基于人-系統整合的復雜系統人因分析研究

余 陽，黃天成，王 鑫，廖 鎮，楊 超，王奧博

(1. 中國船舶集團有限公司綜合技術經濟研究院, 北京 100081；2. 北京交通大學, 北京 100044)

0 引 言

復雜人機系統是由人和機器在開放、動態且結構復雜的環境中所構成并依賴于人機之間相互作用而完成一定功能的有機系統。為了提高復雜人機系統在全生命周期的開發效率并降低總體成本，人因（human factors/ergonomics， HF/E）評估必須從概念設計階段開始，進行需求分析并應用于整個設計過程。復雜人機系統內部各人機子系統相互作用，且往往面臨著動態的任務需求，因此針對復雜人機系統實施傳統的人因評估較為困難[1]。復雜人機系統的人因評估涉及由概念、設計到使用與廢棄的整個生命周期，同時系統內部各組件之間相互交互，系統的任務發生動態的變化。這些交互與變化涉及到物理和認知2 個層面的人機交互，因此針對復雜人機系統實施人因評估活動的復雜性將顯著增加。

復雜人機系統的分析與設計需要在系統全生命周期進行人機之間的任務和功能分析[2]。然而傳統的系統設計及工作設計分析并未充分考慮系統人員的能力。人因評估在關注系統人員的安全、健康與舒適的同時，考慮了人機協同績效的共同提高[3]。認知工作分析使系統任務與人的能力協調一致，并且將系統參與人員與系統整合為一個整體[4]。除了上述特征之外，復雜人機系統還面臨著動態的任務需求，基于工作域分析的復雜系統設計方法繼承了認知工作分析的框架，動態描述了系統組件的功能及其重要程度[1]。工作組織作為復雜社會技術系統的組成部分也是系統設計的重點之一。工作組織與系統的兼容設計將在考慮參與人員健康的同時有效提高系統的效率[5]。

當對現代大規模復雜技術系統實施人因評估時，系統的分析模型至關重要。此類分析與系統人機工程的相關研究較為密切，其主要觀點認為復雜人機系統應當關注6 個系統特征，即系統焦點、系統邊界、人機交互、整體主義、系統的變化性，以及在實踐中開展人因分析[6]。這些系統特征應當受到人因工作者的格外重視，焦點特征表示在進行人因評估時需要識別特定的人機元素，因此系統被視為不同子系統的組合[7]。系統的邊界沒有明確的規定，但一般認為其需進行靜態的事先定義[8]。相較于設備功能，系統更關注人機交互的過程，這也被認為是人因評估的主要內容。整體主義表示雖然評估的內容聚焦于子系統或子單元，但是這些組件之間的聯系以及系統內外因素的驅動使人因評估必須同時關注系統的整體。系統的變化性表示隨著系統生命周期的發展，須依靠輸入或管理來維持人機系統的穩態。人因分析并不能獨立于系統運作存在，其必須在實踐中開展，這也是人-系統整合的主旨之一[9]。然而，針對復雜人機系統的人因分析活動不僅跨域了系統的整個生命周期，并且需要考慮系統組件之間的相互作用。上述分析一般聚焦于若干系統特征，無法從復雜系統整體上考慮人因評估的內容。因此，對復雜人機系統實施有效的人因評估需系統性的分析模型，以降低評估的復雜度并減少評估周期。

人因專家已經在將人因工程盡早整合到系統設計中以改善系統的綜合運營績效方面達成共識，但在系統周期的各個階段應用人因工程的方法還缺乏明確的指導。將人因工程應用于生產設計的框架描述了人因分析的核心過程，該過程包含若干相互關聯的階段，在各個階段提出相應的理論，并對人因工程師與設計師的意見進行了有效的整合與收集[10]。通常產品的設計與生產被劃分為若干階段，并且在每個階段均需要人因工程的應用[11]。船舶設計的人因評估相關研究提出了系統性的評估方法，即將根據不同的評估場景（如疏散場景和普通場景）對不同的功能組合進行評估[12]。另外，人因分析也常使用人因失誤分析與分類系統，其被應用于各種復雜人機系統的人誤因素識別[13–14]，其本質上是將人為因素進行預定義并使用系統分類的思想識別人因評估對象的特征。然而，這些傳統的人因分析方法還沒有從系統全生命周期的角度分析復雜人機系統人因設計的多個維度和方面。

