人因工程与系统工程的集成第二部分:定义总结与概念辨析

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

在前文(《人因工程与系统工程的集成 第一部分:工业实践经验回顾》)[1]的基础上,本文作为《人因工程与系统工程的集成》系列研究文章的第二部分,主要针对第二方面的研究缺乏开展了人的因素(Human Factors, HF)(简称人因)与系统工程(Systems Engineering, SE)集成相关术语的定义总结与概念辨析。

2 相关术语的定义总结与概念辨析

2.1 HF 与SE 集成相关术语定义采用情况

结合前文的文献总结,以下相关术语在工业实践中被采用:人与系统集成(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)、以人为中心的设计(Human-Centered Design, HCD),其中HFI 是欧洲版HSI,通常被英国国防部(Ministry of Defense, MoD)使用。此处列出了这些术语的中文表述及其英文表述或英文简称,为不产生歧义且考虑到其定义均源自外文文献,梳理时均采用其英文表述或英文简称。为控制文章篇幅,本研究不再按7 大领域4 个区域的组织/机构对上述术语定义的采用情况进行梳理和汇总。需要注意的是,区别于前文的表格,本研究的表格内容进行了简化,不再列出细分领域和文献类型等信息。

从汇总结果来看,同一术语的定义在不同领域的组织/机构之间存在一定差异(表现为各有一定的侧重点),同一组织/机构也出现了相似术语的混用等问题,这与其所处领域特定时期的科技发展现状及工业历史经验传承有关。每个组织/机构都会捍卫自己的定义,对相关术语的定义还没有出现最终的统一定义[2],但已经呈现渐趋一致的趋势。

2.1.1 HSI/HFI

2003 年,美国国会要求美国国防部(Department of Defense, DoD)将HSI 纳入其采购过程,这一国会授权引发了关于HSI 定义的广泛辩论[3]。值得注意的是,由于SE 和项目管理的方法不同,HSI/HFI 的定义在不同的政府机构、行业和学术界有所不同,而不仅仅是在某一机构内部(如NASA)[4-5]。除能源领域未见其定义外,其他领域均给出了相似的术语定义。目前以NASA 和DoD 给出的定义较为详细[5-7]。另外,INCOSE 也给出了较为简洁的定义[8]。中国目前主要是国防军事领域的国家军用标准(GJB)在使用“人机系统整合”这一术语(GJB 的相应内容主要译自DoD 或MoD 的军用标准)[9]。此外,中国载人航天领域的《NASA 人系统整合标准与指南译丛》将HSI 译为“人-系统整合”,并对NASA 的HSI 流程进行了相应介绍[10]。

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

从学科发展历程来看,HF 和Ergonomics 是相对独立却又相互关联的学科,有着一段时期的并存历史[2,11]。Ergonomics 的重点是设计安全、舒适、方便的人的绩效以及与系统物理特性的交互[2]。HF 是在系统的设计和操作中获取和应用人的能力和局限性知识以提高性能、安全性和用户满意度的学科或过程[2]。

目前一般认为这两者趋向一致,可认为Human Factors 与Ergonomics 等价并简称为HF/E,现在广泛认可国际工效学联合会(International Ergonomics Association, IEA)对其的定义[12-13]。HFE 与Human Engineering 通常等价,梳理的结果指向了2 种主要的观点:①采用IEA 对HF/E 的定义;②两者是HSI 研究领域之一[6,8,14-16]。Human Element 的定义强调对利益攸关者-人的要素问题的研究[17]。

根据文献总结,按领域汇总后的术语定义见表1。上述术语在不同领域的定义存在一定差异,一些领域的组织/机构(主要是美国的机构,如民用航空领域的美国联邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)、能源(核电)领域的美国核管理委员会(NRC)、国防领域的国际自动机工程师学会(SAE)、美国国防部(DoD))均给出了其自己的定义。比较典型的是HFE,其定义(或使用)因应用领域不同而关注不同的重点。在航空领域,其与HF 等价[14],关注新型仪表、设备引发的HF 问题[33];在船舶海事领域,其与Ergonomics 等价,关注物理设备布置相关的工效问题[20];在国防军事领域,其与Human Engineering等价,关注与人的能力和局限性相关的人的工程,以利于实现人与系统的集成[31]。另外,Human Engineering 主要被国防领域(例如SAE 和DoD)和船舶海事领域(例如美国材料实验协会(ASTM))所采用,目前该术语已经逐渐的被HF从业者所抛弃[34]。Human Element 主要在船舶海事领域(例如IACS)使用。目前国内通用领域的相关GB 将HF/E 译成人因学/人类工效学[35];民用航空领域的CCAR-25-R4(译自FAR 25)将HF 译成人为因素[36];核电行业标准(译自IEEE)将HFE 译为人因工程;国防军事领域的GJB 将Human Engineering 译成人机工程[37]。船舶海事领域的CCS 相关指南(译自IACS)将Human Element、Ergonomics 分别译成人为因素、人体工程学[38]。

