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

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

人因工程（Human Factors Engineering，HFE）的目的在于让科技为人类服务，即通过使技术更好地为人服务来改善人们的生活［1］。充分和及时地将HFE 纳入系统全生命周期是至关重要的（尤其是在项目的早期阶段），它可以鼓励项目人员对人的因素（Human Factors，HF）考虑的重要性进行必要的认同和认识［2］，但在实际的系统设计中经常出现太少、太迟现象，要么是由于更改系统设计的成本太高或太耗时（太迟）而导致HF 的益处被忽视，要么是对设计仅做微小改动（或成为建议）以表面上支持HF（太少）［3-4］。要想充分发挥HF 的作用，就需要在整个生命周期中运用HFE 方法［3］。国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）相关标准指出系统生命周期所有阶段的活动都需要考虑HF［5-6］，其中进行HF 考量的活动称之为HFE 活动。相应地，这些HFE 活动也都需要HF 知识、方法、模型、工具、要求（Requirement）、相关标准／文献等的支持（下文统称为HFE 支撑），但目前相关的研究并不完善，存在诸如不同组织／机构的话语体系不一致及相应的HFE 分析不系统、对系统全生命周期的HFE 活动及HFE 支撑的总结相对缺乏且不够细化等问题。上述情况可以总结为“在系统全生命周期的实践中HFE 做什么以及怎么做？”这一研究问题，目前这一问题尚未得到很好地解决。

国际上，航空航天航海、国防军事等复杂工业系统领域一直高度重视HF 的应用研究，众多组织／机构相继开发了相应的标准规范用以指导工业实践［7-8］。但是文献调研指出，仅采用规范（Prescriptive）性的HFE 标准和指南来支持工业实践存在一些缺陷，如HFE 标准有时太模糊或太严格、不涉及权衡、反映了现有技术和知识的局限性、较长的标准开发时间（创建标准的过程需要在不同的利益攸关者群体之间达成一致）等［9］。此外，一些工业领域还建立了其组织内通用的HFE 标准，这些标准关注了特定的人群、系统类型和系统功能［10］，而考虑复杂工业系统实践中多种多样的用户人群特征、使用情境或应用领域，已有的标准可能并不适用［10］。值得注意的是，虽然许多领域的HFE 标准并不完全一样，但却通常基于相同的核心科学基础，实际上它们经常相互交叉引用［11］。

基于以上背景，通过与多名行业资深HF 专家进行广泛的讨论，本文认为有必要提出一个复杂工业系统全生命周期中HFE 分析的基本框架，这一框架应包括生命周期各个阶段的HFE 活动以及相应的HFE 支撑，可以尝试回答前述的研究问题。为了实现这个目标，本文进行了构建该基本框架的尝试，主要分2 步。首先，通过总结系统生命周期的相关文献，构建了足够细化的系统生命周期通用模型；其次，在前文（本文为《人因工程与系统工程的集成》系列论文［12-14］的第四篇，文中的前文均指第三篇《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》［14］）针对安全关键领域开展的技术路线总结的基础上，对涉及系统生命周期各个阶段的HFE 活动和HFE 支撑的文献进行了系统性的总结，从而提出了复杂工业系统全生命周期中HFE 分析的基本框架。

2 复杂工业系统全生命周期中人因工程分析的基本框架

为了避免前面提及的规范性HFE 标准和指南的局限性，该框架将适用于生命周期的以人为中心的设计（Human-Centred Design，HCD）过程与HFE标准进行了结合，这使得其具有较好的实用性和通用性。为增强其实用性，该框架定义了足够细化的系统生命周期模型（包括了5 个生命周期阶段及对应的14 个步骤），以更好地支持系统生命周期各个阶段的HFE 活动。为确保其通用性（有利于消除行业壁垒，能够服务于不同的复杂工业系统），该框架的HFE 活动／过程和HFE 支撑均总结自典型安全关键的复杂工业领域的组织／机构发布的在系统生命周期中考虑HFE 的相关文献。为方便构建这一基本框架，本文研究进行如下约定：首先，术语Ergonomics、Human Factors、Human Engineering 和Human Factors Engineering 可互换使用，分别译为工效、人因、人的工程（国军标将其译成人机工程）和人因工程，并采用国际工效学联合会（International Ergonomics Association，IEA） 对HF 的 定义［8，15］。其次，尽管本文的系统生命周期表示成了离散、顺序的阶段，但在实际工业实践中这些阶段是相互依赖且存在重叠的（但不互相隶属），且因不同领域的组织／机构而存在差异［16］。本框架严格限制系统生命周期各个阶段仅考虑该阶段的原有活动。典型的，该框架采用狭义的开发阶段，其不包括后续的生产、运行等阶段。另外需要注意的是，该框架中其他一些术语有时也是可互换使用的，典型的有设计（Design）、开发（Development）和设计和开发［17-18］。

