论康复工程的人-机-环境系统工程方法论  
 
  人-机-环境系统工程[1]是一门新兴的综合性边缘技术学科 ,有关研究认为,运用其理论有助于更好地解决残疾人全面康复实践中的问题[ 2]。进入90年代,其思想开始渗透于康复工程的文献之中[3~5]。 我们尝试运用人-机-环境系统工程的 理论研究了康复工程中的具体问题——智能大腿假肢的精细摆动控制[6],成效良 好,这促使我们进一步探讨这门学科在康复工程中的普遍适用性和方法论意义。本文将报告 此项探讨的主要结果。并提出打破康复工程的“拼盘”形象,寻找理论主线(支持性理论), 完善其理论体系。

1、人-机-环境系统工程
  人、机、环境3个要素组成的系统称为人-机-环境系统。通过运用系统科学理论和系 统工程方法来正确处理这3个要素之间的关系,从而使系统达到最优组合。二战以来先 后出现了人的因素、人体工程学、工程心理学、工效学、人的因素工程和人- 机系统等众多的学科,故从不同角度积累了人、机、环境的实验数据和经验。人-机-环 境系统工程把上述学科纳入了一个统一的科学框架,避免了概念和术语的混乱,并从系统的 总体高度进行研究。它与一般的人-机系统的重要区别在于将环境因素作为主动的积极因素 引入了系统,而不是作为被动的干扰因素。粗略而言“人-机-环境系统工程=人体工程学+ 系统工程+把环境因素作为主动的积极因素引入系统”。10余年来这门学科发展稳健,在国 内主要应用于航天医学工程、航空工业、国防工业和军事等,目前其应用领域正逐渐扩展。

2、康复工程的研究对象是典型的人-机-环境系统
  康复工程是以工程技术手段帮助残疾人生活自理并回归社会,此概念本身就同时包含了人(残疾人)、机(工程技术手段的主要形式)、环境(生活自理、回归社会即指适应自然、社会环境)3个要素。缺乏对残疾人及其环境特性的深刻体察,就不可能设计出符合残疾人要求的康复工程产品;只有对残疾人、康复工程产品、残疾人自然社会环境及其相互关系进行综合分析,才有可能开具最佳的康复工程产品处方。所以康复工程的研究对象不仅仅是康复工程产品本身,而是残疾人、康复工程产品、环境组成的人-机-环境系统。不同的残疾种类,同一类残疾的不同残疾程度,所适用的康复工程产品是迥然不同的,这说明人的因素强烈地介入了康复工程的人-机-环境系统。人体本身是一个巨系统,残疾更加大了其复杂性,这从根本上决定了康复 工 程 的人-机-环境系统的复杂性、 典型性。如康复工程的一个基本问题——轮椅处方需考虑的因素有:掌握各种轮椅的性能参数,残疾人的神经肌肉状 态、身体变形、组织敏感性、上身功能、选择倾向、运输、安全、座椅匹配、社会心理因 素、护理人员、学校、社区、家庭、使用时间、活动距离、职业目标、经费、当地轮椅供应 情况及维修维护等[7]。轮椅处方是对残疾人、轮椅、使用环境组成的人-机-环境系统进行总体分析决策的过程。事实上康复工程的假肢控制、拐杖设计和感觉功 能代行装置的研究等各方面,其对象均为典型的人-机-环境系统[5]。

