人因與工效學(xué)仿真及評價軟件的文獻分析

周鑫 ，李淑玲，鄭靖越，劉秦伊，張偉

(清華大學(xué) 工業(yè)工程系，北京 100084)

1 引言

近年來，人因與工效學(xué)(Human Factors and Ergonomics,HFE)領(lǐng)域發(fā)展迅速，研究熱點也不斷地發(fā)生變化。與此同時，HFE仿真及評價軟件在研究中發(fā)揮了重要的作用，并已得到大量的應(yīng)用。為了全面把握HFE的發(fā)展趨勢，特別是HFE軟件的應(yīng)用情況，本文基于中國知網(wǎng)(CNKI)和EI數(shù)據(jù)庫進行了文獻的調(diào)研與分析。

文章基于文獻檢索，從宏觀上把握HFE領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。通過對不同標(biāo)準下文獻數(shù)量的總結(jié)，探究了主題詞的分布、主題詞隨時間的變化、學(xué)科交叉、國家分布和學(xué)術(shù)機構(gòu)分布情況。在前述結(jié)果上進行二次檢索，總結(jié)常用的HFE軟件種類以及軟件的具體用途及其實證案例。

2 對象與方法

2.1 中文檢索

采用中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫進行中文文獻檢索，檢索時間設(shè)定為2000年01月01日到2020年07月31日，檢索表達式設(shè)置為“主題 = 人機工程 OR 主題 = 人體工程 OR 主題 = 人類工效 OR 主題 = 人因工程”，文獻類型為“期刊論文”，共檢索出2745篇中文期刊論文。

2.2 英文檢索

采用EI Compendex數(shù)據(jù)庫進行英文文獻檢索。該數(shù)據(jù)庫會為每篇收錄文獻提供若干個控制詞(Controlled Vocabulary)和分類碼(Classification Code)。前者反映了文獻的研究主題，后者則體現(xiàn)了文獻涉及到的學(xué)科領(lǐng)域。與中文文獻相比，英文文獻在期刊的定位和分類上更細致一些。在Web of Science數(shù)據(jù)庫的Journal Citation Reports中，HFE領(lǐng)域下有16個專業(yè)的期刊。本研究從中選擇了4個與HFE最相關(guān)的期刊，分別是“Human Factors”、“Ergonomics”、“Applied Ergonomics”和“International Journal of Industrial Ergonomics”，使用EI Compendex數(shù)據(jù)庫檢索了這4個期刊在2000年-2020年間發(fā)表的論文作為素材，共檢索出8 593篇英文文獻。

2.3 二次文獻檢索

以上一部分的文獻檢索結(jié)果為素材，對中文文獻進行了兩策略二次檢索，對英文文獻進行了一輪二次檢索。中文文獻部分，第一策略檢索首先限定期刊為《人類工效學(xué)》，同時限定“全文 = 軟件 AND (全文 = 仿真 OR 評價)”，共檢索到426篇；第二策略檢索則限定“主題 = 軟件 AND (全文 = 仿真 OR 評價)”，共檢索到47篇。英文文獻部分，限定“全文=Software AND(全文=Simulation OR Evaluation)”，共檢索出113篇。

接著，由相關(guān)專業(yè)人員(三名HFE方向的博士研究生)獨立對檢索到的468篇中文文獻(兩次檢索中有5篇重復(fù)文獻被刪去)和113篇英文文獻進行人工分類與編碼，按照本文對HFE軟件的定義，判斷每一篇文獻是否屬于該范疇，對判斷“屬于”的文獻進一步分類該文獻中用到的仿真分析軟件以及軟件的用途。軟件列表和用途由三名博士研究生閱讀論文摘要并討論后確定。完成分類與編碼工作后，對三人的結(jié)果進行評分者間信度(Inter-rater Reliability，IRR)檢驗，匯報Krippendorff alpha系數(shù)。IRR系數(shù)在0.6～0.8之間表示評分者間的一致性可以接受，在0.8～1.0之間則表示評分者間的一致性非常好[1]。

3 結(jié)果

3.1 中文文獻檢索情況

國內(nèi)發(fā)表的與HFE相關(guān)的文獻數(shù)量總體上呈上升趨勢，如圖 1所示。其中2020年僅計入上半年的文獻故數(shù)量較少。這反映出HFE領(lǐng)域一直是學(xué)界的研究熱點，越來越多的國內(nèi)學(xué)者關(guān)注到HFE領(lǐng)域且取得了大量的研究成果。

