人机交互 德日解决老龄化

2020-06-19 00:39:42 37

近期,德国工程院发表的讨论报告《振兴人机交互促进社会进步》,从德国和日本人口老年化和出生率持续下降的国情出发,探讨通过振兴人机交互来从根本上缓解,并进一步解决工业生产人力资源日趋老化、后备不足的社会问题。该报告认为人机交互的许多新的方法和解决方案,将对社会的持续发展产生巨大的影响。从中得到的启发是:


(1)从社会严重问题出发,运用现代科学技术的巨大进步,冲破可能在有限的几年之后爆发的制造产业技术主力军的壁垒。这种具有前瞻性的、试图借助于系统性的人机交互来提出问题和解决问题的思维,在国内极为罕见,值得借鉴和学习。


(2)以人为本既是人机交互的出发点,也是人机交互的目标点,这是该报告极为突出的论断,充分体现了德国尤其是日本在工业4.0、智能制造、社会5.0等国家层面上的规划,特别强调人在信息物理生产系统(Cyber-physical production system, CPPS)中的主观能动作用,在制造现场操作的工人、工程师在制造过程中的主体作用,导致人机交互的设计原则、实现方法都应该为提高其工作效率、判断的准确性、操作运行的精确性服务。反思国内有关的高级层面的制造工业的发展规划,恐怕很少涉及到以人为本的问题,可谓是只见物不见人。这正是应该学习的系统思维。


(3)德国和日本虽然同属发达工业国,但社会发展和文化存在相当大的差异,在进行制造工业人机交互的研究开发中,不可能发展完全一样的方法和观念。这是我们在根据国情和文化规划人机交互时,必须注意的问题。中国文化与日本文化一脉相承,或许我们可以更多地借鉴日本的思维和方法。


当前发展存在的问题


之所以德国和日本会在人机交互的学术和应用领域展开合作,源于这两个制造强国正面临着相同的社会挑战:日益老化的劳动力队伍、日益短缺的熟练工人、日益老化的机械设备和基础架构。要消减这些潜在的问题,保持高水平的生产率和竞争能力,必须充分地利用诸如信息物理融合系统、人工智能和机器人等数字化技术,进行数字化转型。这里人与机器的协同或交互起着重要的作用。而这些技术的实现、运用和推广也同样会对社会的发展或改变产生深远的影响。在制造工业中人机交互将主要执行日常的认知工作,但在数字化转型的过程中,必须为创建一个全新的以人为本的人机交互模型提供良好的条件。不过由于社会发展和历史文化所产生的差异,对不同的国家来说,这个模型不可能完全一致,比较不同国家的异同点,可以有助于双方合作开展研究,取长补短。


该报告从三个方面展开研究,即未来制造操作和工作场所的发展、员工队伍的培养和发展、制造工业的基层组织在发展组织架构和制造流程中对人机交互的运用。在研究中注重正在开发和实施的案例,通过案例来尽可能抽象人机交互的新的发展范式。


人机交互的现状


制造操作和工作场所如何借助于人机交互的新概念和新技术来发展,首先应该了解制造操作和工作场所目前人机交互的现状。日本把制造工业的从业劳动力分为三类:基本技工、高级技工和专业技工。这些技工的工作对象也大致分为三类:传统装置、智能装置和机器人。


(1)传统装置配备一定的人机交互手段,具有必不可少但有限的参数显示和操作手段,如按钮、开关、选择开关等。


(2)智能装置配备先进的人机交互手段,固定的虚拟化分布式的智能人机界面能提供基本的屏幕显示和操作,此外,由于低成本传感器,以及有线和无线通信技术的迅猛发展,再加上已开始实际应用的边缘计算和分析的部署,使人机界面具备了一定的就地判断甚至决策的功能。可移动平板电脑的使用大大加强了专业服务和支持的能力,今后如果还开发应用可穿戴和可学习的人机交互设备,那么机器和操作技工如何分配需要承担的问题、如何交互,都必须从系统和顶层设计的层面来解决。


