基于人-系统整合的复杂系统人因分析研究

余 阳，黄天成，王 鑫，廖 镇，杨 超，王奥博

(1. 中国船舶集团有限公司综合技术经济研究院, 北京 100081；2. 北京交通大学, 北京 100044)

0 引 言

复杂人机系统是由人和机器在开放、动态且结构复杂的环境中所构成并依赖于人机之间相互作用而完成一定功能的有机系统。为了提高复杂人机系统在全生命周期的开发效率并降低总体成本，人因（human factors/ergonomics， HF/E）评估必须从概念设计阶段开始，进行需求分析并应用于整个设计过程。复杂人机系统内部各人机子系统相互作用，且往往面临着动态的任务需求，因此针对复杂人机系统实施传统的人因评估较为困难[1]。复杂人机系统的人因评估涉及由概念、设计到使用与废弃的整个生命周期，同时系统内部各组件之间相互交互，系统的任务发生动态的变化。这些交互与变化涉及到物理和认知2 个层面的人机交互，因此针对复杂人机系统实施人因评估活动的复杂性将显著增加。

复杂人机系统的分析与设计需要在系统全生命周期进行人机之间的任务和功能分析[2]。然而传统的系统设计及工作设计分析并未充分考虑系统人员的能力。人因评估在关注系统人员的安全、健康与舒适的同时，考虑了人机协同绩效的共同提高[3]。认知工作分析使系统任务与人的能力协调一致，并且将系统参与人员与系统整合为一个整体[4]。除了上述特征之外，复杂人机系统还面临着动态的任务需求，基于工作域分析的复杂系统设计方法继承了认知工作分析的框架，动态描述了系统组件的功能及其重要程度[1]。工作组织作为复杂社会技术系统的组成部分也是系统设计的重点之一。工作组织与系统的兼容设计将在考虑参与人员健康的同时有效提高系统的效率[5]。

当对现代大规模复杂技术系统实施人因评估时，系统的分析模型至关重要。此类分析与系统人机工程的相关研究较为密切，其主要观点认为复杂人机系统应当关注6 个系统特征，即系统焦点、系统边界、人机交互、整体主义、系统的变化性，以及在实践中开展人因分析[6]。这些系统特征应当受到人因工作者的格外重视，焦点特征表示在进行人因评估时需要识别特定的人机元素，因此系统被视为不同子系统的组合[7]。系统的边界没有明确的规定，但一般认为其需进行静态的事先定义[8]。相较于设备功能，系统更关注人机交互的过程，这也被认为是人因评估的主要内容。整体主义表示虽然评估的内容聚焦于子系统或子单元，但是这些组件之间的联系以及系统内外因素的驱动使人因评估必须同时关注系统的整体。系统的变化性表示随着系统生命周期的发展，须依靠输入或管理来维持人机系统的稳态。人因分析并不能独立于系统运作存在，其必须在实践中开展，这也是人-系统整合的主旨之一[9]。然而，针对复杂人机系统的人因分析活动不仅跨域了系统的整个生命周期，并且需要考虑系统组件之间的相互作用。上述分析一般聚焦于若干系统特征，无法从复杂系统整体上考虑人因评估的内容。因此，对复杂人机系统实施有效的人因评估需系统性的分析模型，以降低评估的复杂度并减少评估周期。

人因专家已经在将人因工程尽早整合到系统设计中以改善系统的综合运营绩效方面达成共识，但在系统周期的各个阶段应用人因工程的方法还缺乏明确的指导。将人因工程应用于生产设计的框架描述了人因分析的核心过程，该过程包含若干相互关联的阶段，在各个阶段提出相应的理论，并对人因工程师与设计师的意见进行了有效的整合与收集[10]。通常产品的设计与生产被划分为若干阶段，并且在每个阶段均需要人因工程的应用[11]。船舶设计的人因评估相关研究提出了系统性的评估方法，即将根据不同的评估场景（如疏散场景和普通场景）对不同的功能组合进行评估[12]。另外，人因分析也常使用人因失误分析与分类系统，其被应用于各种复杂人机系统的人误因素识别[13–14]，其本质上是将人为因素进行预定义并使用系统分类的思想识别人因评估对象的特征。然而，这些传统的人因分析方法还没有从系统全生命周期的角度分析复杂人机系统人因设计的多个维度和方面。