2.1 系统生命周期通用模型的构建

构建足够细化的系统生命周期通用模型是构建系统全生命周期HFE 分析基本框架的基础和第一步。考虑到ISO 标准体系的通用性，本研究首先参考了ISO／IEC／IEEE 15288《系统和软件工程-系统生命周期过程》所采用的通用生命周期模型［19-20］，以及ISO／IEC／IEEE 24748-1《系统和软件工程-生命周期管理-第1 部分：生命周期管理指南》第5 节的生命周期阶段［16］，划分了概念、开发、生产、运行与维修、退役这5 个生命周期阶段。在此基础上，结合EN 50126-1《轨道交通-可靠性、可用性、可维修性和安全性（Reliability，Availability，Maintainability and Safety，RAMS）的规范和示范 第1 部分：通用RAMS 过程》6.2 节图6 的系统生命周期［21］以及IEC 62278《轨道交通-可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》（此处采用对应国标GB／T 21562［22］的译法）5.2.2 节图8 的系统生命周期［23］，从而得到与生命周期阶段对应的14 个生命周期步骤，如图1 所示。IEC 62278 ∶2002 由EN 50126-1 ∶1999 转化而来，目前后者已更新为EN 50126 ∶2017，因此本文的生命周期步骤及其一般工作（General tasks）将主要参考EN 50126 ∶2017，另有几个步骤的一般工作（步骤3、步骤11 ～14）采用IEC 62278 ∶2002 的一般工作进行补充与完善。该模型按顺序表示生命周期，这样的表示形式仅是为了显示各个阶段／步骤之间的联系［21］，并不意味着生命周期阶段／步骤具有固定的顺序。

另外也可对系统生命周期通用模型进行V型表示，如EN 50126（2017）的Figure 7。还可参照INCOSE（2015） Figure 1.1 的表述方式，选取ISO／IEC／IEEE 15288（2015）定义的4 个过程类别来表征上述包括5 个生命周期阶段的系统生命周期模型，从而支持系统工程［19-20］。此外，为更好地兼容不同的安全关键领域，INCOSE（2015）的Figure 3.3 还比较了典型的生命周期模型［19］。

2.2 系统全生命周期中人因工程分析基本框架的构建

本部分为构建基本框架的第二步。基于前文对工业实践中已有技术路线的总结，选取了与HF／SE 集成的相关度一栏为高且在系统生命周期中考虑了足够细化的HFE 活动或过程的相关文献［14］，一并列出的还有其所属的工业领域，结果见表1。

表1 HFE 分析基本框架构建的入选文献Table 1 Chosen literature for the general framework of HFE analysis

针对系统生命周期通用模型各个步骤所包括的一般工作，进行上述15 篇入选文献中对应的HFE 活动／过程和HFE 支撑的总结，建立这两者之间的对应关系，从而提出了系统全生命周期中HFE 分析的基本框架，见表2。为适应前述系统生命周期模型（见表2 的第1 列），该基本框架中各个步骤的一般工作（见表2 的第2 列）主要参考EN 50126-1 的表1［21］，并结合IEC 62278（或GB／T 21562）的图9［22-23］进行了补充与完善。其中，表2 中未标注参考文献的一般工作均出自EN 50126-1。框架中的HFE 活动／过程（见表2 的第3 列）包括了HFE 活动或HCD 子过程。针对各步骤的一般工作对应的HFE 活动／过程这一栏的具体内容，首先参考一般工作的内容表述，检索并选取上述15 篇文献中相关的HFE 活动／过程。然后，针对前述15 篇文献HFE 活动／过程的汇总结果，进行相同／相似内容的合并，不一致的表述则单独列出，从而构建该一般工作所包括的HFE活动／过程的最小公倍数。最后，按照表述逻辑性和连贯性进行HFE 活动／过程内容的顺序调整，从而得到各步骤一般工作对应的HFE 活动／过程。框架中的HFE 支撑（见表2 的第4 列）列出了支撑对应HFE 活动／过程的具体章节、表格、附录等在所引用文献中的定位信息。受限于表格篇幅，HFE 支撑在本文中暂不详细展开。

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

典型的HCD 子过程采用了输入-过程-输出（Input-Process-Output，IPO）范式，其提供的内容不限于HFE 活动，因此更为丰富，但缺点在于过程不涉及具体的方法和工具［19］。不同HFE 活动分组（如HFE 方面／组成／基本活动）和HCD 过程（即HCD 子过程分组，如以人为中心的过程（Human-Centred Process，HCP）3.2～HCP3.5）为更高一级的大标题，虽然其主要涉及设计开发过程，但也可能出现在其他生命周期阶段［25，32］。HFE 活动／过程和HFE 支撑根据其出处标注引用文献，相同或相似的HFE 活动／过程在进行合并后引用多个文献。在表2 中，第3 列的HFE 活动／过程的字母上标与第4 列的HFE 支撑的字母标号是一一对应的，多个文献统一在第4 列的HFE 支撑处进行引用。此外，针对待设计系统中的某一具体元素，其整个的HF 设计过程也需按照该基本框架进行，这就导致了该基本框架的某些环节可能存在一定重复。前者对象为系统，后者为系统中具体的元素，反映了设计过程的迭代性。有必要说明的是，该框架主要是从HF 从业者角度提出的，足够细化且通用的框架使得其具有较好的实用性和通用性，从而更好地服务于工业实践。此外，各个步骤的HFE 支撑中涉及的文献可能十分广泛。

