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中国迈向空间站时代 人因工程:大国重器点睛之笔

  人因工程:大国重器的点睛之笔 

  杭州良渚梦栖小镇入口的天桥上这几天挂起一条巨大的横幅——“第二届中国人因工程高峰论坛”。

  几乎所有经过这里的人都要问:“什么是人因工程?”杭州人很奇怪,为什么这4个字有那么大的魅力,能吸引来15位中国两院院士和3位国际宇航科学院院士?

  “飞船、坦克、高铁都是复杂人机系统,因为人的参与使系统变得更为复杂,系统运行具有某种不确定性和难以预测的特点,系统安全性问题会更突出。解决这一难题需要一门新兴的综合交叉学科的支持,这就是人因工程(Human Factors Engineering),它致力于研究人、机器及其工作环境之间的相互关系和影响,最终实现提高系统性能且确保人的安全、健康和舒适的目标。”

  不出所料,第二届中国人因工程高峰论坛主席、中国载人航天工程副总设计师、国际宇航科学院院士陈善广在论坛的开坛首讲,用一些重大事故案例进一步阐述了人因工程概念及其重要价值,同时首次就复杂系统人因设计与测评的概念与方法进行了较为系统和深入的探讨。他还有一个重要身份,是人因工程国家级重点实验室主任、我国人因工程学科带头人。

  开幕式上的圈外人士很快发现这样一个现象:院士、专家的发言,开始部分谁都能听懂,就是灾难、问题、困境,而后半段,涉及到解决的路径方法论才艰深起来,因为数学模型和学术名词开始登场。

  当中国首个手动完成空间交会对接任务的“神九”航天员刘旺出现在论坛上,现场一片躁动。他也是陈善广团队的研究人员,刚获得人因工程方向的博士学位。刘旺在太空从容不迫完成手动对接的杰出表现,诠释了人因工程的最大内涵。“钱学森认为人体是一个开放的巨系统,复杂程度远远超过从前科学研究的对象。”在这门正在中国兴起的学科中,刘旺不仅被人研究,他也在研究自己、研究任务中人与航天器的关系。

  中国载人航天走过了25年光辉历程,高科技人才荟萃,在国家载人航天计划、“973”计划等项目支持下,中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室,成为人因工程的领跑者。此外,大飞机、高铁、地铁、核电站等国家的重大计划和专项这些年爆发式的发展,与之相应的人因工程研究与应用也取得了一大批原创性的理论和研究的成果,对推动中国制造强国的建设和军队的现代化建设、推进经济结构的转型升级,都发挥了重要作用。

  本届论坛以“人因设计创新中国”为主题,围绕“人因设计、中国智造、军民融合、共赢共享”的核心议题,在更广范围、更高层次、更深程度上将国防和军队现代化建设与社会经济发展结合起来,正如开幕式上,国防科工局总工、发展计划司司长龙红山说的,“推进国防科技工业军民融合深入发展,也是推进国家创新驱动发展战略,促进供给侧改革的迫切需要”。

  因此,来自中国前沿科技的各方专家,分享了人因工程研究成果,研讨人因设计发展规划,他们希望人因工程在智能装备、创新设计、医疗健康、智慧城市、互联网和国防安全等领域的探索,能起到引领与促进作用,努力服务于国家建设和社会发展。

  他们认为,中国的科技经过几十年的追赶,已经在摸索中找到了自信,在工业设计和工业制造中加入“人-机-环境”的深度互动研究,加入对人的心理和情绪的全面关怀研究,不仅能助推中国科技的跃迁,也将向世界的前沿科技和经济发展贡献更安全可靠的中国方案。

  有多少灾难可以规避 从美国4次撞舰事故说起

  在灾难和风险面前,人做什么才能趋利避害,逃过一劫?有没有系统的方法和手段?

