人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論在科學技術發(fā)展中的地位

及應用前景分析

　　龍升照

　　(北京航天醫(yī)學工程研究所）

　　一、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論誕生的必然趨勢

　    人類社會發(fā)展的歷史，就是一部人、機(包括工具、機器和計算機)、環(huán)境三大要素相互關聯(lián)、相互制約、相互促進的歷史。由于環(huán)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(xiàn)；機的出現(xiàn)又產生了新的環(huán)境；新的環(huán)境又在影響人類的生活、工作和生存。在社會發(fā)展的漫長的歷程中，產生了兩個質的飛躍：第一個飛躍是機器的出現(xiàn)，使人的體力勞動獲得極大的擴展和加強；第二個飛躍是計算機的出現(xiàn)，使人的腦力勞動正在得到加強和延伸。環(huán)顧一下我們周圍的一切，不但機器的使用比比皆是，而且計算機的應用也十分普遍。人們?yōu)榱诉_到某種預定目標（如航天探索、軍事對抗、發(fā)展生產……），總是針對某些特定環(huán)境，試圖利用已經掌握的科學技術成就，組成一個既有人，又有機，還有環(huán)境的復雜系統(tǒng)，我們將它稱之為人-機-環(huán)境系統(tǒng)。例如，司機駕駛汽車在地面上奔馳，飛行員駕駛飛機在空中飛行，航天員駕駛飛行器在宇宙中航行，舵手駕駛船舶在海洋中航行等，這些都是典型的人-機-環(huán)境系統(tǒng)；同樣，工廠的工人在特定環(huán)境中操作各種機器進行工作，也是典型的人-機-環(huán)境系統(tǒng)……。很顯然，人-機-環(huán)境系統(tǒng)廣泛存在于從民用到軍事、從天上到地下、從陸地到海洋的各個領域。當然，隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種工作的自動化程度會愈來愈高，人的勞動（體力勞動或腦力勞動）將會更多地被機器所取代。但是，人的高級智能活動是任何機器也無法代替的。所以，在任何情況下，也都會有人參與工作，人要完成諸如監(jiān)視、控制、決策、管理等各種功能，故人-機-環(huán)境系統(tǒng)總是普遍存在。然而，它的存在只是問題的一個方面，而能不能從理論的高度來認識它、駕駛它，并使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)，這才是問題的真正關鍵。

　　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(qū)：

　　第一，在機器設計時，由于漠視了人的特點和要求，致使工作系統(tǒng)效率降低、事故增加，對社會發(fā)展造成嚴重影響；

　　第二，在機器設計時，由于漠視了環(huán)境的特點和要求，不但影響了機器本身性能的發(fā)揮，而且?guī)�來了嚴重的環(huán)境惡化，對人類的生活、工作和生存造成重大威脅。

　　當人們意識到上述局面時，發(fā)現(xiàn)自己在錯誤的道路上已經走得很遠。因此，當務之急，就是探索一套研究人、機、環(huán)境三大要素的運行規(guī)律及其最優(yōu)組合的科學方法。

　　1981年，在著名科學家錢學森系統(tǒng)科學思想的啟發(fā)和親自指導下，我國學者陳信、龍升照根據(jù)載人航天研究的實踐，并對國內外情況進行了認真分析，概括提出了一門綜合性邊緣技術科學─人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(Man-Machine-Environment System Engineering,簡稱為 MMESE )［1,2］。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程是運用系統(tǒng)科學理論和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機、環(huán)境三大要素的關系，深入研究人-機-環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學，其研究對象為人-機-環(huán)境系統(tǒng)。系統(tǒng)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、生產過程等)的總稱；“環(huán)境”，是指人、機共處的特定工作條件。系統(tǒng)最優(yōu)組合的基本目標是“安全、高效、經濟”。所謂“安全”，是指不出現(xiàn)人體的生理危害或傷害，并避免各種事故的發(fā)生；所謂“高效”，是指全系統(tǒng)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(tǒng)技術要求的前提下，系統(tǒng)的建立要投資最省，也即保證系統(tǒng)的經濟性。

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的主要研究內容包括七個方面［3］：①人的特性的研究；②機器特性的研究；③環(huán)境特性的研究；④人-機關系的研究；⑤人-壞關系的研究；⑥機-環(huán)關系的研究； ⑦人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究。

