人-机-环境系统工程 (MMESE)

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人-机-环境系统工程与一些相关学科的关系

  

      -机-环境系统工程与一些相关学科的关系

  龙升照

  (北京航天医学工程研究所)

   

  一、问题的提出

   

  1981年,在著名科学家钱学森的亲自指导下,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。钱学森同志对这门新兴科学给予了极高评价。他于1993年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。”[1]

  人-机-环境系统工程作为一门新兴科学,它与一些相关学科有哪些联系和区别,它的开创性究竟在哪里?为了回答这些问题,我们不妨先对国外相关领域的研究概况作一简要叙述。

  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 Factor Engineering)、人-机系统(Man-Machine System)等众多的学科名称,西欧有工效学(Ergonomics)之称,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[2]。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,对科研部署作了一些调整,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,“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。” [3]另外,美国的IEEE杂志也提供了一个很好的例证。20世纪50年代,该杂志有一种汇刊名为 IEEE Transactions on Human Factors in Electronics(电子学中人的因素);60年代,该汇刊改名为 IEEE Transactions on Man-Machine System(人-机系统);70年代,该汇刊又与另一汇刊 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3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。

  应该强调指出的是,人-机-环境系统工程正是针对以上现实而提出。它的诞生虽然与人的因素、人的因素工程、工效学、人-机系统……等相关学科有关,并从这些学科中汲取了丰富的营养,但它高于这些相关学科。它不但包括的内容更泛(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。

  牛顿曾经说过,“假如我能比别人了解得略为远些,那是因为我站在巨人的肩膀上。” [4]同样,人-机-环境系统工程的提出,并不是对其他相关学科的否定或取代,而是要把这些大致相近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,从而把人们的认识水平推进到一个崭新阶段。

  正是基于上述事实,本文重点在于阐述人-机-环境系统工程与一些相关学科(如工效学、人-机系统和环境医学)的联系与区别,并不断汲收和借鉴其他相关学科的研究成果,从而加速人-机-环境系统工程理论及应用的蓬勃发展。

   

  二、与工效学的关系

   

  工效学(Ergonomics)是第二次世界大战以后发展起来的一门科学。工效学的英文名称是Ergonomics.这个词是由希腊词“ergon”(即工作或劳动)和“nomos”(即规律或规则)复合而成。因此,工效学可以定义为是研究人的工作规律的一门学科。它的早期研究主要集中于人体测量和人的生物力学特性。后来,其研究内容有所扩展。它目前已包含了有关人的能力、人的局限性等方面的内容。而且,美国已将人的因素(Human Factors)与工效学(Ergonomics)等效使用。[5] 

  为了阐明人-机-环境系统工程与工效学的关系,我们兹将人-机-环境系统工程的研究内容作一简要叙述。

  众所周知,人-机-环境系统工程的研究内容主要包括7个方面(见图1):①人的特性的研究;②机器特性的研究;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。[6]

  从人-机-环境系统工程的研究内容可以看出,人的特性的研究与工效          学的研究内容有很大联系。很显然,为了对人-机-环境系统的总体性能(安全、高效、经济)进行分析、设计与评估,首先就必需对人的特性有充分的了解,也即必需从工效学或人的因素角度对人的特性进行全面研究,只有这样,才能实现人-机-环境系统工程的基本目标。

  人-机-环境系统工程与工效学的最大区别在于,它是从系统总体的高度来处理人、机、环境三大因素的关系,而不单独强调人的因素或工效学要求的最优化。这是因为,按照人-机-环境系统工程的观点,单个因素优良,并不能确保系统整体性能的优良,系统的各个要素都要按系统的总体性能进行规化,有的指标甚至要作出一些让步。[7]美国阿波罗登月舱的设计就是一个明显例证。[8]最初的设计方案,两名航天员是坐着的,即使开了四个窗口,航天员在座位上的视野也非常有限,如果以倾斜姿态下降登月,航天员将不能直接看到着陆地点的情况;如果要垂直登月就更看不到月面情况,所以这个方案既不安全工作效率又不高,而且登月舱也重。其后足足花了两年时间也未找出一个理想方案,大家都为这些问题没有得到解决而苦恼,争论也相当激烈。一位工程师则抱怨说,航天员座位太重、占的地方太大!另一位工程师马上接着说,登月舱从母舱下降到月面大约只有一小时或更短些,为什么非要坐着?!就不能站着进行这次短途旅行吗?出人意料,这个牢骚却为一种新的设计方案打开了思路,当即大家同意“站着”的方案。这样,航天员可把眼睛贴近窗口,既缩小了窗口面积,又扩大了视野,整个座舱的重量也减轻了。这真是一个安全、高效、经济的设计方案。这个例子告诉我们,人并不一定要处于“最佳”工作状态,他从系统的一个局部稍许作点“让步”,就换来了系统整体的极大优越性。但是在这个时期,由于没有人-机-环境系统工程理论作指导,人们只是从人的因素(工效学)的角度来满足人的工作要求,缺乏从系统总体来考虑问题,因而使设计工作走了弯路。因此,人-机-环境系统工程既强调从工效学(也即人的工作规律)的角度获得有关人的特性的各种数据,但更强调从系统的总体高度来利用这些数据,从而使人-机-环境系统满足“安全、高效、经济”的综合效能。

  在我国,有些学者将Ergonomics 一词翻译为“人机工程学”或“人机工程”。[9]

   

  三、与人-机系统的关系

   