  不可否认,灾难和事故是人类最好的老师。与事故对弈,是科学家必须做的。

  在各行各业,面对安全问题,他们必须变身阿尔法狗的设计者,提前几步甚至几十步,预测出对方杀招的各种端倪,然后一一歼灭之,同时伺机反扑,获得功效的最大化。

  今年美国的舰艇连续4次发生撞船事故,几乎都是人为因素引起的。而第四次事故损失最大:美国导弹驱逐舰麦肯恩号在新加坡东面海域与一艘邮轮相撞,造成至少5人受伤,10人失踪。可以说,美国海军颜面扫地,所以对事故原因的追踪至今密级很高,公众无从知晓。但作为人因工程方面的科学家却在思考追问,以便让中国的舰艇不犯这一类的错误。

  为什么舰上的装备这么先进,监测手段也多,自动化的程度高,还无法避免这些重大的事故?而且美国的国防部在人因工程方面已经采用了强制的标准,良好的设计已经避免了更为恶化的状态。

  据陈善广分析,从现有情况来看,可能存在人机功能的分配不当、人机协同不畅、舰员生理和心理的疲劳、指挥判断和决策失误、组织和管理松懈等人因问题。当然“骄兵必败,是颠扑不破的真理”。

  他还举了一例:1988年两伊战争时期,美国导弹巡洋舰文森斯号把一架民航飞机击落了,290个无辜生命灰飞烟灭。原因是什么呢?

  陈善广为大家复盘了灾难发生的关键导火索:一年之前美国的另外一艘舰艇在波斯湾战争期间遭到敌方战机的轰炸,当时没做出反应。文森斯号这个决策者一看到有一架飞机向自己飞过来,联想到上次兄弟舰艇吃的亏,就慌了,以为是敌国一架执行攻击任务的F-14战斗机,“这是信息在传递过程中丢失,决策者认知负荷过重导致的判断失误”。

  由此可见,人的因素在事故发生中起到了至关重要的作用。再比如,国际上包括民机和军机在飞行或试飞过程中,机毁人亡的事故还很多。究其原因,人的因素占65%以上。

  而航天的风险更大,美国的挑战者号和哥伦比亚号两次失事让14名航天员失去生命。挑战者号低温下发射、哥伦比亚号泡沫脱落问题早有发现,深究其因,带问题发射暴露出NASA重大的决策失误。还有苏联的惨剧:联盟11号,返回着陆前爆炸螺栓意外点火,压力平衡阀提前打开,氧气泄露减压,导致没穿压力防护服的航天员丧命。

  陈善广指出,在惨剧的衬托下,阿波罗13号的超绝表现已被历史铭记。他们登月途中,发生了服务舱的氧气罐爆炸,3位宇航员急中生智,采取了一系列正确自救步骤,用当时的登月舱作为救生艇,最终安全返回地球。“出现问题后,如果设计中充分认识了人的作用,人的决策在太空中是非常重要的。”陈善广说。

  “欧洲对1980年~2009年欧洲27个国家主要轨道交通线路发生的重大事故进行分析发现,导致事故发生的人为因素占了74%。中国学者通过对国内外城市轨道交通运营过程中153起事故数据进行调查,结论是人为因素引发事故的比例为51%。”北交大轨道交通控制与安全国家重点实验室的方卫宁教授复盘了2011年甬温线的7·23事故。

  当天的20点22分46秒,D3115次列车与系统和调度员失去联系。24分,调度员确认永嘉站的D301次列车发车前往温州南站,26分12秒调度员得知D3115失踪。按照比较稳妥的办法,他应该通知D301停车。但他却先用了两分钟去搜寻失踪列车,等他获知失联的车无法启动和具体位置后,再紧急呼叫后车刹车,一切都晚了。30分05秒惨剧发生。

  与会的一位核电专家沉痛地说,“反思三里岛、切尔诺贝利、福岛核泄露惨剧,人祸问题比高铁有过之而无不及”。他以三里岛为例,操纵员爱德华面对人类第一次核芯融毁的情况,方寸大乱胡乱操作,不仅没有抑制问题,反而加重了事故后果。

  他说,我们搞人因研究的,就是要从“看起来很多倒霉事凑在一起了”的事故过程中,发掘风险的关键,而不是简单地批评和处理操作员。

  因为,经验反馈也是财富。

  正所谓,损失越惨重,伤痛越深,“人为失误”的研究就越迫切越重要。比如三里岛核泄漏事件的操作者后来成了教员,不断培训新人,讲解和反思事故,让后辈吸取教训。

  “不是技术先进了,集成了豪华了,整体效果就好了”,人类在装备崇拜、武器崇拜、技术崇拜这方面曾经吃尽苦头,也做了很多反思。为什么美欧会对人因工程如此重视,列入法案呢?

