2021世界機(jī)器人大會第二天線下主論壇——“未來峰會”群星璀璨，產(chǎn)、學(xué)、研各領(lǐng)域大咖齊聚首，共話巔峰，為機(jī)器人未來發(fā)展領(lǐng)航。

峰會現(xiàn)場，國際宇航科學(xué)院院士、中國載人航天工程師總設(shè)計(jì)師陳善廣上臺發(fā)言，演講主題為《載人航天的人因?qū)W挑戰(zhàn)》。以下為陳善廣先生演講內(nèi)容全文整理。

各位專家、各位嘉賓，大家下午好！非常高興在這里利用這個機(jī)會和大家報(bào)告關(guān)于載人航天的人因工程學(xué)的問題，這里有兩個關(guān)鍵詞，一個是載人航天，一個是人因?qū)W。這和機(jī)器人有什么關(guān)系呢？昨天開幕式上神州十二號的三位英雄給大會發(fā)來了賀詞，他們在此之前完成了兩次出艙任務(wù)，其中就有一個機(jī)械臂，這是中國第一個機(jī)械臂，也叫空間機(jī)器人。人因?qū)W的問題也是關(guān)于人機(jī)問題，這里我臨時想到了一個問題，很想和大家交流一下，就是關(guān)于機(jī)器人，你希望它更像機(jī)器還是更像人？或者機(jī)器人究竟應(yīng)該怎么定義？我認(rèn)為這里就有一些人因?qū)W的問題，可以和大家一起思考一下。

我的報(bào)告分為四個部分：人因工程的基本情況、航天如何研究人因工程、主要進(jìn)展和結(jié)束語。

什么是人因工程？實(shí)際上這個學(xué)科的發(fā)展只有幾十年的時間，真正發(fā)展起來是二戰(zhàn)以后，但它的內(nèi)涵和外延一直不是很清楚，我這里從兩個定理和大家探討一下。一個是墨菲定理，一個是海恩法則。

大家都知道墨菲定理，只是每個人都不期望發(fā)生災(zāi)難，可是即使是在今天科技高度發(fā)展，但災(zāi)難還是很難避免的，甚至是墨菲魔咒。

海恩法則大家也都知道，講的就是所有的這些災(zāi)難和事故原則上都是有機(jī)可循的，某種程度上來講是可防可控的。

那么從這個意義來說的話，前一個定理講的是危機(jī)意識，后一個講的是如何防患于未然，我們可以有所作為，其中人因工程就架起了這樣一座橋梁。

大家都知道美軍是很先進(jìn)的，但距離我們非常近的2017年，一年發(fā)生了五次重大撞船事故，使美國海軍遭受了重創(chuàng)，先后有十幾位官兵喪生。應(yīng)該說這幾次事故讓大家反思，為什么這么多先進(jìn)的裝備還不能完全避免這樣一種惡性的事故？調(diào)查表明里面有人為的操作失誤，也暴露出人機(jī)協(xié)同、生理和心理的疲勞、指揮決策的失誤、組織和管理的人因問題。

目前從國際上來看，不管是民機(jī)還是軍機(jī)，世界上試飛和飛行過程中機(jī)毀人亡的事故很多，因?yàn)槿说囊蛩卦斐蔀?zāi)難性的事故達(dá)到2/3左右，主要的原因也是人機(jī)功能分配有問題，當(dāng)然可能也有人員訓(xùn)練不足的問題，或者也有人員自身的情緒管理的問題等等。

圖中是一場很慘痛的災(zāi)難，2018年10月、2019年埃塞俄比亞航空公司和世航的兩次民航的失事，波音737飛機(jī)基本上全球停飛，造成了337名平民喪生，所以這里就是人機(jī)功能分配的問題。航天領(lǐng)域也有不少事故，我們都知道的挑戰(zhàn)者號、哥倫比亞號兩次失事犧牲了十四名航天員，聯(lián)盟一號返回的時候由于減速傘沒有打開壯烈犧牲，當(dāng)然也有其它的問題。