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的基本研究方法可以概括為四句話［3］、24個字：基于三個理論(控制論、模型論、優(yōu)化論)，分析三個要素(人、機、環(huán)境)，歷經三個步驟(方案論證、研制生產、實際使用)，實現(xiàn)三個目標(安全、高效、經濟)。

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的誕生，能使人們在設計、研制和建立任何一個人-機-環(huán)境系統(tǒng)時，產生以下三個方面的飛躍：

　　第一、從經驗走向科學；

　　第二、從不自覺走向自覺；

　　第三、從定性走向定量。

　　這樣做的結果，不僅可以避免工程技術的大量返工和經濟上的巨大損失，而且可以極大加速人-機-環(huán)境系統(tǒng)的研制進程。

　　二、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論在科學技術發(fā)展中的地位

　　科學技術的發(fā)展，不僅包括從深度和廣度上發(fā)展已經建立的各門學科，而且還有賴于新興科學的出現(xiàn)。通常，新興科學的誕生和發(fā)展主要受兩種因素的影響：一是專門性、二是普遍性。

　　科學技術的專門性理論，是由于發(fā)現(xiàn)了新的研究對象，或出現(xiàn)了特別的科學趨勢，促使人們去研究一類比較狹窄的對象，如細胞生物學、高分子化學等科學理論就是這種例子。這些學科的特點是用專門手段提出問題，并解決問題，它只涉及比較狹窄的研究領域�？茖W技術的普遍性科學理論，一般都是為了研究非常廣泛的一類對象中出現(xiàn)的自然現(xiàn)象而創(chuàng)立，如控制論、系統(tǒng)科學等科學理論就屬此例。與那些專門科學理論相反，普遍性科學理論往往都是邊緣科學。正因如此，為了溝通各個專門性科學之間的渠道，這些普遍性邊緣科學往往更趨向于理論化，而且更加依賴于描述它們所用的語言，如數(shù)學語言或其它語言。所以，普遍性邊緣科學具有兩個重要特征：第一是縱向整體化，使基礎科學與工程技術相互滲透，甚至融為一體；第二是橫向整體化，大力推行橫跨學科的交叉研究。邊緣科學的這兩個特點，打破了各個學科、各個部門之間的森嚴壁壘，反過來又極大地促進了科學技術的蓬勃發(fā)展。

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程作為一門綜合性邊緣技術科學，其整體化特征表現(xiàn)最為突出。在縱向整體化方面，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程是一門技術科學，相對其基礎科學（如生理學、心理學、系統(tǒng)科學……）而言，它是注重于實際應用，強調實踐性；它相對其工程技術（如航天人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程，航空人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程、坦克人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程、汽車人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程、防空兵人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程……）而言，又為實際應用提供理論依據(jù)。所以，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程使理論與應用相互交融、密不可分。

　　在橫向整體化方面，人一機一環(huán)境系統(tǒng)工程的研究范圍從系統(tǒng)構思開始，歷經系統(tǒng)建立、系統(tǒng)運行和系統(tǒng)維護，直至系統(tǒng)消亡為終，沒有多種學科知識和多種方法論指導，就無法取得最佳效果，故其學科交叉非常明顯。因此，目前國內外學者在論述該研究領域時，總是眾說紛壇，各執(zhí)一詞，諸如人的因素，人體工程學、工程心理學、工效學、人的因素工程、人一機系統(tǒng)、環(huán)境醫(yī)學等等。實際上它們都是從不同側面、不同角度來探索人、機、環(huán)境三者之間的關系。因此，用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程這門新興科學，能把這些大致相近或相輔相成的學科納入一個統(tǒng)一的科學框架，這不僅能避免概念和術語的混亂，而且在下述三個方面提出獨特見解，把人們的認識水平大大向前推進一步。

　　第一、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程特別強調機(包括工具、機器和計算機)的設計要苻合人的特點和要求。以往，人們有一種誤解，認為只要機器設計出來了，通過選拔和訓練操作人員就可以發(fā)揮系統(tǒng)性能。其實，如果機器的設計不苻合人的生理、心理特點，單純通過選拔、訓練來使人適應機器的特性，不但不能確保系統(tǒng)性能的發(fā)揮，而且還會導致事故的發(fā)生。因此，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程首先是強調機器的設計要苻合人的特點，然后再強調通過選拔和訓練，讓人去適應機器的特點，使人、機協(xié)調達到最優(yōu)化；

