航海人因工程：智能
增强与系统韧性
王 川 许硕贵 王子莹 主 编
出版社
北 京
内 容 简 介
《航海人因工程：智能增强与系统韧性》是一部系统探索智能时代航海人因工程前沿理论与实践的权
威著作。本书突破传统“被动适应”思维，以“智能增强”与“系统韧性”双轮驱动为核心框架，融合脑
机接口、多组学、数字孪生、量子计算等前沿技术，深入解析船员在极端环境下的生理、心理与认知适应
机制。全书涵盖健康监测、人机协同、智能决策、舱室设计、安全文化等多维度内容，为构建安全、高
效、人文的智能航海体系提供了系统的理论支撑与实践指南，是航海工程、人因工程及智能航运领域研究
者的重要参考。
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图书在版编目（CIP）数据
航海人因工程 : 智能增强与系统韧性 / 王川, 许硕贵, 王子莹主编. -- 北京 : 清华大学出版社, 2026.
8. -- ISBN 978-7-302-72467-4
Ⅰ. U675
中国国家版本馆CIP数据核字第202609F17J号
责任编辑：肖 军
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经 销：全国新华书店
开 本：185mm×260mm 印 张：32 字 数：755千字
版 次：2026年9月第1版 印 次：2026年9月第1次印刷
定 价：298.00元
产品编号：117707-01
编 委 会
主 编 王 川 许硕贵 王子莹
副主编 沈 辉 吴廉巍 陈源宝 刘丽英
编 委 （按姓氏笔画排序）
卜其涛 于 雪 王 楠 王宝成 王冠军
王晓茜 王薪凯 尤舰尧 仇顺海 方伟明
尹大志 卢 洋 卢东源 吕 薇 任 旋
刘 栋 刘 斌 闫 妍 江蕴倩 孙俊峰
豆康康 苏建坡 李 明 李 磊 李召宁
李润平 李志伟 杨 健 杨 桦 杨倩倩
吴猛猛 余 昆 汪 凯 沈晓冬 张晨飞
张中海 陈克思 陈铭浩 陈莎莎 陈兴旺
范良伟 松 迪 罗 荣 季公俊 周运超
赵雪楠 桂小倩 夏永军 夏蕾蕾 高忠峰
郭 华 唐国柱 桑圣杰 黄春宇 黄雨佳
曹哲霖 崔 进 董阳升 程 静 程国青
谢 刚 鄢桃飞 裴彦坤 管 睿 谭 鑫
颜宏利 燕雪峰 魏 强
主 编 简 介
王川
博士，副研究员，硕士生导师，浙江大学兼职副教
授。担任分子神经生物学教育部重点实验室副主任，全
军重点实验室副主任、航海人因工程实验平台负责人，
中国人类工效学学会理事兼生物力学专业委员会副主任
委员，中国系统工程学会人-机-环境系统工程专业委
员会副秘书长，入选首批海军高端科技创新团队“航海
特殊环境作业人体效能增强创新团队”。海军特色医学
中心“科技创新卓越人才”培养对象。主持国家自然科
学基金面上项目、国家科技部重点研发计划、中央军委
及海军主管的军事课题、国家重大武器装备型号科研项
目、军民融合项目等各类课题20余项。主持制定军用标
准4项。授权国家发明专利15项、实用新型专利11项、外观设计专利1项、软件著作权18
项。主编《生物节律与神经认知》《航海作业中的环境行为学》《装备人因工程》《密闭环
境作业人员健康风险评估》《密闭环境暴露组学与人体效能研究》《睡眠障碍修复疗愈与人
因效能增强》等著作6部，编撰《中华医学百科全书》（人机环境效应词条）。发表SCI和
EI论文40余篇。多次执行深海密闭空间水下长远航重大军事任务。先后组织完成多批次
多人次“潜艇环境模拟舱大型人体封舱试验”，被CCTV-7、央广网、央广军事、中国军事
网、国防时空及《人民海军报》等多家权威媒体报道。
IV
航海人因工程：智能增强与系统韧性
许硕贵
主任医师，教授，医学博士，博士、博士后导师。
上海长海医院战创伤急救中心执行主任兼创伤骨科主
任，急诊医学、创伤骨科学科带头人。全军科技领军人
才、学科拔尖人才，上海市医学领军人才。牵头负责的
海军特殊作业环境人体效能增强技术创新团队入选首批
“海军高端科技创新团队”，海军院士培养对象。兼任中
国医师协会急诊分会副会长、解放军急救专业委员会副
主任委员、上海市医学会急诊专科分会副主任委员。长
期从事急性伤病的临床诊疗与基础科研，以第1完成人
获得国家科技进步二等奖1项（2016）、军队科技进步一
等奖1项（2014）、上海市科技进步一等奖1项（2013）；
主编出版专著4部，以第一＆通讯作者共发表论文162
篇，其中SCI论文77篇，授权专利101项，其中发明专利13项，转化后临床应用获CFDA
批件9个（III类医疗器械注册证7个）。2014年荣立个人二等功1次。
V
王子莹
博士，副研究员，从事航海特殊环境人因优化与人体效
能增强技术研究。入选首批海军高端科技创新团队“航海特
殊环境作业人体效能增强创新团队”。现任分子神经生物学教
育部重点实验室认知障碍调控干预研究方向负责人，中国人
类工效学学会生物力学专业委员会委员，《装备环境工程》审
稿人。主持军事及上海市军民融合（省部级）项目等课题11
项，参加国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目
及各类军事课题17项。多次赴一线部队参加重大武器装备演
习演训任务，撰写的多篇决策咨询建议报告被机关采纳。以
第一作者和通讯作者发表论文20余篇，授权发明专利13项，
实用新型专利8项、外观设计专利1项、软件著作权16项。
主编著作6部。获军队“四有”优秀文职表彰。2024年入选上海市“科技创新行动计划”
启明星人才工程。
主 编 简 介
序 言 一
“智能”与“生命”这两个科学领域开始在二十一世纪深度融合，并以前所未有的深
度和广度赋能于人类最古老、最壮阔的远洋事业。呈现在读者面前的这部《航海人因工
程：智能增强与系统韧性》不仅是航海领域的一部技术指南，更是对未来人机协同、人海
共生模式的深度思考。作为一名长期致力于控制科学、人工智能与脑机接口研究的科技工
作者，我相信这部著作的出版，标志着航海人因工程从一门“防错与减负”的辅助性学
科，成为驱动船舶设计、运营管理乃至整个航运业范式变革的引擎。
传统的航海人因工程，其核心目标在于“适应”——设计更符合人体工学的座椅，优
化仪表盘的视觉呈现，改善舱室的照明与通风。然而，面对全球贸易一体化带来的超长航
程、船舶智能化引发的角色重构，以及深海、极地等极端环境的常态化探索，单纯“适
应”的逻辑已经触及了天花板。船员们需要的，不仅仅是一个“不那么难受”的环境，而
是一种能够让他们在极端条件下依然保持巅峰状态、从容应对复杂局面的系统性能力。本
书提出了一个全新的命题：航海人因工程必须从“被动适应”走向“主动增强”，从“风
