人因工程與系統(tǒng)工程的集成第二部分:定義總結(jié)與概念辨析

馮傳宴, 李志忠

(1.清華大學(xué)工業(yè)工程系, 北京 100084; 2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191)

1 引言

在前文(《人因工程與系統(tǒng)工程的集成 第一部分:工業(yè)實踐經(jīng)驗回顧》)[1]的基礎(chǔ)上,本文作為《人因工程與系統(tǒng)工程的集成》系列研究文章的第二部分,主要針對第二方面的研究缺乏開展了人的因素(Human Factors, HF)(簡稱人因)與系統(tǒng)工程(Systems Engineering, SE)集成相關(guān)術(shù)語的定義總結(jié)與概念辨析。

2 相關(guān)術(shù)語的定義總結(jié)與概念辨析

2.1 HF 與SE 集成相關(guān)術(shù)語定義采用情況

結(jié)合前文的文獻(xiàn)總結(jié),以下相關(guān)術(shù)語在工業(yè)實踐中被采用:人與系統(tǒng)集成(Human-System Integration, HSI)/人因集成(Human Factors Integration, HFI)[2]、人的因素(HF)、人因工程(Human Factors Engineering, HFE)、工效(Ergonomics)、人的工程(Human Engineering)、人的要素(Human Element)、以人為中心的設(shè)計(Human-Centered Design, HCD),其中HFI 是歐洲版HSI,通常被英國國防部(Ministry of Defense, MoD)使用。此處列出了這些術(shù)語的中文表述及其英文表述或英文簡稱,為不產(chǎn)生歧義且考慮到其定義均源自外文文獻(xiàn),梳理時均采用其英文表述或英文簡稱。為控制文章篇幅,本研究不再按7 大領(lǐng)域4 個區(qū)域的組織/機(jī)構(gòu)對上述術(shù)語定義的采用情況進(jìn)行梳理和匯總。需要注意的是,區(qū)別于前文的表格,本研究的表格內(nèi)容進(jìn)行了簡化,不再列出細(xì)分領(lǐng)域和文獻(xiàn)類型等信息。

從匯總結(jié)果來看,同一術(shù)語的定義在不同領(lǐng)域的組織/機(jī)構(gòu)之間存在一定差異(表現(xiàn)為各有一定的側(cè)重點),同一組織/機(jī)構(gòu)也出現(xiàn)了相似術(shù)語的混用等問題,這與其所處領(lǐng)域特定時期的科技發(fā)展現(xiàn)狀及工業(yè)歷史經(jīng)驗傳承有關(guān)。每個組織/機(jī)構(gòu)都會捍衛(wèi)自己的定義,對相關(guān)術(shù)語的定義還沒有出現(xiàn)最終的統(tǒng)一定義[2],但已經(jīng)呈現(xiàn)漸趨一致的趨勢。

2.1.1 HSI/HFI

2003 年,美國國會要求美國國防部(Department of Defense, DoD)將HSI 納入其采購過程,這一國會授權(quán)引發(fā)了關(guān)于HSI 定義的廣泛辯論[3]。值得注意的是,由于SE 和項目管理的方法不同,HSI/HFI 的定義在不同的政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)和學(xué)術(shù)界有所不同,而不僅僅是在某一機(jī)構(gòu)內(nèi)部(如NASA)[4-5]。除能源領(lǐng)域未見其定義外,其他領(lǐng)域均給出了相似的術(shù)語定義。目前以NASA 和DoD 給出的定義較為詳細(xì)[5-7]。另外,INCOSE 也給出了較為簡潔的定義[8]。中國目前主要是國防軍事領(lǐng)域的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)在使用“人機(jī)系統(tǒng)整合”這一術(shù)語(GJB 的相應(yīng)內(nèi)容主要譯自DoD 或MoD 的軍用標(biāo)準(zhǔn))[9]。此外,中國載人航天領(lǐng)域的《NASA 人系統(tǒng)整合標(biāo)準(zhǔn)與指南譯叢》將HSI 譯為“人-系統(tǒng)整合”,并對NASA 的HSI 流程進(jìn)行了相應(yīng)介紹[10]。