人-系統整合（human-system integration，HSI）是指在系統工程生命周期內將人的能力與局限性進行綜合考慮的過程或方法。HSI 要求在設備研制中確保技術和人的平衡發展，通過對系統進行規范、設計和評估來確保人類科學知識的應用。國際標準ISO 13407 中提出了“以人為中心的系統設計”的原則，以確保在系統設計和開發過程的任何階段都要對系統的潛在用戶給予足夠的重視。HSI 是將人為因素應用于整個安全關鍵型行業的社會技術系統的主要方法，該方法已經成功地在從國防部門到醫療部門的各種行業中開發出來，并具有各種形式的應用[15]。在礦產開采行業，HSI 計劃能夠考慮人與自動化的動態交互影響，以達到降低安全和健康風險的目的[16]。HSI 流程也被應用于分析工人與制造設備之間的交互作用，以實現在進行制造系統詳細設計的同時考慮人的因素[17]。在現代大規模復雜技術系統的設計和開發背景下，HF/E 知識也經常用于HSI 目的[18]。其涉及將人類能力（認知，身體，感覺和團隊動力）的理解集成到系統設計中，從概念化開始一直到系統廢棄為止。為了實現HSI 設計，人因工程在系統知識管理過程中起到了重要作用[19]。在系統整合的過程中，一些特定于人的問題亟待解決，如人的可靠性預測[20]、工作量評估[21]、態勢感知分析[22]、知識生命周期管理[23]等。這就需要從HF/E 角度考慮，強調由人類進行系統整合過程的必要性[24]。因此假設HSI 將為復雜人機系統的人因分析提供強有力的理論支撐。為了更加高效、動態地實施人因評估，需要一種更高維度的框架將復雜人機系統進行系統性的劃分與重組。在此基礎上，采用自上而下的方法將系統完備地劃分為更低等級的子系統。該子系統亦可跨越不同的評估階段，包含不同角色的評估人員。對相對簡單的子系統實施人因評估，提高了系統的評估效率。整體而言，這一基礎工作也將支撐復雜人機系統的人因評估活動。

1 基于“系統-人員-階段”框架的三維度人因分析模型

在系統中實施HSI 流程不僅需要考慮系統人員的績效，而且需要確保其可靠性、安全性、生存適應性。然而對于復雜人機系統而言，HSI 活動實際上是系統工程與行為科學的整合。為此，需要使用自上而下的需求分析（top down requirements analysis, TDRA）以解決主要的人員配置問題[18]。根據系統人因工程的相關理論，實施上述HSI 活動的關鍵對復雜人機系統采取高效、準確的人因分析及人因評估。TDRA 是需求驅動的，它突破了復雜系統依據原型設計或改進的局限性。人因分析的目標之一就是在需求驅動的前提下，準確定義系統邊界、系統集成、系統復雜性等概念。本文提出的人因分析模型是在基于HSI 流程設計方法和系統逐層劃分方法的基礎上構建的。這些系統概念的定義及系統分析方法將直接影響需求分析的結果，以及進一步的人因分析和評估結果。

然而復雜系統的復雜度體現在信息量及信息處理的復雜性、決策及選項的數量、動作的復雜性，以及人員及人機通信的復雜性等眾多方面。對于復雜系統不同的生命周期及在使用階段不同工況轉變下，系統的復雜度是動態變化的。采用自上而下的系統劃分方法，逐層細化諸如組織與環境、通信過程、信息、硬件及軟件等系統元素，就可以將動態的系統元素固化到相對穩定的單一人機系統。進而使用相對成熟的人因分析與評估方法[25]，并且使用績效評估（measures of performance，MOP）及有效性評估（measures of effectiveness，MOE）。

