人因工程:未来30年“中国智造”助推器

几乎没人知道自己如果暴露在太空中，作为一个失重的飞旋天体会是什么感觉。更没人知道像玩电游一般，在寂寥的太空追逐捕捉目标，并抓获它的感受。
但这些，刘旺知道。
刘旺是航天员中最神秘和低调的一个。2012年6月24日，刘旺手动控制神舟九号飞船完成与天宫一号的交会对接--成为人机交互最和谐完美的人类佼佼者。
航天科技人才荟萃的中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，近日在深圳主办了首届中国人因工程高峰论坛。来自航天、航空、核电、高铁、互联网、医疗、科研、制造等领域的中国最高端科技专家，就人因工程如何运用到各自科研领域进行了探讨。
他们认为，中国的科技经过几十年的追赶，已经取得了卓越的成就，在中国目前处于2.0、3.0的工业混搭状态下，系统化地加入对人的极限和适应能力的研究，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，必将助推中国科技的跃迁。
人因工程不仅将挑战工业4.0，更要迎接未来30年的中国科技大爆发。
人因工程，院士也着迷
人因工程这门学科在大多数人眼里，是陌生的。
苹果手机容易滑落，容易被摔碎，我们加个套子。
小孩饭前洗手不便，在一些餐厅就有低矮的洗手池。
药品说明书老人看不清，我们就用胶囊壳做成放大镜。
汽车导航你想知道路的时候它不讲，你心里有谱的时候它喋喋不休。我们就是要让导航在你恰好需要的时候，传出信息，把你指引到目的地。
……
首届论坛主席、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开坛首讲中，以人们的亲身体验来引入人因工程的概念。因为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。
根据国际学术界当前定义，人因工程学是研究系统中人与其他要素之间的交互关系的学科，并运用相关原理、理论、数据与方法开展系统设计以确保人员安全健康舒适及系统性能最优。这门学科欧洲称之为工效学，日本称之为人间工学，相近的学科还有人机工程学、工程心理学,以及我国建立的人-机-环境系统工程理论等等。
它涉及范围很宽，既有高大上的国家重器，精密复杂的宇宙飞船、核工业、战斗机的设计，也包含我们日常生活的鸡毛蒜皮。
简单地说，就是研究人、机和环境的关系，让他们达到最佳的匹配。学科诞生以后一直被发达国家高度重视，运用到国家科技、经济的方方面面--国际空间站建设、波音飞机的全数字化设计、哈勃天文望远镜的修复、高速列车的设计等诸多方面都有人因工程的贡献。
陈善广指出，人机关系本质上是人人关系，因为机器是人设计的，必然会打上人的烙印。人机关系表现在工程研制上就是设计者与使用者之间的关系，是对立统一的辩证关系。现实中，设计者经常把自己当成使用者，而使用者经常抱怨设计者未能满足其要求，人因工程架起了沟通和解决这一问题的科学桥梁。
互联网创业者们最讲究产品交互设计。阿里巴巴的首席技术官王坚也参加了首届人因工程论坛。
不过，人因工程当然不只限于“比特世界”的人机交互，人因工程师也不只是一个产品经理。人类真正的尖端科技必须在物理的“原子世界”实现伟大的突破创新，借助“软科技”经验在“硬科技”里进行人机交互、人人交互的研究设计，才是人因工程的根本使命。
这是一门非常庞大也与其他学科紧密交叉的学科，因此，本次会议吸引了9位两院院士，70余家顶尖科研院所及企事业单位代表200多人参加，中国的科学家们已经意识到了这门学科的重要性。
高铁强大竞争力，人因工程是关键
“如果人的因素考虑不周，不仅会使系统效能降低或失效，而且会导致人员健康问题甚至伤亡。”陈善广用两个灾难故事对人因工程做了剖析。
故事一:1988年7月3日两伊战争结束前，伊朗IR655号民航班机被美国海军的导弹巡洋舰文森斯号(USS Vincennes)击落，290名乘客和机组人员全部罹难。当时文森斯号正在伊朗水域内，发现飞机时分析原因，把民航机上升误判为俯冲从而当作敌方战机，再加上舰上士兵高度紧张，导致惨案发生。
故事二:1971年6月，苏联的联盟11号着陆前因返回舱泄漏减压，3名航天员由于没有失压防护全部死亡，此后航天员在上升和返回阶段被要求必须着舱内航天服。
“超级复杂的系统会给人带来麻烦，一个很细小的错误操作，就会导致一系列错误，铸成大错。”他说。
探讨人因工程的重要性，专家们都是从问题入手，从灾难预防开始研究。中广核集团副总工程师任俊生首先谈到人类核能利用的三次惨痛教训:美国三里岛核泄漏，苏联切尔诺贝利核电站的惨祸和日本福岛核危机。“很多人误以为福岛危机是地震引起的，不可避免。其实不对，福岛核泄漏既是天灾也是人祸。”
安全大如天。任俊生认为灾祸的启示就是，不要埋怨地震天灾，核电站最终还要“在人的因素上进行考虑，从系统设定上避免错误”。核电安全无止境。中广核去年成立的核电安全监控技术与装备国家重点实验室,包含“人机交互与防人因失误技术”等人因工程研究方向。
