迈向以人为本的柔性设计——《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》导读

郑 冉 王柏村 易 兵 张 莹

1.中南大学交通运输工程学院，长沙,4100752.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州,3100273.中南大学湘雅医院感染控制中心，长沙,410008

0 引言

近年来数字化、网络化、智能化等技术迅猛发展，人类生产和生活自动化水平不断提高，数学技术给世人带来诸多便利的同时，也产生了流程僵化等问题。尤其在面对不可预见的突发事件时，传统管理方式面临严峻挑战，也更加凸显了流程僵化导致的系统的脆弱性。“如何管理突发事件，实现从刚性自动化向柔性自主性的过渡，构建一个更加注重柔性和可持续发展的世界”引起了人们的关注。如何合理利用新一轮科技革命技术成果，构建人-社会集成系统和可持续发展模式引起了学者Gug André BOY的思考，进而他提出了以人为本柔性设计的新理论和技术体系来解决当前的社会技术问题，并撰写了《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》[1]一书。该书围绕以人为本的柔性设计主题，介绍了社会-技术系统柔性分析的概念、框架、模型，对进行柔性分析的人-系统集成(Human-system integration , HSI)方法展开了详细阐述，并探讨了复杂系统的有形性问题，给出了以人为本的虚拟设计(virtual human-centered design, VHCD)实体化的具体方法和有形度量指标，为设计和制造人-自然-社会和谐的人工制品提供理论指导。

HSI作为新兴学科，是心理学、社会科学、生物学、数学、计算机科学等多学科交叉的一门学科，该学科所提出的基本框架可用于分析复杂问题、获得解决方案和提高社会-技术系统的柔性[2]。人-系统集成将以人为本的设计与复杂系统工程有机结合起来，依托虚拟样机，利用人在回路仿真(Human-in-the-loop simulations, HITLS)和数字孪生技术，考虑社会-技术系统中人的因素和组织因素，实现设计过程的人机交互和产品全生命周期的仿真，促进以技术为中心的传统系统工程向以人为中心的数字工程的转变，旨在提高整个系统全生命周期的柔性。

1 复杂社会-技术系统

该书第一章以新冠肺炎疫情的爆发为背景，揭示了打破传统僵化的程序、灵活处理突发事件的重要性，强调了研究技术、组织和人员方面的柔性的迫切需求，进而引出人-系统集成这一多学科交叉的新兴学科，以实现从刚性自动化到柔性自主化的转变，提高社会-技术系统的柔性。

第二章介绍了社会-技术系统的柔性分析框架。考虑技术成熟度、实践成熟度和社会成熟度三种与自主性密切相关的成熟度以及管理复杂系统的三个主要过程(图1)，阐述如何实现从刚性自动化到柔性自主化的转变，这个转变需要定义“系统”的一致表示，即系统是由结构和功能组成的，提出图2所示的“情境-资源正交”框架。书中对资源和情境的概念分别进行了定义，其中资源被形式化为客体或主体，情境由结构、功能和动态三种因素定义，与TOP模型(technology, organization and people)(图3)结合构成情境分析全局框架，如图4所示，最后区分情境与情景的概念，提出态势感知(situation awareness, SA)的情境模型框架，如图5所示。

图1 程序执行、自动监督和问题解决过程

图2 “情境-资源正交”框架

图3 TOP模型

图5 态势感知的情境模型

第三章介绍了实现柔性设计的基础方法和模型。首先对复杂社会-技术系统进行定义并对复杂系统的特性进行阐述，引出SFAC模型(structure/function vs.abstract/concrete)(如图6所示，提供了人工制品的结构和功能之间的等效表达，即抽象和具体)、NAIR模型(natural/artificial vs.cognitive/physical)(如图7所示，阐述了社会-技术系统的认知功能和物理功能的区别)和AUTOS金字塔模型(artifact, user, task, organization and situation)(如图8所示，是TOP模型的扩展，一个简化的HCD工程框架)，构建以人为本的柔性设计的概念框架[3]，并分析系统的复杂性。其中，复杂系统的特性主要包括：①组件及组件间的互连；②多人参与全生命周期过程；③未包含在组件中的全局属性或行为；④复杂适应机制和行为；⑤不可预测性的表征。

图6 SFAC模型

图7 NAIR模型

图8 AUTOS金字塔

2 人-系统集成(HSI)