從HF/E 的角度來看，人是系統的主導者，是智能系統的必要組成部分，僅憑系統的自動化難以保證監視、計劃、理解、決策、感知等系統功能要求。現代的復雜人機系統中人機關系發生了進一步的融合與共生，在此背景下進行人因分析與評估必須分析人的特征與組織。人的特征既需要考慮生理、心理的屬性，也需要考慮不同職能的人員績效與經驗的不同。在社會技術系統中人員的組織與管理對系統綜合績效的影響更加重要。因此，復雜人機系統的集成也可概括為任務、人員、組織及環境。HSI 將人與復雜人機系統有機的結合起來，并且指導設計師、人因工程師、管理員、用戶在系統的全生命周期的各個階段進行有機的結合。從可持續設計的角度出發，復雜系統的綜合評估還涉及不同的文化視角，如等級主義者、個人主義者及平等主義者[26]。

在HSI 流程的指導下，人因評估活動不僅僅存在于典型的分析與評估階段，而應該從系統的概念出發直至系統廢棄，持續開展以人為中心的人因評估實踐活動。在概念階段開展人因分析有助于減少因不確定的設計要求而增加的概念設計復雜性[27]。除此之外，在制造階段使用功能-行為-結構框架分析工人與制造設備之間的交互作用，以評估制造系統的設計[17]。通過對流水線平衡和零件的綜合規劃，也可預防人因風險[28]。也有研究表明，可將人因分析整合到精益生產的實施中，在確保工人健康的同時提升系統績效[29]。在使用階段，對工作環境進行人因評估可減輕肌肉骨骼疾病的患病風險。維修與廢棄階段，人因工程將作為輔助分析手段，幫助項目管理完善相關的HSI 活動。英國國防標準對人因整的劃分為6 個階段，概念（concept），評估（assessment），論證（demonstration），制造（manufacture），使用和廢棄（in-service& disposal）和生命周期CADMID。

人因評估的內容及目標不可避免地受到人-系統“組合”的影響，不同的角色與不同的系統元素之間發生相應的交互，并且在全生命周期的視野下，宏觀系統的參與角色以及系統元素的狀態都會隨著階段的變化而變化。因此，人員-系統元素-階段所指定的對象就能夠映射到特定的評估子單元，如圖1 所示。針對該評估單元，HF 專家可以使用相關經驗選擇準確的人因評估方法及指標。這種使用人-系統-階段3 個維度，分析和選擇“典型”人因評估單元的方法，一方面有助于人因評估方法和指標的準確選擇，另一方面可以顯著提升全生命周期的復雜人機系統的人因評估效率。因為直接對全生命周期的復雜人機系統進行人因評估，將會陷于谷倉效應（silo effect）。這可以歸咎于系統評估單元的完備性不足，因為HF 工程師與其他系統參與人員缺乏系統性、結構化的交流。另外，實際上HF 工程師在面對復雜人機系統的人因評估任務時，人因方法及指標的選擇是由高人因風險驅動的，同時也會受到相當的時間壓力。人因評估單元選擇的準確性將直接影響人因方法及指標選擇的有效性，進而衰減人因評估結果的可靠性。

圖1 復雜人機系統的三維度分析模型Fig. 1 The three dimensional analysis model of complex man-machine system

2 “系統-人員-階段”人因分析框架

在HSI 流程設計的指導下可將復雜人機系統劃分為系統、人員、階段3 個維度。3 個維度相互獨立，每個維度的元素之間彼此聯系。對子單元進行有效劃分將提高人因評估的效率，按時間維度劃分，每個階段實施不同的人因評估活動。按系統維度劃分，每個子系統側重不同的人因目標，每個子系統的人因評估目標也隨著階段以及參與角色的變化而變化。按參與人員的角色維度劃分，人因工程師和設計師分析的重點不同。并且每個角色在不同階段與不同的系統環境下，參與的人因評估活動也不相同。

按階段維度劃分，角色維度與系統維度的交叉，是傳統人因工程的研究內容。按系統維度劃分，不同階段將有不同的評估人員對該系統進行評估。此時，需要綜合各類評估人員的觀點對一致及沖突意見進行處理，提出不同設計的重要性排名。按角色維度劃分，不同系統在生命周期的各個時間段將產生不同的評估需求及目標（見圖2）。

圖2 某系統在全生命周期的評估子單元Fig. 2 The evaluation sub-unit of a system throughout its full life cycle

