智能人因學內涵、方法及理論框架

王秋惠 王雅馨

摘 要：為分析第四次工業革命驅動下智能人因學的研究內涵、方法及其理論框架，采用文獻調查及理論分析法，比較歷次工業革命對人因學發展的影響。研究發現，相比第二、第三次工業革命期間的經驗人因學、科學人因學以及現代人因學，智能人因學其研究特點、研究內容、研究方法均發生了較大變化。智能人因學屬于人因工程領域的研究前沿，它以智能機器人為研究對象，以機器人人因工程、機器人人因系統、機器人人機交互、機器人人機界面、人機共融、機機共融等為主要研究內容，以提高人與智能機器人協作效率、人的健康、安全和舒適為目標，強調機器人與人的自適應人機共融自然交互為目標，研究人、智能機器人（智能機械裝備）及其工作環境之間相互作用的科學。研究構建智能人因學理論框架，可以為后續基礎應用研究提供參考依據。

關鍵詞：智能人因學;機器人人因工程;人機交互;理論框架

中圖分類號：TP 242;TP 272

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7312（2022）01-0055-08

Abstract：In order to analyze the research connotation，methods and theoretical framework of smart humanrobot ergonomics driven by the fourth industrial revolution，this paper compares the influence of industrial revolution on the development of human factors by literature survey and theoretical analysis.It is found that，compared with the stage in empirical humanmachine ergonomics，scientific humanmachine ergonomics and modern humanmachine ergonomics during the second and third industrial revolution，its research scope and research paradigm have also changed greatly.Smart humanrobot ergonomics belong to the research frontier of humanmachine ergonomics field.It takes smart robots as the research object，humanrobot system （HRS），humanrobot ergonomic（HRE），humanrobot interaction（HRI），humanrobot interface（HRIs），humanRobot Integration （HRIg），robotrobot integration（RRIg） etc.as the main research content.It is the science that studies the interaction between human，robot （intelligent mechanical equipment） and their working environment.The goal is to emphasize the adaptive interaction between human and machine.The aim is to improve the work efficiency，human health，safety and comfort in the cooperation and integration of HumanRobot.Constructing the theoretical framework of smart humanrobot ergonomics can provide reference basis for the basic and applied research work of the humanrobot ergonomics.

Key words：smart humanrobot ergonomics;humanrobot engineering;Humancomputer interaction;theoretical framework

0 引言

從19世紀90年代初，傳統人因學從早期萌芽開始，歷經3個階段（經驗人因學階段、科學人因學階段、現代人因學階段），發展至今已有130多年的歷史。在各國學者的共同努力下，逐漸形成了較為完整的理論體系。近年來，隨著智能機器人技術的突破性發展，傳統人因學研究對象、研究內容、研究方法也發生了較大變化。智能機器人領域人因學相關基礎應用研究，逐漸被國內外學者關注，成為學界一大熱點，這正是開展智能人因學（smart humanrobot ergonomics，SHRE）研究之目的。在傳統人因學領域，國內外學者積累了豐富的理論成果，如英國著名人因學專家

NEVILLE提出的人因工程研究方法[1];美國TILLMAN建立了人因工程標準[2];以及美國普渡大學DUFFY教授提出的人體數字模型構建方法等基礎應用研究成果[3]。我國知名人因學專家張力、郭伏、薛澄岐、蔣祖華、饒培倫等研究團隊，長期致力于核電站信息交互界面人誤模式、產品可用性設計、腦神經人因學、設計人因學、老齡人因學、人機交互設計以及人機界面設計等方面的研究，帶領其團隊產出了具有重要理論價值與實踐意義的豐碩成果，成為中國人因學界的領頭羊[4-8]。上述研究成果對智能人因學理論框架的形成，具有重要的參考價值。

