人因工程与系统工程的集成 第三部分：技术路线总结和解决方案探索

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

针对人的因素（Human Factors， HF）与系统工程（Systems Engineering， SE）未能很好的集成这一研究缺口，《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］和《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》［2］已经进行了初步厘清。 在此基础上，研究人员指出应当使用最近发展起来的人与系统集成（Human-System Integration， HSI）的跨学科框架来搭建能够跨越这两者之间鸿沟的桥梁［3］，并指出对HSI 以及其对系统效能的影响缺乏了解可能是应对这一挑战的核心所在［4］。 一个典型的HSI事故案例是，波音737－MAX8 因机动特性增强系统（Maneuvering Characteristics Augmentation System， MCAS）设计缺陷，在不到半年的时间内连续发生2 起空难，共造成346 人遇难。 报告记载波音公司在测试中已经知道飞行员花10 s 以上的时间来识别和应对稳定器失控，其结果将是灾难性的，但仍提出已获得737－NG 之前机型认证的飞行员不需要培训即可过渡到737－MAX 的生产要求［5］。 因此，波音公司的经济动机影响了其在飞行员培训要求方面对美国联邦航空局（FAA）、客户和737MAX 飞行员的透明度。 波音公司允许经济因素超过了HSI 问题所带来的已知风险，最终造成了灾难性的后果［6］。

HSI 可以被定义为一种跨学科的、全面的管理和技术过程，侧重于将对人的考虑集成到系统获取和开发过程中，以增强人的系统设计，降低生命周期成本，并优化整个系统效能。 与运作、培训、人因工程（Human Factors Engineering， HFE）、安全、质量、可维护性与可支持性、可居住性和可生存性相关的人的系统领域设计活动同时考虑，并与所有其他SE 设计活动集成［7］。 HSI 框架集成了与人有关的问题（Human-related Issues）［8］的相关学科（以HFE 为关键领域），并采用了SE 的过程／流程技术，这使其融合了HF 和SE 彼此的益处。 但是，国内外学术／工业界对HSI 的认识尚未达成一致，对其所包含技术领域的组成和数量的取舍上存在一定差异，且实践HSI 的机构也会进行一些调整［9］。 另外，实施HSI 的确切过程并不明确。 该概念被不同的机构在不同的层次以不同的方式进行着实践，这些都增加了对HSI 的基本原理和实践应用的困惑［6，9－10］。 很典型的，美国国防部（DoD）、波音和空客的集成商，以及美国航空航天局（NASA）的设计师采用不同的方式实践着HSI［10］。 不过，更多的时候并没有采用HSI这个术语。 因此，目前HF 与SE 的集成方法研究并不成熟［10］，存在很多需要厘清和解决的问题，这导致相关概念尚未被广泛接受及推广应用［9］。基于以上背景，主要从HF 从业者的角度出发，尝试进一步厘清前述研究缺口，并探索相应的解决方案。

2 系统全生命周期中HF 与SE 的集成方法研究

在前文［1-2］基础上，本研究继续对后2 个方面研究缺乏进行了回应：①缺乏对典型安全关键领域相关组织／机构中涉及HF 与SE 集成的技术路线的总结；②缺乏针对HF 与SE 未能很好的集成这一研究问题的解决方案的探索。 图1 列出了本文的研究思路。

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

2.1 HF 与SE 集成的工业实践经验筛选方法

HF 与SE 集成工业实践经验的筛选方法见《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］，此处不再赘述。

2.2 HF 与SE 集成的技术路线总结

目前复杂工业系统实践中HF 与SE 集成的大多数技术路线并不完全一致，但却存在一定的相似性。 这是因为它们通常基于相同的核心科学基础。 事实上，它们经常相互交叉引用［11］（一个典型的交叉引用示例可见SSG－51 的表A－2［12］）。 本小节对典型安全关键领域相关组织／机构中涉及HF 与SE 集成的技术路线进行了总结。 具体来说，本小节对HF 与SE 集成的技术路线划分为HFE 和HSI 这2 个类别（HFI 为欧洲版HSI，此处不再单独列出），并从文献信息、生命周期相关内容、HFE 或HSI 活动／过程的相关内容、HFE／HSI 相关支撑以及与HF／SE 集成的相关度这5 个条目进行梳理。 其中，生命周期相关内容包括生命周期／过程阶段、HFE／HSI 分组（方面／组成／基本活动／过程阶段）、系统工程引擎（Systems Engineering Engine， SEE） 等。 “ 与HF／SE 集成的相关度”一栏对相应文献中采用的技术路线进行相关度判断，相应标准为：①适用对象是整个该工业领域的系统而非具体的部件元素；②考虑了生命周期阶段以及足够细化的相关HFE／HSI 的活动／过程。

