王保国，王 伟，黄伟光，陈海生，王新泉，徐燕骥

(1.北京理工大学宇航学院，北京 100081;2.中国土木工程集团有限公司法律事务部，北京 100038;3.中国科学院上海高等研究院，上海 201210;4.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190;5.河南省土木建筑学会，河南郑州 450003)

1 钱学森的现代科学技术体系

我们正处在一个科学大发展的美好年代，人类正在研究与探索着从渺观(典型尺寸10－36m)、微观(典型尺寸10－17m)、宏观(典型尺寸102m)、宇观(典型尺寸1021m)、胀观(典型尺寸1040m)这五个层次时空范围的客观世界:道路的前方看不到尽头，探索的步伐从未停留［1］!这个客观世界是一个相互联系、相互作用、相互影响的整体，这里以宏观层次的地球为例:在地球上有生命和生物，有人类和人类社会，有人、动物、植物与其环境之间不断进行着的物质循环和能量交换过程而形成的生态系统(ecosystem)以及整个生物圈(biosphere)［2］。现代科学技术的发展已经产生和形成了多个学科和科学领域，钱学森认为现代科学技术不单是研究一个个事物，一个个现象，而是研究这些事物、现象发展变化的过程，研究这些事物相互之间的关系［3，4］。通常学术界总把现代科学技术分成六个门类(即自然科学、社会科学、数学科学、系统科学、思维科学、人体科学)但这并不意味着把整个的客观世界分成六大片而是从不同的角度，不同的观点去研究客观世界。自然科学是从物质在时空中的运动、物质运动系统的不同层次以及不同层次相互关系的角度来研究客观世界;社会科学是从人类社会的发展运动，即从人类社会这个开放的复杂巨系统的内部运动，以及客观世界对其发展运动的影响角度去研究整个客观世界;数学科学是研究客观世界中质与量之间的辩证统一以及相互转变，从这个角度来研究客观世界。数学中的定义、公理和逻辑都来自人的实践，即人与客观世界相互作用的经验积累;系统科学是从普通存在的系统结构与功能的侧面去研究整个客观世界，也就是说它从部分与整体、局部与全局以及层次关系的角度来研究客观世界;思维科学是研究人脑通过思维活动来如何正确地认识整个客观世界和进行创造性的思维，从这个角度去展开研究客观世界的;人体科学是研究人体结构和功能如何承受整个客观世界的影响和作用，并且从其中运动和发展的角度进行研究，以便更好地增强体质、保护和发挥人体潜在的功能。钱学森先生从系统科学的思想出发，提出了现代科学技术体系结构的总框架，如图1所示。这里需要说明的是，图1的基础是钱学森于1993年7月8日绘制的，另外这里也遵照了钱老在1996年6月加入“建筑科学”的修改建议，因此这里给出的图1增加了建筑科学一大部门。对于图1，从纵向上看，有11个科学技术部门(即自然科学、社会科学、数学科学、系统科学、思维科学、行为科学、人体科学、地理科学、建筑科学、军事科学、文艺理论);从横向看，有3个层次的知识结构(即基础科学、技术科学、应用技术(又称工程技术))［4］，它们构成了钱学森的现代科学技术体系。科学是认识世界的学问，技术是改造世界的学问，工程技术是改造世界的实践。一方面人们借助于“前科学”中的感性认识、经验知识，经过研究、提炼可以上升为科学知识，进而纳入到现代科学技术体系之中。

图1 钱学森的现代科学技术体系和理论模型

另一方面，人类借助于不断的社会实践，又会继续积累新的经验知识、感性知识，于是这又丰富了“前科学”。人类的社会实践是永恒的，上述这个过程也就不会结束，因此现代科学技术体系不仅是一个动态发展的系统，而且是一个开放的演化系统。另外，如果将现代科学技术在整体上作为一个系统，则图1可认为是一个理论模型。因此在这里每一层都可以直接得到哲学的指导，也都可以进行哲学概括，产生相应的哲学。例如，对自然科学进行哲学概括便产生自然辩证法;对社会科学进行哲学概括便产生历史唯物主义，对数学科学进行哲学概况可以产生数学哲学;对系统科学、思维科学、人体科学、行为科学、文艺理论等进行哲学概括便分别产生系统论、认识论、人天观、社会论、美学等。甚至对“前科学”进行哲学概括，也可以产生各种思辨哲学［5，6］。钱学森先生指出，完整的科学技术体系应包括哲学观、基础科学、技术科学和工程实践，因此图1也反映了钱学森对知识论的贡献。对于钱老的贡献，这里可以归纳为两点:①人类知识是以“前科学”为基础、以科学技术为主干的系统，其余的知识是它的外围环境;②人类知识是一个具有层次结构的巨系统，粗略划分具有三个层次:

前科学→科学技术→哲学 (1)

进一步细分可有七个层次:

不成文感受→实验经验知识库→应用技术→技术科学→基础科学→哲学分论→哲学总论(2)

2 钱学森的系统科学思想以及综合集成方法

对于系统科学来讲，一方面要认识系统，另一方面要在认识系统的基础上去改造、设计和运用系统，这就是说需要有科学方法论的指导和科学方法的运用。按照钱学森先生的观点，根据系统结构的复杂程度，可以将系统划分为简单系统、简单巨系统、复杂系统、复杂巨系统以及特殊复杂巨系统(例如社会系统)这五大类。对于简单系统和简单巨系统，目前人们已有了相应的研究方法，也有了解决这些问题的相应理论和技术。但对于复杂系统、复杂巨系统以及社会系统来讲，人们原来已有的理论与方法不再有效，需要而且急需产生新的方法论和方法，钱学森的系统科学思想与方法正是在这样一个大背景下产生的。这里我们不妨简单回顾一下系统科学发展的进程:20世纪30年代，von Bertalanffy(贝塔朗菲，1901－1972)提出了整体论方法，强调从生物系统的整体上来研究问题。1968年他的《General Systems Theory》名著出版［7］，这对一般系统论是个巨大的推动。20世纪80年代中期，国外出现了复杂性研究并且在研究方法上有许多创新之处，例如他们提出了遗传算法、演化算法，开发了Swarm软件平台，提出了以Agent为基础的系统建模、用数字技术描述人工生命等。可是在方法论方面，虽然也意识到了还原论方法的局限性，但国外并没有提出新的方法论。20世纪70年代末，钱学森先生明确指出:“我们所提倡的系统论，既不是整体论，钱老的这个系统论思想后来发展成为他的综合集成思想。借助于这个思想，将还原论方法与整体论方法辩证统一起来，形成了系统论方法［8，9］。系统论方法吸收了还原论方法和整体论方法各自的长处，同时也弥补了它们各自的局限性，既超越了还原论方法，又发展了整体论方法，这是钱学森先生在科学方法论上为人类留下的具有里程碑意义的重要贡献。

20世纪80年代末到90年代初，钱学森先生提出了从定性到定量的综合集成方法［10］，它是针对复杂系统、开放的复杂巨系统以及社会系统而言的一个有效解决问题的办法与方法。综合集成方法(meta－synthesis)的起名借鉴了整合分析(meta－analysis)，该方法的实质是把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机的结合起来，构成一个高度智能化的人—机结合与融合的体系。这个体系具有综合优势、整体优势和智能优势。这个系统能够把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识。系统科学要走“精密科学”之路，其出路就是人—机结合以人为主的思维方式和研究途径，所采取的合作方式就是“机帮人、人帮机”［11，12］，换句话讲就是机器能做的事尽量让机器去做，以便极大扩展人脑逻辑思维处理信息的能力。今天的计算机在逻辑思维方面确实能做很多事情，而且做的甚至比人脑做的还好、还快。计算机善于信也非还原论，而是整体论与还原论的辩证统一”。息的精确处理，著名数学家吴文俊先生的定理机器证明就是一个杰出的例证。但是在形象思维方面，现在的计算机还不能给我们以任何帮助。至于创造思维就只能依赖于人的脑袋了。图2给出了人—机结合的思维方式，从图2可以看到，人－机结合以人为主的思维方式在智能和认识能力方面的确处在最高端。因此我们可以借助于人－机结合以人为主去实现信息、知识和智慧的综合集成。这种集成包括了不同学科、不同领域的科学理论和经验知识、定性和定量知识、理性和感性知识，借助于人机交互、反复比较、逐次逼近，进而实现从定性到定量的认识，以便对经验性假设的正确与否给出一个明确的结论。事实上，在这个过程中无论是肯定还是否定了经验性假设都是在认识层面上的一种进步。然后在上述基础上再提出新的经验性假设，并且继续进行定量分析与研究，如此循环往复，使得研究过程不断深化、使得人的认知过程不断深入［13］。这里应当说明，综合集成方法所采用的人－机结合从定性到定量的综合可以有多种途径，例如德尔菲方法、层次分析法、神经网络法以及多agent系统(multi－agent)等方法，这些方法均可以完成对某些方面或者某种程度的综合。另外，系统重构分析是一类十分重要的实现从定性到定量的方法，它是美国纽约大学G.J.Klir在R.Ashby(一般系统论创始人之一)的一般系统论研究的基础上于1976－1981年间所提出的方法。20世纪80年代初期至后期，美国路易斯安那大学的B.Jones提出了用聚集状态及其一般化性态函数构成的矩阵确定主子状态的方法，然后逐步得到无偏重构以及确定主要变量水平(等级)或变量水平组合的新方法。20世纪90年代以来，我国学者舒光复与顾基发等进一步把Klir和Jones等人重构分析方法作了改进，分别提出了多类信息、多类知识混合变量的系统重构分析方法［14］和综合集成系统重构分析方法［15］。