通過使用中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的“主題”分類功能，作者將檢索到的文獻按照主題詞進行分類(結(jié)果如圖 2所示)。在原始的檢索數(shù)據(jù)中，有1 022篇文獻的主題被分類為HFE的若干同義詞，故在主題詞的呈現(xiàn)上將其剔除，希望從其余的主題詞中發(fā)現(xiàn)HFE研究具體的應(yīng)用領(lǐng)域。從圖中可以看出，國內(nèi)HFE相關(guān)的研究主題豐富，研究熱點集中在“人機界面”、“人機交互”和“人體模型構(gòu)建”上，與人機工程相關(guān)的設(shè)計(工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、人性化設(shè)計)也得到廣泛探索。

通過中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的“學(xué)科分類”功能可以得到HFE領(lǐng)域的研究與其他學(xué)科領(lǐng)域的交叉情況。如表 1所示，除通用技術(shù)外，與HFE關(guān)聯(lián)最密切的具體學(xué)科領(lǐng)域分別是汽車工程、計算機軟件及計算機應(yīng)用以及自動化技術(shù)。

表1 2000年-2020年間各學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)表的

3.2 英文文獻檢索情況

本研究英文期刊接受全世界范圍內(nèi)的學(xué)者投稿，故可以體現(xiàn)世界范圍內(nèi)在HFE領(lǐng)域研究的國家分布和學(xué)術(shù)機構(gòu)分布。表 2、表3分別為2000年-2020年間發(fā)表在四個HFE領(lǐng)域的核心期刊上論文的控制詞和分類碼的統(tǒng)計情況(各選取前十一條)。除去占比最高的第一條HFE，英文文獻的研究主題更多地關(guān)注與人的肌肉、生物力學(xué)、肌肉骨骼系統(tǒng)，以及與職業(yè)相關(guān)的風(fēng)險及其預(yù)防措施。作為對比，中文文獻則更多地關(guān)注人機界面的設(shè)計和人機交互。從學(xué)科交叉角度看，英文文獻更多地涉及到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和與人的健康相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域。

表2 2000年-2020年間EI Compendex檢索HFE英文論文控制詞統(tǒng)計

表3 2000年-2020年間EI Compendex檢索HFE英文論文分類碼統(tǒng)計

進一步，按照每5年的時間間隔，統(tǒng)計該段時間內(nèi)最熱門的HFE研究的控制詞，可以發(fā)現(xiàn)研究熱點的變化情況，如圖 3所示。近二十年來，肌肉骨骼系統(tǒng)和生物力學(xué)的相關(guān)研究一直是研究的熱點，但熱度有所下降，事故預(yù)防和風(fēng)險評估相對穩(wěn)定；在2005年-2009年間，數(shù)學(xué)建模、肌電圖學(xué)和汽車駕駛員的相關(guān)研究成為熱點，但持續(xù)性較弱；近十年以來，與人的健康相關(guān)的研究近十年成為新的焦點，物理治療方法也獲得一定關(guān)注；自動化系統(tǒng)中的HFE研究成為近五年間研究的新熱點。綜上，HFE的研究兼顧了學(xué)科傳統(tǒng)與技術(shù)進步，既有持續(xù)性的研究主題，也有與新技術(shù)相關(guān)的研究主題。

通過類似方法可繪制出發(fā)表文獻最多的國家隨時間變化的情況(結(jié)果見圖 4)?？偟膩碚f，發(fā)達國家在HFE領(lǐng)域的研究依然處在領(lǐng)先位置，特別是美國、英國、加拿大、澳大利亞、新西蘭等英語國家。中國作為唯一的發(fā)展中國家，論文的數(shù)量占比一直在穩(wěn)步上升。圖中，中國文獻包含了來自中國大陸、中國臺灣和中國香港的發(fā)表文獻，值得注意的是，在2000年-2009年間，以來自中國臺灣(60.2%)和中國香港(27.0%)的文獻為主，而在2010年后則以來自中國大陸的文獻為主(46.0%)。此外，按照文獻的發(fā)表數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)在HFE領(lǐng)域較為靠前的學(xué)術(shù)組織/研究機構(gòu)(如圖 5所示)。前十的機構(gòu)有九個來自美國、英國、加拿大三個英語語系的發(fā)達國家，僅清華大學(xué)例外。

3.3 HFE仿真軟件文獻分析

一般意義上的HFE仿真軟件是指數(shù)字人體建模和仿真分析、評價軟件，例如：Jack、RAMSIS和CATIA中的人機工程模塊等。這些軟件以人機工程的理論研究為基礎(chǔ)，通過計算機建模的方式建立數(shù)字化虛擬人并將其放置于具體的場景之中，根據(jù)人的心理、生理和身體結(jié)構(gòu)等因素，結(jié)合具體的任務(wù)評價“人—機—環(huán)”三大要素之間的協(xié)作是否合理，并尋找出導(dǎo)致不合理的原因，以保證人能夠安全、健康、舒適地開展工作，同時取得較高的工作效率。