  方卫宁解释,在二战时,美国飞机用了当时的最新技术,仪表盘非常多。结果动不动就自己掉下去,造成了非战斗减员。这是什么原因?“是因为机器与人的能力不匹配,仪表盘多了,报警的项目多了。人的信息处理能力有限,数据过多过滥让飞行员无法应付,分散了注意力,结果适得其反”。

  越是走在科技前沿的科学 越不会文过饰非、讳谈失败

  “神舟七号出舱的时候,舱门开了一个缝儿又关上了。我的心咯噔一下,地面人员都很着急——这就是我们平时实验的时候,无法完全模拟太空微重力环境,舱外服的操作工效没法完全摸清造成的。最后翟志刚在同伴的帮助下借用了工具还是把门打开了。这件事也告诉我们:相对机器、自动化的设备而言,人的作用是十分关键的。”

  中国载人航天工程总设计师周建平院士在追溯航天人研究人因的历史时,揭秘了当年的“险情”。

  越是高科技行业越是走在科技前沿的科学,越不会文过饰非、讳谈失败,已经宣布进入中国空间实验室时代的载人航天更是如此。

  在会上,陈善广坦率地讲,中国航天今年也是不平静的,长征三号、长征五号发射失败,背后的问题正在反思。对于航天人来说,要时刻保持忧患,他说,我们深知:“一次成功不等于次次成功,成功不等于成熟”“结果完美不等于过程完美”。其实载人航天是在人的保障、天地协同、返回着陆等方面不断总结经验教训中改进提高的。

  不得不承认,中国制造在向中国智造过渡的历史时期,阻力不可谓不大。与会的很多专家反映,决策管理层只重视技术与硬件产品本身的先进性,只看到一个劲儿地往前走,把技术搞得越先进越好,忘记了人的问题。工程专家意见过于强势,而忽视了人因要素,后果很严重。

  虽然让人认识一个问题是需要过程的。但中国的崛起太快、技术爆发性发展太快,“我们如果不重视人因研究,有可能就会成为中国人走出去、一带一路发展的障碍。产品再好,没有考虑到用户安全、使用的方便和习惯,就会丧失科技发展带来的红利。”方卫宁对中国青年报·中青在线记者说。

  他举例,轨道交通建设,是以市场需要为导向的。一个中等的主机厂,一年的机车产量相当于南非一个国家30年的需求量。“我们先期投入那么大,不走出去行吗?”方卫宁反问。

  然而,发达国家对车的人因指标要求很高,比如美国就有联邦法规的规定。

  中国的工程设计人员到了美国一看,发现美国某些机车、地铁车辆质量没有中国的好,对开发北美市场充满信心。可是得意没多久就被泼了一盆凉水:不是技术先进人家就让你中标的。

  参与这个项目的方卫宁对在美国落地之难深有感触。“美国的项目,是过程管理,每一个指标、分析方法、测试流程和测试设备都要满足美方要求,一个环节过不了关,就走不到下一步。由于我们的产品设计研发流程与美方不一样,按照美方的要求,成本一下就加上去了。”比如,美国和澳大利亚等发达国家的铁路用户非常注重司机的用户体验,不管你的车有多先进,如果不满足用户的使用习惯或者司机在体验过程中感觉不适,司机所在的工会具有一票否决权,因此,在方案设计阶段完成后,很多出口发达国家的铁路车辆需要制作1∶1的模型供用户体验评估,评估通过后,方能制造和生产。这与国内相比,增加了不少研发成本。

  “我们的学费是交了,但它不应只属于铁路系统,中国走出去是一个整体。如果能让更多的人重视人因环节的事先设计,就会减少弯路和不必要的损失了。”陈善广说。

  好在,相对于首届人因工程大会200多名来自军方和国家大工程的参会人员来说,一年以后的今天,良渚小镇来了470人,更多工业设计的专家参与其中。院士也从9位扩展为15位。

  同样是中国的骄傲——高铁。其顶层设计的设计者也把人因工程放在了重要位置。

  中国科学技术协会副主席、中国铁路总公司总工程师何华武院士,去年参加了首届人因工程论坛,向与会者详细地分享了高铁的人因经验。今年,他又来到第二届论坛。他的讲话,让人们意识到中国高铁的成功并不偶然,高铁未来的发展方向将更加贴近以人为本。

