人因工程與系統(tǒng)工程的集成 第三部分：技術(shù)路線總結(jié)和解決方案探索

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

針對人的因素（Human Factors， HF）與系統(tǒng)工程（Systems Engineering， SE）未能很好的集成這一研究缺口，《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］和《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》［2］已經(jīng)進行了初步厘清。 在此基礎(chǔ)上，研究人員指出應(yīng)當(dāng)使用最近發(fā)展起來的人與系統(tǒng)集成（Human-System Integration， HSI）的跨學(xué)科框架來搭建能夠跨越這兩者之間鴻溝的橋梁［3］，并指出對HSI 以及其對系統(tǒng)效能的影響缺乏了解可能是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的核心所在［4］。 一個典型的HSI事故案例是，波音737－MAX8 因機動特性增強系統(tǒng)（Maneuvering Characteristics Augmentation System， MCAS）設(shè)計缺陷，在不到半年的時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生2 起空難，共造成346 人遇難。 報告記載波音公司在測試中已經(jīng)知道飛行員花10 s 以上的時間來識別和應(yīng)對穩(wěn)定器失控，其結(jié)果將是災(zāi)難性的，但仍提出已獲得737－NG 之前機型認證的飛行員不需要培訓(xùn)即可過渡到737－MAX 的生產(chǎn)要求［5］。 因此，波音公司的經(jīng)濟動機影響了其在飛行員培訓(xùn)要求方面對美國聯(lián)邦航空局（FAA）、客戶和737MAX 飛行員的透明度。 波音公司允許經(jīng)濟因素超過了HSI 問題所帶來的已知風(fēng)險，最終造成了災(zāi)難性的后果［6］。

HSI 可以被定義為一種跨學(xué)科的、全面的管理和技術(shù)過程，側(cè)重于將對人的考慮集成到系統(tǒng)獲取和開發(fā)過程中，以增強人的系統(tǒng)設(shè)計，降低生命周期成本，并優(yōu)化整個系統(tǒng)效能。 與運作、培訓(xùn)、人因工程（Human Factors Engineering， HFE）、安全、質(zhì)量、可維護性與可支持性、可居住性和可生存性相關(guān)的人的系統(tǒng)領(lǐng)域設(shè)計活動同時考慮，并與所有其他SE 設(shè)計活動集成［7］。 HSI 框架集成了與人有關(guān)的問題（Human-related Issues）［8］的相關(guān)學(xué)科（以HFE 為關(guān)鍵領(lǐng)域），并采用了SE 的過程／流程技術(shù)，這使其融合了HF 和SE 彼此的益處。 但是，國內(nèi)外學(xué)術(shù)／工業(yè)界對HSI 的認識尚未達成一致，對其所包含技術(shù)領(lǐng)域的組成和數(shù)量的取舍上存在一定差異，且實踐HSI 的機構(gòu)也會進行一些調(diào)整［9］。 另外，實施HSI 的確切過程并不明確。 該概念被不同的機構(gòu)在不同的層次以不同的方式進行著實踐，這些都增加了對HSI 的基本原理和實踐應(yīng)用的困惑［6，9－10］。 很典型的，美國國防部（DoD）、波音和空客的集成商，以及美國航空航天局（NASA）的設(shè)計師采用不同的方式實踐著HSI［10］。 不過，更多的時候并沒有采用HSI這個術(shù)語。 因此，目前HF 與SE 的集成方法研究并不成熟［10］，存在很多需要厘清和解決的問題，這導(dǎo)致相關(guān)概念尚未被廣泛接受及推廣應(yīng)用［9］?；谝陨媳尘?，主要從HF 從業(yè)者的角度出發(fā)，嘗試進一步厘清前述研究缺口，并探索相應(yīng)的解決方案。

2 系統(tǒng)全生命周期中HF 與SE 的集成方法研究

在前文［1-2］基礎(chǔ)上，本研究繼續(xù)對后2 個方面研究缺乏進行了回應(yīng)：①缺乏對典型安全關(guān)鍵領(lǐng)域相關(guān)組織／機構(gòu)中涉及HF 與SE 集成的技術(shù)路線的總結(jié)；②缺乏針對HF 與SE 未能很好的集成這一研究問題的解決方案的探索。 圖1 列出了本文的研究思路。

圖1 研究思路Fig.1 Research ideas in this manuscript

2.1 HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗篩選方法

HF 與SE 集成工業(yè)實踐經(jīng)驗的篩選方法見《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］，此處不再贅述。