图2 人－机结合的思维方式

3 系统科学思想在人机环境系统工程中的应用

人类社会发展的历史就是一部人、机(包括工具、机器、计算机等)、环境三大要素相互关联、相互制约、相互促进的历史。因此，人、机、环境便构成了一个系统。在这个要研究的系统中，“人”是作为工作的主体(例如操作人员或决策人员)，“机”是人所控制的一切对象(例如汽车、飞机、轮船等)，“环境”是指人与机所处在的特定工作条件(例如外部作业空间、物理环境、生化环境、社会环境等)。我们将这样的一个系统称为人－机－环境系统(通常简记为人机环境系统)，这是钱学森先生于1981年首次提出的一个新概念。

人机环境系统工程是运用系统科学思想和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，探讨人机环境系统最优组合的一门科学。人机环境系统工程研究的对象为人机环境系统，系统最优组合的基本目标是安全、环保、高效、经济。所谓“安全”是指不出现人体的生理危害或伤害，并且避免各种事故的发生;所谓“环保”是不给空间环境和人类地球家园以及人类生存带来危害，要遵守国际法规、爱护大自然［16］，不要污染地球大气层以及外层宇宙空间［17］。另外，还要使产品设计满足绿色设计(Green Design，简称GD)的基本要求;要坚持执行1996年9月1日国际标准化组织(ISO)正式颁布的关于环境管理方面的ISO14000系列标准;要坚持人类生态文明与可持续发展，重视环境生态系统的恢复与重建。对于人类生态文明，至少要符合以下几个基本理念:第一，要发展循环经济，提倡健康文明的绿色消费方式，实现人类生产生活与自然生态系统在物质代谢上的动态平衡;第二，要建立人类与自然环境和谐共存的社会秩序;第三，要树立尊重自然、保护环境生态的道德意识。第四，必须要重视发展的公平性。这里公平是指，一是代际公平，二是代内平等。因此，按照公平性原则，不但当代人之间，也包括后代人都应该公平享有地球资源和经济利益，同时承担着保护环境生态的责任。所以，人类生态文明是人类社会进步的标志，是人类社会走向可持续发展的基础。因此，是否符合人类生态文明的基本理念是评价人机环境系统优劣的重要方面;所谓“高效”是指全系统具有最好的工作性能或最高的工作效率;所谓“经济”是指在满足系统技术要求的前提下，系统所需要的投资最少，也就是说保证了系统的经济性。人机环境系统工程的研究内容主要包括了7个方面，如图3所示:①人的特性研究;②机的特性研究;③环境的特性研究;④人机关系的研究;⑤人环关系的研究;⑥机环关系的研究;⑦人机环境系统总体性能的研究。

图3 人机环境系统工程研究范畴的示意图

人机环境系统工程研究的基本核心问题可概括为:从三个理论(控制论、模型论、优化论)出发，着重分析三个要素(人，机，环境)，历经三个步骤(方案决策、研制生产、工程实用)，去实现整个系统总性能的四个目标(即安全、环保、高效、经济)。

1981年钱学森先生提出了人机环境系统这个重要概念并创建了人机环境系统工程这个学科。30多年以来，我国科学工作者在钱学森先生的指导与率领下，做了大量研究与发展工作，出版了一批优秀的专著与教材［18－40］，培养了一批具有硕士和博士学位的从事这一领域研究的优秀拔尖人才。本文在下面的讨论中，因篇幅所限，仅扼要简述一下本文6位作者所在的6个科研团队在人机环境系统工程领域，尤其是人机系统方法的研究方面所完成的部分工作。这里所讲的六个科研团队分别是:①王保国教授率领的AMME Lab(Aerothermodynamics and Man—Machine—Environment Laboratory)，高超声速气动热力学与人机环境系统工程中心，简称高速气动热与人机工程中心)，主要从事航空发动机内流气动热力学设计、高超声速飞行器再入飞行气动热力学分析与热防护、载人航天器人机系统评价与分析这三个方面的研究工作;②王伟律师的哲学与法学团队，主要从事人机环境系统工程中遇到的哲学与法学方面的问题。例如文献［2］第10章“人机环境系统工程中涉及哲学和法学范畴的几个重要问题”便是由王伟律师执笔撰写的，该章共分11节从各方面深入细致地进行了分析。另外，本文文献［9，17，41，42］给出了最近几年她在这方面发表的几篇有代表性的重要文章，尤其是文献［9，17，42］有较高的引用率，受到学术界的高度认可与关注;③黄伟光副院长率领的中国科学院上海高等研究院清洁能源技术发展中心团队，主要从事清洁能源技术研发与高效节能动力的研究工作。他从事的“高效洁净能源的动力系统及热—功转换过程内部流动的研究”以及IGCC(integrated gasification combined cycle，整体煤气化联合循环)系统的洁净煤技术等项目，都属于国家973计划项目。在这些国家级重大项目的支撑下，他作为主要获奖人曾于2001年荣获国家科学技术进步二等奖，2002年荣获国家自然科学二等奖，2009年荣获国家科学技术进步二等奖。另外，黄伟光先生还是北京理工大学的特聘教授，在AMME Lab指导多名博士生;④陈海生研究员和谭春青研究员共同率领的“国家能源大规模物理储能技术研发中心”团队，该中心已获得国家能源局正式批准挂牌，是国家级重点实验室。该中心主要从事大规模超临界压缩空气储能技术的研发［43］，另外也进行燃气轮机的研究与性能改进工作［44，45］。该团队以中国科学院工程热物理研究所为根基，同时又分别在内蒙古鄂尔多斯市与安徽省合肥巢湖建立了两个大型研发基地，分别对超临界压缩空气储能技术与微小型燃气轮机关键技术开展深入的研发工作;⑤王新泉教授是我国安全界的老专家，曾是中原工学院安全工程专业的首席教授和学术带头人。他现任河南省土木建筑学会副理事长兼秘书长，他率领的研究团队主要从事建筑安全与建筑施工方面的研究工作。另外，他还对建筑与环境以及职业安全健康等问题均有较深的研究［46－48］;⑥徐燕骥高级工程师是20世纪80年代毕业于清华大学热能工程系的优秀学子，大学毕业后一直在中国科学院工程热物理研究所和中国科学院上海高等研究院从事叶轮机械气动热力学以及新型能源动力方面的研究工作。他是中国科学院上海高等研究院新喆机电技术的总负责人、学术带头人，他率领的团队主要从事机电控制技术以及高性能燃气轮机技术的研究与开发工作。六个团队实行强强联合，在人机环境系统工程领域完成了大量的理论研究与工程实践工作，取得了一系列创新成果，并成功地写出了三部人机环境系统工程方面的重要著作与全国规划教材，其中①《安全人机工程学》［11］(机械工业出版社，2007)被机械工业出版社评为“最受读者欢迎的畅售图书”并荣获优秀图书奖;②《人机环境安全工程原理》［12］(中国石化出版社，2014)首次将“环保”写进了人机系统评价的四项指标中，充分展示了人类对生态环境的重视与爱护，受到中国系统工程学会人—机—环境系统工程专业委员会主任龙升照教授的高度评价。龙先生是钱学森先生大力推荐并寄予厚望的学术带头人，他自1981年至今一直从事这一领域的研究，他作为主编已出版了十余本全国人机环境系统方面的论文集;③《人机系统方法学》［2］(清华大学出版社，2014)是国内首部以方法与建模为主全面探讨人机系统量化与分析的学术专著，这部专著内容安排十分紧凑，书中给出的方法十分新颖、实用，尤其是该书第10章给出的系统演化规律高度概括、实用性强，对指导人机环境系统的研究十分有益。另外，该书第6章第6.7节给出的内容非常新颖，它恰恰是目前国内外人机系统类书籍与教材中所缺少的内容。该节分10个小问题，系统讨论了基于认知神经科学的广义人机界面脑力负荷的预测与评价方法，这对飞机座舱人机显示界面的评价与优化有着重要的指导意义。脑科学和认知神经科学是20世纪90年代末以来人类才关注的重要前沿科学领域，ERP(event related brain potentials，事件相关脑电位)和脑功能成像技术是研究上述两个前沿领域的两个强有力的观察窗口和分析工具。该书以严谨、简洁、实用的方式，以最少的篇幅将这些十分新颖的重要内容展现给读者。这里因篇幅所限对上述内容不作介绍。以下仅从①人的数学模型及其应用;②机的数学模型及其应用;③环境的数学模型及其应用;④人机环境系统总体性能的评价及其应用这四个方面进行讨论，并且以AMME Lab团队为例对近10余年开展的研究工作略作回顾。

