錢學(xué)森系統(tǒng)科學(xué)思想在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中的應(yīng)用

王保國(guó)，王 偉，黃偉光，陳海生，王新泉，徐燕驥

(1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081;2.中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司法律事務(wù)部，北京 100038;3.中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210;4.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190;5.河南省土木建筑學(xué)會(huì)，河南鄭州 450003)

1 錢學(xué)森的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系

我們正處在一個(gè)科學(xué)大發(fā)展的美好年代，人類正在研究與探索著從渺觀(典型尺寸10－36m)、微觀(典型尺寸10－17m)、宏觀(典型尺寸102m)、宇觀(典型尺寸1021m)、脹觀(典型尺寸1040m)這五個(gè)層次時(shí)空范圍的客觀世界:道路的前方看不到盡頭，探索的步伐從未停留［1］!這個(gè)客觀世界是一個(gè)相互聯(lián)系、相互作用、相互影響的整體，這里以宏觀層次的地球?yàn)槔?在地球上有生命和生物，有人類和人類社會(huì)，有人、動(dòng)物、植物與其環(huán)境之間不斷進(jìn)行著的物質(zhì)循環(huán)和能量交換過程而形成的生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)以及整個(gè)生物圈(biosphere)［2］?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生和形成了多個(gè)學(xué)科和科學(xué)領(lǐng)域，錢學(xué)森認(rèn)為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不單是研究一個(gè)個(gè)事物，一個(gè)個(gè)現(xiàn)象，而是研究這些事物、現(xiàn)象發(fā)展變化的過程，研究這些事物相互之間的關(guān)系［3，4］。通常學(xué)術(shù)界總把現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)分成六個(gè)門類(即自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)、人體科學(xué))但這并不意味著把整個(gè)的客觀世界分成六大片而是從不同的角度，不同的觀點(diǎn)去研究客觀世界。自然科學(xué)是從物質(zhì)在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的不同層次以及不同層次相互關(guān)系的角度來研究客觀世界;社會(huì)科學(xué)是從人類社會(huì)的發(fā)展運(yùn)動(dòng)，即從人類社會(huì)這個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，以及客觀世界對(duì)其發(fā)展運(yùn)動(dòng)的影響角度去研究整個(gè)客觀世界;數(shù)學(xué)科學(xué)是研究客觀世界中質(zhì)與量之間的辯證統(tǒng)一以及相互轉(zhuǎn)變，從這個(gè)角度來研究客觀世界。數(shù)學(xué)中的定義、公理和邏輯都來自人的實(shí)踐，即人與客觀世界相互作用的經(jīng)驗(yàn)積累;系統(tǒng)科學(xué)是從普通存在的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的側(cè)面去研究整個(gè)客觀世界，也就是說它從部分與整體、局部與全局以及層次關(guān)系的角度來研究客觀世界;思維科學(xué)是研究人腦通過思維活動(dòng)來如何正確地認(rèn)識(shí)整個(gè)客觀世界和進(jìn)行創(chuàng)造性的思維，從這個(gè)角度去展開研究客觀世界的;人體科學(xué)是研究人體結(jié)構(gòu)和功能如何承受整個(gè)客觀世界的影響和作用，并且從其中運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的角度進(jìn)行研究，以便更好地增強(qiáng)體質(zhì)、保護(hù)和發(fā)揮人體潛在的功能。錢學(xué)森先生從系統(tǒng)科學(xué)的思想出發(fā)，提出了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的總框架，如圖1所示。這里需要說明的是，圖1的基礎(chǔ)是錢學(xué)森于1993年7月8日繪制的，另外這里也遵照了錢老在1996年6月加入“建筑科學(xué)”的修改建議，因此這里給出的圖1增加了建筑科學(xué)一大部門。對(duì)于圖1，從縱向上看，有11個(gè)科學(xué)技術(shù)部門(即自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)、行為科學(xué)、人體科學(xué)、地理科學(xué)、建筑科學(xué)、軍事科學(xué)、文藝?yán)碚?;從橫向看，有3個(gè)層次的知識(shí)結(jié)構(gòu)(即基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、應(yīng)用技術(shù)(又稱工程技術(shù)))［4］，它們構(gòu)成了錢學(xué)森的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系。科學(xué)是認(rèn)識(shí)世界的學(xué)問，技術(shù)是改造世界的學(xué)問，工程技術(shù)是改造世界的實(shí)踐。一方面人們借助于“前科學(xué)”中的感性認(rèn)識(shí)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，經(jīng)過研究、提煉可以上升為科學(xué)知識(shí)，進(jìn)而納入到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系之中。

圖1 錢學(xué)森的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系和理論模型

另一方面，人類借助于不斷的社會(huì)實(shí)踐，又會(huì)繼續(xù)積累新的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、感性知識(shí)，于是這又豐富了“前科學(xué)”。人類的社會(huì)實(shí)踐是永恒的，上述這個(gè)過程也就不會(huì)結(jié)束，因此現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系不僅是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的系統(tǒng)，而且是一個(gè)開放的演化系統(tǒng)。另外，如果將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在整體上作為一個(gè)系統(tǒng)，則圖1可認(rèn)為是一個(gè)理論模型。因此在這里每一層都可以直接得到哲學(xué)的指導(dǎo)，也都可以進(jìn)行哲學(xué)概括，產(chǎn)生相應(yīng)的哲學(xué)。例如，對(duì)自然科學(xué)進(jìn)行哲學(xué)概括便產(chǎn)生自然辯證法;對(duì)社會(huì)科學(xué)進(jìn)行哲學(xué)概括便產(chǎn)生歷史唯物主義，對(duì)數(shù)學(xué)科學(xué)進(jìn)行哲學(xué)概況可以產(chǎn)生數(shù)學(xué)哲學(xué);對(duì)系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)、人體科學(xué)、行為科學(xué)、文藝?yán)碚摰冗M(jìn)行哲學(xué)概括便分別產(chǎn)生系統(tǒng)論、認(rèn)識(shí)論、人天觀、社會(huì)論、美學(xué)等。甚至對(duì)“前科學(xué)”進(jìn)行哲學(xué)概括，也可以產(chǎn)生各種思辨哲學(xué)［5，6］。錢學(xué)森先生指出，完整的科學(xué)技術(shù)體系應(yīng)包括哲學(xué)觀、基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程實(shí)踐，因此圖1也反映了錢學(xué)森對(duì)知識(shí)論的貢獻(xiàn)。對(duì)于錢老的貢獻(xiàn)，這里可以歸納為兩點(diǎn):①人類知識(shí)是以“前科學(xué)”為基礎(chǔ)、以科學(xué)技術(shù)為主干的系統(tǒng)，其余的知識(shí)是它的外圍環(huán)境;②人類知識(shí)是一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的巨系統(tǒng)，粗略劃分具有三個(gè)層次:

前科學(xué)→科學(xué)技術(shù)→哲學(xué) (1)

進(jìn)一步細(xì)分可有七個(gè)層次:

不成文感受→實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)→應(yīng)用技術(shù)→技術(shù)科學(xué)→基礎(chǔ)科學(xué)→哲學(xué)分論→哲學(xué)總論(2)

