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

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

人因工程（Human Factors Engineering，HFE）的目的在于讓科技為人類服務，即通過使技術更好地為人服務來改善人們的生活［1］。充分和及時地將HFE 納入系統全生命周期是至關重要的（尤其是在項目的早期階段），它可以鼓勵項目人員對人的因素（Human Factors，HF）考慮的重要性進行必要的認同和認識［2］，但在實際的系統設計中經常出現太少、太遲現象，要么是由于更改系統設計的成本太高或太耗時（太遲）而導致HF 的益處被忽視，要么是對設計僅做微小改動（或成為建議）以表面上支持HF（太少）［3-4］。要想充分發揮HF 的作用，就需要在整個生命周期中運用HFE 方法［3］。國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）相關標準指出系統生命周期所有階段的活動都需要考慮HF［5-6］，其中進行HF 考量的活動稱之為HFE 活動。相應地，這些HFE 活動也都需要HF 知識、方法、模型、工具、要求（Requirement）、相關標準／文獻等的支持（下文統稱為HFE 支撐），但目前相關的研究并不完善，存在諸如不同組織／機構的話語體系不一致及相應的HFE 分析不系統、對系統全生命周期的HFE 活動及HFE 支撐的總結相對缺乏且不夠細化等問題。上述情況可以總結為“在系統全生命周期的實踐中HFE 做什么以及怎么做？”這一研究問題，目前這一問題尚未得到很好地解決。

國際上，航空航天航海、國防軍事等復雜工業系統領域一直高度重視HF 的應用研究，眾多組織／機構相繼開發了相應的標準規范用以指導工業實踐［7-8］。但是文獻調研指出，僅采用規范（Prescriptive）性的HFE 標準和指南來支持工業實踐存在一些缺陷，如HFE 標準有時太模糊或太嚴格、不涉及權衡、反映了現有技術和知識的局限性、較長的標準開發時間（創建標準的過程需要在不同的利益攸關者群體之間達成一致）等［9］。此外，一些工業領域還建立了其組織內通用的HFE 標準，這些標準關注了特定的人群、系統類型和系統功能［10］，而考慮復雜工業系統實踐中多種多樣的用戶人群特征、使用情境或應用領域，已有的標準可能并不適用［10］。值得注意的是，雖然許多領域的HFE 標準并不完全一樣，但卻通?；谙嗤暮诵目茖W基礎，實際上它們經常相互交叉引用［11］。

基于以上背景，通過與多名行業資深HF 專家進行廣泛的討論，本文認為有必要提出一個復雜工業系統全生命周期中HFE 分析的基本框架，這一框架應包括生命周期各個階段的HFE 活動以及相應的HFE 支撐，可以嘗試回答前述的研究問題。為了實現這個目標，本文進行了構建該基本框架的嘗試，主要分2 步。首先，通過總結系統生命周期的相關文獻，構建了足夠細化的系統生命周期通用模型；其次，在前文（本文為《人因工程與系統工程的集成》系列論文［12-14］的第四篇，文中的前文均指第三篇《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》［14］）針對安全關鍵領域開展的技術路線總結的基礎上，對涉及系統生命周期各個階段的HFE 活動和HFE 支撐的文獻進行了系統性的總結，從而提出了復雜工業系統全生命周期中HFE 分析的基本框架。

2 復雜工業系統全生命周期中人因工程分析的基本框架

為了避免前面提及的規范性HFE 標準和指南的局限性，該框架將適用于生命周期的以人為中心的設計（Human-Centred Design，HCD）過程與HFE標準進行了結合，這使得其具有較好的實用性和通用性。為增強其實用性，該框架定義了足夠細化的系統生命周期模型（包括了5 個生命周期階段及對應的14 個步驟），以更好地支持系統生命周期各個階段的HFE 活動。為確保其通用性（有利于消除行業壁壘，能夠服務于不同的復雜工業系統），該框架的HFE 活動／過程和HFE 支撐均總結自典型安全關鍵的復雜工業領域的組織／機構發布的在系統生命周期中考慮HFE 的相關文獻。為方便構建這一基本框架，本文研究進行如下約定：首先，術語Ergonomics、Human Factors、Human Engineering 和Human Factors Engineering 可互換使用，分別譯為工效、人因、人的工程（國軍標將其譯成人機工程）和人因工程，并采用國際工效學聯合會（International Ergonomics Association，IEA） 對HF 的 定義［8，15］。其次，盡管本文的系統生命周期表示成了離散、順序的階段，但在實際工業實踐中這些階段是相互依賴且存在重疊的（但不互相隸屬），且因不同領域的組織／機構而存在差異［16］。本框架嚴格限制系統生命周期各個階段僅考慮該階段的原有活動。典型的，該框架采用狹義的開發階段，其不包括后續的生產、運行等階段。另外需要注意的是，該框架中其他一些術語有時也是可互換使用的，典型的有設計（Design）、開發（Development）和設計和開發［17-18］。

