馮傳宴, 李志忠

(1.清華大學工業(yè)工程系, 北京 100084; 2.北京航空航天大學航空科學與工程學院, 北京 100191)

1 引言

對于發(fā)生故障會引發(fā)嚴重后果的安全關鍵系統(tǒng),在系統(tǒng)/項目/產(chǎn)品全生命周期各個階段(從概念、開發(fā)、生產(chǎn)、使用與保障(也稱運行與維修)到退役的實踐中考慮人的因素(Human Factors,HF)(簡稱人因)可以降低技術風險和成本、提升系統(tǒng)安全和效能[1-6]。此外,當前人工系統(tǒng)的復雜性已上升到前所未有的水平,復雜工業(yè)系統(tǒng)的集成產(chǎn)品開發(fā)團隊也越來越意識到在系統(tǒng)全生命周期和架構細節(jié)中運用系統(tǒng)思維并實踐系統(tǒng)工程(Systems Engineering, SE)的重要性[7]。強調以人為中心的設計(Human-Centered Design, HCD)的HF 和強調以技術為中心的工程(Technology-Centered Engineering)的SE 這2 個學科具有各自顯著的優(yōu)勢[8],越來越多的研究人員指出有必要在系統(tǒng)全生命周期中對這兩者進行集成[3,9-10]。

然而目前HF 與SE 并未得到很好的集成,存在著研究缺口[11-12]。盡管HF 和SE 學科的研究人員都意識到了這個研究缺口,并在實踐中進行了各自學科的發(fā)展與革新[13-15],但目前這些工作還都不夠成熟。HF 和SE 均是以系統(tǒng)為中心的跨學科,且這2 個學科的從業(yè)者往往都從各自學科的角度出發(fā)(例如系統(tǒng)工程師通?？紤]HF 如何適應SE[11]),而對另一學科的認知有限(例如HF 從業(yè)者對SE 的相關概念僅有初步了解),這導致兩者之間的集成問題很復雜,相應的研究缺口很大。為了厘清這一研究缺口,通過針對典型安全關鍵領域的工業(yè)實踐經(jīng)驗/成果開展系統(tǒng)全生命周期中HF 與SE 集成方法的文獻回顧,發(fā)現(xiàn)目前仍存在以下4 個方面具體問題:①缺乏對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE集成工業(yè)實踐經(jīng)驗的系統(tǒng)性總結;②缺乏對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成相關術語的定義總結和概念辨析;③缺乏對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE集成的技術路線的總結;④缺乏針對HF 與SE 未能很好的集成這一現(xiàn)實問題的解決方案的探索。

本文為人因工程與系統(tǒng)工程的集成系列研究文章的第一部分,主要針對上述第1 方面的研究缺乏開展了HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗回顧。另外幾方面的研究缺乏將在《人因工程與系統(tǒng)工程的集成》系列研究的后續(xù)文章進行一一介紹。

2 HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗回顧

本文對典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗進行了系統(tǒng)性的總結。如圖1 所示,相應工業(yè)實踐經(jīng)驗的篩選方法為:按照通用、民用航空、載人航天、船舶海事、能源(核能、油氣)、國防軍事、軌道交通這七大典型安全關鍵工業(yè)領域(將通用領域也劃定為工業(yè)領域之一),從美國、歐洲(含澳大利亞)、中國和其他(針對國際方面)這4 個區(qū)域,選取相關組織/機構在工業(yè)實踐中已經(jīng)公開發(fā)表的、現(xiàn)行的在系統(tǒng)生命周期中考慮人因工程或人與系統(tǒng)集成(HSI)的行政指令、標準、指南、手冊、報告等典型相關文獻[16-17]。需要注意的是,有許多現(xiàn)行的標準是針對特定系統(tǒng)組成元素的技術、工具、交互和過程而編寫的(如ISO SC37 標準專門用于生物識別),這些標準在本報告中不進行特別的討論[16]。

圖1 HF 與SE 集成工業(yè)實踐經(jīng)驗的篩選方法Fig.1 Screening method for industrial practice experience of HF/SE integration

2.1 通用領域

針對通用領域,選取了國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)、電氣與電子工程師學會(IEEE)、國際系統(tǒng)工程學會(INCOSE)、美國國家標準學會(American National Standards Institute, ANSI)、歐洲標準化委員會(CEN)和中國國家標準化管理委員會(SAC)這七大組織/機構進行了文獻總結,結果見表1。

表1 通用領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 1 Summary of literatures related to HF/SE integration in general areas