险管控”走向“效能优化”。“智能增强”意味着我们不再仅仅满足于修复人体在极端环境
中的“能力短板”，而是利用人工智能与脑机接口等前沿技术，精准地提升船员的生理耐
受极限、认知决策效率与心理调控能力。与之相辅相成的“系统韧性”，则要求我们将航
海系统视为一个“人-船-环境”耦合的复杂社会技术系统，通过多要素联动、多层级防
护，确保系统在遭遇极端扰动时能够自我调节、快速恢复，甚至在经历打击后变得更强。
这种“增强”与“韧性”双轮驱动的全新体系，从根本上重构了人与海洋、人与技术的关
系。航海事业正在从“以设备为中心”的工业化思维，转向“以人为中心”的智能化、生
命化思维。技术的发展，不再是让人的角色变得边缘化，而是让人变得更加强大、更加从
容、更具价值。
我尤为关注本书中关于“智能增强”的技术路径。它并非简单地用机器替代人，而是
通过脑科学与人工智能等跨领域技术的深度融合，打造了一个从分子、神经到行为的多层
次“人体增强系统”。在神经与生理增强层面，脑机接口技术的突破性进展令人振奋。从
非侵入式脑电头带对认知疲劳与注意力状态的实时评估，到新兴的植入式智能纤维接口对
前庭神经核、前额叶皮层等关键脑区的靶向监测，这些技术将船员状态监控从宏观的行为
观察推进到了微观的神经调控层面。
在认知增强层面，元宇宙与扩展现实技术正在彻底重塑航海训练与作业模式。传统的
航海训练受限于实船资源与场景覆盖的不足，而基于数字孪生的全任务高保真虚拟仿真系
统，不仅实现了“零风险、低成本”的沉浸式训练，更重要的是，它通过构建船员的认知
能力“虚拟沙盘”，有效减少船员的“低头时间”，直接提升态势感知能力。这种“以虚强
实”的认知训练范式，是对传统“师带徒”经验传承模式的一次革命性升级。这些前沿探
索若能在未来取得突破，将为我们构建真正意义上的“船员数字孪生体”提供核心算力支
撑，使得个性化的认知干预从愿景走向现实。
“系统韧性”是从系统科学的高度，为整个航海作业体系构建安全保障的“免疫系
统”。众所周知，单一技术的局部优化往往无法应对源于设备、环境、人为因素的复合型
扰动。本书系统性地构建了人-船协同韧性、人-环境协同韧性、人-人协同韧性的多维度
韧性体系，能够大幅降低人为失误与设备故障的影响。此外，本书提出的基于数字孪生与
大数据技术的“团队知识库”，为消除“协同摩擦”提供了有力工具。
这部著作不仅为我们描绘了一幅激动人心的未来图景，更在于它指出了通向这幅图景
的现实问题。技术层面，极端环境的适应性与可靠性仍是瓶颈，脑机接口设备的长期稳定
性与生物相容性需要进一步验证；标准层面，缺乏统一的技术规范与评估体系，不同厂
家、不同系统的设备互不相通，严重制约系统级集成应用；人才层面，复合型人才的短缺
制约了技术创新与应用，既懂航海专业知识又具备前沿技术素养的领军人才非常匮乏。这
部著作呼吁我们推动高校开设“智能航海人因工程”等交叉学科，培养新一代的复合型
人才。
总而言之，这部《航海人因工程：智能增强与系统韧性》系统性地重构了智能航海时
代的人因工程学科体系，不仅为从事航海环境、人因工程、人工智能等领域的研究者提供
了重要参考，也为船舶工业领域的管理者和决策者开拓了新的思路。我相信，通过科学
界与产业界的共同努力，我们必将开创一个人机共生、安全高效、充满温度的未来海洋
世界。
中国科学院院士、国防科技大学教授
2026年6月于长沙
序 言 二
海洋，是中华民族实现伟大复兴的战略要地。一支强大的、具有世界一流水平的远洋
力量，是国家主权安全、发展利益和海洋权益的坚强捍卫者。在广袤多变的大洋深处，在
复杂多变的现代海上作业与应急场景中，决定最终成效的，从来不仅仅是船舶的吨位、装
备的性能，更是驾驭这些船舶、操作这些专业设备的人— 他们的生理耐受、认知水平、
心理韧性，以及在复杂环境下与高度智能化系统高效协同的作业能力。
翻开这部《航海人因工程：智能增强与系统韧性》，我仿佛看到了一张为未来海上作
业、远洋力量建设量身定制的、宏伟而精细的人因工程发展蓝图。它没有停留在对航海技
术的一般性讨论，而是直击远洋作业效能提升的核心 — 人机融合与系统韧性。在智能化、
无人化装备蓬勃发展的今天，在我们深入推进作业模式转型、加速新型能力生成的当下，
这部著作的出现，对于探索适应未来海上作业的实践新模式，提升基于信息系统的综合作
业能力，具有极其深远的应用价值和现实指导意义。它不是一本躺在书斋里的学术论文
集，而是一部能够走进船舶、指导实训、引领装备发展的实用指南。
作为脑科学与类脑智能领域的一名科技工作者，我深知远洋作业、特别是高强度任务
对人员身心的严酷考验。长时间、高频率的远航，带来的不仅仅是身体的疲惫，更重要的
是昼夜节律紊乱引发的睡眠障碍、封闭与高压环境催生的心理问题等。这些问题会影响作
业人员的认知能力和反应速度。在日常作业中，它们可能导致操作失误、安全隐患；在复
杂应急场景中，一个因疲劳而延迟的判断，一次因注意力分散而遗漏的关键信号，就可能
造成难以挽回的损失。当前的专业训练，已经将模拟化、对抗化、实战化推向了极致，从
业者的坚定意志与严谨作风是保障任务完成的重要基础。然而，我们也要清醒地认识到，
在未来的高技术海上作业中，我们需要的是一支不仅意志坚强，而且在生理和心理上被科
学增强、能与智能装备完美融合的专业队伍。本书提出的智能增强理念，正是解决这一核
心痛点、实现作业能力跨越式提升的有效路径。
本书所描述的智能增强，绝非科幻式的狂想，而是基于严谨科研、触手可及的工程化
路径。它将前沿生物技术与航海实践深度融合，为专业人员能力建设开辟了全新道路，其
行业应用价值不可估量。脑机接口技术的发展，使得对船员认知状态的实时监测和非药物
干预成为可能。虽然深海风浪条件下闭环调控精准干预从实验室走向实际应用仍需解决传
感器精度、电磁兼容等诸多工程难题，但这项技术的应用潜力毋庸置疑 — 它意味着在未
来的远航中，作业人员或许能够借助便携式脑机接口设备，在高海况条件下主动缓解晕
眩、维持良好注意力状态，这对远洋持续作业能力的提升具有重要意义。
合成生物学的前沿探索同样值得高度关注，将这一技术路线延伸至航海场景，探索通
过工程益生菌节律性合成褪黑素以帮助船员快速适应跨时区作业，或构建可原位合成抗辐
射、抗病毒物质的工程微生物以提升复杂环境下的生存能力，这些虽然尚处于前沿探索阶
段，但其展现的技术方向，对应对未来复杂海上环境具有重要的启示意义。
在认知增强与高效决策层面，人机协同技术的进步正在重塑指挥管控的形态。本书系
统论述的自适应信息呈现与决策支持系统，基于对操作员实时认知状态的智能感知，动
态调整信息展示密度与方式，这一技术逻辑对提升复杂环境下的决策效率具有重要价值。