人-系统整合（human-system integration，HSI）是指在系统工程生命周期内将人的能力与局限性进行综合考虑的过程或方法。HSI 要求在设备研制中确保技术和人的平衡发展，通过对系统进行规范、设计和评估来确保人类科学知识的应用。国际标准ISO 13407 中提出了“以人为中心的系统设计”的原则，以确保在系统设计和开发过程的任何阶段都要对系统的潜在用户给予足够的重视。HSI 是将人为因素应用于整个安全关键型行业的社会技术系统的主要方法，该方法已经成功地在从国防部门到医疗部门的各种行业中开发出来，并具有各种形式的应用[15]。在矿产开采行业，HSI 计划能够考虑人与自动化的动态交互影响，以达到降低安全和健康风险的目的[16]。HSI 流程也被应用于分析工人与制造设备之间的交互作用，以实现在进行制造系统详细设计的同时考虑人的因素[17]。在现代大规模复杂技术系统的设计和开发背景下，HF/E 知识也经常用于HSI 目的[18]。其涉及将人类能力（认知，身体，感觉和团队动力）的理解集成到系统设计中，从概念化开始一直到系统废弃为止。为了实现HSI 设计，人因工程在系统知识管理过程中起到了重要作用[19]。在系统整合的过程中，一些特定于人的问题亟待解决，如人的可靠性预测[20]、工作量评估[21]、态势感知分析[22]、知识生命周期管理[23]等。这就需要从HF/E 角度考虑，强调由人类进行系统整合过程的必要性[24]。因此假设HSI 将为复杂人机系统的人因分析提供强有力的理论支撑。为了更加高效、动态地实施人因评估，需要一种更高维度的框架将复杂人机系统进行系统性的划分与重组。在此基础上，采用自上而下的方法将系统完备地划分为更低等级的子系统。该子系统亦可跨越不同的评估阶段，包含不同角色的评估人员。对相对简单的子系统实施人因评估，提高了系统的评估效率。整体而言，这一基础工作也将支撑复杂人机系统的人因评估活动。

1 基于“系统-人员-阶段”框架的三维度人因分析模型

在系统中实施HSI 流程不仅需要考虑系统人员的绩效，而且需要确保其可靠性、安全性、生存适应性。然而对于复杂人机系统而言，HSI 活动实际上是系统工程与行为科学的整合。为此，需要使用自上而下的需求分析（top down requirements analysis, TDRA）以解决主要的人员配置问题[18]。根据系统人因工程的相关理论，实施上述HSI 活动的关键对复杂人机系统采取高效、准确的人因分析及人因评估。TDRA 是需求驱动的，它突破了复杂系统依据原型设计或改进的局限性。人因分析的目标之一就是在需求驱动的前提下，准确定义系统边界、系统集成、系统复杂性等概念。本文提出的人因分析模型是在基于HSI 流程设计方法和系统逐层划分方法的基础上构建的。这些系统概念的定义及系统分析方法将直接影响需求分析的结果，以及进一步的人因分析和评估结果。

然而复杂系统的复杂度体现在信息量及信息处理的复杂性、决策及选项的数量、动作的复杂性，以及人员及人机通信的复杂性等众多方面。对于复杂系统不同的生命周期及在使用阶段不同工况转变下，系统的复杂度是动态变化的。采用自上而下的系统划分方法，逐层细化诸如组织与环境、通信过程、信息、硬件及软件等系统元素，就可以将动态的系统元素固化到相对稳定的单一人机系统。进而使用相对成熟的人因分析与评估方法[25]，并且使用绩效评估（measures of performance，MOP）及有效性评估（measures of effectiveness，MOE）。