2.1 系統生命周期通用模型的構建

構建足夠細化的系統生命周期通用模型是構建系統全生命周期HFE 分析基本框架的基礎和第一步?？紤]到ISO 標準體系的通用性，本研究首先參考了ISO／IEC／IEEE 15288《系統和軟件工程-系統生命周期過程》所采用的通用生命周期模型［19-20］，以及ISO／IEC／IEEE 24748-1《系統和軟件工程-生命周期管理-第1 部分：生命周期管理指南》第5 節的生命周期階段［16］，劃分了概念、開發、生產、運行與維修、退役這5 個生命周期階段。在此基礎上，結合EN 50126-1《軌道交通-可靠性、可用性、可維修性和安全性（Reliability，Availability，Maintainability and Safety，RAMS）的規范和示范 第1 部分：通用RAMS 過程》6.2 節圖6 的系統生命周期［21］以及IEC 62278《軌道交通-可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例》（此處采用對應國標GB／T 21562［22］的譯法）5.2.2 節圖8 的系統生命周期［23］，從而得到與生命周期階段對應的14 個生命周期步驟，如圖1 所示。IEC 62278 ∶2002 由EN 50126-1 ∶1999 轉化而來，目前后者已更新為EN 50126 ∶2017，因此本文的生命周期步驟及其一般工作（General tasks）將主要參考EN 50126 ∶2017，另有幾個步驟的一般工作（步驟3、步驟11 ～14）采用IEC 62278 ∶2002 的一般工作進行補充與完善。該模型按順序表示生命周期，這樣的表示形式僅是為了顯示各個階段／步驟之間的聯系［21］，并不意味著生命周期階段／步驟具有固定的順序。

另外也可對系統生命周期通用模型進行V型表示，如EN 50126（2017）的Figure 7。還可參照INCOSE（2015） Figure 1.1 的表述方式，選取ISO／IEC／IEEE 15288（2015）定義的4 個過程類別來表征上述包括5 個生命周期階段的系統生命周期模型，從而支持系統工程［19-20］。此外，為更好地兼容不同的安全關鍵領域，INCOSE（2015）的Figure 3.3 還比較了典型的生命周期模型［19］。

2.2 系統全生命周期中人因工程分析基本框架的構建

本部分為構建基本框架的第二步?；谇拔膶I實踐中已有技術路線的總結，選取了與HF／SE 集成的相關度一欄為高且在系統生命周期中考慮了足夠細化的HFE 活動或過程的相關文獻［14］，一并列出的還有其所屬的工業領域，結果見表1。

表1 HFE 分析基本框架構建的入選文獻Table 1 Chosen literature for the general framework of HFE analysis

針對系統生命周期通用模型各個步驟所包括的一般工作，進行上述15 篇入選文獻中對應的HFE 活動／過程和HFE 支撐的總結，建立這兩者之間的對應關系，從而提出了系統全生命周期中HFE 分析的基本框架，見表2。為適應前述系統生命周期模型（見表2 的第1 列），該基本框架中各個步驟的一般工作（見表2 的第2 列）主要參考EN 50126-1 的表1［21］，并結合IEC 62278（或GB／T 21562）的圖9［22-23］進行了補充與完善。其中，表2 中未標注參考文獻的一般工作均出自EN 50126-1?？蚣苤械腍FE 活動／過程（見表2 的第3 列）包括了HFE 活動或HCD 子過程。針對各步驟的一般工作對應的HFE 活動／過程這一欄的具體內容，首先參考一般工作的內容表述，檢索并選取上述15 篇文獻中相關的HFE 活動／過程。然后，針對前述15 篇文獻HFE 活動／過程的匯總結果，進行相同／相似內容的合并，不一致的表述則單獨列出，從而構建該一般工作所包括的HFE活動／過程的最小公倍數。最后，按照表述邏輯性和連貫性進行HFE 活動／過程內容的順序調整，從而得到各步驟一般工作對應的HFE 活動／過程?？蚣苤械腍FE 支撐（見表2 的第4 列）列出了支撐對應HFE 活動／過程的具體章節、表格、附錄等在所引用文獻中的定位信息。受限于表格篇幅，HFE 支撐在本文中暫不詳細展開。

表2 系統全生命周期中HFE 分析的基本框架Table 2 General framework for Human Factors Engineering analysis in system lifecycle

典型的HCD 子過程采用了輸入-過程-輸出（Input-Process-Output，IPO）范式，其提供的內容不限于HFE 活動，因此更為豐富，但缺點在于過程不涉及具體的方法和工具［19］。不同HFE 活動分組（如HFE 方面／組成／基本活動）和HCD 過程（即HCD 子過程分組，如以人為中心的過程（Human-Centred Process，HCP）3.2～HCP3.5）為更高一級的大標題，雖然其主要涉及設計開發過程，但也可能出現在其他生命周期階段［25，32］。HFE 活動／過程和HFE 支撐根據其出處標注引用文獻，相同或相似的HFE 活動／過程在進行合并后引用多個文獻。在表2 中，第3 列的HFE 活動／過程的字母上標與第4 列的HFE 支撐的字母標號是一一對應的，多個文獻統一在第4 列的HFE 支撐處進行引用。此外，針對待設計系統中的某一具體元素，其整個的HF 設計過程也需按照該基本框架進行，這就導致了該基本框架的某些環節可能存在一定重復。前者對象為系統，后者為系統中具體的元素，反映了設計過程的迭代性。有必要說明的是，該框架主要是從HF 從業者角度提出的，足夠細化且通用的框架使得其具有較好的實用性和通用性，從而更好地服務于工業實踐。此外，各個步驟的HFE 支撐中涉及的文獻可能十分廣泛。

