1、人機環境系統工程理論發展及應用作者姓名人機環境系統工程理論發展及應用摘要：本文首先介紹了人機環境系統工程的概念，回顧了人機工程技術國內外的研究狀況，指出了人機工程技術研究的應用領域；其次對人機環境系統工程的在各個領域的應用進行了簡單的舉例介紹；最后對人機環境系統工程的前景進行了展望。關鍵字：人機環境工程；MMESE；應用領域1981年，在著名科學家錢學森院士的親自指導下，一門綜合性邊緣技術科學人機環境系統工程（ManMachineEnvironmentSystemEngineering，簡稱MMESE）在中國誕生。錢錢學森院士對這門新興科學給予了極高評價。他于1993年10月22日致函龍升照指

2、出，“你們是在社會主義中國開創了這門重要現代科學技術”。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（如工具、機器、計算機、系統和技術）的總稱；“環境”，是指人、機共處的特定工作條件（如溫度、噪聲、振動）。系統最優組合的基本目標是“安全、高效、經濟”。所謂“安全”，是指不出現人體的生理危害或傷害，并避免各種事故的發生；所謂“高效”，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

3、足系統技術要求的前提下，系統的建立要投資最省。1. MMESE的產生背景人類社會發展的歷史，就是一部人、機（包括工具、機器、計算機、系統和技術）、環境三大要素相互關聯、相互制約、相互促進的歷史，其情況如圖1所示。由于環境的影響，高級靈長目動物演變成為人類；人類的誕生導致了機的出現；機的出現又產生了新的環境；新的環境又在影響人類的生活、工作和生存。時至今日，當人們沉浸在享受高科技帶來的社會繁榮之際，卻也不知不覺地闖入了兩大誤區：在機的設計時，由于漠視了人的特點和要求，致使工作系統效率降低、事故增加，對社會發展造成嚴重影響；在機的設計時，由于漠視了環境的特點和要求，不但影響了機器本身性能的發揮，而

4、且帶來了嚴重的環境惡化，對人類的生活、工作和生存造成重大威脅。今以汽車為例，它的出現，一方面是極大地推動了社會的進步，另一方面卻也給社會帶來了災難，每年死于道路交通事故的人數全世界約有25萬人，同時，它也是造成城市污染的主要因素之一。其他的類似例子也很多。因此，當務之急，就是要研究和探索一套研究人、機、環境三大要素的運行規律及其最優組合的科學方法。人機環境系統工程正是針對這種現實而登上科學技術的歷史舞臺！2. MMESE的顯著特點人機環境系統工程的顯著特點主要有3個：第一、人機環境系統工程特別強調機(包括工具、機器、計算機、系統和技術)的設計要符合人的特點和要求。以往，人們有一種誤解，認為只要

5、機設計出來了，通過選拔和訓練操作人員就可以發揮系統性能。其實，如果機的設計不符合人的生理、心理特點，單純通過選拔、訓練來使人適應機的特性，不但不能確保系統性能的發揮，而且還會導致事故的發生。因此，人機環境系統工程首先是強調機的設計要符合人的特點，然后再強調通過選拔和訓練，讓人去適應機的特點，使人、機協調達到最優化；第二、人機環境系統工程與以往一些相鄰學科（如人的因素，工效學、人機系統）的根本區別之一，就是環境因素不再作為一種被動的干擾因素排斥在系統之外，而是作為一種積極的主動因素納入系統之中，并成為系統的一個重要環節。很顯然，環境既影響人的生存和工作能力，又影響機的性能和可靠運轉。反之，人和機

6、也影響環境的狀態。所以，環境與人、環境與機、環境與系統之間，既存在信息流通、信息加工問題，也存在信息控制問題，這就更加突出了環境在系統中的重要作用。實踐證明，只有把環境作為系統的一個環節，才能從系統的總體高度對環境進行全面的規劃與控制，有的可以消除，有的可以防護，有的可減至允許限度，有的可獲取最佳值，從而使全系統處于最優工作狀態，這就從根本上杜絕了那種先出產品后治環境，或在管理工作中“頭痛治頭、腳疼醫腳”的被動局面，使人們的科學實踐活動始終沿著科學的道路前進；第三、人機環境系統工程以科學的方法論唯物辯證法作指導，特別強調自上而下、由總而細的系統思考方法，遵循系統還原再系統再還原、乃至不斷循環上

