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

　　(北京航天医学工程研究所）

　　一、人-机-环境系统工程理论诞生的必然趋势

　    人类社会发展的历史，就是一部人、机(包括工具、机器和计算机)、环境三大要素相互关联、相互制约、相互促进的历史。由于环境的影响，高级灵长目动物演变成为人类；人类的诞生导致了机的出现；机的出现又产生了新的环境；新的环境又在影响人类的生活、工作和生存。在社会发展的漫长的历程中，产生了两个质的飞跃：第一个飞跃是机器的出现，使人的体力劳动获得极大的扩展和加强；第二个飞跃是计算机的出现，使人的脑力劳动正在得到加强和延伸。环顾一下我们周围的一切，不但机器的使用比比皆是，而且计算机的应用也十分普遍。人们为了达到某种预定目标（如航天探索、军事对抗、发展生产……），总是针对某些特定环境，试图利用已经掌握的科学技术成就，组成一个既有人，又有机，还有环境的复杂系统，我们将它称之为人-机-环境系统。例如，司机驾驶汽车在地面上奔驰，飞行员驾驶飞机在空中飞行，航天员驾驶飞行器在宇宙中航行，舵手驾驶船舶在海洋中航行等，这些都是典型的人-机-环境系统；同样，工厂的工人在特定环境中操作各种机器进行工作，也是典型的人-机-环境系统……。很显然，人-机-环境系统广泛存在于从民用到军事、从天上到地下、从陆地到海洋的各个领域。当然，随着科学技术的不断发展，各种工作的自动化程度会愈来愈高，人的劳动（体力劳动或脑力劳动）将会更多地被机器所取代。但是，人的高级智能活动是任何机器也无法代替的。所以，在任何情况下，也都会有人参与工作，人要完成诸如监视、控制、决策、管理等各种功能，故人-机-环境系统总是普遍存在。然而，它的存在只是问题的一个方面，而能不能从理论的高度来认识它、驾驶它，并使之处于最优工作状态，这才是问题的真正关键。

　　时至今日，当人们沉浸在享受高科技带来的社会繁荣之际，却也不知不觉地闯入了两大误区：

　　第一，在机器设计时，由于漠视了人的特点和要求，致使工作系统效率降低、事故增加，对社会发展造成严重影响；

　　第二，在机器设计时，由于漠视了环境的特点和要求，不但影响了机器本身性能的发挥，而且带来了严重的环境恶化，对人类的生活、工作和生存造成重大威胁。

　　当人们意识到上述局面时，发现自己在错误的道路上已经走得很远。因此，当务之急，就是探索一套研究人、机、环境三大要素的运行规律及其最优组合的科学方法。

　　1981年，在著名科学家钱学森系统科学思想的启发和亲自指导下，我国学者陈信、龙升照根据载人航天研究的实践，并对国内外情况进行了认真分析，概括提出了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 )［1,2］。人-机-环境系统工程是运用系统科学理论和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，深入研究人-机-环境系统最优组合的一门科学，其研究对象为人-机-环境系统。系统中的“人”，是指作为工作主体的人(如操作人员或决策人员)；“机”，是指人所控制的一切对象(如汽车、飞机、生产过程等)的总称；“环境”，是指人、机共处的特定工作条件。系统最优组合的基本目标是“安全、高效、经济”。所谓“安全”，是指不出现人体的生理危害或伤害，并避免各种事故的发生；所谓“高效”，是指全系统具有最好的工作性能或最高的工作效率；所谓“经济”，就是在满足系统技术要求的前提下，系统的建立要投资最省，也即保证系统的经济性。

　　人-机-环境系统工程理论的主要研究内容包括七个方面［3］：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-坏关系的研究；⑥机-环关系的研究； ⑦人-机-环境系统总体性能的研究。

　　人-机-环境系统工程理论的基本研究方法可以概括为四句话［3］、24个字：基于三个理论(控制论、模型论、优化论)，分析三个要素(人、机、环境)，历经三个步骤(方案论证、研制生产、实际使用)，实现三个目标(安全、高效、经济)。

　　人-机-环境系统工程理论的诞生，能使人们在设计、研制和建立任何一个人-机-环境系统时，产生以下三个方面的飞跃：

　　第一、从经验走向科学；

　　第二、从不自觉走向自觉；

　　第三、从定性走向定量。

　　这样做的结果，不仅可以避免工程技术的大量返工和经济上的巨大损失，而且可以极大加速人-机-环境系统的研制进程。

　　二、人-机-环境系统工程理论在科学技术发展中的地位

　　科学技术的发展，不仅包括从深度和广度上发展已经建立的各门学科，而且还有赖于新兴科学的出现。通常，新兴科学的诞生和发展主要受两种因素的影响：一是专门性、二是普遍性。

