人为因素设计指南的开发

人为因素设计指南的开发

John L.Campbell

美国华盛顿州98105西雅图41街东北4000，巴特尔人因交通研究中心

摘要

先进的人-机系统在不断发展，可用于系统设计过程的人为因素设计指南却跟不上，两者之间的信息缺口不断加大。尽管越来越多的人对探索人为因素设计准则感兴趣，但这类信息的实际效用仍然存在许多不确定和值得关注的地方。事实上，在设计者看来很多现有的人为因素参考资料“太繁冗”、“太笼统”或“太难理解”。因此，需要将科学和艺术有机地结合，形成清晰的、相关的、有用的人为因素设计指南，从而避免此类问题。尤其是，虽然很多经验的、系统的方法可用于准则的开发，但最终形成的设计准则总会是用户需求、设计约束、可用信息以及专家判断的主观综合。本文总结了人为因素设计准则发展中与科学和艺术成分相关的过程和直观推断。

行业相关性

通过给工程师和设计者提供人为因素设计准则，人为因素/人机工效学的研究者和从业人员逐渐参与到系统的设计过程。本文为人为因素专业人员、系统设计师和工程师，就人为因素设计指南成功发展相关的关键事项和程序进行了综述。

关键词：设计指南；综合观点；人为因素准则。

1　引言

近来，工业界和政府部门在开发人为因素设计指南方面投入了很多努力。先进的人-机系统状态各异，系统设计过程中使用的人为因素设计准则的可用性差，两者之间不断加大的差距是这些努力的原动力。交通运输、航空航天、通信以及过程控制系统变得越来越复杂，这就使得在开始设计之前为系统开发人员提供以用户为中心的人为因素设计指南十分重要。

人为因素设计指南的目标是总结人-机数据，推荐方法，以及设计师、工程师、人为因素从业者和其他人所使用的各种原则。在一系列的设计过程中，包括概念设计、功能设计、详细设计以及最终设计的评估过程，可以使用这些指南。不管具体怎样使用这些指南，人为因素指南必须是条理清晰且可读性强能指导具体设计的汇编，系统设计过程中应该遵照这些指导原则。总体上讲，人为因素设计指南必须要（Campbell等，1990）简明，有明确指示性，不模糊，可通过观察、测量或其他科学方法证实，与人的表现相关。

2　与设计指南开发相关的主要问题

人为因素设计指南的开发涉及评议、分析、综合相关人为因素数据、建议和工作原则。虽然行为科学的主要工作是系统地评述现有的研究成果，但是每个人评价的目的、方法和概念框架差异巨大。例如，文献综述的一般目的是积累一个领域的知识（Feldman，1971）。但是，一些综述着眼于理论的发展，一些综述提炼一个领域的知识，另外一些从相关材料概括具体内容（Jackson，1980）。在人为因素设计指南开发过程中，这种类型的综述被称为“综合性的研究综述”。这种综合性的研究综述总结过去的研究，在给定相关或一致的假设下从许多单独的案例中得出一般化的结论（Cooper，1989）。

过去，开发人为因素设计指南的努力很少放在方法和程序上。但是，最近10年人为因素领域主要讨论的是，设计复杂的人-机系统时缺少可用的人为因素准则。例如，Meister（1984，1989）认为基本的研究对于人为因素实践人员来说没有太大的价值，数据的准确含义，数据适用的情形与数据收集所在的情形不一样时，通常显得模糊而不准确。Smith（1987）得出类似的结论，大多数人为因素方面的研究都是直接面向一个具体的设计问题，这样的话大多数结果就不能适用于其他问题。Simon（1973，1987）认为大多数人为因素数据是依据情况而定的，而且对于操作情况来说没有预示性，不能适用的主要原因是方法上有缺陷。