第四章详细阐述了人-系统集成的具体内涵。介绍了人-系统集成的认识论及演变，说明可分离性问题是复杂系统的一个重要特性；阐述了HSI的仿真方法——人在回路仿真(HITLS)，并分析在系统全生命周期考虑资源投入、设计柔性和系统知识三个参数的影响；分析了从传统工程到数字工程的转变，回答了如何提供更多的自主性和柔性问题(图9)；引出在这个过程中获取程序性和陈述性知识的工具(人工智能)和方法(PRODEC方法)。

图9 从传统工程到数字工程的转变——从刚性自动化到柔性自主性的转变

第五章介绍了基于活动的设计。通过基于场景的设计(表现形式如图10所示)处理任务分析，通过人在回路仿真完成活动观察和分析，进而实现基于活动的设计。分析了从HighTech(最先进的可用技术)到FlexTech(支持工程设计和操作柔性的技术)的演变过程，包括从人因和人机工程学(HFE)、人机交互(HCI)和人-系统集成(HSI)三个时期，如图11所示，这种演变创新被视为一种冒险活动。作者从互联网快速流行的原因、航空公司意外事件的管理，证明了创新需要冒险。

图10 人机系统形成性评价的多规则方法

图11 以工程为导向到以人为本设计的演变

第六章分析了基于模型的人-系统集成及其柔性。首先介绍了影响HSI柔性的重要因素：态势感知、具体化和熟悉度；接着给出了预测模型和知识模型两种模型，并以新冠肺炎疫情为背景，说明了两种模型的作用，证明不同模型只在特定情境中有效，提出基于经验的建模方法，在这个过程中，识别突发情况至关重要；最后介绍了监督、调解、合作三种系统交互模型(表1)，以支持更多的自主性、协调性和柔性。

表1 系统交互模型

3 有形性问题

第七章探讨了VHCD的有形性问题及其度量指标。首先说明了研究有形性问题的必要性，展示了VHCD的实体成形过程(图12)；接着说明了有形化过程中用到的具体方法。其中，设计卡(design cards, DC)能够有效解决设计过程及解决方案的文档记录问题；基于人在回路仿真的系统工程(SimBSE)考虑了人与机器的交互，以支持多智能体系统的构建；敏捷开发方法能够提供全生命周期每个阶段的柔性；成熟度是系统有形性的重要属性。作者重点阐述了复杂性、成熟度、柔性、稳定性和可持续性几个有形性度量指标，从有形性的五个方面区分了渐变性设计(evolutionary design)和革命性设计(disruptive design)，整个系统的演变用五点有形图表示，如图13所示。

图12 三个阶段的实体成形过程：从虚拟到有形化

图13 有形图：设计初期阶段(细实线)和设计验证阶段(粗实线)

4 几点启示

近些年来，人工智能飞速崛起，迎来了第三次发展浪潮，社会-技术系统环境不断走向数字化，基于固定流程的数字化和自动化会造成系统的僵化，因此以人为本的柔性设计成为研究重点，HSI可以推动系统从刚性自动化到柔性自主性的转变，为柔性设计提供了方法论，也为人本设计、人本智造等研究提供了参考。相关启示如下：

(1)学校应开设复杂系统理论相关课程，培养学生的创新能力和问题解决能力，加强学习“为什么”而不仅仅是关注 “怎么做”，鼓励学生以新的视角拓展认知，打破传统教学方式。例如：复杂系统课程建设，要关注学生的全局思维和问题解决能力的培养。

(2)企业构建柔性智能制造新模式，在制造全生命周期考虑人因、技术、环境、可持续性等多种因素，将以人为本的虚拟设计与敏捷开发融合起来，提高整个制造过程的柔性。预测以人为本的柔性智能制造和人机协同共融系统是有前景的研究方向。

(3)企业管理应从复杂系统管理的角度，制定企业长期战略目标，打破传统仅以市场为导向的研发模式，注重自然生态与可持续性，开展以人为本的正向设计，以实现高质量发展和科技自立自强。例如：考虑可持续发展的智能制造新范式值得进一步研究。

(4)研究柔性设计与人工智能、智能制造、人机交互等领域的融合，在以人为本的前提下，考虑技术、组织、环境等多种形式的智能化，研究社会-技术系统的复杂问题，提高系统柔性和可持续性。例如：以人为本的智能组织和管理研究。

(5)进一步完善以人为本的柔性设计理论和技术体系，深入开展面向人本设计的人机界面、人因工程、人机任务分配、组织形式以及实施措施等方面的研究，提高该理论技术系统的实用性。例如：开展以人为本的柔性设计在智能制造企业的具体落地具有重要实践意义。