7、升的思維程序，把系統觀與還原觀有機結合，不斷推動人機環境系統工程研究往縱深發展。恩格斯曾強調指出：“舊的研究方法和思維方法、黑格爾稱之為形而上學的方法，主要是把事物當作一成不變的東西去研究。必須先研究一個事物是什么，而后才研究過程。必須先知道一個事物是什么，而后才能覺察這個事物中所發生的變化。自然科學中的情形正是這樣。而當這種研究已經進展到可以向前邊出決定性的一步，即可過渡到系統地研究這些事物在自然界本身中所發生的變化的時候，在哲學領域內也就響起了舊形而上學的喪鐘。”人機環境系統工程正是拋棄以往那種只著眼于只要單個要素優良，其整體性能就必然優良的形而上學觀點。而是根據唯物辯證法思想，從系統的總

8、體高度，研究人、機、環境三大要素的相互關系和整體變化規律，從而推動科學技術向前發展。3. MMESE的研究內容人機環境系統工程的研究內容主要包括七個方面（見圖2）：人的特性的研究；機的特性的研究；環境特性的研究；人機關系的研究；人環關系的研究；機環關系的研究；人機環境系統總體性能的研究。（1）人的特性的研究人的工作能力研究；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等。（2）機的特性的研究被控對象動力學的建模技術；機的可操作性研究；機的可維護性研究；機的本質安全性（防錯設計）研究

9、等。（3）環境特性的研究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等。（4）人機關系的研究靜態人機關系研究（作業域的布局與設計）；動態人機關系研究（人機界面研究；顯示和控制技術研究；人機界面設計及評價技術研究；人、機功能分配研究；人、機功能比較研究；人、機功能分配方法研究；人工智能研究）；多媒體技術在人機關系研究中的應用；數字人體在人機關系研究中的應用等。（5）人環關系的研究環境對人影響的研究；人對環境影響的研究；個體防護措施的研究等。（6）機環關系的研究環境對機器性能影響的研究；機器對環境影響的研究等。（7）人機環境系統總體性能的研究人機環境系統總體數學模型的研究；人機環境系

10、統模擬（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）的分析和評價研究；虛擬技術（VirtualReality）在系統總體性能研究中的應用等。4. MMESE的應用領域人機環境系統工程認為，凡是有人參與的工作系統，都可以定義為一個人機環境系統。而且，根據各種系統的性能特點及復雜程度，又可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、復雜（或多人、多機）人機環境系統和廣義（或大規模）人機環境系統。因此，人機環境系統工程雖然是一門新興的邊緣技術科學，但它的蹤跡卻已深入到國民經濟的各條戰線。在各個領域的實際應用中，應根據具體應用對象的各自特點，

11、明確界定人機環境系統的具體功能與內涵，以便取得最佳應用效果。具體應用舉例如下：5. 人機環境系統在航空領域的應用5.1. 在軍機領域的應用5.1.1. 人體測量學方面的研究工作在人體參數測量方面，目前針對大樣本飛行人員尺寸測量已開展工作，取得初步人體尺寸測量數據，提出了中國飛行員體型、側面樣板、救生裝備規格、座艙與座椅的基本尺寸并制定了相應的標準。在地面練習器上用模擬方法測量了飛行員操縱桿、舵的力量。對飛行員的手指運動功能做了評測，并依據評測結果制定了國家軍用標準。5.1.2. 認知能力與工作負荷對飛行員的研究發現，與飛行有關的數字運算、表象旋轉、儀表認讀、方位判斷和雙重作業能力在29歲之后有