表1 HF 与SE 集成相关术语定义的分领域文献总结Table 1 Summary of definitions of terms related to HF/SE integration in different domains

2.1.3 HCD

目前广泛采用ISO 对HCD 的定义[39],该定义也被国防军事(例如MoD)、轨道交通(例如澳大利亚铁路工业安全和标准委员会)等领域的机构所采纳。载人航天(例如NASA)也提出了其HCD 定义。GB 将其译为以人为中心的设计[40]。

通过上述的总结可以发现,目前HF 相关术语存在定义的不一致和概念的使用不规范问题。不同领域的组织/机构对HF 相关术语的定义不一致,同一组织/机构也出现了相似术语的混用。考虑到HF 学科是一个舶来品,国内学术/工业界在翻译和应用相关术语和概念时出现了一定程度的译文不准确、概念使用不规范、更新较缓慢等问题。例如:①MIL-STD-46855A 已将GJB 的人机工程(Human Engineering)[37]与Human Factors Engineering 等价[31],相关标准有待补充相应的阐述和说明。②CCAR-25-R4 将FAA 采用的Human Factors 译成人为因素[36],而GB 将ISO 标准采用的Ergonomics 译成人类工效学[35]。研究人员对此可能存在不一致的理解。上述问题可能会带来初学者对于相关概念的困惑与混淆,因此标准化HF 相关术语的定义(ISO 已经承担了部分工作)并规范相关概念的使用,具有一定的现实意义。针对这一情况,下文进一步进行了相关术语的概念辨析。

2.2 HF 与SE 集成相关术语的概念辨析

对HF 与SE 集成相关学科的理解不深将导致对其流程和原则的有效实施构成障碍(Roadblock)[41-43]。目前,研究人员针对HF 与SE 集成相关术语之间的差异并未达成共识[44-45]。为便于开展后续工作,本研究进行以下几组术语的概念辨析:① HF/E 与HFE;② HF/E 与HSI/HFI;③ HFE 与HSI/HFI;④ HCD 与HFE、HSI/HFI。

2.2.1 HF/E 与HFE

Ergonomics 最早由波兰科学家Jastrzebowski提出并进行定义,该词由希腊词Ergon 和nomos衍生而来,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 引入工效学领域,并进一步在1950 年1 月英国剑桥举行的一次学术会议上被与会的学者正式确立为研究领域的新学会的名字[46-47]。1956 年,美国成立了正式的学会,但是却采用Human Factors(HF)来替代Ergonomics[46]。目前看来这两者重叠的范围非常大,因此出于实际目的,通常认为这2 个术语是同义的,并互换使用[25,46-48]。为适应这种情况,之前2 个主要的专业学会,以美国为中心的HF 学会和以英国为中心的Ergonomics 学会,都更改了它们的名字,所以有了美国人因与工效学会(Human Factors and Ergonomics Society,HFES)和英国工效与人因协会(Chartered Institute for Ergonomics and Human Factors, CIEHF)[48]。

另外,Engineering 一词通常被添加或替换以表示应用,如Human (Factors) Engineering[46],有研究机构指出“HFE 专注于应用HF 知识来设计和构建社会技术系统”,该定义区分了非常广泛的HF学科和HFE,即HFE 为HF 的子集[25,48]。

前述的文献总结指出HFE 包括2 种主要的定义。当HFE 采用IEA 的定义,则其与HF/E 等价,该定义可以理解为通用、基础的学科定义。当HFE 采用DoD 和FAA 给出的定义[6,14]时,则HF/E 与HFE 的区别在于前者重点在指学科知识本身,而后者则重点在HF 学科知识的工程应用。HFE 描述了人的能力和局限性,并将这些知识应用到工程硬件和软件系统的设计中,因此有的时候它也被称为可用性工程、认知工效或以用户为中心的设计[2]。本质上HF/E 与HFE 是一致的,其目标在于将人的特性知识应用于设计安全、更高效的系统[2]。

2.2.2 HF/E 与HSI/HFI

对HSI/HFI 进行描述时,有时会采用HF 领域来表征与人有关的问题或以人为中心的领域或学科/关切(Human Centered Domains/Human Centered Disciplines and Concerns)[8]。这些技术领域/学科包括HFE、安全、训练、环境、医学等[49],HSI/HFI 涉及到对这些HF 领域的权衡[8]。采用HSI/HFI 过程分析和处理与人有关的问题时应当系统的应用HF 的方法和技术,并借鉴人的科学知识(Human Science Knowledge)[44,50]。