高铁现在成了最便捷的交通工具，几乎成为人们出行的首选。“7·23”甬温线特大铁路交通事故曾重创高铁的发展。但现在呢?中科院院士、中国铁路总公司总工何华武跟与会专家交流了高铁发展的现状。
他介绍，中国的国情、气候、地形决定了中国高铁的复杂性。法国的高铁是巴黎到马赛一条，英法海底隧道一条。日本的新干线在比较狭小的国土上，而中国的高铁是一张大网。运输上的复杂性，各种各样的天气地理上的复杂性不言而喻，哪一个子系统出了问题都会车毁人亡。
在东北哈大线上，面对高寒，脆硬的钢轨，中国高铁仍能行驶到350公里/小时。
当有人问:黑客把高铁系统的网络信息毁了怎么办?何华武斩钉截铁地回答:“中国不怕，有备手。”
兰州到乌鲁木齐，普通火车都被大风吹翻过，地壳活动频繁。高铁怎么办?何华武解释，他们建立了地震监测预警系统，利用地震波纵波横波的时差，采取断电的办法，让火车减速停车，避免人员伤亡。他透露，现在中国有11列“黄色医生列车”，10天到15天监测一次，保证整个系统的安全。
何华武其实是告诉与会者，中国高铁的人性化设计和强大竞争力，正是从人因工程角度进行了全面系统的设计。
华龙一号进英国，人因评测先过关
美国科幻大片《地心引力》曾让很多中国人激动。因为女主角最后的一线生机，是坐上了中国的神舟飞船。不过，电影也有一个暗示，美国的返回舱是人性的、舒适的、现代的。俄罗斯的飞船也很宽敞，物资丰富。而救了她命的中国神舟舱内狭窄、没什么舒适度可言。当穿越大气层时，这位女宇航员经历了噩梦般的身体感受，我们的返回舱就像一个黑黢黢的铁蛋砸回了地球母亲怀抱。
这也许就是中国制造给外国人留下的印象--能达到目的，但不讲舒适不讲审美。
从本次深圳的人因工程大会组委会的初衷看，发展人因工程的目的，就是要打破在军事装备研制、日常生活用品研发领域，“人适应机”的传统设计思想，将以人为本、“机适应人”提到核心位置。
国家“973”首席科学家、C919飞机常务副总设计师陈迎春指出，国产大飞机在设计的一开始，就强调驾驶员的舒适性。记者曾先后体验国产飞机运十和C919的驾驶舱。很明显，运十是给动作敏捷的战斗机飞行员开的，进入驾驶座很不方便，记者的头被碰了两下。而时隔30年，商飞的C919驾驶舱宽敞漂亮，操作屏幕清晰，让外行人都能一目了然，方向盘也变成了不影响人进出的操作杆。其中可以充分看出设计者对驾驶者的关爱与体察。
对人因要素的考虑，也是中国走出去战略的一部分。比如代表中国产业走出去的高铁，何华武院士说，在高速铁路设计过程中，他们就在不断吸收人因工程学的先进理论。
以高速列车司机室为例。在他们眼里，火车司机是产品的体验者，要把司机的操纵台、座椅、视野等要素充分纳入设计过程，要可靠、舒适，还要美观。为了降低驾驶疲劳，他们要求高铁司机每工作两小时必须休息，司机座椅宽阔，能方便下肢伸缩。为了提高可靠性，他们删除了冗余设计，操作台界面分成不同的功能区，标识清晰可变，还在主手柄中设置了防止误操作和误碰的装置。
再比如，中国自主三代核电技术、华龙一号正在向海外出口，落户英国布拉德维尔。科技人员去了英国，人家首先问:你们人因测评的结果怎么样?如何降低人因问题的负面影响?据任俊生介绍，解决人的问题是核电安全非常重要的环节，提升人机交互才能增加核电安全屏障的可靠性。
华龙一号的人员培训是非常严苛的，成为操作员要4年，升格为高操作员，起码7年。上岗人员每隔一段时间都要去模拟机练习。因为反应堆18个月换一次料，如果一个人一直都没机会进行操作训练，他的上岗许可证就要吊销。任俊生罗列的华龙一号安全保障指标都直指灾难:堆芯损坏概率，抗震等级、大自由容积抗大型飞机撞击的双层安全壳，还有就是吸取福岛核事故反馈而设计的多样化电源与水源保障措施，以及乏燃料厂房的监测措施。
如何以人为本，降低危险指数?各方专家不约而同地提到了航天经验。“航天员是人类最优秀的精英，他们的幕后英雄也是真正的最强大脑、国家脊梁。”国际宇航科学院院士、北京理工大学生命学院院长邓玉林教授告诉记者，人类不熟悉的失重，还有非常严苛的难以预料的恶劣环境等待他们，所以如何设计便于航天员执行任务的工作界面，如何保障他们圆满完成使命，各国都会投入大量的经费、人才进行研究。随着中国经济高速发展，以人为本的理念正渗透在各个领域。而中国载人航天这些围绕研究航天员而形成的成果、数据非常丰富，完全可以将之运用到更大众化的应用领域当中。
航天员刘旺和他的对接手柄
航天人因研究，更多涉及人类在极限环境下的状态、能力、安全研究。
据报道，当天中午，神舟九号飞船开始自主接近天宫一号，随后保持140米距离。12时38分，飞船转入手动控制，12时42分，刘旺控制飞船与天宫一号对接环接触，8分钟后对接机构成功捕获。随着对接锁锁紧，天宫一号与神舟九号形成一个组合体，手控交会对接顺利完成。
其难度是常人难以想象的。

