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人机工程简史 精选

已有 5345 次阅读 2020-4-6 20:26 |个人分类:2020|系统分类:科研笔记

​一、人机工程的起源


    人机工程学科的形成可追溯到人类的早期活动,它的形成和发展经历了漫长的历史阶段。

人类在5000年前就开始制作简单劳动工具,为了提高工作效率,开始考虑按自己手的大小和形状制作斧柄等,这是人机工程的初步应用。在我国两千多年前的“冬官考工记”中,就有按人体尺寸设计工具和车辆的论述,这就是当今人机工程中人、工具、机器设计中的“机器适应人”(Machine toHuman)的思想。


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三国时的木牛流马


    人机工程学的初步形成可追溯到第一次产业革命(1750~1890)和第二次产业革命(1870~1945)时期,人类的劳动进入了机器时代,人的劳动作业在复杂程度及负荷量上均有了很大变化,人、机、环境三者也相应形成了更复杂关系。1880年代Taylor开始了产业中的时间和运动的研究。在这前后时期,与人的特性相关研究也取得相当进展。如Weber法则(1834年)论述了人的感觉量和刺激强度的对数值成比例关系。Bloch法则(1885年)论述了明度感觉与刺激强度和刺激时间的关系。而Pavlo(1900年)则开展了条件反射的实验。

第一次世界大战客观上促进了人机工程学的发展。在欧洲,一方面是工厂必须开足马力生产战争及民需物品,另一方面是由于男性到前线参战,生产第一线大都依靠没有工作经验的女性参与。由于欧洲在这特定环境下开展的人机工程研究,将其称为工效学(ergonomics)。Ergonomics一词是由希腊词根ergo(工作,劳动),和nomos(管理,规则)复合而成,其本义为人的劳动规律。以劳动中疲劳、劳动时间和休息等为着眼点,开展人的能力和极限以及对作业工具、作业环境和作业顺序的设计等的研究。另外,各参战国几乎都有心理学家去解决战时兵种分工、特种人员的选拔训练及军工生产中的疲劳等问题。其研究特点是选拔和训练人,是使“人适应机器”(Human to Machine)的设计思想。英国早在19世纪末就创立了心理研究所,在第一次世界大战中得到进一步发展,在1921年创立了国立产业心理学研究所。

在美国是以人素学(Human factors)来表示人机工程。20世纪初,美国学者F.W.Taylor开展了劳动中的动作分析、职务分析和评价等,用近代科学技术方法,对生产领域中工作能力和效率进行了研究。他的研究范围从具体的工具改善如铲子的形状和重量对工效影响,到动作合理性对疲劳的影响,进一步发展到工作流程、工作方法分析、工具设计等,成为可提高劳动生产率的“泰勒制”。F.W.Taylor为科学方法研究人机工程作出了开拓性贡献,被公认为早期的人机工程专家。应指出的是美国早期的人机工程的研究叫Human engineering,后来又叫Human factorsengineering,在上世纪60年代前后改叫Humanfactors。而对于Human factors这一流行术语也有很多指摘,如认为该术语从日常用语的角度去考量应包括与人有关的所有因素等,以及对该术语的解释和理解也存在差异。为此,美国NASA的人素学研究部门的各种活动以及人素学学会会员资格都明确规范了人素学的研究内容和活动。

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日本东京大学的松本教授在第一次世界大战期间到美国访问留学,归国后在1920年至1921年期间先后发表和出版“人间工学”有关的论文与专著,正式将人机工程引入日本。日本在1921年由大原创设了仓敷劳动科学研究所,开始了作业效率与身体负担方面的工效研究。其后,在产业心理学领域也开展了人机工程方面的研究。更进一步,在人类学领域,包括对人的生物学特性的解明、身体负担和疲劳、环境适应能力等方面开展了生理人类学研究。日本“人间工学”是按照美国的Human engineering 直译过来,但内容是以练习效果或疲劳为中心,阐述如何提高作业效率,即以提高工效为研究对象。松本的研究在日本影响甚微,但人间工学名称被沿袭至今,1963年日本正式成立人间工学学会,但人间工学的英文翻译使用的是ergonomics,这在很大程度上考虑的是国际接轨,因于1959年成立的国际工效学会(International ErgonomicsAssociation,IEA)使用的就是ergonomics。德国和法国这些欧洲工业强国也先后开展了人机工程方面的研究,他们都统一使用了ergonomie这一术语来表示人机工程。

