邁向以人為本的柔性設計
——《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》導讀

鄭 冉 王柏村 易 兵 張 瑩

1.中南大學交通運輸工程學院，長沙,4100752.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州,3100273.中南大學湘雅醫(yī)院感染控制中心，長沙,410008

0 引言

近年來數字化、網絡化、智能化等技術迅猛發(fā)展，人類生產和生活自動化水平不斷提高，數學技術給世人帶來諸多便利的同時，也產生了流程僵化等問題。尤其在面對不可預見的突發(fā)事件時，傳統(tǒng)管理方式面臨嚴峻挑戰(zhàn)，也更加凸顯了流程僵化導致的系統(tǒng)的脆弱性。“如何管理突發(fā)事件，實現從剛性自動化向柔性自主性的過渡，構建一個更加注重柔性和可持續(xù)發(fā)展的世界”引起了人們的關注。如何合理利用新一輪科技革命技術成果，構建人-社會集成系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展模式引起了學者Gug André BOY的思考，進而他提出了以人為本柔性設計的新理論和技術體系來解決當前的社會技術問題，并撰寫了《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》[1]一書。該書圍繞以人為本的柔性設計主題，介紹了社會-技術系統(tǒng)柔性分析的概念、框架、模型，對進行柔性分析的人-系統(tǒng)集成(Human-system integration , HSI)方法展開了詳細闡述，并探討了復雜系統(tǒng)的有形性問題，給出了以人為本的虛擬設計(virtual human-centered design, VHCD)實體化的具體方法和有形度量指標，為設計和制造人-自然-社會和諧的人工制品提供理論指導。

HSI作為新興學科，是心理學、社會科學、生物學、數學、計算機科學等多學科交叉的一門學科，該學科所提出的基本框架可用于分析復雜問題、獲得解決方案和提高社會-技術系統(tǒng)的柔性[2]。人-系統(tǒng)集成將以人為本的設計與復雜系統(tǒng)工程有機結合起來，依托虛擬樣機，利用人在回路仿真(Human-in-the-loop simulations, HITLS)和數字孿生技術，考慮社會-技術系統(tǒng)中人的因素和組織因素，實現設計過程的人機交互和產品全生命周期的仿真，促進以技術為中心的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向以人為中心的數字工程的轉變，旨在提高整個系統(tǒng)全生命周期的柔性。

1 復雜社會-技術系統(tǒng)

該書第一章以新冠肺炎疫情的爆發(fā)為背景，揭示了打破傳統(tǒng)僵化的程序、靈活處理突發(fā)事件的重要性，強調了研究技術、組織和人員方面的柔性的迫切需求，進而引出人-系統(tǒng)集成這一多學科交叉的新興學科，以實現從剛性自動化到柔性自主化的轉變，提高社會-技術系統(tǒng)的柔性。

第二章介紹了社會-技術系統(tǒng)的柔性分析框架。考慮技術成熟度、實踐成熟度和社會成熟度三種與自主性密切相關的成熟度以及管理復雜系統(tǒng)的三個主要過程(圖1)，闡述如何實現從剛性自動化到柔性自主化的轉變，這個轉變需要定義“系統(tǒng)”的一致表示，即系統(tǒng)是由結構和功能組成的，提出圖2所示的“情境-資源正交”框架。書中對資源和情境的概念分別進行了定義，其中資源被形式化為客體或主體，情境由結構、功能和動態(tài)三種因素定義，與TOP模型(technology, organization and people)(圖3)結合構成情境分析全局框架，如圖4所示，最后區(qū)分情境與情景的概念，提出態(tài)勢感知(situation awareness, SA)的情境模型框架，如圖5所示。

圖1 程序執(zhí)行、自動監(jiān)督和問題解決過程

圖2 “情境-資源正交”框架

圖3 TOP模型

圖5 態(tài)勢感知的情境模型

第三章介紹了實現柔性設計的基礎方法和模型。首先對復雜社會-技術系統(tǒng)進行定義并對復雜系統(tǒng)的特性進行闡述，引出SFAC模型(structure/function vs.abstract/concrete)(如圖6所示，提供了人工制品的結構和功能之間的等效表達，即抽象和具體)、NAIR模型(natural/artificial vs.cognitive/physical)(如圖7所示，闡述了社會-技術系統(tǒng)的認知功能和物理功能的區(qū)別)和AUTOS金字塔模型(artifact, user, task, organization and situation)(如圖8所示，是TOP模型的擴展，一個簡化的HCD工程框架)，構建以人為本的柔性設計的概念框架[3]，并分析系統(tǒng)的復雜性。其中，復雜系統(tǒng)的特性主要包括：①組件及組件間的互連；②多人參與全生命周期過程；③未包含在組件中的全局屬性或行為；④復雜適應機制和行為；⑤不可預測性的表征。

圖6 SFAC模型

圖7 NAIR模型

圖8 AUTOS金字塔

2 人-系統(tǒng)集成(HSI)

