人因工程與系統工程的集成 第一部分:工業實踐經驗回顧

馮傳宴, 李志忠

(1.清華大學工業工程系, 北京 100084; 2.北京航空航天大學航空科學與工程學院, 北京 100191)

1 引言

對于發生故障會引發嚴重后果的安全關鍵系統,在系統/項目/產品全生命周期各個階段(從概念、開發、生產、使用與保障(也稱運行與維修)到退役的實踐中考慮人的因素(Human Factors,HF)(簡稱人因)可以降低技術風險和成本、提升系統安全和效能[1-6]。此外,當前人工系統的復雜性已上升到前所未有的水平,復雜工業系統的集成產品開發團隊也越來越意識到在系統全生命周期和架構細節中運用系統思維并實踐系統工程(Systems Engineering, SE)的重要性[7]。強調以人為中心的設計(Human-Centered Design, HCD)的HF 和強調以技術為中心的工程(Technology-Centered Engineering)的SE 這2 個學科具有各自顯著的優勢[8],越來越多的研究人員指出有必要在系統全生命周期中對這兩者進行集成[3,9-10]。

然而目前HF 與SE 并未得到很好的集成,存在著研究缺口[11-12]。盡管HF 和SE 學科的研究人員都意識到了這個研究缺口,并在實踐中進行了各自學科的發展與革新[13-15],但目前這些工作還都不夠成熟。HF 和SE 均是以系統為中心的跨學科,且這2 個學科的從業者往往都從各自學科的角度出發(例如系統工程師通常考慮HF 如何適應SE[11]),而對另一學科的認知有限(例如HF 從業者對SE 的相關概念僅有初步了解),這導致兩者之間的集成問題很復雜,相應的研究缺口很大。為了厘清這一研究缺口,通過針對典型安全關鍵領域的工業實踐經驗/成果開展系統全生命周期中HF 與SE 集成方法的文獻回顧,發現目前仍存在以下4 個方面具體問題:①缺乏對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE集成工業實踐經驗的系統性總結;②缺乏對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成相關術語的定義總結和概念辨析;③缺乏對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE集成的技術路線的總結;④缺乏針對HF 與SE 未能很好的集成這一現實問題的解決方案的探索。

本文為人因工程與系統工程的集成系列研究文章的第一部分,主要針對上述第1 方面的研究缺乏開展了HF 與SE 集成的工業實踐經驗回顧。另外幾方面的研究缺乏將在《人因工程與系統工程的集成》系列研究的后續文章進行一一介紹。

2 HF 與SE 集成的工業實踐經驗回顧

本文對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成的工業實踐經驗進行了系統性的總結。如圖1 所示,相應工業實踐經驗的篩選方法為:按照通用、民用航空、載人航天、船舶海事、能源(核能、油氣)、國防軍事、軌道交通這七大典型安全關鍵工業領域(將通用領域也劃定為工業領域之一),從美國、歐洲(含澳大利亞)、中國和其他(針對國際方面)這4 個區域,選取相關組織/機構在工業實踐中已經公開發表的、現行的在系統生命周期中考慮人因工程或人與系統集成(HSI)的行政指令、標準、指南、手冊、報告等典型相關文獻[16-17]。需要注意的是,有許多現行的標準是針對特定系統組成元素的技術、工具、交互和過程而編寫的(如ISO SC37 標準專門用于生物識別),這些標準在本報告中不進行特別的討論[16]。

圖1 HF 與SE 集成工業實踐經驗的篩選方法Fig.1 Screening method for industrial practice experience of HF/SE integration

2.1 通用領域

針對通用領域,選取了國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)、電氣與電子工程師學會(IEEE)、國際系統工程學會(INCOSE)、美國國家標準學會(American National Standards Institute, ANSI)、歐洲標準化委員會(CEN)和中國國家標準化管理委員會(SAC)這七大組織/機構進行了文獻總結,結果見表1。

表1 通用領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 1 Summary of literatures related to HF/SE integration in general areas