从HF/E 的角度来看，人是系统的主导者，是智能系统的必要组成部分，仅凭系统的自动化难以保证监视、计划、理解、决策、感知等系统功能要求。现代的复杂人机系统中人机关系发生了进一步的融合与共生，在此背景下进行人因分析与评估必须分析人的特征与组织。人的特征既需要考虑生理、心理的属性，也需要考虑不同职能的人员绩效与经验的不同。在社会技术系统中人员的组织与管理对系统综合绩效的影响更加重要。因此，复杂人机系统的集成也可概括为任务、人员、组织及环境。HSI 将人与复杂人机系统有机的结合起来，并且指导设计师、人因工程师、管理员、用户在系统的全生命周期的各个阶段进行有机的结合。从可持续设计的角度出发，复杂系统的综合评估还涉及不同的文化视角，如等级主义者、个人主义者及平等主义者[26]。

在HSI 流程的指导下，人因评估活动不仅仅存在于典型的分析与评估阶段，而应该从系统的概念出发直至系统废弃，持续开展以人为中心的人因评估实践活动。在概念阶段开展人因分析有助于减少因不确定的设计要求而增加的概念设计复杂性[27]。除此之外，在制造阶段使用功能-行为-结构框架分析工人与制造设备之间的交互作用，以评估制造系统的设计[17]。通过对流水线平衡和零件的综合规划，也可预防人因风险[28]。也有研究表明，可将人因分析整合到精益生产的实施中，在确保工人健康的同时提升系统绩效[29]。在使用阶段，对工作环境进行人因评估可减轻肌肉骨骼疾病的患病风险。维修与废弃阶段，人因工程将作为辅助分析手段，帮助项目管理完善相关的HSI 活动。英国国防标准对人因整的划分为6 个阶段，概念（concept），评估（assessment），论证（demonstration），制造（manufacture），使用和废弃（in-service& disposal）和生命周期CADMID。

人因评估的内容及目标不可避免地受到人-系统“组合”的影响，不同的角色与不同的系统元素之间发生相应的交互，并且在全生命周期的视野下，宏观系统的参与角色以及系统元素的状态都会随着阶段的变化而变化。因此，人员-系统元素-阶段所指定的对象就能够映射到特定的评估子单元，如图1 所示。针对该评估单元，HF 专家可以使用相关经验选择准确的人因评估方法及指标。这种使用人-系统-阶段3 个维度，分析和选择“典型”人因评估单元的方法，一方面有助于人因评估方法和指标的准确选择，另一方面可以显著提升全生命周期的复杂人机系统的人因评估效率。因为直接对全生命周期的复杂人机系统进行人因评估，将会陷于谷仓效应（silo effect）。这可以归咎于系统评估单元的完备性不足，因为HF 工程师与其他系统参与人员缺乏系统性、结构化的交流。另外，实际上HF 工程师在面对复杂人机系统的人因评估任务时，人因方法及指标的选择是由高人因风险驱动的，同时也会受到相当的时间压力。人因评估单元选择的准确性将直接影响人因方法及指标选择的有效性，进而衰减人因评估结果的可靠性。

图1 复杂人机系统的三维度分析模型Fig. 1 The three dimensional analysis model of complex man-machine system

2 “系统-人员-阶段”人因分析框架

在HSI 流程设计的指导下可将复杂人机系统划分为系统、人员、阶段3 个维度。3 个维度相互独立，每个维度的元素之间彼此联系。对子单元进行有效划分将提高人因评估的效率，按时间维度划分，每个阶段实施不同的人因评估活动。按系统维度划分，每个子系统侧重不同的人因目标，每个子系统的人因评估目标也随着阶段以及参与角色的变化而变化。按参与人员的角色维度划分，人因工程师和设计师分析的重点不同。并且每个角色在不同阶段与不同的系统环境下，参与的人因评估活动也不相同。

按阶段维度划分，角色维度与系统维度的交叉，是传统人因工程的研究内容。按系统维度划分，不同阶段将有不同的评估人员对该系统进行评估。此时，需要综合各类评估人员的观点对一致及冲突意见进行处理，提出不同设计的重要性排名。按角色维度划分，不同系统在生命周期的各个时间段将产生不同的评估需求及目标（见图2）。

图2 某系统在全生命周期的评估子单元Fig. 2 The evaluation sub-unit of a system throughout its full life cycle