　　第二、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程與以往一些相鄰學科（如人的因素，工效學、人一機系統(tǒng)……）的根本區(qū)別之一，就是環(huán)境因素不再作為一種被動的干擾因素排斥在系統(tǒng)之外，而是作為一種積極的主動因素納入系統(tǒng)之中，井成為系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。很顯然，環(huán)境既影響人的生存和工作能力，又影響機器的性能和可靠運轉。反之，人和機器也影響環(huán)境的狀態(tài)。所以，環(huán)境與人、環(huán)境與機、環(huán)境與系統(tǒng)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(huán)境在系統(tǒng)中的重要作用。實踐證明，只有把環(huán)境作為系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，才能從系統(tǒng)的總體高度對環(huán)境進行全面的規(guī)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，有的可獲取最桂值，從而使全系統(tǒng)處于最優(yōu)工作狀態(tài)，這就從根本上杜絕了那種先出產品后治環(huán)境，或在管理工作中頭痛治頭、腳疼醫(yī)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(huán)境系統(tǒng)工程以科學的方法論----唯物辨證法作指導，特別強調自上而下、由總而細的系統(tǒng)思考方法，遵循系統(tǒng)----還原----再系統(tǒng)-----再還原、乃至不斷循環(huán)上升的思維程序，把系統(tǒng)觀與還原觀有機結合，不斷推動人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究往縱深發(fā)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(fā)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(tǒng)地研究這些事物在自然界本身中所發(fā)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(huán)境系統(tǒng)工程正是拋棄以往那種只著眼于只要單個要素優(yōu)良，其整體性能就必然優(yōu)良的形而上學觀點。而是根據(jù)唯物辨證法思想，從系統(tǒng)的總體高度，研究人、機、環(huán)境三大要素的相互關系和整體變化規(guī)律，從而推動科學技術向前發(fā)展。

　　三、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的應用前景分析

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論雖然是一門新興的邊緣技術科學，但其蹤跡己深入到人類生活的各個領域，尤其在新的技術革命浪潮洶涌而至的今天，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論所肩負的歷史使命就更加艱巨。

　　1993年10月，著名科學家錢學森在給龍升照的信中指出：“我收到您主編的《人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進展(第一卷)》，翻看了之后，感到非常高興，1985年秋提出的一個想法，現(xiàn)在8年之后己赫然成書，500多頁的巨卷！而且研究范圍已大大超出原來航天，內容涉及航空、航天、航海、兵器、電子、能源、交通、電力、煤炭、冶金、體育、康復、管理……等領域！你們是在社會主義中國開創(chuàng)了這門重要現(xiàn)代科學技術！”錢學森同志這段飽含深情的話語，為人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的普遍應用描繪了一幅光輝無比的宏偉蘭圖。

　　 首先，在民用領域，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論為生產力的發(fā)展和提高提供了理論依據(jù)和技術手段［3，4，6，7］。哲學上，生產力的定義是：“從事物質資料生產的人同以生產工具為主的被用于生產的勞動資料相結合，就構成社會生產力。”很顯然，生產力應該是人(從事物質資料生產的人)、機(生產工具和機器)、環(huán)境(生產場所的有關勞動條件)三大要素的有機結合。為了發(fā)展社會生產力，我們應該積極運用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，全面優(yōu)化人、機、環(huán)境三者之間的關系，促進國民經濟的蓬勃發(fā)展。

　　與此同時，在軍事領域，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論也為戰(zhàn)斗力的發(fā)展和提高提供了理論依據(jù)和技術手段［5］。眾所周知，在任何戰(zhàn)爭中，武器裝備是進行戰(zhàn)爭的物質基礎，是決定戰(zhàn)爭勝負的基本條件。但是，任何武器裝備都必須靠人去掌握和操縱，而且它也只能在特定環(huán)境條件下才能發(fā)揮其性能。武器裝備只是一種可能的戰(zhàn)斗力，它只有同人和環(huán)境有機結合，才能成為現(xiàn)實的戰(zhàn)斗力。因此，正確處理人、武器裝備、作戰(zhàn)環(huán)境這三個基本要素的關系，歷來都是提高部隊戰(zhàn)斗力的關鍵。所以，在軍事領域積極應用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，就能為國防科學技術的發(fā)展和部隊戰(zhàn)斗力的提高產生積極作用。

