人非機(jī)器
——面向超靈活智能制造的以人為本的人機(jī)共生

陸玉前，Juvenl Sstre Adrdos ，Shil Shivneel Chnd ，王力翚

a Department of Mechanical Engineering, The University of Auckland, Auckland 1142, New Zealand b Department of Production Engineering, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm 10044, Sweden

1. 引言

真正的問題不是機(jī)器是否會思考，而是人是否會思考。

——Burrhus Frederic Skineer

由于未來的制造業(yè)（即工業(yè)4.0 [1]）需要超靈活的智能制造系統(tǒng)（根據(jù)個性化產(chǎn)品自動調(diào)整生產(chǎn)工藝變化），因此專用制造系統(tǒng)正在逐步淡出我們的視線[2-4]。制造車間可以成為非結(jié)構(gòu)環(huán)境。在這樣的環(huán)境中，制造系統(tǒng)和制造工藝通過自適應(yīng)實(shí)時決策動態(tài)改變其工藝工程。目前，提升制造業(yè)靈活性和重構(gòu)性的一個新興趨勢是使用可與人類一同工作的高效的協(xié)作式機(jī)器[5-7]。人工智能（AI）[7]所賦能的機(jī)器正在從根本上改變生產(chǎn)模式以及由誰以何種方式執(zhí)行工作。我們相信，它們能夠提高工人能力、提升工人身心健康。未來的社會將構(gòu)造一個和諧的生態(tài)系統(tǒng)，在這個生態(tài)系統(tǒng)中，人類和機(jī)器彼此合作，將人類的認(rèn)知優(yōu)勢與智能機(jī)器獨(dú)有的能力結(jié)合起來，從而打造出對環(huán)境能夠自適應(yīng)的智能團(tuán)隊[8,9]。

正如Rosenbrock警示稱，“人類決不能受制于機(jī)器和自動化，反過來機(jī)器和自動化應(yīng)該服從人類”，我們認(rèn)為當(dāng)前正處在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵時間點(diǎn)上[10]。未來的智能機(jī)器可以通過自主交流、共情和需求驅(qū)動型協(xié)作，與工人建立可信賴的關(guān)系。這可以提高工人的工作效率以及形成高效且靈活的制造工藝。但目前對以工人利益作為首要優(yōu)化目標(biāo)的制造系統(tǒng)（即“以人為本”的制造系統(tǒng)）的相關(guān)研究還很欠缺。制造領(lǐng)域中的人機(jī)協(xié)作的研究至今只以人機(jī)界面[11]和人因工程（如人體工程學(xué)和大腦工作負(fù)荷）為主，來提高整個系統(tǒng)的性能[12]。為了填補(bǔ)這一空白，我們在此提出一種以人為本的人機(jī)共生框架。該框架能夠在工業(yè)環(huán)境中增強(qiáng)人的工作能力，提高工人的身心健康。本文將討論這一框架的基本要素及其使能技術(shù)。

2. 人機(jī)共生框架

在下文中，我們將介紹面向協(xié)同制造采用的一種人機(jī)共生框架。人機(jī)共生具有以下特征：①以人為本，即關(guān)注人類想法和判斷的能力；②社會健康，即為了最大限度提升社會健康而識別并響應(yīng)工人身心表現(xiàn)的能力；③適應(yīng)性，即通過學(xué)習(xí)環(huán)境而改變行為的能力。

圖1為一種人機(jī)共生框架，在該框架中，人類和機(jī)器組成智能團(tuán)隊，他們共同感知、推理并協(xié)同應(yīng)對即將出現(xiàn)的制造任務(wù)和突發(fā)事件。第2.1節(jié)將討論人類與機(jī)器之間的主要交流方式，第2.2節(jié)介紹人機(jī)理解問題，第2.3節(jié)將提出我們關(guān)于人機(jī)協(xié)同智能的思考，第2.4節(jié)將討論以人為本的協(xié)作機(jī)制（該機(jī)制是人機(jī)共融的一個關(guān)鍵特征）。

2.1. 人機(jī)交流

圖1. 以人為本的人機(jī)共生框架。AR：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；VR：虛擬現(xiàn)實(shí)。