人-系统维度的组合是HF 专家通常关注的内容，随着该维度的逐级细分人因评估的方法及指标的选择也会更加准确。人员-阶段的维度为HF 专家提供了完全不同的协同方向，该维度将有助于解决“谷仓”效应。另外，系统-阶段维度是设计专家关注的主要内容，其评估指标多为系统绩效、任务效率等。但对于人因评估而言，HF 专家更关注的是特定的系统元素在系统全生命周期过程中的变化规律。该维度将有助于HF 专家观察到不同工况的人因评估需求或目标，以及识别紧急情况的人因风险。

3 人因分析模型与人因评估实施

人因分析模型将全生命周期的复杂人机系统划分为具体的人因评估单元，其目的是为提高人因评估效率。实施人因评估需要选择适用的人因方法，并根据最相关的人因指标评估实施效果。人因方法和人因指标的选择正是HF 专家在实施人因评估时面对的主要问题，而三维度人因分析模型则为该问题的解决创造了途径。

有效的人因学评估应当基于人因指标，对特定的评估对象实施相应的人因方法。人因指标是指人因设计、分析与评估所考虑的指标或所需要的度量指数。合适的人因指标能够有效指导和反映评估效果。人因方法是解决人因问题的有效方法，使得人机交互的可用性、人误预测、人员配备与知识和技能变化等方面的问题得到充分解决。人因方法可以指导人因指标的选择，人因指标也可以反映人因方法的实施。指标与方法的有机结合可以使人因评估的逻辑更加清晰，也有助于全周期人-系统整合流程的实施。

然而在对复杂人机系统进行全阶段人因评估的过程中将面临不同的人因评估目标，因此需要选择相应的人因指标与人因方法。在人因评估领域指标与方法的选择往往基于人因工程师的主观经验判断，缺乏客观透明及逻辑系统的选择框架。所以，指标的有效性和方法的适应性仍值得商榷。大量的相关性指标和不可观察指标影响了指标的有效性，由于人因方法适用范围的模糊性和成本、时间的不确定性，所以有必要对其进行适应性分析。

针对复杂系统人机匹配效果科学度量方法缺失的问题，应当建立分阶段、分任务，可行、有效的，面向复杂系统的多层级、动态可调的人因工程评估指标体系和评估模块。针对复杂系统的人因评估指标繁杂、冗余、冲突等问题，应当借助三维度分析模型划分人因评估子单元，接着使用指标筛选技术快速得到影响系统绩效的人因评估关键指标。针对人因方法使用范围模糊缺乏系统应用分析的问题，人因方法适应性分析体系可以借助三维度分析模型划分人因评估子单元，并通过系统、逻辑的方式选择适合对应情景的人因方法，以帮助工程师和设计师进行对复杂人机系统的HSI 流程设计做出有效指导。

根据图3 的结果可以看出，使用三维度分析模型前人因指标体系跨越了阶段、人员以及系统3 个维度。HF 专家在进行选择时很难将单一的指标提取及评估，因为指标的内涵与其分值所映射的评估单元是交错和冗余的。如操作系统都需要评估绩效指标，而环境系统不需要评估绩效指标，但两者都需要评估安全性或舒适性指标。使用三维度分析模型后指标体系被精确的划分到相应的评估子单元，底层指标与顶层指标之间有良好的隶属关系，这将有助于实施系统的综合评价。对于复杂人机系统而言，越来越多的评估任务要求HF 专家给出综合的评价指数或进一步精确的评估权重，而不再是依靠经验评估或空洞的全局系统要求。

图3 使用三维度分析模型前和后的评估单元所设计的评估指标Fig. 3 The evaluation indicators designed by the evaluation units before and after of using the three-dimensional analysis model

4 船舶指挥控制系统的人因分析应用案例

本文的研究内容及结论体现在2 个方面，首先提出针对复杂人机系统的人因分析模型，其次将该分析模型应用于船舶系统以说明其有效性。船舶系统是典型的指挥和控制系统，操作员与工作站之间存在大量的人机交互过程。该过程往往具有远程和连续作业的双重任务要求[30]，因此需要人员进行一系列的监视、决策、反馈操作。为了完成既定的任务目标，人、系统以及人机之间构成了随周期变化的任务信息交流网络。船舶指挥控制系统是复杂人机系统的典型应用，其涉及了全生命周期各阶段的、多角色参与的人因评估活动。