2.2.1 通用领域

通用领域以ISO 和INCOSE 这2 个国际组织为典型代表，相应技术路线的总结见表1。 其中，ISO 暂未涉及HSI。

表1 通用领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 1 Summary of the technical routes of HF／SE integration in general area

2.2.2 民用航空

民用航空领域以FAA 为典型代表，相应技术路线的总结见表2。 该领域暂未见HSI 的工业实践。

表2 民用航空领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 2 Summary of the technical routes of HF／SE integration in civil aviation

2.2.3 载人航天

载人航天领域以NASA 为典型代表，相应技术路线的总结见表3。 近年来，NASA 的工业实践均更新为HSI 概念，不再提单独的HFE。

表3 载人航天领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 3 Summary of the technical routes of HF／SE integration in manned space

2.2.4 船舶海事

船舶海事领域以ABS 和ASTM 这2 大机构为典型代表，相应技术路线的总结见表4。

表4 船舶海事领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 4 Summary of the technical routes of HF／SE integration in shipping ＆ marine

2.2.5 能源

（1）核电。 核电领域以IEEE 和NRC 为典型代表，相应技术路线的总结见表5。 需要注意的是，NRC 中HSI 为Human-System Interface 的缩写。

表5 核电领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 5 Summary of the technical routes of HF／SE integration in nuclear power

（2）油气。 油气领域以能源研究所和国际油气协会（EI ＆ IOGP）为典型代表，相应技术路线的总结见表6。 该领域主要采用HFE 概念。

表6 油气领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 6 Summary of the technical routes of HF／SE integration in gas ＆ oil

2.2.6 国防

国防领域以DOD、MOD、中国国防部（MoD，PRC）为典型代表，相应技术路线的总结见表7。该领域主要提的是HSI／HFI 概念（国内将其译成人机系统整合），HFE 是其研究（技术）领域之一。

表7 国防军事领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 7 Summary of the technical routes of HF／SE integration in defense ＆ military

2.2.7 轨道交通

轨道交通领域以FRA 和RISSB 为典型代表，相应技术路线的总结见表8。 FRA 提出轨道交通采购中需采用HSI。 RISSB 提出HFI（Human factors integration）的概念，需要注意的是RISSB 的HFI 与欧洲的HFI 有所差异，前者强调在生命周期的各个阶段考虑HF。

表8 轨道交通领域HF 与SE 集成技术路线的总结Table 8 Summary of the technical routes of HF／SE integration in rail transportation

2.3 HSI 解决方案的提出

基于表1～表8 对HF 与SE 集成技术路线的梳理和总结，针对HF 与SE 未得到很好的集成这一现实问题，本研究进一步探索并提出了相应的HSI 解决方案，如图2。 该解决方案结合所探索的问题进行自顶而下的梳理和分解，从而形成自下而上的解决方案，共包括3 个步骤，每个步骤包括其关键问题、研究方法和预期结果。 步骤1 将在下一篇文章（即《人因工程与系统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》）中进行详细介绍。

图2 HF 与SE 有效集成的HSI 解决方案Fig.2 HSI solution for effective integration of HF and SE

步骤2 的文献总结可进一步参考HF-STD－004a、NASA／TP－2014－218556、F1337－10、DoD《国防采办指导书》 以及MAP 01－011 等文献［23，26，32，34，41］。 图3 为NASA 给出的描述HSI 各领域之间关联的一个典型案例［20］。

图3 HSI 各领域之间的交互举例Fig.3 Example of interactions between HSI domains

对于步骤3 中HSI 框架的技术实现，目前基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering， MBSE）的HSI（或称之为MBHSI）尚处于较低的成熟度水平，有待进一步的完善和改进［42］。 图4 为Orellana ＆ Madni（2014）等人构建的一个典型HSI 本体域图［43］。 步骤2 和3 的技术路线将会在后续论文中进行详细介绍。

