人机环境工程

人机环境系统工程理论发展及应用

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人机环境系统工程理论发展及应用

摘要：本文首先介绍了人机环境系统工程的概念，回顾了人机工程技术国内外的研究状况，指出了人机工程技术研究的应用领域；其次对人机环境系统工程的在各个领域的应用进行了简单的举例介绍；最后对人机环境系统工程的前景进行了展望。

关键字：人机环境工程；MMESE；应用领域

1981年，在著名科学家钱学森院士的亲自指导下，一门综合性边缘技术科学——人——机——环境系统工程（Man——Machine——

EnvironmentSystemEngineering，简称MMESE）在中国诞生。钱钱学森院士对这门新兴科学给予了极高评价。他于1993年10月22日致函龙升照指出，“你们是在社会主义中国开创了这门重要现代科学技术”。

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（如工具、机器、计算机、系统和技术）的总称；“环境”，是指人、机共处的特定工作条件（如温度、噪声、振动„„）。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。

1. MMESE的产生背景

人类社会发展的历史，就是一部人、机（包括工具、机器、计算机、

系统和技术）、环境三大要素相互关

联、相互制约、相互促进的历史，其

情况如图1所示。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。

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：①在机的设计时，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；②在机的设计时，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。今以汽车为例，它的出现，一方面是极大地推动了社会的进步，另一方面却也给社会带来了灾难，每年死于道路交通事故的人数全世界约有25万人，同时，它也是造成城市污染的主要因素之一。其他的类似例子也很多。因此，当务之急，就是要研究和探索一套研究人、机、环境三大要素的运行规律及其最优组合的科学方法。人——机——环境系统工程正是针对这种现实而登上科学技术的历史舞台！

2. MMESE的显著特点

人——机——环境系统工程的显著特点主要有3个：

第一、人——机——环境系统工程特别强调机(包括工具、机器、计算机、系统和技术)的设计要符合人的特点和要求。以往，人们有一种误解，认为只要机设计出来了，通过选拔和训练操作人员就可以发挥系统性能。其实，如果机的设计不符合人的生理、心理特点，单纯通过选拔、训练来使人适应机的特性，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的设计要符合人的特点，然后再强调通过选拔和训练，让人去适应机的特点，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——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，并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，又影响机的性能和可靠运转。反之，人和机也影响环境的状态。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，有的可获取最佳值，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——唯物辩证法作指导，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。而是根据唯物辩证法思想，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。

3. MMESE的研究内容

人——机——环境系统工程的

研究内容主要包括七个方面（见图2）：

①人的特性的研究；②机的特性的研

究；③环境特性的研究；④人——机关系的研究；⑤人——环关系的研究；⑥机——环关系的研究；⑦人——机——环境系统总体性能的研究。

（1）人的特性的研究——人的工作能力研究；人的基本素质的测试与评价；人的体力负荷、脑力负荷和心理负荷研究；人的可靠性研究；人的数学模型（控制模型和决策模型）研究；人体测量技术研究；人员的选拔和训练研究等。

（2）机的特性的研究——被控对象动力学的建模技术；机的可操作性研究；机的可维护性研究；机的本质安全性（防错设计）研究等。

（3）环境特性的研究——环境检测技术的研究；环境控制技术的研究；环境建模技术的研究等。

（4）人——机关系的研究——静态人——机关系研究（作业域的布局与设计）；动态人——机关系研究（人——机界面研究；显示和控制技术研究；人——机界面设计及评价技术研究；人、机功能分配研究；人、机功能比较研究；人、机功能分配方法研究；人工智能研究）；多媒体技术在人——机关系研究中的应用；数字人体在人——机关系研究中的应用等。

（5）人——环关系的研究——环境对人影响的研究；人对环境影响的研究；个体防护措施的研究等。

（6）机——环关系的研究——环境对机器性能影响的研究；机器对环境影响的研究等。

（7）人——机——环境系统总体性能的研究——人——机——环境系统总体数学模型的研究；人——机——环境系统模拟（数学模拟、半物理模拟和全物理模拟）技术的研究；人——机——环境系统总体性能（安全、高效、经济）的分析和评价研究；虚拟技术（VirtualReality）在系统总体性能研究中的应用等。

4. MMESE的应用领域

人——机——环境系统工程认为，凡是有人参与的工作系统，都可以定义为一个人——机——环境系统。而且，根据各种系统的性能特点及复杂程度，又可将人——机——环境系统分为三种类型：简单（或单人、单机）人——机——环境系统、复杂（或多人、多机）人——机——环境系统和广义（或大规模）人——机——环境系统。因此，人——机——环境系统工程虽然是一门新兴的边缘技