基于ISISCI Expanded、ScienceDirect、SAGE、ACM Digital Library、中國知網五大文獻數據庫，在機器人人因學（humanrobot ergonomics，HRE）研究領域，以主題詞“Robot ergonomics，Robot human factors”檢索篩選文獻共計309篇。機器人人因學研究，最早見于1983年國際人類工效學會會刊《Ergonomics》刊登的由日本學者NORO K等發表的研究成果《Robotization and human factors，ergonomics》中，首次提出了機器人人因工程設計評價的重要性[9];之后，

SPENCER強調了人因設計對提升碼垛打包機器人操作績效的價值[10];CURRIE等建立了國際太空站機器人系統機械臂人因工程解決方案[11];RAHIMI、TAYYARI、REINERMAN、SNCHEZ等學者提出機器人交互安全性、空間布局合理性、作業姿勢舒適性等方面的人因工程設計策略[12-15];CATCHPOLE、RODRIGUES以及MENDES等學者提出醫生與手術輔助機器人進行人機交互時的操作方式、疲勞度、作業負荷等人因特性[16-18];NAHMAD、MATEUS等提出關鍵人因要素在機器人設計流程及作業空間設計評價中影響機制[19-20]。但是，上述關于機器人人因工程的研究，主要聚焦于工業機器人或醫療機器人領域。而專注于智能服務機器人人因學方面的文獻成果并不豐富，已有成果主要集中于多模態人機界面技術、評價技術等方面。 國內關于此領域的研究成果則相對更少。王秋惠、王柏村等學者系統分析了老齡服務機器人、康復機器人、以及智能制造領域中，人因學基礎理論研究當前所面臨的挑戰性問題 [21-22]。盡管學界在機器人人因學研究領域的不同側面，產出了較多有參考價值的理論成果。但是，針對新科技時代，以智能機器人為主要研究對象的智能人因學基礎理論框架尚未建成，這是亟待解決的問題。

1 工業革命視角下人因學發展歷程人因學的發展是伴隨著歷次工業革命而不斷發展變化的。在第二（工業2.0）、第三次（工業3.0）工業革命期間，人因學經歷了3個階段：經驗人因學階段、科學人因學階段、現代人因學階段[23]。近年來，以人工智能技術為代表的第四次工業革命（工業4.0）的到來，促進了智能人因學階段的到來，如圖1所示。

1.1 第二次工業革命期間的人因學19世紀末，即第二次工業革命中期，科學管理之父、美國機械工程師E.W.泰勒（Frederick W.Taylor）建立了以提高操作績效為目標的作業方法及作業標準，關注人在使用機器、工具、材料以及作業環境中的人機問題，機械制造業管理工效學理論體系得以初步萌芽[24]，代表著人因學研究進入了初期階段，即經驗人因學階段（1890—1939）。該階段重點關注工程心理與應用心理學方面的研究，認為機械設計的著眼點主要在于力學、電學、熱力學等工程技術方面的原理設計，其人機關系的核心理念是以培訓操作者為主，使人適應于機器。經驗人因學階段的研究內容主要包括管理工效、組織工效、職業要求、人力規劃、工作條件等方面。

經驗人因學一直持續到第二次世界大戰之前。第二次世界大戰期間，由于當時軍事武器與裝備設計領域出現了復雜的人機問題，使歐美政府、軍事界、軍工界意識到“人的因素”在裝備設計中的重要性。此時，人因學走向第二個階段：科學人因學階段?！笆箼C器適應于人”的理念逐漸取代了經驗人因學“讓人適應于機器”的思想?？茖W人因學階段，從二戰后一直到20世紀50年代末，其研究應用逐漸由軍事領域轉向民用領域，工業與工程設計中的人因學成為當時研究熱點，受到工程技術人員、醫學家、心理學家、生理學家的廣泛關注。

1.2 第三次工業革命期間的人因學20世紀60年代初，第三次工業革命爆發，正值二戰后歐美各國大規模經濟復蘇發展期。伴隨信息化技術、計算機科學、自動化和機器人等科學的發展，人因學得到了更多發展機會，開始由第二階段轉向第三個階段：現代人因學。與前兩個階段相比，現代人因學研究重點由傳統機械裝備的物理介質，開始轉向信息化特征的軟件界面、網絡界面等數字顯示裝備的人因工程設計、人機交互設計。該階段著重研究以“人”為核心的作業空間安全設計、作業空間虛擬評價、作業姿勢分析、人體數字模型構建、作業績效評估、事故分析與預測、人的認知、人的行為、人機安全（人與機械）、人機交互（人與機械、計算機、信息），強調人機系統中“人”的重要性。

