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

及應(yīng)用前景分析

　　龍升照

　　(北京航天醫(yī)學(xué)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(guān)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(dǎo)致了機的出現(xiàn)；機的出現(xiàn)又產(chǎn)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(chǎn)生了兩個質(zhì)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(yīng)用也十分普遍。人們?yōu)榱诉_到某種預(yù)定目標(biāo)（如航天探索、軍事對抗、發(fā)展生產(chǎn)……），總是針對某些特定環(huán)境，試圖利用已經(jīng)掌握的科學(xué)技術(shù)成就，組成一個既有人，又有機，還有環(huán)境的復(fù)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(lǐng)域。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)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(guān)鍵。

　　時至今日，當(dāng)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(shè)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(shè)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(dāng)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(jīng)走得很遠。因此，當(dāng)務(wù)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(xué)方法。

　　1981年，在著名科學(xué)家錢學(xué)森系統(tǒng)科學(xué)思想的啟發(fā)和親自指導(dǎo)下，我國學(xué)者陳信、龍升照根據(jù)載人航天研究的實踐，并對國內(nèi)外情況進行了認真分析，概括提出了一門綜合性邊緣技術(shù)科學(xué)─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(xué)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(guān)系，深入研究人-機-環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學(xué)，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(chǎn)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(biāo)是“安全、高效、經(jīng)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(jīng)濟”，就是在滿足系統(tǒng)技術(shù)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(jīng)濟性。

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的主要研究內(nèi)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(guān)系的研究；⑤人-壞關(guān)系的研究；⑥機-環(huán)關(guān)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(jīng)三個步驟(方案論證、研制生產(chǎn)、實際使用)，實現(xiàn)三個目標(biāo)(安全、高效、經(jīng)濟)。

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

　　第一、從經(jīng)驗走向科學(xué)；

　　第二、從不自覺走向自覺；

　　第三、從定性走向定量。

　　這樣做的結(jié)果，不僅可以避免工程技術(shù)的大量返工和經(jīng)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(xué)技術(shù)發(fā)展中的地位

　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不僅包括從深度和廣度上發(fā)展已經(jīng)建立的各門學(xué)科，而且還有賴于新興科學(xué)的出現(xiàn)。通常，新興科學(xué)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(xué)技術(shù)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(xué)趨勢，促使人們?nèi)パ芯恳活惐容^狹窄的對象，如細胞生物學(xué)、高分子化學(xué)等科學(xué)理論就是這種例子。這些學(xué)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(lǐng)域。科學(xué)技術(shù)的普遍性科學(xué)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(xué)等科學(xué)理論就屬此例。與那些專門科學(xué)理論相反，普遍性科學(xué)理論往往都是邊緣科學(xué)。正因如此，為了溝通各個專門性科學(xué)之間的渠道，這些普遍性邊緣科學(xué)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(xué)語言或其它語言。所以，普遍性邊緣科學(xué)具有兩個重要特征：第一是縱向整體化，使基礎(chǔ)科學(xué)與工程技術(shù)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(xué)科的交叉研究。邊緣科學(xué)的這兩個特點，打破了各個學(xué)科、各個部門之間的森嚴壁壘，反過來又極大地促進了科學(xué)技術(shù)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(shù)科學(xué)，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(shù)科學(xué)，相對其基礎(chǔ)科學(xué)（如生理學(xué)、心理學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)……）而言，它是注重于實際應(yīng)用，強調(diào)實踐性；它相對其工程技術(shù)（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(yīng)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(yīng)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(gòu)思開始，歷經(jīng)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(xué)科知識和多種方法論指導(dǎo)，就無法取得最佳效果，故其學(xué)科交叉非常明顯。因此，目前國內(nèi)外學(xué)者在論述該研究領(lǐng)域時，總是眾說紛壇，各執(zhí)一詞，諸如人的因素，人體工程學(xué)、工程心理學(xué)、工效學(xué)、人的因素工程、人一機系統(tǒng)、環(huán)境醫(yī)學(xué)等等。實際上它們都是從不同側(cè)面、不同角度來探索人、機、環(huán)境三者之間的關(guān)系。因此，用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程這門新興科學(xué)，能把這些大致相近或相輔相成的學(xué)科納入一個統(tǒng)一的科學(xué)框架，這不僅能避免概念和術(shù)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(diào)機(包括工具、機器和計算機)的設(shè)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(shè)計出來了，通過選拔和訓(xùn)練操作人員就可以發(fā)揮系統(tǒng)性能。其實，如果機器的設(shè)計不苻合人的生理、心理特點，單純通過選拔、訓(xùn)練來使人適應(yīng)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(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程首先是強調(diào)機器的設(shè)計要苻合人的特點，然后再強調(diào)通過選拔和訓(xùn)練，讓人去適應(yīng)機器的特點，使人、機協(xié)調(diào)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(xué)科（如人的因素，工效學(xué)、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(zhuǎn)。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(chǎn)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(xué)實踐活動始終沿著科學(xué)的道路前進；

