人因工程与系统工程的集成 第一部分:工业实践经验回顾

冯传宴, 李志忠

(1.清华大学工业工程系, 北京 100084; 2.北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京 100191)

1 引言

对于发生故障会引发严重后果的安全关键系统,在系统/项目/产品全生命周期各个阶段(从概念、开发、生产、使用与保障(也称运行与维修)到退役的实践中考虑人的因素(Human Factors,HF)(简称人因)可以降低技术风险和成本、提升系统安全和效能[1-6]。此外,当前人工系统的复杂性已上升到前所未有的水平,复杂工业系统的集成产品开发团队也越来越意识到在系统全生命周期和架构细节中运用系统思维并实践系统工程(Systems Engineering, SE)的重要性[7]。强调以人为中心的设计(Human-Centered Design, HCD)的HF 和强调以技术为中心的工程(Technology-Centered Engineering)的SE 这2 个学科具有各自显著的优势[8],越来越多的研究人员指出有必要在系统全生命周期中对这两者进行集成[3,9-10]。

然而目前HF 与SE 并未得到很好的集成,存在着研究缺口[11-12]。尽管HF 和SE 学科的研究人员都意识到了这个研究缺口,并在实践中进行了各自学科的发展与革新[13-15],但目前这些工作还都不够成熟。HF 和SE 均是以系统为中心的跨学科,且这2 个学科的从业者往往都从各自学科的角度出发(例如系统工程师通常考虑HF 如何适应SE[11]),而对另一学科的认知有限(例如HF 从业者对SE 的相关概念仅有初步了解),这导致两者之间的集成问题很复杂,相应的研究缺口很大。为了厘清这一研究缺口,通过针对典型安全关键领域的工业实践经验/成果开展系统全生命周期中HF 与SE 集成方法的文献回顾,发现目前仍存在以下4 个方面具体问题:①缺乏对典型安全关键领域相关组织/机构中涉及HF 与SE集成工业实践经验的系统性总结;②缺乏对典型安全关键领域相关组织/机构中涉及HF 与SE 集成相关术语的定义总结和概念辨析;③缺乏对典型安全关键领域相关组织/机构中涉及HF 与SE集成的技术路线的总结;④缺乏针对HF 与SE 未能很好的集成这一现实问题的解决方案的探索。

本文为人因工程与系统工程的集成系列研究文章的第一部分,主要针对上述第1 方面的研究缺乏开展了HF 与SE 集成的工业实践经验回顾。另外几方面的研究缺乏将在《人因工程与系统工程的集成》系列研究的后续文章进行一一介绍。

2 HF 与SE 集成的工业实践经验回顾

本文对典型安全关键领域相关组织/机构中涉及HF 与SE 集成的工业实践经验进行了系统性的总结。如图1 所示,相应工业实践经验的筛选方法为:按照通用、民用航空、载人航天、船舶海事、能源(核能、油气)、国防军事、轨道交通这七大典型安全关键工业领域(将通用领域也划定为工业领域之一),从美国、欧洲(含澳大利亚)、中国和其他(针对国际方面)这4 个区域,选取相关组织/机构在工业实践中已经公开发表的、现行的在系统生命周期中考虑人因工程或人与系统集成(HSI)的行政指令、标准、指南、手册、报告等典型相关文献[16-17]。需要注意的是,有许多现行的标准是针对特定系统组成元素的技术、工具、交互和过程而编写的(如ISO SC37 标准专门用于生物识别),这些标准在本报告中不进行特别的讨论[16]。

图1 HF 与SE 集成工业实践经验的筛选方法Fig.1 Screening method for industrial practice experience of HF/SE integration

2.1 通用领域

针对通用领域,选取了国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、电气与电子工程师学会(IEEE)、国际系统工程学会(INCOSE)、美国国家标准学会(American National Standards Institute, ANSI)、欧洲标准化委员会(CEN)和中国国家标准化管理委员会(SAC)这七大组织/机构进行了文献总结,结果见表1。

表1 通用领域中HF 与SE 集成相关文献的总结Table 1 Summary of literatures related to HF/SE integration in general areas