阿波羅十三號本來是一個非常嚴(yán)重的事故，因?yàn)橛?jì)劃有幾次登月，其中這次登月沒有成功，因?yàn)橹型景l(fā)生了登月艙儲氧箱爆炸，三名宇航員急中生智，發(fā)揮了人的特殊優(yōu)勢和作用，臨時把原來用作登月的登月艙改成返回艙，根據(jù)地面的指令采取一系列正確的措施，能夠安然無恙地返回地球，充分說明“成功的失敗”，就是充分認(rèn)識并發(fā)揮人的作用，也是對整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

我們有很多國際著名品牌的車，這些車的安全性能很好，我們還有一些人性化設(shè)計(jì)，比如整體美感、裝飾風(fēng)格、操控品質(zhì)，甚至一些現(xiàn)代的元素，這些都是年輕人非常追逐的一種特性，可以說這些例子都表明機(jī)器的設(shè)計(jì)對人本身密切相關(guān)。

究竟什么是人因?qū)W？這里用了人因?qū)W和人因工程，兩個詞本身就沒有完全統(tǒng)一，要是面向工程應(yīng)用的話，一般我們講人因工程多一些，就是Human Factor Engineering，但我們現(xiàn)在一般叫做人因?qū)WHuman Factor Science，但二者應(yīng)該沒有什么本質(zhì)的區(qū)別。國際上對人因?qū)W和人因工程有一個基本的定義，什么叫做人因工程？就是研究人與系統(tǒng)其它要素之間關(guān)系的學(xué)科，運(yùn)用相關(guān)的原理、理論、數(shù)據(jù)、方法開展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保人員的安全、健康、舒適和系統(tǒng)性的最優(yōu)，這是國際上大家認(rèn)定的一致性表達(dá)。

我們對整個概念的內(nèi)涵和外延做了深入研究，人因工程在國內(nèi)有很多傳統(tǒng)的叫法，比如人機(jī)工程學(xué)、人機(jī)與環(huán)境工程學(xué)，這些叫法涵蓋的研究內(nèi)容基本上是差不多的，里面有這樣幾個重要的方面：首先面向?qū)ο笫且磺杏扇酥圃旎蛘哂腥藚⑴c控制使用的產(chǎn)品性能，前面定義也有談到人與系統(tǒng)其它要素的交互關(guān)系，當(dāng)然也包括基本的原理、激勵機(jī)制以及人因設(shè)計(jì)與評估的方法。這個學(xué)科有一個重要的理念，就是體現(xiàn)通常所說的以人為本，以人為中心是這個學(xué)科的核心價值，也是核心理念。學(xué)科的目標(biāo)有三個方面：安全、高效和宜人，英文中叫做Well-being，涵蓋了人的不同需求，我們設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時候關(guān)于人這方面的特性和屬性的考慮就應(yīng)該結(jié)合具體的應(yīng)用場景、具體的任務(wù)需求認(rèn)定，我們把它叫做宜人比較合適。

人因工程有幾個典型特征：遵循系統(tǒng)工程方法，主要是為工程研制服務(wù)，所以是面向設(shè)計(jì)非常重要的特征。人因工程方向凝聚了非常多的學(xué)科進(jìn)行交叉融合，所以多學(xué)科的交叉融合也是人因工程學(xué)科的典型特征。我們可以從前面的例子看到進(jìn)行了充分的人因設(shè)計(jì)，遵循人因工程方法的系統(tǒng)，不僅能夠大大提高系統(tǒng)的性能，也能夠大大縮短延遲周期，節(jié)省延遲成本，降低系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

要是在早期引入人因設(shè)計(jì)，費(fèi)用可能會占到系統(tǒng)投入的2%左右，但如果是研發(fā)生成以后再來改進(jìn)，花的代價可能就是5%，甚至超過20%以上。當(dāng)然，如果是由于人因問題造成人員的傷亡、系統(tǒng)的崩潰，這種損失就更嚴(yán)重了，難以估量。

剛才說人因工程不僅是與飛船飛機(jī)這種大國重器相關(guān)，也和每個人的生活相關(guān)，如果人因工程做不好系統(tǒng)就無法適應(yīng)人，比如舒適性、操控性、價值追求等等，當(dāng)然也包括不同年齡段的設(shè)計(jì)需求的涵蓋。