在HSI 流程设计的指导下，HF 专家需要在船舶指挥控制系统的各个阶段做出相关的人因分析。该分析旨在揭示船舶指挥控制系统中人的生理、心理以及指挥与控制任务、运行与操作环境等诸多因素对控制室人员的情景意识、认知负荷、自动化信任等的影响。

船舶指挥控制系统根据系统元素组成，可分为硬件软件系统、信息、通信过程、环境等子维度（见图4）。系统的维度可以根据实际的人因评估需求进行逐层细化，如认知任务分析将系统整体划分为子系统、功能单元、部件及组件等。船舶指挥控制系统的主要参与人员可分为3 类。执行组织包含事务管理员和系统操作员，此类人员直接参与系统的运行。评估专家包含人因工程师和设计工程师，两方面的专家需要协同合作以保证“以人为中心”的船舶指挥控制系统设计。除此之外，设计需求方还包括任务需求制定方和资源需求保障方，此类人员的意见也将纳入到船舶指挥控制系统的设计与运行全过程。从全生命周期的视野来看，船舶指挥控制系统的阶段可首先划分为概念、评估、论证、制造、使用、维修与废弃6 个阶段。其中，每个阶段又可继续细分为各个子阶段。这些子阶段显示出人因评估活动在系统中的执行时刻。以使用阶段为例，其可以细分为任务执行阶段和紧急情况阶段。这两种子阶段都是人因工程师关注的重点场景。

图4 船舶指挥控制系统的三维度分析模型Fig. 4 The three dimensional analysis model of ship command and control system

船舶指挥控制系统在全生命周期的人因评估任务中参与的人员，除了系统的操作人员还有人因评测方以及研制制造方。人因评测方以人因工程师为主要代表。研制制造方包括设计师、工程师、管理员等。在概念及设计阶段以设计师为主，人因专家提供咨询和分析。在论证阶段设计师、人因专家以及目标用户都要参加，在使用阶段则以用户为主。阶段是复杂人机系统的生命周期的主要划分依据，不同阶段的主要系统元素以及参与人员会发生变化。表1 为各阶段的主要评估任务和复杂人机系统的3 个维度的主要划分内容。

表1 系统-人员-阶段评估单元的主要内容Tab. 1 The main content of the system-person-phase evaluation unit

在概念阶段，应当对相关的人因问题进行分析，并对相关的风险与要求进行评估。帮助实现此目的的技术包括早期人因分析（early human factors analysis，EHFA）。EHFA 确定的人因问题将推动概念阶段及进一步的评估阶段的人因分析任务与详细计划的实行。船舶指挥控制系统在概念阶段，将需要描述场景，分析方案及任务中的人因问题，描述系统需求及用户需求。在评估阶段，将做出更详细的人因分析，量化并减少在概念阶段确定的人因问题。需要收集最终用户（如操作员、指挥员）的相关信息，如个人经验、操作任务、工作条件、船舶指挥控制系统需要的人数、相关的标准及详细信息等。船舶指挥控制系统在评估阶段将主要进行指挥员与操作员的任务分析，验证在概念阶段的假设及人因问题，以及相关的人员配置分析。在论证阶段，人因分析的重点从需求转变为完善细节与风险评估方面，完善相关设施的规格要求及任务的详细方案制定。船舶指挥控制系统将在模拟平台或仿真平台上进行相关演练，招募相关的被试人员进行人体测量评估以及人因绩效评估。在制造阶段人因工程师将关注设备制造的多数方面，包括设备的采购及后勤保障、操作员的初步培训及船舶指挥控制系统的模拟运营，发现潜在的人因问题进行相应的人因分析与评估，甚至需要更改设备以解决相关问题。由于船舶指挥控制系统是人员及信息密集型系统，人因分析应进行相应的可操作性说明，并招募经验丰富的被试人员参与测试。在使用阶段人因工程师需要进行操作审核、操作试验等人因干预以检测之前阶段未发现的问题。在实际的使用过程中也可进行人因纠正分析，改善工作绩效、减少不利因素对操作员及系统的影响，采用人因分析进行定期检查以及做出故障报告。在维修和废弃阶段将进行高效和安全的处理设备，分析相关的健康和安全问题。此部分在国内外的相关研究较少，但作为人-系统整合设计流程的重要组成部分，仍需要考虑在复杂人机系统的生命周期之内。

