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人机融合制造未来进化新思考

www.cechina.cn2022.11.10阅读 1997

  虽然工业生产已经进入大量使用机器的阶段,但到目前为止,人与机器之间都不能说是完全和谐的关系。
 
  人与机器的不和谐关系主要由三个障碍造成:第一个障碍是机器只能理解由代码编写的专业语言,因此不能直接接受非专业人员的指令;第二个障碍来自机器的高度专用型,这与具有学习能力和工作柔性的人类形成鲜明对比;第三个障碍是机器的运转对人具有危险性,严苛的人机隔离规章制度保护了工人,却也杜绝了人与机器的深度交流与协作。
 
  全新的技术和工艺正在彻底改变人与机器的关系,更柔性化模块化的设计、对人类更友好的保护装置、更加精准的传感器得到广泛应用。最重要的,在人工智能等新一代数字技术加持下的更强纠错能力和使用人类语言的人机交互方式,不断促成人与机器的关系在制造现场变得更加和谐。
 
  人机融合制造兴起
 
  在工业化的进程中,制造现场中人与机器的关系不断发生演变,在不同技术和制度环境下,人与机器的关系并非“机器替代人”这样简单,机器的使用不是仅替代人类岗位,在很多时候是填补人类无法胜任的工作,从而形成相互补充、共同完成生产制造过程的关系。总体上看,在制造业中,人与机器的关系从矛盾冲突走向和谐共处,自工业革命以来出现了“人机冲突”“人机磨合”“人机互补”“人机协作”四类关系,随着新科技革命和产业变革下数字技术和制造技术的进步,人与机器萌发“人机融合”的新关系。
 
  18世纪英国率先发生工业革命,珍妮纺纱机、瓦特改良蒸汽机等大型机器虽然提高了生产效率控制工程网版权所有,形成了工业部门,但人与机器主要表现为“冲突”关系。
  20世纪50年代至60年代,一大批新的制造工艺、管理方法开始被总结和普及,严格的规章制度使得由机器造成的安全事故大幅减少,人与机器间的冲突和对立关系得到缓解。
 
  20世纪80年代以后,信息技术开始大规模应用于机器人。在制造业中,人与机器开始出现相互协作的关系。
 
  当前,制造业正在经历天翻地覆的数字化变革,在数控化的基础上,机器向着更加智能化、柔性化和安全化的方向发展,人与机器的协作关系向“人机融合”更进一步:一是人与机器的互动交流以人类自然语言为基础;二是人与机器可以在同一空间和平台上协作,人与机器间物理上、制度上的格挡将彻底消失;三是机器能够实现高度柔性化,并且具备学习能力和纠错能力,人对机器的直接干预变得很少。一旦机器与人实现深入融合,就会形成“人机融合制造”的新场景。当然,这个过程并不是一蹴而就的,会有一个探索和推广过程。
 
  从全球范围看,目前处于领先地位企业的制造现场已经是很成熟的“人机协作”,个别工厂在一些领域和环节开始向“人机融合”的方向进行尝试。美国、日本、韩国和欧洲等制造业较发达国家、地区的工厂绝大多数处于“人机互补”发展阶段,而其他发展中国家的制造工厂仍然处于“人机磨合”阶段。当然,人机融合制造只是从人与机器关系的角度对未来制造现场特征的一种描述,与柔性制造、共享制造、分布式制造等制造新模式并不矛盾。“人机融合”是制造业生产关系与生产力相符的一种具体表现,是对人与机器在制造现场关系的描述。从另一个维度看控制工程网版权所有,人机融合制造是“人机融合”在制造现场的应用,人与机器的融合关系将体现在各个生产生活领域CONTROL ENGINEERING China版权所有,在制造业中的具体表现是人机融合制造。
 
  人机融合制造现状
 
  从20世纪80年代开始,美国就在信息化背景下对人与机器的关系进行多路径探索。综合看,美国在人机融合技术(特别是脑机融合)上有绝对的领先优势,在军事、医学康复上的应用也远远领先于其他国家,但由于缺乏具体的应用需求,人机融合在制造业上的应用相对较弱。随着美国“再工业化”的推进,制造体系在近几年有所恢复,凭借技术上的优势,美国在人机融合制造上的发展潜力巨大。
 