  人-机系统(Man-Machine Systems)是研究人与机器相互作用的一门学科。[1011]-机系统的研究内容与人-机-环境系统工程中人-机关系的研究内容有许多交叉(见图1)。但是,人-机-环境系统工程研究与人-机系统研究存在很大区别,主要表现为两个方面:

  第一,人-机-环境系统工程研究首先特别强调机(包括工具、机器和计算机)的设计要符合人的要求(也即“机宜人”),然后再强调通过选拔和训练使人去适应机器(也即“人宜机”)。但是,人-机系统研究却主要着眼于“人宜机”方面。1996年的美国《国防技术计划》指出:“人-机系统技术领域荟萃了人体科学、生理学、生物学、行为科学以及生物工程学等学科,涉及人在作战活动中的方方面面。……人-机系统技术提供了保证恰当地选拔、训练、装(配)备和保护能适应(作战)发展趋势的所有部队人员所需的机会和技能。 [3]由此不难看出,人-机系统的研究重点是侧重在“人宜机”。

  第二,人-机-环境系统工程研究特别强调将环境因素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;人-机系统研究则将环境作为一种干扰因素而置于系统之外,其结果将会导致严重后果。例如,据英国媒体报导,[12]英军于2001年秋,在阿曼举行了一次历时3个月、代号为“快剑”的军事演习,以检验英军的运征作战能力。其结果为:“挑战者二型”坦克仅投入战斗4小时就因过滤器被沙尘堵塞而抛锚,一半坦克不得不撤出战斗;“山猫”直升机的转轴叶片在欧洲气候条件下工作寿命为500小时,而在沙漠中只能维持27小时;……士兵的军服和军靴,由于酷热而熔化解体,有人因此而足部溃烂。据此可见,只有将人、机、环境三大因素进行综合考虑,才能确保系统的优良性能。而且,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,有的可获取最佳值,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,使人们的生产实践活动始终沿着科学的道路前进。

   

  四、与环境医学的关系

   

  环境医学(Environment Medicine)是研究环境因素对人群健康影响的一门学科。[13]它以环境和人群健康为对象,阐明环境中存在的对人体系健康有害的因素,揭示环境污染、破坏及致病因子的形成条件和对人体作用的规律与损伤的早期反应及危害。从图1可以看出,环境医学的研究内容与人-机-环境系统工程中人-环关系的研究内容有些类似。但是,人-机-环境系统工程研究与环境医学研究存在两个明显区别:

  首先,人-机-环境系统工程研究所涉及的环境变化范围比较宽广,并将环境因素对人的影响划分为四个界限:舒适限、工效限、耐受限和安全限。而环境医学研究则致力于寻求环境因素的致病条件,它更多地是在耐受限和安全限范围内考虑问题。因此,人-机-环境系统工程能站在更高的角度、更广的范围来处理人与环境的关系。

  此外,人-机-环境系统工程研究特别强调复合环境因素对人的影响。众所周知,人类总是生存在多因素同时作用或相继作用的环境之中;而且,多种环境因素对人体的作用,会产生单一因素不能替代的复合效应,主要包括作为复合效应表现形式的交互作用(相加、协同、拮抗)以及人体反应。因此,研究多种环境因素对人体的复合作用,对于阐明人与环境的关系、环境因素对人体的作用特征与规律,不仅更符合客观的存在,而且更具有实际的应用价值。

   

  五、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,以人-机-环境系统工程理论为指导,不断汲取和借鉴其他相关学科的研究成果,不仅能够逐步完善人-机-环境系统工程的理论体系及研究方法,而且可以极大推动人-机-环境系统工程的广泛应用。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. 钱学森同志对《人-机-环境系统工程研究进展(第一卷)》的评语(代序). 见: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

  2.Research needs for human factors. U.S. National Academy Press, Washington, D.C.,1983

  3.美国国防部国防技术计划. 中国国防科技信息中心,1996

  4.李德滨编著. 成功的“秘诀”---科学发明趣话.北京:中国青年出版社,1980

  5.Alphohse Chapanis.Human factors in systems engineering. Wiley Press,1996

  6.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

  7.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

  8. 商平安. 一语点破——阿波罗设计趣谈. 航天,No.3,1981

  9. 赖维铁.人机工程学(第二版).武汉:华中理工大学出版社,1997

  10. Thomas B. Sheridan. Man-machine systems: information, control and decision models of human performance. MIT

  Press, 1974

  11.William B. Rouse. Advances in man-machine systems research.

  12.李庆庆. 英军装备怕进沙漠. 中国电视报(国际节目版),No.16,2002

  13.蔡宏道,鲁生业主编. 环境医学. 北京:中国环境科学出版社,1990

   

  【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。1993年1月被国务院授于享受政府特殊津贴证书。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和2001年分别主持召开了第一、第二、第三、第四届和第五届全国人-机-环境系统工程学术会议;与此同时,还于1998,2000,2002年分别主持召开了第一、第二和第三届全国人的可靠性和人-机-环境系统可靠性专题研讨会。

  作为项目负责人,已获国家科技进步三等奖1项、 部门科技进步一等奖1项、部门科技进步二等奖2项、部门科技进步三等奖6项。代表性著作有《人-机-环境系统工程学》, 并主编出版了《人-机-环境系统工程研究进展》第一、二、三、四、五卷。国内外公开发表论文60余篇。

   

  (文献来源:《人-机-环境系统工程研究进展(第六卷)》,海洋出版社,2003)