2 錢學(xué)森的系統(tǒng)科學(xué)思想以及綜合集成方法

對(duì)于系統(tǒng)科學(xué)來講，一方面要認(rèn)識(shí)系統(tǒng)，另一方面要在認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上去改造、設(shè)計(jì)和運(yùn)用系統(tǒng)，這就是說需要有科學(xué)方法論的指導(dǎo)和科學(xué)方法的運(yùn)用。按照錢學(xué)森先生的觀點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，可以將系統(tǒng)劃分為簡(jiǎn)單系統(tǒng)、簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜巨系統(tǒng)以及特殊復(fù)雜巨系統(tǒng)(例如社會(huì)系統(tǒng))這五大類。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)和簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)，目前人們已有了相應(yīng)的研究方法，也有了解決這些問題的相應(yīng)理論和技術(shù)。但對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜巨系統(tǒng)以及社會(huì)系統(tǒng)來講，人們?cè)瓉硪延械睦碚撆c方法不再有效，需要而且急需產(chǎn)生新的方法論和方法，錢學(xué)森的系統(tǒng)科學(xué)思想與方法正是在這樣一個(gè)大背景下產(chǎn)生的。這里我們不妨簡(jiǎn)單回顧一下系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程:20世紀(jì)30年代，von Bertalanffy(貝塔朗菲，1901－1972)提出了整體論方法，強(qiáng)調(diào)從生物系統(tǒng)的整體上來研究問題。1968年他的《General Systems Theory》名著出版［7］，這對(duì)一般系統(tǒng)論是個(gè)巨大的推動(dòng)。20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外出現(xiàn)了復(fù)雜性研究并且在研究方法上有許多創(chuàng)新之處，例如他們提出了遺傳算法、演化算法，開發(fā)了Swarm軟件平臺(tái)，提出了以Agent為基礎(chǔ)的系統(tǒng)建模、用數(shù)字技術(shù)描述人工生命等。可是在方法論方面，雖然也意識(shí)到了還原論方法的局限性，但國(guó)外并沒有提出新的方法論。20世紀(jì)70年代末，錢學(xué)森先生明確指出:“我們所提倡的系統(tǒng)論，既不是整體論，錢老的這個(gè)系統(tǒng)論思想后來發(fā)展成為他的綜合集成思想。借助于這個(gè)思想，將還原論方法與整體論方法辯證統(tǒng)一起來，形成了系統(tǒng)論方法［8，9］。系統(tǒng)論方法吸收了還原論方法和整體論方法各自的長(zhǎng)處，同時(shí)也彌補(bǔ)了它們各自的局限性，既超越了還原論方法，又發(fā)展了整體論方法，這是錢學(xué)森先生在科學(xué)方法論上為人類留下的具有里程碑意義的重要貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)80年代末到90年代初，錢學(xué)森先生提出了從定性到定量的綜合集成方法［10］，它是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)、開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)以及社會(huì)系統(tǒng)而言的一個(gè)有效解決問題的辦法與方法。綜合集成方法(meta－synthesis)的起名借鑒了整合分析(meta－analysis)，該方法的實(shí)質(zhì)是把專家體系、信息與知識(shí)體系以及計(jì)算機(jī)體系有機(jī)的結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)高度智能化的人—機(jī)結(jié)合與融合的體系。這個(gè)體系具有綜合優(yōu)勢(shì)、整體優(yōu)勢(shì)和智能優(yōu)勢(shì)。這個(gè)系統(tǒng)能夠把人的思維、思維的成果、人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、智慧以及各種情報(bào)、資料和信息統(tǒng)統(tǒng)集成起來，從多方面的定性認(rèn)識(shí)上升到定量認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)科學(xué)要走“精密科學(xué)”之路，其出路就是人—機(jī)結(jié)合以人為主的思維方式和研究途徑，所采取的合作方式就是“機(jī)幫人、人幫機(jī)”［11，12］，換句話講就是機(jī)器能做的事盡量讓機(jī)器去做，以便極大擴(kuò)展人腦邏輯思維處理信息的能力。今天的計(jì)算機(jī)在邏輯思維方面確實(shí)能做很多事情，而且做的甚至比人腦做的還好、還快。計(jì)算機(jī)善于信也非還原論，而是整體論與還原論的辯證統(tǒng)一”。息的精確處理，著名數(shù)學(xué)家吳文俊先生的定理機(jī)器證明就是一個(gè)杰出的例證。但是在形象思維方面，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)還不能給我們以任何幫助。至于創(chuàng)造思維就只能依賴于人的腦袋了。圖2給出了人—機(jī)結(jié)合的思維方式，從圖2可以看到，人－機(jī)結(jié)合以人為主的思維方式在智能和認(rèn)識(shí)能力方面的確處在最高端。因此我們可以借助于人－機(jī)結(jié)合以人為主去實(shí)現(xiàn)信息、知識(shí)和智慧的綜合集成。這種集成包括了不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的科學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、定性和定量知識(shí)、理性和感性知識(shí)，借助于人機(jī)交互、反復(fù)比較、逐次逼近，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從定性到定量的認(rèn)識(shí)，以便對(duì)經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)的正確與否給出一個(gè)明確的結(jié)論。事實(shí)上，在這個(gè)過程中無論是肯定還是否定了經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)都是在認(rèn)識(shí)層面上的一種進(jìn)步。然后在上述基礎(chǔ)上再提出新的經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)，并且繼續(xù)進(jìn)行定量分析與研究，如此循環(huán)往復(fù)，使得研究過程不斷深化、使得人的認(rèn)知過程不斷深入［13］。這里應(yīng)當(dāng)說明，綜合集成方法所采用的人－機(jī)結(jié)合從定性到定量的綜合可以有多種途徑，例如德爾菲方法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及多agent系統(tǒng)(multi－agent)等方法，這些方法均可以完成對(duì)某些方面或者某種程度的綜合。另外，系統(tǒng)重構(gòu)分析是一類十分重要的實(shí)現(xiàn)從定性到定量的方法，它是美國(guó)紐約大學(xué)G.J.Klir在R.Ashby(一般系統(tǒng)論創(chuàng)始人之一)的一般系統(tǒng)論研究的基礎(chǔ)上于1976－1981年間所提出的方法。20世紀(jì)80年代初期至后期，美國(guó)路易斯安那大學(xué)的B.Jones提出了用聚集狀態(tài)及其一般化性態(tài)函數(shù)構(gòu)成的矩陣確定主子狀態(tài)的方法，然后逐步得到無偏重構(gòu)以及確定主要變量水平(等級(jí))或變量水平組合的新方法。20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)學(xué)者舒光復(fù)與顧基發(fā)等進(jìn)一步把Klir和Jones等人重構(gòu)分析方法作了改進(jìn)，分別提出了多類信息、多類知識(shí)混合變量的系統(tǒng)重構(gòu)分析方法［14］和綜合集成系統(tǒng)重構(gòu)分析方法［15］。

圖2 人－機(jī)結(jié)合的思維方式

3 系統(tǒng)科學(xué)思想在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中的應(yīng)用

人類社會(huì)發(fā)展的歷史就是一部人、機(jī)(包括工具、機(jī)器、計(jì)算機(jī)等)、環(huán)境三大要素相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互促進(jìn)的歷史。因此，人、機(jī)、環(huán)境便構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。在這個(gè)要研究的系統(tǒng)中，“人”是作為工作的主體(例如操作人員或決策人員)，“機(jī)”是人所控制的一切對(duì)象(例如汽車、飛機(jī)、輪船等)，“環(huán)境”是指人與機(jī)所處在的特定工作條件(例如外部作業(yè)空間、物理環(huán)境、生化環(huán)境、社會(huì)環(huán)境等)。我們將這樣的一個(gè)系統(tǒng)稱為人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)(通常簡(jiǎn)記為人機(jī)環(huán)境系統(tǒng))，這是錢學(xué)森先生于1981年首次提出的一個(gè)新概念。

人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程是運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)思想和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機(jī)、環(huán)境三大要素的關(guān)系，探討人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學(xué)。人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程研究的對(duì)象為人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)，系統(tǒng)最優(yōu)組合的基本目標(biāo)是安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)。所謂“安全”是指不出現(xiàn)人體的生理危害或傷害，并且避免各種事故的發(fā)生;所謂“環(huán)?！笔遣唤o空間環(huán)境和人類地球家園以及人類生存帶來危害，要遵守國(guó)際法規(guī)、愛護(hù)大自然［16］，不要污染地球大氣層以及外層宇宙空間［17］。另外，還要使產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足綠色設(shè)計(jì)(Green Design，簡(jiǎn)稱GD)的基本要求;要堅(jiān)持執(zhí)行1996年9月1日國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)正式頒布的關(guān)于環(huán)境管理方面的ISO14000系列標(biāo)準(zhǔn);要堅(jiān)持人類生態(tài)文明與可持續(xù)發(fā)展，重視環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建。對(duì)于人類生態(tài)文明，至少要符合以下幾個(gè)基本理念:第一，要發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提倡健康文明的綠色消費(fèi)方式，實(shí)現(xiàn)人類生產(chǎn)生活與自然生態(tài)系統(tǒng)在物質(zhì)代謝上的動(dòng)態(tài)平衡;第二，要建立人類與自然環(huán)境和諧共存的社會(huì)秩序;第三，要樹立尊重自然、保護(hù)環(huán)境生態(tài)的道德意識(shí)。第四，必須要重視發(fā)展的公平性。這里公平是指，一是代際公平，二是代內(nèi)平等。因此，按照公平性原則，不但當(dāng)代人之間，也包括后代人都應(yīng)該公平享有地球資源和經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)承擔(dān)著保護(hù)環(huán)境生態(tài)的責(zé)任。所以，人類生態(tài)文明是人類社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志，是人類社會(huì)走向可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，是否符合人類生態(tài)文明的基本理念是評(píng)價(jià)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)劣的重要方面;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(jīng)濟(jì)”是指在滿足系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下，系統(tǒng)所需要的投資最少，也就是說保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的研究?jī)?nèi)容主要包括了7個(gè)方面，如圖3所示:①人的特性研究;②機(jī)的特性研究;③環(huán)境的特性研究;④人機(jī)關(guān)系的研究;⑤人環(huán)關(guān)系的研究;⑥機(jī)環(huán)關(guān)系的研究;⑦人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究。

圖3 人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程研究范疇的示意圖

人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程研究的基本核心問題可概括為:從三個(gè)理論(控制論、模型論、優(yōu)化論)出發(fā)，著重分析三個(gè)要素(人，機(jī)，環(huán)境)，歷經(jīng)三個(gè)步驟(方案決策、研制生產(chǎn)、工程實(shí)用)，去實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)總性能的四個(gè)目標(biāo)(即安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì))。