术科学，但它的踪迹却已深入到国民经济的各条战线。在各个领域的实际应用中，应根据具体应用对象的各自特点，明确界定人——机——环境系统的具体功能与内涵，以便取得最佳应用效果。具体应用举例如下：

5. 人——机——环境系统在航空领域的应用

5.1. 在军机领域的应用

5.1.1. 人体测量学方面的研究工作

在人体参数测量方面，目前针对大样本飞行人员尺寸测量已开展工作，取得初步人体尺寸测量数据，提出了中国飞行员体型、侧面样板、救生装备规格、座舱与座椅的基本尺寸并制定了相应的标准。在地面练习器上用模拟方法测量了飞行员操纵杆、舵的力量。对飞行员的手指运动功能做了评测，并依据评测结果制定了国家军用标准。

5.1.2. 认知能力与工作负荷

对飞行员的研究发现，与飞行有关的数字运算、表象旋转、仪表认读、方位判断和双重作业能力在29岁之后有明显下降，短时记忆力在35周岁后明显下降，提示在座舱人机界面设计时应充分考虑年龄大的飞行员的能力极限。通过对模拟应急条件下飞行员的反应时间研究，给出了飞行员对规定的声/光应急信号做出反应并完成规定操纵动作所用的时间，为确定告警方式提供了实验数据。在对监控操作负荷综合测评模型的研究中，选用了主作业“准确反应时“准确反应时变化率”，“加权主观负荷”和心率变化变化率四项指标，通过相关和主观分析，提出了综合加权测评指数，并探讨了多次任务技术对追踪负荷的评测敏感性。研究发现当外界负荷超过了人的能力之后，人通过忽略一些任务来降低自己的负荷。在面临多项任务时，是通过注意力来达到此目的的。红线是否存在取决于人如何转移注意力，也取决于系统特性，没有独立于工作任务之外的一般规律。

5.1.3. 显示/控制的人机工效

目前，我国军用飞机普遍采用计算机控制显示技术，用平视仪、下视仪、多功能显示器等时分制综合信息显示系统能够取代常规机电显示仪表，采用话音告警技术改进听觉显示界面，是新机研制和现役飞机改型中更新信息显示界面的主要举措。

在仪表显示方面，研究了几种国内飞机座舱使用圆形刻度仪表的情况，建议增加数字式、垂直式、水平式显示，并结合实际采用综合显示形式。对于仪表刻度、指针、显示数字、飞行姿态显示基准、仪表尺寸和布局也提出了具体建议。同时也对歼击机和直升机仪表板各区的识别效果做了研究。国内对CRT屏幕亮度、微光环境下的颜色编码也有过研究。

对于HUD的工效学为你，研究了飞行员对不同飞行阶段或状态的信息要求，各仪表信息在不同飞行状态下的重要性评价等级，以及电/光汉字显示瞬时量与排列格式。同时为座舱电/光显示选择了汉字、用语和缩略词汇。飞行平显字符、下显颜色编码、色标显示亮度和颜色编码范围等已进行了研究。此外，还对视觉信息的显示需求程度及其分类进行了研究。

显示器周边控制软键是可以通过计算机软件设定其控制功能的按键式开关，装配在多功能显示器四周，通常有20个。控制软键的功能随显示器工作状态而变化。目前已对控制软键的大小、间距、位置、标识符和排列格式等进行了研究。

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5.1.4. 飞机驾驶舱作业功效设计与评价技术研究

国内在飞机驾驶舱作业功效设计与评价技术方面的工作主要包括：

1) 飞机驾驶舱作业功效的数字化评价软件系统的研制，其中包括中国飞行

员人体模型的建立；可视性、可达性的几何评价；驾驶舱内作业姿势的评估等。

2) 飞行驾驶舱人——机——环境系统适配性的综合评价的研究，建立了飞

机驾驶舱作业功效评价的评价体系。通过专家调查建立了驾驶舱人机环境系统功效评价的指标体系并确定各指标的权重系数，将改进德尔菲法、G1法和模糊综合评价法集成对驾驶舱人机环境系统进行综合评价。

在驾驶舱作业功效评价的基础研究方面，利用动作跟踪技术研究人体上肢运动规律及其对作业功效的影响；利用视觉信息交互技术，通过对驾驶作业中眼动的研究，探索认知行为对驾驶舱作业功效的影响，将眼动于飞行员情景意识（SA）的研究结合在一起，提高功效评价的有效性，并尝试了新的评价方法。