作為人因工程，基礎(chǔ)關(guān)鍵問題主要有這樣幾個方面：

人的能力特性和作用機(jī)制，比如團(tuán)隊(duì)和個體作業(yè)能力的定義、測量和評價，包括感知、認(rèn)知、決策能力的影響，當(dāng)然也包括不同環(huán)境，機(jī)器和任務(wù)條件下人的作業(yè)能力的變化，比如失重的情況下人的能力會下降，當(dāng)然還有人因失誤、可靠性與安全性，剛才我們看到的幾個事例都與這個方向相關(guān)，究竟人為什么會失誤，怎樣造成人的失誤，有沒有辦法防止人的失誤，以至于能夠防止更嚴(yán)重的事故和安全問題的發(fā)生。

人機(jī)交互的基本原理，特別是新技術(shù)不斷產(chǎn)生，對人機(jī)系統(tǒng)的影響也是很大的，比如前面報(bào)告談到的人機(jī)共生問題，包括人與自動化、人與智能的關(guān)系怎么處，這些都是關(guān)鍵科學(xué)問題需要面對和解決的。人因設(shè)計(jì)與測定方法，以及仿真建模，基于人的能力，包括人機(jī)功能的分配，我們需要建立一些仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前讓人機(jī)在仿真和模擬的系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。

未來社會發(fā)展的人因方案，我們有無窮的可能性，最重要的就是解決發(fā)展的技術(shù)如何適應(yīng)人，包括未來社會老齡化的問題，采取怎樣的生計(jì)符合不同人群的要求，包括剛才談到的很多重大災(zāi)難發(fā)生以后，如果我們減輕災(zāi)難，里面都有很多人因?qū)W需要關(guān)注的問題。

目前人因工程的主要發(fā)展趨勢和研究領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用范圍越來越寬，包括飛機(jī)、飛船到個人的衣食住行都有密切的關(guān)聯(lián)，核心就是研究人和認(rèn)識人的問題，所以和這些成果都是相關(guān)的，再就是未來高科技領(lǐng)域的作用非常獨(dú)特，現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)這些新的交互技術(shù)的出現(xiàn)，包括互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)，人工智能、云計(jì)算這些技術(shù)的發(fā)生和發(fā)展，人機(jī)關(guān)系也有發(fā)生變化，人的角色定位可能引發(fā)新的問題，這些問題都需要人因工程在更大的范圍進(jìn)行應(yīng)對。

接下來介紹一下載人航天的人因工程體系，其中有一個重要的特點(diǎn)，就是一般的衛(wèi)星發(fā)射不同的地方就是因?yàn)槿说拇嬖?，系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，我們把它叫做人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)，比如現(xiàn)在到月球表面進(jìn)行探測都會涉及到人機(jī)與所處的環(huán)境之間關(guān)系的問題。我們經(jīng)常說人是一個復(fù)雜開放的系統(tǒng)，人是有思維層面和生物層面的雙重復(fù)雜性，復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互必然呈現(xiàn)更多不可確定和不可預(yù)測性，復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性要求會更高。

我們設(shè)計(jì)的載人航天研究體系包括這樣幾個方面：航天員的能力特性的變化，航天器的人機(jī)界面和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，特別關(guān)注人物和人員安全可靠性的問題，最后也是要把人與系統(tǒng)如何進(jìn)行整合設(shè)計(jì)和評估讓工程得到很好的應(yīng)用。

下面我們把美國和中國在這方面所做的工作介紹一下：生物力學(xué)特性、作業(yè)能力、基本感知和飛行中的心理和情緒變化，因?yàn)榭臻g環(huán)境特別是長期失重環(huán)境會對人的生理心理產(chǎn)生很大的變化，通過幾十年的載人航天的實(shí)踐已經(jīng)得到初步證明，NASA包括中國在內(nèi)進(jìn)行載人航天設(shè)計(jì)的時候都要考慮到這些能力的變化特征，提供給工程部門進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們也發(fā)展了人服作業(yè)能力，就是人穿著航天服以后能力會受到約束，空間站中到艙外的話還有艙外環(huán)境的問題，我們在大型失重水槽也建立起這樣的評判數(shù)據(jù)和失重模擬。