1981年錢學(xué)森先生提出了人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)這個(gè)重要概念并創(chuàng)建了人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程這個(gè)學(xué)科。30多年以來，我國(guó)科學(xué)工作者在錢學(xué)森先生的指導(dǎo)與率領(lǐng)下，做了大量研究與發(fā)展工作，出版了一批優(yōu)秀的專著與教材［18－40］，培養(yǎng)了一批具有碩士和博士學(xué)位的從事這一領(lǐng)域研究的優(yōu)秀拔尖人才。本文在下面的討論中，因篇幅所限，僅扼要簡(jiǎn)述一下本文6位作者所在的6個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程領(lǐng)域，尤其是人機(jī)系統(tǒng)方法的研究方面所完成的部分工作。這里所講的六個(gè)科研團(tuán)隊(duì)分別是:①王保國(guó)教授率領(lǐng)的AMME Lab(Aerothermodynamics and Man—Machine—Environment Laboratory)，高超聲速氣動(dòng)熱力學(xué)與人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中心，簡(jiǎn)稱高速氣動(dòng)熱與人機(jī)工程中心)，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流氣動(dòng)熱力學(xué)設(shè)計(jì)、高超聲速飛行器再入飛行氣動(dòng)熱力學(xué)分析與熱防護(hù)、載人航天器人機(jī)系統(tǒng)評(píng)價(jià)與分析這三個(gè)方面的研究工作;②王偉律師的哲學(xué)與法學(xué)團(tuán)隊(duì)，主要從事人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中遇到的哲學(xué)與法學(xué)方面的問題。例如文獻(xiàn)［2］第10章“人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中涉及哲學(xué)和法學(xué)范疇的幾個(gè)重要問題”便是由王偉律師執(zhí)筆撰寫的，該章共分11節(jié)從各方面深入細(xì)致地進(jìn)行了分析。另外，本文文獻(xiàn)［9，17，41，42］給出了最近幾年她在這方面發(fā)表的幾篇有代表性的重要文章，尤其是文獻(xiàn)［9，17，42］有較高的引用率，受到學(xué)術(shù)界的高度認(rèn)可與關(guān)注;③黃偉光副院長(zhǎng)率領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院清潔能源技術(shù)發(fā)展中心團(tuán)隊(duì)，主要從事清潔能源技術(shù)研發(fā)與高效節(jié)能動(dòng)力的研究工作。他從事的“高效潔凈能源的動(dòng)力系統(tǒng)及熱—功轉(zhuǎn)換過程內(nèi)部流動(dòng)的研究”以及IGCC(integrated gasification combined cycle，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))系統(tǒng)的潔凈煤技術(shù)等項(xiàng)目，都屬于國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目。在這些國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目的支撐下，他作為主要獲獎(jiǎng)人曾于2001年榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2002年榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，2009年榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。另外，黃偉光先生還是北京理工大學(xué)的特聘教授，在AMME Lab指導(dǎo)多名博士生;④陳海生研究員和譚春青研究員共同率領(lǐng)的“國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心”團(tuán)隊(duì)，該中心已獲得國(guó)家能源局正式批準(zhǔn)掛牌，是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該中心主要從事大規(guī)模超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)［43］，另外也進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)的研究與性能改進(jìn)工作［44，45］。該團(tuán)隊(duì)以中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所為根基，同時(shí)又分別在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市與安徽省合肥巢湖建立了兩個(gè)大型研發(fā)基地，分別對(duì)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與微小型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)開展深入的研發(fā)工作;⑤王新泉教授是我國(guó)安全界的老專家，曾是中原工學(xué)院安全工程專業(yè)的首席教授和學(xué)術(shù)帶頭人。他現(xiàn)任河南省土木建筑學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)，他率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)主要從事建筑安全與建筑施工方面的研究工作。另外，他還對(duì)建筑與環(huán)境以及職業(yè)安全健康等問題均有較深的研究［46－48］;⑥徐燕驥高級(jí)工程師是20世紀(jì)80年代畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系的優(yōu)秀學(xué)子，大學(xué)畢業(yè)后一直在中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院從事葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)以及新型能源動(dòng)力方面的研究工作。他是中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院新喆機(jī)電技術(shù)的總負(fù)責(zé)人、學(xué)術(shù)帶頭人，他率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)主要從事機(jī)電控制技術(shù)以及高性能燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的研究與開發(fā)工作。六個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)行強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程領(lǐng)域完成了大量的理論研究與工程實(shí)踐工作，取得了一系列創(chuàng)新成果，并成功地寫出了三部人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程方面的重要著作與全國(guó)規(guī)劃教材，其中①《安全人機(jī)工程學(xué)》［11］(機(jī)械工業(yè)出版社，2007)被機(jī)械工業(yè)出版社評(píng)為“最受讀者歡迎的暢售圖書”并榮獲優(yōu)秀圖書獎(jiǎng);②《人機(jī)環(huán)境安全工程原理》［12］(中國(guó)石化出版社，2014)首次將“環(huán)保”寫進(jìn)了人機(jī)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的四項(xiàng)指標(biāo)中，充分展示了人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視與愛護(hù)，受到中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)委員會(huì)主任龍升照教授的高度評(píng)價(jià)。龍先生是錢學(xué)森先生大力推薦并寄予厚望的學(xué)術(shù)帶頭人，他自1981年至今一直從事這一領(lǐng)域的研究，他作為主編已出版了十余本全國(guó)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)方面的論文集;③《人機(jī)系統(tǒng)方法學(xué)》［2］(清華大學(xué)出版社，2014)是國(guó)內(nèi)首部以方法與建模為主全面探討人機(jī)系統(tǒng)量化與分析的學(xué)術(shù)專著，這部專著內(nèi)容安排十分緊湊，書中給出的方法十分新穎、實(shí)用，尤其是該書第10章給出的系統(tǒng)演化規(guī)律高度概括、實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)指導(dǎo)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的研究十分有益。另外，該書第6章第6.7節(jié)給出的內(nèi)容非常新穎，它恰恰是目前國(guó)內(nèi)外人機(jī)系統(tǒng)類書籍與教材中所缺少的內(nèi)容。該節(jié)分10個(gè)小問題，系統(tǒng)討論了基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的廣義人機(jī)界面腦力負(fù)荷的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)方法，這對(duì)飛機(jī)座艙人機(jī)顯示界面的評(píng)價(jià)與優(yōu)化有著重要的指導(dǎo)意義。腦科學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是20世紀(jì)90年代末以來人類才關(guān)注的重要前沿科學(xué)領(lǐng)域，ERP(event related brain potentials，事件相關(guān)腦電位)和腦功能成像技術(shù)是研究上述兩個(gè)前沿領(lǐng)域的兩個(gè)強(qiáng)有力的觀察窗口和分析工具。該書以嚴(yán)謹(jǐn)、簡(jiǎn)潔、實(shí)用的方式，以最少的篇幅將這些十分新穎的重要內(nèi)容展現(xiàn)給讀者。這里因篇幅所限對(duì)上述內(nèi)容不作介紹。以下僅從①人的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用;②機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用;③環(huán)境的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用;④人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)總體性能的評(píng)價(jià)及其應(yīng)用這四個(gè)方面進(jìn)行討論，并且以AMME Lab團(tuán)隊(duì)為例對(duì)近10余年開展的研究工作略作回顧。

3.1 人的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用

AMME Lab主要在①人的控制行為模型，②人的熱舒適模型，③人的可靠性模型這三個(gè)方面開展了大量的研究工作，其主要成果體現(xiàn)在:

3.1.1 改進(jìn)的McRuer模型以及3125個(gè)駕駛員樣本庫(kù)的創(chuàng)建

1957年D.T.McRuer和E.S.Krendel提出的駕駛員操作模型可由如下傳遞函數(shù)表達(dá)，即

式中Kp為人工控制環(huán)節(jié)的增益，τ為駕駛員反應(yīng)時(shí)間的延遲，其它符號(hào)的含義同文獻(xiàn)［11］。另外，式中e－τS為時(shí)間延遲環(huán)節(jié)，它是拉普拉斯算子S的超越函數(shù)，故常采用n階多項(xiàng)式的Pade近似表達(dá)，即(4)

顯然該模型含有 TA、TL、TN、Kp和 τ這5個(gè)駕駛員操縱行為參數(shù)。

圖4 人機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖4給出了人機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)示意圖，這里f(t)為輸入信號(hào)，在我們的研究中曾輸入了兩類信號(hào)［49－53］以考查系統(tǒng)的響應(yīng)與分析系統(tǒng)的品質(zhì)(handling qualities)，其中一種輸入為單位階躍信號(hào)，另一種輸入信號(hào)為:

通常這里f(t)為實(shí)際的輸入信號(hào)。圖4所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖5給出了飛機(jī)駕駛員完成俯仰角?跟蹤任務(wù)的人－機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)圖，圖中F為縱向桿力，δ為縱向操縱面偏角，Gc(S)為飛機(jī)的傳遞函數(shù)。顯然在Gc(S)給定后，圖5所示的人機(jī)操縱系統(tǒng)性能的好壞(或者說飛行品質(zhì))便可借助于T.P.Neal與R.E.Smith提出的Neal－Smith閉環(huán)準(zhǔn)則以及 G.E.Cooper與 R.P.Harper提出的Cooper－Harper評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)與量化，而這里借助于系統(tǒng)閉環(huán)頻率響應(yīng)特性曲線可以得到4個(gè)重要參數(shù)即帶寬 ωBW、下沉量 Δ、諧振峰值以及補(bǔ)償相位角∠φ，它們就是評(píng)價(jià)時(shí)要用的重要數(shù)據(jù)，同時(shí)也是駕駛員數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的重要數(shù)據(jù)。根據(jù)McRuer模型5個(gè)參數(shù)的取值范圍，每個(gè)參數(shù)可以取5個(gè)值，這樣便構(gòu)成了3125個(gè)駕駛員的McRuer模型參數(shù)序列，于是借助于上述閉環(huán)頻率響應(yīng)特性曲線便可得到關(guān)于以及∠φ的數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于非線性人機(jī)系統(tǒng)來講，文獻(xiàn)［54］給出了一種描述函數(shù)(Describing function)方法，計(jì)算實(shí)踐表明它十分有效。

圖5 俯仰角?閉環(huán)控制示意圖

3.1.2 非均勻熱環(huán)境下EQT與EHT評(píng)價(jià)以及確定人體皮膚溫度分布的辦法

人體熱舒適性的評(píng)價(jià)問題，一直是人機(jī)與環(huán)境系統(tǒng)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題［55－61］。在非均勻熱環(huán)境下，通常使用的范格(P.O.Fanger)的熱感覺平均預(yù)測(cè)指標(biāo)(PMV)不再有效，而EQT與EHT是國(guó)際上公認(rèn)的兩個(gè)有效評(píng)價(jià)指標(biāo)［55，56，61］。著名的EHT指標(biāo)是D.P.Wyon首先提出的，為了有效的使用這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要較為精確的確定人體皮膚表面的溫度分布。為此我們首次提出了一種新的耦合迭代方法［55］以便有效的獲得人體皮膚表面溫度的分布。計(jì)算中發(fā)現(xiàn):在完成流場(chǎng)Navier－Stokes方程組與Pennes生物熱方程之間的迭代求解時(shí)，只有當(dāng)流場(chǎng)的邊界條件采用Dirichlet問題，生物熱方程的邊界條件采用Neumann問題時(shí)上述耦合迭代計(jì)算才能收斂。大量數(shù)值計(jì)算表明采用這種耦合迭代方法簡(jiǎn)單、有效。

3.1.3 著裝人體熱舒適的7因素經(jīng)驗(yàn)方程

在人體－服裝－微氣候所構(gòu)成的系統(tǒng)中，熱與濕傳遞方程之間需要耦合求解，因此如何有效的求解這個(gè)方程組一直是人們十分關(guān)注的問題，文獻(xiàn)［61，62］給出一個(gè)恰當(dāng)、合理的邊界條件的提法，它使得上述方程組能夠有效地解出。另外，文獻(xiàn)［61］提出了一種基于7參數(shù)評(píng)價(jià)熱舒適的SD經(jīng)驗(yàn)方程，其表達(dá)式為

式中RSD表示SD的評(píng)價(jià)指標(biāo)，Rtf與 Rvf分別為服裝熱阻與服裝濕阻，θiv為服裝內(nèi)表面的濕度，B1與B2分別為人體心率與汗液蒸發(fā)率，Ts與Ti分別為人體皮膚溫度與人體著裝時(shí)服裝內(nèi)表面溫度。a0，a1～a7為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，文獻(xiàn)［62］中給出了常用的具體數(shù)據(jù)。

3.1.4 人的兩代可靠性評(píng)價(jià)模型以及CREAM方法

文獻(xiàn)［63－66］曾從不同的工程背景問題研究了第一代人的可靠性評(píng)價(jià)方法并獲得了一系列重要的成果，尤其是文獻(xiàn)［65］曾對(duì)78萬名機(jī)動(dòng)車駕駛員的22項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了全面分析，面對(duì)如此巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)，我們采用了灰色關(guān)聯(lián)聚類分析計(jì)算，整理與篩選得到了8個(gè)主因子，然后分別對(duì)感知行為的、判斷行為的以及動(dòng)作行為的PS(即Performance Shaping Factors，簡(jiǎn)稱PS)因子進(jìn)行了量化，最后采用模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)駕駛員可靠性進(jìn)行評(píng)估。

盡管第一代HRA(即人的可靠性分析)方法常用的有14種之多，但由于它是以人的輸出行為為著眼點(diǎn)，將人的處理方式類比為對(duì)機(jī)器的處理，因此第一代HRA缺少心理學(xué)的依據(jù)、缺乏對(duì)情景環(huán)境的處理，于是20世紀(jì)80年代初期第二代人的可靠性研究方法便發(fā)展起來，這類方法應(yīng)該屬于動(dòng)態(tài)的人的可靠性分析方法，其中1998年E.Hollnagel提出的CREAM(即Cognitive Reliability and Error Analysis Method)便是我們一直關(guān)注的方法，文獻(xiàn)［66］首次將它成功地用于人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模糊故障樹分析(Fuzzy Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱FFTA)，并獲得了人為失誤概率的相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)。

3.2 機(jī)的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用

對(duì)于“機(jī)”的研究，我們主要圍繞著高超聲速飛行器、航天探測(cè)器、飛機(jī)、汽車以及動(dòng)力能源中普遍使用的葉輪機(jī)械方面的氣動(dòng)熱力學(xué)問題、飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)、可靠性分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等相關(guān)問題展開的，取得了一系列豐碩的成果［67－70］，下面僅對(duì)其中三個(gè)方面問題略作介紹:

3.2.1 飛機(jī)縱向飛行品質(zhì)的計(jì)算

令?為俯仰角，F(xiàn)代表縱向桿力(如圖5所示)，在這種情況下飛機(jī)的縱向傳遞函數(shù)為(8)

式中分母分別含有等效系統(tǒng)縱向長(zhǎng)周期與短周期的因式，時(shí)間延遲環(huán)節(jié)中τ?為飛機(jī)對(duì)飛行員輸入信號(hào)的反應(yīng)延遲;另外，ωnsp與ζsp是針對(duì)等效系統(tǒng)縱向短周期的模態(tài)頻率與阻尼比，而ωnp與ζnp是為針對(duì)等效系統(tǒng)縱向長(zhǎng)周期的模態(tài)頻率與阻尼比;對(duì)于等效低階系統(tǒng)，如飛機(jī)無帶自動(dòng)器時(shí)，則二階縱向短周期傳遞函數(shù)為

文獻(xiàn)［54］曾用(9)式作為飛機(jī)的傳遞函數(shù)，利用Neal－Smith閉環(huán)準(zhǔn)則以及Cooper－Harper評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)了飛機(jī)縱向飛行品質(zhì)并且計(jì)算了Gap值，并且對(duì)駕駛員誘發(fā)振蕩(Pilot Induced Oscillation，簡(jiǎn)稱PIO)現(xiàn)象給出了量級(jí)的估算，這是一個(gè)十分寶貴的數(shù)據(jù)。這里應(yīng)指出的是，PIO是現(xiàn)代飛機(jī)飛行控制中遇到的十分棘手的學(xué)術(shù)前沿問題，我們AMME Lab團(tuán)隊(duì)對(duì)此也進(jìn)行了深入的探討，能給出PIO的量級(jí)估計(jì)，便為飛機(jī)飛行品質(zhì)的評(píng)價(jià)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2.2 汽車性能的可拓檢測(cè)模型及應(yīng)用

可拓學(xué)(Extenics)是研究矛盾問題的科學(xué)，物元理論能夠幫助人們分析與解決客觀世界中的矛盾問題。以物元理論與可拓學(xué)中可拓分析法為基礎(chǔ)的可拓檢測(cè)技術(shù)(Extension Detection Technology，簡(jiǎn)稱EDT)是20世紀(jì)90年代末期剛剛出現(xiàn)的新型檢測(cè)方法，我們AMME Lab已經(jīng)成功地將它應(yīng)用到人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的研究中［67］。在EDT的基本原理中，物元(其中包括存在物元、期望物元、可測(cè)物元、不可測(cè)物元、目標(biāo)物元、待測(cè)物元、條件檢測(cè)物元以及條件物元、限制物元、對(duì)立物元、轉(zhuǎn)折物元等)、物元變換、可拓集合、關(guān)聯(lián)函數(shù)以及物元方程是必然要涉及的基本概念，這里僅對(duì)物元理論中不相容問題以及對(duì)立問題的解法略作說明:

令R為目的物元，r為實(shí)現(xiàn)它的條件物元，則它們便構(gòu)成問題p，記作

令l為r所確定的限制物元，g為R關(guān)于l的對(duì)象物元，于是g與l便構(gòu)成了問題p的核，記作

對(duì)于不相容問題來講，則建立關(guān)聯(lián)不等式，例如

求出關(guān)聯(lián)不等式的解{(g'，l')}，這里{(g'，l')}是它的一個(gè)解集。另外(12)式中Tg與Tl為相關(guān)的變換;而后再求出滿足p的特解集:

并確定轉(zhuǎn)折物元，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)以確定最優(yōu)解。對(duì)于對(duì)立問題，當(dāng)然可以借助于物元變換將其轉(zhuǎn)化為不相容問題或相容問題進(jìn)行處理，這里因篇幅所限，相關(guān)的細(xì)節(jié)不再贅述。

3.2.3 基于Nash－Pareto策略的新型優(yōu)化方法

對(duì)于各種“機(jī)”的設(shè)計(jì)問題，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(multidisciplinary design optimization，簡(jiǎn)稱MDO)一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在優(yōu)化研究方面，多目標(biāo)優(yōu)化問題是這一領(lǐng)域中的難題，文獻(xiàn)［68］巧妙的將Nash平衡理論的系統(tǒng)分解方法與Pareto遺傳算法相結(jié)合，并針對(duì)多目標(biāo)、多設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化問題提出了兩種優(yōu)化的新算法:一種是將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)時(shí)，并且對(duì)目標(biāo)權(quán)重的確定問題提出了新的途徑;另一種是直接對(duì)多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)Pareto遺傳優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，以便得到均勻分布的Pareto最優(yōu)解集。大量的數(shù)值算例表明［1，68］:我們給出的新型優(yōu)化方法方便、可行并大量節(jié)省了數(shù)值優(yōu)化的計(jì)算時(shí)間，可用于多領(lǐng)域中的優(yōu)化問題。

3.3 環(huán)境的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用

我們AMME Lab在環(huán)境的研究中主要進(jìn)行了內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境兩個(gè)方面的研究工作，其中內(nèi)環(huán)境例如車室的艙室內(nèi)環(huán)境以及葉輪機(jī)械內(nèi)三維流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算［68－71］。另外，還對(duì)外環(huán)境例如高超聲速飛行器再入飛行過程中熱環(huán)境的問題進(jìn)行了數(shù)值求解［72－76］。在這方面，我們進(jìn)行了大量的理論分析與數(shù)值計(jì)算工作，積累了十分豐富的寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，取得了許多重要成果并多次獲獎(jiǎng)，但由于篇幅所限這里僅對(duì)以下4點(diǎn)略作說明:

3.3.1 生物安全柜復(fù)雜內(nèi)環(huán)境的數(shù)值計(jì)算與流動(dòng)分析

生物安全柜是廣泛應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)的安全設(shè)備，對(duì)操作人員、試驗(yàn)樣本和試驗(yàn)環(huán)境起著隔離與保護(hù)作用，尤其是2003年SARS暴發(fā)流行、高致病性禽流感發(fā)生和3起實(shí)驗(yàn)室SARS－COV感染事故發(fā)生后，使人們更加清醒的認(rèn)識(shí)到生物安全柜作為一種微生物實(shí)驗(yàn)室的主要安全設(shè)備，對(duì)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室工作人員的生命安全是非常重要的。通常，生物安全柜分為三級(jí):Ⅰ級(jí)生物安全柜僅保護(hù)人員和環(huán)境，不保護(hù)樣品;Ⅱ級(jí)生物安全柜不僅能夠提供人員保護(hù)，而且還能夠保護(hù)工作臺(tái)面的物品以及環(huán)境不受其污染;Ⅲ級(jí)生物安全柜是一種完全封閉的、徹底不泄露的通風(fēng)安全柜，可以通過連著的橡膠手套來進(jìn)行安全柜內(nèi)的操作。文獻(xiàn)［77］對(duì)生物安全柜的非常復(fù)雜三維內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了十分細(xì)致的數(shù)值計(jì)算與流場(chǎng)分析，這就為我國(guó)制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)提供了重要的理論數(shù)據(jù)。這里還需要特別說明的是:這項(xiàng)工作是在沒有任何專項(xiàng)基金資助的情況下自主開展研究的，當(dāng)時(shí)就憑著我們深厚的數(shù)學(xué)與力學(xué)功底，憑著堅(jiān)實(shí)豐厚的流體力學(xué)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，憑著一顆善良純樸的良心，于是便組織了我們相關(guān)的研究生十分出色的完成了這項(xiàng)艱巨的研究工作，并且將我們所得到的許多重要的成果毫無保留的寫進(jìn)了相關(guān)研究生的學(xué)位論文中。顯然，這對(duì)國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)正在從事這項(xiàng)科學(xué)研究的人員來講的確提供了十分難得的寶貴資料。我們認(rèn)為:這種奉獻(xiàn)精神才是人類社會(huì)應(yīng)該提倡與大力發(fā)揚(yáng)的。

3.3.2 葉輪機(jī)械跨聲速三維復(fù)雜流場(chǎng)的計(jì)算

在動(dòng)力、能源、與現(xiàn)代航空工程中，廣泛使用了葉輪機(jī)械，而葉輪機(jī)械內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算一直是“內(nèi)環(huán)境”研究工作所關(guān)注的熱點(diǎn)。它的研究，直接關(guān)系到現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵問題之一。在這方面，我們已完成了大量的十分出色的研究工作，2000年在國(guó)防工業(yè)出版社出版的專著《葉輪機(jī)械跨聲速及亞聲速流場(chǎng)的計(jì)算方法》一書中集中反映了這方面的成果。這里還應(yīng)特別指出的是:陳乃興先生是我國(guó)著名的工程熱物理學(xué)家，他撰寫的英文專著(見文獻(xiàn)［78］)是目前國(guó)際上航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域中最令人關(guān)注的著作之一。在文獻(xiàn)［78］的前言中，作者向世界的讀者們一共推薦了4本葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)方面的優(yōu)秀書籍，其中3本都是國(guó)外著名大學(xué)的教授們寫的，僅有一本是中文的，這一本就是我們2000年出版的那部專著［69］。另外，2005年我們發(fā)表的那篇論文(即文獻(xiàn)［79］)，在2008年時(shí)也榮獲第6屆中國(guó)科協(xié)期刊優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎(jiǎng)，并且是《航空動(dòng)力學(xué)報(bào)》10年來唯一的一篇獲獎(jiǎng)?wù)撐摹?/p>

3.3.3 高超聲速飛行器再入飛行中熱環(huán)境的數(shù)值求解及傳熱分析

近20年來，在卞蔭貴教授的直接指導(dǎo)下，我們?cè)诟叱曀龠M(jìn)氣道［80］以及高超聲速飛行器的再入飛行問題［72－76］進(jìn)行了大量的研究工作，計(jì)算了國(guó)外18種著名飛行器(其中包括Apollo，Orion，Mars Pathfinder，Mars Microprobe，Apollo 工程AS－202返回艙，Huygens，PAET飛行器返回艙，Stardust SRC，MESUR，Galileo，Viking，European ARD，RAM －C II，70°圓錐體行星探測(cè)器，以及空中變軌問題中著名的Ballute減速氣球等)再入飛行中的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱分布以及相應(yīng)熱環(huán)境問題，其中包括再入地球大氣層、土衛(wèi)六大氣層、木星大氣層以及火星大氣層的飛行工況(其中飛行馬赫數(shù)7～32.81左右的范圍)。我們已經(jīng)完成了242個(gè)飛行工況，其中231個(gè)飛行工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果已發(fā)表在國(guó)內(nèi)外相關(guān)的學(xué)報(bào)與學(xué)術(shù)會(huì)議上，這些數(shù)據(jù)為現(xiàn)代飛行器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠的理論數(shù)據(jù)［1］。為了進(jìn)一步展示我們?nèi)〉玫目蒲谐晒?，下面著重介紹以下8種航天器的氣動(dòng)熱與氣動(dòng)力計(jì)算:圖6給出了Mars Pathfinder、Mars Microprobe和Viking航天器的外形，它們是再入火星的航天器，我們用三維DSMC成功的計(jì)算了前兩個(gè)航天器的熱流場(chǎng)，并用工程算法成功的預(yù)測(cè)了Viking壁面的熱流分布;

圖6 三種再入火星的航天器(a)Mars Pathfinder (b)Mars Microprobe (c)Viking

圖7為Galileo與Huygens航天器，其中Galileo是再入木星的，Huygens是再入土衛(wèi)六大氣層的，我們?cè)謩e用工程算法與Navier—Stokes方程詳細(xì)的計(jì)算了這時(shí)壁面熱流的分布與流場(chǎng);