3.1 人的数学模型及其应用

AMME Lab主要在①人的控制行为模型，②人的热舒适模型，③人的可靠性模型这三个方面开展了大量的研究工作，其主要成果体现在:

3.1.1 改进的McRuer模型以及3125个驾驶员样本库的创建

1957年D.T.McRuer和E.S.Krendel提出的驾驶员操作模型可由如下传递函数表达，即

式中Kp为人工控制环节的增益，τ为驾驶员反应时间的延迟，其它符号的含义同文献［11］。另外，式中e－τS为时间延迟环节，它是拉普拉斯算子S的超越函数，故常采用n阶多项式的Pade近似表达，即(4)

显然该模型含有 TA、TL、TN、Kp和 τ这5个驾驶员操纵行为参数。

图4 人机闭环系统示意图

图4给出了人机闭环系统示意图，这里f(t)为输入信号，在我们的研究中曾输入了两类信号［49－53］以考查系统的响应与分析系统的品质(handling qualities)，其中一种输入为单位阶跃信号，另一种输入信号为:

通常这里f(t)为实际的输入信号。图4所示的闭环传递函数为

图5给出了飞机驾驶员完成俯仰角ϑ跟踪任务的人－机闭环系统图，图中F为纵向杆力，δ为纵向操纵面偏角，Gc(S)为飞机的传递函数。显然在Gc(S)给定后，图5所示的人机操纵系统性能的好坏(或者说飞行品质)便可借助于T.P.Neal与R.E.Smith提出的Neal－Smith闭环准则以及 G.E.Cooper与 R.P.Harper提出的Cooper－Harper评分标准进行评价与量化，而这里借助于系统闭环频率响应特性曲线可以得到4个重要参数即带宽 ωBW、下沉量 Δ、谐振峰值以及补偿相位角∠φ，它们就是评价时要用的重要数据，同时也是驾驶员数据库中存放的重要数据。根据McRuer模型5个参数的取值范围，每个参数可以取5个值，这样便构成了3125个驾驶员的McRuer模型参数序列，于是借助于上述闭环频率响应特性曲线便可得到关于以及∠φ的数据库。对于非线性人机系统来讲，文献［54］给出了一种描述函数(Describing function)方法，计算实践表明它十分有效。

图5 俯仰角ϑ闭环控制示意图

3.1.2 非均匀热环境下EQT与EHT评价以及确定人体皮肤温度分布的办法

人体热舒适性的评价问题，一直是人机与环境系统领域中的热点问题［55－61］。在非均匀热环境下，通常使用的范格(P.O.Fanger)的热感觉平均预测指标(PMV)不再有效，而EQT与EHT是国际上公认的两个有效评价指标［55，56，61］。著名的EHT指标是D.P.Wyon首先提出的，为了有效的使用这一评价指标，需要较为精确的确定人体皮肤表面的温度分布。为此我们首次提出了一种新的耦合迭代方法［55］以便有效的获得人体皮肤表面温度的分布。计算中发现:在完成流场Navier－Stokes方程组与Pennes生物热方程之间的迭代求解时，只有当流场的边界条件采用Dirichlet问题，生物热方程的边界条件采用Neumann问题时上述耦合迭代计算才能收敛。大量数值计算表明采用这种耦合迭代方法简单、有效。

3.1.3 着装人体热舒适的7因素经验方程

在人体－服装－微气候所构成的系统中，热与湿传递方程之间需要耦合求解，因此如何有效的求解这个方程组一直是人们十分关注的问题，文献［61，62］给出一个恰当、合理的边界条件的提法，它使得上述方程组能够有效地解出。另外，文献［61］提出了一种基于7参数评价热舒适的SD经验方程，其表达式为

式中RSD表示SD的评价指标，Rtf与 Rvf分别为服装热阻与服装湿阻，θiv为服装内表面的湿度，B1与B2分别为人体心率与汗液蒸发率，Ts与Ti分别为人体皮肤温度与人体着装时服装内表面温度。a0，a1～a7为经验系数，文献［62］中给出了常用的具体数据。

3.1.4 人的两代可靠性评价模型以及CREAM方法

文献［63－66］曾从不同的工程背景问题研究了第一代人的可靠性评价方法并获得了一系列重要的成果，尤其是文献［65］曾对78万名机动车驾驶员的22项指标进行了全面分析，面对如此巨大的数据库，我们采用了灰色关联聚类分析计算，整理与筛选得到了8个主因子，然后分别对感知行为的、判断行为的以及动作行为的PS(即Performance Shaping Factors，简称PS)因子进行了量化，最后采用模糊评价方法对驾驶员可靠性进行评估。

尽管第一代HRA(即人的可靠性分析)方法常用的有14种之多，但由于它是以人的输出行为为着眼点，将人的处理方式类比为对机器的处理，因此第一代HRA缺少心理学的依据、缺乏对情景环境的处理，于是20世纪80年代初期第二代人的可靠性研究方法便发展起来，这类方法应该属于动态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)便是我们一直关注的方法，文献［66］首次将它成功地用于人机系统进行模糊故障树分析(Fuzzy Fault Tree Analysis，简称FFTA)，并获得了人为失误概率的相关计算数据。

3.2 机的数学模型及应用

对于“机”的研究，我们主要围绕着高超声速飞行器、航天探测器、飞机、汽车以及动力能源中普遍使用的叶轮机械方面的气动热力学问题、飞行品质评价、可靠性分析以及优化设计等相关问题展开的，取得了一系列丰硕的成果［67－70］，下面仅对其中三个方面问题略作介绍:

3.2.1 飞机纵向飞行品质的计算

令ϑ为俯仰角，F代表纵向杆力(如图5所示)，在这种情况下飞机的纵向传递函数为(8)

式中分母分别含有等效系统纵向长周期与短周期的因式，时间延迟环节中τϑ为飞机对飞行员输入信号的反应延迟;另外，ωnsp与ζsp是针对等效系统纵向短周期的模态频率与阻尼比，而ωnp与ζnp是为针对等效系统纵向长周期的模态频率与阻尼比;对于等效低阶系统，如飞机无带自动器时，则二阶纵向短周期传递函数为

文献［54］曾用(9)式作为飞机的传递函数，利用Neal－Smith闭环准则以及Cooper－Harper评分标准评价了飞机纵向飞行品质并且计算了Gap值，并且对驾驶员诱发振荡(Pilot Induced Oscillation，简称PIO)现象给出了量级的估算，这是一个十分宝贵的数据。这里应指出的是，PIO是现代飞机飞行控制中遇到的十分棘手的学术前沿问题，我们AMME Lab团队对此也进行了深入的探讨，能给出PIO的量级估计，便为飞机飞行品质的评价提供了重要的基础数据。

3.2.2 汽车性能的可拓检测模型及应用

可拓学(Extenics)是研究矛盾问题的科学，物元理论能够帮助人们分析与解决客观世界中的矛盾问题。以物元理论与可拓学中可拓分析法为基础的可拓检测技术(Extension Detection Technology，简称EDT)是20世纪90年代末期刚刚出现的新型检测方法，我们AMME Lab已经成功地将它应用到人机环境系统工程的研究中［67］。在EDT的基本原理中，物元(其中包括存在物元、期望物元、可测物元、不可测物元、目标物元、待测物元、条件检测物元以及条件物元、限制物元、对立物元、转折物元等)、物元变换、可拓集合、关联函数以及物元方程是必然要涉及的基本概念，这里仅对物元理论中不相容问题以及对立问题的解法略作说明:

令R为目的物元，r为实现它的条件物元，则它们便构成问题p，记作

令l为r所确定的限制物元，g为R关于l的对象物元，于是g与l便构成了问题p的核，记作

对于不相容问题来讲，则建立关联不等式，例如

求出关联不等式的解{(g'，l')}，这里{(g'，l')}是它的一个解集。另外(12)式中Tg与Tl为相关的变换;而后再求出满足p的特解集:

并确定转折物元，最后进行评价以确定最优解。对于对立问题，当然可以借助于物元变换将其转化为不相容问题或相容问题进行处理，这里因篇幅所限，相关的细节不再赘述。

3.2.3 基于Nash－Pareto策略的新型优化方法

对于各种“机”的设计问题，尤其是航空发动机气动设计与多学科设计优化(multidisciplinary design optimization，简称MDO)一直是人们关注的热点问题。在优化研究方面，多目标优化问题是这一领域中的难题，文献［68］巧妙的将Nash平衡理论的系统分解方法与Pareto遗传算法相结合，并针对多目标、多设计变量的优化问题提出了两种优化的新算法:一种是将多目标问题转化为单目标时，并且对目标权重的确定问题提出了新的途径;另一种是直接对多目标问题进行优化，并对Pareto遗传优化技术进行了改进，以便得到均匀分布的Pareto最优解集。大量的数值算例表明［1，68］:我们给出的新型优化方法方便、可行并大量节省了数值优化的计算时间，可用于多领域中的优化问题。

3.3 环境的数学模型及应用

我们AMME Lab在环境的研究中主要进行了内环境与外环境两个方面的研究工作，其中内环境例如车室的舱室内环境以及叶轮机械内三维流场的数值计算［68－71］。另外，还对外环境例如高超声速飞行器再入飞行过程中热环境的问题进行了数值求解［72－76］。在这方面，我们进行了大量的理论分析与数值计算工作，积累了十分丰富的宝贵实践经验与数据，取得了许多重要成果并多次获奖，但由于篇幅所限这里仅对以下4点略作说明:

3.3.1 生物安全柜复杂内环境的数值计算与流动分析

生物安全柜是广泛应用于生物实验的安全设备，对操作人员、试验样本和试验环境起着隔离与保护作用，尤其是2003年SARS暴发流行、高致病性禽流感发生和3起实验室SARS－COV感染事故发生后，使人们更加清醒的认识到生物安全柜作为一种微生物实验室的主要安全设备，对保护实验室工作人员的生命安全是非常重要的。通常，生物安全柜分为三级:Ⅰ级生物安全柜仅保护人员和环境，不保护样品;Ⅱ级生物安全柜不仅能够提供人员保护，而且还能够保护工作台面的物品以及环境不受其污染;Ⅲ级生物安全柜是一种完全封闭的、彻底不泄露的通风安全柜，可以通过连着的橡胶手套来进行安全柜内的操作。文献［77］对生物安全柜的非常复杂三维内流场进行了十分细致的数值计算与流场分析，这就为我国制定相关的标准提供了重要的理论数据。这里还需要特别说明的是:这项工作是在没有任何专项基金资助的情况下自主开展研究的，当时就凭着我们深厚的数学与力学功底，凭着坚实丰厚的流体力学计算经验，凭着一颗善良纯朴的良心，于是便组织了我们相关的研究生十分出色的完成了这项艰巨的研究工作，并且将我们所得到的许多重要的成果毫无保留的写进了相关研究生的学位论文中。显然，这对国内当时正在从事这项科学研究的人员来讲的确提供了十分难得的宝贵资料。我们认为:这种奉献精神才是人类社会应该提倡与大力发扬的。

3.3.2 叶轮机械跨声速三维复杂流场的计算

在动力、能源、与现代航空工程中，广泛使用了叶轮机械，而叶轮机械内的流场计算一直是“内环境”研究工作所关注的热点。它的研究，直接关系到现代航空发动机气动设计的基础理论，是目前航空发动机研制中的关键问题之一。在这方面，我们已完成了大量的十分出色的研究工作，2000年在国防工业出版社出版的专著《叶轮机械跨声速及亚声速流场的计算方法》一书中集中反映了这方面的成果。这里还应特别指出的是:陈乃兴先生是我国著名的工程热物理学家，他撰写的英文专著(见文献［78］)是目前国际上航空发动机气动热力学领域中最令人关注的著作之一。在文献［78］的前言中，作者向世界的读者们一共推荐了4本叶轮机械气动热力学方面的优秀书籍，其中3本都是国外著名大学的教授们写的，仅有一本是中文的，这一本就是我们2000年出版的那部专著［69］。另外，2005年我们发表的那篇论文(即文献［79］)，在2008年时也荣获第6届中国科协期刊优秀学术论文二等奖，并且是《航空动力学报》10年来唯一的一篇获奖论文。

3.3.3 高超声速飞行器再入飞行中热环境的数值求解及传热分析

近20年来，在卞荫贵教授的直接指导下，我们在高超声速进气道［80］以及高超声速飞行器的再入飞行问题［72－76］进行了大量的研究工作，计算了国外18种著名飞行器(其中包括Apollo，Orion，Mars Pathfinder，Mars Microprobe，Apollo 工程AS－202返回舱，Huygens，PAET飞行器返回舱，Stardust SRC，MESUR，Galileo，Viking，European ARD，RAM －C II，70°圆锥体行星探测器，以及空中变轨问题中著名的Ballute减速气球等)再入飞行中的气动力、气动热分布以及相应热环境问题，其中包括再入地球大气层、土卫六大气层、木星大气层以及火星大气层的飞行工况(其中飞行马赫数7～32.81左右的范围)。我们已经完成了242个飞行工况，其中231个飞行工况的数值计算结果已发表在国内外相关的学报与学术会议上，这些数据为现代飞行器的热防护设计提供了可靠的理论数据［1］。为了进一步展示我们取得的科研成果，下面着重介绍以下8种航天器的气动热与气动力计算:图6给出了Mars Pathfinder、Mars Microprobe和Viking航天器的外形，它们是再入火星的航天器，我们用三维DSMC成功的计算了前两个航天器的热流场，并用工程算法成功的预测了Viking壁面的热流分布;

图6 三种再入火星的航天器(a)Mars Pathfinder (b)Mars Microprobe (c)Viking

图7为Galileo与Huygens航天器，其中Galileo是再入木星的，Huygens是再入土卫六大气层的，我们曾分别用工程算法与Navier—Stokes方程详细的计算了这时壁面热流的分布与流场;

图8给出了Orion，ARD和Apollo飞船的外形，它们是再入地球大气层的航天器，我们曾分别用DSMC算法与Navier—Stokes方程计算了不同高度飞行时的流动问题，并且得到了相应壁面热流的分布曲线。

大量的数值计算表明:我们编制的DSMC源程序和N—S方程源程序可以完成飞行速度为5～9 km/s时的再入飞行流场计算，能够给出较为合理的壁面热流密度的分布，有关的部分计算结果已发表在文献［76，73，72］中。另外，2008 年第6期《科学中国人》杂志和2009年《中国科技成果》杂志上还专门报导了我们在气动热力学方面的研究工作［81，82］。此外，近几年我们还陆续出版了《流体力学》、《空气动力学基础》、《稀薄气体动力学计算》、《非定常气体动力学》、《工程流体力学》(上册、下册)、《高精度算法与小波多分辨分析》、《传热学》、《气体动力学》和《高超声速气动热力学》这9部国家规划教材与学术专著，它们［71，83－89，1］集中反映了我们在这方面的重要研究成果。

图7 再入木星与土卫六的航天器(a)Galileo(b)Huygens

图8 三种再入地球的航天器(a)Orion(b)ARD(c)Apollo

3.3.4 流场计算的小波奇异分析新方法

随着动力、能源以及航空、航天工业的高度发展，含激波并且有复杂涡系结构的流场大量出现，对于这样的流场计算来讲高分辨率格式、高精度格式都十分必要。然而，无论是采用高分辨率格式，还是采用高精度格式，计算时都会占用较多的CPU时间，因此如何提高计算效率便成为一个迫切要解决的难题。文献［90］首次将三维小波以及二维小波奇异性分析的思想引进三维以及二维复杂流场的数值计算，发展了一种高效率、高精度、高分辨率的新方法。这个算法的核心是获取流场中物理量在不同点上的Hölder指数α，而该指数α的获取又依赖于小波变换以及高维小波分析技术。在高维欧氏空间中，为进行小波多分辨率分析，需要在尺度空间与小波空间分别引进尺度基与小波基。另外，为了衡量小波多分辨奇异分析数值方法的计算效率，定义了压缩比μ，其定义式为