5.2. 在民用航空上

随着计算机技术、图形处理技术及液晶显示技术的飞速发展与日益密切结合,

综合化航空电子技术也取得较大的发展,已进入第四代综合化模块化航空电子系统。其重要特征是,传统的分立式仪表显示概念已被淡化。综合显示处理概念得到空前加强,座舱自动化程度得以提高。系统大量使用多功能彩色显示器为飞行员提供一个优良的人—机接口，显示屏大量采用传感器式视觉增强系统和数据库式合成视觉系统，可以在能见度低的情况下提升情境意识。飞行员可在一个多功能彩色显示器上获取经系统核心计算机处理的图形化信息,如通信导航、飞行参数等。这种显示信息简洁、方便,已使飞行员从单纯操纵者转变成座舱资源管理者。集中控制和综合显示,能及时响应和集中处理飞行员的各种命令,能根据飞行员操作程序和系统运行状态准确及时地向飞行员提供各种工作信息或决策信息,从而大大减轻飞行员的工作负荷,提高飞行员快速应变和决策能力。

据国际航空运输协会统计，80%以上的飞行事故与人为因素有关。如何基于飞行机组长期飞行积累的防止差错的经验，深入航空器驾驶舱航空电子综合显示适航性设计层面，为飞行机组防范与控制人为差错提供良好的人机交互界面，成为业内关注的课题。由于飞行过程中，源于人—机—环系统复合作用的根因，使飞行员的差错在人—机—环系统中各级子系统及其不同层面造成缺陷，各个根因是可以确定的，缺陷也是确定的；其缺陷之间产生联结，形成缺陷路径；诱因触发，导致事故或事件的发生也是确定的。确定的根因、人误、缺陷、缺陷路径，处于一种寄生于人—机—环系统中的复合状态，诱因触发后的瞬间，缺陷路径形成通路，该复合体发生交互、迭代作用，形成飞行人因事故或事件。只有深入认识航空电子综合显示性能指标与飞行机组差错根因存在的关系，构建民用航空电子综合显示方式设计规则，才能很好地把握民用航空电子综合显示适航的持续安全性要求。这种管理MANAGEMENT人误系统复合状态的变量及参数，非常庞大，基于人因可靠性分析（HRA）的第一代、第二代技术都存在相关参数数据缺乏的“瓶颈”，探求新的数学理论，解决这种复杂系统的问题，已经初见端倪。美国路易斯安那工业大学工业工程系B.J.Kim、意大利米兰技术学院核工程系MarzioMarseguerra提出了利用模糊数学的理论进行研究的思想，我国南华大学人因研究所提出了灰色系统理论研究人误的方法、探究了数据挖掘的应用方法。

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6. 人——机——环境系统在航天领域的应用

人——机——环境系统还可以对对载人航天环境进行模拟。航天环境模拟既可以真实地复现航天环境，也可以是一种效应模拟，即并不一定完全真实地复现航天环境，而是采用适当的方法仅产生航天环境所形成的效应，使达到同样的试验目的

1）航天环境物理量参数模拟

如用低压气候舱模拟载人航天器乘员舱内的人工大气环境(用舱内压力、温度、湿度、气体流动速度、气体成分等物理量参数来描述)；根据真实飞行所获得的数据利用载人离心机模拟发射段和返回段乘员舱内的超重过载环境(加速度参数)；失重飞机进行抛物线飞行产生短时间的真实失重环境(微重力参数)；利用空间环境模拟设备的太阳模拟器模拟宇宙空间的太阳辐照环境(光波波长和辐照强度参数)等等[3]

2）航天环境物理效应模拟

3）主观感觉的模拟

为了使航天员获得在太空中进行舱外作业的方法和技巧，需要在失重环境下对他们进行充分的训练，这种训练需要较大的空间和持续较长的时间。但是，在地球表面由于重力的存在，无法在大的空间中获得真实的持续长时间的失重环境，因此只能采用以主观感觉等效为目标的模拟方法，即中性浮力模拟方法。训练时，将受训者完全浸入水中，用质量配平的方法使他们在水中所受的向上的浮力和向下的重力相互抵消，从而使受训者呈现随遇平衡的中性浮力状态，获得一种类似在太空失重状态下的漂浮感，在受训者的这种感觉状态下对其进行舱外作业方法和技巧的训练。[4]

4）航天生理效应模拟

用在小型失重水槽中进行人体浸水实验时，由于水的浮力对人体的作用，被试者会出现一些与失重环境下相似的生理效应，如体液再分配、立位性低血压、肌肉活动减少和代谢降低等。航天医学研究人员利用这种模拟方法可以进行航天失重生理学与医学研究。[5]