圖8給出了Orion，ARD和Apollo飛船的外形，它們是再入地球大氣層的航天器，我們?cè)謩e用DSMC算法與Navier—Stokes方程計(jì)算了不同高度飛行時(shí)的流動(dòng)問題，并且得到了相應(yīng)壁面熱流的分布曲線。

大量的數(shù)值計(jì)算表明:我們編制的DSMC源程序和N—S方程源程序可以完成飛行速度為5～9 km/s時(shí)的再入飛行流場(chǎng)計(jì)算，能夠給出較為合理的壁面熱流密度的分布，有關(guān)的部分計(jì)算結(jié)果已發(fā)表在文獻(xiàn)［76，73，72］中。另外，2008 年第6期《科學(xué)中國(guó)人》雜志和2009年《中國(guó)科技成果》雜志上還專門報(bào)導(dǎo)了我們?cè)跉鈩?dòng)熱力學(xué)方面的研究工作［81，82］。此外，近幾年我們還陸續(xù)出版了《流體力學(xué)》、《空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》、《稀薄氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算》、《非定常氣體動(dòng)力學(xué)》、《工程流體力學(xué)》(上冊(cè)、下冊(cè))、《高精度算法與小波多分辨分析》、《傳熱學(xué)》、《氣體動(dòng)力學(xué)》和《高超聲速氣動(dòng)熱力學(xué)》這9部國(guó)家規(guī)劃教材與學(xué)術(shù)專著，它們［71，83－89，1］集中反映了我們?cè)谶@方面的重要研究成果。

圖7 再入木星與土衛(wèi)六的航天器(a)Galileo(b)Huygens

圖8 三種再入地球的航天器(a)Orion(b)ARD(c)Apollo

3.3.4 流場(chǎng)計(jì)算的小波奇異分析新方法

隨著動(dòng)力、能源以及航空、航天工業(yè)的高度發(fā)展，含激波并且有復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)大量出現(xiàn)，對(duì)于這樣的流場(chǎng)計(jì)算來講高分辨率格式、高精度格式都十分必要。然而，無論是采用高分辨率格式，還是采用高精度格式，計(jì)算時(shí)都會(huì)占用較多的CPU時(shí)間，因此如何提高計(jì)算效率便成為一個(gè)迫切要解決的難題。文獻(xiàn)［90］首次將三維小波以及二維小波奇異性分析的思想引進(jìn)三維以及二維復(fù)雜流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，發(fā)展了一種高效率、高精度、高分辨率的新方法。這個(gè)算法的核心是獲取流場(chǎng)中物理量在不同點(diǎn)上的H?lder指數(shù)α，而該指數(shù)α的獲取又依賴于小波變換以及高維小波分析技術(shù)。在高維歐氏空間中，為進(jìn)行小波多分辨率分析，需要在尺度空間與小波空間分別引進(jìn)尺度基與小波基。另外，為了衡量小波多分辨奇異分析數(shù)值方法的計(jì)算效率，定義了壓縮比μ，其定義式為

式中Ntol為計(jì)算總網(wǎng)格，Nreg為奇異點(diǎn)所在的網(wǎng)格數(shù)?？梢钥闯鰤嚎s比越大，奇異點(diǎn)所在的網(wǎng)格占的比例就越小，計(jì)算效率提高的就越多，從文獻(xiàn)［90］所給出的大量算例上來看，壓縮比μ在8左右，顯然這種新的算法是非常高效的。這里還需指出的是:在文獻(xiàn)［90］所給出的大量算例中，對(duì)于流場(chǎng)的奇異點(diǎn)區(qū)域則采用5階精度的WENO格式進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，而在流場(chǎng)的光滑區(qū)域則采用4階精度的中心緊致差分格式，顯然，如此高的數(shù)值計(jì)算精度，對(duì)于目前國(guó)際上使用的商用計(jì)算軟件來講，是無法完成的。另外，在Daubechies小波濾波器系數(shù)范圍的計(jì)算方面［91，92］我們已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)外，例如文獻(xiàn)［91］已經(jīng)計(jì)算出N=2～30時(shí)的小波濾波器系數(shù)，而國(guó)外文獻(xiàn)僅給出N=2～10時(shí)的結(jié)果。

3.4 人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)總體性能的評(píng)價(jià)及應(yīng)用

近20多年來，我們AMME Lab在系統(tǒng)評(píng)價(jià)方面開展了大量的研究工作，尤其是層次分析法(AHP)［11，93］、基于可拓學(xué)理論的單級(jí)評(píng)價(jià)和多級(jí)評(píng)價(jià)方法［94，95］、模糊綜合評(píng)價(jià)［11，93］、灰色綜合評(píng)價(jià)［11，65，96］、集對(duì)分析方法［96，97］以及模糊故障樹分析法(FFTA)［66］等。在安全工程中，故障樹分析方法是最常用的方法［11］，我們率先提出了基于模糊貼近度(Fuzzy Degree of Similarity)的FFTA分析法，并且成功的得到了底事件(bottom events)模糊關(guān)鍵重要度以及最小割集模糊重要度的排序［66］。顯然，這些研究工作為故障樹分析方法的改進(jìn)與完善做出了重要貢獻(xiàn)。

在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的評(píng)價(jià)中，文獻(xiàn)［98］發(fā)展了一種灰色多層次綜合評(píng)價(jià)的新方法。它是建立在灰色分析基礎(chǔ)上，利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)形成評(píng)價(jià)矩陣R，該矩陣是由各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)所形成。在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中，通?？梢苑殖扇恕C(jī)、環(huán)境三類，并作為第一層次的因素，而影響人、機(jī)、環(huán)境的因素作為第二層次的因素。計(jì)算時(shí)分別對(duì)兩個(gè)層次進(jìn)行灰色綜合分析，并通過計(jì)算各方案與參考序列的關(guān)聯(lián)度來確定最優(yōu)方案。

今用n個(gè)指標(biāo)，對(duì)m個(gè)樣本(即對(duì)象)進(jìn)行評(píng)價(jià)，無量綱化后便形成了如下的矩陣:

式中第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)為

令構(gòu)造的最優(yōu)樣本為X0，其表達(dá)式為

這里ξ為分辨系數(shù)，令ωj(j=1～n)是關(guān)于指標(biāo)的歸一化權(quán)重，即，于是樣本Xi(i=1～m)與最優(yōu)樣本X0之間的關(guān)聯(lián)度r0i為

因此由r0i(i=1～m)便可對(duì)m個(gè)樣本(即評(píng)價(jià)對(duì)象)排出優(yōu)劣順序。借助于上面的方法可以方便的得到多層次下的灰色綜合評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)［98］中還在Micrisoft Visual C++的環(huán)境下，利用MFC(Microsoft Foundation Classes)編程框架完成了多層次灰色綜合評(píng)價(jià)程序的編制工作，完成了多個(gè)典型算例，并驗(yàn)證了所編程序的可行性與正確性。

另外，在安全工程評(píng)價(jià)方面，文獻(xiàn)［94，95］還分別提出了基于同征物元體(matter－element with the same characteristics)的概念，借助于一種新的確定可拓權(quán)重的途徑去改進(jìn)與發(fā)展了可拓綜合評(píng)價(jià)(extensible comprehensive evaluation)方法。這種方法［94］還被收錄到《中國(guó)百名專家論安全》一書中［99］，并受到同行們的高度重視。此外，王保國(guó)教授在2009年7月獲“1999～2009年度全國(guó)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程研究個(gè)人突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)第2名”的殊榮。2011年11月22日在北京召開的“隆重紀(jì)念偉大科學(xué)家錢學(xué)森誕辰100周年暨人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)立30周年大會(huì)”上，作為特邀大會(huì)報(bào)告介紹了AMME Lab近年來的工作，大會(huì)授予王保國(guó)教授終身成就獎(jiǎng)并頒發(fā)證書(本次全國(guó)大會(huì)兩名獲獎(jiǎng)人之一)。王教授認(rèn)為，這也是對(duì)AMME Lab的一種重大獎(jiǎng)勵(lì)!對(duì)這來之不易的成果，我們十分珍重!