2.2 HF 與SE 集成的技術(shù)路線總結(jié)

目前復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)實踐中HF 與SE 集成的大多數(shù)技術(shù)路線并不完全一致，但卻存在一定的相似性。 這是因為它們通常基于相同的核心科學(xué)基礎(chǔ)。 事實上，它們經(jīng)常相互交叉引用［11］（一個典型的交叉引用示例可見SSG－51 的表A－2［12］）。 本小節(jié)對典型安全關(guān)鍵領(lǐng)域相關(guān)組織／機構(gòu)中涉及HF 與SE 集成的技術(shù)路線進行了總結(jié)。 具體來說，本小節(jié)對HF 與SE 集成的技術(shù)路線劃分為HFE 和HSI 這2 個類別（HFI 為歐洲版HSI，此處不再單獨列出），并從文獻信息、生命周期相關(guān)內(nèi)容、HFE 或HSI 活動／過程的相關(guān)內(nèi)容、HFE／HSI 相關(guān)支撐以及與HF／SE 集成的相關(guān)度這5 個條目進行梳理。 其中，生命周期相關(guān)內(nèi)容包括生命周期／過程階段、HFE／HSI 分組（方面／組成／基本活動／過程階段）、系統(tǒng)工程引擎（Systems Engineering Engine， SEE） 等。 “ 與HF／SE 集成的相關(guān)度”一欄對相應(yīng)文獻中采用的技術(shù)路線進行相關(guān)度判斷，相應(yīng)標(biāo)準為：①適用對象是整個該工業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)而非具體的部件元素；②考慮了生命周期階段以及足夠細化的相關(guān)HFE／HSI 的活動／過程。

2.2.1 通用領(lǐng)域

通用領(lǐng)域以ISO 和INCOSE 這2 個國際組織為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表1。 其中，ISO 暫未涉及HSI。

表1 通用領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 1 Summary of the technical routes of HF／SE integration in general area

2.2.2 民用航空

民用航空領(lǐng)域以FAA 為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表2。 該領(lǐng)域暫未見HSI 的工業(yè)實踐。

表2 民用航空領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 2 Summary of the technical routes of HF／SE integration in civil aviation

2.2.3 載人航天

載人航天領(lǐng)域以NASA 為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表3。 近年來，NASA 的工業(yè)實踐均更新為HSI 概念，不再提單獨的HFE。

表3 載人航天領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 3 Summary of the technical routes of HF／SE integration in manned space

2.2.4 船舶海事

船舶海事領(lǐng)域以ABS 和ASTM 這2 大機構(gòu)為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表4。

表4 船舶海事領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 4 Summary of the technical routes of HF／SE integration in shipping ＆ marine

2.2.5 能源

（1）核電。 核電領(lǐng)域以IEEE 和NRC 為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表5。 需要注意的是，NRC 中HSI 為Human-System Interface 的縮寫。

表5 核電領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 5 Summary of the technical routes of HF／SE integration in nuclear power

（2）油氣。 油氣領(lǐng)域以能源研究所和國際油氣協(xié)會（EI ＆ IOGP）為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表6。 該領(lǐng)域主要采用HFE 概念。

表6 油氣領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 6 Summary of the technical routes of HF／SE integration in gas ＆ oil

2.2.6 國防

國防領(lǐng)域以DOD、MOD、中國國防部（MoD，PRC）為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表7。該領(lǐng)域主要提的是HSI／HFI 概念（國內(nèi)將其譯成人機系統(tǒng)整合），HFE 是其研究（技術(shù)）領(lǐng)域之一。

表7 國防軍事領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 7 Summary of the technical routes of HF／SE integration in defense ＆ military

2.2.7 軌道交通

軌道交通領(lǐng)域以FRA 和RISSB 為典型代表，相應(yīng)技術(shù)路線的總結(jié)見表8。 FRA 提出軌道交通采購中需采用HSI。 RISSB 提出HFI（Human factors integration）的概念，需要注意的是RISSB 的HFI 與歐洲的HFI 有所差異，前者強調(diào)在生命周期的各個階段考慮HF。

表8 軌道交通領(lǐng)域HF 與SE 集成技術(shù)路線的總結(jié)Table 8 Summary of the technical routes of HF／SE integration in rail transportation

