人因工程與系統工程的集成 第三部分：技術路線總結和解決方案探索

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

針對人的因素（Human Factors， HF）與系統工程（Systems Engineering， SE）未能很好的集成這一研究缺口，《人因工程與系統工程的集成 第一部分：工業實踐經驗回顧》［1］和《人因工程與系統工程的集成 第二部分：定義總結與概念辨析》［2］已經進行了初步厘清。 在此基礎上，研究人員指出應當使用最近發展起來的人與系統集成（Human-System Integration， HSI）的跨學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 以及其對系統效能的影響缺乏了解可能是應對這一挑戰的核心所在［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（Maneuvering Characteristics Augmentation System， MCAS）設計缺陷，在不到半年的時間內連續發生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知道飛行員花10 s 以上的時間來識別和應對穩定器失控，其結果將是災難性的，但仍提出已獲得737－NG 之前機型認證的飛行員不需要培訓即可過渡到737－MAX 的生產要求［5］。 因此，波音公司的經濟動機影響了其在飛行員培訓要求方面對美國聯邦航空局（FAA）、客戶和737MAX 飛行員的透明度。 波音公司允許經濟因素超過了HSI 問題所帶來的已知風險，最終造成了災難性的后果［6］。

HSI 可以被定義為一種跨學科的、全面的管理和技術過程，側重于將對人的考慮集成到系統獲取和開發過程中，以增強人的系統設計，降低生命周期成本，并優化整個系統效能。 與運作、培訓、人因工程（Human Factors Engineering， HFE）、安全、質量、可維護性與可支持性、可居住性和可生存性相關的人的系統領域設計活動同時考慮，并與所有其他SE 設計活動集成［7］。 HSI 框架集成了與人有關的問題（Human-related Issues）［8］的相關學科（以HFE 為關鍵領域），并采用了SE 的過程／流程技術，這使其融合了HF 和SE 彼此的益處。 但是，國內外學術／工業界對HSI 的認識尚未達成一致，對其所包含技術領域的組成和數量的取舍上存在一定差異，且實踐HSI 的機構也會進行一些調整［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，這導致相關概念尚未被廣泛接受及推廣應用［9］。基于以上背景，主要從HF 從業者的角度出發，嘗試進一步厘清前述研究缺口，并探索相應的解決方案。

2 系統全生命周期中HF 與SE 的集成方法研究

在前文［1-2］基礎上，本研究繼續對后2 個方面研究缺乏進行了回應：①缺乏對典型安全關鍵領域相關組織／機構中涉及HF 與SE 集成的技術路線的總結；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 集成的工業實踐經驗篩選方法

HF 與SE 集成工業實踐經驗的篩選方法見《人因工程與系統工程的集成 第一部分：工業實踐經驗回顧》［1］，此處不再贅述。

2.2 HF 與SE 集成的技術路線總結

目前復雜工業系統實踐中HF 與SE 集成的大多數技術路線并不完全一致，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基礎。 事實上，它們經常相互交叉引用［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 集成的技術路線進行了總結。 具體來說，本小節對HF 與SE 集成的技術路線劃分為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、生命周期相關內容、HFE 或HSI 活動／過程的相關內容、HFE／HSI 相關支撐以及與HF／SE 集成的相關度這5 個條目進行梳理。 其中，生命周期相關內容包括生命周期／過程階段、HFE／HSI 分組（方面／組成／基本活動／過程階段）、系統工程引擎（Systems Engineering Engine， SEE） 等。 “ 與HF／SE 集成的相關度”一欄對相應文獻中采用的技術路線進行相關度判斷，相應標準為：①適用對象是整個該工業領域的系統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HFE／HSI 的活動／過程。

2.2.1 通用領域

通用領域以ISO 和INCOSE 這2 個國際組織為典型代表，相應技術路線的總結見表1。 其中，ISO 暫未涉及HSI。

表1 通用領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 1 Summary of the technical routes of HF／SE integration in general area

2.2.2 民用航空

民用航空領域以FAA 為典型代表，相應技術路線的總結見表2。 該領域暫未見HSI 的工業實踐。

表2 民用航空領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 2 Summary of the technical routes of HF／SE integration in civil aviation

2.2.3 載人航天

載人航天領域以NASA 為典型代表，相應技術路線的總結見表3。 近年來，NASA 的工業實踐均更新為HSI 概念，不再提單獨的HFE。

表3 載人航天領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 3 Summary of the technical routes of HF／SE integration in manned space

2.2.4 船舶海事

船舶海事領域以ABS 和ASTM 這2 大機構為典型代表，相應技術路線的總結見表4。

表4 船舶海事領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 4 Summary of the technical routes of HF／SE integration in shipping ＆ marine