1.3 第四次工業革命驅動下的智能人因學2013年，德國漢諾威工業博覽會上正式推出“第四代工業——Industry 4.0”戰略規劃，標志著21世紀以智能制造為主導的第四次工業革命爆發，自動化和信息化高度融合滲透，智能機器人、智能計算、大數據、互聯網、以及生物技術等新興科學，正以極快的速度形成巨大產業能力和市場，極大地促進了人因學的發展，標志著人因學發展到了第四階段：智能人因學階段。

2 智能人因學的內涵及特點

2.1 智能人因學的內涵及定義智能人因學屬于人因學領域的研究前沿，是近年來伴隨著以人工智能、機器人、生物信息以及數據科學等為代表的新科技革命的爆發，而正在迅速發展起來的多學科高度融合交叉的科學。它以智能機器人為研究對象，以機器人人因系統（humanrobot system，HRS）、人因工程（humanrobot ergonomics，HRE）、人機交互（humanrobot interaction，HRI）、人機共融（humanrobot integration，HRIg）、人機協作（humanrobot cooperation，HRC）、人機安全（humanrobot Safety，HRSf）、人機界面（humanrobot interface，HRIs）、以及機機共融（robotrobot integration，RRIg）為主要研究內容，以提高人與智能機器人協作時的交互工效、人的健康、安全和舒適為目標，研究人、機器人或智能裝備及其工作環境之間相互作用的科學。在傳統人因學理論基礎的支撐下，智能人因學又以智能科學、機器人科學、認知科學、信息科學、數據科學、計算機科學、設計科學等為依據，構建其科學理論體系。

2.2 智能人因學的研究特點與傳統人因學相比，智能人因學的特點如下。1）智能人因學與傳統人因學前3個歷史階段，四者在發展階段上一脈相承，都是在歷次工業革命促進下的歷史產物。智能人因學，仍遵循傳統人因學理念，以提升效率與安全為目標，但其人機系統（HRS）的魯棒性要求更高。

2）在智能人因學人機系統（HRS）中，其“機”由傳統人因學中的“機器或機械”轉變為具有生物學特征的“智能機器人”，“人機系統（HRS）”也變為雙重“人”為核心的“人-機器人系統”，更注重“智能機器人”與“人”之間的自然交互。智能機器人既可根據用戶需求做出快速反應，與“人”無障礙的自然交流，又可自主學習人的視覺、聽覺、觸覺等感知覺特性及環境特征而做出精準決策。

3）智能人因學階段的基礎研究，更聚焦于人與智能機器人的協作共融關系，強調智能機器人適應于人的同時，也著重研究人在與智能機器人交互時的感知特性與情感偏好。在智能機器人人機關系中，人與智能機器人交互是雙向的，其適應程度并非孰輕孰重。

4）智能人因學關于人的感知覺等人因特性的研究，更趨向微觀層面的人體多模態信息數據的獲取與處理，研究方法與研究工具也轉向以智能監測與數據計算、深度學習等為主的新技術新方法。

2.3 智能人因學研究對象智能人因學是在現代傳統人因學基礎上發展起來的，以人與智能機器人為主要研究對象，主要涉及以下幾大類別。①老齡服務機器人;②兒童益智服務機器人;③導航服務機器人;④醫院智能診療服務機器人、手術機器人、康復機器人、智能康復器械、智能監測服務機器人;⑤智能物流托運機器人、智能倉儲機器人、校園快遞智能轉運機器人等;⑥垃圾轉運服務機器人;⑦智能消殺機器人，如醫院消殺機器人等;⑧智能巡檢機器人，如航海監測機器人、電力巡檢機器人、海疆監測機器人等;⑨智能裝備數字終端顯示裝置。

