人機環境系統工程專業委員會

基本介紹

• 中文名：人機環境系統工程專業委員會
• 外文名：MMESE
• 創始人：錢學森
• 時間：1981年

產生背景

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（Man-Machine-Environment System Engineering，簡稱MMESE）在中國誕生。錢學森院士對這門新興科學給予了極高評價。他於1993年10月22日致函龍升照指出，“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、環境三大要素的關係，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，並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”，就是在滿足系統技術要求的前提下，系統的建立要投資最省。

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。由於環 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：①在機的設計時，由於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；②在機的設計時，由於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，每年死於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午台！

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-環境系統工程特彆強調機(包括工具、機器、計算機、系統和技術) 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，如果機的設計不苻合人的生 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 設計要苻合人的特點，然後再強調通過選拔和訓練，讓人去適應機的特點，使人、機協調達到最最佳化；

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，並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， 有的可獲取最桂值，從而使全系統處於最優工作狀態，這就從根本上杜絕了那種先出產品後治環境，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一--唯物辨證法作指導，特彆強調自上而下、由總而細的系統思考方法，遵循系統----還原----再系統 ----再還原、乃至不斷循環上升的思維程式，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麼，而後才研究過程。必須先知道一個 事物是什麼，而後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上學的喪鐘。”人-機-環境系統工程正是拋棄以往那種只著眼於只要單個要素優 良，其整體性能就必然優良的形上學觀點。而是根據唯物辨證法思想，從系統的總體高度，研究人、機、環境三大要素的相互關係和整體變化規律，從而推動科學 技術向前發展。

重要作用

科學技術的發展，不僅包括從深度和廣度上發展已經建立的各門學科，而且還有賴於新興科學的出現。通常，新興科學的誕生和發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，是由於發現了新的研究對象，或出現了特別的科學趨勢，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，並解決問題，它只涉及比較狹窄的研究領域。科學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 中出現的自然現象而創立，如控制論、系統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於理論化，而且更加依賴於描述它們所用的語言，如數學語言或其它語言。所以，普遍性邊緣科學具有兩個重要 特徵：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展。

人 -機-環境系統工程作為一門綜合性邊緣技術科學，其整體化特徵表現最為突出。在縱向整體化方面，人-機-環境系統工程是一門技術科學，相對其基礎科學（如 生理學、心理學、系統科學……）而言，它是注重於實際套用，強調實踐性；它相對其工程技術（如航天人-機-環境系統工程，航空人-機-環境系統工程、坦克 人-機-環境系統工程、汽車人-機-環境系統工程、防空兵人-機-環境系統工程……）而言，又為實際套用提供理論依據。所以，人-機-環境系統工程使理論 與套用相互交融、密不可分。

在 橫向整體化方面，人一機一環境系統工程的研究範圍從系統構思開始，歷經系統建立、系統運行和系統維護，直至系統消亡為終，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，國內外學者在論述該研究領域時，總是眾說紛壇，各執一詞，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、環境醫學等等。實際上它們都是從不同側面、不同角度來探索人、機、環境三者之間的關係。因此，用人-機-環境系統 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一的科學框架，這不僅能避免概念和術語的混亂，把人們的認識水平大大向前推進一步。

第一，它為人類社會的健康和可持續發展提供了科學方法。

人-機-環境系統工程的誕生，使人們在設計和研製任何一個人-機-環境系統時，將產生三個方面的飛躍：①從經驗走向科學；②從不自覺走向自覺；③從定性走向定量。其結果，不僅可以避免經濟上的巨大損失，而且可以加速人類社會發展的進程。

第二，人-機-環境系統工程也為社會生產力的發展提供了技術手段。

通 常，哲學上是將生產力定義為：“從事物質資料生產的人同以生產工具為主的被用於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）、環境（生產場所的有關勞動條件）三大要素的有機結合。因此，採用人-機-環境系統工程方法，就能全面最佳化人、 機、環境三者之間的關係，推動社會生產力全面發展。

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）：①人的特性的研究；②機的特性的研究；③環境特性的研究；④人-機關係的研究；⑤人-環關係的研究；⑥機-環關係的研究；⑦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-機關係的研究——靜態人-機關係研究（作業域的布局與設計）；動態人-機關係研究（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；人工智慧研究）；多媒體技術在人-機關係研究中的套用；數字人體在人-機關係研究 中的套用等。

（5）人-環關係的研究——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-環關係的研究——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（Virtual Reality）在系統總體性能研究中的套用等。

實施方法

人-機-環境系統工程的實施方法可以概括為四句話、24個字，也即：基於三個理論（控制論、模型論、最佳化論）、分析三個要素（人、機、環境）、歷經三個步驟（方案決策、研製生產、實際使用）、實現三個目標（安全、高效、經濟）。

(1) 基於三個理論 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，並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、模型論和最佳化論

① 控制論 控制論的根本貢獻在於，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，並使其成為一個密不可分的有機整體。

② 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系統的運動規律。為 此，就必須針對不同客觀對象，引入適當數學模型，並通過建模、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。

③ 最佳化論 最佳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。最佳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複雜程度，我們將人-機-環境系統分為三種類型：

① 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台機器在特定環境中工作。現行的汽車、火車、飛機……等都屬於這類系統。

② 複雜（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台以上的機器，或者是一台或多台機器同時可以被幾名操作人員使用。許多工業生產機器的操作，都類似於此。