5 结 语

本文研究复杂人机系统的人因分析与评估结合人-系统整合流程思想，讨论人因分析的概念框架。针对复杂人机系统内部各人机系统之间的交互作用及系统在各阶段评估内容的动态变化特性，提出整合阶段、子系统与人员复杂人机系统的人因分析模型，该模型划分出系统评估的各主要阶段，并将复杂系统拆分为各个子系统。由于复杂人机系统在全生命周期人因评估的参与人员涉及设计人员、评估人员及使用人员等各个相关组织，所以该模型将人员角色作为分析维度之一，研究角色的变化对系统评估任务的影响。最后，针对舰船系统设计应用本分析模型，为提高系统的人因设计效率提供理论基础。

在工程应用中，本文提出的三维度分析模型的细化程度会进一步提高。针对不同的评估场景，系统的元素可以具体到显示信息的内容和设计方面。人员的角色划分也会根据经验和绩效进一步细化。阶段的划分在使用阶段也会区分出不同的工况和紧急情况。阶段-人员-系统的三维度分析模型，不仅可以使人因评估的范围更加完备，提前考虑人因风险减少系统的设计成本，并且细分的评估单元也有助于人因评估实施有效性的提高。

人因方法的适用性分析以及人因指标的选择都需要针对特定的评估单元。HF / E 学科的主要关注点在于能够对人类交互进行概括和预测，以提高生产率、安全性和整体用户满意度。为此人因研究将采用一系列的技术或方法，以解决研究的目标或问题。对于给定HF / E 目标方法的适当性，最常见的答案是视情况而定，这通常取决于任务因素和研究目标以及其他关键的背景因素。而这些都需要以人因评估单元的确定为基础，关键人因指标（key ergonomic performance indicators, KEPI）表示了指标的数值与评估目标之间具有相对较高的相关性。图3 展示的情况表明指标的内涵是模糊的，其横跨于复杂人机系统的各个阶段及系统，这为系统的综合评估带来了不少麻烦。因此，精确的细分人因评估单元将有助于人因评估指标体系的构建，进而提高系统综合评估的有效性。

三维度分析模型的局限性与其带来的优势相对应。三维度分析模型将系统从独立的三个维度上进行分解与组合，得到了定义精确的评估子单元，但是其不可避免地割裂了系统的整体性。更重要的是在进行评估子单元的组合，即人员-系统、人员-阶段、系统-阶段的组合评估时，HF 专家还缺乏相应的分析经验，这更像是一种针对社会技术系统的组织和管理问题。其需要使用系统工程的方法，将各“组合”评估单元综合起来进行人因评估，以分析任务流、信息流在复杂人机系统中的特性。

HSI 流程设计是将系统工程应用于大规模复杂技术系统的理念，其包含了人因工程、人员、训练、人力、安全与健康、宜居性和生存能力等方面的因素。随着HF/E 对于社会技术系统应用概念的逐渐扩大，HSI 与HF/E 的联系逐渐增强。但是两者又存在差别，HF/E 的着眼点始终在于系统的整体绩效与人员安全健康保障的共同提高。而HSI 的着眼范围更广，包括系统整合程度、人员与培训效率、安全与宜居性等。本文使用三维度分析模型划分的系统阶段与HSI 的生命周期划分相似，但在生命周期内各阶段的人因评估内容与HSI 活动的内容有所不同。三维度分析模型旨在准确高效划分出人因评估子单元，以便后续进行人因方法、人因指标的选择以及人因评估等。在同一阶段HSI 不仅关注人因评估内容，也注重人员配备、任务分析、组织管理等多重整合活动的实施。