AR/VR 技术在远洋实训领域的应用也值得高度关注，全任务虚拟舰桥模拟器、多场景沉
浸式应急处置演练等技术手段，已使从业者可在“零风险”条件下反复锤炼关键技能，有
效提升团队的应急响应与协同作业能力。
海上作业是体系与体系的协同。一支远洋船队的作业能力，不仅取决于其单船的先进
程度，更在于整个编队在受到外部干扰、出现突发故障、甚至通信受阻的情况下，能否迅
速调整、维持核心功能、并持续作业。这种能力，可称之为“韧性”。一个具备高韧性的
船队，能够在核心指挥船失效后，由另一艘船自动接替管控；能够在通信被干扰后，通过
智能协议自动重构网络。本书提出的“系统韧性”理念，与实战化训练要求和基于信息系
统的综合作业能力建设高度契合。它超越了传统的 “可靠性” 和 “安全性” 概念，强调在扰
动中适应、在挑战中恢复的动态能力。书中系统阐述的数字孪生技术，为实现船舶全生命
周期的精准管理提供了技术支撑。
尤为印象深刻的是，我在这部严谨的学术著作中，读到了对一线作业人员最深沉的尊
重与关怀。本书用大量篇幅深入探讨了长期远航对人员心理健康的深层影响，并提出了社
交机器人辅助心理健康、虚拟社交空间支持等创新解决方案。与社交机器人的反复互动能
够有效减少孤独感，支持船员在长期部署中维持基本的社会支持网络。同时，元宇宙技术
构建的虚拟疗愈空间也为开展预防性心理疏导提供了技术手段，使从业者在远航期间能够
获得更充分的情感支持。这些前瞻性的理念和思路，为后勤保障体系的智能化升级提供了
有益启示。
向海图强，科技是核心动力；深耕远洋，人因是重要方向。这部著作以其深邃的战略
眼光、严密的学术体系和对一线从业者的深厚人文关怀，为我们展现了一幅智能航海时代
的宏大画卷。它让我们坚信，通过科技赋能、系统优化和人文关怀的有机结合，我们完全
有能力打造一支身心更坚韧、认知更卓越、与高新装备高度融合的未来远洋专业队伍，将
我们的船舶编队锻造成面对任何复杂局面都能从容应对、历经考验仍能保持强大作业能力
的可靠力量。
我坚信，这部著作的出版，必将在航海人因工程领域产生深远的影响，为全球航海安
全事业的发展贡献中国智慧。愿每一位远洋从业者、每一位航海科技工作者，都能从中汲
取智慧与力量，在建设世界一流远洋力量的征程上，劈波斩浪，奋勇前行！
空军军医大学
2026年5月于西安
前言 面向新型航海系统的人因
工程范式转型
一、航海人因工程的时代语境：从生存保障到智能赋能
航海事业作为人类探索世界、连接文明的重要纽带，历经数千年发展，已从原始的人
力航行演进为高度智能化的远洋作业体系。然而，海洋环境的极端性与复杂性始终是航海
人面临的核心挑战——持续的船体摇晃、长期的睡眠剥夺、封闭空间的社交隔离、高压
作业的认知负荷，以及海洋气象的不可预测性，共同构成了航海场景特有的“人因困境”。
航海人因工程是以船员（人）为绝对核心，融合心理学、生理学、船舶工程、航海技术、
人机交互的交叉学科，研究人、船舶设备（机）、海上极端环境、航行作业任务四者之间
的适配关系，把人的生理极限、认知短板、行为规律前置融入船舶设计、系统研发、作业
流程与管理制度，主动消除诱发人因失误的客观条件，最终实现航行安全、作业高效、船
员健康舒适。传统航海人因工程聚焦于生理防护、环境适配与操作规范，通过物理防护装
备、标准化作业流程等手段，实现“被动适应”式的生存保障。但随着全球贸易一体化进
程加速、船舶自动化水平提升，以及远洋航行任务的常态化、复杂化，单纯的“适应型”
人因工程已难以满足现代航海对安全、效率与人文关怀的多重需求。
进入智能时代，人工智能、脑机接口、合成生物学、数字孪生等前沿技术的突破性发
展，为航海人因工程带来了革命性机遇。技术不再局限于修复人体在极端环境中的“能力
短板”，而是通过“智能增强”重构人与海洋、人与船舶的交互关系，实现从“被动适应”
到“主动优化”的跨越。同时，航海系统的复杂性与关联性不断提升，单一技术的局部优
化已无法应对系统性风险，“系统韧性”成为保障航行安全的核心诉求——即系统在遭
遇极端海况、设备故障、人为失误等扰动时，通过自我调节、协同适配恢复稳定运行的
能力。
航海人因工程的内涵由此拓展为“智能增强”与“系统韧性”双轮驱动的全新体系：
智能增强聚焦于个体能力的精准提升，通过技术手段强化船员的生理耐受能力、认知效
能与心理适应能力；系统韧性则强调人-船-环境的协同适配，构建多要素联动、多层级
防护的容错体系。二者相互支撑，有机统一，共同推动航海事业从“风险管控”向“效
能优化”，从“个体保障”向“系统协同”，从“技术堆砌”向“人文赋能”的深度转型，
为人类探索海洋、利用海洋提供更安全、高效、可持续的技术支撑与制度保障。
（一）智能增强：航海人因工程的技术革命与实践突破
智能增强是航海人因工程的核心技术路径，其本质是通过前沿技术与人体生理、心
理、认知规律的深度融合，精准提升船员在极端环境下的适应能力、作业效能与健康水
平。从神经调控到代谢优化，从认知辅助到心理疏导，智能增强技术已形成多维度、全链
条的应用体系，正在重塑航海作业的底层逻辑。
1．神经与生理增强：突破人体极限的精准调控
海洋环境对船员生理系统的挑战是全方位的，船员的神经调节、心血管功能及代谢平
衡，均面临持续压力。脑机接口（brain-computer interface，BCI）技术的突破为生理状态
的精准监测与干预提供了革命性工具。非侵入式EEG头带通过捕捉脑电信号中的θ/β波段
功率比，可实时评估认知疲劳与注意力状态，在真实航海环境中对晕船症状的缓解有效率
达81.39%；而中国科学院研发的“神经蚯蚓”智能纤维接口与三维锥形碳基柔性电极阵
列，通过植入式设计实现神经信号的高保真采集，靶向监测前庭神经核、前额叶皮层等
关键脑区，为晕船调控、认知疲劳干预提供精准数据支撑。在模拟台风环境中，基于BCI
的闭环调控系统使船员晕船严重程度评分平均降低62.3%，重度晕船发生率从85%降至
18%，彻底改变了传统药物干预方法的局限性。
合成生物学则从分子层面重构人体的环境适应能力。通过CRISPR基因编辑技术激活
人体DNA损伤修复通路，骨髓细胞DNA损伤指标降低42%；或改造肠道益生菌使其原位
合成抗辐射物质，可使船员的辐射耐受能力显著提升；针对昼夜节律紊乱，工程益生菌能
节律性合成褪黑素，使船员跨时区适应时间从3～5天缩短至1～2天；而船舶闭环合成生
态系统通过工程微藻实现氧气与食物的原位再生，结合工程微生物对生活污水、固体废弃
物的资源化利用，使水资源回收率达90%以上，氧气自给率100%，从根本上改善了航海
生存环境。这些技术不再是对环境压力的被动抵御，而是通过工程化手段主动增强人体的