  何华武院士展望:高铁客运现在达到每小时350公里,现在是人控为主,世世代代的铁路司机都付出了极为辛勤的劳动,因为整个列车人员的生命安全都系于他一身。下一步要实现在国际上领先的智能高速铁路,标志性技术非常多,其中之一是时速350公里的高速列车实现无人驾驶,有人值守。

  公众在享受技术发展带来便利的同时,也必须忍受它的不便。这些中国科学家就是在不遗余力地交叉探索,为公众不断逼近极限——既让人的作用充分展示,也让人更舒适更愉悦更安全。

  毕竟,中国经济经过30多年的高速发展后,产业结构正在经历革命性的转型,“一带一路”“中国企业走出去”,这一切都在提醒大家,不能再无视人因工程学科的存在——它绝不是一个大工程项目的包装纸,而必须走入核心设计环节。

  正如国家自然科学基金委员会副主任、中科院院士沈岩所说,人的因素在工业生产中的重要意义和价值发现以及发挥它的作用,使得工业发展进入到一个新的更高的阶段,人因工程不仅涉及工程技术问题,也涉及到基础科学问题,比如对人的认识。

  人是万物之灵,认识人是人因工程的根本。中国工程院副院长、中国工程院院士樊代明以及中国工程院院士俞梦孙在报告中也都强调了要以系统观来认识人的生理心理规律和健康问题。

  “安全、高产、快乐都是中国梦的组成部分。人因工程关乎每个人。方便了每个用户,能让老百姓有满意感;采用人因理念的产品销量好了,能让工厂有获得感、成就感。人因工程应进入国家战略,要让老百姓都听得懂,都用到自己的领域中去。”空军航空医学研究所郭小朝建议。

  陈善广说,人因工程的本质,就是强调“以人为中心设计”的理念,让科技回归以人为本的初衷,让我们创造的世界使人们获得安全感和高品质的生活。这样才能改变经济社会发展不平衡、不充分的现状,从而服务于广大人民日益增长的对美好生活的需要,这也十分切合新时代“以人民为中心”的发展观。

  中国迈向空间站时代 人因设计任重道远

  事前花一块钱,犯错后要付出100元的代价。之前的这一块钱成本你愿意付吗?事实证明,很多人不愿意。

  愿意为此支出成本的,往往是具有极大风险的行业。而无疑,中国航天走在了前面。这也是将人因工程的国家实验室放在航天员中心的原因。

  周建平介绍,1968年航天医学工程研究所成立时就设立了航天工效研究室。经过这些年的载人飞行,航天员在太空中的作用越来越凸显出来,人和机器的关系重要性,处理好人机关系,使人机融合在一起,现在成为工程设计中一个很重要的共识。

  而事实上,人因工程的共识并没有进入普通企业,也没有飞入寻常百姓家。更多与会者反映的是,人因研究在目前企业的边缘状态。

  在舆论漩涡里盘旋的,在媒体之间反复炒作的,是人工智能,是互联网 ,好像人类的未来,人类的现代化就是机器的现代化,就是阿尔法狗扩张到方方面面,而人,将会变成一段数码,一种比特的存在。

  难道人类祖祖辈辈披荆斩棘求生存求发展,目标就是要被一群机器养起来?

  本次论坛的专家们不断强调的就是“人的能动性,人的不可替代性”。人工智能的核心就是人,也只能是人。

  回到近期目标:2022年,我国计划将空间站核心舱和实验舱Ⅰ、实验舱Ⅱ发射上天,届时将实现航天员长期在空间站驻留,并进行各项科学实验。其间将有多次载人飞行和货物运输,航天员要出舱工作。到2024年国际空间站退役时,中国可能成为全球唯一运营空间站的国家。