(3)机器人与技工的交互,特别是可以与人互动的协作机器人,同样也必须从系统和顶层设计的层面来解决。该报告并没有涉及新型人机交互技术方法的细节,而是偏重于从系统和顶层设计的层面进行思考和讨论。


同样,在未来的工作场所中一定会出现多样化的装置和工作,需要围绕制造工艺流程来组织和调度安排,必须借助于工段级和车间级的人机交互手段。


日立消除多重空间壁垒的计划


图1由日立提供,可以清晰地看到人机的交互正在从人对机器的操作和机器对人的支持转向人与机、机与机、人与人之间的多重空间的相互辅助。在这里,所谓的多重空间可理解为由人机交互的4个实体(人、机、材料、方法)所构成。面临如此巨大的转变,对于各类技工和制造系统工程师的培训是一项艰巨的任务。

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 图1:人机交互的模型(过去、现在和将来)

 

在如何克服多重空间壁垒的研究中,日立提出分三步走的方法,见图2。第一步,对人机交互的技能进行数字化,并对每一个交互建立自行调解,达到对技能的测度。在制造工业中人机交互存在着4个实体,对这4个实体的行为进行交叉分析,可以提取出人机交互的关键提示或诀窍。第二步,通过调解可产生人机交互适当的策略,经优化消除性能上的不足。例如,调解可推进为完成一个任务所建立人与机的优化组织计划、合适的机对人的支持清单,以及合适的人对机的操作策略。第三步,为了达到人机交互的持续提升,必须对每一个人和每一个机提供相互辅助,开发技能的多重空间,以实现可持续的增长,即通过调解加以激励。

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图2:日立消除多重空间壁垒计划实施的三部曲

 

总之,日立消除多重空间壁垒的计划目的在于帮助人和机持续发展创造性;替代那些陈旧的操作,尽可能利用自动控制将人从单调乏味的工作中释放出来;连续地将创造性表达出来,一定会有助于社会的维系和可持续发展。


日本的数字三胞胎案例研究


如何为未来的智能制造工厂培养和发展员工队伍,还要考虑技工队伍的年龄老化、技术老化,以及传统装置具备的使用价值,并与先进的智能装置和机器人在工作场所同时运行,这也是讨论的重点之一。


人机交互在新的要求下必须发展新的范式,而在诸如德国倡导的学习型工厂、协作机器人等新范式之外,日本倡导集体智慧信息平台、数字三胞胎学习计划,特别突出了日本制造工业长期坚持的重视以人为中心的现场执行力,将技工和制造系统工程师团队在人机交互中的作用进化为人机在交互中相互协同。数字三胞胎是指物理世界、信息世界加上知识和模型世界(或称智能活动世界)。


日本学者在研究了工业4.0的CPPS模型后认为,需要对数字孪生加以扩充。因为根据日本制造工业传统,在制造现场专门设有制造系统工程师的岗位,他们负责领导和引导工人不断改善制造工艺和技术,CPPS的设计仅限于数字孪生,考虑了物理系统与虚拟系统的对应,在此基础上,还需要引入反映制造活动中以人为中心的、不断改善的智能活动的对应,支持制造系统工程师发现并解决问题,在产品全生命周期内创造价值,这一对应可以大大促进和鼓励工程师主动开发执行工程活动的新方法。该报告给出了东京大学和三菱电机合作开发的数字三胞胎的工程周期,这个工程周期由数据采集(选择要监控的数据)、信息分析(选择数据分析的方法和工具)、评估、决策,以及在物理世界中实施执行计划等组成,见图3。

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图3:数字三胞胎的工程周期(来源:三菱电机公司和东京大学)

 

制造系统工程师在执行智能活动的循环时,要从数据中创造新的价值。CPPS只表示了物理世界和数字信息世界,没有描述在制造过程中制造系统工程师和技工的智能活动。在数字三胞胎中围绕CPPS开展的智能活动世界,大大加强了CPPS的功能,是数字三胞胎中主要角色。在CPPS中,以人为中心体现在产品的开发设计人员;在数字三胞胎中,以人为中心体现在车间的制造系统工程师和技工,这是二者之间主要的区别。

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