2.2.3 HFE 与HSI/HFI

很多时候,人们对HFE 和HSI 所包含的内容存在误解。有研究人员指出HSI 是HFE 的一个新名字,这是不正确的[51]。首先,工程界主要认为系统是硬件和软件的集成或组合以共同实现某种功能,而HSI 则认为系统是硬件、软件、人、数据、程序和流程等的集成,并考虑系统所处的环境[5]。其次,HFE 专注于具体问题的设计技术方面,而HSI 专注于技术开发过程并协作集成了多个领域的广泛问题[51],即HSI 扩大了HFE 的研究范围。这导致HFE 仅是HSI 研究领域之一,但由于其与装备设计最相关[44],因此也是最核心的研究领域[2,28]。然后,HSI 关注利益攸关者,HSI中的人指的是所有与特定系统有关的人员,包括所有以任何身份与系统交互的人员[8],如所有者、使用者、客户、设计者、操作者、维护者、装配者、物流供应商、培训人员、测试人员以及其他人员[5]。尽管HFE 也在概念阶段指出了对利益攸关者的考虑但并不系统,其更多的关注点在于终端用户(End-User)[52]。此外,HSI/HFI 与HFE 实践的另一个区别在于前者是关于过程的[15],不涉及具体的工具和方法,而后者更多的是结合当前适用的标准、技术、工具和方法。从具体型号的工程应用来看,后者可以获得迅速的回报。但从系统的角度来看,现有标准/技术可能无法适用后续的发展需要。最后,HSI 作为SE 的过程之一,其重点是(安全、效率等属性的)权衡和(技术元素和人的要素的)平衡,通过建立供选择的权衡库,以使所有元素和谐地工作, 保证任务成功[8,28,31,53]。即,HSI 是关于平衡、权衡和妥协,是关于通用而非特殊[51]。而HFE 一定程度上存在安全、效率的先后顺序[11](即把保障安全放在首位)。

另外,当下HFE 的概念也处于丰富拓展之中,陈善广等[11,54]从5 个方面对HFE 的概念进行阐述,见表2。也有文献曾详细总结过HFE 和HSI 之间的差异[2],但这种差异正在逐渐缩小。表现在以下方面:①强调在全生命周期中进行HF考量[12,55],而不局限于设计开发过程;②基于人因准则(Criteria-Based Evaluation)的评估[13],而非仅基于科学;③采用HCD 过程并处理更为广泛的问题[39],而非仅针对特定问题;④广义的HF也涉及了HSI 中除HFE 之外的研究领域,如健康、训练等, 并且开始采用HCD 的过程模型[39,56],以更好融入SE 过程(ISO 9241-220 ∶2019 是由ISO 9241-210 ∶2010 的修改细化而来),而非仅是技术学科。对照本研究的核心目的-实现HF 和SE 的有效集成来看,目前的关键/难点即在于以技术为中心的工程方法和HCD理念的结合。有研究人员就指出,HCD 与SE 过程的结合即是HSI 的一种表达[57-58]。

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

2.2.4 HCD 与HFE、HSI/HFI

HCD 采用以人为中心的视角,是一种设计理念,涉及用来确保设计适应人的能力和局限性的诸多方法[49]。HCD 的理念在HFE 和HSI/HFI 领域都获得认可并推动了HFE 和HSI/HFI 的发展。HSI 是SE 过程的子集[44],在SE 过程中建立以人为中心的原则和关注点,以改进整个系统的设计和效能[8]。一定程度上,HSI/HFI 可以理解为是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 方法和过程来满足HSI 和适人性要求[49]。NASA 指出HSI 作为SE 过程的固有部分,应用并集成了包括HFE 在内的多个领域,并采用HCD方法进行系统设计[15]。HSI 过程应当具有很强的适应性,能够适用于军事、工业组织结构以及商业过程,而ISO 9241-220 中的HCD 过程即具有这种特征[44]。因此,HSI 通常采用HCD 过程[8],从而成为SE 过程的一部分[2]。

综上,针对上述几组相关术语,相应的辨析结果可以比较简单的总结为:①HFE ≤ HF/E;②HF/E 与HSI/HFI 相关联;③HFE ≤ HSI/HFI;④HCD ≤HFE;⑤HCD ≤ HSI/HFI。

3 结论

通过前述HF 与SE 集成相关术语的定义总结与概念辨析,结论如下:

1)不同领域、不同区域组织/机构的话语体系不一致,存在术语定义不统一、相似术语混用等问题,这些问题的存在给HF 与SE 集成方法的研究带来了一定的困难。

2)HF 与SE 集成的相关术语之间存在一定的差异,可以简单的总结为“HFE ≤ HF/E”、“HF/E 与 HSI/HFI 相 关 联”以 及“HCD ≤HFE ≤ HSI/HFI”,学术/工业界对这种差异的认识还略显不足。

复杂工业系统中HF 的发展趋势是HF 与SE的集成,即从HFE 转向HSI。但必须引起重视的是,HF 从业者对HSI 概念的认识还十分有限,有待进一步加强。后续部分将对这一发展趋势及HSI 解决方案探索进行详细介绍。