2.1.2 HF、HFE、Ergonomics、Human Engineering和Human Element

從學(xué)科發(fā)展歷程來看,HF 和Ergonomics 是相對獨立卻又相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科,有著一段時期的并存歷史[2,11]。Ergonomics 的重點是設(shè)計安全、舒適、方便的人的績效以及與系統(tǒng)物理特性的交互[2]。HF 是在系統(tǒng)的設(shè)計和操作中獲取和應(yīng)用人的能力和局限性知識以提高性能、安全性和用戶滿意度的學(xué)科或過程[2]。

目前一般認(rèn)為這兩者趨向一致,可認(rèn)為Human Factors 與Ergonomics 等價并簡稱為HF/E,現(xiàn)在廣泛認(rèn)可國際工效學(xué)聯(lián)合會(International Ergonomics Association, IEA)對其的定義[12-13]。HFE 與Human Engineering 通常等價,梳理的結(jié)果指向了2 種主要的觀點:①采用IEA 對HF/E 的定義;②兩者是HSI 研究領(lǐng)域之一[6,8,14-16]。Human Element 的定義強(qiáng)調(diào)對利益攸關(guān)者-人的要素問題的研究[17]。

根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié),按領(lǐng)域匯總后的術(shù)語定義見表1。上述術(shù)語在不同領(lǐng)域的定義存在一定差異,一些領(lǐng)域的組織/機(jī)構(gòu)(主要是美國的機(jī)構(gòu),如民用航空領(lǐng)域的美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)、能源(核電)領(lǐng)域的美國核管理委員會(NRC)、國防領(lǐng)域的國際自動機(jī)工程師學(xué)會(SAE)、美國國防部(DoD))均給出了其自己的定義。比較典型的是HFE,其定義(或使用)因應(yīng)用領(lǐng)域不同而關(guān)注不同的重點。在航空領(lǐng)域,其與HF 等價[14],關(guān)注新型儀表、設(shè)備引發(fā)的HF 問題[33];在船舶海事領(lǐng)域,其與Ergonomics 等價,關(guān)注物理設(shè)備布置相關(guān)的工效問題[20];在國防軍事領(lǐng)域,其與Human Engineering等價,關(guān)注與人的能力和局限性相關(guān)的人的工程,以利于實現(xiàn)人與系統(tǒng)的集成[31]。另外,Human Engineering 主要被國防領(lǐng)域(例如SAE 和DoD)和船舶海事領(lǐng)域(例如美國材料實驗協(xié)會(ASTM))所采用,目前該術(shù)語已經(jīng)逐漸的被HF從業(yè)者所拋棄[34]。Human Element 主要在船舶海事領(lǐng)域(例如IACS)使用。目前國內(nèi)通用領(lǐng)域的相關(guān)GB 將HF/E 譯成人因?qū)W/人類工效學(xué)[35];民用航空領(lǐng)域的CCAR-25-R4(譯自FAR 25)將HF 譯成人為因素[36];核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(譯自IEEE)將HFE 譯為人因工程;國防軍事領(lǐng)域的GJB 將Human Engineering 譯成人機(jī)工程[37]。船舶海事領(lǐng)域的CCS 相關(guān)指南(譯自IACS)將Human Element、Ergonomics 分別譯成人為因素、人體工程學(xué)[38]。

表1 HF 與SE 集成相關(guān)術(shù)語定義的分領(lǐng)域文獻(xiàn)總結(jié)Table 1 Summary of definitions of terms related to HF/SE integration in different domains

2.1.3 HCD

目前廣泛采用ISO 對HCD 的定義[39],該定義也被國防軍事(例如MoD)、軌道交通(例如澳大利亞鐵路工業(yè)安全和標(biāo)準(zhǔn)委員會)等領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)所采納。載人航天(例如NASA)也提出了其HCD 定義。GB 將其譯為以人為中心的設(shè)計[40]。