  目标很近也很甜蜜。但过程并不甜蜜。

  “我们已经到了空间站研制阶段,但很多人因问题还没有得到很好解决。工程研制如果不能提前充分考虑人因,等到出了问题再返工,代价就大了。”陈善广这样说。

  空军预警学院教授闫世强提出:“看我们各级指挥大厅的设计,大多是几排计算机整整齐齐摆在前面。而美国、俄罗斯的指挥所是根据指挥员要求设计的,多个显示屏依据人机交互设计。”他由此引申,军改后,现在战区、作战体系的变化,要求各个指挥所的指挥程序和指挥界面设计,指挥员和作战系统之间的交互,都要跟着进行改动,依据不同指挥席位进行人因工程设计。随着作战系统从单装到体系,装备体系的一体化设计与人因工程评估的问题凸显出来,加强武器装备系统特别是指挥控制系统的人因工程设计有很大的发展余地,还应把艺术和人文理念更多地加入进去。

  “设计是源头。产品的品质是设计出来的。人因工程强调迭代式设计,更强调一次性把工作做到位。”陈善广表示,什么是人因设计?怎么开展人因设计与测评?目前业界也没有统一的认识和标准,还需进一步探讨,并在实践中不断改进完善。

  人因设计是本届论坛的主题,强化人因设计对于提升人因工程地位和作用十分重要。陈善广认为,我们既要充分借鉴先进国家的成功经验少走弯路,又要有足够的文化自信,因为中国传统文化中的“天人合一”、“中和”思想、整体观等与人因工程的理念很一致。尤其是我国当前正处在工业化发展最兴旺的阶段,人因工程恰逢其时,我们完全有能力在这个领域做出中国人的创新性贡献,为我国从制造大国向制造强国转变发挥重要的作用。载人航天具有引领与示范意义,理应走在前头。

  航天的人因研究从理论到实践,涉及生物力学、心理学、工程学等方面,所以也让国家大工程的许多领域能够信手拈来,触类旁通。但空间站是综合国力的体现,空间站时代又需要国家方方面面的工程设计水平的提升。

  景海鹏、陈冬在神舟十一号和天宫二号生活和工作了33天,是到目前为止中国在太空时间最长的人。而“空间站里的工作人员中长期驻轨要180天以上,空间站就成了航天员之家。我们如何将它的设计达到家的水准呢?”陈善广问。

  而舱外设备的设计,如果不充分考虑航天员在太空中恶劣的环境,带来的就不是简单的不便问题了。比如舱外作业使用的手套,是充气的且有多层防护,很明显会影响航天员的触感和操控灵便性。从国外的经验看,舱外设备的设计让航天员出舱维修时很不顺手,这样无形中拉长了航天员舱外工作的时间,也增加了他们的工作量和风险。

  同时,中国的空间站也将是未来人类和平利用太空的重要平台,肯定要进行科学研究的国际合作。一方面各国科学家会进入中国的太空舱一起进行科学实验,太空舱也要在设计中加入适合他们文化背景与操作习惯的元素。另一方面兄弟国家也把自己的舱段发射上太空,与中国的太空舱对接,这就要求有一体化的设计和统一的接口。

  “国际合作也对我们的人因工程水平提出了要求,我们要做有预见性的设计。”陈善广说。

  会议讨论通过了《发展人因工程,助推“中国制造2025”行动倡议书》,呼吁国家、行业、高校、企业及人因专家通力合作,从国家政策、行业示范、学科建设、人才培养、成果转化及应用等方面共同努力,促使人因工程研究和行业成果得到更广泛的推广和应用,提升企业管理人员和生产人员的人因学意识,改善低效率高风险的生产环节,并通过新兴技术中信息的高效利用,提升企业和行业综合竞争力,推动“中国制造2025”跨越发展。

  论坛主席陈善广指出,未来人工智能一定会更频繁地走入我们的生活。我们将面临的是两个或多个超复杂的智能体之间的关系。未来人机关系将发生深刻变化,这不仅是科学的问题了,可能也是社会、哲学的问题。就像苏格拉底曾说的:探索哲学不是为了让我们在不确定的世界中找到确定的答案,而是让我们在不确定的实际中如何确定的生存。

  也许,对人的探索可以消除当今世界普遍存在的、由于现代化、互联网崇拜而产生的机器异化、拜金主义等城市病,为那些对未来发展恐惧到焦虑抑郁的人类开出良方。

  “安全感是消除不确定性而获得的,未来的发展,人造物的智慧提升必让人类自己惴惴不安,消除不确定性使人—智能系统运行可预测可控制,是人因设计的重要的使命和目标。”陈善广说。(中国青年报·中青在线记者 堵力)

编辑:唐菲