图4 HSI 本体域图Fig.4 HSI ontology domain diagram

3 讨论与展望

3.1 讨论

1）HF 基础理论相对欠缺，其学科理念有待发展。 关于HF 学科，虽然具有紧迫且广泛的应用场景，但由于其尚处在发展之中，研究人员对其学科本质仍存在一定的质疑。 其中一个比较大的争议点在于该学科目前缺乏原创的基础理论［44］，这在一定程度上限制了其发展，甚至有时候被称为边缘学科。 HF 基础理论可以很好地支撑新兴交叉学科的发展，但由于其跨学科属性和面向工程应用的特点，这使得基础理论的发现相对困难。伴随着HF 从业者的持续探索，HF 基础理论可能伴随着交叉的相关基础学科（如认知科学、脑科学等）的发展而被发现，更大的可能是在解决面向安全关键的复杂人机紧耦合系统的工程实际问题中应运而生。 此外，伴随着科技的迅猛发展，对于HF 学科理念的讨论产生了剧烈的头脑风暴。传统的理解认可HF 强调HCD 理念，但这种情况正处在深入发展或者说剧烈转变之中。 当下HFE 的内涵已经扩展为包括质量［16］、技术和管理［7，45］这3 个主要维度，呈现HCD 质量控制、全面的技术和管理过程的特点。 因此，为适应科技发展以及满足国家战略需要，在复杂工业系统中，HF 的学科理念可能需要从较狭隘的以人为中心的设计深入发展或转变为以总体效能为中心或以人机协同为中心［46］。

2）生命周期与HF 设计存在概念冲突。 这实质上是一个如何看待HFE 的问题。 根据IEA的定义，HF 是“…学科；…将…应用于设计…的专业”。 该定义指出，HF 的重点在于设计，因此工业实践中一般的提法为人因设计。 陈善广等［44］总结，HFE 是设计驱动的，其本质是面向设计、面向系统实现。 传统上都是在设计阶段看HFE，这可能带来系统生命周期概念与HF 定义的冲突。 而从更宏观的视野看，设计阶段仅是生命周期的一部分，当下HF 的应用已经呈现从设计向生命周期的转变。 实际上，所有类型工程／研发项目都应当规划并将HCD 集成到生命周期的所有阶段［15，47］。 因此，这两者并没有本质的冲突。

3）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。 首先，HF 学科在不同时期有不同的研究重点，呈现从Correction，Interaction 到Integration 的 特 点［48］。 具体来说：①1950 年以来的HF／E 或HFE，早期其重点在于研究硬件和人的物理特性问题，在一切都建好之后观察活动；②1980 年之后出现了人机交互（Human Computer Interaction， HCI），其重点为研究软件（作为硬件的附加组成，即自动化）和人的认知问题，会在设计时分析并考虑任务；③2000 年开始转向HSI，同时期重点在于为解决软件和实质的人的系统问题做出系统性的努力，会在设计时观察并考虑活动。 处理HF学科的代表性国际组织是国际工效学联合会（International Ergonomics Association， IEA）［49］，而HSI 则是关于复杂问题，主要关注需要人来运行和管理的复杂系统，代表性国际组织是INCOSE［49］。 21 世纪以来，随着各种人工系统复杂性的显著提升，SE 思想得到广泛推广［50］，呈现了由先硬件后软件转向先软件后硬件的设计思想改变［48］。 在这样的背景下，复杂工业系统中HF 学科正呈现从HFE 向HSI 发展的趋势。

其次，从前述的技术路线的梳理和总结来看，相关度为高的文献共22 篇，其中采用HCD或HFE 活动／过程有15 篇，采用HSI 活动／过程的文献为7 篇。 存在由HFE（文献发表的时间段为2000－2021 年，1 篇2000 年，1 篇2006 年，其余集中在2011 年之后）向HSI（文献发表的时间段为2006－2021 年，1 篇2006 年，其余集中在2015 年之后）的转变，并呈现从设计过程阶段的HFE 活动向生命周期阶段的HSI 过程的发展趋势。 最后，从典型机构的工业实践来看，在应对系统性的与人有关的问题时，DoD 和NASA 相关指令呈现从HFE 转变为HSI 的趋势。 在DoD，1991 年HSI 首次出现在DoD 5000 系列［51］，并在2003 形成了正式的HSI 政策表述［52－53］。 在NASA，2008 年首先出现HSI 的相关内容［54－55］，并在2013 年出现HSI 的定义［56－57］（这是其定义正式出现在NASA 的文档中［21］）。 在现行的NASA 的项目研发计划和DoD 的装备研制采办中，HSI 已经是一项强制性的要求［7，45］，而不再强调HSI 的某一领域（如HFE）。 综上，面向复杂工业系统，当前HF 的发展趋势是HF 与SE的集成，即从HFE 转向HSI（更确切地说是转向MBHSI［58－59］）。