人素学早期的研究如F.W.Taylor的研究具有很强的管理科学和劳动科学的内涵,从事这一领域的研究学者大都是心理学家,这一影响一直沿袭至今。在对美国Human Factors学会(成立于1957年)会员专业领域调查表明,有心理学背景的会员人数远多于有工学背景的会员人数。在第二次世界大战期间,为防止飞机事故为目的的对仪表显示方式和对人的操作控制装置的研究则注重于对人的认知特性开展研究,这一研究在很大程度上影响了人机工程今后的发展。第二次世界大战结束后从事人机工程的专家分散到企业和学校后进一步扩大了人机工程的应用范围。但从研究内容来说,由于科技的日新月异,计算机在各个领域的普及应用,对人的特性的研究日益引起重视。

上世纪80年代开始的对人机界面(Human-Machine Interface)的研究其核心就是对人的认知科学的研究。人机界面是指人与机(装备、设备、系统)间信息交互、作业交互的连接部。界面形式有硬件和软件两种形式。如作业域的开关、按钮、驾驶操纵杆、脚蹬等为硬件人机界面;通过计算机软件和显示器实现的视觉信息交互为软件人机界面。信息交互界面包括视觉、听觉、语音等人机交互接合部。作业交互界面包括手脚体能作业的操纵器和控制器等人机交互接合部。

认知科学研究信息科学如何与人的特性和行为相结合、人如何感知数据,如何将其转化成综合信息,如何将综合信息作为决策依据。研究目的旨在提高人机工效,揭示人为失误的原因、失误本质以及减少失误的措施。可见,人机界面研究已从传统的人机关系研究深入到对人机交互的研究;从传统的人适应机器到机器的设计和使用要符合人的特性;从传统的采用劳动和安全科学对人体的研究到采用心理学、生理学和精神物理学来对人的认知特性开展研究。即人机界面的研究又为人机工程的研究注入了新的内容。

我国的人机工程研究始于上世纪50年代。如在中苏友好时期我国消化吸收苏式飞机和坦克的设计技术过程中遇到了大量的人机工程问题。以苏式飞机和坦克的座椅设计为例,设计规范确定了适用该座椅的驾驶员身高范围,但按照设计图纸生产出来的飞机和坦克在使用过程中都发现问题,如弹射座椅弹射过程中有座舱舱盖与座椅扣合时与人头发生碰撞的事故;坦克驾驶员踩刹机时有踩不到底的案例。仔细分析后才了解到欧洲型身体与亚洲型身体相比是上身短和下身长。故在采用苏联标准设计弹射座椅的情况下,因中国人上身长,座舱舱盖与座椅扣合时容易发生人头碰撞的事故。同样,因中国人下身短,采用苏联标准设计坦克座椅情况下有踩刹机时踩不到底的情况。为了解决这类问题,我国在航空生理与心理学、飞行器驾驶舱人机工效设计、飞行器作业环境对人体影响及防护等方面做了大量的研究工作。上世纪50--80年代中,当时的人机工程研究框架仍是由“人适应机器”、“机器适应人”以及“环境适应人”等三个领域构成。1981年在在著名科学家钱学森的指导下,陈信、龙升照等发表了“人—机—环境系统工程概论”一文,概括性地提出了“人—机—环境系统工程”的科学概念。人—机—环境系统工程是人体科学和现代科学的理论和方法,正确处理人、机、环境三大要素的关系,是研究人—机—环境系统最优组合的一门科学。“人”是指作为工作主体的人,指参与系统工程的作业者(如操作人员、决策人员、维护人员等);“机”是指人所控制的一切对象,是指与人处于同一系统中与人交换信息、能量和物质,并为人借以实现系统目标的物(如汽车、飞机、轮船、生产过程、具体系统,计算机……)的总称;“环境”是指人、机共处的外部条件(如外部作业空间、物理环境、生化环境、社会环境)或特定工作条件(如温度、噪声、振动、有害气体、缺氧、低气压、超重及失重……)。研究中,把人、机、环境三者视为相互关联的复杂巨系统,运用现代科学技术的理论和方法进行研究,使系统具有“安全、高效、经济”等综合效能。