2.3 HSI 解決方案的提出

基于表1～表8 對HF 與SE 集成技術(shù)路線的梳理和總結(jié)，針對HF 與SE 未得到很好的集成這一現(xiàn)實問題，本研究進一步探索并提出了相應(yīng)的HSI 解決方案，如圖2。 該解決方案結(jié)合所探索的問題進行自頂而下的梳理和分解，從而形成自下而上的解決方案，共包括3 個步驟，每個步驟包括其關(guān)鍵問題、研究方法和預(yù)期結(jié)果。 步驟1 將在下一篇文章（即《人因工程與系統(tǒng)工程的集成第四部分：全生命周期中人因工程分析的基本框架》）中進行詳細介紹。

圖2 HF 與SE 有效集成的HSI 解決方案Fig.2 HSI solution for effective integration of HF and SE

步驟2 的文獻總結(jié)可進一步參考HF-STD－004a、NASA／TP－2014－218556、F1337－10、DoD《國防采辦指導(dǎo)書》 以及MAP 01－011 等文獻［23，26，32，34，41］。 圖3 為NASA 給出的描述HSI 各領(lǐng)域之間關(guān)聯(lián)的一個典型案例［20］。

圖3 HSI 各領(lǐng)域之間的交互舉例Fig.3 Example of interactions between HSI domains

對于步驟3 中HSI 框架的技術(shù)實現(xiàn)，目前基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering， MBSE）的HSI（或稱之為MBHSI）尚處于較低的成熟度水平，有待進一步的完善和改進［42］。 圖4 為Orellana ＆ Madni（2014）等人構(gòu)建的一個典型HSI 本體域圖［43］。 步驟2 和3 的技術(shù)路線將會在后續(xù)論文中進行詳細介紹。

圖4 HSI 本體域圖Fig.4 HSI ontology domain diagram

3 討論與展望

3.1 討論

1）HF 基礎(chǔ)理論相對欠缺，其學(xué)科理念有待發(fā)展。 關(guān)于HF 學(xué)科，雖然具有緊迫且廣泛的應(yīng)用場景，但由于其尚處在發(fā)展之中，研究人員對其學(xué)科本質(zhì)仍存在一定的質(zhì)疑。 其中一個比較大的爭議點在于該學(xué)科目前缺乏原創(chuàng)的基礎(chǔ)理論［44］，這在一定程度上限制了其發(fā)展，甚至有時候被稱為邊緣學(xué)科。 HF 基礎(chǔ)理論可以很好地支撐新興交叉學(xué)科的發(fā)展，但由于其跨學(xué)科屬性和面向工程應(yīng)用的特點，這使得基礎(chǔ)理論的發(fā)現(xiàn)相對困難。伴隨著HF 從業(yè)者的持續(xù)探索，HF 基礎(chǔ)理論可能伴隨著交叉的相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科（如認知科學(xué)、腦科學(xué)等）的發(fā)展而被發(fā)現(xiàn)，更大的可能是在解決面向安全關(guān)鍵的復(fù)雜人機緊耦合系統(tǒng)的工程實際問題中應(yīng)運而生。 此外，伴隨著科技的迅猛發(fā)展，對于HF 學(xué)科理念的討論產(chǎn)生了劇烈的頭腦風(fēng)暴。傳統(tǒng)的理解認可HF 強調(diào)HCD 理念，但這種情況正處在深入發(fā)展或者說劇烈轉(zhuǎn)變之中。 當(dāng)下HFE 的內(nèi)涵已經(jīng)擴展為包括質(zhì)量［16］、技術(shù)和管理［7，45］這3 個主要維度，呈現(xiàn)HCD 質(zhì)量控制、全面的技術(shù)和管理過程的特點。 因此，為適應(yīng)科技發(fā)展以及滿足國家戰(zhàn)略需要，在復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中，HF 的學(xué)科理念可能需要從較狹隘的以人為中心的設(shè)計深入發(fā)展或轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥傮w效能為中心或以人機協(xié)同為中心［46］。

2）生命周期與HF 設(shè)計存在概念沖突。 這實質(zhì)上是一個如何看待HFE 的問題。 根據(jù)IEA的定義，HF 是“…學(xué)科；…將…應(yīng)用于設(shè)計…的專業(yè)”。 該定義指出，HF 的重點在于設(shè)計，因此工業(yè)實踐中一般的提法為人因設(shè)計。 陳善廣等［44］總結(jié)，HFE 是設(shè)計驅(qū)動的，其本質(zhì)是面向設(shè)計、面向系統(tǒng)實現(xiàn)。 傳統(tǒng)上都是在設(shè)計階段看HFE，這可能帶來系統(tǒng)生命周期概念與HF 定義的沖突。 而從更宏觀的視野看，設(shè)計階段僅是生命周期的一部分，當(dāng)下HF 的應(yīng)用已經(jīng)呈現(xiàn)從設(shè)計向生命周期的轉(zhuǎn)變。 實際上，所有類型工程／研發(fā)項目都應(yīng)當(dāng)規(guī)劃并將HCD 集成到生命周期的所有階段［15，47］。 因此，這兩者并沒有本質(zhì)的沖突。