式中Ntol为计算总网格，Nreg为奇异点所在的网格数。可以看出压缩比越大，奇异点所在的网格占的比例就越小，计算效率提高的就越多，从文献［90］所给出的大量算例上来看，压缩比μ在8左右，显然这种新的算法是非常高效的。这里还需指出的是:在文献［90］所给出的大量算例中，对于流场的奇异点区域则采用5阶精度的WENO格式进行流场计算，而在流场的光滑区域则采用4阶精度的中心紧致差分格式，显然，如此高的数值计算精度，对于目前国际上使用的商用计算软件来讲，是无法完成的。另外，在Daubechies小波滤波器系数范围的计算方面［91，92］我们已经远远超过国外，例如文献［91］已经计算出N=2～30时的小波滤波器系数，而国外文献仅给出N=2～10时的结果。

3.4 人机环境系统总体性能的评价及应用

近20多年来，我们AMME Lab在系统评价方面开展了大量的研究工作，尤其是层次分析法(AHP)［11，93］、基于可拓学理论的单级评价和多级评价方法［94，95］、模糊综合评价［11，93］、灰色综合评价［11，65，96］、集对分析方法［96，97］以及模糊故障树分析法(FFTA)［66］等。在安全工程中，故障树分析方法是最常用的方法［11］，我们率先提出了基于模糊贴近度(Fuzzy Degree of Similarity)的FFTA分析法，并且成功的得到了底事件(bottom events)模糊关键重要度以及最小割集模糊重要度的排序［66］。显然，这些研究工作为故障树分析方法的改进与完善做出了重要贡献。

在人机环境系统工程的评价中，文献［98］发展了一种灰色多层次综合评价的新方法。它是建立在灰色分析基础上，利用灰色关联系数形成评价矩阵R，该矩阵是由各评价对象与最优指标的关联系数所形成。在人机环境系统中，通常可以分成人、机、环境三类，并作为第一层次的因素，而影响人、机、环境的因素作为第二层次的因素。计算时分别对两个层次进行灰色综合分析，并通过计算各方案与参考序列的关联度来确定最优方案。

今用n个指标，对m个样本(即对象)进行评价，无量纲化后便形成了如下的矩阵:

式中第i个样本数据为

令构造的最优样本为X0，其表达式为

这里ξ为分辨系数，令ωj(j=1～n)是关于指标的归一化权重，即，于是样本Xi(i=1～m)与最优样本X0之间的关联度r0i为

因此由r0i(i=1～m)便可对m个样本(即评价对象)排出优劣顺序。借助于上面的方法可以方便的得到多层次下的灰色综合评价方法。文献［98］中还在Micrisoft Visual C++的环境下，利用MFC(Microsoft Foundation Classes)编程框架完成了多层次灰色综合评价程序的编制工作，完成了多个典型算例，并验证了所编程序的可行性与正确性。

另外，在安全工程评价方面，文献［94，95］还分别提出了基于同征物元体(matter－element with the same characteristics)的概念，借助于一种新的确定可拓权重的途径去改进与发展了可拓综合评价(extensible comprehensive evaluation)方法。这种方法［94］还被收录到《中国百名专家论安全》一书中［99］，并受到同行们的高度重视。此外，王保国教授在2009年7月获“1999～2009年度全国人—机—环境系统工程研究个人突出贡献奖第2名”的殊荣。2011年11月22日在北京召开的“隆重纪念伟大科学家钱学森诞辰100周年暨人—机—环境系统工程创立30周年大会”上，作为特邀大会报告介绍了AMME Lab近年来的工作，大会授予王保国教授终身成就奖并颁发证书(本次全国大会两名获奖人之一)。王教授认为，这也是对AMME Lab的一种重大奖励!对这来之不易的成果，我们十分珍重!

4 人机环境系统工程的研究需要综合集成方法

从上面所扼要介绍的AMME Lab团队近10多年的研究进展中，我们已十分清醒地认识到;在人机环境系统工程领域的研究中，AMME Lab才刚刚往前迈出了一小步。尽管这样，这些成绩的取得也绝不是AMME Lab一个团队所为，而是依赖于其他五个团队的大力参与和支持，依赖于六个团队之间的紧密合作和协同工作。另外，我们六人在撰写本文时也感到:本文对钱学森先生所提出的综合集成方法在人机环境系统的具体实践过程写的太少。事实上，在我们六个团队中，黄伟光团队在IGCC项目的研究与实践中、谭春青和陈海生团队在大规模超临界压缩空气储能技术的研究与实践中以及徐燕骥团队在高性能高转速机电控制关键技术的研究与实践中都采用了钱学森先生提出的“从定性到定量”的综合集成方法，对此我们将专门写文章详细报道这些实践的全过程。毫无疑问，人们在进行现代科学技术的结构研究时，需要钱学森的科学思想［100］和他的总体框架［101］。另外，在进行复杂系统和开放的复杂巨系统的研究时需要钱老的综合集成方法［102－107］。人机环境系统仅仅是系统科学中研究的一种系统，一种含有人这个要素的特殊新系统［108，109］。因此，在进行人机环境系统领域中的许多复杂系统、开放的复杂巨系统以及特殊复杂巨系统(例如社会系统)的研究与实践时，也同样离不开这个高度智能化的方法——综合集成方法。