刘旺要对抗不同于地球的失重环境，他要在规定的时间里，以较少的燃料消耗高精度地完成两个高速飞行的航天器对接。

陈善广当时是航天员系统总指挥兼总设计师，他对媒体说，由于两个高速飞行的航天器质量都很大，要求手控操作十分精细，对航天员的空间位置判断、手眼协调、多信息并行处理等能力要求很高。首先，交会对接的手控系统设计必须满足人的生理心理要求。为此，人因工程实验室开展了大量的实验研究，包括航天员的认知特性、靶标设计、手柄的操作极性等，为工程研制部门提出了几十项重要的工效改进设计建议并被采纳。另一方面，为了满足任务要求，航天员在地面接受了正常模式和故障应急模式下的手控操作训练，达数百次。 在执行任务前，飞行乘组要完成上千小时的针对性训练任务。

正如中国工程院院士、中国载人航天工程飞船系统原总设计师戚发轫对中国青年报·中青在线记者所说，早在1992年， 国家载人航天工程专门设立航天员系统，设立了工效学的要求与评价分系统，充分考虑人的因素。

进入宇宙，步步惊心。如果实施对接的航天员没有极强的心理素质和身体上的抗干扰能力，一个小的错判，或者误操作，就很可能导致大的问题或者任务失败。1968年10月，苏联航天员别列戈沃伊驾驶“联盟3号”和“联盟2号”飞船对接，两飞船自动接近、手动对接3次，因指示灯设计有误，加上判断差错耗尽了燃料，最终未能实现对接。

他们知道，即使航天员由于紧张手出汗了，也会降低操纵按钮的敏感度，从而降低对接的成功率。据人因工程重点实验室副主任王春慧介绍，飞机有试飞员，而在交会对接之前，我们的研究人员和航天员都没有过这些经历。对长期飞行下，失重、震动、极端温度对人的认知能力会否受影响，他们做了各种各样的试验和高强度训练与考核，做了一万多人次的实验，建立了模型。

上天飞行前，刘旺在各项指标的考评中，心理素质、操控能力评分是最高的，能在各种恶劣的环境中心理最稳定，达到人与机器之间的合一。最终，他在险恶的太空中“从容不迫”不负众望，以手动对接第一人成为航天英雄。

2013年，“载人航天空间交会对接工程”获国家科技进步特等奖，航天人因工程对保障人控交会对接等任务的成功完成发挥了重要作用。

“成功不等于成熟。结果完美并不等于过程完美。中国载人航天的辉煌背后也还存在着人因问题考虑不完善的地方，工程全线对人因还缺乏足够重视，人因体系并没有完全建立起来，作为航天人务必要保持头脑清醒,要有风险意识。”陈善广当时的思考为大会埋下伏笔。

人因工程助推中国制造2025

除了国家的军工、高精尖的大项目，在陈善广看来，人因工程能服务的领域非常宽广，跨度极大。

正在到来的工业4.0时代包括两大主题:一是智慧工厂，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现;二是智能生产，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用。这些都与人因工程高度交叉。对中国而言，中国制造必然在工业4.0时代升级到“中国智造”。