另外还有2 个方面需要注意。首先，该框架生命周期各个阶段的步骤并不是固定的（该框架的相对顺序仅为一种典型呈现），同一步骤（或步骤中的（某一或某些）HFE 活动／过程）可能在多个生命周期阶段中重复出现，其顺序应参考对应领域经验制定。很典型的，HF 风险分析与评估［23，30］、HF 验证与确认［21，24］、HFE 意识培训［2］等HFE 活动／过程会在生命周期各个阶段迭代进行，并向前述阶段提供反馈。其次，因应用场景／语境不同，一些术语可能出现多个相似的中文翻译，典型的有Process 可译为流程或过程；Review 可译为评审、审查或审核，以及回顾；Performance 可译为性能、绩效或效能；Acquisition 可译为采购、订购或采办；Integration 可译为总装、集成或整合；Utilization stage 可译为使用阶段或运营阶段；Support stage 可译为保障或维护阶段；Retirement stage 可译为退役或处置阶段；Requirement可译为要求或需求；Maintenance 可译为维修或维护；Facility 可译为设施或设备；Operation 可译为运行、运营或操作。

3 讨论与展望

首先，针对“系统全生命周期的实践中HFE做什么以及怎么做？”这一研究问题，本文开展了系统全生命周期中HFE 分析的基本框架研究。在前文［14］的文献总结基础上，通过引入足够细化的通用生命周期模型，并进一步总结了系统生命周期各个阶段的HFE 活动和HFE 支撑，本研究提出了一个系统全生命周期中HFE 分析的基本框架。该基本框架包括了生命周期的5 个阶段和14 个对应的步骤，并阐述了各个步骤的一般工作、HFE 活动／过程以及HFE 支撑。该框架的提出为解决上述研究问题提供了参考，可以用来支持系统生命周期各个阶段的活动，让这些活动充分考虑HFE［2，38］，以达到人机更好的匹配和集成。在实际应用中，需要进一步建立从该框架到工业实践要求、技术和过程的映射，并识别相应工业实践可能需要对现行标准进行完善的地方或为满足组织需要建立新的标准［10］。同时，本文研究内容是前文［14］提出的解决“HF 与SE 未能很好的集成”这一现实问题的解决方案的第一步，可为其后续步骤的开展提供重要的基础。

其次，陈善广等［8］提出了“…亟需开发适合设计师使用的HF 设计的方法、工具和标准”的关键科学问题以及“制定系统全生命周期的HF 设计法规和标准，…将HFE 的思想和方法论贯穿系统／产品设计研制的全过程”的发展建议，从而更好地为人与系统集成设计提供理论支撑。

本部分研究的结果为上述关键问题和发展建议提供了部分思路，后续本部分的期望目标即是提出新的在生命周期中考虑HFE 的标准，以规范系统生命周期各个阶段的HFE 分析，从而支持一线的工业实践活动（如系统生命周期各个阶段的活动、企业／机构HFE 项目的构建、HFE 在系统生命周期的管理等）。

最后，本部分提出的基本框架仍有待后续的深入研究。理论上较简单的框架（典型的如ISO 6385（2016）的6 个阶段框架）通用性较好，但是其实用性就相对较差。在实际的文献总结过程中发现从通用领域推广到具体工业应用领域相对简单（需要结合具体领域的知识进行对象化），但是反过来从多个安全关键领域凝练出一个实用且通用的基本框架则难度较大。标准是实践经验的高度反映，本研究构建面向复杂工业领域实用且通用的基本框架的目标即是希望提出相应的HFE标准，因此需要掌握多个安全关键领域的话语体系、包括熟悉其标准体系以及充分理解相应的工业实践经验，这些工作存在较大的困难。本部分的基本框架正是在开展上述工作的基础上提出的，尽管付出了较多的努力，目前尚未得到获得一致认可的基本框架，但本部分的尝试仍可作为一个有价值的参考。后续的研究可结合实际的工业实践以及领域专家经验进行该框架的进一步完善和改进。

4 结论

针对“系统全生命周期的实践中HFE 做什么以及怎么做？”这一研究问题，本文提出了复杂工业系统全生命周期中HFE 分析的基本框架。该框架包括了生命周期的5 个阶段和14 个对应的步骤，并进一步阐述了各个步骤的一般工作、HFE活动／过程以及HFE 支撑。该框架的提出具有以下2 方面研究意义：首先，本文提出的基本框架可为上述研究问题的解决提供参考，同时其也是前文提出的解决方案的第一步，可为其后续步骤的开展提供重要的基础；其次，本研究为陈善广等提出的相关关键问题和发展建议提供了部分思路，可用于支持工程一线的HF 实践。