人因工程碰到人工智能,将会迸发出什么样的火花?

熊境鸿

厦门理工学院工业工程系讲师

原日本国立九州大学人间工学博士后研究员

人因工程,或许有人刚一听到这个词,就感觉似乎是一个最近越来越常听见,但又不是十分了解的新单词。人工智能也是一个常被媒体提及的新生词,甚至有人说2017年就是人工智能的元年。人因工程,一门以了解人的特性为核心的科学,而人工智能,却建立在以模拟甚至超越人的智慧为目标的哲学意识之上。人因工程碰到人工智能,将会迸发出什么样的火花呢?

未来的世界充满挑战,各学科的相互交融已经司空见惯。今天,我向大家介绍人因工程的前世今生,在刚过去的人工智能元年,增添更多关于“人”的知识。

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人因工程的定义

简单的说,人因工程学是一门研究人-机-环境三者之间相互关系的学科。根据国际人类工效学会(International Ergonomics Association, IEA)的定义,人因工程是一门深入了解和理解人与系统中的各个组成元素之间如何产生相互关系的学科

我们通常认为,只要具备两个或以上的元素,就可组成一个系统,而这里所说的系统,即是以人为中心的多元素构成系统。因此也可以说,人因工程是一门以研究人的特性和特征为本原目的,并深入探讨人与工具以及所处环境之间相互联系与制约的学科。也正因为如此广泛的定义,决定了人因工程学具有跨多学科、涉及面广和综合性强的特点,所以在各个国家和地区,对这个学科的称谓,也不尽相同。

在欧洲,尤其英国,人因工程学被称为工效学(Ergonomics);在北美,包括美国和加拿大,多称为人因学(HumanFactors)、或者工程心理学(Engineering Psychology)、或者人类工程学(Human Engineering)、又或称为人因工程学(Human FactorEngineering);而在同样使用汉字的日本,则称为“人间工学”。在我国,由于中文超强的可塑性,所用名称可谓多种多样,有人类工效学、人机工程学、人体工程学、人机学、工效学等不一而足;而中国台湾和港澳地区则多直称为人因学。

特别需要指出的是,世界最早建立人因工程学会(1949年成立)的英国采用的是Ergonimics来表述这一学科,而这个单词却原本不是一个地道的英文单词。Ergonimics来自希腊文ergo和nomos的组合,其中ergo表示工作或劳作,nomos表示规律或法则。由此可知,Ergonimics的原意指的就是人因工程是一门研究人与工作相互适应的规律与法则的学科。

而IEA也一直强调,人因工程关注的是规律(discipline)而不是技术(technique)。而human factors则直接强调人作为系统中心因素的重要性。诚然,人因工程的名称在世界各地虽然表述各异,研究的侧重点也不尽相同,但中心内容却是大体相当的。

而最近,为了人因工程的理念在全世界范围内更广泛的推广,世界各国逐渐开始使用“Human Factors and Ergonomics”来代替原来繁复多样的名称。为了便于与国际接轨,我们广泛接受“人因工程学”作为此学科的中文定义名称,简称“人因学”。我们在网络、报纸、电视新闻等媒体看到的“人因”这词便由此而得来。

虽然IEA的定义广泛,但经过最近数十年的发展,以及兼容并蓄了多学科的专业技术与理论知识,人因工程已经逐渐形成了一门相对独立的学科。

在国际上,人因工程的狭义定义因为更加具体且指导性强,逐渐在各国得到普遍的承认与应用。这个狭义定义是:

人因工程学是一门研究人的生体构造和功能、生理学以及心理学特点与特性,从而了解人的能力与极限,人与工作系统中其它元素的关系,以及人与工作的适应法则,并把这些知识运用到工业生产与制造、人力管理与社会服务等各种产业,以实现更安全、更健康的生产与生活,更高效的工作与管理,以及更人性化的产品设计与使用体验的学科。

换句话说,人因工程学运用人类学、解剖学、生物力学、生理学、心理学、工程学、统计学、以及信息科学等一切相关科学的专业知识,在工业领域中实践应用并为人服务的一门新兴学科。

相对于基础学科,人因工程学更侧重于理论知识的实际应用,更侧重于强调在不同环境与条件下人与工具以及所处环境的和谐,更侧重于实现系统的安全、高效、舒适三者最优化的目的。因此,“人因”与我们的生产生活息息相关,不可或缺。