作为对人机与环境工程学科的认可,1990年,国务院学位委员会批准了我国第一个北京航空航天大学人机与环境工程博士学位授权点,北航教授袁修干先生是该专业博士学位点的创建者之一。目前,有三所与航空航天相关的大学具有人机与环境工程博士学位授予权;有多所大学和航空、航天医学研究所及航空厂所研究院具有人机与环境工程硕士学位授予权。研究内容根据国家需要,有着重于人的因素的,也有着重于人机工效的。我国载人航天的辉煌成就就包括了对人的因素和人机工效的综合研究成果,其既体现在对航天员的培训,也包括飞船人机系统设计的工效和适人性研究等。在人机工程的学术用语上大致有人机与环境工程、人机工程、人因工程等。其既反映了不同的研究重点,也反映了对人机工程新的理解和认识。如果要总结人机工程的研究内容和含义,按照IEA的定义可表达为人机工程是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等各方面的各种因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假时如何统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。IEA的定义实质上是综合考虑了人—机—环境三大要素,其核心是以人为本和人机工效。



二、人机工程研究内容


人机工程研究内容包括七个方面:人的因素与人的特性研究、机器的特性研究、环境的特性研究、人—机关系的研究、人—环关系的研究、机—环关系的研究、人—机—环系统总体性能的研究。


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1 人机工程研究内容示意图


1、人的因素与人的特性研究

人的因素的分析和研究是使人机系统的工效、安全性、经济性及舒适性达到最佳效果。主要研究内容包括:(1)机器适应人的硬件工效问题,主要研究人体测量学、工作域(人的工作姿态、座椅、显示/控制器、环境)工效设计等;(2)机器适应人的软件工效问题,主要研究人—计算机—显示系统最佳匹配的工效规律及设计方法;(3)机器适应人的认知工效问题,研究人与信息系统之间信息交互、决断的工效规律及系统设计,使信息系统与人的认知过程相适应。

上述研究特点是对人的基本特性研究。包括人员选拔与训练,使其生理与心理上与职业工作和机器相适应;人的基本素质的测试、评价和工作能力的研究;人的体力负荷、智力负荷和心理负荷研究;人的可靠性研究;人的数学模型(人的模型、信息接收模型、决策模型、控制模型等)研究等。

2、机器特性研究

研究人机工程相关的机器特性及其建模技术。

3、环境特性研究

研究人机工程相关的环境特性及环境建模技术。

4、人—机关系研究

主要包括静态人—机关系研究、动态人—机关系研究和多媒体技术在人—机关系中的应用等三个方面。静态人—机关系研究主要有作业域的布局与设计;动态人—机关系研究主要有人、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)和人—机界面研究(显示和控制的人—机界面设计及评价技术研究)。

5、人—环关系研究

  研究环境因素(低气压、重力、温湿度、照明、噪音等)对人的影响,环境适应人的生活和工作的防护及控制方法等。图1.2反映了战斗机座舱中人与环境的关系。


 


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图 2  战斗机座舱中的人与环境


6、机—环关系研究

研究人机工程相关的机—环关系及特性。

7、人—机—环境系统总体性能的研究

   主要包括人—机—环境系统总体数学模型的研究,人—机—环境系统全数学模拟、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、设计和评价,虚拟现实(VirtualReality)技术在人—机—环境系统总体性能研究中的作用等。


三、人机工程与人因工程之异同


  人机工程学(Human Machine Environment)和人因工程学(Human Factor Environment)在国际百科全书中的标题表明,二者可能是两个独立的学科领域。由连词“和”就能支持这样的解释。如果人机工程学和人因工程学是同义的,那为什么不仅仅使用一个名称?几年前,在美国,这个领域中主体的专业组织决定将其名称中加入“人机工程学”。他们还决定添加连词“和”而非用破折号或斜线将名称分离,因为破折号或斜线这个形式更经常被使用来暗示同义。现在社会称它为“人因工程学和人机工程学学会(HFES)。


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    许多专业人士(虽然不是每个人),认为术语人机工程学和人因工程学是同义的。对于一些人来说,人机工程学涉及生理,而人因工程学涉及感知和认知。人机工程学由研究人与人之间和其周围工作环境(环境的定义很广泛,包括机器,工具,周围的环境,任务等)之间的相互作用演变而来。而“人因工程学”的使用则主要集中在北美,它被从事一些“脑力活动”心理过程工作(研究,教学,实验)的人所使用。世界的其余大多数人却更多地将人机工程学这个术语用于描述“脑力活动”和“体力活动’’的总活动,在生物力学领域和物理场所设计领域中更强调后者强调。在美国,术语“人机工程学”通常被使用来暗示“颈部以下”的体力活动,随着术语人机工程学越来越多的使用,它已变得与世界其他各地更加一致。