生理潜能，实现“人-环境”的协同适应。
智能材料与助力装备的应用则直接降低船员的生理负荷。相变材料（PCM）与气凝胶
复合隔热材料的舱室应用，使空调能耗降低20%，在－40℃至50℃的极端温变中维持舱内
温度稳定；压电智能隔音材料与声学超材料的组合，可针对性地阻隔机舱低频噪声与甲板
高频风噪，使舱室噪声降至40dB以下；而基于人因工程设计的外骨骼装备，通过机械结
构与人体运动的精准协同，将重物搬运负荷降低30%以上，肌肉疲劳度显著下降，在船舶
维修、货物搬运等高强度作业中发挥关键作用。
2．认知增强：人机协同的决策与操作优化
航海作业的复杂性与高风险性，对船员的专业技能、应急处置能力提出了极高要求。
智能技术通过减轻认知负荷、优化决策流程、提升操作精准度，实现了作业效能与安全性
的双重提升。元宇宙与扩展现实（XR）技术重塑了航海训练与作业模式，在训练场景中，
XR沉浸式训练系统可模拟极端海况、设备故障、应急处置等全场景，使船员的应急反应
速度提升40%，操作失误率降低55%；通过数字孪生技术构建的船舶虚拟模型，支持船员
进行设备拆解、维修流程的沉浸式学习，培训周期缩短30%，运营成本降低为原来的千分
之一。
在导航场景中，AR技术将高精度数字航线、航标信息、避碰建议实时叠加到物理环
境中，使复杂港口与狭水道的避碰决策时间缩短50%；元宇宙超视距感知功能，可提前展
示台风路径、冰山位置等环境信息，为航线规划提供智能化支持。在深海作业中，VR沉
浸式操控系统使深海机器人的操作精准度提升60%，操作人员通过力反馈设备可真实感知
深海环境，完成高精度的电缆铺设、设备维修任务。这些技术打破了物理空间与视觉感知
前言 面向新型航海系统的人因工程范式转型
的局限，为船员提供了“虚实融合”的认知辅助，使复杂作业变得直观、高效、低风险。
量子计算与人工智能的融合则突破了传统人因建模的局限性。量子主成分分析
（quantum principal component analysis，QPCA）可高效处理船员多组学数据，在数秒内
完成数万维特征的提取与降维，精准挖掘基因-蛋白-代谢物-生理状态之间的复杂关联；
量子神经网络（quantum neural network，QNN）构建的认知状态预测模型，能通过量子
叠加态表征船员的模糊认知状态，动态预测注意力水平变化，为闭环调控系统提供提前
预警；而人-船-环境耦合系统的量子模拟，可同时兼顾分子层面的激素变化、个体层面
的操作行为与系统层面的船舶运动，精准评估航行风险，为决策提供科学支撑。智能决
策支持系统则成为船员的“智能伙伴”，基于机器学习算法的状态识别模型，整合生理
信号、行为数据与环境参数，可精准识别疲劳、注意力不集中等影响作业安全的关键状
态，准确率达92%；贝叶斯网络与证据理论的融合应用，有效处理了多源数据的不确定
性与冲突性，提升了状态评估的可靠性。
3．心理增强：封闭环境的情感支持与社交重构
长期远洋航行的“孤岛效应”是船员心理健康的主要威胁，65%的远洋船员存在孤独
感，焦虑、抑郁等心理问题发生率远高于陆地职业群体。智能技术通过构建多维度心理支
持体系，填补社交空缺，缓解心理压力，为长期航行的心理健康提供保障。具身人工智能
与社交机器人成为破解孤独感的重要载体，通过多模态情感感知技术，社交机器人可实时
捕捉船员的心率变异性、面部微表情、行为动作等情绪信号，结合情感计算算法精准解码
心理状态，识别准确率达89%以上；其精细化的非语言表达系统，通过24个独立控制单
元的协同工作模拟自然表情，配合积极倾听姿态与呼吸同步机制，可使船员应激激素皮质
醇水平平均下降18%。
在休闲场景中，机器人可发起棋牌游戏、外语练习等互动，充当跨文化团队的实时翻
译官；在高压作业后，通过引导呼吸冥想、播放家乡民谣等多模态干预，30min内即可降
低船员压力水平25%以上。元宇宙与XR技术则构建了虚实融合的社交与心理疏导空间，
高精度数字孪生海洋世界不仅为船员提供了“零风险、低成本”的沉浸式训练，更通过虚
拟航海社区打造了永续存在的社交平台。船员的数字分身可在虚拟场景中参与团队建设、
任务协作，与家人朋友进行虚拟会面，缓解思乡之情；系统构建的“思乡场景”“压力场
景”等心理训练模块，结合虚拟心理医生的专业疏导，帮助船员提升心理适应能力。
远程心理支持系统的完善则打破了时空限制，通过船舶卫星通信网络，船员可与岸基
心理专家进行实时视频咨询，系统同步传输的生理与行为数据为精准干预提供支撑；基
于大数据构建的“情感数字孪生体”，可记录船员情绪波动规律，预测情绪低谷期并提前
启动干预机制，变“被动应对”为“主动预防”。这些技术的应用，使船员焦虑量表（self-
rating anxiety scale，SAS）评分平均降低35.7%，抑郁量表（self-rating depression scale，
SDS）评分降低32.1%，显著提升了长期航行的心理适应能力，为船员的心理健康筑起了
一道“智能防线”。
（二）系统韧性：航海人因工程的协同架构与安全保障
如果说智能增强是提升个体能力的“尖刀”，那么系统韧性就是保障整体安全的“盾
牌”。航海系统是由人、船、环境、技术等多要素构成的复杂动态系统，各要素之间的强
关联性与动态交互性，决定了单一环节的失效可能引发系统性风险。系统韧性理念强调
通过“多层级防护、多要素协同、自适应调节”，构建“人-船-环境”深度融合的容错体
系，确保在极端扰动下航行系统的稳定运行与功能恢复，其核心在于打破要素间的壁垒，
实现从“个体优化”到“系统协同”的跨越。
1．人-船协同韧性：智能化交互与容错设计
船舶作为船员作业与生活的核心载体，其智能化水平与容错设计直接影响系统韧
性。现代船舶已从传统的机械操控系统，演进为融合传感器网络、人工智能算法、自动
控制系统的智能平台，人-船交互模式也从“人主导-船执行”转变为“人机协同-智能决
策”。这种协同模式通过“人的经验判断＋机器的精准计算”，实现了决策效能与安全冗余
的双重提升。例如，在复杂港口导航场景中，船舶自动识别系统（automatic identification
system，AIS）、雷达与视觉传感器实时采集环境数据，人工智能算法快速生成避碰方案，
船员通过AR界面获取可视化决策建议，可根据经验调整优化，既避免了机器决策的僵化
性，又降低了人的认知负荷。
容错设计是提升人-船协同韧性的关键，通过技术冗余、故障预警、应急响应等机制，
降低人为失误与设备故障的影响。在硬件层面，关键设备采用“主备双冗余”设计，如
导航系统、动力控制系统等核心部件均配备备用设备，故障发生时可在10秒内自动切换，