02

人因工程的研究领域

人因工程虽然涵盖多门学科的交叉与互补,但总体来说,人因的研究课题范围,主要集中于以下几个领域:生理人类、生物力学、人机交互、工程心理及管理工效。

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生理人类

生理人类学是人类学的一个重要分支,有些文献称之为体质人类学。两者虽然研究侧重点有所区别,但在研究内容上大体一致。

人因工程既然以人为研究的本原,那么就无法脱离对人类学的学习。人类学关注人在自然界的地位,人的体貌与体质特征及其进化过程,人与动物的区别,以及人的进化和文化传承演变之间的纽带与联结关系,等等。也就是说,人类学在其起源与发展的初期,就显现了跨学科与综合性的特点。

而生理人类学,不仅仅在于了解人的体质,更着重于了解人在物理学与生理学方面的特性,尤其从生体学(生体即生物体外貌物理特征与特性)、生理学及心理学的角度去剖析人的特征,从而更接近真实地了解人作为生物体本质的各方各面。

一般来说,生体计测(身高、胸围、体重等外貌体征测量)及基础生理学测量(血压、心率、血液酶等生理指标测量)是最基本的生理人类学基础。近些年,脑生理科学也加入了进来,而那些基于人脑科学与脑波、脑近红外光谱等脑功能影像学及信息科技开发的一系列人工智能技术,无不是在为使人造的工具无限接近于人的智力,并大大超过人的能力而在不懈努力。

况且,随着科技的不断进步,加上生活水准的改善带来的人类普遍性体质的改变,我们人类的各种生体生理指标也在随时代不断的变化。只有通过对生理人类学的坚持学习,才能获知这些改变,从而更好的为人服务。

比如,大多数国家都会在一定年限内实施一次全国性的人口体质普查,并将所测得的生体和生理数据汇总编成册,发行出版以供各行各业参考。而这些数据,就是许许多多工业设计,包括各种工具、用具、家具、车辆、房屋建筑、服装等相关产品设计与制作的依据和参考。

可以这么说,如果没有生理人类学的支撑,许多行业的开展根本无从下手。不参考生体计测数据而仅凭设计者个人的经验,我们往往会造成制作出来的成品,并不适合人的使用,甚至是反人类的设计。而参考生理人类学,正是我们常说的工业设计应以人为本的思想本源。

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生物力学

生物力学在人因工程的研究领域中绝不可忽视。有人说生物力学是生理人类学的延伸与发展,对此我无法立即否认。毕竟只有测量出了手臂的长短,我们才可能计算出手臂的力矩大小与方向。

有人又说生物力学是运动医学在工业设计中的应用,对此我也无法立即否认,毕竟生物力学是建立在解剖学与人类活动特征相结合的基础之上。

但把生物力学仅看做是以上两个学科的延伸与变形,那就是把生物力学看得过于简单了。

生物力学的研究重点是生理学和医学相关的力学问题,即通过应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定性与定量的测定,并将测定的结果运用到人因工程的研究。

例如,研究高龄者与年轻人在登楼梯时身体姿势、大腿骨扭矩和落地时脚趾与脚面所形成角度的差别,可知年龄对登楼梯困难程度的影响,从而对楼梯高度、扶手角度与楼梯转角的设计,甚至高龄者所穿鞋子的设计提出改进建议,以便利老年人的生活,为国家和社会减轻负担。这就是生物力学在人因工程中应用的一个典型例子。

日本的一些知名大学甚至为人因工程的研究项目专门设立生物力学实验室,并配备相关实验设备与器材,比如3D动作捕捉分析系统等。3D动作捕捉分析系统能把人体的各种关节的运动轨迹通过红外摄像设备捕捉到电脑里,并进行运算分析,最后给出各种对比数据,用于建立运动轨迹模型。

国内很多大学,尤其是体育大学,早已装备这一系统用于运动医学研究,但专门用于人因工程与工业设计却并不多见。希望不久的将来,我国的人因工程研究整体规模能跟上世界,并用我们的优势引领世界。

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人机交互

人机交互即是人机界面交互,在很长的一段时间内被认作等同于人因工程(亦说等同于人机工程)。这很容易理解,如果除去人机共处的环境不做讨论,则可说人机交互的研究占据了人因学大部的内容。但仔细深究,则会发现事情其实并不那么简单。