  人机工程学(Ergonomics)中“Ergo”是指工作。因此这个领域的范围可以被视为限于此前缀。如何定义“工作”是至关重要的,很多人可能会将“工作”限制为与就业相关的活动,这将不会包括休闲活动领域。但是,工作可以解释的很广泛,因为它涉及到一般的为完成一个目标而物理能源损耗的过程。因此,其中人类大多数的活动(及他们的身体进程)可以被合理的认为是在工作,因此,Ergo与工作相联系起来了。通过进行高频术语分析,发现人因工程学和人机工程学(HF/E)涉及了安全,高效的人机系统的研究和生产的工程设计中的应用。使用相同的分析方法,Dempsey等人于2000年提出了以下的定义:人机工程学是“以提高人体机能为目的的人机系统的设计和工程”。

  在2000年8月,国际人类工程学协会执行理事会通过了人因工程学的定义:“人因工程学是与人类和一个系统的其他元素相互理解有关的科学学科,是一个应用理论,原则,数据和方法来设计达到优化人类福祉和整体系统性能的学科。”虽然其定义是相当冗长的,但它传达了许多与人机工程学领域的不同的想法。

    技术是一个塑造人类行为,功能强大的单一力量。很多时候,关于是谁使用它或受它影响,技术是“盲目”的。一个人数相对较小,但处于增长的HF/ E专业人士群在寻求一种扩大的技术系统与用户之间的协调。随着技术变得复杂,在HF/ E得到一种协同的关系需要更大的努力。在未来几年内,这种努力对于获得真正的技术进步将是一种至关重要的途径。为了更有效地实现其目标,这个领域需要一个清晰,简洁,明确和实用的词来形容我们的努力。我们猜想,伴随着身体和认知能力的修饰,人机工程学能扮演好它的角色。

    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快速处理、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。


四、未来人机工程是人机智能的融合


    人机融合智能,简单地说就是充分利用人和机器的长处形成一种新的智能形式。

  英国首相丘吉尔曾经说过:“你能看到多远的过去,你就能看到多远的未来”,所以我们有必要看看人机智能融合的过去。任何新的事物都有其产生的源泉,人机融合智能也不例外,人机融合智能主要起源于人机交互和智能科学这两个领域,而这两个领域起源都与英国剑桥大学有着密切的关系:1940年夏,当德国轰炸机飞向伦敦之际,人机交互与智能科学的研究序幕就被徐徐拉开。英国人为了抵御德国人的进攻,开始了雷达、飞机、密码破译方面的科技应用工作,当时在剑桥大学圣约翰学院建立了第一个研究人机交互问题的飞机座舱(即著名的Cambridge Cockpit)以解决飞行员们执行飞行任务时出现的一些错误和失误(这也标志着现代人机工程的起源),另外剑桥国王学院的毕业生图灵领导了对德军“恩尼格玛”密电文的破译……事实上,早在19世纪,剑桥大学的查尔斯·巴贝奇和阿达·奥古斯塔(剑桥大学毕业的诗人拜伦的女儿,世界第一位程序员)就开始合作机械计算机软硬件的研制,20世纪之后,数学家罗素、逻辑学家维特根斯坦(图灵的老师和朋友)都对智能科学的起源和发展做出了重大的贡献。当前人机智能融合领域比较火的两位深度学习之父辛顿曾是剑桥大学心理系的学生、阿尔法狗之父哈撒比斯本科是剑桥计算机系毕业的。


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Gordon Iles 和 Kenneth Craik


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Cambridge Cockpit(1944)


    在人机智能融合时,有一件事非常重要,就是这个人要能够理解机器如何看待世界,并在机器的限制内有效地进行决策。反之,机器也应对配合的人比较“熟悉”,就像一些体育活动中的双打队友一样,如果彼此间没有默契,想产生化学变化般的合适融合、精确协同就是天方夜谭。有效地人机智能融合常常意味着将人的思想带给机器,这也就意味着:人将开始有意识地思考他通常无意识地执行的任务;机器将开始处理合作者个性化的习惯和偏好;两者都还必须随时随地地随环境的变化而变化……高山流水,电脑与心灵相互感应,充分发挥两者的优点和长处,如人类可以打破逻辑运用直觉思维进行决策、机器能够检测人类感觉无法检测到的信号能力等等。人类所理解的每一个命题,都必定是全然是由我们所获知的各种成分所组成的。