4 人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的研究需要綜合集成方法

從上面所扼要介紹的AMME Lab團(tuán)隊(duì)近10多年的研究進(jìn)展中，我們已十分清醒地認(rèn)識(shí)到;在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程領(lǐng)域的研究中，AMME Lab才剛剛往前邁出了一小步。盡管這樣，這些成績(jī)的取得也絕不是AMME Lab一個(gè)團(tuán)隊(duì)所為，而是依賴于其他五個(gè)團(tuán)隊(duì)的大力參與和支持，依賴于六個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的緊密合作和協(xié)同工作。另外，我們六人在撰寫本文時(shí)也感到:本文對(duì)錢學(xué)森先生所提出的綜合集成方法在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的具體實(shí)踐過程寫的太少。事實(shí)上，在我們六個(gè)團(tuán)隊(duì)中，黃偉光團(tuán)隊(duì)在IGCC項(xiàng)目的研究與實(shí)踐中、譚春青和陳海生團(tuán)隊(duì)在大規(guī)模超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究與實(shí)踐中以及徐燕驥團(tuán)隊(duì)在高性能高轉(zhuǎn)速機(jī)電控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)踐中都采用了錢學(xué)森先生提出的“從定性到定量”的綜合集成方法，對(duì)此我們將專門寫文章詳細(xì)報(bào)道這些實(shí)踐的全過程。毫無疑問，人們?cè)谶M(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的結(jié)構(gòu)研究時(shí)，需要錢學(xué)森的科學(xué)思想［100］和他的總體框架［101］。另外，在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)和開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究時(shí)需要錢老的綜合集成方法［102－107］。人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)僅僅是系統(tǒng)科學(xué)中研究的一種系統(tǒng)，一種含有人這個(gè)要素的特殊新系統(tǒng)［108，109］。因此，在進(jìn)行人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)領(lǐng)域中的許多復(fù)雜系統(tǒng)、開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)以及特殊復(fù)雜巨系統(tǒng)(例如社會(huì)系統(tǒng))的研究與實(shí)踐時(shí)，也同樣離不開這個(gè)高度智能化的方法——綜合集成方法。