3）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。 首先，HF 學(xué)科在不同時期有不同的研究重點，呈現(xiàn)從Correction，Interaction 到Integration 的 特 點［48］。 具體來說：①1950 年以來的HF／E 或HFE，早期其重點在于研究硬件和人的物理特性問題，在一切都建好之后觀察活動；②1980 年之后出現(xiàn)了人機交互（Human Computer Interaction， HCI），其重點為研究軟件（作為硬件的附加組成，即自動化）和人的認知問題，會在設(shè)計時分析并考慮任務(wù)；③2000 年開始轉(zhuǎn)向HSI，同時期重點在于為解決軟件和實質(zhì)的人的系統(tǒng)問題做出系統(tǒng)性的努力，會在設(shè)計時觀察并考慮活動。 處理HF學(xué)科的代表性國際組織是國際工效學(xué)聯(lián)合會（International Ergonomics Association， IEA）［49］，而HSI 則是關(guān)于復(fù)雜問題，主要關(guān)注需要人來運行和管理的復(fù)雜系統(tǒng)，代表性國際組織是INCOSE［49］。 21 世紀以來，隨著各種人工系統(tǒng)復(fù)雜性的顯著提升，SE 思想得到廣泛推廣［50］，呈現(xiàn)了由先硬件后軟件轉(zhuǎn)向先軟件后硬件的設(shè)計思想改變［48］。 在這樣的背景下，復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中HF 學(xué)科正呈現(xiàn)從HFE 向HSI 發(fā)展的趨勢。

其次，從前述的技術(shù)路線的梳理和總結(jié)來看，相關(guān)度為高的文獻共22 篇，其中采用HCD或HFE 活動／過程有15 篇，采用HSI 活動／過程的文獻為7 篇。 存在由HFE（文獻發(fā)表的時間段為2000－2021 年，1 篇2000 年，1 篇2006 年，其余集中在2011 年之后）向HSI（文獻發(fā)表的時間段為2006－2021 年，1 篇2006 年，其余集中在2015 年之后）的轉(zhuǎn)變，并呈現(xiàn)從設(shè)計過程階段的HFE 活動向生命周期階段的HSI 過程的發(fā)展趨勢。 最后，從典型機構(gòu)的工業(yè)實踐來看，在應(yīng)對系統(tǒng)性的與人有關(guān)的問題時，DoD 和NASA 相關(guān)指令呈現(xiàn)從HFE 轉(zhuǎn)變?yōu)镠SI 的趨勢。 在DoD，1991 年HSI 首次出現(xiàn)在DoD 5000 系列［51］，并在2003 形成了正式的HSI 政策表述［52－53］。 在NASA，2008 年首先出現(xiàn)HSI 的相關(guān)內(nèi)容［54－55］，并在2013 年出現(xiàn)HSI 的定義［56－57］（這是其定義正式出現(xiàn)在NASA 的文檔中［21］）。 在現(xiàn)行的NASA 的項目研發(fā)計劃和DoD 的裝備研制采辦中，HSI 已經(jīng)是一項強制性的要求［7，45］，而不再強調(diào)HSI 的某一領(lǐng)域（如HFE）。 綜上，面向復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)，當(dāng)前HF 的發(fā)展趨勢是HF 與SE的集成，即從HFE 轉(zhuǎn)向HSI（更確切地說是轉(zhuǎn)向MBHSI［58－59］）。

3.2 展望

HF 和SE 的從業(yè)人員受限于各自的領(lǐng)域知識，對彼此學(xué)科知識的認知有限，這導(dǎo)致目前HF與SE 的集成存在研究缺口。 近年來，一些國際組織做出了相應(yīng)的努力以促進從業(yè)人員之間的交流與討論，例如INCOSE 最新發(fā)布的《系統(tǒng)工程手冊》中加入了HSI 的章節(jié)，成立了相應(yīng)的HSI 工作組（HSI Working Group， HSIWG），并于2016 年舉辦了首屆HSI 的工作坊［49］，最新的2035 系統(tǒng)工程展望還指出HSI 研究將成為系統(tǒng)工程師的一項核心能力［46］；ISO TC159 在2019 年發(fā)布了提供HCD 與SE 過程接口的ISO 9241－220；IEEE 也在2018 年成立了相應(yīng)的HSI 技術(shù)委員會。 但目前國際上HSI 的概念仍未引起足夠的重視，而這種情況在國內(nèi)更為嚴重。

