人因工程：人类之光将未来照进现实
人因工程：人类之光将未来照进现实
第七届人因工程高峰论坛在上海举行。
航天员站在高高的机械臂上往下看，宇宙的绚烂与深邃皆在脚底。舱外，蓝色的地球盈盈欲滴，缓缓转动，带着人类百万年波澜壮阔的征战、牧歌，欢愉与悲戚。
但，这只是地球人的浪漫想象。
“进驻前，空间站就像一个没装修好的房子，需要航天员安装水管理系统、建立WiFi，完成上千个货包的拆解等。通过一周加班加点的工作，我们完成了53个项目，将核心舱从无人状态变为适合工作、生活的状态。”航天员聂海胜在第七届人因工程高峰论坛上讲述了他和刘伯明、汤洪波执行神舟12号载人航天飞行任务的过程，揭示了“人”在载人航天“万里长征”中的重要性。“可以说，几乎所有空间站内与航天员有交互界面的设计、舱外的产品研制和任务设计，都是人因工程保障的结果”。
3位宇航员几乎被埋在漂浮的箱包里，首先要拆箱、整理，让一切归位。
聂海胜用自己在空间站的经历，告诉大家：什么是人因工程？人与机器、环境的关系是怎样的？
机器是人发明的，但不能替代人。人要探索更高更深更远，又离不开机器。聂海胜等3位航天员是通过神舟十二号飞船，由长征二号F火箭发射升空的，经过交会对接，进入中国空间站的核心舱，在那里工作生活3个月。舱外活动任务中，他们穿上一个小型航天器——舱外服，登上高耸的机械臂。面对太空的恶劣环境，航天员要和一系列机器协同工作才能生存和完成任务。
载人航天任务本身就是一次巨大的人因工程试验，正如论坛名誉主席、中国工程院院士、中国载人航天工程总设计师周建平所说，载人航天工程的设计师们对人因工程也经历了一段认识的升华过程。“在载人航天之前，航天工程实际上是无人飞行，靠自动化或遥控运行。当人进入这个环路，我们开始深入探讨如何发挥人的作用。”
航天员和飞船、空间站、机械臂协同工作，形成了特殊环境、特殊任务、特殊装备和特殊人员的复杂人机系统。人因工程是近年来随着科技进步与工业化水平提升而迅猛发展的一门综合性交叉学科，在大国重器中起着举足轻重的作用。
但让人意想不到的是，点开手机上的购物软件，五花八门的商品链接就会“猜你喜欢”；在每个室内公共场所，抬头就能清晰地看见“安全出口”的标识；智能手表能够准确地测量出佩戴者的体温和心率等信息……这些让生活更智能舒适、让工作更便捷高效的设计也都有人因工程的支撑。
“关注人因就是关注我们人类的未来，关注未来我们每个人各自的生活和工作状态。”国际宇航科学院院士、中国载人航天工程副总设计师陈善广在峰会的开幕式上说。
第七届中国人因工程高峰论坛近日举办，18位两院院士、两位英雄航天员聂海胜和刘旺以及人因工程领域专家学者、设计创新领域专家、相关科研院所及企事业单位代表约1200余人齐聚上海，共话人因工程学科交叉融合发展成果、描绘人类未来美好图景。
人因设计为航天员营造太空“家”
“大家看到航天员在空间站直播中展示的风采和能力，其实是我们不断深化认识，重视人因工程，对人进行训练的结果。”周建平表示，中国载人航天工程发展至今，设计师们从被动适应到主动参与人因工程试验，从早期把人送入太空并安全带回，到后来不断推进发挥人的作用。
草蛇灰线，伏脉千里。当摄影爱好者仰望星空，用高倍镜头捕捉一闪而逝的太空舱时；当亿万观众看着火箭发射和返回舱回收，欢呼和尖叫时；当舱外的固定镜头捕捉到航天员成功出舱，站上机械臂时，可能很少有人想到坐在指挥大厅里，注视大屏幕的人中，有一群人因工程科学家，在关注这些设计的机器，是否符合航天员作为人的行为习惯，是否能确保航天员安全，是否能帮助航天员高效地工作。