基本感知在失重情況下是會發(fā)生變化的，一個非常著名的實(shí)驗(yàn)就是在2015年美國NASA開展的非常有名的實(shí)驗(yàn)，就是孿生雙胞胎航天員，一個是在天上待了340天，一個是在地面進(jìn)行對照，這個實(shí)驗(yàn)說明了很多問題，特別是對認(rèn)知來說，我們覺得航天員在很長時間內(nèi)，總體的認(rèn)知水平是有的，但在返回以后認(rèn)知的變化準(zhǔn)確度出現(xiàn)了降低。當(dāng)然，這些也和環(huán)境有關(guān)系。

我們的神舟十一號和這次的神舟十二號都有開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，人體參數(shù)和生物力學(xué)，包括人的尺寸會變化，一般在飛行中會延長3-4公分左右，很多人說想要增高的話是不是到天上旅游一下，回來適應(yīng)地球環(huán)境又會變回來，感知特性也會發(fā)生變化，視覺的變化也是很大的，我們的肌肉骨丟失的變化，認(rèn)知能力也會發(fā)生變化，回來三年以后發(fā)現(xiàn)基因突變有7%，并沒有完全恢復(fù)，就是空間輻射綜合效應(yīng)對人的影響是很大的。這些問題都會對人的能力產(chǎn)生變化，特別是心理問題，因?yàn)殚L期的空間隔絕和地球環(huán)境的影響會導(dǎo)致他們有些心理問題出現(xiàn)。

人機(jī)界面設(shè)計(jì)如何符合人的要求，比如這是NASA專門的航天飛機(jī)，這個方面做了很多工作，包括當(dāng)時信息怎么呈現(xiàn)，哪些是重要信息，什么樣的表達(dá)和表現(xiàn)，設(shè)計(jì)之前做了非常多的仿真和實(shí)驗(yàn)，我們國家也是載人航天早期到現(xiàn)在看到比較寬敞的中國的空間站，這些站點(diǎn)的設(shè)計(jì)也是非常多，包括儀表板、控制器、顯示器都在這里完成。

我們看到7月4日航天員第一次出艙，劉國明進(jìn)行艙外活動，機(jī)械臂和人緊密配合，完成了第一次長達(dá)7小時的出艙活動，一般情況下出艙活動是6+2，7小時就是第一次達(dá)到這個時間，還是很不容易的，就是空間站的首次飛行。人工控制是典型的人機(jī)緊耦合系統(tǒng)，第一次完成是航天員劉旺，設(shè)計(jì)這個人機(jī)交互系統(tǒng)對接的話還是非常復(fù)雜的，可以說我們研究了1萬多人次的實(shí)驗(yàn)，包括靶標(biāo)怎么設(shè)計(jì)、怎么符合一般性的操作特性，這些都要進(jìn)行反復(fù)的研究，最后從地面的訓(xùn)練到天上的實(shí)際操控圓滿地證明了這種人機(jī)控制本身設(shè)計(jì)的正確性。

人機(jī)交互也有很多，特別是未來在智能化提升以后，包括將來載人登月，我們要有登月機(jī)器人，火星上會有挖礦機(jī)器人、采礦機(jī)器人，這些會涉及到人與智能機(jī)器人之間如何進(jìn)行交互，這些方面都需要解決，我們已經(jīng)開始做很多基礎(chǔ)方面的研究。

人機(jī)系統(tǒng)整合和試運(yùn)行的評估，這方面非常關(guān)鍵，實(shí)際上這是面向工程實(shí)施的，怎樣把剛才我們探索的這些基礎(chǔ)科學(xué)問題、基本數(shù)據(jù)用到工程上去，要有一整套的思路，NASA也是非常科學(xué)地提出人的系統(tǒng)整合思想，實(shí)際上就是要把人整合到策劃、設(shè)計(jì)、研制乃至交付使用和運(yùn)行的全生命周期的環(huán)境，然后在這個環(huán)境中突出以人為核心的理念。