第四章詳細闡述了人-系統(tǒng)集成的具體內涵。介紹了人-系統(tǒng)集成的認識論及演變，說明可分離性問題是復雜系統(tǒng)的一個重要特性；闡述了HSI的仿真方法——人在回路仿真(HITLS)，并分析在系統(tǒng)全生命周期考慮資源投入、設計柔性和系統(tǒng)知識三個參數的影響；分析了從傳統(tǒng)工程到數字工程的轉變，回答了如何提供更多的自主性和柔性問題(圖9)；引出在這個過程中獲取程序性和陳述性知識的工具(人工智能)和方法(PRODEC方法)。

圖9 從傳統(tǒng)工程到數字工程的轉變——從剛性自動化到柔性自主性的轉變

第五章介紹了基于活動的設計。通過基于場景的設計(表現形式如圖10所示)處理任務分析，通過人在回路仿真完成活動觀察和分析，進而實現基于活動的設計。分析了從HighTech(最先進的可用技術)到FlexTech(支持工程設計和操作柔性的技術)的演變過程，包括從人因和人機工程學(HFE)、人機交互(HCI)和人-系統(tǒng)集成(HSI)三個時期，如圖11所示，這種演變創(chuàng)新被視為一種冒險活動。作者從互聯(lián)網快速流行的原因、航空公司意外事件的管理，證明了創(chuàng)新需要冒險。

圖10 人機系統(tǒng)形成性評價的多規(guī)則方法

圖11 以工程為導向到以人為本設計的演變

第六章分析了基于模型的人-系統(tǒng)集成及其柔性。首先介紹了影響HSI柔性的重要因素：態(tài)勢感知、具體化和熟悉度；接著給出了預測模型和知識模型兩種模型，并以新冠肺炎疫情為背景，說明了兩種模型的作用，證明不同模型只在特定情境中有效，提出基于經驗的建模方法，在這個過程中，識別突發(fā)情況至關重要；最后介紹了監(jiān)督、調解、合作三種系統(tǒng)交互模型(表1)，以支持更多的自主性、協(xié)調性和柔性。

表1 系統(tǒng)交互模型

3 有形性問題

第七章探討了VHCD的有形性問題及其度量指標。首先說明了研究有形性問題的必要性，展示了VHCD的實體成形過程(圖12)；接著說明了有形化過程中用到的具體方法。其中，設計卡(design cards, DC)能夠有效解決設計過程及解決方案的文檔記錄問題；基于人在回路仿真的系統(tǒng)工程(SimBSE)考慮了人與機器的交互，以支持多智能體系統(tǒng)的構建；敏捷開發(fā)方法能夠提供全生命周期每個階段的柔性；成熟度是系統(tǒng)有形性的重要屬性。作者重點闡述了復雜性、成熟度、柔性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性幾個有形性度量指標，從有形性的五個方面區(qū)分了漸變性設計(evolutionary design)和革命性設計(disruptive design)，整個系統(tǒng)的演變用五點有形圖表示，如圖13所示。

圖12 三個階段的實體成形過程：從虛擬到有形化

圖13 有形圖：設計初期階段(細實線)和設計驗證階段(粗實線)

4 幾點啟示

近些年來，人工智能飛速崛起，迎來了第三次發(fā)展浪潮，社會-技術系統(tǒng)環(huán)境不斷走向數字化，基于固定流程的數字化和自動化會造成系統(tǒng)的僵化，因此以人為本的柔性設計成為研究重點，HSI可以推動系統(tǒng)從剛性自動化到柔性自主性的轉變，為柔性設計提供了方法論，也為人本設計、人本智造等研究提供了參考。相關啟示如下：

(1)學校應開設復雜系統(tǒng)理論相關課程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和問題解決能力，加強學習“為什么”而不僅僅是關注 “怎么做”，鼓勵學生以新的視角拓展認知，打破傳統(tǒng)教學方式。例如：復雜系統(tǒng)課程建設，要關注學生的全局思維和問題解決能力的培養(yǎng)。

(2)企業(yè)構建柔性智能制造新模式，在制造全生命周期考慮人因、技術、環(huán)境、可持續(xù)性等多種因素，將以人為本的虛擬設計與敏捷開發(fā)融合起來，提高整個制造過程的柔性。預測以人為本的柔性智能制造和人機協(xié)同共融系統(tǒng)是有前景的研究方向。

(3)企業(yè)管理應從復雜系統(tǒng)管理的角度，制定企業(yè)長期戰(zhàn)略目標，打破傳統(tǒng)僅以市場為導向的研發(fā)模式，注重自然生態(tài)與可持續(xù)性，開展以人為本的正向設計，以實現高質量發(fā)展和科技自立自強。例如：考慮可持續(xù)發(fā)展的智能制造新范式值得進一步研究。

(4)研究柔性設計與人工智能、智能制造、人機交互等領域的融合，在以人為本的前提下，考慮技術、組織、環(huán)境等多種形式的智能化，研究社會-技術系統(tǒng)的復雜問題，提高系統(tǒng)柔性和可持續(xù)性。例如：以人為本的智能組織和管理研究。

(5)進一步完善以人為本的柔性設計理論和技術體系，深入開展面向人本設計的人機界面、人因工程、人機任務分配、組織形式以及實施措施等方面的研究，提高該理論技術系統(tǒng)的實用性。例如：開展以人為本的柔性設計在智能制造企業(yè)的具體落地具有重要實踐意義。