确保功能不中断；在软件层面，智能系统具备“操作容错”能力，通过逻辑校验、操作回
溯、错误提示等功能，避免单一操作失误导致严重后果，如船舶转向操作中，系统会自动
校验转向角度与航行环境的匹配性，若存在碰撞风险则发出预警并限制操作执行；在应急
响应层面，基于数字孪生的船舶虚拟模型，可实时模拟故障演化过程，为船员提供精准的
应急处置流程，如机舱火灾发生时，系统可根据火灾位置、蔓延速度、设备状态，自动生
成灭火路径、人员疏散路线与设备关停顺序，指导船员高效处置。
2．人-环境协同韧性：动态适配与风险预判
海洋环境的动态性与不确定性是航海系统的主要扰动源，人-环境协同韧性强调通过
“动态感知-精准预测-主动适配”，降低环境变化对航行安全的影响。先进的环境感知技
术为风险预判提供了数据支撑，船舶搭载的气象雷达、海浪传感器、卫星通信系统，可实
时采集风速、浪高、能见度等环境参数，结合全球气象数据与海洋环流模型，精准预测
未来24～72h的海况变化，为航线调整、作业安排提供科学依据。例如，在台风预警场景
中，系统可根据台风路径预测与船舶性能参数，自动生成多条规避航线，并评估每条航线
的航行时间、燃油消耗与安全风险，供船员决策参考。
动态适配技术则实现了船舶与环境的柔性匹配，智能材料的应用使船舶舱室具备环境
自适应能力，如相变材料与气凝胶复合隔热材料，可在－40℃至50℃的极端温变中维持舱
内温度稳定；主动噪声控制与声景设计系统，可根据环境噪声变化动态调整降噪参数，在
机舱低频噪声与甲板高频风噪环境中，均能将舱室噪声降至40dB以下。船员的环境适应
能力也通过智能技术得到增强，合成生物学构建的闭环生态系统，实现了氧气、食物、水
的原位再生与废物资源化利用，使船舶在长期航行中摆脱对陆地补给的依赖；而针对极端
环境的生理增强技术，如抗辐射益生菌、节律调节工程菌等，可显著提升船员对高辐射、
昼夜节律紊乱等环境压力的耐受能力。
3．人-人协同韧性：团队协作与知识共享
远洋航行中的团队协作是保障系统韧性的核心支撑，船员之间的有效沟通、分工协
作、知识共享，直接影响应急处置效率与航行安全。智能技术通过构建“透明化、高效
化、标准化”的协作平台，打破了时空限制与信息壁垒，提升了团队协作的韧性。具身人
工智能与社交机器人在团队协作中扮演“协同媒介”角色，在跨部门协同应急训练中，不
同岗位、不同船舶的船员可通过数字分身实时协作，机器人可将虚拟的维修示意图、操作
指南直接投射在作业区域，确保所有团队成员同步获取关键信息，避免因语言描述不清或
信息传递延迟导致的协作失误。
知识共享体系的构建则为团队协作提供了能力支撑，基于数字孪生与大数据技术的
“团队知识库”，可自动记录船员在作业中积累的经验、解决的问题、成功的案例，形成标
准化的操作流程与应急方案，供全体船员学习参考。例如，在解决一次特殊的设备故障
后，系统可将整个协作过程（包括讨论的内容、采取的步骤、最终的方案）进行转录与总
结，形成标准化的故障处置手册，帮助团队快速积累经验、提升协同能力。同时，智能培
训系统可根据团队成员的技能短板，定制个性化的培训方案，通过XR沉浸式训练模拟复
杂协作场景，提升团队成员的默契度与应急处置能力。
二、航海人因工程的挑战与未来展望
（一）当前面临的核心挑战
尽管航海人因工程在智能增强与系统韧性方面已取得显著进展，但要实现规模化落地
与可持续发展，仍面临技术、伦理、标准与人才等多重挑战。
技术层面，极端环境的适应性与可靠性仍是关键瓶颈。航海环境的高盐雾、强振动、
宽温变与电磁干扰，对传感器、智能设备的稳定性提出了严苛要求；低功耗与微型化技术
的不足，限制了植入式设备、可穿戴设备的长期使用；多源数据的时空对齐、质量评估与
融合分析，仍面临数据异构性、噪声干扰等问题，影响了模型预测的准确性。例如，脑机
接口设备在高海况下的运动伪迹干扰，可能导致神经信号解码准确率下降；合成生物学改
造的工程生物，其在海洋环境中的长期稳定性与安全性仍需长期验证。
伦理层面，隐私保护与自主意志尊重面临严峻考验。脑机接口、生理监测等技术的应
用，涉及船员的神经信号、生理数据等高度敏感信息，数据泄露与滥用风险不容忽视；可
植入设备的临床伦理、社交机器人的情感依赖问题，以及人工智能决策对船员自主意志的
潜在干预，需要建立明确的伦理准则与边界。例如，如何平衡生理数据的监测需求与船员
的隐私保护，如何界定人工智能决策与人类自主决策的权责边界，都是亟待解决的伦理
难题。
标准层面，缺乏统一的技术规范与评估体系。不同厂家的智能设备接口不兼容、数据
格式不统一，阻碍了系统级集成应用；航海智能技术的环境适应性、安全性、有效性评
估缺乏统一标准，难以客观衡量技术应用效果；而国际海事组织（International Maritime
Organization，IMO）尚未形成针对智能航海的完善监管框架，影响了技术的规范化推广。
例如，不同品牌的XR训练设备、BCI系统之间的数据无法互通，难以构建统一的船员健
康管理平台；智能设备的抗盐雾、抗振动等环境适应性指标缺乏统一测试标准，导致产品
质量参差不齐。
人才层面，复合型人才短缺制约了技术创新与应用。航海人因工程是脑科学、分子生
物学、船舶工程、人工智能、医学等多学科交叉的领域，目前缺乏兼具航海专业知识与前
沿技术素养的复合型人才；船员对智能技术的接受度与操作能力参差不齐，也影响了技术
的落地效果。例如，船舶一线船员往往缺乏人工智能、大数据等技术的专业知识，难以充
分发挥智能设备的功能；科研人员则可能对航海场景的特殊性了解不足，导致技术研发与
实际需求脱节。
（二）未来发展展望
面对挑战，航海人因工程将朝着“更智能、更安全、更普惠、更具人文关怀”的方向
发展，构建“技术赋能-人文关怀-生态协同”的可持续发展体系。
技术创新将聚焦极端环境适配与多技术融合。在硬件方面，开发耐盐雾、抗振动、低
功耗的微型传感器与智能设备，提升生物相容性与长期稳定性；柔性电子、可穿戴设备与
植入式设备的协同发展，将实现生理状态的全方位、无感知监测。在软件方面，量子计算
与人工智能的深度融合将突破算力瓶颈，提升复杂系统建模与预测的精度；数字孪生技术
与物联网的结合，将构建实时同步的虚拟航海系统，实现对物理系统的全生命周期优化。
多技术的交叉融合将催生更多创新应用，如“脑机接口＋外骨骼”的协同控制，可实现残
疾人船员的作业能力增强；“合成生物学＋智能材料”的融合应用，将打造自我修复、环
境自适应的船舶生态系统。
伦理与标准体系将逐步完善。建立严格的伦理审查机制与数据安全保障体系，遵循
“知情同意、最小侵入、隐私保护”三大原则，明确数据使用边界与安全规范；国际海事
组织牵头制定航海智能技术的应用标准与评估规范，涵盖设备环境适应性、数据安全、伦