5）对驾驶员仓大气环境进行模拟

飞船内环境模拟舱(图1)可以提供不同的座舱压力、增压和减压速率、氧浓

度、CO浓度、温度及湿度等试验环境，可用于航天航空环境医学实验。

6）应急环境模拟

航天飞行中，流星、陨石或空问碎片等击穿乘员舱以及舱门泄漏等突发事故会导致乘员舱因失去气密性发生异常减压而进入压力应急状态。在压力应急状态中，乘员舱内大气压力和氧分压的持续降低会使航天员发生严重急性缺氧及减压病，如果减压速度太快还有可能由于人体内脏急速胀气而产生人体机械性损伤。压力应急状态是一种极易导致航天员死亡的紧急严重事故状态，是航天轨道飞行中最危险的应急状态。在乘员舱出现压力应急状态时，应采用应急防护措施。[6]

7）航天服内人工大气环境模拟

当乘员舱由于各种原因发生泄漏事故时，航天服可使航天员与乘员舱内的低压状态相隔离，处于具有适当压力和纯氧供应的航天服内的大气环境之中。为保证航天员的身体健康，由环控生保系统提供的航天服内的微小人工大气环境必须满足医学要求。

7. 将计算机系统应用在MMESE

将计算机仿真技术用于实际工程问题的定量分析、科学设计及评价，必将提高人——机——环境系统工程的设计效率、即使发现并纠正错误、缩短设计周期、降低研制费用。在航空航天等高科技领域，还设计很多使用常规技术无法实现或代价过大的实验过程，如航天员在始终状态下的舱外作业。美国在制定修复哈勃望远镜计划时曾先用计算机模拟失重状态下航天员作业过程及作业姿态，再让航天员依据该作业过程及作业姿态在中性水槽下练习训练。当航天员完全熟悉并掌握该作业过程后才被送入太空实行修复任务，结果圆满完成了任务。

7.1. 人——机系统计算机仿真

人机系统计算机仿真主要包括设备的计算机辅助设计、人体模型的建立及对所建人机系统模型进行功效分析及评定等。对不同的作业任务和对象，所需建立的人体模型的内涵有很大的不同。如英国诺丁汉大学开发的SAMMIE系统能进行工作范围测试、干涉检查、视域检测、姿态评估和平衡计算。美国CALSPAN公司开发的CAL——3D软件可模拟人被汽车碰撞后的运动过程，即人体的运动学和动力学特性仿真。

7.2. 人——环境系统计算机仿真

人——环境系统计算机仿真主要包括局部环境的设计、模拟与控制等。 影响人机工效的环境主要有光环境（照明、色彩）、声环境、振动、热环境、空气质量和电磁环境等。对于航空航天特殊作业环境还涉及到低压、缺氧、超重与失重和救生等问题。

Yale大学John.B.Price基础实验室同NASA的Johnson宇航中心合作研究人体热调节系统数学模型，Buchburg和Harrh将人体热调节系统数学模型和外部调温装置（水冷服）进行了联合研究。航天员舱外宇航服设计中人体热平衡计算就是基于不断完善人体热调节系统数学模型进行的。目前，采用负反馈控制的人体热调节系统数学模型能定量地描述人体的热调节过程。北航人机与环境研究所结合国家863计划对舱外宇航服进行了数值模拟。[7]

8. 前景展望

现代人机系统中，作业人员是在特定环境中操作和管理复杂系统和各种数字化设备，当人在这种环境中工作时。既要靠眼睛来观察环境．又要靠细致的注视来完成精确的控制动作，通过人机工程技术分析。就可知道人在操作时如何分配注意力、体力，同时了解仪表、屏幕以及外视景如何设计和合理分配才能获得最好的人机交互。既减轻操作人员的工作负荷又避免出错，切实提高人机工效。这对于计算机系统、自动化控制、交通运输、工业设计、军事领域以及社会系统中重大事变(战争、自然灾害、金融危机等)的应急指挥和组织系统、复杂工业系统中的故障恢速处理、系统重构与修复、复杂坏境中仿人机器人的设计与制造等问题的解决都有着重要的参考价值。

参考文献

[1]人机与环境工程专业发展. 2006-2007航空科学技术学科发展报告

[2]李卫民，罗云林.基于MMESE的民用航空电子综合显示适航性的研究. 国家自然科学基金委员会与中国民用航空总局联合资助项目

[3]HUANGXiaohui.Manned Space Environment SimulationTechnology[M]. Beijing: National Defense IndustryPress．2006：7—39

[4]WEIJinhe.Panorama of SpaceMedico Engineering[M]．Beijing：National

Defense Industry Press,2005：387—388．

[5]WUGuoxing．Welkinwalking：Astronautsextra—vehicularactivity[M] Nanchang：Jiangxi College Press，2005：127——l28.

[6]KEShouquan． Satellite Environment Engineering andSimulation Test[M ]． Beijing：Astronautics PublishingHouse，1996：l，2，23．

[7]刘伟. 人机工程技术研究的现状及发展趋势。 海淀走读大学学报.