　　科学技术的专门性理论，是由于发现了新的研究对象，或出现了特别的科学趋势，促使人们去研究一类比较狭窄的对象，如细胞生物学、高分子化学等科学理论就是这种例子。这些学科的特点是用专门手段提出问题，并解决问题，它只涉及比较狭窄的研究领域。科学技术的普遍性科学理论，一般都是为了研究非常广泛的一类对象中出现的自然现象而创立，如控制论、系统科学等科学理论就属此例。与那些专门科学理论相反，普遍性科学理论往往都是边缘科学。正因如此，为了沟通各个专门性科学之间的渠道，这些普遍性边缘科学往往更趋向于理论化，而且更加依赖于描述它们所用的语言，如数学语言或其它语言。所以，普遍性边缘科学具有两个重要特征：第一是纵向整体化，使基础科学与工程技术相互渗透，甚至融为一体；第二是横向整体化，大力推行横跨学科的交叉研究。边缘科学的这两个特点，打破了各个学科、各个部门之间的森严壁垒，反过来又极大地促进了科学技术的蓬勃发展。

　　人-机-环境系统工程作为一门综合性边缘技术科学，其整体化特征表现最为突出。在纵向整体化方面，人-机-环境系统工程是一门技术科学，相对其基础科学（如生理学、心理学、系统科学……）而言，它是注重于实际应用，强调实践性；它相对其工程技术（如航天人-机-环境系统工程，航空人-机-环境系统工程、坦克人-机-环境系统工程、汽车人-机-环境系统工程、防空兵人-机-环境系统工程……）而言，又为实际应用提供理论依据。所以，人-机-环境系统工程使理论与应用相互交融、密不可分。

　　在横向整体化方面，人一机一环境系统工程的研究范围从系统构思开始，历经系统建立、系统运行和系统维护，直至系统消亡为终，没有多种学科知识和多种方法论指导，就无法取得最佳效果，故其学科交叉非常明显。因此，目前国内外学者在论述该研究领域时，总是众说纷坛，各执一词，诸如人的因素，人体工程学、工程心理学、工效学、人的因素工程、人一机系统、环境医学等等。实际上它们都是从不同侧面、不同角度来探索人、机、环境三者之间的关系。因此，用人-机-环境系统工程这门新兴科学，能把这些大致相近或相辅相成的学科纳入一个统一的科学框架，这不仅能避免概念和术语的混乱，而且在下述三个方面提出独特见解，把人们的认识水平大大向前推进一步。

　　第一、人-机-环境系统工程特别强调机(包括工具、机器和计算机)的设计要苻合人的特点和要求。以往，人们有一种误解，认为只要机器设计出来了，通过选拔和训练操作人员就可以发挥系统性能。其实，如果机器的设计不苻合人的生理、心理特点，单纯通过选拔、训练来使人适应机器的特性，不但不能确保系统性能的发挥，而且还会导致事故的发生。因此，人-机-环境系统工程首先是强调机器的设计要苻合人的特点，然后再强调通过选拔和训练，让人去适应机器的特点，使人、机协调达到最优化；

　　第二、人-机-环境系统工程与以往一些相邻学科（如人的因素，工效学、人一机系统……）的根本区别之一，就是环境因素不再作为一种被动的干扰因素排斥在系统之外，而是作为一种积极的主动因素纳入系统之中，井成为系统的一个重要环节。很显然，环境既影响人的生存和工作能力，又影响机器的性能和可靠运转。反之，人和机器也影响环境的状态。所以，环境与人、环境与机、环境与系统之间，既存在信息流通、信息加工问题，也存在信息控制问题，这就更加突出了环境在系统中的重要作用。实践证明，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，有的可获取最桂值，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，使人们的科学实践活动始终沿着科学的道路前进；

　　第三、人-机-环境系统工程以科学的方法论----唯物辨证法作指导，特别强调自上而下、由总而细的系统思考方法，遵循系统----还原----再系统-----再还原、乃至不断循环上升的思维程序，把系统观与还原观有机结合，不断推动人-机-环境系统工程研究往纵深发展。恩格斯曾强调指出：“旧的研究方法和思维方法、黑格尔称之为‘形而上学’的方法，主要是把事物当作一成不变的东西去研究。……必须先研究一个事物是什么，而后才研究过程。必须先知道一个事物是什么，而后才能觉察这个事物中所发生的变化。自然科学中的情形正是这样。……而当这种研究已经进展到可以向前边出决定性的一步，即可过渡到系统地研究这些事物在自然界本身中所发生的变化的时候，在哲学领域内也就响起了旧形而上学的丧钟。”人-机-环境系统工程正是抛弃以往那种只着眼于只要单个要素优良，其整体性能就必然优良的形而上学观点。而是根据唯物辨证法思想，从系统的总体高度，研究人、机、环境三大要素的相互关系和整体变化规律，从而推动科学技术向前发展。

