1、人- 機-環境系統工程理論及其在生產力發展中的意義龍升照(北京航天醫學工程研究所)眾所周知，在任何生產過程中，生產機器是進行各種生產的物質基礎，是提高生產力的基 本條件。但是，任何機器都必須靠人去掌握和操縱，而且人和機器又都處于各種特定環境下工 作。所以，生產機器只是一種可能的生產力，它只有與人和工作環境有機結合才能成為現實的 生產力。因此，為了極大提高社會生產力，就必須根據馬克思主義的辯證唯物論原理，并充分 運用現代科學技術的精華，把精神與物質、主觀與客觀、人與機器的關系從哲學高度的一般定 性描述逐步過渡到定量描述，既要有科學理論的依據，也要有科學記錄的方法，更要有發揮人 積極作用的措施。人

2、 - 機- 環境系統工程理論的積極應用及蓬勃發展，就能使人對生產機器有意 識活動的研究，在人體科學、生理學、心理學、工效學、人的因素、工程技術和環境科學等研 究的基礎上，有了一個新的由定性到定量、由感性認識朝著科學實驗研究發展的飛躍，為生產 力的發展提供可靠的科學技術手段。本文扼要闡述人 -機- 環境系統工程理論的的形成和發展、研究內容和方法，并對其在生產 力發展中的意義進行初步分析。一、人 - 機-環境系統工程理論的形成和發展嚴格地講，人 - 機-環境系統工程作為一種理論， 作為一門科學的出現，是八十年代初的事。 但是，人 -機-環境系統工程的古老根源可以追溯到人類的早期活動。所以，人- 機

3、- 環境系統工程的形成和發展是經過漫長的歷史階段。從遠古時代起，人類一代一代地不斷改善勞動工具，直至大規模使用機器，以提高人戰勝 自然、改造世界的能力。當人類最初使用簡單工具進行大量和笨重的體力勞動時，客觀上就提 出了人 -機- 環境系統的最優化組合問題。十八、十九世紀的第一次工業革命及其隨后的能源革 命，使人類進入了機器時代，人們所從事的勞動在復雜程度和負荷量上都有了很大變化，開始 形成人、機、環境的復雜關系。二十世紀初，英國的泰羅( F.w.Taylor )提出要研究人的操作 方法，并從管理的角度制定了相應的操作制度，人們把它稱之為“泰羅制” 。后來，人們開始有組織地對人、機、環境三者之間

4、的關系進行實驗研究，并積累了大量有 關數據。 40 年代，特別是第二次世界大戰期間，各種新式武器不斷出現，性能也日趨復雜； 50 年代，電子計算機的應用迅速發展； 60 年代，載人航天活動取得了突破性的進展。這一切，使 人、機、環境相互關系問題的研究就顯得更為突出。 因此，先后出現了人的因素 ( HumanFactors )、 人體工程學 (Human Engineering )、工程心理學 (Engineering Psychology )、工效學 ( Ergonomics )、人的因素工程( Human Factor Engineering )、人 - 機系統( Man-Machine S

5、ystem) , 等眾多的學科名稱，并從不同側面、不同角度積累了人、機、環境的實驗數據及 經驗，為人 - 機-環境系統工程理論的形成創造了條件。但是，在這個時期，研究工作的重點是 讓人如何適應機器、適應環境。而對于機器設計如何適應人的特點和需要，以及如何改造和控 制環境等問題雖然有所認識，但是缺乏用系統的整體觀點來全面解決人、機、環境的相互關系 問題、雖然有了關于人、機、環境的各種數據，但如何運用這些數據，仍然是憑經驗進行，因 而難以取得最佳效果。1980 年末，美國科學院應陸、海、空三軍的要求，組成一個專門委員會，著重分析和研究 該領域的研究現狀，并于 1983 年 1 月提出了題為人的因素

6、研究需求的專門報告 2 。該報告 承認， 70 年代由于單純依靠過去二十年的數據而放松基礎研究，因而導致若干設計和研制的重 大失誤。于是，對科研部署作了一些調整。但是，由于缺乏先進的科學理論作指導，故仍未擺脫傳統框框的束縛。1981 年，我們根據載人航天預先研究的實踐，同時也對國內外情況進行了人認真分析，在 錢學森同志系統科學思想的啟發和親自指導下，概括提出了人 -機- 環境系統工程的科學概念， 標志著這門新興科學的形成 1 。人-機-環境系統工程是運用系統科學理論和系統工程方法，正確處理人、機、環境三大要 素的關系，深入研究人 -機-環境系統最優組合的一門科學，其研究對象為人- 機- 環境系

