 促进人-机-环境系统工程的蓬勃发展

  1985年10月21日,钱老在航天医学工程研究所的讲话中指出:“国防科工委(现总装备部)指示科技委下个月下旬要开一个会,国防科技的发展战略讨论会。我觉得你们所在那个讨论会上应该有一个报告,讲为什么我们在中国要发展人-机-环境系统工程,它对我们国家国防技术发展的意义。科技委的会11月20日召开,你们研究所的报告无论如何要在11月中旬准备好、印好。我今天讲一讲这么一项任务,确实很重要,对于我们中国的国防科学技术的发展战略是很重要的问题,请大家努力吧。”[5]

  按照钱老的这一指示,其后由龙升照主笔撰写了题为《加强人-机-环境系统工程研究,促进武器装备研制的发展》的报告[11],并由陈信同志在战略讨论会上进行了宣读。其后,又由龙升照同志对《武器装备人-机-环境系统工程研究》进行了项目论证。1986年5月,总装备部将“武器装备人-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,总装备部成立了人-机-环境系统工程专业组;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,而且从1993年起,每2年都要召开一次全国人-机-环境系统工程学术会议,至今已召开了七届;而且还分别从每次学术会议中精选出一批比较优秀的论文,分别编辑出版《人-机-环境系统工程研究进展》,在全国公开出版发行,目前已出版了七卷。所有这些,都标志着人-机-环境系统工程研究在我国已有了蓬勃的发展。这一切,都与钱老的关心和指导密不可分。

  4  明确人-机-环境系统工程的应用领域

  1993年10月22日,钱老在给龙升照的信中指出:“我收到您主编的《人-机-环境系统工程研究进展(第一卷)》,翻看了之后,感到非常高兴,1985 年秋提出的一个想法(这里是指钱老1985年10月21日在航天医学工程研究所的讲话),现在8年之后已赫然成书,500 多页的巨卷!而且研究范围已大大超出原来航天,内容涉及航空、航天、兵器、电子、能源、交通,电力、煤炭、冶金、体育、康复、管理等领域!你们是在社会主义中国开创了这门重要现代科学技术。” [1]钱老这段饱含深情的话语,为人-机-环境系统工程的应用领域描绘了一幅光辉无比的宏伟蓝图。

  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。根据钱老上面指出的应用领域,表1列出了它们的人-机-环境系统特点。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[4]


  表1  人-机-环境系统工程应用领域一览表

应用领域

应用对象

  人-机-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、……)

  ……

  ……

  ……

  ……

  ……

  ……

  ……

  ……

  ……

  

       5 展望人-机-环境系统工程的光辉前景

  1986年2月28日,钱老在航天医学工程研究所的讲话中指出:“我们中国人也别老看不起自己,可以说我们在人-机-环境系统工程以及航天医学这些方面的学术观点、学术思想当前在世界上是领先的,不是落后的!”[5]

  钱老为什么认为人-机-环境系统工程的学术思想在世界上是领先的?为了回答这个问题,我们不妨先对国外相关领域的研究概况做一简要叙述[12]

  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,人与机器的矛盾也日益尖锐。为了充分发挥人的作用,国外先后产生了一些研究人和机器相互关系的学科。美国有人的因素(Human Factors)、人体工程学(Human Engineering)、人的因素工程(Human Factors Engineering)、人-机系统(Man-Machine)等众多的学科名称,西欧有工效学(Ergonomics)之称,前苏联及东欧有工程心理学(Engineering Psychology)之称。这些学科对于推动科学技术的发展起到了非常重要的作用。但是,由于它们的研究重点是让人如何适应机器、适应环境,而对于机器的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思路来全面解决人、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[13]。该报告承认,20 世纪70 年代由于单纯依靠过去20 年的数据而放松了基础研究,因而导致若干设计和研制的重大失误。于是,对科研部署做了一些调整,但仍未摆脱传统框框的束缚。直至1996 年,美国国防部在它的《国防技术计划》中还无可奈何地指出[14],“几年来,已采集了大量的有关人体机能的数据,但是,这些数据既不能为设计集成界所利用,也很难找到并加以解释。结果,‘(系统)集成’总是要在设计过程后期完成,且其鉴定要依赖于昂贵的实物样机。”另外,美国的IEEE 学会也对美国的这种研究现状提供了一个很好的例证。20世纪50年代,该学会有一种期刊名为IEEE Transactions on Human Factors in Electronics(电子学中人的因素);60 年代,该期刊改名为IEEE Transactions on Man-Machine System(人-机系统);70 年代,该期刊又与另一期刊 IEEE Transactions on System Science & Cybernetics(系统科学与控制论)合并,改名为 IEEE Transactions on System,Man, and Cybernetics(系统、人与控制论)。该名称一直沿用至今,并又将它分为三个部分(分卷)出版:Part A, System and Human(系统与人);Part B, Cybernetics(控制论);Part C, Applications and Reviews(应用与述评)。由此可见,虽然他们想从系统的高度来考虑问题,但又苦于没有办法。因此,他们对于如何来阐述这个十分复杂的研究领域,也显得十分茫然。