理要求等方面，推动技术的规范化应用；行业联盟的建立将促进企业、科研机构与高校的
协同创新，加速技术迭代与标准落地。例如，制定航海数据安全管理规范，明确生理数
据、操作数据的采集范围、存储方式与使用权限；建立智能设备的航海环境认证体系，确
保产品符合极端环境下的使用要求。
人才培养与技术普及将同步推进。高校开设“智能航海人因工程”等交叉学科专业，
培养兼具多学科知识的复合型人才；企业与科研机构合作开展船员培训，提升船员对智能
技术的接受度与操作能力；而技术的普惠化发展将降低智能设备的成本，使中小型船舶也
能享受到智能航海的红利，实现全行业的共同进步。例如，开发面向船员的智能技术培训
课程，通过XR沉浸式教学提升培训效果；推动智能设备的模块化、标准化设计，降低安
装与维护成本，提高中小型船舶智能设备的普及率。
人文关怀将贯穿航海人因工程的全链条。未来的航海智能不再是冰冷的技术堆砌，而
是充满温度的“智能伙伴”，从生理健康的精准守护、心理健康的细腻呵护，到作业效能
的智能提升、生活环境的舒适优化，全方位满足船员的需求；技术的发展将进一步模糊海
洋与陆地的界限，通过更便捷的通信、更丰富的社交、更舒适的环境，让长期远洋航行不
再意味着孤独与牺牲，使航海事业成为更具吸引力的职业选择。例如，通过元宇宙技术构
建“海上家园”，让船员在航行中也能享受与家人朋友的虚拟团聚；通过个性化环境调控
技术，为每位船员打造舒适、健康的居住与工作空间。
王川 许硕贵 王子莹
目 录
第一篇 智能时代航海人因工程的理论重构
第一章 航海人因工程的学科新范式......................................................................................................2
1.1 智能航海时代的人因新定义.........................................................................................................2
1.2 多学科融合的深度与广度.............................................................................................................8
1.3 极端航海环境作为天然实验场..................................................................................................16
第二章 智能航海系统的人因理论模型...............................................................................................25
2.1 多层次动态交互框架.....................................................................................................................25
2.2 人机智能协同的认知机制...........................................................................................................36
2.3 基于生物信息学的个体差异模型.............................................................................................52
第三章 融合前沿技术的研究方法论....................................................................................................65
3.1 多模态数据采集与融合技术.......................................................................................................65
3.2 智能数据分析与建模方法...........................................................................................................73
3.3 数字孪生与虚拟验证平台...........................................................................................................81
第二篇 航海人员效能评估与增强体系
第四章 基于多组学的航海适应性评估...............................................................................................96
4.1 航海应激的分子标志物系统.......................................................................................................96
4.2 船载医学检验技术体系..............................................................................................................104
4.3 个体化适应性分型与预测.........................................................................................................119
第五章 智能状态监测与预测系统.......................................................................................................137