人机交互最初由human computer interaction一词直译过来,简称HCI。用计算机科学的思维方式去理解,HCI意指人与计算机系统之间的通信,即人与计算机之间通过各种计算机符号进行的双向性的信息交换。

这里的“交互”更倾向于理解为由人向计算机输入指令与信息,再由计算机通过屏幕等输出设备向人反馈信息的过程与通道。因此,人机界面(user interface)的设计与改善变得理所当然,大量的资源投入到输入设备(鼠标、键盘等)、输出设备(显示屏外观、系统图标的形意等)以及相关设备(办公桌椅、计算机工作台等)的人因学研究与开发,其终极的目的就是为了实现更高效的人机沟通、更舒适健康的工作界面、从而促进更高效的人机合作效率。

而随着科技的不断进步,计算机的范畴早已不再是一台冰冷的显示屏及与其连接的电脑,许许多多的设备通过各种输入和输出设备与人互动合作,共同完成任务。换句话说,“人机界面”已经不再局限于人与计算机,而扩展到了人与任何由人操控的所有智能设备、器械、甚至工具。

比如说,航天飞机驾驶舱的设计,不仅涉及计算机界面的改善,更涉及各种操控按钮阀门等与计算机界面的融合与配合,同时还要考虑在太空环境中人的生理反应与心理认知特性。人因工程为人机界面交互的拓展提供了一个更广泛的平台,而人机界面交互与相关研究也是当今人因学发展任务的重中之重。

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工程心理

至今仍有人振振有词地认为人因工程学就是工程心理学。如果你在国内的一些知名搜索引擎上检索一下,你会毫不费力的发现,他们对工程心理学和人因工程的定义惊人相似,如出一辙。在这里我并不敢放肆的调侃那些拥有几乎无限巨大信息量的搜索引擎,可是如果能用搜索引擎就可解决的问题,那我们科学家还能干什么呢?

过去的数十年里,人因学的发展传递给了我们这样的一个信息:系统与工具的设计与改善,应以了解人的特性为依据。而人的特性不仅仅指的是生理方面的特性,还应包括心理方面。

人因学的漫长发展,已经显示了众多人类对工具操作和信息加工特性的理解,其中很多研究涉及人的注意力、情绪、感受、认知、记忆与思维等心理的活动。这些研究成果,使我们更加深入地了解了人做出决策(包括错误的决策)与行动的动机与原由。由此看来,工程心理学的内容更倾向于应用心理学,而不是工程学。

如果说还可以举出一个更具体的例子的话,那就是,工程心理学多关注于“脖子以上”的人因学问题,而普遍所说的人因工程学则多关注在“脖子以下”的人因学问题。所以说,工程心理不能等同于人因工程,而工程心理是人因工程的一个部分或者分支,是实验心理学在人因工程方面的应用。

近20年来,由日本所率先发起的感性工学研究,又把应用心理学在人因工程中的应用中带到了一个新的高度。即通过对人类的五种感受通道(视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉)的定性与定量分析,为设计制造更符合人类心理特性的产品与环境提供参考依据。

而由感性工学发展而来的魅力工学,更把应用心理学带到了更高阶的工学层面。魅力工学研究人对产品产生心理依附(感觉某一产品或产品的某一方面特别地吸引自己,特别地有魅力)的心理学机制,从而为改善产品的设计提供建议,以满足更深切的使用体验以及消费者深层的心理需求。总而言之,工程心理是人因工程相当重要的组成。

05

管理工效

如果把以上所说的生理人类、生物力学、人机交互和工程心理归为微观人因工程的话,那么管理工效可认知为宏观人因工程。

所谓宏观,即以一个自上而下的角度,全盘考量系统中各个元素之间的相互依存关系,并系统地分析每个元素的改变对系统产生的整体性影响,以最大限度的提升人与组织团队的利益。

管理工效学的思维与管理学中的工作系统分析非常类似,因此很多高校把人因工程归类于管理科学并非毫无道理。只是提取管理工效部分的内容,人因工程已经可以为管理与工业工程专业提供非常必要的学科知识。

对于现代工业工程专业,人因工程更是不可或缺的学科组成。管理工效学关注的是人与工作的匹配度与协调度,以及工作程序步骤之间的承接关系是否利于提高系统整体效率。

现代制造产业的诸多问题可以归结为系统元素协调缺失的结果,即人与工作的契合度以及生产程序之间的承接设计经常忽略系统的整体层面,虽然个别部门产力活跃,但系统整体表现却欠佳。