12、明顯下降，短時記憶力在35周歲后明顯下降，提示在座艙人機界面設計時應充分考慮年齡大的飛行員的能力極限。通過對模擬應急條件下飛行員的反應時間研究，給出了飛行員對規定的聲/光應急信號做出反應并完成規定操縱動作所用的時間，為確定告警方式提供了實驗數據。在對監控操作負荷綜合測評模型的研究中，選用了主作業“準確反應時“準確反應時變化率”，“加權主觀負荷”和心率變化變化率四項指標，通過相關和主觀分析，提出了綜合加權測評指數，并探討了多次任務技術對追蹤負荷的評測敏感性。研究發現當外界負荷超過了人的能力之后，人通過忽略一些任務來降低自己的負荷。在面臨多項任務時，是通過注意力來達到此目的的。紅線是否存在取決于人

13、如何轉移注意力，也取決于系統特性，沒有獨立于工作任務之外的一般規律。5.1.3. 顯示/控制的人機工效目前，我國軍用飛機普遍采用計算機控制顯示技術，用平視儀、下視儀、多功能顯示器等時分制綜合信息顯示系統能夠取代常規機電顯示儀表，采用話音告警技術改進聽覺顯示界面，是新機研制和現役飛機改型中更新信息顯示界面的主要舉措。在儀表顯示方面，研究了幾種國內飛機座艙使用圓形刻度儀表的情況，建議增加數字式、垂直式、水平式顯示，并結合實際采用綜合顯示形式。對于儀表刻度、指針、顯示數字、飛行姿態顯示基準、儀表尺寸和布局也提出了具體建議。同時也對殲擊機和直升機儀表板各區的識別效果做了研究。國內對CRT屏幕亮度、微光

14、環境下的顏色編碼也有過研究。對于HUD的工效學為你，研究了飛行員對不同飛行階段或狀態的信息要求，各儀表信息在不同飛行狀態下的重要性評價等級，以及電/光漢字顯示瞬時量與排列格式。同時為座艙電/光顯示選擇了漢字、用語和縮略詞匯。飛行平顯字符、下顯顏色編碼、色標顯示亮度和顏色編碼范圍等已進行了研究。此外，還對視覺信息的顯示需求程度及其分類進行了研究。顯示器周邊控制軟鍵是可以通過計算機軟件設定其控制功能的按鍵式開關，裝配在多功能顯示器四周，通常有20個。控制軟鍵的功能隨顯示器工作狀態而變化。目前已對控制軟鍵的大小、間距、位置、標識符和排列格式等進行了研究。15.1.4. 飛機駕駛艙作業功效設計與評價技

15、術研究國內在飛機駕駛艙作業功效設計與評價技術方面的工作主要包括：1) 飛機駕駛艙作業功效的數字化評價軟件系統的研制，其中包括中國飛行員人體模型的建立；可視性、可達性的幾何評價；駕駛艙內作業姿勢的評估等。2) 飛行駕駛艙人機環境系統適配性的綜合評價的研究，建立了飛機駕駛艙作業功效評價的評價體系。通過專家調查建立了駕駛艙人機環境系統功效評價的指標體系并確定各指標的權重系數，將改進德爾菲法、G1法和模糊綜合評價法集成對駕駛艙人機環境系統進行綜合評價。在駕駛艙作業功效評價的基礎研究方面，利用動作跟蹤技術研究人體上肢運動規律及其對作業功效的影響；利用視覺信息交互技術，通過對駕駛作業中眼動的研究，探索認知

16、行為對駕駛艙作業功效的影響，將眼動于飛行員情景意識（SA）的研究結合在一起，提高功效評價的有效性，并嘗試了新的評價方法。5.2. 在民用航空上隨著計算機技術、圖形處理技術及液晶顯示技術的飛速發展與日益密切結合,綜合化航空電子技術也取得較大的發展,已進入第四代綜合化模塊化航空電子系統。其重要特征是,傳統的分立式儀表顯示概念已被淡化。綜合顯示處理概念得到空前加強,座艙自動化程度得以提高。系統大量使用多功能彩色顯示器為飛行員提供一個優良的人機接口，顯示屏大量采用傳感器式視覺增強系統和數據庫式合成視覺系統，可以在能見度低的情況下提升情境意識。飛行員可在一個多功能彩色顯示器上獲取經系統核心計算機處理的圖