作為國際上的三大標準組織(ISO、IEC 和ITU)之一,ISO 在1974 年成立了工效學技術委員會159(Technical Committee, TC159)。該委員會主要負責制定該組織相關的工效國際標準(注:工效與HF 目前已幾無區(qū)別),也會和IEC/IEEE成立聯(lián)合技術委員會制定專門的工效標準。TC159 由工效學通用原則、人體測量及生物力學、人和系統(tǒng)交互的工效學、物理環(huán)境的工效學這4個技術分委會,以及無障礙設計和針對特殊人群的工效學這2 個工作組組成。1981 年,該委員會發(fā)布了首個工效學國際標準ISO 6385-1981。ANSI 和CEN 均可能采納相關ISO 標準。SAC 在組織專業(yè)人員經(jīng)過標準化程序可等同采用或修改采用相關ISO 標準,制定國家標準(GB)。此外,ISO/IEC/IEEE 還聯(lián)合發(fā)布了SE 的相關標準-ISO/IEC/IEEE 24748-1(2018) 系統(tǒng)和軟件工程-生命周期管理-第1 部分:生命周期管理指南、ISO/IEC/IEEE 15288(2015) 系統(tǒng)和軟件工程-系統(tǒng)生命周期過程等。需要注意的是,正文部分首先按照國際、美國、歐洲、中國方面的順序對各個領域的組織/機構進行介紹,而相應的總結表格則按照不同區(qū)域(美國、歐洲、中國、其他)的順序進行排列。此外,正文部分會對一些機構的檢索情況進行簡單說明,表格中僅列出檢索到相關文獻的組織機構,其余部分的格式均與該部分相同。

2.2 民用航空

針對民用航空領域,選取了國際自動機工程師學 會(Society of Automotive Engineers International, SAE International)、美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)、歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency, EASA)、中國民用航空局(Civil Aviation Administration of China, CAAC)這4 大組織/機構進行了文獻總結,結果見表2。SAE International 學會中由SAE Aerospac(簡稱SAE ARP)分委員會負責制定民用航空的相關標準。在美國,FAA 負責制定相關的標準、政策和指南,以支持民用飛機系統(tǒng)的設計、開發(fā)和采購。與FAA 相似,歐洲的EASA 和中國的CAAC 也分別承擔類似職能。盡管EASA 和FAA 在條款的細節(jié)上略有出入,但整體思想一致[21]。

表2 民用航空領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結[22-27]Table 2 Summary of literature related to HF/SE integration in civil aviation[22-27]

2.3 載人航天

對載人航天領域,選取了美國航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)、中國載人航天(CMS)這3 大機構進行了文獻總結。文獻總結見表3。該表在NASA-SP-2015-3709《人與系統(tǒng)集成從業(yè)者指南》(Human Systems Integration (HSI)Practitioner’s Guide)的2.2.2 節(jié)[28]和NASA-SP-2016-6105-SUPPL-Vol.2 的7.9.7 節(jié)[29]列出的涉及HSI 的文獻的基礎上,進行了NASA 的相關文獻總結。為規(guī)范載人航天活動,NASA 發(fā)布了NASA 程序性要求(NASA Procedural Requirements, NPR)、NASA 政策指令(NASA Policy Directive, NPD)、技術標準和技術報告。NASA 標準體系由指令文件、技術標準、技術報告和采標標準組成[30]。NASA 指令文件為強制性文件,主要包括NPR 和NPD,其優(yōu)先級高于技術標準(Standard/Technical Standard)[31]。NASA 的局級指令可分為10 個類別(https:/ /nodis3.gsfc.nasa.gov/main_lib.cfm)。NASA 技術標準包括技術標準、規(guī)范和手冊, 這3 者的定義可見 NPR 7120.10A《NASA 計劃和項目中的技術標準》(Technical Standards for NASA Programs and Projects)附錄A,文檔編號為“NASA-STD-”、“NASASPEC-”或“NASA-HDBK-”[32]。NASA 技術標準分成了10 個類別,詳見https:/ /standards.nasa.gov/nasa-technical-standards。NASA 技 術 報 告 包括6 個系列:技術出版物(Technical Publications,TP)、技術備忘錄(Technical Memorandum, TM)、合同報告(CR)、會議出版物(CP)、特殊出版物(Special Publications, SP ) 以及技術譯文(TT)[33]。詳細信息參照NASA/SP-2015-7602-Rev.2《NASA 出版物讀者指南》(NASA Publications Guide for Authors)的2.1.1.1～2.1.1.6 節(jié)及其Table 1。命名方式遵照美國標準協(xié)會標準,格式為“NASA/TM-YEAR-”,其中TM 為報告類型。采標標準為采用其他政府標準、非政府自愿協(xié)調一致標準[30]。