这里还应指出的是，从定性到定量的综合集成方法并不是一门具体技术，它应该属于一种研究问题的思想，一种指导分析复杂巨系统问题的总体规划、分步实施的方法与策略。这种思想、方法和策略的实现是通过以下几种技术的综合运用，即定性定量相结合、专家研讨、综合集成、决策支持技术以及分布式交互网络技术等。这几种技术的每一种只能从某一个侧面去解决复杂巨系统的问题，而它们的综合运用才是研究复杂巨系统问题的有效途径之一。这里所谓“从定性到定量”就是把专家的定性知识与模型的定量描述有机地结合起来，去实现定性知识与定量变量之间的相互转化。对于复杂巨系统问题，需要把各种分析方法、工具、模型、信息、经验和知识综合集成，构造出适合于该问题的决策支持环境，以利于对复杂问题的解决。所谓“综合集成”是指集成系统的各种资源使之在决策中发挥作用。所谓“研讨”是指参与分析问题人员的群体协同工作，充分利用定性定量模型和数据库等工具，实现分析人员的知识同计算机系统的数据、模型和知识的不断交互，即实现人机有机结合的过程。最后还应强调的是，开放的复杂巨系统是我国科研人员为研究由人组成的最复杂系统演化问题而提出的一类模型系统。在此系统中包含子系统人，而人的演化机制至今还未弄清楚。显然，研究由大量演化机制还不清楚的那些子系统所构建的系统及其性质便感到非常困难。钱学森先生正是面对这一现实情况在1981年提出了创建人机环境系统工程学科，并在1990年左右提出了“从定性到定量的综合集成方法”。在结束本文讨论之前还有一点应指出，复杂性(complexity)的研究已成为世界学术界关注的热点问题之一，复杂性科学被公认为21世纪的科学，也被视作系统科学的前沿科学。早在20世纪80年代中期开始，M.Gellmann先生率领的SFI(Santa Fe Institute，中文译作圣塔菲研究所)便对复杂性科学进行了一系列研究，并取得一系列重要成果。另外，国外对于人体科学、脑科学、认知神经科学、意识神经科学、工程心理学等都十分重视。以认知神经科学为例，20世纪70年代诞生的认知神经科学是认知科学与神经科学的交叉学科，它是由杰出神经科学家M.S.Gazzaniga和认知心理学家 Miller命名的［110］。事实上，在这一领域的许多科研成果已用于人机环境系统中对人的工效、脑力工作负荷、作业安全的评价与分析。例如脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、脑电的 β波、α波、θ波和 δ波、肌电(EMG)、皮电反应(GSR)、心电(EKG/ECG)、胃肠电(EGG)、眼电(EOG)、心率(HR)、心率变异性(HRV)、失匹配负波(MMN)、事件相关电位(ERP)、事件相关脑波振荡(EROs，英文全称为event－related oscillations)以及皮肤温度(TEMP)、脉搏(FPE/EPE)、眼睑动作、嘴唇动作等参数作为分析人机环境系统工程问题中脑力工作负荷、人机交互中认知负荷变化、人驾驶疲劳特征、人的行为的评价数据等。国外航空事故的调查报告指出:60%～90%的航空飞行事故都发生在飞行员脑力负荷强度大、应激水平高的飞行任务中［111］。国外已将心率、心率变异性、皮电、眨眼次数(Eye Blink numbers)、脑电、心电、眼动、呼吸性窦性心律不齐功率(RSA)等成功地用于飞行员的脑力负荷研究与飞行驾驶安全的分析［112－114］，EEG、ECG和EOG已成为人机环境系统工程中对人的工效分析、行为分析的重要数据。另外，以人机交互界面为例，进入21世纪后，人们已经能够用眼睛控制的“眼标”以及直接用大脑思维控制的“脑标”去操纵图形界面。例如Eye—Typer300系统便是一个由眼睛—视觉—控制的键盘系统，当人在LED上注视了一段时间后，就能输入信息，这种系统可以设计成用来操纵一些控制系统，如电视机、打印机和其他电器。对于现代人机环境系统的实验室平台来讲，除了应具有采集与测量微气候、物理环境的基本数据(例如环境气压、温度、湿度、噪音、振动、有机挥发物、气流流动、光照、粉尘、屏幕/环境亮度对比以及GPS定位等)、人的生物力学数据(例如人肢体的受力力度、角度、扭矩、三个方向上运动加速度、倾角和方向等)和人的生理数据(例如表面肌电、心率、皮电、皮温、呼吸、心电、血氧、血容量搏动等)以及传统的人体建模、实时进行动作的捕捉、数据分析、力学评估(例如JACK人体仿真及建模系统，进行人机工效分析、完成产品的容纳度、可达性以及虚拟现实设计;再如FAB(Functional Assessment of Biomechanics)系统，可对人体开展无线传感、实时进行动作捕捉、数据分析及力学评估)的系统与设备之外，近10余年来科研人员对人的眼动数据(例如眼睑动作、嘴唇动作、首次注视点、注视时间、注视顺序、眨眼频率、瞳孔直径的变化等)以及眼动追踪系统、对EEG/ERP脑事件相关电位系统以及脑科学研究都格外重视［115，116］。EEG/ERP 脑事件相关电位系统通过测量脑电信号，统计分析获取脑电的β波、α波、θ波和δ波，获得多个频段的功率、波峰频率以及峰值功率值，可以从中提取出与脑认知事件相关的不同特征曲线，揭示大脑信息处理的过程和认知状态，可用于飞行员、驾驶员的注意力、事件辨别能力、心理负荷等方面的评价与分析，也可用于工程心理学和刑事案件的分析与侦破。此外，连续小波变换等时频分析方法［85］已经成为考察EROS的有效方法。近十年来的实验研究已初步证实:脑波振荡这样的场电位可能直接参与了神经信息的加工过程，并且已经发现在心理过程中大脑不同区域活动的协调，利用了脑波这样的场电位。显然，上述这些研究对揭示人大脑的工作原理十分有益。这里还应说明一下脑磁图(MEG)为癫痫、脑肿瘤、脑血管畸形、帕金森氏症等病的术前定位所起到的关键作用。据官方统计，我国有800万人患有癫痫病。癫痫病人外科手术成功的关键是解决如下两个问题:一是给癫痫病灶精确定位，从而准确切除病灶;二是给病灶周围的重要功能区如感觉、运动、语音、记忆等部位精确定位，从而避免和减少这些功能区的组织损伤。MEG是目前能同时解决这两个问题的最精确的方法，其定位误差不超过2 mm。它还能够将捕获的脑功能信号重合在CT或者核磁共振图上，形成清晰直观的定位影像图，分辨出原发病灶和继发病症，从而提高手术治疗的成功率。作为人机环境系统工程的未来发展，文献［12］的第8章即“人机环境安全工程的新发展”中分6小节分别从①数字化人机环境安全工程、②信息化人机环境安全工程、③虚拟场景下人机环境安全工程、④智能化人机环境安全工程、⑤新形势下人机界面技术的新发展、⑥清洁生产、循环经济以及健康环境生态系统的构建这六大方面展望了人机环境安全系统工程发展的美好前景。这使我们更加深刻地体会到钱学森先生早在1981年提出创建人机环境系统工程学科的深远意义，并且也越来越显示出钱学森先生的现代科学技术思想与系统科学思想方法的重要性和前瞻性。在人机环境系统工程的广义人机界面脑力负荷评价中，如果将国外20世纪90年代以来发展起来的脑科学以及认知神经科学和ERP技术用到钱学森先生提出的综合集成方法中去，那么这样形成的新型评价与优化工具一定会对广义人机界面脑力负荷问题的评价和界面优化问题的解决，起到更加有效的关键作用。我们深信，钱学森的系统科学思想一定会在未来人机环境系统工程中发挥越来越大的指导作用。最后还应说明的是，近年来美、俄等国正着眼于全球战略和本国安全利益的考虑，大力加强对高超声速无人机的研制，各国已基本锁定把无人机加装先进的“智慧脑”作为无人机未来发展的一种必然选择。以下分5点对未来无人机的设计理念与目标作如下概述:①高隐身性:与现有的第五代战斗机的隐身设计理念完全不同，新型无人机的设计理念是要通过提高速度来达到隐身目的。以美国洛克希德·马丁公司SR—72高超声速无人机为例，其巡航速已达到马赫数6，它使对方根本来不及躲避，它使得目前世界各国的防空体系都无能为力，它完全可以在一小时内达到全球任何地点执行作战任务。由于无人机没有驾驶舱，体型较小，再加之各种隐身技术的运用，因此无人机的隐身性能非常高，以2011年2月美国亮相的X—47B无人机为例，在隐身性能方面它已超过了F—117、B—2、F—22和F—35等飞机。②高超声速巡航:这已作为第六代战斗机和新型无人机的设计目标。X—43无人机曾在太平洋上空飞行时创造了接近10倍声速的飞行纪录;另外，X—51A无人机目前美国仍在改进和试验中，它在临近空间(Near Space，指距地面20～100 km的空域)和大气层内飞行所具备的这种飞行速度优势对打击“时敏目标”更有信心。③高超的机动性:这已是现代无人机设计的重要指标。所谓高超机动性，主要是指飞机在高速飞行状态下，机动动作的灵活性和敏捷性。以SR－72无人机为例，它采用涡喷发动机与超燃冲压发动机的组合循环推进系统，其巡航速度可达到马赫数6，这已是当今最先进的一种推进技术。在机体结构和空气动力方面，它巧妙地使用了涡升力，有助于实现低速飞行。④高防护能力:这已是现代无人机目前正在关注的指标。2011年12月4日伊朗新闻媒体宣称，美军RQ—170隐身“哨兵”无人机被伊朗陆军电子战部队成功俘获。据事后一位伊朗工程师透露，这是用电子对抗软杀伤“打”下来的，他们通过干扰无人机的通讯后，在无人机切换到GPS自动归航时伪造GPS信号，把无人机骗了下来。RQ—170无人机的被俘获暴露了无人机的防护问题存在着明显的软肋，对此美国立即采取了加强无人机防御能力的措施。⑤高智能作战能力—也是现代无人机高度关注的设计目标。所谓高智能化就是要求无人机不仅能够按照指令或者预先编制的程序来完成既定的作战任务，而且对已知的威胁目标能做出及时和自主反应，还能对随时出现的突发事件做出及时反应。因此给无人机加装先进的“智慧脑”已经成为一种必然的选择。装上这种“智慧脑”，便使无人机能够具有较高程度的自动准确判断力、自动分析处理能力以及自动准确地控制能力，这种新型的“智慧脑”—机系统便构成了新形式下的“人”—机系统。在未来的战场上，或许会出现以无人战斗机、无人轰炸机、无人电子战飞机和无人预警机等构成的无人作战体系，如果这种场景出现，那么加装了聪明“智慧脑”的无人飞机会在空战中显示出更大的优势和作战能力。毫无疑问，对复杂的人机环境系统工程，尤其是复杂系统、开放的复杂巨系统以及社会系统问题，只有将整体论与还原论密切结合起来，将现代最前沿的脑科学和认知神经科学用于对“人”的行为与认知研究，全面地研究“人”的数学模型，将现代各类“机”与“环境”的先进分析与计算工具(例如三维流场计算程序、三维结构设计程序、三维传热学分析与强度设计计算程序、生态系统和环境系统分析、计算以及评价程序等)密切结合起来，真正充分地发展多学科的优化策略，在钱学森综合集成方法的大框架下实现人机环境系统工程问题的分析、评价与优化设计，才能彻底解决人机环境系统工程中的各类问题。

［1］ 王保国，黄伟光.高超声速气动热力学［M］.北京:科学出版社，2014.