17、形化信息,如通信導航、飛行參數等。這種顯示信息簡潔、方便,已使飛行員從單純操縱者轉變成座艙資源管理者。集中控制和綜合顯示,能及時響應和集中處理飛行員的各種命令,能根據飛行員操作程序和系統運行狀態準確及時地向飛行員提供各種工作信息或決策信息,從而大大減輕飛行員的工作負荷,提高飛行員快速應變和決策能力。據國際航空運輸協會統計，80%以上的飛行事故與人為因素有關。如何基于飛行機組長期飛行積累的防止差錯的經驗，深入航空器駕駛艙航空電子綜合顯示適航性設計層面，為飛行機組防范與控制人為差錯提供良好的人機交互界面，成為業內關注的課題。由于飛行過程中，源于人機環系統復合作用的根因，使飛行員的差錯在人機環系統中

18、各級子系統及其不同層面造成缺陷，各個根因是可以確定的，缺陷也是確定的；其缺陷之間產生聯結，形成缺陷路徑；誘因觸發，導致事故或事件的發生也是確定的。確定的根因、人誤、缺陷、缺陷路徑，處于一種寄生于人機環系統中的復合狀態，誘因觸發后的瞬間，缺陷路徑形成通路，該復合體發生交互、迭代作用，形成飛行人因事故或事件。只有深入認識航空電子綜合顯示性能指標與飛行機組差錯根因存在的關系，構建民用航空電子綜合顯示方式設計規則，才能很好地把握民用航空電子綜合顯示適航的持續安全性要求。這種管理MANAGEMENT人誤系統復合狀態的變量及參數，非常龐大，基于人因可靠性分析（HRA）的第一代、第二代技術都存在相關參數數據

19、缺乏的“瓶頸”，探求新的數學理論，解決這種復雜系統的問題，已經初見端倪。美國路易斯安那工業大學工業工程系B.J.Kim、意大利米蘭技術學院核工程系MarzioMarseguerra提出了利用模糊數學的理論進行研究的思想，我國南華大學人因研究所提出了灰色系統理論研究人誤的方法、探究了數據挖掘的應用方法。26. 人機環境系統在航天領域的應用人機環境系統還可以對對載人航天環境進行模擬。航天環境模擬既可以真實地復現航天環境，也可以是一種效應模擬，即并不一定完全真實地復現航天環境，而是采用適當的方法僅產生航天環境所形成的效應，使達到同樣的試驗目的1） 航天環境物理量參數模擬如用低壓氣候艙模擬載人航天器乘

20、員艙內的人工大氣環境(用艙內壓力、溫度、濕度、氣體流動速度、氣體成分等物理量參數來描述)；根據真實飛行所獲得的數據利用載人離心機模擬發射段和返回段乘員艙內的超重過載環境(加速度參數)；失重飛機進行拋物線飛行產生短時間的真實失重環境(微重力參數)；利用空間環境模擬設備的太陽模擬器模擬宇宙空間的太陽輻照環境(光波波長和輻照強度參數)等等32） 航天環境物理效應模擬3） 主觀感覺的模擬為了使航天員獲得在太空中進行艙外作業的方法和技巧，需要在失重環境下對他們進行充分的訓練，這種訓練需要較大的空間和持續較長的時間。但是，在地球表面由于重力的存在，無法在大的空間中獲得真實的持續長時間的失重環境，因此只能采