7、統，系統中的“人” ，是指作為工作主體的人（如操作人員或決策人員）；“機”，是指人所控制的一切對象（如汽車、飛機、輪船、生產過程 , 等）的總稱； “環境”，是指人、機共處的特定工作 條件（如溫度、噪聲、震動、有害氣體 , 等） 。人-機-環境系統工程的最大特點是，它把人、機、環境看作是一個系統的三大要素，在深 入研究三者各自性能的基礎上， 著重強調從全系統的總體性能出發， 通過三者之間的信息傳遞、 加工和控制，形成一個相互關聯的復雜巨系統，并運用系統工程的方法，使使系統具有“安全， 高效、經濟”等綜合效能 3 。所謂“安全” ，是指不出現人體的生理危害和傷害，并盡量減少事 故的發生；所謂“高

8、效” ，是指全系統具有最好的工作性能或最高的工作效率；所謂“經濟” ， 就是在滿足系統技術要求的前提下，系統的建立要花錢最少，也即保證系統的經濟性。此外， 人- 機- 環境系統工程還拋棄以往把環境作為干擾因素的消極觀點，積極主張把環境作為系統的 一個環節，并按系統的總體要求對其進行全面的規劃和控制。這樣一來，人- 機- 環境系統工程不僅把人的因素、人體工程學、工程心理學、工效學、人的因素工程、人- 機系統 , 等學科納入一個統一的科學框架，避免概念和術語的混亂，而且從系統的總體高度研究人-機- 環境系統各種組合方案的優劣，改變以往分散、孤立的研究局面，把人們設計和研制人- 機- 環境系統的實踐

9、活動推向一個嶄新階段。應該強調指出的是，人-機- 環境系統工程的提出，并不是對上述各學科的否定或取代，而是把這些大致相似或相輔相成的研究范疇提到一個更高的層次、更廣 的視野去分析和綜合，從而把該領域的研究水平推進到一個新水平。人-機-環境系統工程提出后， 我國先后在軍工及其他有關部門得到了應用和發展 4-8 。國內 學術刊物如自然雜志和國際航空等也發表了本科學的有關論文。在有影響的報刊上， 如解放軍報 、中國科技報 、北京科技報 、經濟日報和國防科技要聞上也有這門 科學的內容簡介和科技短文，人 - 機- 環境系統工程已逐漸被廣大科技界所熟悉。1984 年 10 月，國防科工委成立了人 -機-環

10、境系統工程標準化技術委員會；1986 年 5 月，國防科工委將武器裝備的人 -機- 環境系統工程研究列為國防科技應用、 基礎研究重點項目；1987 年 4 月，國防科工委成立了人 - 機-環境系統工程專業組；1988 年 4 月，北京航空航天大學成立了人 -機- 環境系統工程研究所；1993 年 10 月，中國系統工程學會人 - 機-環境系統工程專業委員會成立，并于北京召開了 第一屆全國人 -機- 環境系統工程學術會議。人-機-環境系統工程問世后，在國際上也引起了很好反響。1984年 10月，人 -機-環境系統工程理論在第三十二屆國際航空、航天醫學會議上發表后 9 ，得到了各國學者的熱情關注和

11、 好評。學者們認為，用人 - 機- 環境系統工程理論來指導研究工作，很有創造性；同時還認為， 把人、機、環境作一個系統整體來研究，的確是一個創舉，它為實踐提供了新的模式。葡萄牙 國還把它編入當年的軍事醫學年鑒；美日學者也很重視這一科學理論，他們說這是中國人的創 造，表示愿意與我國在此領域進行宏觀上的學術交流；墨西哥一學者將本學科內容向他的學生 講授，引起大學上們極大的興趣；日本學者齋藤一郎來華訪問時，與我國學者進行了這方面的 學術交流及參觀活動，回國后在日本“宇宙航空環境醫學”雜志上發表文章，贊揚本學科在中 國的發展。綜上所述，本世紀 40年代之前，是人 -機-環境系統工程的萌芽期； 40 年