作為國際上的三大標準組織(ISO、IEC 和ITU)之一,ISO 在1974 年成立了工效學技術委員會159(Technical Committee, TC159)。該委員會主要負責制定該組織相關的工效國際標準(注:工效與HF 目前已幾無區別),也會和IEC/IEEE成立聯合技術委員會制定專門的工效標準。TC159 由工效學通用原則、人體測量及生物力學、人和系統交互的工效學、物理環境的工效學這4個技術分委會,以及無障礙設計和針對特殊人群的工效學這2 個工作組組成。1981 年,該委員會發布了首個工效學國際標準ISO 6385-1981。ANSI 和CEN 均可能采納相關ISO 標準。SAC 在組織專業人員經過標準化程序可等同采用或修改采用相關ISO 標準,制定國家標準(GB)。此外,ISO/IEC/IEEE 還聯合發布了SE 的相關標準-ISO/IEC/IEEE 24748-1(2018) 系統和軟件工程-生命周期管理-第1 部分:生命周期管理指南、ISO/IEC/IEEE 15288(2015) 系統和軟件工程-系統生命周期過程等。需要注意的是,正文部分首先按照國際、美國、歐洲、中國方面的順序對各個領域的組織/機構進行介紹,而相應的總結表格則按照不同區域(美國、歐洲、中國、其他)的順序進行排列。此外,正文部分會對一些機構的檢索情況進行簡單說明,表格中僅列出檢索到相關文獻的組織機構,其余部分的格式均與該部分相同。

2.2 民用航空

針對民用航空領域,選取了國際自動機工程師學 會(Society of Automotive Engineers International, SAE International)、美國聯邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)、歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency, EASA)、中國民用航空局(Civil Aviation Administration of China, CAAC)這4 大組織/機構進行了文獻總結,結果見表2。SAE International 學會中由SAE Aerospac(簡稱SAE ARP)分委員會負責制定民用航空的相關標準。在美國,FAA 負責制定相關的標準、政策和指南,以支持民用飛機系統的設計、開發和采購。與FAA 相似,歐洲的EASA 和中國的CAAC 也分別承擔類似職能。盡管EASA 和FAA 在條款的細節上略有出入,但整體思想一致[21]。

表2 民用航空領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結[22-27]Table 2 Summary of literature related to HF/SE integration in civil aviation[22-27]

2.3 載人航天

對載人航天領域,選取了美國航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)、中國載人航天(CMS)這3 大機構進行了文獻總結。文獻總結見表3。該表在NASA-SP-2015-3709《人與系統集成從業者指南》(Human Systems Integration (HSI)Practitioner’s Guide)的2.2.2 節[28]和NASA-SP-2016-6105-SUPPL-Vol.2 的7.9.7 節[29]列出的涉及HSI 的文獻的基礎上,進行了NASA 的相關文獻總結。為規范載人航天活動,NASA 發布了NASA 程序性要求(NASA Procedural Requirements, NPR)、NASA 政策指令(NASA Policy Directive, NPD)、技術標準和技術報告。NASA 標準體系由指令文件、技術標準、技術報告和采標標準組成[30]。NASA 指令文件為強制性文件,主要包括NPR 和NPD,其優先級高于技術標準(Standard/Technical Standard)[31]。NASA 的局級指令可分為10 個類別(https:/ /nodis3.gsfc.nasa.gov/main_lib.cfm)。NASA 技術標準包括技術標準、規范和手冊, 這3 者的定義可見 NPR 7120.10A《NASA 計劃和項目中的技術標準》(Technical Standards for NASA Programs and Projects)附錄A,文檔編號為“NASA-STD-”、“NASASPEC-”或“NASA-HDBK-”[32]。NASA 技術標準分成了10 個類別,詳見https:/ /standards.nasa.gov/nasa-technical-standards。NASA 技 術 報 告 包括6 個系列:技術出版物(Technical Publications,TP)、技術備忘錄(Technical Memorandum, TM)、合同報告(CR)、會議出版物(CP)、特殊出版物(Special Publications, SP ) 以及技術譯文(TT)[33]。詳細信息參照NASA/SP-2015-7602-Rev.2《NASA 出版物讀者指南》(NASA Publications Guide for Authors)的2.1.1.1～2.1.1.6 節及其Table 1。命名方式遵照美國標準協會標準,格式為“NASA/TM-YEAR-”,其中TM 為報告類型。采標標準為采用其他政府標準、非政府自愿協調一致標準[30]。