  人-机-环境系统工程正是针对以上现实而提出,它不但包括的内容更广泛(尤其是环境因素的考虑),而且更是特别强调从系统总体的更高层次来处理问题。

  正是基于以上事实,2001年6月26日,钱老在给龙升照的信中又指出:“20年来,你们在人-机-环境系统工程这一新兴科学领域进行了积极的开拓和探索,并取得了非常可喜的成绩,我感到由衷的高兴。希望你们今后再接再励,大力推动人-机-环境系统工程理论及应用的蓬勃发展,为中国乃至世界科学技术的进步作出积极贡献!”

  6 结论

  毛泽东同志早就强调指出:“我们中华民族有自立于世界民族之林的能力”。我们深信,只要我们不断以钱老有关人-机-环境系统工程的重要学术思想为指导,就可以极大地推动人-机-环境系统工程理论及应用的蓬勃发展。这不仅对中国,乃至对世界科学技术的进步,必将作出积极贡献!

  参考文献

  [1] 钱学森院士致龙升照同志的函.龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第二卷),北京:北京科学技术出版社,1995:靡页

  [2] 钱学森院士在上海理工大学系统科学与系统工程研究所成立大会上的讲话. 中国科学院系统科学研究所-上海理工大学系统科学研究院成立暨上海理工大学系统科学与系统工程研究所建所25周年文集,2005

  [3] 陈信,龙升照. 人-机-环境系统工程学概论.论文汇编(3),航天医学与医学工程研究所,1981;自然杂志,1985, 8(1)

  [4] 龙升照,黄端生等著. 人-机-环境系统工程理论及应用基础. 北京:科学业出版社,2004

  [5] 钱学森同志关于人-机-环境系统工程的重要论述. 龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第五卷),北京:海洋出版社,2001

  [6] 钱学森院士致龙升照同志的函. 龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第六卷),北京:海洋出版社,2003:靡页

  [7] 候静. 钱学森关注“人-机关系”——访人-机-环境系统工程专家龙升照. 科技日报,2001/12/14

  [8] 龙升照. 人-机-环境系统工程理论及其在生产力发展中的意义. 龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第一卷),北京:北京科学技术出版社,1993

  [9] 龙升照. 人-机-环境系统工程理论在科学技术发展中的地位及应用前景分析. 龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第四卷),北京:海洋出版社,1999

  [10] 龙升照. 人-机-环境系统工程的过去、现在与未来——纪念人-机-环境系统工程创立20周年. 龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第五卷),北京:海洋出版社,2001

  [11] 龙升照. 人-机-环境系统工程与一些相关学科的关系. 龙升照主编:人-机-环境系统工程研究进展(第六卷),北京:海洋出版社,2003

  [13] Research Needs for Human Factors, U.S. National Academy press, Washington, D.C.,1983

  [14] 美国国防部国防技术计划. 中国国防科技信息中心,1996

   

  【作者简介】龙升照,男,汉。1942年11月5日生。江西吉安人。1965年上海科学技术大学自动化系毕业。航天医学工程研究所工效学研究室原主任、研究员、博士生导师,中国系统工程学会人-机-环境系统工程专业委员会主任,北京市海淀人-机-环境系统工程研究会理事长。1981年,在著名科学家钱学森的亲自指导下,与陈信研究员共同创立了人-机-环境系统工程理论。1982年,根据人的思维特点,用模糊逻辑方法,创建了人的模糊控制模型。1986年8月至1987年8月,赴美国Tufts大学进行研究和进修。从1992年10月起,享受国务院授于的政府特殊津贴(1993年1月获政府特殊津贴证书)。1993年10月,筹备组建了中国系统工程学会人-机-环境系统工程专业委员会,并于1993,1995,1997,1999,2001和2003年分别主持召开了第一届至第七届全国人-机-环境系统工程学术会议;与此同时,还于1998,2000,2002,2004,2006年分别主持召开了第一届至第五届全国人的可靠性和人-机-环境系统可靠性专题研讨会。

  1994年至1999年,在我国载人航天工程中任飞船工程设计的工效学要求与评价分系统主任设计师,参与了技术经济可行性论证、方案论证、方案研制、模样研制、初样研制和正样研制的全过程,为我国的载人航天事业作出了积极贡献。

  作为项目负责人,已获国家科技进步三等奖1项、部委级科技进步一等奖1项、部委级科技进步二等奖2项、部委级科技进步三等奖6项。代表性著作有《人-机-环境系统工程学》、《人-机-环境系统工程理论及应用基础》,并主编出版了《人-机-环境系统工程研究进展》第一卷至第七卷。国内外公开发表学术论文70余篇。

   

  (文献来源:《钱学森系统科学思想研究》p146~153,上海交通大学出版社,2006)