人-系統維度的組合是HF 專家通常關注的內容，隨著該維度的逐級細分人因評估的方法及指標的選擇也會更加準確。人員-階段的維度為HF 專家提供了完全不同的協同方向，該維度將有助于解決“谷倉”效應。另外，系統-階段維度是設計專家關注的主要內容，其評估指標多為系統績效、任務效率等。但對于人因評估而言，HF 專家更關注的是特定的系統元素在系統全生命周期過程中的變化規律。該維度將有助于HF 專家觀察到不同工況的人因評估需求或目標，以及識別緊急情況的人因風險。

3 人因分析模型與人因評估實施

人因分析模型將全生命周期的復雜人機系統劃分為具體的人因評估單元，其目的是為提高人因評估效率。實施人因評估需要選擇適用的人因方法，并根據最相關的人因指標評估實施效果。人因方法和人因指標的選擇正是HF 專家在實施人因評估時面對的主要問題，而三維度人因分析模型則為該問題的解決創造了途徑。

有效的人因學評估應當基于人因指標，對特定的評估對象實施相應的人因方法。人因指標是指人因設計、分析與評估所考慮的指標或所需要的度量指數。合適的人因指標能夠有效指導和反映評估效果。人因方法是解決人因問題的有效方法，使得人機交互的可用性、人誤預測、人員配備與知識和技能變化等方面的問題得到充分解決。人因方法可以指導人因指標的選擇，人因指標也可以反映人因方法的實施。指標與方法的有機結合可以使人因評估的邏輯更加清晰，也有助于全周期人-系統整合流程的實施。

然而在對復雜人機系統進行全階段人因評估的過程中將面臨不同的人因評估目標，因此需要選擇相應的人因指標與人因方法。在人因評估領域指標與方法的選擇往往基于人因工程師的主觀經驗判斷，缺乏客觀透明及邏輯系統的選擇框架。所以，指標的有效性和方法的適應性仍值得商榷。大量的相關性指標和不可觀察指標影響了指標的有效性，由于人因方法適用范圍的模糊性和成本、時間的不確定性，所以有必要對其進行適應性分析。

針對復雜系統人機匹配效果科學度量方法缺失的問題，應當建立分階段、分任務，可行、有效的，面向復雜系統的多層級、動態可調的人因工程評估指標體系和評估模塊。針對復雜系統的人因評估指標繁雜、冗余、沖突等問題，應當借助三維度分析模型劃分人因評估子單元，接著使用指標篩選技術快速得到影響系統績效的人因評估關鍵指標。針對人因方法使用范圍模糊缺乏系統應用分析的問題，人因方法適應性分析體系可以借助三維度分析模型劃分人因評估子單元，并通過系統、邏輯的方式選擇適合對應情景的人因方法，以幫助工程師和設計師進行對復雜人機系統的HSI 流程設計做出有效指導。

根據圖3 的結果可以看出，使用三維度分析模型前人因指標體系跨越了階段、人員以及系統3 個維度。HF 專家在進行選擇時很難將單一的指標提取及評估，因為指標的內涵與其分值所映射的評估單元是交錯和冗余的。如操作系統都需要評估績效指標，而環境系統不需要評估績效指標，但兩者都需要評估安全性或舒適性指標。使用三維度分析模型后指標體系被精確的劃分到相應的評估子單元，底層指標與頂層指標之間有良好的隸屬關系，這將有助于實施系統的綜合評價。對于復雜人機系統而言，越來越多的評估任務要求HF 專家給出綜合的評價指數或進一步精確的評估權重，而不再是依靠經驗評估或空洞的全局系統要求。

圖3 使用三維度分析模型前和后的評估單元所設計的評估指標Fig. 3 The evaluation indicators designed by the evaluation units before and after of using the three-dimensional analysis model

4 船舶指揮控制系統的人因分析應用案例

本文的研究內容及結論體現在2 個方面，首先提出針對復雜人機系統的人因分析模型，其次將該分析模型應用于船舶系統以說明其有效性。船舶系統是典型的指揮和控制系統，操作員與工作站之間存在大量的人機交互過程。該過程往往具有遠程和連續作業的雙重任務要求[30]，因此需要人員進行一系列的監視、決策、反饋操作。為了完成既定的任務目標，人、系統以及人機之間構成了隨周期變化的任務信息交流網絡。船舶指揮控制系統是復雜人機系統的典型應用，其涉及了全生命周期各階段的、多角色參與的人因評估活動。

