MMESE 學科簡介

      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(huán)境系統(tǒng)工程（Man-Machine-Environment System Engineering，簡稱MMESE）在中國誕生。錢錢學森院士對這門新興科學給予了極高評價。他于1993年10月22日致函學科創(chuàng)始人龍升照教授指出，“你們是在社會主義中國開創(chuàng)了這門重要現代科學技術”。

　　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（如工具、機器、計算機、系統(tǒng)和技術）的總稱；“環(huán)境”，是指人、機共處的特定工作條件（如溫度、噪聲、振動……）。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。

　　1．MMESE的產生背景

　　2．MMESE的顯著特點

　　3．MMESE的重要作用

　　4．MMESE的研究內容

　　5．MMESE的實施方法

　　6．MMESE的應用領域

　　1．MMESE的產生背景

　　人類社會發(fā)展的歷史，就是一部人、機（包括工具、機器、計算機、系統(tǒng)和技術）、環(huán)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；機的出現又產生了新的環(huán)境；新的環(huán)境又在影響人類的生活、工作和生存。

　　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)：①在機的設計時，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；②在機的設計時，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。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，每年死于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(huán)境三大要素的運行規(guī)律及其最優(yōu)組合的科學方法。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程正是針對這種現實而登上科學技術的歷史午臺！

　　2．MMESE的顯著特點

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的顯著特點主要有3個：

　　第一、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程特別強調機(包括工具、機器、計算機、系統(tǒng)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(fā)揮系統(tǒng)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(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-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，并成為系統(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，又影響機的性能和可靠運轉。反之，人和機也影響環(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一一唯物辨證法作指導，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)一一還原一一再系統(tǒng)一一再還原、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邁出決定性的一步，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。

　　3．MMESE的重要作用

　　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。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，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的自然現象而創(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。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，也使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(xù)發(fā)展提供了科學方法。

　　如前所述，人類社會發(fā)展的歷史，就是一部人、機（包括工具、機器、計算機、系統(tǒng)和技術）、環(huán)境三大要素相互關聯、相互制約、相互促進的歷史。

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的誕生，使人們在設計和研制任何一個人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(fā)展的進程。

　　第二，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程也為社會生產力的發(fā)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。因此，采用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程方法，就能全面優(yōu)化人、機、環(huán)境三者之間的關系，推動社會生產力全面發(fā)展。

　　4．MMESE的研究內容

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(huán)境特性的研究；④人-機關系的研究；⑤人-環(huán)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。

　　（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(huán)境特性的研究——環(huán)境檢測技術的研究；環(huán)境控制技術的研究；環(huán)境建模技術的研究等。

　　（4）人-機關系的研究——靜態(tài)人-機關系研究（作業(yè)域的布局與設計）；動態(tài)人-機關系研究（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；人工智能研究）；多媒體技術在人-機關系研究中的應用；數字人體在人-機關系研究中的應用等。

　　（5）人-環(huán)關系的研究——環(huán)境對人影響的研究；人對環(huán)境影響的研究；個體防護措施的研究等。

　　（6）機-環(huán)關系的研究——環(huán)境對機器性能影響的研究；機器對環(huán)境影響的研究等。

　　（7）人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究——人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體數學模型的研究；人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(huán)境系統(tǒng)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(tǒng)總體性能研究中的應用等。

　　5. MMESE的實施方法

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的實施方法可以概括為四句話、24個字，也即：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（方案決策、研制生產、實際使用）、實現三個目標（安全、高效、經濟）。

　　(1) 基于三個理論  人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(yǎng)，并奠定了自身的基礎理論。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的基礎理論可以概括為控制論、模型論和優(yōu)化論

　　① 控制論  控制論的根本貢獻在于，它用系統(tǒng)、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(tǒng)一的觀點和尺度來研究人、機、環(huán)境這三個物質屬性本是截然不同、互不相關的對象，并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(huán)境系統(tǒng)工程研究提供一套完整的數學分析工具。很顯然，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程不僅要求定性，而且要求定量地刻劃全系統(tǒng)的運行規(guī)律。為此，就必須針對不同客觀對象，引入適當數學模型，并通過建模、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(guī)律。

　　③ 優(yōu)化論  優(yōu)化論的基本出發(fā)點是，在人-機-環(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)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(yōu)途徑的觀點和思路，正是人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的精髓。優(yōu)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(huán)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(huán)境系統(tǒng)。通常，根據各種系統(tǒng)的性能特點及復雜程度，我們將人-機-環(huán)境系統(tǒng)分為三種類型：