因为问题的根结在于:对于一个系统,即使细节设计得到了优化,但若不是针对生产线系统全盘的优化,则整个产业体系不会受益。也就是说,终极的成功并不仅仅依赖于微观层面设计的优劣,而是由微观设计与宏观调控(包括组织结构、环境、经济、政治、文化、法律等因素)相互融合与承接的程度所决定。

近些年来随着人因工程学的发展,管理工效学的理念早已逐渐渗透到现代工业的各个领域,包括环境与安全工程学、交通运输工程学、航空航天工程学,以及工业标准化管理学等专业学科,是人因工程学必不可少的组成部分。

03

人因工程的起源与历史发展

如果说劳动创造了人类,那么我想我可以大胆地宣称:人类对工具的使用便催生了人因工程。从出土的石器时代人类工具化石上看,我们的远古祖先早已懂得:顺手的工具更利于捕获猎物并处理食物。加上对火的认识与应用,我们人类得以生息繁衍,进而统治了这个星球。可是,本文的题目却称人因工程是一门新兴的学科,这不是用自己的话封自己的嘴吗?

说到人因工程的思想起源与发展,要往前追溯大约500年,不得不从文艺复兴时期开始聊起。我把人因工程的历史发展分为四个时期:人因思想起源期、工业革命萌芽期、战时快速发展期和现代繁荣跃进期。

01

人因思想起源期(17世纪以前)

虽然远古时代人类就开始使用工具,但工具的大量制造却发展缓慢。而尽可能地设计并制造适合人使用的器具是人类一直追求的目标,虽然贡献卓越的人物有很多,但伟大的艺术家列奥纳多•达芬奇(1452-1519)却非常值得一提。

达芬奇生于意大利,是欧洲文艺复兴时期众多伟大画家中的杰出一位。几乎所有人都知道《蒙娜丽莎》与《最后的晚餐》让达芬奇流芳百世,至今仍是世人交口称赞的绝世杰作,但并不是所有人都知道达芬奇也是一个不折不扣的理工男。或者说,称达芬奇为一个博学的解剖学家和工程设计学家比称他为艺术家更合适,尽管他的艺术造诣已是人类的极致。

虽然达芬奇并不是世界上第一位绘制人体解剖图谱的人,但他却是世界第一位准确而具体地描绘人类脊骨呈双S型态的人。达芬奇的这个贡献,至今在设计符合人体姿态的桌椅与周围环境等工业设计制造业仍然发挥着巨大作用。同时,达芬奇运用其超凡的艺术功力,把人体解剖图(大部分为局部解剖图)画得极为精确与细致。达芬奇其中的一些作品,也包括对一些生理缺陷的描绘,为今后的科学家认识人的生理性局限提供了详实的参考,更为人体结构学和人体形态学的发展奠定了基础。可以说,达芬奇是体态生理人类学的宗师毫不过分。

另外,出于对工程设计的着迷,达芬奇也设计了不少器械与工具,甚至还包括飞行器。可惜的是,由于当时的制造技术并不发达,达芬奇的很多设计构想大多没有得到实现;但不可否认的是,几乎所有达芬奇的设计都满满地体现了以适应人的体态与习惯姿势为依据的设计语言。如果说欧洲文艺复兴是人类在自然科学与艺术上的巨大飞跃,那么也可以说达芬奇在生理解剖学和工程学上的贡献,代表了近代人因工程思想的起源。

02

工业革命萌芽期(18世纪)

工业革命对人因工程的发展是决定性的,因为机器的大量制造并投入到生产给人因工程的发展带来了史无前例的巨大机会。

泰勒(1856-1915)被广泛认为是推动人与工具应互相匹配理论在工业生产中应用的先行者。19世纪末煤矿业与铁矿业疯狂增长,泰勒开创的科学管理论找到了一种能帮助工人最有效的铲运煤铁矿石的方式。他认为每个工人都应该用正确的方法作业,所以工人操作的每一个动作都被进行研究并加以改进,以配合流水线的工作进度。虽然泰勒强调了机器与人的匹配,然而当时的第一生产力却是功率巨大的机器,而工人必须匹配生产线的流程,工作效率才会提高。于是,为工作或者为机器而选择工人的理论被提了出来。