表3 載人航天領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 3 Summary of literatures related to HF/SE integration in manned spaceflight

2.4 船舶海事

針對船舶海事領域,選取國際船級社協(xié)會(International Association of Classification Societies,IACS)、國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)、美國船級社(American Bureau of Shipping, ABS)、美國材料實驗協(xié)會(American Society of Testing Materials, ASTM)、中國船級社(China Classification Society, CCS) 這 五 大 組織/機構進行了文獻總結,結果見表4。

表4 船舶海事領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 4 Summary of literatures related to HF/SE integration in shipping & marine

2.5 能源

主要對能源領域的核電和油氣(石油和天然氣的簡稱)進行分析。

2.5.1 核電

針對核電能源, 選取國際原子能機構(IAEA)、IEEE、IEC、美國核管理委員會(NRC)、中國國家核安全局(NNSA)、中國SAC、中國國家能源局(NEA)等組織/機構進行了文獻總結。歐洲大部分國家都采用IAEA 法規(guī)和導則作為依據(jù),并參考IEEE、IEC 標準制定相關核電HF 標準。國內核安全法規(guī)技術文件(HAF)、核安全導則(HAD) 主要參考IAEA 的相關規(guī)定(如HAF102 主要參考了“NS-R-1 核電站安全:設計”)[49]。文獻總結見表5。

表5 核電領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 5 Summary of literatures related to HF/SE integration in nuclear power

2.5.2 油氣

針對油氣能源,選取能源研究所(Energy Institute, EI)與國際油氣生產(chǎn)商協(xié)會(IOGP)、美國能源局(DOE)、歐盟能源監(jiān)管合作機構(ACER)、NEA 等組織/機構進行了文獻總結。DOE、ACER和NEA 均未檢索到相關文獻。油氣領域檢索到EI & IOGP(2020) Report 454: Human Factors Engineering in Projects (2nd edition) (454 報告:項目中的人因工程(第2 版))[9]。該報告針對HFE在油氣項目中的有效應用,為工業(yè)界提供指導和建議的方法,其既適用于大規(guī)模的項目也適合小規(guī)模的項目,并為操作者實施HFE 提供額外的指南和示例。

2.6 國防軍事

針對國防軍事領域,選取SAE、DoD、英國國防部(Ministry of Defence, MoD)、中國國防部(Ministry of National Defense of the People’s Republic of China, 簡寫為MoD, PRC)這4 大組織/機構進行了文獻總結。其中DoD SE 中的HSI主要結合MIL-STD-1472 和MIL-STD-46855 進行[56],結果見表6[57]。

表6 國防軍事領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結[57]Table 6 Summary of literatures related to HF/SE integration in defense & military[57]

2.7 軌道交通

針對軌道交通領域,選取國際鐵路聯(lián)盟(UIC)、世界地鐵協(xié)會(CoMET)、美國聯(lián)邦鐵路局(FRA)、英國鐵路行業(yè)安全與標準委員會(RSSB)、英國鐵路網(wǎng)基建有公司(NR)、倫敦地鐵公司(LUL)、澳大利亞鐵路工業(yè)安全和標準委員會(RISSB)、中國國家鐵路局(簡稱NRA, PRC)等組織/機構進行了文獻總結,結果見表7。RSSB 和NR 未檢索到相關文獻,LUL 發(fā)布有LUL-S1217 Integration of Human Factors into Systems Development (將人的因素集成到系統(tǒng)開發(fā)中)和LUL-G-217 Good Practice in Human Factors Integration (人因集成的良好實踐),但文獻無法下載。中國的NRA 和UIC/CoMET 均未檢索到相關文獻。

表7 軌道交通領域中HF 與SE 集成相關文獻的總結Table 7 Summary of literatures related to HF/SE integration in rail transportation

3 結語

本文開展了七大典型安全關鍵領域和4 個區(qū)域的相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗的系統(tǒng)性回顧,研究發(fā)現(xiàn),目前典型安全關鍵領域相關組織/機構中涉及HF 與SE 集成的工業(yè)實踐經(jīng)驗相對混亂,除個別組織/機構外,大部分組織/機構的HF 與SE 集成的標準體系很不完善,存在標準規(guī)范的碎片化分布、標準之間邏輯關系混亂等問題。該系列后續(xù)文章將開展相關術語分析及技術路線總結,以更好厘清“HF 與SE未能很好的集成”這一研究缺口。