智能制造中的人-信息-物理系统协同的人因工程

人-信息-物理系统(HCPS)的智能制造理论体系明确了人在智能制造系统的中心地位。从智能制造人机协同的需求出发,基于人机交互鸿沟理论,在行为、意图、认知三个层面讨论了人因工程在“人本智造”中的研究重点。围绕虚实融合场景、多模态人机交互及认知量化等方法,阐述了人因工程在促进HCPS智能融合的重要作用。最后,从实现HCPS集成的智能制造系统出发,提出了“人本智造”的研究方向和学科发展建议。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
 - 文章信息 - 
本文作者:杨晓楠、房浩楠、李建国、薛 庆。来源于《中国机械工程》2023年第14期(新一代智能制造专辑)。
 

引言

“十四五”规划纲要提出深入实施制造强国战略,推动智能制造发展,促进制造业智能化升级,实现向“中国智造”的转变。目前,我国制造业持续快速发展,形成了门类齐全、独立完整的产业体系,有力推动了我国的工业化和现代化进程。同世界先进水平相比,我国制造业存在大而不强等问题,自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面的差距尤其明显,工业智能化转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。

 

新一代互联网、人工智能、数字孪生等技术的不断发展为我国智能制造的发展持续注入了强劲的动力。过分追求信息化、数字化的生产模式已不能满足生产车间柔性化、用户个性定制化等复杂作业的需求,智能制造中的难点开始凸显,因此生产趋势急需改变,人作为关键因素不能再被忽视。工业5.0 的概念逐渐引起人们的重视,作为工业4.0的延续和补充,工业5.0除了注重产业结构优化和自动化水平提升,又将人置于制造业中心,让技术主动服务和适应人,并更注重人的价值和感受。以人为中心的智能制造要考虑工人的安全感和幸福感,打消工人对工业革命浪潮带来的“机器换人”的担忧和顾虑,让劳动力重回工厂。

 

在汽车行业,由于频繁变更的车型,企业需要制造系统具备更加柔性化的部署[1],以满足智能制造面临的小批量、多品种的生产需求。在3C行业,电子产品的更新换代周期通常在1到2年,这导致生产线经常需要改造,部署调整成本高[2]。因此无论是考虑生产周期还是实施成本,仅依靠工业机器人很难满足这些行业的生产需求。作为一种模块化的小型智能化工厂实践,整个智能生产单元由自动化模块、信息化模块和智能化模块组成,包含设备、机器人、AGV、网络、信息数据等。智能生产单元将人作为关键因素,由人负责对柔性、触觉、灵活性要求比较高的工序,机器人则利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作,以“最小的智能化工厂”实现多品种、小批量的生产智能化。如何落实人机交互生产模式,将操作人员、机器人和辅助设备等进行模块化、集成化、一体化的聚合,通过人与机器人的协调合作,充分发挥机器人的效率及人类的智能,使制造系统具备多品种、小批量产品的柔性生产输出能力,已成为解决当前智能制造发展瓶颈的关键[3]。因此,开展人机交互的生产模式,使人和机器和谐共处,满足消费者对产品个性定制化的需求,打消工人对失业的担忧,使人回归制造业。

 

本文着重分析智能制造系统中的人机协同需求与人机交互鸿沟,从行为、意图、认知三个层次阐述人因工程在缩小人机交互鸿沟、实现人机协作中的重要性,并在此基础上结合数字孪生、混合现实等先进技术的发展与应用,提出面向智能制造的人机交互的人因工程发展建议。

 

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智能制造中的人机协同

智能制造的蓝图中,人机协同成为主流的生产和服务方式。由于人与“机”的深度协作,人在智能制造系统中的作业任务和要求都发生了巨大的变化。尽管人不再承担重复性的工作,但仍是决策回路系统的中心环节,始终处于主导地位[4-5]。人机协同的深层内涵是“人机智能融合”,它代表人与“机”需要共同完成指定任务。在完成动态作业任务的过程中,制造系统需要与工作人员保持步调一致,面对动态作业需求,进行资源适配与自主协同,实现协调生产。ZHOU等[6]提出的人-信息-物理系统(human-cyber-physical system,HCPS)的智能制造发展理论,明确了以物理系统(机器、机器人、加工过程)为主体、以信息系统为主导、以人为决策主宰的技术体系(图1)。通过信息系统迁移人的部分感知、分析和控制功能,替代人的大部分体力劳动和部分脑力劳动。人与物理系统的结合使整个制造系统具备较高的生产效率、生产能力和生产质量[7]。根据智能制造的人-信息-物理系统发展理论,智能制造人机协同中的“机”具有两层含义:一是信息系统,即人与计算机等智能体、智能系统的交互(human-computer interaction);二是物理系统,即人与机器人、设备等物理实体的交互(human-robot interaction)。本章从智能制造人机协同的需求出发,对人与信息系统、物理系统交互的研究重点进行阐述,并梳理上述过程中存在的人机交互鸿沟。

 

图1 新一代人-信息-物理系统的原理简图[6] Fig.1 Schematic diagram of the new HCPS

1.1 / 人与信息系统的交互

智能制造系统[8]是建立在新一代信息技术之上、面向人机协同与生产过程自治的新一代HCPS。HCPS中的关键问题在于如何实现人与“机”的智能融合。在复杂且动态变化的生产任务下,信息系统如何通过数据与模型对物理系统进行实时的感知、认知、分析、决策与控制,并与人一起不断优化分配资源,进行合理的任务决策与调度,实现资源的在线适配,从而实现对作业需求的快速响应与协同生产。数字孪生作为信息-物理空间交互融合的有效手段,能更好地反映实际生产状态,使操作人员更好地了解系统的整体运行情况。数字孪生技术通过物理模型、传感器更新、运行历史等数据,建立物理世界与虚拟世界的双向动态连接,为解决信息和物理系统的融合提供了有效途径[9-10]。

 

柔性生产趋势下,实现人机协作的核心问题是如何实现人与制造系统的有效协同,尤其是针对信息系统的状态感知。智能化的生产系统必然产生复杂的信息系统,随着数字孪生、深度学习、知识工程等在不同领域的发展与应用,如何实现人与制造系统数字孪生体的无缝衔接[11-13],使人通过信息系统快速准确地掌握整个系统的运行状态,已成为实现人与“机”智能融合的又一关键问题。

 

1.2 / 人与物理系统的交互

物理系统主要指智能制造系统中的智能设备及机器人。随着机器人与自动化控制技术的发展,工业机器人凭借控制精度高、反应速度快、工作能力强等优势,已成为发展智能制造不可忽视的重要组成部分。现在,绝大部分的产业化工业机器人一直未能脱离预编程/遥操作的控制方式,很多工厂虽通过部署机器人实现了自动化,但智能化程度不高[14]。为保证人机交互的安全,需将人与工业机器人的工作区域隔离开,无法实现真正意义上的人机协作。人与灵活、安全的物理系统共同协作已成为发展以人为中心的智能制造系统的关键[15-16]。人与机器人共同完成动态作业任务,充分发挥人与机器的长处是未来