　　① 簡單（或單人、單機）人-機-環(huán)境系統(tǒng)  在這種系統(tǒng)中，一名操作人員只使用一臺機器在特定環(huán)境中工作。現行的汽車、火車、飛機……等都屬于這類系統(tǒng)。

　　② 復雜（或多人、多機）人-機-環(huán)境系統(tǒng)  這類系統(tǒng)的特點是，一名操作人員可以操作兩臺以上的機器，或者是一臺或多臺機器同時可以被幾名操作人員使用。目前許多工業(yè)生產機器的操作，都類似于此。

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

　　很顯然，無論是簡單的、復雜的，還是廣義的人-機-環(huán)境系統(tǒng)，都是一個復雜的巨系統(tǒng)。這是因為，人體本身是一個巨系統(tǒng)，機器（或計算機）也是巨系統(tǒng)，再加上各種環(huán)境因素的作用和影響，因而形成人-機-環(huán)境這個復雜巨系統(tǒng)。實踐證明，對任何一個系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的總體性能不僅取決于各組成要素的單獨性能，更重要的是取決于各要素的關聯形式，也即信息的傳遞、加工和控制方式。因此，要實現人、機、環(huán)境的最優(yōu)組合，其難度是相當大。而且，人們對人-機-環(huán)境這三個要素的研究，原先都是隸屬于不同的學科領域，其研究方法和研究思想也大不相同�，F在，為了將它們組合成一個復雜巨系統(tǒng)，首先就必須有一個能夠統(tǒng)一描述人、機、環(huán)境各自能力及相互關系的理論，沒有這樣一個理論作指導，就根本談不上對整個系統(tǒng)作深入研究，也就更談不上實現全系統(tǒng)的最優(yōu)化組合設計。所以，人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(huán)境系統(tǒng)工程理論應用于各個領域，一般都應經歷方案決策、研制生產和實際使用三個階段。

　　① 方案決策階段  方案決策是屬于理論分析范疇，也是最關鍵步驟。在這個階段，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程能為人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(huán)境的各自數學模型和系統(tǒng)的總體模型，并借助計算機進行全系統(tǒng)的數學模擬和優(yōu)化計算，以確定人、機、環(huán)境的最優(yōu)參數和系統(tǒng)的最優(yōu)組合方案。

　　② 研制生產階段  在研制生產階段，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的任務是確定實現最優(yōu)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(tǒng)中去，并通過半物理模擬或全物理模擬，不斷分析和檢驗人-機-環(huán)境系統(tǒng)的整體性能和局部性能，并協(xié)調各分系統(tǒng)的技術指標，使總體性能達最佳狀態(tài)。

　　③ 實際使用階段  在實際使用階段，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的任務是通過實際使用的驗證，提出充分發(fā)揮現存系統(tǒng)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劃），全面做到物盡其用，人盡其才，并為進一步改善和提高系統(tǒng)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(tǒng)工程方法來使我們所建造的人-機-環(huán)境系統(tǒng)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，然后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系曲線。根據關系曲線就能預測人、機、環(huán)境的最有參數�；�于這些參數，就可確定最優(yōu)方案。在進行系統(tǒng)方案可行性（或可實現性）研究之后，最后可對最優(yōu)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(huán)境系統(tǒng)工程的實施方法，能為人們在設計和建立任何人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)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，并可加速人-機-環(huán)境系統(tǒng)的研制進程。

　　6. MMESE的應用領域

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程認為，凡是有人參與的工作系統(tǒng)，都可以定義為一個人-機-環(huán)境系統(tǒng)。而且，根據各種系統(tǒng)的性能特點及復雜程度，又可將人-機-環(huán)境系統(tǒng)分為三種類型：簡單（或單人、單機）人-機-環(huán)境系統(tǒng)、復雜（或多人、多機）人-機-環(huán)境系統(tǒng)和廣義（或大規(guī)模）人-機-環(huán)境系統(tǒng)。因此，人-機-環(huán)境系統(tǒng)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(zhàn)線。表1列出了它的應用領域及人-機-環(huán)境系統(tǒng)的特性。在各個領域的實際應用中，應根據具體應用對象的各自特點，明確界定人-機-環(huán)境系統(tǒng)的具體功能與內涵，以便取得最佳應用效果。

表1  人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程應用領域一覽表