通過上述的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn),目前HF 相關(guān)術(shù)語存在定義的不一致和概念的使用不規(guī)范問題。不同領(lǐng)域的組織/機(jī)構(gòu)對HF 相關(guān)術(shù)語的定義不一致,同一組織/機(jī)構(gòu)也出現(xiàn)了相似術(shù)語的混用?？紤]到HF 學(xué)科是一個舶來品,國內(nèi)學(xué)術(shù)/工業(yè)界在翻譯和應(yīng)用相關(guān)術(shù)語和概念時出現(xiàn)了一定程度的譯文不準(zhǔn)確、概念使用不規(guī)范、更新較緩慢等問題。例如:①M(fèi)IL-STD-46855A 已將GJB 的人機(jī)工程(Human Engineering)[37]與Human Factors Engineering 等價[31],相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有待補(bǔ)充相應(yīng)的闡述和說明。②CCAR-25-R4 將FAA 采用的Human Factors 譯成人為因素[36],而GB 將ISO 標(biāo)準(zhǔn)采用的Ergonomics 譯成人類工效學(xué)[35]。研究人員對此可能存在不一致的理解。上述問題可能會帶來初學(xué)者對于相關(guān)概念的困惑與混淆,因此標(biāo)準(zhǔn)化HF 相關(guān)術(shù)語的定義(ISO 已經(jīng)承擔(dān)了部分工作)并規(guī)范相關(guān)概念的使用,具有一定的現(xiàn)實意義。針對這一情況,下文進(jìn)一步進(jìn)行了相關(guān)術(shù)語的概念辨析。

2.2 HF 與SE 集成相關(guān)術(shù)語的概念辨析

對HF 與SE 集成相關(guān)學(xué)科的理解不深將導(dǎo)致對其流程和原則的有效實施構(gòu)成障礙(Roadblock)[41-43]。目前,研究人員針對HF 與SE 集成相關(guān)術(shù)語之間的差異并未達(dá)成共識[44-45]。為便于開展后續(xù)工作,本研究進(jìn)行以下幾組術(shù)語的概念辨析:① HF/E 與HFE;② HF/E 與HSI/HFI;③ HFE 與HSI/HFI;④ HCD 與HFE、HSI/HFI。

2.2.1 HF/E 與HFE

Ergonomics 最早由波蘭科學(xué)家Jastrzebowski提出并進(jìn)行定義,該詞由希臘詞Ergon 和nomos衍生而來,前者表示工作和努力,后者表示法律或用 法, 旨 在 研 究 “工 作”(“The study of work”)[46-47]。1949 年,Ergonomics 被Murrell 引入工效學(xué)領(lǐng)域,并進(jìn)一步在1950 年1 月英國劍橋舉行的一次學(xué)術(shù)會議上被與會的學(xué)者正式確立為研究領(lǐng)域的新學(xué)會的名字[46-47]。1956 年,美國成立了正式的學(xué)會,但是卻采用Human Factors(HF)來替代Ergonomics[46]。目前看來這兩者重疊的范圍非常大,因此出于實際目的,通常認(rèn)為這2 個術(shù)語是同義的,并互換使用[25,46-48]。為適應(yīng)這種情況,之前2 個主要的專業(yè)學(xué)會,以美國為中心的HF 學(xué)會和以英國為中心的Ergonomics 學(xué)會,都更改了它們的名字,所以有了美國人因與工效學(xué)會(Human Factors and Ergonomics Society,HFES)和英國工效與人因協(xié)會(Chartered Institute for Ergonomics and Human Factors, CIEHF)[48]。

另外,Engineering 一詞通常被添加或替換以表示應(yīng)用,如Human (Factors) Engineering[46],有研究機(jī)構(gòu)指出“HFE 專注于應(yīng)用HF 知識來設(shè)計和構(gòu)建社會技術(shù)系統(tǒng)”,該定義區(qū)分了非常廣泛的HF學(xué)科和HFE,即HFE 為HF 的子集[25,48]。