21、用以主觀感覺等效為目標的模擬方法，即中性浮力模擬方法。訓練時，將受訓者完全浸入水中，用質量配平的方法使他們在水中所受的向上的浮力和向下的重力相互抵消，從而使受訓者呈現隨遇平衡的中性浮力狀態，獲得一種類似在太空失重狀態下的漂浮感，在受訓者的這種感覺狀態下對其進行艙外作業方法和技巧的訓練。44） 航天生理效應模擬用在小型失重水槽中進行人體浸水實驗時，由于水的浮力對人體的作用，被試者會出現一些與失重環境下相似的生理效應，如體液再分配、立位性低血壓、肌肉活動減少和代謝降低等。航天醫學研究人員利用這種模擬方法可以進行航天失重生理學與醫學研究。55） 對駕駛員倉大氣環境進行模擬飛船內環境模擬艙(圖1)可以

22、提供不同的座艙壓力、增壓和減壓速率、氧濃度、CO濃度、溫度及濕度等試驗環境，可用于航天航空環境醫學實驗。6） 應急環境模擬航天飛行中，流星、隕石或空問碎片等擊穿乘員艙以及艙門泄漏等突發事故會導致乘員艙因失去氣密性發生異常減壓而進入壓力應急狀態。在壓力應急狀態中，乘員艙內大氣壓力和氧分壓的持續降低會使航天員發生嚴重急性缺氧及減壓病，如果減壓速度太快還有可能由于人體內臟急速脹氣而產生人體機械性損傷。壓力應急狀態是一種極易導致航天員死亡的緊急嚴重事故狀態，是航天軌道飛行中最危險的應急狀態。在乘員艙出現壓力應急狀態時，應采用應急防護措施。67） 航天服內人工大氣環境模擬當乘員艙由于各種原因發生泄漏事故

23、時，航天服可使航天員與乘員艙內的低壓狀態相隔離，處于具有適當壓力和純氧供應的航天服內的大氣環境之中。為保證航天員的身體健康，由環控生保系統提供的航天服內的微小人工大氣環境必須滿足醫學要求。7. 將計算機系統應用在MMESE將計算機仿真技術用于實際工程問題的定量分析、科學設計及評價，必將提高人機環境系統工程的設計效率、即使發現并糾正錯誤、縮短設計周期、降低研制費用。在航空航天等高科技領域，還設計很多使用常規技術無法實現或代價過大的實驗過程，如航天員在始終狀態下的艙外作業。美國在制定修復哈勃望遠鏡計劃時曾先用計算機模擬失重狀態下航天員作業過程及作業姿態，再讓航天員依據該作業過程及作業姿態在中性水槽

24、下練習訓練。當航天員完全熟悉并掌握該作業過程后才被送入太空實行修復任務，結果圓滿完成了任務。7.1. 人機系統計算機仿真人機系統計算機仿真主要包括設備的計算機輔助設計、人體模型的建立及對所建人機系統模型進行功效分析及評定等。對不同的作業任務和對象，所需建立的人體模型的內涵有很大的不同。如英國諾丁漢大學開發的SAMMIE系統能進行工作范圍測試、干涉檢查、視域檢測、姿態評估和平衡計算。美國CALSPAN公司開發的CAL3D軟件可模擬人被汽車碰撞后的運動過程，即人體的運動學和動力學特性仿真。7.2. 人環境系統計算機仿真人環境系統計算機仿真主要包括局部環境的設計、模擬與控制等。影響人機工效的環境主要

25、有光環境（照明、色彩）、聲環境、振動、熱環境、空氣質量和電磁環境等。對于航空航天特殊作業環境還涉及到低壓、缺氧、超重與失重和救生等問題。Yale大學John.B.Price基礎實驗室同NASA的Johnson宇航中心合作研究人體熱調節系統數學模型，Buchburg和Harrh將人體熱調節系統數學模型和外部調溫裝置（水冷服）進行了聯合研究。航天員艙外宇航服設計中人體熱平衡計算就是基于不斷完善人體熱調節系統數學模型進行的。目前，采用負反饋控制的人體熱調節系統數學模型能定量地描述人體的熱調節過程。北航人機與環境研究所結合國家863計劃對艙外宇航服進行了數值模擬。78. 前景展望現代人機系統中，作業人員是在特定環境中操作和管理復雜系統和