3、康复工程的人-机-环境系统工程方法论
  既然康复工程的研究对象是典型的人-机-环境系统,我们就可以把人-机-环境系统工程 的理论、原则、方法及程度应用移植于康复工程,以完善康复工程的工作方法和理论体系 。通过这一移植所构造成的康复工程称为康复工程的人-机-环境系统工程方法论(简称人 机环方法论),其基本原理如下[8,1]。
3、1、康复工程的研究方法 概括为①3个理论(控制论、模型论、优化 论):控制论用系统、信息和反馈等一般概念打破了有生命与无生命的界限,使人们能用 统一的观点和尺度来研究人、机、环境这3个物质属性截然不同的对象,并使其成为一个密 不可分的有机整体;模型论能为人-机-环境系统工程的研究提供一套完整的数学分析工具 ,通过引入数学模型来定量地刻划全系统的运动规律,寻求人-机-环境系统的最优组合 的观点和思路,是人-机-环境系统工程的精髓;优化论是体现这一精髓的数学手段。②3 个要素(人、机、环境):从系统的总体高度出发,既要研究各要素本身的性能,又要研究 3个要素之间的信息传递、加工和控制等作用。残疾人是康复工程的人-机-环境系统的工 作主 体,残疾人特性分析是康复工程研究的基础和关键,也是难点。残疾人特性非常复杂,包括 人体测量、运动能力、感知能力、工作负荷、控制与决策模型等特性。③3个阶段(方案 决策、研制生产、实际使用):可以理解为康复工程问题分为方案决策类,如爬楼梯轮椅的 立项;研制生产类如智能假肢的研制;实际使用类如轮椅处方。④3个目标(安全、高效 、经济):为便于量化分析,需将这 3个目标融合为单一指标,故定义综合评定值Q=W1×安全+W2×高效+W3×经济,W1、2、3为加权系数W1+W2+W3=1。系统效率为系统工作效果和人的工作负荷的函数。
3.2 康复工程工作 可按附图所示的流程进行。

附图 康复工程工作流程

4、人机环方法论的应用

4.1 康复工程问题的新认识 以往对康复工程研究内容的传统横向分 类为运动功能代偿装置、移动功能代偿辅助装置和感觉功能代行装置等[5];现 在从人机环方法论出发可作纵向分类为人(残疾人)、机(康复工程产品)及环境(残疾人自然 社会环境)的特性研究,人-机关系、人-环关系、机-环关系的研究,人-机-环境 系统总体性能的研究。新的分类会提供新的视角、新的研究契机,使本来错 综复杂的问题变得清晰有序。

4.2 康复工程研究方法和工作流程(或工作模式) 使康复工程工作不再是 各行其道,而是有了通行的章法。科学的方法和程序会推动康复工程工作卓有成效地开展。 前述智能大腿假肢精细摆动控制的研究,是该工作模式的一个典型应用。

4.3 康复工程工作的指导作用和若干实用性原则[1] ①合理分 配人、机、环境的功能:康复工程系统的功能需由人、机、环境分别承担一部分,在 系统功能相同的情况下,3个要素承担功能的份额可以有不同的组合形式,在某种组合形式 下系统Q值最优。合理分配人、机、环境的功能就是根据3个要素的各自特点取长补短,相得 益彰。②合理设计人、机、环境之间的界面:界面是人-机-环境系统要素 间进行信息(物质和能量可视为特殊形式的信息)交换的场所,良好的界面设计将使系统各要 素间具有良好的关联形式和获得好的总体性能。康复工程中存在人-机界面、人 -环界面和机-环界面,其研究往往在界面处展开,以致康复工程产品亦有界面/接 口设备[9]。③把环境因素作为积极因素引入系统:康复工程中“积极环 境”是解决问题的一种有效手段,比如为使残疾人在公共建筑物内外通行无阻,开发功能复 杂的个人移动辅助机器是笨拙而不现实的,但无障碍设施这一积极环境却巧妙地解决了问题 。环境控制系统的研究是要创造一个全新的、可控的和人工的积极环境,以全面辅助残疾人 的日常生活,这是康复工程的一个重要研究领域[5]。

5、结论
本文以康复工程几十年来的实践与理论成果为背景,以人-机-环境系统工程为基础,运用 逻辑分析、归纳方法作了论述。我们认为康复工程的研究对象是典型的人-机-环境系统 ;人-机-环境系统工程是康复工程的支持性理论,运用它可以建立康复工程的理论主线, 完善其理论体系,为康复工程工作提供全新的颇具价值的认识手段、研究方法、工作流程和 指导原则,相信会给康复工程的理论和实践带来新面貌。



作者单位:封锦华、张济川、刘永斌、金德闻 中国康复研究中心康复工程所(北京 100077);张济川 清华大学

 
 
 
 
 
 
 
 
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