整個團(tuán)隊(duì)總體設(shè)計(jì)的時候就涵蓋了包括技術(shù)的專家，人因?qū)W家各個方面，美國國防部早先就進(jìn)行了多方面的實(shí)踐，也是取得了很好的效果，現(xiàn)在以人為中心設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一個國際標(biāo)準(zhǔn)，里面包括怎樣在方案階段、任務(wù)分析、人機(jī)功能分配等等，采取什么樣的措施和方法都做了很多的規(guī)定和規(guī)范，也是非常有價值和意義的。要求以人為中心的設(shè)計(jì)涵蓋整個研制，比如人因、人類功效學(xué)、乘員的安全和健康以及系統(tǒng)工程，比如航天中還有在軌維護(hù)保養(yǎng)、艙外活動和訓(xùn)練。實(shí)際設(shè)計(jì)中也有一個流程，需要先進(jìn)行分析和可用性評估，也要對航天員在作業(yè)的場景下的工作負(fù)荷進(jìn)行評估，包括人因失誤分析，這些評估都是結(jié)合人和機(jī)在復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)該要考慮的幾個方面。

當(dāng)然，我們也已經(jīng)建立起了很多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，NASA就有很多，非常有名的就是失能性評估，也是唯一強(qiáng)制性的，要求不僅系統(tǒng)要通過人因需求分析、可用性的評估，也要對安全性做到非常高的幾個原則。中國載人航天工程也有自身的一套方法，借鑒國際上的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立自己的功效學(xué)，就是人因?qū)W管理的規(guī)定和規(guī)范。我們專門在載人航天工程中有一個航天員系統(tǒng)，現(xiàn)在也有提出功效學(xué)要求和設(shè)計(jì)評估的分析，載人飛船、貨運(yùn)飛船和空間站，我們已經(jīng)形成了一系列的要求、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前我們還是第一次在這么復(fù)雜工程中建立功效學(xué)的管理規(guī)定，不僅僅是一個技術(shù)規(guī)范的問題，而且從管理層面要貫徹到研制過程，應(yīng)該說這方面還是做了不少工作。為了讓人機(jī)系統(tǒng)分析和評估取得更好的效果，我們還專門在相關(guān)的重點(diǎn)領(lǐng)域建立功效學(xué)測評中心，應(yīng)該說也是非常好的做法。

人是萬物的尺度，未來萬物唯一的標(biāo)準(zhǔn)就是人，一切都為討好人而存在，你討好人的程度就決定了你存在的價值，這是人因的價值和使命，讓我們的產(chǎn)品做到更適宜人，為人服務(wù)。人機(jī)關(guān)系本質(zhì)上體現(xiàn)的是人人關(guān)系，為什么這么說？因?yàn)樗械脑O(shè)計(jì)都會打上人的烙印，但現(xiàn)實(shí)中這是一個矛盾，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師經(jīng)常把自己想成用戶，用戶又非常難以理解設(shè)計(jì)師的苦惱和約束限制，所以人因工程要架起比較合理的溝通和方法學(xué)的橋梁，這一點(diǎn)還是非常有意義的。

我們要認(rèn)識人因工程在工業(yè)1.0進(jìn)化到未來的4.0過程中，實(shí)際上可以看到也是解放人的體力、提升人的效率、拓展人的能力、增強(qiáng)人的智力、機(jī)械化、電氣化、自動化和智能化僅僅是圍繞對人能力的提升、對人負(fù)荷的解放、對人機(jī)系統(tǒng)效率做文章，所以不同階段人因工程都有自身的使命。未來的智能化將來會是未來生活和人的關(guān)鍵點(diǎn)都會發(fā)生變化，剛才有同志談到人機(jī)共融、人機(jī)協(xié)作、人機(jī)共生都是我們需要面對的，應(yīng)該說人因工程的責(zé)任更重大。

中國載人航天已經(jīng)完成近地軌道飛行，無人飛行已經(jīng)到達(dá)火星，阿波羅登月已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了地面和天體的登陸，實(shí)際上從中國載人航天發(fā)展規(guī)劃來說，下一步也是將要到月球和火星探測。不管怎么說，人類不會止步于現(xiàn)在的探索，一定會把目光投到更深更遠(yuǎn)，所以這個過程中人因工程都會發(fā)生自身的作用，當(dāng)然也會引起許多挑戰(zhàn)。