“人因工程面对的新挑战也就是新使命。”陈善广解释，人-机系统的表现形式和关系发生了变化:人不出现在生产现场，变成“看不见的手”，从采集信息到大数据挖掘再到决策，实现新的生产方式。

他认为，人因工程是工业4.0的灵魂。中国虽然是全球第一的制造业大国，但是现代化、信息化水平区域发展参差不齐，标准化程度低，要跨越式迈进工业4.0，还必须大力发展工业3.0，补上工业2.0的课;从实现民族复兴的角度看，这是难得的历史机遇;机遇大，挑战更大。

东南大学薛澄岐教授是国内复杂信息系统数字界面人机交互设计领域的先行者。在会上，他向科学家们演示了航天员脑控、眼控头盔的设计，让大家对航天的未来感叹不已。

“体感交互方式被游戏设计者充分应用，”很多游戏迷带着头盔进行电子游戏，而随着可穿戴式人机交互新技术的发展，人与机器的结合将在越来越多的领域发挥重要作用。 “在信息化时代，复杂的系统已经逐步取代传统的显控界面，被广泛应用到战机船舶驾驶操纵、核电厂控制、战场指挥、汽车驾控等各种复杂的人机交互系统和环境之中。”薛澄岐说。

人因工程在医疗康复领域也可大显身手。天津大学生物医学工程与科学仪器系的系主任明东向大家展示了人因工程理念指导医疗器材和康复训练方面的培训。一位名叫时军涛的患者11年内4次中风，无法握笔。经过脑机接口的4个月训练，她可以写名字了，到第五个月，字迹已经很圆润流畅了。

人因工程就是做到“天人合一”

陈善广提出的人因工程助推中国制造2025的行动倡议，得到与会代表积极响应。

人因可靠性专家、湖南工学院张力教授认为，本次论坛首次云集国内人因方面的顶级专家共谋中国人因工程发展大计，重视程度、层次和规格之高前所未有，是我国人因工程领域的重要里程碑。清华大学工业工程系主任李志忠教授表示，加强宣传推广，国家职能部门是关键。人因专家的培训和认证体系建设也迫在眉睫，应设立专门的机构负责此事。

陈善广表示，人因学科的很多方法不仅得到了美国国防部、美国国家航空航天局的青睐，也广泛应用于民用飞机、汽车等制造行业，不仅提高了系统效能、减少人因差错、确保安全性，而且能够减少设计反复、缩短研制周期、大大降低研发成本。这些价值需要被管理层、工程师和用户真正认识。

作为特邀嘉宾的雕塑艺术家任军，用屠夫与铁匠的故事谈了他对人因工程的理解:庖丁解牛解得好，不仅是因为屠夫对牛结构的理解和技术的熟练，还有个很重要的因素，是他的解牛工具是一把好刀，而打造这把刀的铁匠也需对牛的结构和用刀的人了解透彻，才能打造出一把顺手好用的刀。“屠夫与铁匠就是人因工程使用者与设计者的关系吧”。

任军还对陈善广提出的人因设计应考虑人的审美需求的观点很认同，他问科学家们:我们的产品与发达国家比起来到底哪里不对?其实就是缺乏审美考虑。现代的产品体现的是科技与艺术的结合，内在功能与外观设计的统一。

劳动创造了人，人用技术与大自然、宇宙进行交互，创造了不断迭代升级的人类文明。从这个意义上说，人的本质是科技，科技的本质就是人。陈善广在报告中说，“人是极为复杂的生命系统，人机系统由于人的参与更为复杂，人因工程反映了人类对客体和主体自身的认知水平”。

事实上，大到嫦娥计划、空间站、火箭飞船，小到一个手机、放大镜、一把刀，都是人通过技术与自然达成“心物一体化”，并不断探索文明新境界的过程，人因是其中最活跃最本质的因素。中国文化中“天人合一”思想以及整体观，渗透在中国的人因工程各环节。

这次深圳研讨会的专家们一致认为，人因工程正在蓬勃发展中，中国人的智慧和文化一定会对这一学科的发展做出独特贡献，也必定助力中国在未来30年取得整体性科技大突破。

不过，不同意见的争论、交锋、碰撞，在人因工程这个高精尖又几乎无限跨界的领域中很正常。白天一整天的头脑风暴后，入夜的闭门会议仍然是唇枪舌剑……

这些来自中国科研一线阵地上的“大拿们”，总想着让人因工程成为更多人的追求与共识，希望让中国的工程师、设计师、企业家，甚至普通生产者，都能充分考虑自己产品对象的需求，把对人的关心，注入到每一件产品里。

陈善广说:“我们有理由相信，人因工程会把一种优良基因，传递到我们国家上上下下各个领域中去。”

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