12、代至 70年代，是 準備期； 80 年代初，人 -機-環境系統工程開始進入真正發展期。目前，人-機-環境系統工程雖處于初期階段，但其蹤跡卻已深入到人類生活的各個領域。它的不斷發展和日趨完善，必將在 科學技術的發展中發揮其積極作用。2二、人-機-環境系統工程的研究內容和方法1.研究內容3人-機-環境系統工程的研究內容可用圖 研究、機的特性的研究、環境特性的研究、人人人機關系機機-環關系壞境人-環關系人-機-壞境圖1人-機-環境系統工程研究范疇示意圖1來形象描述，它包括七個方面，也即：人的特性-機關系的研究、機-環關系的研究、人-機-環境系統總體性能的研究。現將這七個方面的部分研究要 點簡述如下：

13、（1）人的特性研究 例如，人的工作能力研究； 人的基本素質的測試與評價；人的體力負荷、腦力負 荷和心理負荷研究；人的可靠性研究；人的數學模型（控制模型和決策模型）研究；人體測量技術研究； 人員的選拔和訓練研究。（2）機的特性的研究 例如，被控對象動力學的 建模技術；機器的防錯設計研究。（3）環境特性的研究 例如，環境檢測技術的研 究；環境控制技術的研究；環境建模技術的研究。（4）人-機關系的研究 主要包括靜態人-機關系 研究、動態人-機關系研究和多媒體技術在人 -機關系 研究中的應用等三個方面。 靜態人-機關系研究主要有 作業域的布局與設計；動態人-機關系研究主要有人、機功能分配研究（人、機功

14、能比較研究；人-機界面設計及評價技術研究）。（5）人-環關系的研究 例如，環境因素對人的影響；個體防護措施的研究。（6）機-環關系的研究 例如，環境因素對機器性能的影響；機器對環境的影響。（7）人-機-環境系統總體性能的研究 例如，人-機-環境系統總體數學模型的研究；人 - 機-環境系統全數學模擬、 半物理模擬和全物理模擬技術的研究； 人-機-環境系統總體性能 （安 全、高效、經濟）的分析、設計和評價。2.研究方法人-機-環境系統工程的研究方法可以概括為四句話、24個字，也即：基于三個理論（控制論、模型論、優化論）、分析三個要素（人、機、環境）、歷經三個步驟（方案決策、研制生產、 實際使用）、

15、實現三個目標（安全、高效、經濟） 。（1）基于三個理論人-機-環境系統工程是一門綜合性邊緣技術科學，為了形成其理論體系，它從一系列基礎學科中吸取了豐富營養，并奠定了自身的基礎理論。人-機-環境系統工程的基礎理論可以概括為控制論、模型論和優化論 控制論 控制論的根本貢獻在于，它用系統、信息、反饋等一般概念和術語，打破了有 生命與無生命的界限，使人們能用統一的觀點和尺度來研究人、機、環境這三個物質屬性本是截然不同、互不相關的對象，并使其成為一個密不可分的有機整體。 模型論 模型論能為人-機-環境系統工程研究提供一套完整的數學分析工具。很顯然， 人-機-環境系統工程不僅要求定性，而且要求定量地刻劃全

16、系統的運動規律。為此，就必須針對不同客觀對象，弓I入適當數學模型，并通過建模、參數辨識、模擬和檢驗等步驟，用數學語 言來闡明真實世界的客觀規律。 優化論 優化論的基本出發點是， 在人-機-環境系統的最優組合中， 一般總有多種互不 相同的方法和途徑，而其中必有一種或幾種最好或較好的，這樣一種尋求最優途徑的觀點和思路，正是人-機-環境系統工程的精髓。優化論正是體現這一精髓的數學手段。（2）分析三個要素我們對人、機、環境三個要素進行分析，主要是研究如何運用這三個要素來構成我們所需的、具有特性功能的人-機-環境系統。通常，根據各種系統的性能特點及復雜程度，我們將人-機-環境系統分為三種類型： 簡單（或單人、單機）人-機-環境系統 在這種系統中，一名操作人員只使用一臺機器 在特定環境中工作，其情況如圖2所示。現行的汽車、火車、飛機”等都屬于這類系統。圖2簡單人-機-環境系統示意圖5# 復雜（或多人、多機）人-機-環境系統 這類系統的特點是，一名操作人員可以操作兩臺以上的機器，或者是一臺或多臺機器同時可以被幾名操作人