除了傳統(tǒng)的人機(jī)交互界面之外，還有多種交流方式可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，如語音指令[13,14]、手勢[13,15-17]、體態(tài)[15,18]、腦電波[19,20]、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）[21-23]。這些全新的交流渠道是由人工智能技術(shù)（如圖像處理和語音識別）實(shí)現(xiàn)的，它們使得人機(jī)交流更接近于自然交互。表1根據(jù)使用情景和可用性，列舉了典型的人機(jī)交流方式。語音指令、物理交互、文本、圖像、視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)均可用于人類和機(jī)器之間的雙向交流，并且這些方法易于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。盡管手勢、體態(tài)和腦電波識別前景廣闊，但受困于工廠環(huán)境的復(fù)雜限制，因此上述方法更適宜于人類到機(jī)器的單向交流。

表1 人機(jī)交流方式

除了確保人機(jī)之間的交流信息準(zhǔn)確外，交流還必須自適應(yīng)于交流內(nèi)容、環(huán)境和人的身份。由于人機(jī)交流與情景、時間點(diǎn)以及交換的消息有關(guān)，因此人機(jī)交流是一個動態(tài)的過程。有效的人機(jī)交流能夠根據(jù)以下內(nèi)容來調(diào)整交流方式：①內(nèi)容的性質(zhì)，例如，該內(nèi)容是一條建議、一條警告還是一項(xiàng)指示；②情景，例如，機(jī)器是否扮演輔助角色，以及情況是否緊迫；③人的文化程度、教育背景和溝通方式，例如，人是來自高語境文化還是低語境文化[24]。

2.2. 人機(jī)理解——共情能力

身心狀態(tài)能夠?qū)€人工作表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響[25,26]。身體的不良反應(yīng)（如肌肉疲勞累積[12]和不良姿勢[27]）會增加執(zhí)行制造任務(wù)時的難度[28,29]。心理反應(yīng)（如高認(rèn)知負(fù)荷）會提高壓力水平、降低滿足感，最終削弱生產(chǎn)力[12,30]。因此，準(zhǔn)確評估人機(jī)協(xié)作過程中的人類體力負(fù)荷、認(rèn)知負(fù)荷以及心理反應(yīng)（如情緒），對于提高人的工效至關(guān)重要。在人機(jī)協(xié)作背景下，通過間接處理各種信號（如情緒韻律[31,32]、面部表情[33-35]、體態(tài)[36,37]、肌電圖[38]、眼睛注視和瞳孔擴(kuò)張[38,39]），可以探知人的身體狀況、認(rèn)知狀況和心理狀況。未來，機(jī)器必須能夠通過觀察人的身體和精神狀態(tài)，建立一個以人為本的模型。在該模型中，機(jī)器將產(chǎn)生與工人共情的行為，這種行為可以視為人機(jī)之間富有同理心的互動。發(fā)展智能機(jī)器共情技能的最終目標(biāo)是在人類和機(jī)器之間建立信任和尊重。因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，信任和尊重是許多社交[40]（包括協(xié)作）的基礎(chǔ)所在，能夠提高人機(jī)團(tuán)隊的工效和滿足感。

對人類而言，了解并關(guān)心智能機(jī)器的“健康狀況”同樣至關(guān)重要，通過互相了解，人類和機(jī)器之間可以構(gòu)建更加良好的關(guān)系。機(jī)器的健康狀況包括與工作負(fù)荷、任務(wù)變動水平等相關(guān)的定量指標(biāo)?；谌藱C(jī)健康狀況的任務(wù)動態(tài)分配和調(diào)整有助于最大限度地提高人機(jī)團(tuán)隊的工效。

2.3. 人機(jī)協(xié)同智能

人機(jī)共生還需要考慮智能系統(tǒng)的控制算法。一項(xiàng)針對12個行業(yè)1500家公司的研究表明，當(dāng)人和系統(tǒng)形成協(xié)同智能，而不是由人工智能算法主宰智能時，這些公司的績效得到了最顯著的提高[41]。在智能的人機(jī)協(xié)作環(huán)境中，人類和機(jī)器的智能體建立一種合作關(guān)系。這種合作關(guān)系通過與環(huán)境和其他智能體的互動，進(jìn)而提升團(tuán)隊效益，并盡可能提高自身的長期回報。智能機(jī)器可以生成自適應(yīng)執(zhí)行策略，以適應(yīng)變化的工作環(huán)境及其人類合作伙伴的狀態(tài)。在高效率的團(tuán)隊中，智能機(jī)器和人類智能體將通過優(yōu)勢互補(bǔ)構(gòu)建一種能夠協(xié)作規(guī)劃與控制的關(guān)系。在這方面，基于學(xué)習(xí)的算法（如多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)）是實(shí)現(xiàn)人機(jī)團(tuán)隊自適應(yīng)協(xié)作決策的一個頗有希望的選項(xiàng)。