Jack軟件是西門子公司出品的專業(yè)人體仿真模型與工效學(xué)評估軟件，最早由賓夕法尼亞大學(xué)人體模型和模擬中心開發(fā)。通過在三維仿真環(huán)境中應(yīng)用數(shù)字虛擬人對產(chǎn)品或者任務(wù)流程進行分析，特別是基于HFE的設(shè)計分析，可提供包括可達性、舒適性、可視性的評估結(jié)論。RAMSIS是一款用于乘客仿真和汽車HFE設(shè)計的CAD軟件，用于模擬仿真駕駛員的行為。CATIA是一款集成化的產(chǎn)品設(shè)計軟件，整合了機械設(shè)計、工程分析、數(shù)字化仿真和數(shù)控加工等功能。其中，HFE設(shè)計與分析模塊具有基本的人體建模、任務(wù)分析、姿勢分析功能，并可以提供工效學(xué)評估結(jié)果。

除上述的幾款軟件之外，HFE軟件還包括了以駕駛模擬器為代表的場景仿真類軟件、輔助產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的三維建模類軟件和彌補已有軟件不足的自開發(fā)類軟件。

經(jīng)過二次文獻檢索，共有73篇中文文獻和38篇英文文獻符合本研究的要求，其IRR系數(shù)為0.892。后續(xù)對軟件應(yīng)用情況的分析均基于這共計111篇文獻。文獻的發(fā)表年份分布如圖 6所示，可以看到與HFE軟件相關(guān)的研究一直處于熱門狀態(tài)且呈現(xiàn)上升趨勢。

按照每篇文獻中使用的HFE軟件，統(tǒng)計其出現(xiàn)次數(shù)，結(jié)果如圖 7所示，“其他”項包含一些較為小眾的HFE軟件，包括AnyBody、Observer和Poser等。其IRR系數(shù)為0.908，表示評分者間一致性非常好。

從圖中可以看出，文獻中使用最多的軟件是場景仿真軟件，涉及的文獻占到了總文獻數(shù)量的23.4%；其次是Jack，占比為19.8%。按照文獻的語種對比分析，可以發(fā)現(xiàn)英文文獻中更多使用自開發(fā)的軟件，探討自開發(fā)軟件在HFE中應(yīng)用的文獻占所有英文文獻的28.9%。而中文文獻更多是基于現(xiàn)有的軟件，自開發(fā)軟件僅占所有中文文獻5.5%。自開發(fā)軟件可以結(jié)合具體研究情景需要，克服現(xiàn)有軟件的不足，并有助于探索新的功能，某種程度上代表了HFE軟件的發(fā)展動能。從這一角度看，國內(nèi)在新型HFE軟件的研發(fā)上與國外還存在一定的差距。

4 討論

表4 文獻中HFE仿真軟件用途分類

(1)HFE評估

HFE評估側(cè)重于對已有的產(chǎn)品或系統(tǒng)展開評估，常見的評估包括可視性、可達性、舒適性、疲勞、肌肉受力等指標(biāo)，快速上肢動作分析(RULA)是常見的舒適度評價方法[2]?；诜抡孳浖脑u價可以更為便捷、無干擾、低成本和保證一定的準確性，進而指導(dǎo)當(dāng)前產(chǎn)品或系統(tǒng)進行完善或指導(dǎo)未來產(chǎn)品或系統(tǒng)的開發(fā)。

(2)新系統(tǒng)(軟件/硬件)開發(fā)

新系統(tǒng)開發(fā)既指將現(xiàn)有的HFE軟件集成到新系統(tǒng)中，作為新系統(tǒng)的組成部分，或者彌補現(xiàn)有的HFE軟件的不足，研發(fā)出新一代的適合特定需求的新軟硬件系統(tǒng)。從軟件層面，學(xué)者的研究大都聚焦在開發(fā)新的評估算法[3]、仿真關(guān)鍵技術(shù)[4]和自動化姿勢分析方法等，將會提高HFE軟件評估結(jié)果的準確性，也拓寬了可提供的評估結(jié)果的種類；從硬件層面，開發(fā)HFE軟件適配的新型采集硬件可以提供準確性更高的原始數(shù)據(jù)，而新技術(shù)如增強現(xiàn)實和可穿戴技術(shù)讓結(jié)果的呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)的采集變得更直觀和方便，這將是未來HFE軟件的發(fā)展趨勢。

(3)產(chǎn)品設(shè)計與改進

該分類下涉及到的產(chǎn)品的種類非常豐富，比如高校宿舍用的爬梯、列車的座椅、機床的操控面板、作業(yè)操控室的設(shè)計等。研究問題包括特定人體部位受力預(yù)測、工作姿勢分析、新陳代謝分析、維修仿真和評價、作業(yè)場所布局優(yōu)化、生產(chǎn)工序優(yōu)化等以便優(yōu)化相應(yīng)產(chǎn)品、系統(tǒng)、場所、工序的設(shè)計。