　　值得強調指出的是，人類在經歷了農業(yè)社會、工業(yè)社會之后，現(xiàn)正朝著信息社會邁進。所謂信息社會，也可稱為知識和智力的社會，就是需要產生和處理大量的知識和信息。知識的生產，已成為決定社會生產力、競爭力和經濟增長的關鍵因素。人們不會忘記，當人類最初使用勞動工具來進行社會生產活動時，人類全靠自己的體力來構成一個最初級的人-機-環(huán)境系統(tǒng)。后來，機器的出現(xiàn)，代替了人的體力勞動，這是人體力量的延伸，人類靠自己的智慧來形成一個基本的人-機-環(huán)境系統(tǒng)。時至今日，計算機的廣泛使用，使人的腦力勞動得到了部分替代和擴展，人類將致力于從事更高級的智能活動。因此，人-機-環(huán)境系統(tǒng)將以更為高級的形態(tài)出現(xiàn)。在這種系統(tǒng)中，不僅人的智能發(fā)展到了高級階段，而且以機器人為載體的人工智能也在系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用，它不僅可以使人從繁重的體力勞動和腦力勞動中解脫出來，而且還可以在惡劣的環(huán)境條件下代替人進行作業(yè)，從而使整個人-機-環(huán)境系統(tǒng)的工作效能大為改觀。但是，應該特別需要指出的是，即使是當代最完善的智能機器人，有的是“四肢”發(fā)達而“頭腦”簡單，有的是即使“頭腦”比較發(fā)達，但其“五官”卻非常遲鈍。因此，為了在特定環(huán)境條件下，更好地溝通人類智能與“機器智能”之間的信息交往，并形成一個具有最優(yōu)效能的工作系統(tǒng)，就需要人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論發(fā)揮其積極作用。可以預料，在未來的信息社會中，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的蓬勃發(fā)展，必將導致人類社會實踐活動的新飛躍，并為人類智力的解放開辟最廣闊的前景。

　　總而言之，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論在各個領域的積極應用，必將對國民經濟的蓬勃發(fā)展作出積極貢獻。

　　參考文獻

　　1. 錢學森同志關于人機環(huán)境系統(tǒng)工程的講話(1985年10月). 見龍升照主編：人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進展(第一卷). 北京:北京科學     技術出版社，1993

　　2. 陳 信，龍升照. 人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)概論. 自然雜志，1985, 8(1)

　　3. 龍升照. 人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論及其在生產力發(fā)展中的意義.見龍升照主編：人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進展(第一卷), 北京:北     京科學技術出版社，1993

　　4. 龍升照, 陳  信. 人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程及其應用展望. 第一屆人機一系統(tǒng)分析、設計與評價會議論文集，1988

　　5. 陳 信, 龍升照. 人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)在軍事武器裝備研制中的地位. 自然雜志，1995, 8(5)

　　6. Chen Hsin, Long Shengzhao. Application of Man-Machine-Environment System Engineering Theory to Aerospace Research,32nd    International Congress of Aviation and Space Medicine, 1984

　　7. Long Shengzhao, Yuan Xiugan. Man-Machine-Environment System Engineering Theory and its Applications. Proceedings of the     First Sino-French Symposium on Man and Automation, 1998

　　【作者簡介】龍升照 男,漢。1942年11月5日生。江西吉安人。1965年上�？茖W技術大學自動化系畢業(yè)。航天醫(yī)學工程研究所工效學研究室原主任、研究員、中國系統(tǒng)工程學會人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)委員會主任、北京市海淀人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究會理事長。1981年在著名科學家錢學森的親自指導下,與陳信研究員共同創(chuàng)立了人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論。1982年,根據(jù)人的思維特點,用模糊邏輯方法,創(chuàng)建了人的模糊控制模型。1986年8月至1987年8月,赴美國Tufts大學進行研究和進修。作為項目負責人,已獲國家科技進步三等獎1項、 部門科技進步一等獎1項、部門科技進步二等獎2項。代表性著作有《人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程學》, 并主編出版了《人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進展》第一、二、三卷。國內外公開發(fā)表論文40余篇。

　　 1993年1月被國務院授于享受政府特殊津貼證書。

　　(文獻來源:《人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進展(第四卷)》,海洋出版社，1999)