在HSI 流程設計的指導下，HF 專家需要在船舶指揮控制系統的各個階段做出相關的人因分析。該分析旨在揭示船舶指揮控制系統中人的生理、心理以及指揮與控制任務、運行與操作環境等諸多因素對控制室人員的情景意識、認知負荷、自動化信任等的影響。

船舶指揮控制系統根據系統元素組成，可分為硬件軟件系統、信息、通信過程、環境等子維度（見圖4）。系統的維度可以根據實際的人因評估需求進行逐層細化，如認知任務分析將系統整體劃分為子系統、功能單元、部件及組件等。船舶指揮控制系統的主要參與人員可分為3 類。執行組織包含事務管理員和系統操作員，此類人員直接參與系統的運行。評估專家包含人因工程師和設計工程師，兩方面的專家需要協同合作以保證“以人為中心”的船舶指揮控制系統設計。除此之外，設計需求方還包括任務需求制定方和資源需求保障方，此類人員的意見也將納入到船舶指揮控制系統的設計與運行全過程。從全生命周期的視野來看，船舶指揮控制系統的階段可首先劃分為概念、評估、論證、制造、使用、維修與廢棄6 個階段。其中，每個階段又可繼續細分為各個子階段。這些子階段顯示出人因評估活動在系統中的執行時刻。以使用階段為例，其可以細分為任務執行階段和緊急情況階段。這兩種子階段都是人因工程師關注的重點場景。

圖4 船舶指揮控制系統的三維度分析模型Fig. 4 The three dimensional analysis model of ship command and control system

船舶指揮控制系統在全生命周期的人因評估任務中參與的人員，除了系統的操作人員還有人因評測方以及研制制造方。人因評測方以人因工程師為主要代表。研制制造方包括設計師、工程師、管理員等。在概念及設計階段以設計師為主，人因專家提供咨詢和分析。在論證階段設計師、人因專家以及目標用戶都要參加，在使用階段則以用戶為主。階段是復雜人機系統的生命周期的主要劃分依據，不同階段的主要系統元素以及參與人員會發生變化。表1 為各階段的主要評估任務和復雜人機系統的3 個維度的主要劃分內容。

表1 系統-人員-階段評估單元的主要內容Tab. 1 The main content of the system-person-phase evaluation unit

在概念階段，應當對相關的人因問題進行分析，并對相關的風險與要求進行評估。幫助實現此目的的技術包括早期人因分析（early human factors analysis，EHFA）。EHFA 確定的人因問題將推動概念階段及進一步的評估階段的人因分析任務與詳細計劃的實行。船舶指揮控制系統在概念階段，將需要描述場景，分析方案及任務中的人因問題，描述系統需求及用戶需求。在評估階段，將做出更詳細的人因分析，量化并減少在概念階段確定的人因問題。需要收集最終用戶（如操作員、指揮員）的相關信息，如個人經驗、操作任務、工作條件、船舶指揮控制系統需要的人數、相關的標準及詳細信息等。船舶指揮控制系統在評估階段將主要進行指揮員與操作員的任務分析，驗證在概念階段的假設及人因問題，以及相關的人員配置分析。在論證階段，人因分析的重點從需求轉變為完善細節與風險評估方面，完善相關設施的規格要求及任務的詳細方案制定。船舶指揮控制系統將在模擬平臺或仿真平臺上進行相關演練，招募相關的被試人員進行人體測量評估以及人因績效評估。在制造階段人因工程師將關注設備制造的多數方面，包括設備的采購及后勤保障、操作員的初步培訓及船舶指揮控制系統的模擬運營，發現潛在的人因問題進行相應的人因分析與評估，甚至需要更改設備以解決相關問題。由于船舶指揮控制系統是人員及信息密集型系統，人因分析應進行相應的可操作性說明，并招募經驗豐富的被試人員參與測試。在使用階段人因工程師需要進行操作審核、操作試驗等人因干預以檢測之前階段未發現的問題。在實際的使用過程中也可進行人因糾正分析，改善工作績效、減少不利因素對操作員及系統的影響，采用人因分析進行定期檢查以及做出故障報告。在維修和廢棄階段將進行高效和安全的處理設備，分析相關的健康和安全問題。此部分在國內外的相關研究較少，但作為人-系統整合設計流程的重要組成部分，仍需要考慮在復雜人機系統的生命周期之內。