　　三、人-机-环境系统工程理论的应用前景分析

　　人-机-环境系统工程理论虽然是一门新兴的边缘技术科学，但其踪迹己深入到人类生活的各个领域，尤其在新的技术革命浪潮汹涌而至的今天，人-机-环境系统工程理论所肩负的历史使命就更加艰巨。

　　1993年10月，著名科学家钱学森在给龙升照的信中指出：“我收到您主编的《人-机-环境系统工程研究进展(第一卷)》，翻看了之后，感到非常高兴，1985年秋提出的一个想法，现在8年之后己赫然成书，500多页的巨卷！而且研究范围已大大超出原来航天，内容涉及航空、航天、航海、兵器、电子、能源、交通、电力、煤炭、冶金、体育、康复、管理……等领域！你们是在社会主义中国开创了这门重要现代科学技术！”钱学森同志这段饱含深情的话语，为人-机-环境系统工程理论的普遍应用描绘了一幅光辉无比的宏伟兰图。

　　 首先，在民用领域，人-机-环境系统工程理论为生产力的发展和提高提供了理论依据和技术手段［3，4，6，7］。哲学上，生产力的定义是：“从事物质资料生产的人同以生产工具为主的被用于生产的劳动资料相结合，就构成社会生产力。”很显然，生产力应该是人(从事物质资料生产的人)、机(生产工具和机器)、环境(生产场所的有关劳动条件)三大要素的有机结合。为了发展社会生产力，我们应该积极运用人-机-环境系统工程理论，全面优化人、机、环境三者之间的关系，促进国民经济的蓬勃发展。

　　与此同时，在军事领域，人-机-环境系统工程理论也为战斗力的发展和提高提供了理论依据和技术手段［5］。众所周知，在任何战争中，武器装备是进行战争的物质基础，是决定战争胜负的基本条件。但是，任何武器装备都必须靠人去掌握和操纵，而且它也只能在特定环境条件下才能发挥其性能。武器装备只是一种可能的战斗力，它只有同人和环境有机结合，才能成为现实的战斗力。因此，正确处理人、武器装备、作战环境这三个基本要素的关系，历来都是提高部队战斗力的关键。所以，在军事领域积极应用人-机-环境系统工程理论，就能为国防科学技术的发展和部队战斗力的提高产生积极作用。

　　值得强调指出的是，人类在经历了农业社会、工业社会之后，现正朝着信息社会迈进。所谓信息社会，也可称为知识和智力的社会，就是需要产生和处理大量的知识和信息。知识的生产，已成为决定社会生产力、竞争力和经济增长的关键因素。人们不会忘记，当人类最初使用劳动工具来进行社会生产活动时，人类全靠自己的体力来构成一个最初级的人-机-环境系统。后来，机器的出现，代替了人的体力劳动，这是人体力量的延伸，人类靠自己的智慧来形成一个基本的人-机-环境系统。时至今日，计算机的广泛使用，使人的脑力劳动得到了部分替代和扩展，人类将致力于从事更高级的智能活动。因此，人-机-环境系统将以更为高级的形态出现。在这种系统中，不仅人的智能发展到了高级阶段，而且以机器人为载体的人工智能也在系统中发挥极其重要的作用，它不仅可以使人从繁重的体力劳动和脑力劳动中解脱出来，而且还可以在恶劣的环境条件下代替人进行作业，从而使整个人-机-环境系统的工作效能大为改观。但是，应该特别需要指出的是，即使是当代最完善的智能机器人，有的是“四肢”发达而“头脑”简单，有的是即使“头脑”比较发达，但其“五官”却非常迟钝。因此，为了在特定环境条件下，更好地沟通人类智能与“机器智能”之间的信息交往，并形成一个具有最优效能的工作系统，就需要人-机-环境系统工程理论发挥其积极作用。可以预料，在未来的信息社会中，人-机-环境系统工程理论的蓬勃发展，必将导致人类社会实践活动的新飞跃，并为人类智力的解放开辟最广阔的前景。

　　总而言之，人-机-环境系统工程理论在各个领域的积极应用，必将对国民经济的蓬勃发展作出积极贡献。

　　参考文献

　　1. 钱学森同志关于人机环境系统工程的讲话(1985年10月). 见龙升照主编：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

　　2. 陈 信，龙升照. 人-机-环境系统工程(学)概论. 自然杂志，1985, 8(1)

　　3. 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.见龙升照主编：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

　　4. 龙升照, 陈  信. 人-机-环境系统工程及其应用展望. 第一届人机一系统分析、设计与评价会议论文集，1988

　　5. 陈 信, 龙升照. 人-机-环境系统工程(学)在军事武器装备研制中的地位. 自然杂志，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、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。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。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、三卷。国内外公开发表论文40余篇。

　　 1993年1月被国务院授于享受政府特殊津贴证书。

　　(文献来源:《人-机-环境系统工程研究进展(第四卷)》,海洋出版社，1999)