3 智能人因學的研究內容 ?智能人因學的研究內容與研究重點，逐漸由傳統人因學中“人與機械設備”交互關系研究，轉向“人與智能機器人”協作關系等研究。研究內容主要涉及人機共融（HRIg）、人機系統（HRS）、人機協作（HRC）、人機安全（HRSf）、人機交互（HRI）、機機共融（HRIg）、感知與建模、感知特性等。如果根據具體對象來分，主要有以下4個方面。

3.1 “人-機器人”方面的人因學研究

3.1.1 “人-機器人”人機共融（HRIg）人與機器人的人機共融研究，是智能人因學重點研究內容?！叭?機器人”方面的人因學研究，主要是對人與智能機器人的人機共融交互設計支持技術的研究。人機共融技術，是指在同一空間下讓機器人逐漸具備人類感知、學習、思考、自適應及決策能力。通過與人類大腦邏輯思維及應變能力的結合，使機器人充分發揮其快速、準確、耐疲勞等機械性能，使人與智能機器人能夠進行深度自然交互[25]。強調的是人與機器人協作共融的安全性、自然性、無障礙性[26]。

3.1.2 “人-機器人”人機系統（HRS）智能人因學視角下的人機系統（HRS）與傳統人機系統（humanmachinesystem，HMS）相比，既有聯系又有區別。傳統HMS研究中，“人”是指人機系統中的人，“機”為不具備智能特征的機器。而“人-機器人”形成的人機系統（HRS），著重研究具有“人”的生物學特征的“智能機器人”，如何與系統中的“人”深度融合、做出即時反應。重點研究智能機器人對人的意圖識別、情感認知、視覺認知、聽覺認知、觸覺認知等感知覺特性。

3.1.3 “人-機器人”人機協作（HRC）人與智能機器人之間的人機協作（HRC），其基礎理論與實踐應用研究的重點，主要聚焦于智能機器人如何與人進行高效協作，如何根據人的意圖或是人的行為反應而做出精準決策，強調人機協作安全自如，提工效，降耗能。

3.1.4 “人-機器人”人機安全（HRSf）人機安全（HRSf）是指人與智能機器人進行高效協作時的安全性，包括人的安全性、機器人的安全性、環境的安全性，人機系統的安全性等。人機安全研究是智能人因學的重要研究內容，主要關注智能機器人的理解能力、反應能力和決策能力，著重人的生理心理信息數據與智能機器人行為的耦合映射關系研究。

3.1.5 “人-機器人”人機交互（HRI）人機交互（HRI）是智能人因學的重要研究內容。相比傳統人機交互（HMI）研究范疇，HRI研究更關注人與智能機器人的交互時的表征特性，包括人與機器人交互時的作業姿勢;人體功能尺寸與智能機器人形態結構設計要素的關系。強調智能機器人如何與人進行自然交互以及安全交互問題等。

3.1.6 “人-機器人”人機界面（HRIs）機器人人機界面（HRIs）是人與智能機器人在人機交互（HRI）過程中，所形成物理界面和信息界面的總稱，與傳統意義上人與機器交互產生的人機界面（HMI）及人與計算機交互產生的人機界面（humancomputer interface，HCI）概念，既有聯系又有區別。機器人人機界面（HRIs）是HMI和HCI領域的一個分支，HMI強調的是人與機器交互作業時產生的界面，HCI強調的是人與計算機交互作業時產生的界面。HRIs不僅具有人與機器（計算機）交互所呈現的界面特征，還具備人與機器人交互作業時所具有的屬性，相對傳統人機界面（HMI）或HCI，智能機器人（HRIs）更關注用戶與服務機器人交互的安全性、效能以及界面體驗的友好性[27]。

3.2 “機器人-機器人”方面的人因學研究機器人與機器人之間的機-機共融（robotrobotintegration，RRIg）是未來智能機器人重點發展方向，也是智能人因學的重要研究內容之一。如何讓智能機器人具有人類或者生物學特征，使智能機器人與智能機器人相互之間具備理解意圖，交流自如，協作自如的能力，實現機器人與機器人之間的機機共融是“機器人-機器人”人因學重要研究內容。