有些人试图就人为因素设计指南的可用性和效用询问系统设计师和开发人员。Meister和Farr（1967）调查了设计人员分析设计问题以及使用人为因素数据的方式。他们发现设计人员在系统设计时经常不考虑操作者的需求并且不关注人为因素方面的信息。Rouse和Cody（1988）调查了35位人-机系统设计师分配时间、使用可用设计信息的方式。调查结果显示，设计师觉得许多研究资料难以理解，几乎不存在一般化的数据适用于具体问题，而且设计师经常对“无意义的结果”感兴趣（即不影响设计的那些变量，但很少公布）。Roger等人（1989）调查了29位汽车显示系统的设计师，以了解在寻找和使用人为因素数据时他们所遇到的各种困难。结果显示，与具体的设计问题相关的数据或设计指南几乎找不到，即使数据找到，这些数据的形式很少能够立刻被设计人员理解和使用。最近，Burns和Vicente（1994）要求设计师对使用最广泛的人为因素参考书《工程数据便览》（Boff和Lincon，1988），获取人为因素参考信息的性价比进行评定。结果发现获取这些信息的代价非常大，而且感觉价值也很低，因此设计师不会花过多的时间去获取这些信息。

为了解决这些问题，Rouse（1985）提出需要“中间物”来将现有的研究结果进行转化，变成设计师愿意使用的设计信息。Rouse（1987）认为真正的问题不是缺少数据，而是许多人为因素的实践人员不愿意将现有的数据推广应用到具体的设计问题。按照Rouse的观点，使用人为因素的设计师必须“超越数据”，并且愿意使用他们的经验、直觉和常识来分析和综合研究数据，同时与系统开发人员的信息需求和设计限制保持一致。虽然承认确实存在许多无用的试验数据，Boff（1988）依然认为“可用性取决于实践者的基本技能和爱好、可用支持环境的限制，以及系统设计和获取过程所加的约束”（p.2）。Boff还给出理由说明；缺少适合具体情况的数据时，成功的系统设计是可用信息、设计约束和个人经验的主观集成；忽视手头问题和可用研究数据之间的差异会带来风险，这种风险来自于数据的可靠性以及相关错误决定的后果。

总之，虽然对人为因素设计指南的需求在不断增加，但大量的人为因素研究成果依然难以具体应用到复杂的现实世界系统。的确，只用“客观的”方法开发设计指南会导致系统开发人员认为这些指南难以理解，与其设计内容无关，难以使用。尽管如此，通过将指南开发人员的知识、经验和判断与这些数据仔细全面地整合，还是可以合理地概括出很需要的现有数据。下面介绍一个一般的开发人为因素设计指南的方法，用以实现细致的融合。

3　开发人为因素设计指南的主要步骤

开发人为因素设计指南的需求来自各种不同的人-机系统。这种多样性使得在开发该指南过程中不能使用一种固定不变的规范。然而，根据许多应用情况（如汽车显示和控制设计、核电站维修程序以及任务演习）和终端用户（设计师、工程师、艺术工作者和心理学家）的反馈，人为因素设计指南的一般性方法已经有所发展而且是成功的（Campbell 1990；Campbell和Walls，1992；Rogers和Campbell，1991；Spiker，1993；Spiker和Campbell，1994）。

该方法包括如下几个主要步骤：

（1）进行用户需求分析；

（2）确定设计过程中的有关内容；

（3）选择数据源；

（4）确定数据源的质量和适用性；

（5）形成设计指南。

这些步骤概括在图1中，下文进行详细描述。

3.1　进行用户需求分析

人为因素设计指南必须符合预期终端用户的需求。终端用户包括系统设计涉及的工程师、设计师、人为因素工作者，以及项目经理、市场分析人员、系统评估人员。尽管人为因素设计指南的终端用户通常是“给定的”，但是作为指南开发过程的一部分，依然需要进行调查和分析确定用户对设计指南的需求。

用户需求分析的目标是确定设计指南最合适的内容、组织结构和形式。有代表性的设计指南终端用户结构化访谈应包括如下内容：

（1）工作年限；

（2）在具体产品或系统上的工作年限；

（3）主要工作职责；

（4）目前使用的人为因素方法和信息源；

（5）指南备选条目之间的相对优先级；

（6）找到、理解和使用人为因素信息中遇到的问题。

指南用户对信息的需求不断增加，信息的种类随之增多，因此指南内容、组织和格式方面的不顺畅或者冲突的可能性也会越来越大。例如，工程师希望人为因素信息形式简洁量化，不希望过多受限于参考理论或原始研究。而另一方面，人为因素实践人员常常需要将大量的支持和讨论合理地包含在设计指南中。设计指南的开发人员必须想出一种方法，使在指南开发过程的更广泛约束内解决这些相互矛盾的需求。用户需求分析的结果可以用来构建和组织后续的指南开发任务，包括选择数据源的范围和重点，表达实际设计指南的方式，以及设计指南文档的最终形式。