目前中国载人航天已完成11次出舱活动任务，“这是人因设计保障的结果”。聂海胜介绍，出舱活动对航天员的能力要求很高，因此人因设计必须与航天员相匹配。在操作舱门时，受舱外服的约束，再加上失重的影响，身体的活动范围小、稳定性差，特别是在漂浮状态，作业能力更是受限。
为此，中国空间站出舱活动任务工作组专家需要充分考虑各种因素，通过悬吊、水下试验以及在轨试验对空间机械臂进行设计和充分验证。来自航天五院总体设计部的90后朱超是负责航天员出舱任务机械臂系统总体工作的设计师。
“在整个任务机械臂操控系统设计之初，只用了二维信息，难以满足航天员操控机械臂的要求，可能会产生失误，所以我们引入了三维数字孪生系统。”朱超进一步解释道，仅通过二维图像和参数信息，航天员无法建立起立体的认知，就无法在操作过程中清楚了解机械臂的位置，可能会引起机械臂与舱体，航天员与舱体的碰撞。有了数字孪生系统的加持，就能起到很好的辅助作用。
除了顶尖的技术支持，任务的成功还要仰仗航天员在地面和太空的千百次训练和试验。“航天员可以通过舱内软件按照1∶1比例还原数字机械臂的运动将任务的整个流程走一遍；还会在舱内对舱外的物理机械臂进行操作，这样可以让宇航员更直观地感受操作机械臂过程。”朱超说。
随着航天员不断刷新在太空驻留的时间，为航天员在太空营造一个舒适宜居的环境就显得越来越重要。这些围绕“人”进行的千百次探讨和打磨，奠定了中国载人航天事业的成功，为未来探索月球、火星奠定了基础。
人因安全研究防患于未然
“现代科技发展日新月异，请问，人类的安全感更强了吗？”
陈善广向与会的科技工作者发出了灵魂之问。
他认为恰恰相反。“安全问题频发在诸多领域，仔细思考的话，很多问题都具有重复性，因为我们预测不了，预防不了。”
他给出一个数据——70%以上的安全事故都与人的因素相关。切尔诺贝利核事故、福岛核电事故，还有2017年美国海军在南海、东海横冲直撞，造成5次事故，十几位官兵丧身；2018年、2019年波音737MAX8两次失事，造成300个平民遇难……这些冰冷残忍的数据指出了人因安全的必要性。
“人因安全问题造成重大灾难事故，本质上说是在系统运行阶段人和机发生了冲突，从这个角度弄清楚人身上发生了什么、为什么会发生这种错误，并能够监测和预测，就能有效预防事故的发生。”陈善广指出。
在上海交通大学计算机科学与工程系长聘教授吕宝粮看来，人因安全因素主要包括情绪和疲劳。极端情绪和身体疲劳都极其引起人为因素的重大事故。2020年7月7日，贵州省安顺市一辆公交车途经虹山湖大坝中段时，冲破石护栏坠入湖中，造成21人死亡。经公安局通报，公交车司机因产生厌世情绪，主观造成事故。
“为了避免类似惨剧的发生，我们团队开发了从传感器、集成电路到算法的一套信息和工程学系统。”吕宝粮介绍说，通过在受试者的前额和头部接入脑机接口设备并佩戴眼动仪，就可以识别检测其脑电、眼电和眼动信号，从而检测驾驶员的疲劳程度，并且对情绪进行预警。
未来，这种脑机接口式的人因工程设计也将惠及医学，辅助医生对抑郁症等患者进行诊断与治疗。
在论坛现场，很多专家学者驻足一个展台前——展台上的3顶帽子，分别是高密度脑电系统、便携式脑电系统和近红外系统。“通过脑机接口仪器检测到的脑电数据可以实时传输到程序里，再和硬件连接，这样就可以实现闭环的远程控制。”赢富仪器公司销售工程师来涛涛说。