2.2.5 能源

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

表5 核電領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 5 Summary of the technical routes of HF／SE integration in nuclear power

（2）油氣。 油氣領域以能源研究所和國際油氣協會（EI ＆ IOGP）為典型代表，相應技術路線的總結見表6。 該領域主要采用HFE 概念。

表6 油氣領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 6 Summary of the technical routes of HF／SE integration in gas ＆ oil

2.2.6 國防

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

表7 國防軍事領域HF 與SE 集成技術路線的總結Table 7 Summary of the technical routes of HF／SE integration in defense ＆ military

2.2.7 軌道交通

軌道交通領域以FRA 和RISSB 為典型代表，相應技術路線的總結見表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，前者強調在生命周期的各個階段考慮HF。

表8 軌道交通領域HF 與SE 集成技術路線的總結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 集成技術路線的梳理和總結，針對HF 與SE 未得到很好的集成這一現實問題，本研究進一步探索并提出了相應的HSI 解決方案，如圖2。 該解決方案結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，每個步驟包括其關鍵問題、研究方法和預期結果。 步驟1 將在下一篇文章（即《人因工程與系統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 的文獻總結可進一步參考HF-STD－004a、NASA／TP－2014－218556、F1337－10、DoD《國防采辦指導書》 以及MAP 01－011 等文獻［23，26，32，34，41］。 圖3 為NASA 給出的描述HSI 各領域之間關聯的一個典型案例［20］。

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

對于步驟3 中HSI 框架的技術實現，目前基于模型的系統工程（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）等人構建的一個典型HSI 本體域圖［43］。 步驟2 和3 的技術路線將會在后續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 基礎理論相對欠缺，其學科理念有待發展。 關于HF 學科，雖然具有緊迫且廣泛的應用場景，但由于其尚處在發展之中，研究人員對其學科本質仍存在一定的質疑。 其中一個比較大的爭議點在于該學科目前缺乏原創的基礎理論［44］，這在一定程度上限制了其發展，甚至有時候被稱為邊緣學科。 HF 基礎理論可以很好地支撐新興交叉學科的發展，但由于其跨學科屬性和面向工程應用的特點，這使得基礎理論的發現相對困難。伴隨著HF 從業者的持續探索，HF 基礎理論可能伴隨著交叉的相關基礎學科（如認知科學、腦科學等）的發展而被發現，更大的可能是在解決面向安全關鍵的復雜人機緊耦合系統的工程實際問題中應運而生。 此外，伴隨著科技的迅猛發展，對于HF 學科理念的討論產生了劇烈的頭腦風暴。傳統的理解認可HF 強調HCD 理念，但這種情況正處在深入發展或者說劇烈轉變之中。 當下HFE 的內涵已經擴展為包括質量［16］、技術和管理［7，45］這3 個主要維度，呈現HCD 質量控制、全面的技術和管理過程的特點。 因此，為適應科技發展以及滿足國家戰略需要，在復雜工業系統中，HF 的學科理念可能需要從較狹隘的以人為中心的設計深入發展或轉變為以總體效能為中心或以人機協同為中心［46］。

2）生命周期與HF 設計存在概念沖突。 這實質上是一個如何看待HFE 的問題。 根據IEA的定義，HF 是“…學科；…將…應用于設計…的專業”。 該定義指出，HF 的重點在于設計，因此工業實踐中一般的提法為人因設計。 陳善廣等［44］總結，HFE 是設計驅動的，其本質是面向設計、面向系統實現。 傳統上都是在設計階段看HFE，這可能帶來系統生命周期概念與HF 定義的沖突。 而從更宏觀的視野看，設計階段僅是生命周期的一部分，當下HF 的應用已經呈現從設計向生命周期的轉變。 實際上，所有類型工程／研發項目都應當規劃并將HCD 集成到生命周期的所有階段［15，47］。 因此，這兩者并沒有本質的沖突。

3）復雜工業系統中HF 的發展趨勢是HF與SE 的集成，即從HFE 轉向HSI。 首先，HF 學科在不同時期有不同的研究重點，呈現從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，會在設計時分析并考慮任務；③2000 年開始轉向HSI，同時期重點在于為解決軟件和實質的人的系統問題做出系統性的努力，會在設計時觀察并考慮活動。 處理HF學科的代表性國際組織是國際工效學聯合會（International Ergonomics Association， IEA）［49］，而HSI 則是關于復雜問題，主要關注需要人來運行和管理的復雜系統，代表性國際組織是INCOSE［49］。 21 世紀以來，隨著各種人工系統復雜性的顯著提升，SE 思想得到廣泛推廣［50］，呈現了由先硬件后軟件轉向先軟件后硬件的設計思想改變［48］。 在這樣的背景下，復雜工業系統中HF 學科正呈現從HFE 向HSI 發展的趨勢。