前述的文獻(xiàn)總結(jié)指出HFE 包括2 種主要的定義。當(dāng)HFE 采用IEA 的定義,則其與HF/E 等價,該定義可以理解為通用、基礎(chǔ)的學(xué)科定義。當(dāng)HFE 采用DoD 和FAA 給出的定義[6,14]時,則HF/E 與HFE 的區(qū)別在于前者重點在指學(xué)科知識本身,而后者則重點在HF 學(xué)科知識的工程應(yīng)用。HFE 描述了人的能力和局限性,并將這些知識應(yīng)用到工程硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計中,因此有的時候它也被稱為可用性工程、認(rèn)知工效或以用戶為中心的設(shè)計[2]。本質(zhì)上HF/E 與HFE 是一致的,其目標(biāo)在于將人的特性知識應(yīng)用于設(shè)計安全、更高效的系統(tǒng)[2]。

2.2.2 HF/E 與HSI/HFI

對HSI/HFI 進(jìn)行描述時,有時會采用HF 領(lǐng)域來表征與人有關(guān)的問題或以人為中心的領(lǐng)域或?qū)W科/關(guān)切(Human Centered Domains/Human Centered Disciplines and Concerns)[8]。這些技術(shù)領(lǐng)域/學(xué)科包括HFE、安全、訓(xùn)練、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等[49],HSI/HFI 涉及到對這些HF 領(lǐng)域的權(quán)衡[8]。采用HSI/HFI 過程分析和處理與人有關(guān)的問題時應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)的應(yīng)用HF 的方法和技術(shù),并借鑒人的科學(xué)知識(Human Science Knowledge)[44,50]。

2.2.3 HFE 與HSI/HFI

很多時候,人們對HFE 和HSI 所包含的內(nèi)容存在誤解。有研究人員指出HSI 是HFE 的一個新名字,這是不正確的[51]。首先,工程界主要認(rèn)為系統(tǒng)是硬件和軟件的集成或組合以共同實現(xiàn)某種功能,而HSI 則認(rèn)為系統(tǒng)是硬件、軟件、人、數(shù)據(jù)、程序和流程等的集成,并考慮系統(tǒng)所處的環(huán)境[5]。其次,HFE 專注于具體問題的設(shè)計技術(shù)方面,而HSI 專注于技術(shù)開發(fā)過程并協(xié)作集成了多個領(lǐng)域的廣泛問題[51],即HSI 擴(kuò)大了HFE 的研究范圍。這導(dǎo)致HFE 僅是HSI 研究領(lǐng)域之一,但由于其與裝備設(shè)計最相關(guān)[44],因此也是最核心的研究領(lǐng)域[2,28]。然后,HSI 關(guān)注利益攸關(guān)者,HSI中的人指的是所有與特定系統(tǒng)有關(guān)的人員,包括所有以任何身份與系統(tǒng)交互的人員[8],如所有者、使用者、客戶、設(shè)計者、操作者、維護(hù)者、裝配者、物流供應(yīng)商、培訓(xùn)人員、測試人員以及其他人員[5]。盡管HFE 也在概念階段指出了對利益攸關(guān)者的考慮但并不系統(tǒng),其更多的關(guān)注點在于終端用戶(End-User)[52]。此外,HSI/HFI 與HFE 實踐的另一個區(qū)別在于前者是關(guān)于過程的[15],不涉及具體的工具和方法,而后者更多的是結(jié)合當(dāng)前適用的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、工具和方法。從具體型號的工程應(yīng)用來看,后者可以獲得迅速的回報。但從系統(tǒng)的角度來看,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)可能無法適用后續(xù)的發(fā)展需要。最后,HSI 作為SE 的過程之一,其重點是(安全、效率等屬性的)權(quán)衡和(技術(shù)元素和人的要素的)平衡,通過建立供選擇的權(quán)衡庫,以使所有元素和諧地工作, 保證任務(wù)成功[8,28,31,53]。即,HSI 是關(guān)于平衡、權(quán)衡和妥協(xié),是關(guān)于通用而非特殊[51]。而HFE 一定程度上存在安全、效率的先后順序[11](即把保障安全放在首位)。