5.1 多维度状态感知网络...................................................................................................................137
5.2 状态识别与融合算法...................................................................................................................143
5.3 预测性人因工程............................................................................................................................152
第六章 精准增强干预策略......................................................................................................................161
6.1 基于分子机制的精准干预.........................................................................................................161
6.2 神经调控与生物反馈技术.........................................................................................................176
6.3 智能个性化增强系统...................................................................................................................192
第七章 智能交互界面与工作空间设计.............................................................................................205
7.1 下一代航海信息交互范式.........................................................................................................205
7.2 高风险作业环境的人因设计.....................................................................................................223
7.3 智能工作空间布局.......................................................................................................................235
第八章 智能环境调控与生活空间.......................................................................................................253
8.1 舱室环境的智能调控...................................................................................................................253
8.2 促进健康恢复的空间设计.........................................................................................................258
8.3 智能安全与应急系统...................................................................................................................266
第九章 自主系统的人机协同设计.......................................................................................................278
9.1 自主等级平滑过渡设计..............................................................................................................278
9.2 智能决策支持系统设计..............................................................................................................288
9.3 多智能体协同系统.......................................................................................................................295
第三篇 组织管理与系统韧性
第十章 智能时代的安全文化与组织韧性........................................................................................310
10.1 适应智能化的安全文化演进..................................................................................................310
10.2 智能化规程与适应性实践.......................................................................................................318