(4)影響因素探究

影響因素探究旨在利用HFE軟件構(gòu)建起一套實驗平臺，尋找出可能影響特定因變量的因素，以及這些因素是如何影響因變量的。在這個過程中，可以建立起預(yù)測因變量的模型，或者尋找到讓目標(biāo)最優(yōu)的一套參數(shù)的設(shè)置。常用的軟件是各種場景仿真軟件，使用這些軟件可以極大的降低構(gòu)建實物系統(tǒng)的高時間經(jīng)濟成本，也讓一些涉及到險情下人的反應(yīng)的研究可以安全的展開。

2.試劑及儀器：3%戊巴比妥鈉、鹽酸利多卡因注射液、2%氯化三苯基氯化四氮唑(TTC)溶液和SP試劑盒購自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司，ET-1抗體、eNOS抗體、ETA抗體、ETB抗體均購自北京博奧森生物技術(shù)有限公司，2號尼龍釣魚線(直徑0.234 mm，亞馬遜釣具，千分尺(測量范圍0～25 mm，購自杭州凱優(yōu)特貿(mào)易有限公司，以及數(shù)碼相機(尼康D90，日本)、光學(xué)顯微鏡(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院病理科)和手術(shù)器械等。

(5)人機軟件測評

人機軟件測評是指通過招募實驗被試完成特定的實驗任務(wù)，將實驗過程中采集到的數(shù)據(jù)與通過HFE軟件構(gòu)建虛擬人完成實驗任務(wù)所得到的數(shù)據(jù)相比較，旨在驗證人機軟件是否可以真實地評價現(xiàn)實系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，進而評價有關(guān)的效度問題。

(6)數(shù)字人體建模

作為HFE軟件最基礎(chǔ)的功能，數(shù)字人體建?？梢詭椭褂谜咄瓿扇梭w的生物力學(xué)、與人體尺寸相關(guān)的分析。未來的建模軟件還可以在實驗數(shù)據(jù)支持下，在數(shù)字人體建模時融入更多的人的特性數(shù)據(jù)，如視野、視力、聽力、喜好等。

(7)軟件發(fā)展趨勢

人機工程仿真與評價軟件在基礎(chǔ)功能模塊部分逐漸走向成熟，現(xiàn)有的軟件可以幫助科研人員快速地完成產(chǎn)品的工效學(xué)評估。目前，更多的精力聚焦在基于現(xiàn)有軟件的新系統(tǒng)開發(fā)之上，這一方面拓寬了軟件的應(yīng)用場景，另一方面也為軟件的開發(fā)和改進提供了新的思路。未來的人機工程軟件將可提供多種交互方式，深度集成AR、VR、AI和可穿戴技術(shù)，提供更多個性化、定量化的評估結(jié)果。

5 總結(jié)

通過上述文獻調(diào)研，本文發(fā)現(xiàn)中文文獻中的HFE研究更關(guān)注人機界面和人機交互等主題，而英文文獻則聚焦于肌肉骨骼系統(tǒng)、生物力學(xué)和職業(yè)風(fēng)險干預(yù)等主題。總體而言，HFE領(lǐng)域的論文發(fā)表數(shù)量逐漸增加，而研究熱點的變化則表現(xiàn)出HFE的延續(xù)性和適應(yīng)性，肌肉、生物力學(xué)相關(guān)的研究近20年一直是研究熱點，同時新技術(shù)的出現(xiàn)也催生出汽車駕駛、產(chǎn)品設(shè)計、健康、物理治療方法和自動化等新的研究主題，體現(xiàn)出人因與工效學(xué)研究與新技術(shù)相結(jié)合幫助解決其與人的兼容性問題。

發(fā)表在SCI期刊上論文數(shù)量最多的國家近20年未發(fā)生大的改變，大都為英語語系或者近英語語系的少數(shù)發(fā)達國家，只有中國例外；發(fā)表論文數(shù)量最多的十家學(xué)術(shù)機構(gòu)除中國的清華大學(xué)外，其他九家全部來自美國、英國和加拿大。

從使用情況上看，占據(jù)主導(dǎo)地位的HFE軟件是CATIA/DELMIA，最主要的兩個用途是產(chǎn)品的設(shè)計與改進和進行人機工效學(xué)評估；中英文文獻的主要差異在于自研軟件的研究占比。未來HFE軟件有望擁有更多元化的人因?qū)W評價方法，采集更高精度的原始數(shù)據(jù)，并與AR、VR、AI和可穿戴技術(shù)為主的新技術(shù)相結(jié)合，國內(nèi)企業(yè)及科研機構(gòu)應(yīng)抓住機遇，推進軟件的開發(fā)與應(yīng)用。