3.3 “機器人-環境”方面的人因學研究 智能人因學階段“機器人-環境系統”（robotenvironment system，RES），是指智能機器人與環境交互形成的機-環系統。RES主要研究內容包括智能機器人對所處環境信息的智能監測、感知、獲取、特征識別、響應決策。與大部分處于單一環境重復工作的工業機器人相比，智能機器人具有感知、理解和快速響應未知環境的能力，面對復雜動態環境可自主規劃路線且保持正常運行，如無人機避障、無人自動駕駛、以及倉儲物流自動駕駛等機器人。

3.4 人體數據智能監測與信息特性研究智能人因學關于人的特性研究，主要著眼于智能機器人對人的心理特性和生理特性的智能監測與識別，借助于智能傳感技術，以獲取人的健康信息為目的。在心理方面，主要研究人的視覺認知特性、情感認知特性、聽覺認知特性、觸覺認知特性;在生理方面，主要研究人身體多維尺寸數據、身體部件及身體器官3D數據、日常及異常狀態下人的行為、作業姿勢、肌電信號、腦電信號、皮電信號、數字人體模型參數等表征數據等。

4 智能人因學的研究方法智能人因學階段，以智能傳感智能監測、虛擬現實模擬、仿真計算建模等方法，逐漸取代傳統人因學定性研究法，大大提高了研究結果的可靠性。

4.1 智能傳感監測實驗法智能傳感監測實驗研究方法，主要有眼動實驗、腦電實驗、力反饋實驗、情緒實驗、心電實驗、肌電及皮電實驗、虛擬現實、虛擬仿真、激光三維快速掃描、視覺傳感監測、聽覺傳感監測、聲音傳感監測、觸覺傳感監測以及生物力學模型等方法。

4.2 智能虛擬現實模擬法虛擬現實模擬法是智能人因學的重要研究方法之一。它是計算機技術發展到一定水平與思維科學相結合的產物。虛擬現實技術的出現為人類認識世界開辟了一條新途徑，作為一項尖端科技，虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統。由于虛擬現實技術的實時三維空間表現能力、人機交互式的操作環境以及給人帶來的身臨其境的感受，為智能人因學的發展提供了支撐，如桌面CAD虛擬現實系統。利用Open GL、DirectDraw等三維圖形繪制技術對虛擬世界進行建模，通過計算機的顯示器進行觀察。

4.3 計算機數值仿真法計算機數值仿真法，是指在計算機上利用系統的數學模型進行仿真性實驗研究方法。人因學研究常用的計算機數值仿真建模軟件工具主要有AnyBody生物力學及步態分析系統、ProE計算機輔助制造平臺中的Mankind人機分析模塊、以及作業姿勢評估軟件Jack等。其中，AnyBody人體建模仿真系統是計算機輔助人因學研究和生物力學分析軟件，主要用于計算人體對于環境的生物力學響應程度，為人因學產品性能改進和生物醫學工程研究，提供了一個新穎的平臺，可以通過導入完整的人體肌肉骨骼模型，用于人因工程設計。

4.4 行為智能觀察分析法觀察分析法，人因學領域常見的研究方法，指有一定經驗的人通過對特定事件直接地觀察，對其進行詳盡的闡述記錄，并在此基礎上對此事件的關鍵因素進行分析。評估人員對設備進行現場技術的檢驗和觀察，綜合設備的使用時間，實際技術狀況，負荷程度，制造質量等經濟技術參數，綜合分析估測設備的成新率。近年來，隨著人工智能技術、計算機科學和數據科學的發展，智能數字化行為觀察系統成為智能人因學研究主要方法之一。如荷蘭NOLDUS公司Observer XT行為觀察分析系統是研究人類行為的標準工具，可用來記錄分析被研究對象的動作、姿勢、運動、位置、表情、情緒、社會交往，人機交互等各種活動;記錄被研究對象各種行為發生的時刻、發生的次數和持續的時間，進行統計處理，得到分析報告，可廣泛應用于心理學、人因工程、產品可用性測試、人機交互等領域的實驗研究。