③ 廣義（或大規模）人-機-環境系統 這類系統廣泛存在於各種生產部門。各生產部門的最高決策者通過一套指揮/控制系統，對下屬各基層單位的生產狀況實施統一的管理和調度，這是一種典型的廣義人-機-環境系統。

很顯然，無論是簡單的、複雜的，還是廣義的人-機-環境系統，都是一個複雜的巨系統。這是因為，人體本身是一個巨系統，機器（或計算機）也是巨系統，再加上 各種環境因素的作用和影響，因而形成人-機-環境這個複雜巨系統。實踐證明，對任何一個系統來說，系統的總體性能不僅取決於各組成要素的單獨性能，更重要 的是取決於各要素的關聯形式，也即信息的傳遞、加工和控制方式。因此，要實現人、機、環境的最優組合，其難度是相當大。而且，人們對人-機-環境這三個要 素的研究，原先都是隸屬於不同的學科領域，其研究方法和研究思想也大不相同。為了將它們組合成一個複雜巨系統，首先就必須有一個能夠統一描述人、 機、環境各自能力及相互關係的理論，沒有這樣一個理論作指導，就根本談不上對整個系統作深入研究，也就更談不上實現全系統的最最佳化組合設計。所以，人-機 -環境系統工程正是針對這種現實應運而生。

（3）歷經三個步驟 為了將人-機-環境系統工程理論套用於各個領域，一般都應經歷方案決策、研製生產和實際使用三個階段。

① 方案決策階段 方案決策是屬於理論分析範疇，也是最關鍵步驟。在這個階段，人-機-環境系統工程能為人-機-環境系統的總體方案設計提供一套完整的決策理論，其中最主要 的任務是建立人、機、環境的各自數學模型和系統的總體模型，並藉助計算機進行全系統的數學模擬和最佳化計算，以確定人、機、環境的最優參數和系統的最優組合 方案。

② 研製生產階段 在研製生產階段，人-機-環境系統工程的任務是確定實現最優方案的最佳途徑。在這個階段，始終強調把作為工作主體的人參與到系統中去，並通過半物理模擬或 全物理模擬，不斷分析和檢驗人-機-環境系統的整體性能和局部性能，並協調各分系統的技術指標，使總體性能達最佳狀態。

③ 實際使用階段 在實際使用階段，人-機-環境系統工程的任務是通過實際使用的驗證，提出充分發揮現存系統性能的意見（如選拔操作人員的標準和訓練操作人員的方案和計畫），全面做到物盡其用，人盡其才，並為進一步改善和提高系統性能提出新的建議。

（4） 實現三個目標 一般而論，要同時滿足安全、高效、經濟這三個指標是困難的，而且有時是矛盾的。因此，為了用系統工程方法來使我們所建造的人-機-環境系統實現安全、高 效、經濟這三個目標，首先我們必需假設幾種設計方案，然後針對每種方案用全數學模擬、半物理模擬或全物理模擬方法，獲得安全、高效、經濟這三個效能指標的 關係曲線。根據關係曲線就能預測人、機、環境的最有參數。基於這些參數，就可確定最優方案。在進行系統方案可行性（或可實現性）研究之後，最後可對最優方 案進行決策。據此選擇的方案，就是比較理想的方案。

總 之，運用人-機-環境系統工程的實施方法，能為人們在設計和建立任何人-機-環境系統時，從定性走向定量、從不精確走向精確、從經驗走向科學。這不僅可以 實現人-機-環境系統的最優組合，而且可以避免工程技術的大量返工和經濟上的巨大損失，並可加速人-機-環境系統的研製進程。

套用領域

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複雜程度，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、複雜（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。表1列出了它的套用領域及人-機-環境系統的特性。在各個領域的實際套用 中，應根據具體套用對象的各自特點，明確界定人-機-環境系統的具體功能與內涵，以便取得最佳套用效果。

表1 人-機-環境系統工程套用領域一覽表

套用領域	套用對象	人-機-環境系統三大要素
		人	機	環境
國防建設	航天	航天員	航天飛行器及設備	超重、失重、衝擊、孤獨、……
	航空	飛行員	航空飛行器及裝備	超重、衝擊、高溫、缺氧、……
	航海	船（艇）員	艦船、潛艇及裝備	有害氣體、振動、噪聲、水下高壓、……
	兵器	裝甲兵	裝甲車輛及裝備	高溫、高濕、振動、噪聲、有害氣體、……
	作戰指揮	指揮員	作戰部隊	作戰環境（地形、地物、氣候、……）
	……	……	……	……
交通運輸	飛機	飛行員	民航飛機	高溫、缺氧、噪聲、……
	汽車	駕駛員	汽車	車內環境、車外路況及氣候、……
	火車	駕駛員	火車	車內環境、車外路況及氣候、……
	船舶	駕駛員	輪船	船內噪聲、溫濕度，船外水域狀況、……
	…	……	……	……
工業生產	煤炭	煤炭工人	掘煤設備	振動、噪聲、粉塵、高溫、高濕、……
	鋼鐵	煉鋼工人	煉鋼設備	高溫、噪聲、……
	生產管理	各級管理者	生產群體	生產內外環境（物理環境、行銷環境、……）
	……	……	……	……
……	……	……	……	……