图1　开发人为因素设计指南的主要步骤

3.2　确定设计过程中的有关内容

人为因素设计指南应该符合它们总的设计过程。设计指南不符合给定设计过程的情况有很多。例如，设计指南可能不符合组织或技术限制，可能未反映设计过程的起始点或者已知因素，可能不符合设计过程主要步骤的表达方式，可能不包含给定设计任务中最重要的人为因素设计要素。因为设计人员不大可能用到匹配给定设计过程的人为因素指南。

虽然每个组织都有其不同的系统设计阶段，但是大多数设计过程包括一系列可预测的活动（例如，概念设计、样机和详细设计阶段）。为了最大限度地利用设计指南提供的机会，指南开发人员必须熟悉什么时候、什么地点以及如何使用人为因素信息。例如，可能存在一些相对短暂的时期，在这时期内人为因素输入可以对给定的系统设计过程产生积极的影响。尤其是概念设计、详细设计、测试和评估等设计阶段可能会给设计指南的形式和内容带来特别的影响。还有一个问题是需要理解特殊系统的设计限制。这些设计约束包括可用的空间、成本以及具体设计组件的使用。每条限制项都会影响设计指南的开发过程和实际内容。同样，表达人为因素需求的方式也有关系。这些需求是通过规范文档正式表达，还是口头上非正式表达？在可能的范围内，开发和提及人为因素设计指南的方式应符合开发中特定人—机系统相关的广泛设计过程。

3.3　选择数据源

数据源可以从期刊文章、书籍、手册、设计标准、工业报告、以前的综述和政府报告获得。在行为科学中，综述文献通常不给出选择数据源的清晰理由（Slavin，1986）。数据源选择标准不清晰，与将人为因素领域看成一个整体相比，至少会妨碍设计指南的开发人员选择那些有代表性的数据源收录到文献综述中去。数据选择标准不明确会带来更加严重的问题。例如，缺少明确的选择标准会导致对给定技术领域的错误估计，因为这意味着：（1）低质量的工作与高质量的研究有相同的权重；（2）过时技术（即不再适用）的旧研究和新技术的最新研究有相同的权重；（3）基于次要方面的性能测试和评估标准的研究结果和来自核心领域的研究结果有相同的权重。

可以在综合性的文献中找到许多开发选择准则的方法（Campbell等，1990）。例如，过去经常用来综述文献的方法（Light和Pillemer，1984）是根据文章的主要特点将备选数据源分成不同的层级。在这种架构下，评论者首先依据比如对象的年龄、地理位置、试验设计、刺激材料或者统计重要性等，对所有的研究论文（数据）进行分类。然后，根据评论者对研究类别之间效用和相关性的看法，选出子集以供评述。当评论者面对许多研究时（例如大于500），并且不能全部评述时，这种方法比较合适。但是，难以预测研究结果和研究对象特点之间的优先关系，例如上文中列出的那些。因此这种方法可能过度排他，存在遗漏对综述有用的数据源的风险。

可以完全概括并应用到某个指南开发过程的数据几乎没有，所以开始选取备选数据源应该尽量广泛，而不是过度排他。总的来说，收集目标、被试人口统计学特征和试验方法迥异的数据源，大范围的搜索策略可以给指南开发过程提供更多可操作的细节。拥有大量的这类数据，能够更好地理解不同系统设计参数的相关问题，可以提高指南设计的水平。实际上，综述那些主要研究有一个最大优点，就是通过利用各层次的研究并整合各种研究的结果，多源综述可以得到单一数据源中不可得到的信息（Light和Pillemer，1984；另见Bittner等，1994）。例如，一组调查显示对比度要求的研究，报告了混合的研究结果，建议的对比度在一个很大的范围内变化。仔细检查这些冲突结果可以发现：（1）设计指南适用的具体条件；（2）给定特定任务、任务条件或用户群体，指南的可接受范围。