5 結 語

本文研究復雜人機系統的人因分析與評估結合人-系統整合流程思想，討論人因分析的概念框架。針對復雜人機系統內部各人機系統之間的交互作用及系統在各階段評估內容的動態變化特性，提出整合階段、子系統與人員復雜人機系統的人因分析模型，該模型劃分出系統評估的各主要階段，并將復雜系統拆分為各個子系統。由于復雜人機系統在全生命周期人因評估的參與人員涉及設計人員、評估人員及使用人員等各個相關組織，所以該模型將人員角色作為分析維度之一，研究角色的變化對系統評估任務的影響。最后，針對艦船系統設計應用本分析模型，為提高系統的人因設計效率提供理論基礎。

在工程應用中，本文提出的三維度分析模型的細化程度會進一步提高。針對不同的評估場景，系統的元素可以具體到顯示信息的內容和設計方面。人員的角色劃分也會根據經驗和績效進一步細化。階段的劃分在使用階段也會區分出不同的工況和緊急情況。階段-人員-系統的三維度分析模型，不僅可以使人因評估的范圍更加完備，提前考慮人因風險減少系統的設計成本，并且細分的評估單元也有助于人因評估實施有效性的提高。

人因方法的適用性分析以及人因指標的選擇都需要針對特定的評估單元。HF / E 學科的主要關注點在于能夠對人類交互進行概括和預測，以提高生產率、安全性和整體用戶滿意度。為此人因研究將采用一系列的技術或方法，以解決研究的目標或問題。對于給定HF / E 目標方法的適當性，最常見的答案是視情況而定，這通常取決于任務因素和研究目標以及其他關鍵的背景因素。而這些都需要以人因評估單元的確定為基礎，關鍵人因指標（key ergonomic performance indicators, KEPI）表示了指標的數值與評估目標之間具有相對較高的相關性。圖3 展示的情況表明指標的內涵是模糊的，其橫跨于復雜人機系統的各個階段及系統，這為系統的綜合評估帶來了不少麻煩。因此，精確的細分人因評估單元將有助于人因評估指標體系的構建，進而提高系統綜合評估的有效性。

三維度分析模型的局限性與其帶來的優勢相對應。三維度分析模型將系統從獨立的三個維度上進行分解與組合，得到了定義精確的評估子單元，但是其不可避免地割裂了系統的整體性。更重要的是在進行評估子單元的組合，即人員-系統、人員-階段、系統-階段的組合評估時，HF 專家還缺乏相應的分析經驗，這更像是一種針對社會技術系統的組織和管理問題。其需要使用系統工程的方法，將各“組合”評估單元綜合起來進行人因評估，以分析任務流、信息流在復雜人機系統中的特性。

HSI 流程設計是將系統工程應用于大規模復雜技術系統的理念，其包含了人因工程、人員、訓練、人力、安全與健康、宜居性和生存能力等方面的因素。隨著HF/E 對于社會技術系統應用概念的逐漸擴大，HSI 與HF/E 的聯系逐漸增強。但是兩者又存在差別，HF/E 的著眼點始終在于系統的整體績效與人員安全健康保障的共同提高。而HSI 的著眼范圍更廣，包括系統整合程度、人員與培訓效率、安全與宜居性等。本文使用三維度分析模型劃分的系統階段與HSI 的生命周期劃分相似，但在生命周期內各階段的人因評估內容與HSI 活動的內容有所不同。三維度分析模型旨在準確高效劃分出人因評估子單元，以便后續進行人因方法、人因指標的選擇以及人因評估等。在同一階段HSI 不僅關注人因評估內容，也注重人員配備、任務分析、組織管理等多重整合活動的實施。