10.3 智能团队资源管理.....................................................................................................................325
第十一章 全周期健康与效能管理.......................................................................................................334
11.1 智能化健康监测体系.................................................................................................................334
11.2 职业发展与技能管理.................................................................................................................347
11.3 心理健康智能支持.....................................................................................................................357
第十二章 多样场景的人因解决方案..................................................................................................367
12.1 极端环境作业的人因保障.......................................................................................................367
12.2 特种作业船舶的人因优化.......................................................................................................374
12.3 绿色航运的人因促进................................................................................................................382
第四篇 前沿发展与综合应用
第十三章 技术前沿与人因创新............................................................................................................394
13.1 生物融合技术前沿.....................................................................................................................394
13.2 数字智能技术前沿.....................................................................................................................406
13.3 材料与工程前沿..........................................................................................................................423
第十四章 案例研究与最佳实践............................................................................................................436
14.1 智能增强系统实施案例............................................................................................................436
14.2 人因设计改进案例.....................................................................................................................443
14.3 前沿技术验证案例.....................................................................................................................452
第十五章 发展路线与战略展望............................................................................................................463
15.1 技术发展路线图..........................................................................................................................463
15.2 标准化与治理框架.....................................................................................................................465
15.3 航海人因工程的未来................................................................................................................474
后记 以人为中心的航海智能未来.......................................................................................................484