　　第三、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程以科學(xué)的方法論----唯物辨證法作指導(dǎo)，特別強調(diào)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(jié)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(diào)指出：“舊的研究方法和思維方法、黑格爾稱之為‘形而上學(xué)’的方法，主要是把事物當(dāng)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(xué)中的情形正是這樣。……而當(dāng)這種研究已經(jīng)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(xué)領(lǐng)域內(nèi)也就響起了舊形而上學(xué)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(xué)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(guān)系和整體變化規(guī)律，從而推動科學(xué)技術(shù)向前發(fā)展。

　　三、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論的應(yīng)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(shù)科學(xué)，但其蹤跡己深入到人類生活的各個領(lǐng)域，尤其在新的技術(shù)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(xué)家錢學(xué)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(nèi)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(fù)、管理……等領(lǐng)域！你們是在社會主義中國開創(chuàng)了這門重要現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)！”錢學(xué)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(yīng)用描繪了一幅光輝無比的宏偉蘭圖。

　　 首先，在民用領(lǐng)域，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論為生產(chǎn)力的發(fā)展和提高提供了理論依據(jù)和技術(shù)手段［3，4，6，7］。哲學(xué)上，生產(chǎn)力的定義是：“從事物質(zhì)資料生產(chǎn)的人同以生產(chǎn)工具為主的被用于生產(chǎn)的勞動資料相結(jié)合，就構(gòu)成社會生產(chǎn)力。”很顯然，生產(chǎn)力應(yīng)該是人(從事物質(zhì)資料生產(chǎn)的人)、機(生產(chǎn)工具和機器)、環(huán)境(生產(chǎn)場所的有關(guān)勞動條件)三大要素的有機結(jié)合。為了發(fā)展社會生產(chǎn)力，我們應(yīng)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(guān)系，促進國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展。

　　與此同時，在軍事領(lǐng)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(shù)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(zhì)基礎(chǔ)，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(jié)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(guān)系，歷來都是提高部隊?wèi)?zhàn)斗力的關(guān)鍵。所以，在軍事領(lǐng)域積極應(yīng)用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，就能為國防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和部隊?wèi)?zhàn)斗力的提高產(chǎn)生積極作用。

　　值得強調(diào)指出的是，人類在經(jīng)歷了農(nóng)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(chǎn)生和處理大量的知識和信息。知識的生產(chǎn)，已成為決定社會生產(chǎn)力、競爭力和經(jīng)濟增長的關(guān)鍵因素。人們不會忘記，當(dāng)人類最初使用勞動工具來進行社會生產(chǎn)活動時，人類全靠自己的體力來構(gòu)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(yīng)該特別需要指出的是，即使是當(dāng)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(yù)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(dǎo)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(lǐng)域的積極應(yīng)用，必將對國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展作出積極貢獻。

　　參考文獻

　　1. 錢學(xué)森同志關(guān)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(xué)     技術(shù)出版社，1993

　　2. 陳 信，龍升照. 人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學(xué))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(chǎn)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(xué)技術(shù)出版社，1993

　　4. 龍升照, 陳  信. 人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程及其應(yīng)用展望. 第一屆人機一系統(tǒng)分析、設(shè)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(xué))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(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系畢業(yè)。航天醫(yī)學(xué)工程研究所工效學(xué)研究室原主任、研究員、中國系統(tǒng)工程學(xué)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(xué)家錢學(xué)森的親自指導(dǎo)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(xué)進行研究和進修。作為項目負責(zé)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(xué)》, 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(nèi)外公開發(fā)表論文40余篇。

　　 1993年1月被國務(wù)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)