3.4　确定数据源的质量和适用性

进行设计指南开发的最重要的工作之一是评估所选择的数据源。评估过程的两个目标是确定数据源的质量和适用性。此处所用到的“质量”，是指数据源的精度和信度，而“适用性”是指特定数据源可以运用到特定的指南开发环境的程度。确定数据源的质量和适用性时，需要考虑以下这些准则：

（1）数据源类型（例如基础研究、设计标准或者军事规范）；

（2）数据源预期的应用领域；

（3）基础研究的方法信息（例如自变量和因变量）；

（4）判断数据源的内部信度和外部信度；

（5）与其他数据源的结论/建议的一致性。

初选数据源时，可以按照上述准则形成数据源的评定和概要。和其他数据源保持一致性在设计指南开发中尤其重要。这种一致性是指数据源中的经验结果或设计建议和其他类似数据源的结果，或者理论模型相一致（Kantowitz，1992）。使用一致性评估数据源的质量时，必须仔细。任务、刺激、变量、被试人口统计学特征等方面的微小变化常会导致研究结果不同。类似地，目的和听众（例如，军事系统和一般大众）不同，设计标准就会给出不同的设计建议。尤其是对于基础研究成果来说，研究方法不同会导致不同研究输出的结果不同，这为弄清楚处理效应提供了机会（Light，1979；Light和Pillemer，1984；Light和Smith，1971）。但是总的来说，目的和方法类似的数据源提供的结果或者给出的建议也应该相对一致。

通常，评论者倾向于不使用存在信度问题或者方法缺陷的研究来进行分析（Eysenck，1978）。Jackson和Cooper指出，这种方法并不总是合适的，因为几乎所有的研究都会存在方法上的缺陷。在一些研究中，评论者可能会认识到这种问题，或者是因为作者明确地描述了这些问题，或者是因为在研究方法的描述中问题很明显，而在另外一些研究中，问题可能就不那么明显。再者在方法上的缺陷也不是经常导致研究结果出错，如果确实如此，这种缺陷带来的准确影响也很难确定。开发设计指南时，可以采用很多方法来处理与数据源相关的方法学问题。例如，内部信度和外部信度更高的数据源赋予更高的权重，而那些有证据表明因方法缺陷引起结果确有偏见的数据，原则上可以从进一步分析中排除。

虽然上述准则代表“标准”准则，经常用来评估科学研究的质量，但是确定适用性需要更加主观灵活的方法，包括考虑一些关键的问题。例如，设计指南中的每个设计参数或者主题都有自身独特的数据限制、不确定性、约束条件以及难点，因此上面每个评价准则赋予的相对重要性或者权重也不尽相同。并且，设计指南开发人员必须经常在有用性和准确性之间做出权衡。对于一些指南主题而言，有许多明确的经验数据；对另一些指南主题而言，经验数据量少且不一致。然而，从系统设计团队的角度来看，无论人为因素数据库的规模如何，所有人为因素设计参数必须具体说明。即使经验数据不足且没有说服力，开发系统也必须做出设计决定。

这就给设计指南的开发人员带来了挑战。为了使指南派上用场，应该为所有人为因素主题提供设计指南，但是，这样做的话，所有主题之间每个设计指南的精确性就会不一致。总的来说，那些经过有效概括性研究的主题其精确度会更高，而那些数据质量低、适用性不好的主题其精确度就会低一些。