［2］ 王保国，王伟，张伟，徐燕骥.人机系统方法学［M］.北京:清华大学出版社，2014.

［3］ 钱学森.论系统工程［M］.长沙:湖南科学技术出版社，1982.

［4］ 钱学森.现代科学的结构——再论科学技术体系学［J］.哲学研究，1982，(3):19 －22

［5］ 北京大学现代科学与哲学研究中心.钱学森与现代科学技术［M］.北京:人民出版社，2001.

［6］ 苗东升.钱学森哲学思想研究.［M］.北京:科学出版社，2012.

［7］ L.von Bertalanffy.General Systems Theory［M］.New York:George Braziller，1968.

［8］ 钱学森.创建系统学［M］.太原:山西科学技术出版社，2001.

［9］ 王伟.钱学森系统学的哲学基础［C］.第12届人—机—环境系统工程大会论文集.纽约:美国科研出版社，2012:315－320.

［10］ 钱学森，于景元，戴汝为.一个科学新领域——开放复杂巨系统及其方法论［J］.自然杂志，1990，13(1):3－10.

［11］ 王保国，王新泉，刘淑艳，霍然.安全人机工程学［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［12］ 王保国，黄伟光，王凯全，张力，张驎.人机环境安全工程原理［M］.北京:中国石化出版社，2014.

［13］ 于景元，涂元季.从定性到定量的综合集成方法［J］.系统工程理论与实践，2002，22(5):1－7.

［14］ Shu G F(舒光复).Reconstructability Analysis for Systems Related with Multivariety Information and Knowledge［C］.In Systems Science and its Applications(Proceedings of the 3rd Workshop of the International Institute for General Systems Studies)，Qinhuandao，July 26－28，1998，P69－74.

［15］ Shu G F(舒光复)，Gu J F(顾基发).Metasynthetic Methods for Macroeconomic and Social Development Studies［C］.In Gu J F(顾基发)ed.Proceedings of the 3rd International Conference on Systems Science and Systems Engineering，Beijing:Scientific and Technical Documents Publishing House，1998，P508－513.

［16］ 王铁崖.国际法［M］.北京:法律出版社，1995.

［17］ 王伟.大气环境与宇宙科学中的几个法律问题［C］.第12届人—机—环境系统工程大会论文集.纽约:美国科研出版社，2012:308－314.

［18］ 陈信，袁修干.人—机—环境系统工程总论［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1996.

［19］ 陈毅然.人机工程学［M］.北京:航空工业出版社，1990.

［20］ 迪隆B S.人的可靠性［M］.牟致忠，谢秀玲，吴福邦译.上海:上海科学技术出版社，1990.

［21］ 奥博尼D J.人类工效学及其应用［M］.岳从风译.北京:科学普及出版社，1988.

［22］ 钱学森.论人体科学［M］.北京:人民军医出版社，1988.

［23］ 封根泉.人体工程学［M］.兰州:甘肃人民出版社，1980.

［24］ 赖维铁.人机工程学［M］.武汉:华中工学院出版社，1983.

［25］ 林赛P H，诺曼D A.人的信息加工［M］.北京:科学出版社，1987.

［26］ 浅居喜代治.现代人机工程学概论［M］.北京:科学出版社，1992.

［27］ 梁宝林，陆印成，龙升照.人—机—环境系统工程学［M］.北京:科学普及出版社，1987.

［28］ 龙升照，黄端生，陈道木，曾固.人—机—环境系统工程理论及其应用基础［M］.北京:科学出版社，2004.

［29］ 曹琦，武振业，刘东明，等.人机工程设计［M］.峨眉:西南交通大学出版社，1988.

［30］ 朱祖祥.人类工效学［M］.杭州:浙江教育出版社，1994.

［31］ 朱祖祥.工程心理学［M］.上海:华东师范大学出版社，1990.

［32］ 曹琦，周一鸣，丁玉兰.人机工程［M］.成都:四川科学技术出版社，1991.

［33］ 周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学［M］.北京:北京理工大学出版社，1999.

［34］ 丁玉兰，郭钢，赵江洪.人机工程学［M］.北京:北京理工大学出版社，1991.

［35］ 袁修干，庄达民.人机工程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

［36］ 王恒毅.工效学［M］.北京:机械工业出版社，1994.

［37］ 欧阳文昭.安全人机工程学［M］.武汉:中国地质大学出版社，1991.

［38］ 龙升照.人—机—环境系统工程研究进展(第7卷)［M］.北京:海洋出版社，2005.

［39］ 张力，廖可兵.安全人机工程学［M］.北京:中国劳动社会保障出版社，2007.

［40］ 张驎.管理学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006.

［41］ 王伟.加强知识产权战略管理和实施中的制度建设—关于知识产权滥用的法律规制制度［J］.华北科技学院学报，2014，11(9).

［42］ 王伟.从国际环境问题看软法与硬法的作用［J］.青岛理工大学学报，2012，33(5):70 －72.

［43］ 陈海生，徐玉杰，谭春青，等.压缩空气储能技术原理［J］.储能科学与技术，2013，12(2):146 －151.

［44］ 谭春青，陈海生，蔡睿贤，等.一种典型透平静叶型叶片正弯曲作用的实验研究［J］.工程热物理学报，2011，22(3):294－297.

［45］ 谭春青，王仲奇，韩万今.在大转角透平叶栅中叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响［J］.工程热物理学报，1994，15(2):141－146.

［46］ 王新泉.通风工程学［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［47］ 王新泉，田长青，蒋玉娥.暖通计算机应用程序设计［M］.成都:西南交通大学出版社，1996.

［48］ 王新泉，刘辉，王冰.隧道施工运输系统过程安全评价的研究［J］.中原工学院学报，2004(6):6－10.

［49］ Wang Baoguo，Wang Xinquan，Liu Shuyan.Effect of McRuer Pilot Parameters Change on Performance and Quality of Man－Machine System［C］.Proceedings 17th World Congress on Ergonomics，International Ergonomics Association(IEA)2009.171－179.

［50］ 安二，王保国.基于小波神经网络的人机闭环系统数学模型与飞行品质预测［C］.第11届人—机—环境系统工程大会论文集，2011.

［51］ 顾翠，王保国.小波神经网络在飞行员/航天员控制数学模型建模中的应用［C］.第9届人—机—环境系统工程大会论文集，2009:76－80.

［52］ 王慧，王保国，刘淑艳.基于汽车行驶安全智能驾驶模型的研究［C］.第8届人—机—环境系统工程大会论文集，电子工业出版社，2007，pp326－331

［53］ 尹哲.基于WNN的飞行员人机系统评价与程序实现［D］.北京理工大学学位论文，2010.

［54］ 王保国，钱耕.描述函数法及其在非线性人机系统中的应用［J］.人类工效学，2009，15(2):35－39.

［55］ Wang Baoguo，Liu Shuyan，Lin Huan.Two Methods of Evaluating Human Thermal Comfort Based on Non－uniform Environment［J］.International Journal of Man－Machine－Environment System Engineering，2007，1(2):99－111.

［56］ Wang Baoguo，Liu Shuyan，Jin Yanmei.Simulation and A-nalysis of Human Thermal Comfort［J］.International Journal of Man－Machine－Environment System Engineering，2007，1(1):39－48.

［57］ 王保国，靳艳梅，张雅.车室内热安全及人体热舒适性的研究与计算［M］.安全科学理论与实践，北京理工大学出版社，2005，PP 6 －11

［58］ 王保国，靳艳梅，刘淑艳.车室内热环境的计算模型与数值模拟［J］.人类工效学，2005，11(1):1－4

［59］ 靳艳梅，王保国，刘淑艳.车室内人体热舒适性的计算模型［J］.人类工效学，2005，11(2):16－19

［60］ 刘淑艳，王保国，林欢.非均匀热环境下人体热舒适的计算与边界条件［J］.北京理工大学学报，2010，30(1):14－18

［61］ Wang Baoguo，Huang Weiguang，Wang Kaiquan.Evaluation Method of thermal Comfort in Human－Environment System during No Clothing and Clothing Conditions［C］.Proceedings 17th World Congress on Ergonomics，International Ergonomics Association(IEA)2009:79－88.