    人机智能难于融合的一个重要原因还在于时空和认知的不一致性,人处理的信息与知识能够变异,其表征的一个事物、事实既是本身同时又是其他事物、事实,一直具有相对性,机器处理的数据标识缺乏这种相对变化性。更重要的是人意向中的时间、空间与机形式中的时间、空间不在同一尺度上,一个偏心理而一个侧物理;在认知方面,人的学习、推理和判断随机应变,时变法亦变,事变法亦变,机的学习、推理和判断机制是特定的设计者为特定的时空任务拟定或选取的,和当前时空任务里的使用者意图常常不完全一致,可变性较差。人的意向性与空间无关,只与时间延展性有关,而机的形式化系统常常与时空都有关。找到一种可产生意向性的形式化手段是通往人机有效融合智能的关键,目前的数学、物理手段还不能承担这个重任,因为这只是智能——这个复杂性问题的两个方面。

    意识是一种对隐显关系的梳理,有时表现为直觉。人的直觉是同化、顺应之间的自由转换,能够灵活自如地进行不完全归纳和弹性演绎,更重要的是:这一切都是由内而外的自主行为。直觉经验本质上是一种感性,一种自动意识性关联和得意忘形。直觉是把存在性、可能性、意向性、潜在性勾兑显化的一种方式,也是把零碎、散化的数据信息知识非常逻辑表征,其中的粘合剂就是情感(机器所不具备的能力)一种独特的智能——情智,直觉本质上就是通情达理,能够隐约看见许多通过理性逻辑看不到的关系、联系,从而把许多平时风马牛不相及的属性、成分(包括主观臆想客观存在)关联在一起形成某种意向性的可能存在。而机器更适合于分类聚类,利用人类部分可以描述化、程序化的形式语言实现强监督学习、构建认知模型、辅助决策等方面。当前,人机之间的理解都是单向性的,之间的学习也是,只不过逐渐开始出现了双向性的苗头,人机之间开始理解一些以前认为不含理解成分的对象和事物,慢慢把人的主动性与机的被动性有效地混合起来。人处理其擅长的包含“应该”(should)等价值取向的主观信息,机器则计算其拿手的涉及“是”(being)等规则概率统计的客观数据,进而把休谟之问变成了一个可执行可操作的程序性问题,也是把客观数据与主观信息统一起来的新机制,即需要意向性价值的时候由人来处理,需要形式化(数字化)的事实时候由机器来分担,从而产生了一种人+机大于人、人+机大于机的效果。

    相比起人工智能来,我们更愿意谈人机融合智能,也许人工智能更偏应用和技术,谈人机融合智能则可以更基础一些。另外,需要注意的是,人机融合智能本身不仅仅是科学问题,还涉及到其他学科,如人文艺术、哲学,甚至还有宗教神学。还有,智能不是人类独有的能力,还关涉其他生命体,比如动物、植物等,那么究竟什么是智能呢?美国第一届心理学会主席威廉·詹姆斯说的一句话或许可见一斑:“智慧是一种忽略的艺术。”

    单纯的计算应该是没有大的突破,认知+计算可能是未来。如果把认知看成美女,计算视作野兽,未来的智能科学就是美女与野兽,而数据则是美女牵着野兽的缰绳。要把这样的机遇变成现实,就需要与目前AI研究方向不同的新的研究课题,比如需要探索认知科学对于人类与动物如何学习与推理的研究,将其与计算科学结合,整合成最终能以人类的方式工作的系统。Being与should的狭义结合就是数据与知识、结构与功能、感知与推理、直觉与逻辑、联接与符号、属性与关系的结合,也是未来智能体系的发展趋势…其广义结合是意向性与形式化、美女与野兽的结合。人工智能的美女派主要抓关系产生的关系,野兽派主要抓属性产生的关系。临界,这是一种介于有序和无序之间的状态,是工作效率最大化的一种表现形式。人机融合智能就是要寻找到这种平衡状态,让人的无序与机的有序、人的有序与机的无序相得益彰,达到安全、高效、敏捷的结果。人是集多智能于一体的一多智能体。好的人机融合应该具有彼此间的带入感,根据不同的态势,进行提前的相互感知诱导和意图引领。

    既然我们很多时候无从得知因果之间的关系,只能得知某些事物总是会连结在一起。那么我们有什么理由从对个别事例的观察中引出普遍性的结论呢?想象力、创造力是感性与理性的界面,也许人机智能的融合可以实现一定程度上主客观、感性与理性的相互适应性融合吧!



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未来的人机工程将属于(人脑+电脑)*(人体+机体)


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