3.5　形成设计指南

从上述讨论可以看出，形成设计指南的过程应该是由不同的主题决定的。包括在设计指南努力中的各种典型主题以及与每个设计主题相关的非统一的数据源，妨碍了设计指南开发过程的精确不变描述。形成最终的设计指南包括综合和分析工作。一般来说，综合评述应该概括以前的研究，总结许多类似研究的结果。考虑到具体的设计参数，以最终数据源集合得到的结果或者建议应该进行定性的对比、对照或者结合。在目标和研究方法相似的时候，相对一致的结果/建议给设计指南的构想提供强有力的指导。但是，如果方法和/或结果不一致，需要认真考虑数据源的目标、理论方向、方法以及结果。结果不一致有可能从方法之间的差异入手解决。例如，假设执行同一个视觉任务，对电子显示的对比度要求进行调查的两个研究得到不同的结果。如果其中的一个专门使用较年轻的被试者，而另一个使用很多老年被试者（或者其他的个体差异），这些不同的结果就完全不是矛盾的。如果真的存在矛盾（即明显不是由于使用方法的原因而导致结果不同的那些情况），可以使用其他数据源、专家判断或者设计惯例形成设计指南。正如前文提到的，虽然某些方面还缺少人为因素设计标准，但通常可以采用理论来填补经验结果和开发人为因素设计指南之间的空白。就这点来说，Kantowitz（1985）认为解决所有人为因素问题的数据从来都不可能够用，并且过去许多问题也是通过应用理论的方法来解决的。

文中的分析大体指的是这样一些活动，将对设计指南开发过程的所有输入简化为易理解好说明的形式。这些活动包括分类、排序、处理以及概念对设计指南的输入。正是在设计指南开发过程的分析阶段，融合更多的“科学”输入（质量、适用性、综合评述）和“艺术”输入（启发式、专家判断），最终形成设计指南。将专家判断运用于设计指南的方式和程度会随着主题的不同而变化，取决于设计指南开发人员的偏好和知识。在指南开发过程中也可以使用很多启发式的方法。例如，考虑年长用户和年轻用户的设计需求时，设计指南开发人员就可以采用启发式方法，对一些设计参数而言，适合年长用户需求的指南自动适合年轻用户的需求（比如，涉及显示易读性的那些情况）。

4　总结和结论

随着人-机系统的复杂性在不断增加，工业界和政府已经投入了很多努力来为系统开发人员提供人为因素设计指南。本文认为开发人为因素设计指南不是一个机械的纯客观的过程。准确设计指南与指南开发的每一个努力都是密不可分的，并且设计指南开发过程的问题和步骤也不是无遗漏的。它们只是表示一种设计指南开发方法，是“科学”更是“艺术”。然而，通过一系列设计指南的开发也得到了一些经证明有用的方法要素：（1）系统设计师的知识和系统设计环境，包括折衷和限制；（2）现有信息源的综合数据库；（3）评述活动，包括明确定义用于选择和使用现有数据源的准则；（4）分析活动，包括愿意使用启发、经验和判断开发人为因素设计指南；（5）表述设计指南的方法应该满足用户需求以及对指南的要求。

人-机系统的复杂性以及用户需求的多样性使得系统开发人员迫切希望在设计开发过程中尽可能早地使用人为因素设计指南。目前系统开发人员缺少可用的人为因素设计指南尤其是一个问题，即使不需要这样的信息，也必须做出与人为因素相关的设计决定以支持系统的开发。因此，缺少适合特定环境使用的人为因素设计指南，系统策划和设计人员可能会：（1）考虑人的能力和限制时做出错误的假设；（2）查阅现有的人为因素指南但不适合给定的系统；（3）基于个人的偏好和其他特殊的经历去开发他们自己的人为因素指南；（4）草率地忽略人为因素。上述这些都是不好的情况，但是很多系统就是在这种情况下设计出来的。然而，人为因素学科有所需要的哪些工具可提供清晰的、相关的并且有用的设计指南给系统开发人员？虽然传统的技术像文献综述、任务分析以及原始研究是这个过程中的重要部分，但是在填补人为因素的现有成果和系统开发人员信息需求之间的缺口上，它们通常显得不够充分。因此同样重要的是将经验、直觉和专家判断与现存数据整合在一起，以符合各种设计指南的独特需求。

参考文献

Bittner，A.C.，Jr.，Wiker，S.F.，Bramwell，A.T.and Kinghorn，R.A.，1994.Human factors engineering（HFE）requirements development：Integrated crew-based and literature based approaches.In：Proc.3rd Pan-Pacific Conference on Occupational Ergonomics.Ergonomics Society of Korea，Pohang，Korea，pp.242-246.

Boff，K.R.，1988.The value of research is in the eye of the beholder.Human Factors Society Bulletin，31（6）：1-4.