另外還有2 個方面需要注意。首先，該框架生命周期各個階段的步驟并不是固定的（該框架的相對順序僅為一種典型呈現），同一步驟（或步驟中的（某一或某些）HFE 活動／過程）可能在多個生命周期階段中重復出現，其順序應參考對應領域經驗制定。很典型的，HF 風險分析與評估［23，30］、HF 驗證與確認［21，24］、HFE 意識培訓［2］等HFE 活動／過程會在生命周期各個階段迭代進行，并向前述階段提供反饋。其次，因應用場景／語境不同，一些術語可能出現多個相似的中文翻譯，典型的有Process 可譯為流程或過程；Review 可譯為評審、審查或審核，以及回顧；Performance 可譯為性能、績效或效能；Acquisition 可譯為采購、訂購或采辦；Integration 可譯為總裝、集成或整合；Utilization stage 可譯為使用階段或運營階段；Support stage 可譯為保障或維護階段；Retirement stage 可譯為退役或處置階段；Requirement可譯為要求或需求；Maintenance 可譯為維修或維護；Facility 可譯為設施或設備；Operation 可譯為運行、運營或操作。

3 討論與展望

首先，針對“系統全生命周期的實踐中HFE做什么以及怎么做？”這一研究問題，本文開展了系統全生命周期中HFE 分析的基本框架研究。在前文［14］的文獻總結基礎上，通過引入足夠細化的通用生命周期模型，并進一步總結了系統生命周期各個階段的HFE 活動和HFE 支撐，本研究提出了一個系統全生命周期中HFE 分析的基本框架。該基本框架包括了生命周期的5 個階段和14 個對應的步驟，并闡述了各個步驟的一般工作、HFE 活動／過程以及HFE 支撐。該框架的提出為解決上述研究問題提供了參考，可以用來支持系統生命周期各個階段的活動，讓這些活動充分考慮HFE［2，38］，以達到人機更好的匹配和集成。在實際應用中，需要進一步建立從該框架到工業實踐要求、技術和過程的映射，并識別相應工業實踐可能需要對現行標準進行完善的地方或為滿足組織需要建立新的標準［10］。同時，本文研究內容是前文［14］提出的解決“HF 與SE 未能很好的集成”這一現實問題的解決方案的第一步，可為其后續步驟的開展提供重要的基礎。

其次，陳善廣等［8］提出了“…亟需開發適合設計師使用的HF 設計的方法、工具和標準”的關鍵科學問題以及“制定系統全生命周期的HF 設計法規和標準，…將HFE 的思想和方法論貫穿系統／產品設計研制的全過程”的發展建議，從而更好地為人與系統集成設計提供理論支撐。

本部分研究的結果為上述關鍵問題和發展建議提供了部分思路，后續本部分的期望目標即是提出新的在生命周期中考慮HFE 的標準，以規范系統生命周期各個階段的HFE 分析，從而支持一線的工業實踐活動（如系統生命周期各個階段的活動、企業／機構HFE 項目的構建、HFE 在系統生命周期的管理等）。

最后，本部分提出的基本框架仍有待后續的深入研究。理論上較簡單的框架（典型的如ISO 6385（2016）的6 個階段框架）通用性較好，但是其實用性就相對較差。在實際的文獻總結過程中發現從通用領域推廣到具體工業應用領域相對簡單（需要結合具體領域的知識進行對象化），但是反過來從多個安全關鍵領域凝練出一個實用且通用的基本框架則難度較大。標準是實踐經驗的高度反映，本研究構建面向復雜工業領域實用且通用的基本框架的目標即是希望提出相應的HFE標準，因此需要掌握多個安全關鍵領域的話語體系、包括熟悉其標準體系以及充分理解相應的工業實踐經驗，這些工作存在較大的困難。本部分的基本框架正是在開展上述工作的基礎上提出的，盡管付出了較多的努力，目前尚未得到獲得一致認可的基本框架，但本部分的嘗試仍可作為一個有價值的參考。后續的研究可結合實際的工業實踐以及領域專家經驗進行該框架的進一步完善和改進。

4 結論

針對“系統全生命周期的實踐中HFE 做什么以及怎么做？”這一研究問題，本文提出了復雜工業系統全生命周期中HFE 分析的基本框架。該框架包括了生命周期的5 個階段和14 個對應的步驟，并進一步闡述了各個步驟的一般工作、HFE活動／過程以及HFE 支撐。該框架的提出具有以下2 方面研究意義：首先，本文提出的基本框架可為上述研究問題的解決提供參考，同時其也是前文提出的解決方案的第一步，可為其后續步驟的開展提供重要的基礎；其次，本研究為陳善廣等提出的相關關鍵問題和發展建議提供了部分思路，可用于支持工程一線的HF 實踐。