表3 載人航天領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 3 Summary of literatures related to HF/SE integration in manned spaceflight

2.4 船舶海事

針對船舶海事領域,選取國際船級社協會(International Association of Classification Societies,IACS)、國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)、美國船級社(American Bureau of Shipping, ABS)、美國材料實驗協會(American Society of Testing Materials, ASTM)、中國船級社(China Classification Society, CCS) 這 五 大 組織/機構進行了文獻總結,結果見表4。

表4 船舶海事領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 4 Summary of literatures related to HF/SE integration in shipping & marine

2.5 能源

主要對能源領域的核電和油氣(石油和天然氣的簡稱)進行分析。

2.5.1 核電

針對核電能源, 選取國際原子能機構(IAEA)、IEEE、IEC、美國核管理委員會(NRC)、中國國家核安全局(NNSA)、中國SAC、中國國家能源局(NEA)等組織/機構進行了文獻總結。歐洲大部分國家都采用IAEA 法規和導則作為依據,并參考IEEE、IEC 標準制定相關核電HF 標準。國內核安全法規技術文件(HAF)、核安全導則(HAD) 主要參考IAEA 的相關規定(如HAF102 主要參考了“NS-R-1 核電站安全:設計”)[49]。文獻總結見表5。

表5 核電領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 5 Summary of literatures related to HF/SE integration in nuclear power

2.5.2 油氣

針對油氣能源,選取能源研究所(Energy Institute, EI)與國際油氣生產商協會(IOGP)、美國能源局(DOE)、歐盟能源監管合作機構(ACER)、NEA 等組織/機構進行了文獻總結。DOE、ACER和NEA 均未檢索到相關文獻。油氣領域檢索到EI & IOGP(2020) Report 454: Human Factors Engineering in Projects (2nd edition) (454 報告:項目中的人因工程(第2 版))[9]。該報告針對HFE在油氣項目中的有效應用,為工業界提供指導和建議的方法,其既適用于大規模的項目也適合小規模的項目,并為操作者實施HFE 提供額外的指南和示例。

2.6 國防軍事

針對國防軍事領域,選取SAE、DoD、英國國防部(Ministry of Defence, MoD)、中國國防部(Ministry of National Defense of the People’s Republic of China, 簡寫為MoD, PRC)這4 大組織/機構進行了文獻總結。其中DoD SE 中的HSI主要結合MIL-STD-1472 和MIL-STD-46855 進行[56],結果見表6[57]。

表6 國防軍事領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結[57]Table 6 Summary of literatures related to HF/SE integration in defense & military[57]

2.7 軌道交通

針對軌道交通領域,選取國際鐵路聯盟(UIC)、世界地鐵協會(CoMET)、美國聯邦鐵路局(FRA)、英國鐵路行業安全與標準委員會(RSSB)、英國鐵路網基建有公司(NR)、倫敦地鐵公司(LUL)、澳大利亞鐵路工業安全和標準委員會(RISSB)、中國國家鐵路局(簡稱NRA, PRC)等組織/機構進行了文獻總結,結果見表7。RSSB 和NR 未檢索到相關文獻,LUL 發布有LUL-S1217 Integration of Human Factors into Systems Development (將人的因素集成到系統開發中)和LUL-G-217 Good Practice in Human Factors Integration (人因集成的良好實踐),但文獻無法下載。中國的NRA 和UIC/CoMET 均未檢索到相關文獻。

表7 軌道交通領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 7 Summary of literatures related to HF/SE integration in rail transportation

3 結語

本文開展了七大典型安全關鍵領域和4 個區域的相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成的工業實踐經驗的系統性回顧,研究發現,目前典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成的工業實踐經驗相對混亂,除個別組織/機構外,大部分組織/機構的HF 與SE 集成的標準體系很不完善,存在標準規范的碎片化分布、標準之間邏輯關系混亂等問題。該系列后續文章將開展相關術語分析及技術路線總結,以更好厘清“HF 與SE未能很好的集成”這一研究缺口。