Boff，K.R.and Lincoln，J.E.，1988.Engineering Data Compendium：Human Perception and Performance.AAMR，Wright-Patterson AFB，OH.

Bums，C.M.and Vicente，K.J.，1994.Designer evaluations of human factors reference information.Proc.12th Conference of the International Ergonomics Association，4：28-31.

Campbell，J.L.，Rogers，S.P.and Spiker，V.A.，1990.Development of a Handbook of Human Factors Design Objectives for Automotive Displays.Phase 2：Description of the Handbook Development Process，and Proposed Content，Format.and Organization.Hughes Aircraft Company，Culver City，CA.

Campbell，J.L.and Walls，W.F.，1992.Head-up Display（HUD）Design Objectives.Anacapa Sciences，Inc.，Santa Barbara，CA.

Cooper，H.M.，1989.Integrating Research：A Guide for Literature Reviews（2nded.）.Sage，Newbury Park，CA.

Eysenck，H.，1978.An exercise in mega-silliness.American Psychologist，33：517.

Feldman，K.A.，1971.Using the work of others：Some observations on reviewing and integrating.Sociology of Education，44：86-102.

Jackson，G.B.，1980.Methods for integrative reviews.Review of Educational Research，50：438-460.

Kantowitz，B.H.，1985.Letter.Human Factors Society Bulletin，28（1）：4.

Kantowitz，B.H.，1992.Selecting measures for human factors research.Human Factors，34：387-398.

Light，R.J.，1979.Capitalizing on variation：How conflicting research findings can be helpful for policy.Educational Researcher，8：7-11.

Light，R.J.and Pillemer，D.B.，1984.Summing up：The Science of Reviewing Research.Harvard University Press，Cambridge，MA.

Light，R.J.and Smith，P.V.，1971.Accumulating evidence：Procedures for resolving contradictions among different research studies.Harvard Educational Review，41：429-471.

Meister，D.，1984.Letter.Human Factors Society Bulletin，27（10）：2.

Meister，D.，1989.Conceptual Aspects of Human Factors.Johns Hopkins University Press，Baltimore，MD.

Meister，D.and Fan-，D.E.，1967.The utilization of human factors information by designers.Human Factors，9：71-87.

Rogers，S.P.，Spiker，V.A.and Campbell，J.L.，1989.Development of a Handbook of Human Factors Design Objectives for Automotive Displays.Task 1：Definition of Requirements through Expert Interviews.Anacapa Sciences，Inc.，Santa Barbara，CA.

Rogers，S.P.and Campbell，J.L.，1991.Guidelines for Automobile Hand Control Locations and Actuations Based upon Driver Expectancies and Ergonomic Principles（TR 947-1）.Anacapa Sciences，Inc.，Santa Barbara，CA.

Rouse，W.B.，1985.On better mousetraps and basic research：Getting the applied world to the laboratory door.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics，SMC-15：2-8.

Rouse，W.B.，1987.Much ado about data.Human Factors Society Bulletin，30（9）：1-3.

Rouse，W.B.and Cody，W.J.，1988.On the design of man-machine systems：Principles，practices，and prospects.Automatica，24：227-238.

Simon，C.W.，1973.Economical Multi factor Designs for Human Factors Engineering Experiments（Tech.Report No.P73-326；

AD-767 739）.Hughes Aircraft Company，Culver City，CA.

Simon，C.W.，1987.Will egg-sucking ever become a science？Human Factors Society Bulletin，30（6）：1-4.

Smith，L.L.，1987.Why fore human factors？Human Factors Society Bulletin，30（2）：6-7.

Slavin，R.E.，1986.Best evidence synthesis：An alternative to meta-analytic and traditional reviews.Educational Researcher，November：5-11.

Spiker，V.A.and Campbell，J.L.，1994.Strategies and Tactics for Effective Mission Rehearsal：Application of Principles from Psychology and Other Relevant Domains.Human Resources Directorate Aircrew Training Research Division，Mesa，AZ.

Spiker，V.A.，Campbell，J.L.and Walls，W.F.，1993.Guidelines for Job Card Development by Utilities and Plant Personnel（RP3111-05）.Anacapa Sciences，Santa Barbara，CA.