此外，利用数字人体建模搭载虚拟现实技术等，根据对人体关节、视野可达范围、空间干涉等数据的采集分析，可以进一步提升驾驶的舒适度和安全性。
人因4.0提升青年幸福感
有的人边走路边看手机，过一会儿就会感到头晕目眩；有的人戴上虚拟现实（VR）眼镜跟着里面的画面移动时，也有恶心反胃的感觉。这都是视觉诱导晕动症的表现，而这些也是经常出现在年轻人日常生活里的场景。
北京邮电大学数字媒体技术专业的研三学生蔡晨阳就是晕动症“患者”之一。为了解决这个困扰，考虑到操作的便捷度和用户的体验感，她使用结合眼动仪的VR眼镜进行眼动数据采集，来分析佩戴者运动时是否会出现晕动症以及症状和程度。
“我们在使用VR时，舒适度是非常重要的，如果产生了晕动症的症状，体验感是很不好的，而且也会影响你在虚拟现实环境中的交互。希望这次检测，可以给以后虚拟现实的发展提供参考和借鉴。”蔡晨阳这篇《基于运动感知和眼动特征的视觉诱导晕动症检测研究》的论文还在本届论坛会议中斩获优秀论文三等奖。
可以看到，随着数智时代的到来，青年对电子产品的体验感和性能要求越来越高，能抓住青年在产品使用过程中的痛点和需求，就能为自己的产品赢得一席之地。
作为华为技术有限公司终端BG用户体验设计部人因团队负责人，金红军主要关注用户在健康舒适、操控体验和情感愉悦方面的感受。
耳机几乎成了当代年轻人的“外化器官”，每天不离身。金红军以耳机的设计为例，讲述了一套产品研发的“方法论”：“我们当时在国内外的很多高校采集了成千上万个人耳朵、头部、手部的数据，针对这些数据做建模，然后通过人因的方式获得人不同身体区域的痛觉耐受性和敏感性，通过仿真产品和迭代设计，最终设计出一对佩戴舒适的耳机。”
“而且我们发现用户使用电子产品的时长呈爆发式增长，这势必会对眼睛产生很大影响。”他说，为了尽可能降低电子屏幕对眼睛造成的危害，人因团队通过对关键变量，比如亮度、对比度、蓝光、字体等进行精细地设计和约束，让产品落地。
最好的数学能设计出更完美的大脑吗
随着工业从蒸汽机时代的1.0推进到如今智能化时代的4.0，人因工程也在逐步发展。看似技术的革新都对前一个时代产生过冲击甚至替代，但每个时代所沉淀的经验都助推了人因工程的进步，从而更好地辅助人的生产生活。
“像ChatGPT等新的人工智能应用出来以后，我们面临着更大挑战。我相信数字化向智能化发展，可能今后会成为航天领域重要的研究方向，能够得到重要的应用成果。”中国科学院院士、中国载人航天工程空间科学首席专家顾逸东表示，载人航天工程方面的数字化工作已经在开展，包括数字月球平台、数字火星平台等，为今后在空间月球探测和深空探索中更好地利用数字化和智能化成果打下基础。
顾逸东透露，下一步，我国将开展载人月球任务，利用人工智能和航天员相结合的办法，高质量地选取月球上最具代表性的、最具科学价值的样品，使月表取样工作能够在新技术的支撑下得到最高水平的体现。
有一位量子科学家问中国科学院生物物理研究所研究员郭爱克院士，有没有可能用最好的数学来设计一个更加完美的大脑？
“是可能的，”他回答，“但它设计出来的一定不是人脑。人类大脑来自演化的历史长河，无疑是宇宙最复杂智能的系统，是大自然演化的伟大奇迹。”
宇宙深处宏伟壮观的大麦哲伦星系里，有上百亿颗恒星。郭爱克对这个浩渺的系统尤其感兴趣，因为它和人类大脑上千亿的神经元细胞数量相当。“如果想知道人类大脑神经元排布的情况，我们就可以看看这个星系里的星星是什么样子。”郭爱克指着屏幕上浩渺的星系说。
（中青报·中青网记者 王一迪 堵力）
来源： 中国青年报