［62］ 林欢，王保国.着装人体热舒适问题的一种热感觉综合评价方法［C］.第9届人—机—环境系统工程大会论文集，2009:213－216

［63］ Wang Baoguo，Liu Shuyan，Zhao Jinlong.Analysis and Calculation on Driver Reliability Based on Grey Incidence Clustering and Fuzzy Evaluation［J］.International Journal of Man － Machine－Environment System Engineering，2007，1(1):13－21.

［64］ 王保国，王宇.影响车辆人—机环境系统可靠性的主要因素分析［C］.人—机—环境系统工程研究进展.2005:308－312.

［65］ 王保国，刘淑艳，姜黎黎.交通安全中驾驶员可靠性的灰色关联聚类分析计算［C］.第8届人—机—环境系统工程大会论文集，2007:84－91.

［66］ 刘钦文.基于模糊故障树的人机系统可靠性评价及编程实现［D］.北京理工大学学位论文，2010

［67］ 常会叶，刘淑艳，王保国.可拓检测技术在人车路与环境系统中的应用研究［C］.第8届人—机—环境系统工程大会论文集，2007:319－325

［68］ 王保国，刘淑艳，李翔.基于Nash－Pareto策略的两种改进算法及应用［J］.航空动力学报，2008，23(2):374－382.

［69］ 王保国，黄虹宾.叶轮机械跨声速及亚声速流场的计算方法［M］.北京:国防工业出版社，2000.

［70］ 王保国，吴俊宏，刘淑艳.流场特性预测的两类高效方法［J］.航空动力学报，2010，25(8):1763 －1767.

［71］ 王保国，刘淑艳，黄伟光.气体动力学［M］.北京:北京理工大学/北京航空航天大学/西北工业大学/哈尔滨工业大学/哈尔滨工程大学联合出版社，2005.

［72］ 王保国，黄伟光，钱耕.再入飞行中 DSMC与 Navier－Stokes两种模型的计算与分析［J］.航空动力学报，2011，26(5).

［73］ 王保国，李翔，黄伟光.激波后高温高速流场中的传热特性研究［J］.航空动力学报，2010，25(5):963－980.

［74］ 王保国，李学东，刘淑艳.高温高速稀薄流的DSMC算法与流场传热分析［J］.航空动力学报，2010，25(6):1203－1220.

［75］ 王保国，孙业萍，钱耕.两类典型高超声速飞行器壁面热流的工程算法［C］.第10届人—机—环境系统工程大会论文集，2010:299－305.

［76］ 王保国，李耀华，钱耕.四种飞行器绕流的三维DSMC计算与传热分析［J］.航空动力学报，2011，26(1):1－20.

［77］ 袁兴莲，王保国.影响生物安全柜安全性的主要因素分析［C］.第9届人—机—环境系统工程大会论文集，2009:221－224.

［78］ N.X.Chen.Aerothermodynamics of Turbomachinery:Analysis and Design［M］.Singapore:John Wiley＆ Sons，2010.

［79］ 王保国，刘淑艳，张雅.双时间步长加权ENO—强紧致高分辨率格式及在叶轮机械非定常流动中的应用［J］.航空动力学报，2005，20(4):534 －539.

［80］ 王保国，卞荫贵.超声速和高超声速进气道的数值模拟［J］. 力学进展，1992，，22(3):318 －323.

［81］ 孙继文，刘之灵.博学笃志、锐意进取:著名气动热力学专家王保国教授［J］. 科学中国人，2008，(6):86－90.

［82］ 林瑞青.精勤不倦、求真拓新:记我国著名气动热力学专家王保国教授［J］. 中国科技成果，2009，10(20):78～79.

［83］ 王保国，刘淑艳，王新泉，刘英学.流体力学［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［84］ 王保国，刘淑艳，刘艳明，于勇.空气动力学基础［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［85］ 王保国，朱俊强.高精度算法与小波多分辨分析［M］.北京:国防工业出版社，2013.

［86］ 王保国，刘淑艳.稀薄气体动力学计算［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2013.

［87］ 王保国，高歌，黄伟光，徐燕骥，闫文辉.非定常气动动力学［M］.北京:北京理工大学出版社，2014.

［88］ 王保国，蒋洪德，马晖扬，司鹄.工程流体力学［M］.(上、下册).北京:科学出版社，2011.

［89］ 王保国，刘淑艳，王新泉.传热学［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［90］ 王保国，吴俊宏，朱俊强.基于小波奇异分析的流场计算方法及应用［J］.航空动力学报，2010，25(12):2728－2747.

［91］ Wang Baoguo，Wu Junhong.Construction of Daubechies Wavelet and its Application in Shock Capturing［R］.GyeongJu:9th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows(ISAIF)，2009－3D－1，2009.

［92］ Wu Junhong，Wang Baoguo.a New Numerical Method based on Wavelet Detection and its Application［R］.GyeongJu:9th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows(ISAIF)，2009－2D－3，2009.

［93］ 王于琳.人—机—环系统中AHP与Fuzzy方法的比较与应用［D］.北京理工大学学位论文，2010.

［94］ 王保国.一个改进的可拓评价单级方法及其应用［C］.第9届人—机—环境系统工程大会论文集，2009:254－259.

［95］ 刘淑艳，王保国，吴俊宏.可拓多级评价与灰色综合评价间的比较及应用［C］.第9届人—机—环境系统工程大会论文集，2009:260－265.

［96］ 孙艳.人机系统中灰色分析与集对分析方法的比较及编程［D］.北京理工大学学位论文，2010.

［97］ 张玥.车内空气品质的评价及改进措施［D］.北京理工大学学位论文，2008.

［98］ 王保国，林欢，安二.灰色多层次综合评价方法及其应用［C］.第11届人—机—环境系统工程大会论文集，2011.

［99］ 王保国.一个改进的可拓评价方法及其应用［C］.中国百名专家论安全.北京:煤炭工业出版社，2008:483－491.

［100］ 钱学敏.钱学森科学思想研究(第2版)［M］.西安:西安交通大学出版社，2010.

［101］ 赵少奎.现代科学技术体系总体框架的探索［M］.北京:科学出版社，2011.

［102］ 许国志.系统研究—祝贺钱学森同志85岁诞辰论文集［M］.杭州:浙江教育出版社，1996.

［103］ 顾基发，王浣尘，唐锡晋.综合集成系统专辑［J］.系统工程学报，2001，16(5):321 －410.

［104］ 顾基发，唐锡晋.综合集成系统建模［J］.复杂系统与复杂性科学，2004，1(2):32 －42.

［105］ 戴汝为，王珏，田捷.智能系统的综合集成［M］.杭州:浙江科学技术出版社，1995.

［106］ 于景元，涂元季.从定性到定量的综合集成方法—案例研究［M］.上海:上海交通大学出版社，2003.

［107］ 顾基发，唐锡晋.综合集成方法的理论及应用［J］.系统辩证法学报，2005，13(4):1 －7.

［108］ 陈信，龙升照.人—机—环境系统工程学概论［J］.自然杂志，1985，8(1).

［109］ Chen Xin，Long Shengzhao.Application of Man—Machine—Environment System Engineering Theory to Aerospace Reseach［C］.In:The 32nd International Congress of Aviation and Space Medicine，1985.

［110］ Gazzaniga M S，Ivry R B，Mangun G R.认知神经科学:关于心智的生物学［M］.北京:中国轻工业出版社，2011.

［111］ Hollands J G，Wickens C D.Engineering Psychology and Human Performance［M］.New Jersey:Prentice Hall，1999.

［112］ Wilson G F.An Analysis of Mental Workload in Pilots During Flight Using Multiple Psychophysiological Measures［J］.The International Journal of Aviation Psychology，2002，12(1):3－18.

［113］ Wilson G F.Psychophysiological Test Methods and Procedures［J］.Handbook of Human Factors Testing and Evaluation，2002:127－156.

［114］ Noel J B，Bauer K W，Lanning J W.Improving Pilot Mental Workload Classification Through Feature Exploitation and Combination:a Feasibility Study［J］.Computers ＆ Operations Research，2005，32(10):2713 －2730.

［115］ 魏景汉，罗跃嘉.事件相关电位原理与技术［M］.北京:科学出版社，2010.

［116］ Miller M W，Rietschel J C，McDonald C G，et al.A Novel Approach to the Physiological Measurement of Mental Workload［J］.International Journal of Psychophysilogy，2011，80(1):75－78.