這里還應(yīng)指出的是，從定性到定量的綜合集成方法并不是一門具體技術(shù)，它應(yīng)該屬于一種研究問題的思想，一種指導(dǎo)分析復(fù)雜巨系統(tǒng)問題的總體規(guī)劃、分步實(shí)施的方法與策略。這種思想、方法和策略的實(shí)現(xiàn)是通過以下幾種技術(shù)的綜合運(yùn)用，即定性定量相結(jié)合、專家研討、綜合集成、決策支持技術(shù)以及分布式交互網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。這幾種技術(shù)的每一種只能從某一個(gè)側(cè)面去解決復(fù)雜巨系統(tǒng)的問題，而它們的綜合運(yùn)用才是研究復(fù)雜巨系統(tǒng)問題的有效途徑之一。這里所謂“從定性到定量”就是把專家的定性知識(shí)與模型的定量描述有機(jī)地結(jié)合起來，去實(shí)現(xiàn)定性知識(shí)與定量變量之間的相互轉(zhuǎn)化。對(duì)于復(fù)雜巨系統(tǒng)問題，需要把各種分析方法、工具、模型、信息、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)綜合集成，構(gòu)造出適合于該問題的決策支持環(huán)境，以利于對(duì)復(fù)雜問題的解決。所謂“綜合集成”是指集成系統(tǒng)的各種資源使之在決策中發(fā)揮作用。所謂“研討”是指參與分析問題人員的群體協(xié)同工作，充分利用定性定量模型和數(shù)據(jù)庫(kù)等工具，實(shí)現(xiàn)分析人員的知識(shí)同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、模型和知識(shí)的不斷交互，即實(shí)現(xiàn)人機(jī)有機(jī)結(jié)合的過程。最后還應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)是我國(guó)科研人員為研究由人組成的最復(fù)雜系統(tǒng)演化問題而提出的一類模型系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中包含子系統(tǒng)人，而人的演化機(jī)制至今還未弄清楚。顯然，研究由大量演化機(jī)制還不清楚的那些子系統(tǒng)所構(gòu)建的系統(tǒng)及其性質(zhì)便感到非常困難。錢學(xué)森先生正是面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況在1981年提出了創(chuàng)建人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程學(xué)科，并在1990年左右提出了“從定性到定量的綜合集成方法”。在結(jié)束本文討論之前還有一點(diǎn)應(yīng)指出，復(fù)雜性(complexity)的研究已成為世界學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，復(fù)雜性科學(xué)被公認(rèn)為21世紀(jì)的科學(xué)，也被視作系統(tǒng)科學(xué)的前沿科學(xué)。早在20世紀(jì)80年代中期開始，M.Gellmann先生率領(lǐng)的SFI(Santa Fe Institute，中文譯作圣塔菲研究所)便對(duì)復(fù)雜性科學(xué)進(jìn)行了一系列研究，并取得一系列重要成果。另外，國(guó)外對(duì)于人體科學(xué)、腦科學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、意識(shí)神經(jīng)科學(xué)、工程心理學(xué)等都十分重視。以認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)為例，20世紀(jì)70年代誕生的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是認(rèn)知科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的交叉學(xué)科，它是由杰出神經(jīng)科學(xué)家M.S.Gazzaniga和認(rèn)知心理學(xué)家 Miller命名的［110］。事實(shí)上，在這一領(lǐng)域的許多科研成果已用于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中對(duì)人的工效、腦力工作負(fù)荷、作業(yè)安全的評(píng)價(jià)與分析。例如腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、腦電的 β波、α波、θ波和 δ波、肌電(EMG)、皮電反應(yīng)(GSR)、心電(EKG/ECG)、胃腸電(EGG)、眼電(EOG)、心率(HR)、心率變異性(HRV)、失匹配負(fù)波(MMN)、事件相關(guān)電位(ERP)、事件相關(guān)腦波振蕩(EROs，英文全稱為event－related oscillations)以及皮膚溫度(TEMP)、脈搏(FPE/EPE)、眼瞼動(dòng)作、嘴唇動(dòng)作等參數(shù)作為分析人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程問題中腦力工作負(fù)荷、人機(jī)交互中認(rèn)知負(fù)荷變化、人駕駛疲勞特征、人的行為的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等。國(guó)外航空事故的調(diào)查報(bào)告指出:60%～90%的航空飛行事故都發(fā)生在飛行員腦力負(fù)荷強(qiáng)度大、應(yīng)激水平高的飛行任務(wù)中［111］。國(guó)外已將心率、心率變異性、皮電、眨眼次數(shù)(Eye Blink numbers)、腦電、心電、眼動(dòng)、呼吸性竇性心律不齊功率(RSA)等成功地用于飛行員的腦力負(fù)荷研究與飛行駕駛安全的分析［112－114］，EEG、ECG和EOG已成為人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中對(duì)人的工效分析、行為分析的重要數(shù)據(jù)。另外，以人機(jī)交互界面為例，進(jìn)入21世紀(jì)后，人們已經(jīng)能夠用眼睛控制的“眼標(biāo)”以及直接用大腦思維控制的“腦標(biāo)”去操縱圖形界面。例如Eye—Typer300系統(tǒng)便是一個(gè)由眼睛—視覺—控制的鍵盤系統(tǒng)，當(dāng)人在LED上注視了一段時(shí)間后，就能輸入信息，這種系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成用來操縱一些控制系統(tǒng)，如電視機(jī)、打印機(jī)和其他電器。對(duì)于現(xiàn)代人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)來講，除了應(yīng)具有采集與測(cè)量微氣候、物理環(huán)境的基本數(shù)據(jù)(例如環(huán)境氣壓、溫度、濕度、噪音、振動(dòng)、有機(jī)揮發(fā)物、氣流流動(dòng)、光照、粉塵、屏幕/環(huán)境亮度對(duì)比以及GPS定位等)、人的生物力學(xué)數(shù)據(jù)(例如人肢體的受力力度、角度、扭矩、三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)加速度、傾角和方向等)和人的生理數(shù)據(jù)(例如表面肌電、心率、皮電、皮溫、呼吸、心電、血氧、血容量搏動(dòng)等)以及傳統(tǒng)的人體建模、實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)作的捕捉、數(shù)據(jù)分析、力學(xué)評(píng)估(例如JACK人體仿真及建模系統(tǒng)，進(jìn)行人機(jī)工效分析、完成產(chǎn)品的容納度、可達(dá)性以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì);再如FAB(Functional Assessment of Biomechanics)系統(tǒng)，可對(duì)人體開展無線傳感、實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)作捕捉、數(shù)據(jù)分析及力學(xué)評(píng)估)的系統(tǒng)與設(shè)備之外，近10余年來科研人員對(duì)人的眼動(dòng)數(shù)據(jù)(例如眼瞼動(dòng)作、嘴唇動(dòng)作、首次注視點(diǎn)、注視時(shí)間、注視順序、眨眼頻率、瞳孔直徑的變化等)以及眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)、對(duì)EEG/ERP腦事件相關(guān)電位系統(tǒng)以及腦科學(xué)研究都格外重視［115，116］。EEG/ERP 腦事件相關(guān)電位系統(tǒng)通過測(cè)量腦電信號(hào)，統(tǒng)計(jì)分析獲取腦電的β波、α波、θ波和δ波，獲得多個(gè)頻段的功率、波峰頻率以及峰值功率值，可以從中提取出與腦認(rèn)知事件相關(guān)的不同特征曲線，揭示大腦信息處理的過程和認(rèn)知狀態(tài)，可用于飛行員、駕駛員的注意力、事件辨別能力、心理負(fù)荷等方面的評(píng)價(jià)與分析，也可用于工程心理學(xué)和刑事案件的分析與偵破。此外，連續(xù)小波變換等時(shí)頻分析方法［85］已經(jīng)成為考察EROS的有效方法。近十年來的實(shí)驗(yàn)研究已初步證實(shí):腦波振蕩這樣的場(chǎng)電位可能直接參與了神經(jīng)信息的加工過程，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在心理過程中大腦不同區(qū)域活動(dòng)的協(xié)調(diào)，利用了腦波這樣的場(chǎng)電位。顯然，上述這些研究對(duì)揭示人大腦的工作原理十分有益。這里還應(yīng)說明一下腦磁圖(MEG)為癲癇、腦腫瘤、腦血管畸形、帕金森氏癥等病的術(shù)前定位所起到的關(guān)鍵作用。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有800萬人患有癲癇病。癲癇病人外科手術(shù)成功的關(guān)鍵是解決如下兩個(gè)問題:一是給癲癇病灶精確定位，從而準(zhǔn)確切除病灶;二是給病灶周圍的重要功能區(qū)如感覺、運(yùn)動(dòng)、語音、記憶等部位精確定位，從而避免和減少這些功能區(qū)的組織損傷。MEG是目前能同時(shí)解決這兩個(gè)問題的最精確的方法，其定位誤差不超過2 mm。它還能夠?qū)⒉东@的腦功能信號(hào)重合在CT或者核磁共振圖上，形成清晰直觀的定位影像圖，分辨出原發(fā)病灶和繼發(fā)病癥，從而提高手術(shù)治療的成功率。作為人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的未來發(fā)展，文獻(xiàn)［12］的第8章即“人機(jī)環(huán)境安全工程的新發(fā)展”中分6小節(jié)分別從①數(shù)字化人機(jī)環(huán)境安全工程、②信息化人機(jī)環(huán)境安全工程、③虛擬場(chǎng)景下人機(jī)環(huán)境安全工程、④智能化人機(jī)環(huán)境安全工程、⑤新形勢(shì)下人機(jī)界面技術(shù)的新發(fā)展、⑥清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及健康環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建這六大方面展望了人機(jī)環(huán)境安全系統(tǒng)工程發(fā)展的美好前景。這使我們更加深刻地體會(huì)到錢學(xué)森先生早在1981年提出創(chuàng)建人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程學(xué)科的深遠(yuǎn)意義，并且也越來越顯示出錢學(xué)森先生的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)思想與系統(tǒng)科學(xué)思想方法的重要性和前瞻性。在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的廣義人機(jī)界面腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)中，如果將國(guó)外20世紀(jì)90年代以來發(fā)展起來的腦科學(xué)以及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和ERP技術(shù)用到錢學(xué)森先生提出的綜合集成方法中去，那么這樣形成的新型評(píng)價(jià)與優(yōu)化工具一定會(huì)對(duì)廣義人機(jī)界面腦力負(fù)荷問題的評(píng)價(jià)和界面優(yōu)化問題的解決，起到更加有效的關(guān)鍵作用。我們深信，錢學(xué)森的系統(tǒng)科學(xué)思想一定會(huì)在未來人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中發(fā)揮越來越大的指導(dǎo)作用。最后還應(yīng)說明的是，近年來美、俄等國(guó)正著眼于全球戰(zhàn)略和本國(guó)安全利益的考慮，大力加強(qiáng)對(duì)高超聲速無人機(jī)的研制，各國(guó)已基本鎖定把無人機(jī)加裝先進(jìn)的“智慧腦”作為無人機(jī)未來發(fā)展的一種必然選擇。以下分5點(diǎn)對(duì)未來無人機(jī)的設(shè)計(jì)理念與目標(biāo)作如下概述:①高隱身性:與現(xiàn)有的第五代戰(zhàn)斗機(jī)的隱身設(shè)計(jì)理念完全不同，新型無人機(jī)的設(shè)計(jì)理念是要通過提高速度來達(dá)到隱身目的。以美國(guó)洛克希德·馬丁公司SR—72高超聲速無人機(jī)為例，其巡航速已達(dá)到馬赫數(shù)6，它使對(duì)方根本來不及躲避，它使得目前世界各國(guó)的防空體系都無能為力，它完全可以在一小時(shí)內(nèi)達(dá)到全球任何地點(diǎn)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。由于無人機(jī)沒有駕駛艙，體型較小，再加之各種隱身技術(shù)的運(yùn)用，因此無人機(jī)的隱身性能非常高，以2011年2月美國(guó)亮相的X—47B無人機(jī)為例，在隱身性能方面它已超過了F—117、B—2、F—22和F—35等飛機(jī)。②高超聲速巡航:這已作為第六代戰(zhàn)斗機(jī)和新型無人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。X—43無人機(jī)曾在太平洋上空飛行時(shí)創(chuàng)造了接近10倍聲速的飛行紀(jì)錄;另外，X—51A無人機(jī)目前美國(guó)仍在改進(jìn)和試驗(yàn)中，它在臨近空間(Near Space，指距地面20～100 km的空域)和大氣層內(nèi)飛行所具備的這種飛行速度優(yōu)勢(shì)對(duì)打擊“時(shí)敏目標(biāo)”更有信心。③高超的機(jī)動(dòng)性:這已是現(xiàn)代無人機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。所謂高超機(jī)動(dòng)性，主要是指飛機(jī)在高速飛行狀態(tài)下，機(jī)動(dòng)動(dòng)作的靈活性和敏捷性。以SR－72無人機(jī)為例，它采用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)，其巡航速度可達(dá)到馬赫數(shù)6，這已是當(dāng)今最先進(jìn)的一種推進(jìn)技術(shù)。在機(jī)體結(jié)構(gòu)和空氣動(dòng)力方面，它巧妙地使用了渦升力，有助于實(shí)現(xiàn)低速飛行。④高防護(hù)能力:這已是現(xiàn)代無人機(jī)目前正在關(guān)注的指標(biāo)。2011年12月4日伊朗新聞媒體宣稱，美軍RQ—170隱身“哨兵”無人機(jī)被伊朗陸軍電子戰(zhàn)部隊(duì)成功俘獲。據(jù)事后一位伊朗工程師透露，這是用電子對(duì)抗軟殺傷“打”下來的，他們通過干擾無人機(jī)的通訊后，在無人機(jī)切換到GPS自動(dòng)歸航時(shí)偽造GPS信號(hào)，把無人機(jī)騙了下來。RQ—170無人機(jī)的被俘獲暴露了無人機(jī)的防護(hù)問題存在著明顯的軟肋，對(duì)此美國(guó)立即采取了加強(qiáng)無人機(jī)防御能力的措施。⑤高智能作戰(zhàn)能力—也是現(xiàn)代無人機(jī)高度關(guān)注的設(shè)計(jì)目標(biāo)。所謂高智能化就是要求無人機(jī)不僅能夠按照指令或者預(yù)先編制的程序來完成既定的作戰(zhàn)任務(wù)，而且對(duì)已知的威脅目標(biāo)能做出及時(shí)和自主反應(yīng)，還能對(duì)隨時(shí)出現(xiàn)的突發(fā)事件做出及時(shí)反應(yīng)。因此給無人機(jī)加裝先進(jìn)的“智慧腦”已經(jīng)成為一種必然的選擇。裝上這種“智慧腦”，便使無人機(jī)能夠具有較高程度的自動(dòng)準(zhǔn)確判斷力、自動(dòng)分析處理能力以及自動(dòng)準(zhǔn)確地控制能力，這種新型的“智慧腦”—機(jī)系統(tǒng)便構(gòu)成了新形式下的“人”—機(jī)系統(tǒng)。在未來的戰(zhàn)場(chǎng)上，或許會(huì)出現(xiàn)以無人戰(zhàn)斗機(jī)、無人轟炸機(jī)、無人電子戰(zhàn)飛機(jī)和無人預(yù)警機(jī)等構(gòu)成的無人作戰(zhàn)體系，如果這種場(chǎng)景出現(xiàn)，那么加裝了聰明“智慧腦”的無人飛機(jī)會(huì)在空戰(zhàn)中顯示出更大的優(yōu)勢(shì)和作戰(zhàn)能力。毫無疑問，對(duì)復(fù)雜的人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)、開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)以及社會(huì)系統(tǒng)問題，只有將整體論與還原論密切結(jié)合起來，將現(xiàn)代最前沿的腦科學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)用于對(duì)“人”的行為與認(rèn)知研究，全面地研究“人”的數(shù)學(xué)模型，將現(xiàn)代各類“機(jī)”與“環(huán)境”的先進(jìn)分析與計(jì)算工具(例如三維流場(chǎng)計(jì)算程序、三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序、三維傳熱學(xué)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算程序、生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)分析、計(jì)算以及評(píng)價(jià)程序等)密切結(jié)合起來，真正充分地發(fā)展多學(xué)科的優(yōu)化策略，在錢學(xué)森綜合集成方法的大框架下實(shí)現(xiàn)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程問題的分析、評(píng)價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能徹底解決人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程中的各類問題。

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