基于此，提出3 點展望。 首先，國內(nèi)安全關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計理念和開發(fā)方法均有待變革，應(yīng)當(dāng)在體系或系統(tǒng)層面（或稱計劃和項目角度）確立HSI負責(zé)人／領(lǐng)導(dǎo)者（Leader）［20］，組建以HFE 學(xué)科為核心的HSI 團隊，制定HSI 計劃，推廣HSI 理念（即HCD 的思維方式［20］），并在工業(yè)實踐中深入應(yīng)用HF 與SE 的集成方法；其次，國外安全關(guān)鍵的復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域早已制定了HSI 相關(guān)的強制性要求［7，45］，而國內(nèi)對HF 的重視還遠遠不夠，目前大多數(shù)領(lǐng)域沒有或僅有HFE 相關(guān)的標(biāo)準規(guī)范且較多為建議性，缺乏制定并應(yīng)用相關(guān)的強制性HSI標(biāo)準。 國內(nèi)有必要在安全關(guān)鍵的復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域制定并推廣關(guān)于HSI 的強制性標(biāo)準或條款；最后，學(xué)術(shù)／工業(yè)界應(yīng)當(dāng)盡快組織HSI 的交流平臺，開展HSI 技術(shù)的理論探討、實踐交流和應(yīng)用推廣。 該交流平臺可以由HF 學(xué)科的中國人因工程高峰論壇和中國人類工效學(xué)學(xué)會復(fù)雜系統(tǒng)人因與工效學(xué)分會（簡稱復(fù)雜系統(tǒng)人因分會）、HCI 學(xué)科的中國電子學(xué)會智能人機交互專家委員會和中國計算機學(xué)會人機交互專業(yè)委員會，以及SE 學(xué)科的中國系統(tǒng)工程學(xué)會人－機－環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)委員會等組織單獨或聯(lián)合搭建。 進一步可融合不同的HSI 研究機構(gòu)組建國家層面的HSI 委員會，以推廣HSI 的概念與應(yīng)用。 也可在相關(guān)高校開設(shè)HSI的學(xué)歷和職業(yè)教育，發(fā)展相關(guān)的HSI 教學(xué)和研究工作。

此外，基于前述的文獻研究以及筆者個人經(jīng)驗，本文也提出初步的HF 宇宙框架，以圖促進HF 學(xué)科的發(fā)展，如圖5。 該HF 宇宙的目標(biāo)在于搭建HF 學(xué)術(shù)與工業(yè)界（Community）的知識共享虛擬平臺，傳播HF 知識及理念，規(guī)范HF 術(shù)語，錨定研究范式（典型的有HF 實驗范式），發(fā)布HF挑戰(zhàn)任務(wù)（研究缺口）等。 HF 從業(yè)人員可以基于該框架開展較為全面的HF 研究與探索，梳理并填補仍存在的研究問題，從而厘清及完善HF 的學(xué)科體系。

圖5 人因宇宙架構(gòu)Fig.5 HF universe architecture

4 結(jié)論

針對HF 與SE 未能很好的集成這一研究問題，本文開展了復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)全生命周期中HF與SE 的集成方法研究，結(jié)論如下：

1）通過制定HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗篩選方法，開展了復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中HF 與SE 集成的技術(shù)路線的總結(jié)。 本文對這些技術(shù)路線的細節(jié)進行了一一闡述，同時還基于制定的判定標(biāo)準開展了技術(shù)路線與HF／SE 集成的相關(guān)度的判定。

2）探索了包括3 個步驟的HF 與SE 有效集成HSI 解決方案。

3）開展了HF 基礎(chǔ)理論相對欠缺，其學(xué)科理念有待發(fā)展、生命周期與人因設(shè)計存在概念沖突、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 這3 個方面的討論，并提出了HSI 有關(guān)的研究展望和HF 宇宙框架。

本文結(jié)果可用于加深學(xué)術(shù)／工業(yè)界對復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)實踐中HF 與SE 集成的認識，并為解決前述研究問題提供參考。 此外，本文仍存在不足之處：HF 與SE 未能很好的集成，這一研究問題的解決方案更多的是基于HF 從業(yè)者角度進行的考量，后續(xù)步驟涉及的SE 相關(guān)概念以及技術(shù)的實現(xiàn)仍可能面臨未知的挑戰(zhàn)與困難，有待后續(xù)工作的檢驗。