4.5 數據信息處理與算法智能人因學研究中，人體信息數據挖掘、機器人行為分析預測、HRIs人機界面設計決策、以及理論優化模型構建等工作，主要采用機器學習與深度學習算法，如卷積神經網絡、支持向量機、貝葉斯分類、決策樹、隨機森林以及隱馬爾可夫模型等，利用這些方法有效解決機器人與人交互設計決策及理論優化問題。

5 智能人因學理論框架與研究路徑勢

5.1 智能人因學理論框架構建據上述分析，智能人因學理論框架，如圖2所示，自下而上，擬從科學領域、理論基礎、研究方法、研究內容、研究對象、研究目標6個角度構建。

智能人因學屬于社會科學、工程科學與自然科學高度交叉領域，理論基礎則來自人因工程學、交互科學、人工智能、心理學、生理學、認知科學與數據科學等相關學科。研究方法以智能監測實驗法、虛擬現實、數值仿真以及先進計算等方法。研究內容主要分為人因問題與人機問題兩大層面。人因問題的研究，重點關注人的感知覺特性（視覺特性、聽覺特性、情感認知特性）、人體建

模、人體尺寸等生理與心理數據信息等內容。而

人機問題研究，則是著重人機交互關系的研究，主要包含人機共融、人機系統、人機協作、人機安全、人機交互、人機界面、機環系統、機機共融、機器人行為識別與建模等方面內容。

5.2 智能人因學解決問題的路徑智能人因學主要研究人與智能機器人進行交互時，其人因問題與人機問題的映射耦合關系，最終實現人機共融，促進設計質量提升。其基礎理論研究所解決問題的路徑主要分為7大步驟，如圖3所示。步驟一：人因問題與人機問題特征識別。步驟二：人因特性與人機關系的聚類分析及特征提取。步驟三：人因特性與人機問題的耦合映射關系建模。

步驟四：根據前述研究結果及理論依據進行設計決策。步驟五：構建智能人因系統、人機界面、人因安全等理論優化模型，實現人機共融。步驟六：人因特性與人機關系理論優化模型的驗證。步驟七：基礎理論成果的產業應用。

5.3 當前挑戰及未來發展趨勢由于智能人因學是傳統人因學發展到智能時代的新產物，還未形成系統完整的理論體系，當前正面臨著三大挑戰。1）如何利用智能監測等新興技術技術獲得不同群體用戶更為精準的多模態人體數據，建立更加微觀、更加系統的人體生理信息與心理信息特征數據集，以支撐構建魯棒性智能機器人HRS人機系統設計。2）智能機器人尤其是服務型機器人，如何正確理解人的意圖與行為，做出可靠決策，優化人機系統結構，建立更為自然的交互模式，實現人機共融。3）盡管國際標準ISO-15066制定了某些機器人領域的技術指南，但是系統性的智能人因學行業標準尚未建立，這是智能人因學實踐應用的航標性綱領，必須予以高度重視。上述挑戰性問題的解決，便是智能人因學基礎與應用研究未來發展目標。

6 結論梳理第二、第三次工業革命對人因學前3個歷史階段（經驗人因學、科學人因學、現代人因學）理論體系形成及發展歷程，分析了第四次工業革命推動下智能人因學產生的背景、特點以及與傳統人因學的區別與聯系?；趥鹘y人因學理論基礎，綜合新科學技術，構建智能人因學理論框架。提出了智能人因學內涵定義、研究對象、研究內容、研究方法以及解決問題的路徑。重點分析了人與智能機器人交互時人機共融、機機共融、人機系統、機環系統、人機協作、人機安全、人機交互、人機界面以及人體數據智能監測、獲取及信息特性等內容方向，可以為智能人因學后續理論研究范式提供參考。

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（責任編輯：張 江）