3.2 展望

HF 和SE 的从业人员受限于各自的领域知识，对彼此学科知识的认知有限，这导致目前HF与SE 的集成存在研究缺口。 近年来，一些国际组织做出了相应的努力以促进从业人员之间的交流与讨论，例如INCOSE 最新发布的《系统工程手册》中加入了HSI 的章节，成立了相应的HSI 工作组（HSI Working Group， HSIWG），并于2016 年举办了首届HSI 的工作坊［49］，最新的2035 系统工程展望还指出HSI 研究将成为系统工程师的一项核心能力［46］；ISO TC159 在2019 年发布了提供HCD 与SE 过程接口的ISO 9241－220；IEEE 也在2018 年成立了相应的HSI 技术委员会。 但目前国际上HSI 的概念仍未引起足够的重视，而这种情况在国内更为严重。

基于此，提出3 点展望。 首先，国内安全关键系统的设计理念和开发方法均有待变革，应当在体系或系统层面（或称计划和项目角度）确立HSI负责人／领导者（Leader）［20］，组建以HFE 学科为核心的HSI 团队，制定HSI 计划，推广HSI 理念（即HCD 的思维方式［20］），并在工业实践中深入应用HF 与SE 的集成方法；其次，国外安全关键的复杂工业领域早已制定了HSI 相关的强制性要求［7，45］，而国内对HF 的重视还远远不够，目前大多数领域没有或仅有HFE 相关的标准规范且较多为建议性，缺乏制定并应用相关的强制性HSI标准。 国内有必要在安全关键的复杂工业领域制定并推广关于HSI 的强制性标准或条款；最后，学术／工业界应当尽快组织HSI 的交流平台，开展HSI 技术的理论探讨、实践交流和应用推广。 该交流平台可以由HF 学科的中国人因工程高峰论坛和中国人类工效学学会复杂系统人因与工效学分会（简称复杂系统人因分会）、HCI 学科的中国电子学会智能人机交互专家委员会和中国计算机学会人机交互专业委员会，以及SE 学科的中国系统工程学会人－机－环境系统工程专业委员会等组织单独或联合搭建。 进一步可融合不同的HSI 研究机构组建国家层面的HSI 委员会，以推广HSI 的概念与应用。 也可在相关高校开设HSI的学历和职业教育，发展相关的HSI 教学和研究工作。

此外，基于前述的文献研究以及笔者个人经验，本文也提出初步的HF 宇宙框架，以图促进HF 学科的发展，如图5。 该HF 宇宙的目标在于搭建HF 学术与工业界（Community）的知识共享虚拟平台，传播HF 知识及理念，规范HF 术语，锚定研究范式（典型的有HF 实验范式），发布HF挑战任务（研究缺口）等。 HF 从业人员可以基于该框架开展较为全面的HF 研究与探索，梳理并填补仍存在的研究问题，从而厘清及完善HF 的学科体系。

图5 人因宇宙架构Fig.5 HF universe architecture

4 结论

针对HF 与SE 未能很好的集成这一研究问题，本文开展了复杂工业系统全生命周期中HF与SE 的集成方法研究，结论如下：

1）通过制定HF 与SE 集成的工业实践经验筛选方法，开展了复杂工业系统中HF 与SE 集成的技术路线的总结。 本文对这些技术路线的细节进行了一一阐述，同时还基于制定的判定标准开展了技术路线与HF／SE 集成的相关度的判定。

2）探索了包括3 个步骤的HF 与SE 有效集成HSI 解决方案。

3）开展了HF 基础理论相对欠缺，其学科理念有待发展、生命周期与人因设计存在概念冲突、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 这3 个方面的讨论，并提出了HSI 有关的研究展望和HF 宇宙框架。

本文结果可用于加深学术／工业界对复杂工业系统实践中HF 与SE 集成的认识，并为解决前述研究问题提供参考。 此外，本文仍存在不足之处：HF 与SE 未能很好的集成，这一研究问题的解决方案更多的是基于HF 从业者角度进行的考量，后续步骤涉及的SE 相关概念以及技术的实现仍可能面临未知的挑战与困难，有待后续工作的检验。