鄭 冉 王柏村 易 兵 張 瑩

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

0 引言

近年來數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等技術(shù)迅猛發(fā)展，人類生產(chǎn)和生活自動化水平不斷提高，數(shù)學(xué)技術(shù)給世人帶來諸多便利的同時，也產(chǎn)生了流程僵化等問題。尤其在面對不可預(yù)見的突發(fā)事件時，傳統(tǒng)管理方式面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也更加凸顯了流程僵化導(dǎo)致的系統(tǒng)的脆弱性?！叭绾喂芾硗话l(fā)事件，實現(xiàn)從剛性自動化向柔性自主性的過渡，構(gòu)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(guān)注。如何合理利用新一輪科技革命技術(shù)成果，構(gòu)建人-社會集成系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展模式引起了學(xué)者Gug André BOY的思考，進(jìn)而他提出了以人為本柔性設(shè)計的新理論和技術(shù)體系來解決當(dāng)前的社會技術(shù)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(shè)計主題，介紹了社會-技術(shù)系統(tǒng)柔性分析的概念、框架、模型，對進(jìn)行柔性分析的人-系統(tǒng)集成(Human-system integration , HSI)方法展開了詳細(xì)闡述，并探討了復(fù)雜系統(tǒng)的有形性問題，給出了以人為本的虛擬設(shè)計(virtual human-centered design, VHCD)實體化的具體方法和有形度量指標(biāo)，為設(shè)計和制造人-自然-社會和諧的人工制品提供理論指導(dǎo)。

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

1 復(fù)雜社會-技術(shù)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(qiáng)調(diào)了研究技術(shù)、組織和人員方面的柔性的迫切需求，進(jìn)而引出人-系統(tǒng)集成這一多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，以實現(xiàn)從剛性自動化到柔性自主化的轉(zhuǎn)變，提高社會-技術(shù)系統(tǒng)的柔性。

第二章介紹了社會-技術(shù)系統(tǒng)的柔性分析框架?？紤]技術(shù)成熟度、實踐成熟度和社會成熟度三種與自主性密切相關(guān)的成熟度以及管理復(fù)雜系統(tǒng)的三個主要過程(圖1)，闡述如何實現(xiàn)從剛性自動化到柔性自主化的轉(zhuǎn)變，這個轉(zhuǎn)變需要定義“系統(tǒng)”的一致表示，即系統(tǒng)是由結(jié)構(gòu)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(jìn)行了定義，其中資源被形式化為客體或主體，情境由結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)三種因素定義，與TOP模型(technology, organization and people)(圖3)結(jié)合構(gòu)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(xiàn)柔性設(shè)計的基礎(chǔ)方法和模型。首先對復(fù)雜社會-技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行定義并對復(fù)雜系統(tǒng)的特性進(jìn)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(jié)構(gòu)和功能之間的等效表達(dá)，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(shù)系統(tǒng)的認(rèn)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(kuò)展，一個簡化的HCD工程框架)，構(gòu)建以人為本的柔性設(shè)計的概念框架[3]，并分析系統(tǒng)的復(fù)雜性。其中，復(fù)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(fù)雜適應(yīng)機(jī)制和行為；⑤不可預(yù)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(xì)闡述了人-系統(tǒng)集成的具體內(nèi)涵。介紹了人-系統(tǒng)集成的認(rèn)識論及演變，說明可分離性問題是復(fù)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(shè)計柔性和系統(tǒng)知識三個參數(shù)的影響；分析了從傳統(tǒng)工程到數(shù)字工程的轉(zhuǎn)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(shù)字工程的轉(zhuǎn)變——從剛性自動化到柔性自主性的轉(zhuǎn)變

第五章介紹了基于活動的設(shè)計。通過基于場景的設(shè)計(表現(xiàn)形式如圖10所示)處理任務(wù)分析，通過人在回路仿真完成活動觀察和分析，進(jìn)而實現(xiàn)基于活動的設(shè)計。分析了從HighTech(最先進(jìn)的可用技術(shù))到FlexTech(支持工程設(shè)計和操作柔性的技術(shù))的演變過程，包括從人因和人機(jī)工程學(xué)(HFE)、人機(jī)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(wǎng)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(jī)系統(tǒng)形成性評價的多規(guī)則方法

圖11 以工程為導(dǎo)向到以人為本設(shè)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(yù)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(jīng)驗的建模方法，在這個過程中，識別突發(fā)情況至關(guān)重要；最后介紹了監(jiān)督、調(diào)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(diào)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(biāo)。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(shè)計卡(design cards, DC)能夠有效解決設(shè)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(jī)器的交互，以支持多智能體系統(tǒng)的構(gòu)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(fù)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(biāo)，從有形性的五個方面區(qū)分了漸變性設(shè)計(evolutionary design)和革命性設(shè)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(shè)計初期階段(細(xì)實線)和設(shè)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(shù)系統(tǒng)環(huán)境不斷走向數(shù)字化，基于固定流程的數(shù)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(shè)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(zhuǎn)變，為柔性設(shè)計提供了方法論，也為人本設(shè)計、人本智造等研究提供了參考。相關(guān)啟示如下：

(1)學(xué)校應(yīng)開設(shè)復(fù)雜系統(tǒng)理論相關(guān)課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和問題解決能力，加強(qiáng)學(xué)習(xí)“為什么”而不僅僅是關(guān)注 “怎么做”，鼓勵學(xué)生以新的視角拓展認(rèn)知，打破傳統(tǒng)教學(xué)方式。例如：復(fù)雜系統(tǒng)課程建設(shè)，要關(guān)注學(xué)生的全局思維和問題解決能力的培養(yǎng)。

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

(3)企業(yè)管理應(yīng)從復(fù)雜系統(tǒng)管理的角度，制定企業(yè)長期戰(zhàn)略目標(biāo)，打破傳統(tǒng)僅以市場為導(dǎo)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(shè)計，以實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和科技自立自強(qiáng)。例如：考慮可持續(xù)發(fā)展的智能制造新范式值得進(jìn)一步研究。

(4)研究柔性設(shè)計與人工智能、智能制造、人機(jī)交互等領(lǐng)域的融合，在以人為本的前提下，考慮技術(shù)、組織、環(huán)境等多種形式的智能化，研究社會-技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)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(jìn)一步完善以人為本的柔性設(shè)計理論和技術(shù)體系，深入開展面向人本設(shè)計的人機(jī)界面、人因工程、人機(jī)任務(wù)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(shù)系統(tǒng)的實用性。例如：開展以人為本的柔性設(shè)計在智能制造企業(yè)的具體落地具有重要實踐意義。