其次，從前述的技術路線的梳理和總結來看，相關度為高的文獻共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（文獻發表的時間段為2006－2021 年，1 篇2006 年，其余集中在2015 年之后）的轉變，并呈現從設計過程階段的HFE 活動向生命周期階段的HSI 過程的發展趨勢。 最后，從典型機構的工業實踐來看，在應對系統性的與人有關的問題時，DoD 和NASA 相關指令呈現從HFE 轉變為HSI 的趨勢。 在DoD，1991 年HSI 首次出現在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HSI 的相關內容［54－55］，并在2013 年出現HSI 的定義［56－57］（這是其定義正式出現在NASA 的文檔中［21］）。 在現行的NASA 的項目研發計劃和DoD 的裝備研制采辦中，HSI 已經是一項強制性的要求［7，45］，而不再強調HSI 的某一領域（如HFE）。 綜上，面向復雜工業系統，當前HF 的發展趨勢是HF 與SE的集成，即從HFE 轉向HSI（更確切地說是轉向MBHSI［58－59］）。

3.2 展望

HF 和SE 的從業人員受限于各自的領域知識，對彼此學科知識的認知有限，這導致目前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的努力以促進從業人員之間的交流與討論，例如INCOSE 最新發布的《系統工程手冊》中加入了HSI 的章節，成立了相應的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 系統工程展望還指出HSI 研究將成為系統工程師的一項核心能力［46］；ISO TC159 在2019 年發布了提供HCD 與SE 過程接口的ISO 9241－220；IEEE 也在2018 年成立了相應的HSI 技術委員會。 但目前國際上HSI 的概念仍未引起足夠的重視，而這種情況在國內更為嚴重。

基于此，提出3 點展望。 首先，國內安全關鍵系統的設計理念和開發方法均有待變革，應當在體系或系統層面（或稱計劃和項目角度）確立HSI負責人／領導者（Leader）［20］，組建以HFE 學科為核心的HSI 團隊，制定HSI 計劃，推廣HSI 理念（即HCD 的思維方式［20］），并在工業實踐中深入應用HF 與SE 的集成方法；其次，國外安全關鍵的復雜工業領域早已制定了HSI 相關的強制性要求［7，45］，而國內對HF 的重視還遠遠不夠，目前大多數領域沒有或僅有HFE 相關的標準規范且較多為建議性，缺乏制定并應用相關的強制性HSI標準。 國內有必要在安全關鍵的復雜工業領域制定并推廣關于HSI 的強制性標準或條款；最后，學術／工業界應當盡快組織HSI 的交流平臺，開展HSI 技術的理論探討、實踐交流和應用推廣。 該交流平臺可以由HF 學科的中國人因工程高峰論壇和中國人類工效學學會復雜系統人因與工效學分會（簡稱復雜系統人因分會）、HCI 學科的中國電子學會智能人機交互專家委員會和中國計算機學會人機交互專業委員會，以及SE 學科的中國系統工程學會人－機－環境系統工程專業委員會等組織單獨或聯合搭建。 進一步可融合不同的HSI 研究機構組建國家層面的HSI 委員會，以推廣HSI 的概念與應用。 也可在相關高校開設HSI的學歷和職業教育，發展相關的HSI 教學和研究工作。

此外，基于前述的文獻研究以及筆者個人經驗，本文也提出初步的HF 宇宙框架，以圖促進HF 學科的發展，如圖5。 該HF 宇宙的目標在于搭建HF 學術與工業界（Community）的知識共享虛擬平臺，傳播HF 知識及理念，規范HF 術語，錨定研究范式（典型的有HF 實驗范式），發布HF挑戰任務（研究缺口）等。 HF 從業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 的學科體系。

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

4 結論

針對HF 與SE 未能很好的集成這一研究問題，本文開展了復雜工業系統全生命周期中HF與SE 的集成方法研究，結論如下：

1）通過制定HF 與SE 集成的工業實踐經驗篩選方法，開展了復雜工業系統中HF 與SE 集成的技術路線的總結。 本文對這些技術路線的細節進行了一一闡述，同時還基于制定的判定標準開展了技術路線與HF／SE 集成的相關度的判定。

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 基礎理論相對欠缺，其學科理念有待發展、生命周期與人因設計存在概念沖突、復雜工業系統中HF 的發展趨勢是HF 與SE 的集成，即從HFE 轉向HSI 這3 個方面的討論，并提出了HSI 有關的研究展望和HF 宇宙框架。

本文結果可用于加深學術／工業界對復雜工業系統實踐中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 從業者角度進行的考量，后續步驟涉及的SE 相關概念以及技術的實現仍可能面臨未知的挑戰與困難，有待后續工作的檢驗。