另外,當(dāng)下HFE 的概念也處于豐富拓展之中,陳善廣等[11,54]從5 個方面對HFE 的概念進(jìn)行闡述,見表2。也有文獻(xiàn)曾詳細(xì)總結(jié)過HFE 和HSI 之間的差異[2],但這種差異正在逐漸縮小。表現(xiàn)在以下方面:①強(qiáng)調(diào)在全生命周期中進(jìn)行HF考量[12,55],而不局限于設(shè)計開發(fā)過程;②基于人因準(zhǔn)則(Criteria-Based Evaluation)的評估[13],而非僅基于科學(xué);③采用HCD 過程并處理更為廣泛的問題[39],而非僅針對特定問題;④廣義的HF也涉及了HSI 中除HFE 之外的研究領(lǐng)域,如健康、訓(xùn)練等, 并且開始采用HCD 的過程模型[39,56],以更好融入SE 過程(ISO 9241-220 ∶2019 是由ISO 9241-210 ∶2010 的修改細(xì)化而來),而非僅是技術(shù)學(xué)科。對照本研究的核心目的-實現(xiàn)HF 和SE 的有效集成來看,目前的關(guān)鍵/難點即在于以技術(shù)為中心的工程方法和HCD理念的結(jié)合。有研究人員就指出,HCD 與SE 過程的結(jié)合即是HSI 的一種表達(dá)[57-58]。

表2 HFE 概念描述Table 2 Description of the HFE concept

2.2.4 HCD 與HFE、HSI/HFI

HCD 采用以人為中心的視角,是一種設(shè)計理念,涉及用來確保設(shè)計適應(yīng)人的能力和局限性的諸多方法[49]。HCD 的理念在HFE 和HSI/HFI 領(lǐng)域都獲得認(rèn)可并推動了HFE 和HSI/HFI 的發(fā)展。HSI 是SE 過程的子集[44],在SE 過程中建立以人為中心的原則和關(guān)注點,以改進(jìn)整個系統(tǒng)的設(shè)計和效能[8]。一定程度上,HSI/HFI 可以理解為是DoD/MoD 使 用HCD 的 特 殊 版 本[44]。另 外,Boy[57]指出HSI = HCD + SE,例如NASA 就采用HCD 方法和過程來滿足HSI 和適人性要求[49]。NASA 指出HSI 作為SE 過程的固有部分,應(yīng)用并集成了包括HFE 在內(nèi)的多個領(lǐng)域,并采用HCD方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計[15]。HSI 過程應(yīng)當(dāng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,能夠適用于軍事、工業(yè)組織結(jié)構(gòu)以及商業(yè)過程,而ISO 9241-220 中的HCD 過程即具有這種特征[44]。因此,HSI 通常采用HCD 過程[8],從而成為SE 過程的一部分[2]。

綜上,針對上述幾組相關(guān)術(shù)語,相應(yīng)的辨析結(jié)果可以比較簡單的總結(jié)為:①HFE ≤ HF/E;②HF/E 與HSI/HFI 相關(guān)聯(lián);③HFE ≤ HSI/HFI;④HCD ≤HFE;⑤HCD ≤ HSI/HFI。

3 結(jié)論

通過前述HF 與SE 集成相關(guān)術(shù)語的定義總結(jié)與概念辨析,結(jié)論如下:

1)不同領(lǐng)域、不同區(qū)域組織/機(jī)構(gòu)的話語體系不一致,存在術(shù)語定義不統(tǒng)一、相似術(shù)語混用等問題,這些問題的存在給HF 與SE 集成方法的研究帶來了一定的困難。

2)HF 與SE 集成的相關(guān)術(shù)語之間存在一定的差異,可以簡單的總結(jié)為“HFE ≤ HF/E”、“HF/E 與 HSI/HFI 相 關(guān) 聯(lián)”以 及“HCD ≤HFE ≤ HSI/HFI”,學(xué)術(shù)/工業(yè)界對這種差異的認(rèn)識還略顯不足。

復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中HF 的發(fā)展趨勢是HF 與SE的集成,即從HFE 轉(zhuǎn)向HSI。但必須引起重視的是,HF 從業(yè)者對HSI 概念的認(rèn)識還十分有限,有待進(jìn)一步加強(qiáng)。后續(xù)部分將對這一發(fā)展趨勢及HSI 解決方案探索進(jìn)行詳細(xì)介紹。