虽然科学管理论在工业革命的初期极大地提高了生产效率,但随着劳动强度的增加,让人去适应机器的弊端逐步显露了出来。无数的劳工因为无法胜任工作而致使生产线被迫停产。

工业革命后期,人们逐渐意识到如果劳工的生产安全与健康得不到保障,则工作条件必须要被改善,否则生产必受损害。这时,对劳工的工作场所和工作条件进行规范,尽量使工作与工人的能力相匹配,被认为是现代人因工程实践的开始。换句话说,人因工程作为一门科学的诞生,必须以机器的大量制造并使用为前提。

03

战时快速发展期(19世纪)

人类的一大不幸在于工业革命的巨大成就把人类推向了战争。在此时期,参战的各国最需要的就是短时间内制造出大量的战争机器,同时也需要大量操作这些机器的人。因此,为已经制作出来的机器选拔与训练操作人员变得理所当然。

在两次世界大战,每个参战国都耗费了巨大资源选拔并训练能熟练操作战争机器的士兵。然而,战争的推进促使工业生产不断的改进以制造出战争性能更强的机器,而机器的不断更新换代,却让机械结构与操作方法变得越来越复杂。

可是,相对于机器,人的能力与素质的提高却是有限的。另一方面,战争的推进也加剧了人口在短时间内剧烈减少,因为阵亡士兵数字的不断上升让可以选拔的人力资源越来越捉襟见肘。例如,坦克操作笨重且内部空间狭小,一般由身材不高但孔武有力的士兵所操纵驾驶。但随着可挑选士兵的减少,一些身形各异且体质相对弱小的士兵也被选入坦克部队。而坦克的机器设计并不会因此而改变,这造成很多坦克兵无法精准操控,失误与反应滞后随处发生,因而战斗力急剧减弱,伤亡随之增加。由此可见,为机器而选使用者终究不是提高战争胜算的办法。

对战争的总结与反思使人们意识到,工具与机器的设计不应仅由设计者用自己的角度考虑而单方面决定,而是必须要考虑到使用者身体与能力的限度。也就是说,当机器与使用者的身体与能力特点相匹配的时候,机器发挥出最佳性能的可能性才是最高的。战争虽然不是我们所期望的,但它的确在事实上极大促进了人因工程在短短几十年内的快速发展。

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现代繁荣跃进期(20世纪以后)

感谢战争的结束,让工业发展再次焕发了生命力,也让人们的工作形式与工业革命时期相比发生了巨大改变。战后的安定生活使市场需求量增加,而需求增加必然要求生产力相应提高。

提高生产力体现在装配零件速度的增加(如汽车、家电等)、搬运货物方式的改变(物流、邮递等),以及用自动化机器生产线来代替人力等方面。也就是说,机械力代替了人力,人力生产改变为了人操作机械生产。随着机器的进步,其机械力越来越强大,操控的复杂程度也越来越高;所以一旦发生事故,所造成的伤害也相应非常巨大。

和工业发展的目标一样,人因工程的目标也是提高生产力。加上生活水平的提高,人们也开始关注安全健康与舒适体验。因此,人因工程的研究人员逐步把目光集中到了提高作业效率性也必须提高作业安全性与作业舒适性三者同时优化的目标上来。

从1940-1960年代,一些工业发达国家如英美各国,以及代表亚洲先进生产力的日本和韩国,都相继成立了各自的人因工程学会,以指导行业内人因工程的发展。尤其1960年代以后,大规模的工厂集成生产方式逐渐转变为小型的流水线生产方式,人因工程的研究人员在产业转型的进程中不断解决一个又一个的难题。不仅仅在工业生产线,在工业设计与制造、生产品质与监控、甚至医疗服务、消费娱乐等等各行各业,人因工程的专业知识都得到了越来越多的认识与重视。

当今的世界,比以往任何历史时期更重视作业的安全、工作的舒适以及生活的品质,而人因工程在现代社会的繁荣,也是当今社会进步的一剂强心剂。

随着我国的经济实力,特别是生产力的逐年上升,越来越多的工业生产与科研专业人员意识到人因工程在提升国家实力中的重要性。自改革开放以来,中国工业发展经过几十年的奋起追赶,逐渐在摸索中找到了自信。通过深入“人-机-环境”的相关研究,加大对以上所述五大人因研究领域的科研投入,不仅能助推中国科技的大步迈进,也将向世界的工业进程与经济发展提供更安全、更健康、更可靠的中国解决方案。未来的人工智能,或许就建立在更深入更广泛的人因工程研究所建立的基础之上。

* 图片来源于网络

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