2.4. 以人為本的協(xié)作機(jī)制

根據(jù)自然的人機(jī)交流（包括共情理解），我們認(rèn)為，以人為本的生產(chǎn)方式[42]將成為現(xiàn)實(shí)。未來的人機(jī)團(tuán)隊需要把工人的需求和福祉置于制造規(guī)劃和控制的中心位置上，而不是繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前面向系統(tǒng)優(yōu)化的制造控制方法。從專用制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為靈活的非結(jié)構(gòu)化人機(jī)協(xié)作為保障制造生產(chǎn)力和工人的福祉帶來了巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[43,44]。我們需要借助具備高度適應(yīng)性和重構(gòu)性且能夠?qū)崟r處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)解決人體工程學(xué)問題，同時保障人機(jī)協(xié)作方面的生產(chǎn)力。例如，在人機(jī)閉環(huán)制造控制中，我們可以在不影響總體生產(chǎn)效率的情況下考慮人的身心狀況，從而實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的勞動需求[45]。具備共情能力的機(jī)器需要給予工人最大限度的工作自由度，這些機(jī)器能夠適應(yīng)性地協(xié)助工人完成制造任務(wù)。我們需要利用實(shí)時動態(tài)規(guī)劃和再規(guī)劃算法應(yīng)對工人的突發(fā)行為，并根據(jù)實(shí)時任務(wù)進(jìn)展和工人身心狀況改進(jìn)人機(jī)協(xié)作計劃。

3. 討論

人機(jī)共生可以顯著改進(jìn)未來的生產(chǎn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)變?nèi)祟惞と说慕巧?。我們認(rèn)為，以人為本的人機(jī)共生可以帶來以下長期效益：

? 工人福祉：由于工人從發(fā)揮服從作用轉(zhuǎn)變?yōu)樵谥圃熘姓贾鲗?dǎo)地位，人機(jī)共生可以顯著提升工人福祉和工作滿足感。人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)可以持續(xù)地監(jiān)測并優(yōu)化工人的身心健康。

? 制造靈活性：人機(jī)共生可以提高制造系統(tǒng)和工藝的靈活性。我們可以動態(tài)配置制造系統(tǒng)和工藝，以應(yīng)對產(chǎn)品、工人行為和生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)變化。從死板的制造模式轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將會按照實(shí)時需求生產(chǎn)出動態(tài)批量的個性化產(chǎn)品。

? 人機(jī)能力發(fā)展：借助于人工智能算法，人類和機(jī)器可以學(xué)習(xí)合作經(jīng)驗(yàn)并提升各自能力。工人可以通過與智能機(jī)器進(jìn)行可靠且密切的互動來獲取新的知識和技能，這些智能機(jī)器將以適合的方式協(xié)助、指導(dǎo)工人工作。另一方面，機(jī)器也可以根據(jù)與不同人的交互，提升其技術(shù)能力和人際交往 能力。

4. 結(jié)論

我們認(rèn)為，人工智能技術(shù)的進(jìn)步使以人為本的制造成為可能。人類將從重復(fù)固定的任務(wù)（最大限度地提高制造系統(tǒng)的性能）中解放出來，相反，在智能機(jī)器的按需協(xié)助下，工人可以在生產(chǎn)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。在動態(tài)共存環(huán)境下，具有共情能力的機(jī)器以及高效率的人類合作伙伴將提升制造業(yè)的彈性、靈活性和可持續(xù)性。我們鼓勵開展更多的研究，重新定義人類在未來制造業(yè)中的角色。

Acknowledgments

This study was supported by grants from The University of Auckland FRDF New Staあ Research Fund (3720540).