作为国际上的三大标准组织(ISO、IEC 和ITU)之一,ISO 在1974 年成立了工效学技术委员会159(Technical Committee, TC159)。该委员会主要负责制定该组织相关的工效国际标准(注:工效与HF 目前已几无区别),也会和IEC/IEEE成立联合技术委员会制定专门的工效标准。TC159 由工效学通用原则、人体测量及生物力学、人和系统交互的工效学、物理环境的工效学这4个技术分委会,以及无障碍设计和针对特殊人群的工效学这2 个工作组组成。1981 年,该委员会发布了首个工效学国际标准ISO 6385-1981。ANSI 和CEN 均可能采纳相关ISO 标准。SAC 在组织专业人员经过标准化程序可等同采用或修改采用相关ISO 标准,制定国家标准(GB)。此外,ISO/IEC/IEEE 还联合发布了SE 的相关标准-ISO/IEC/IEEE 24748-1(2018) 系统和软件工程-生命周期管理-第1 部分:生命周期管理指南、ISO/IEC/IEEE 15288(2015) 系统和软件工程-系统生命周期过程等。需要注意的是,正文部分首先按照国际、美国、欧洲、中国方面的顺序对各个领域的组织/机构进行介绍,而相应的总结表格则按照不同区域(美国、欧洲、中国、其他)的顺序进行排列。此外,正文部分会对一些机构的检索情况进行简单说明,表格中仅列出检索到相关文献的组织机构,其余部分的格式均与该部分相同。

2.2 民用航空

针对民用航空领域,选取了国际自动机工程师学 会(Society of Automotive Engineers International, SAE International)、美国联邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)、欧洲航空安全局(European Aviation Safety Agency, EASA)、中国民用航空局(Civil Aviation Administration of China, CAAC)这4 大组织/机构进行了文献总结,结果见表2。SAE International 学会中由SAE Aerospac(简称SAE ARP)分委员会负责制定民用航空的相关标准。在美国,FAA 负责制定相关的标准、政策和指南,以支持民用飞机系统的设计、开发和采购。与FAA 相似,欧洲的EASA 和中国的CAAC 也分别承担类似职能。尽管EASA 和FAA 在条款的细节上略有出入,但整体思想一致[21]。

表2 民用航空领域中HF 与SE 集成相关文献的总结[22-27]Table 2 Summary of literature related to HF/SE integration in civil aviation[22-27]

2.3 载人航天

对载人航天领域,选取了美国航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、中国载人航天(CMS)这3 大机构进行了文献总结。文献总结见表3。该表在NASA-SP-2015-3709《人与系统集成从业者指南》(Human Systems Integration (HSI)Practitioner’s Guide)的2.2.2 节[28]和NASA-SP-2016-6105-SUPPL-Vol.2 的7.9.7 节[29]列出的涉及HSI 的文献的基础上,进行了NASA 的相关文献总结。为规范载人航天活动,NASA 发布了NASA 程序性要求(NASA Procedural Requirements, NPR)、NASA 政策指令(NASA Policy Directive, NPD)、技术标准和技术报告。NASA 标准体系由指令文件、技术标准、技术报告和采标标准组成[30]。NASA 指令文件为强制性文件,主要包括NPR 和NPD,其优先级高于技术标准(Standard/Technical Standard)[31]。NASA 的局级指令可分为10 个类别(https:/ /nodis3.gsfc.nasa.gov/main_lib.cfm)。NASA 技术标准包括技术标准、规范和手册, 这3 者的定义可见 NPR 7120.10A《NASA 计划和项目中的技术标准》(Technical Standards for NASA Programs and Projects)附录A,文档编号为“NASA-STD-”、“NASASPEC-”或“NASA-HDBK-”[32]。NASA 技术标准分成了10 个类别,详见https:/ /standards.nasa.gov/nasa-technical-standards。NASA 技 术 报 告 包括6 个系列:技术出版物(Technical Publications,TP)、技术备忘录(Technical Memorandum, TM)、合同报告(CR)、会议出版物(CP)、特殊出版物(Special Publications, SP ) 以及技术译文(TT)[33]。详细信息参照NASA/SP-2015-7602-Rev.2《NASA 出版物读者指南》(NASA Publications Guide for Authors)的2.1.1.1～2.1.1.6 节及其Table 1。命名方式遵照美国标准协会标准,格式为“NASA/TM-YEAR-”,其中TM 为报告类型。采标标准为采用其他政府标准、非政府自愿协调一致标准[30]。

表3 载人航天领域中HF 与SE 集成相关文献的总结Table 3 Summary of literatures related to HF/SE integration in manned spaceflight

2.4 船舶海事

针对船舶海事领域,选取国际船级社协会(International Association of Classification Societies,IACS)、国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)、美国船级社(American Bureau of Shipping, ABS)、美国材料实验协会(American Society of Testing Materials, ASTM)、中国船级社(China Classification Society, CCS) 这 五 大 组织/机构进行了文献总结,结果见表4。

表4 船舶海事领域中HF 与SE 集成相关文献的总结Table 4 Summary of literatures related to HF/SE integration in shipping & marine

2.5 能源

主要对能源领域的核电和油气(石油和天然气的简称)进行分析。

2.5.1 核电

针对核电能源, 选取国际原子能机构(IAEA)、IEEE、IEC、美国核管理委员会(NRC)、中国国家核安全局(NNSA)、中国SAC、中国国家能源局(NEA)等组织/机构进行了文献总结。欧洲大部分国家都采用IAEA 法规和导则作为依据,并参考IEEE、IEC 标准制定相关核电HF 标准。国内核安全法规技术文件(HAF)、核安全导则(HAD) 主要参考IAEA 的相关规定(如HAF102 主要参考了“NS-R-1 核电站安全:设计”)[49]。文献总结见表5。

表5 核电领域中HF 与SE 集成相关文献的总结Table 5 Summary of literatures related to HF/SE integration in nuclear power

2.5.2 油气

针对油气能源,选取能源研究所(Energy Institute, EI)与国际油气生产商协会(IOGP)、美国能源局(DOE)、欧盟能源监管合作机构(ACER)、NEA 等组织/机构进行了文献总结。DOE、ACER和NEA 均未检索到相关文献。油气领域检索到EI & IOGP(2020) Report 454: Human Factors Engineering in Projects (2nd edition) (454 报告:项目中的人因工程(第2 版))[9]。该报告针对HFE在油气项目中的有效应用,为工业界提供指导和建议的方法,其既适用于大规模的项目也适合小规模的项目,并为操作者实施HFE 提供额外的指南和示例。

2.6 国防军事

针对国防军事领域,选取SAE、DoD、英国国防部(Ministry of Defence, MoD)、中国国防部(Ministry of National Defense of the People’s Republic of China, 简写为MoD, PRC)这4 大组织/机构进行了文献总结。其中DoD SE 中的HSI主要结合MIL-STD-1472 和MIL-STD-46855 进行[56],结果见表6[57]。

表6 国防军事领域中HF 与SE 集成相关文献的总结[57]Table 6 Summary of literatures related to HF/SE integration in defense & military[57]

2.7 轨道交通

针对轨道交通领域,选取国际铁路联盟(UIC)、世界地铁协会(CoMET)、美国联邦铁路局(FRA)、英国铁路行业安全与标准委员会(RSSB)、英国铁路网基建有公司(NR)、伦敦地铁公司(LUL)、澳大利亚铁路工业安全和标准委员会(RISSB)、中国国家铁路局(简称NRA, PRC)等组织/机构进行了文献总结,结果见表7。RSSB 和NR 未检索到相关文献,LUL 发布有LUL-S1217 Integration of Human Factors into Systems Development (将人的因素集成到系统开发中)和LUL-G-217 Good Practice in Human Factors Integration (人因集成的良好实践),但文献无法下载。中国的NRA 和UIC/CoMET 均未检索到相关文献。

表7 轨道交通领域中HF 与SE 集成相关文献的总结Table 7 Summary of literatures related to HF/SE integration in rail transportation

3 结语

本文开展了七大典型安全关键领域和4 个区域的相关组织/机构中涉及HF 与SE 集成的工业实践经验的系统性回顾,研究发现,目前典型安全关键领域相关组织/机构中涉及HF 与SE 集成的工业实践经验相对混乱,除个别组织/机构外,大部分组织/机构的HF 与SE 集成的标准体系很不完善,存在标准规范的碎片化分布、标准之间逻辑关系混乱等问题。该系列后续文章将开展相关术语分析及技术路线总结,以更好厘清“HF 与SE未能很好的集成”这一研究缺口。