  日本在人机融合制造的系统应用上走在世界前列。欧姆龙的人机融合制造现场在多次国际装备展会上大放异彩,而事实上,日本有很多企业,包括那些有百年发展历史的老企业,都在人机融合制造上有系统化的布局,并表现出不同的特色和优势。在具体的应用中,日本制造企业将传感、人工智能、加工精度等日本具有优势的技术和能力集成,已经创造了一些系统化的人机融合制造场景,并在实际中进行推广应用。
 
  中国是人机融合制造的积极参与者,并借助人工智能和制造业的基础优势储备了很强的前沿技术研发和产业应用能力。近几年,国内制造企业和工业机器人企业联合攻关,在服装、食品、小家电等劳动密集型较高的行业进行试点推广,一些制造环节上的堵点、断点因为采用了新的协作机器人得到明显改善。例如,缝纫厂的裁剪机器人能够与工人同平台工作,不仅大大降低工人劳动强度,还将车缝一次性通过率从过去的85%提高到95%。中国在人机融合制造领域的技术研发、设备制造、场景创新和应用等多个环节都具有较强的竞争力,但受限于一些“老问题”(如基础工业、基础技术、基础材料的短板),人机融合制造的发展处于规模大、场景多但技术中流的局面。
 
  除了人机融合制造的应用,欧洲、日本、美国企业在设备制造上也具有较强的竞争优势。例如,丹麦的优傲(Universal Robots)占据当前全球协作机器人近一半的市场份额,abb的YuMi机器人、发那科的CRX系列机器人、川崎的继承者(Successor)机器人、库卡的LBR iiwa机器人、安川的HC系列机器人、波士顿Rethink的Baxter等都是人机融合装备的先驱和代表。
 
  目前,人机融合制造技术路线、技术标准、场景模式等还存在很大的不确定性,未来的发展取决于技术进步、市场应用的具体发展以及政策影响。

 
  人机融合制造展望
 
  人机融合制造的具体实现路径还充满不确定性,但毋庸置疑的是,在未来的制造现场,人与机器的关系会更加和谐,人机融合是未来制造的重要特征。未来5年—10年会是人机融合制造发展的关键时期,随着具体应用场景的不断涌现,人机融合制造将逐步收敛技术路线,并形成产业链和产业体系,各个国家和地区、各大机器人公司、互联网公司、创新创业公司将在产业链的不同环节、产业体系的不同领域分工合作。从人机融合制造自身的发展看,将呈现“进化”“集成”“人性”三大趋势。
 
  从人机融合的程度看,人机关系进一步“进化”。人机融合制造将经历三个典型的“进化”阶段,实现不同程度的融合,最终达到最理想状态。
 
  第一个阶段是交流融合,面向人的传感器的使用是这个阶段的关键。过去机器的传感主要针对加工对象和机器自身,而语言识别、视觉识别技术的成熟使得机器能够更快、更准确理解人发出的指令,而不再需要复杂且专用性极高的机器语言作为人机交流的通道。界面“可视化”只是交流融合的过渡阶段,人机交流将向着机器能够直接理解人的自然语言、增强现实等技术以方便人对机器的了解,以及脑机直接对接的方向发展。第二个阶段是行动融合,人与机器可以同空间同时间合作。在制造业,人与机器同平台工作还存在诸多技术和制度障碍,目前也只是在极少工厂的若干工位上有所尝试。第三个阶段是思想融合,人与机器进行无障碍的信息传递www.cechina.cn,并且可以共同学习进步。机器学习、生物传感、脑机接口是实现人与机器思想融合的关键性技术,机器将准确理解并完全配合人的指令,甚至根据不同工人的习惯调整自己,人与机器在岗位和任务上也不再有明确和固定的分工,在面对新情况、新任务时,机器和人能够同步学习。
 
  从人机融合与其他智能制造技术的关系看,人机融合将更加深入“集成”到更大的未来制造系统中。人机融合制造只是从人与机器关系的角度对未来制造现场的一种特征描述,人机融合是未来制造系统的组成单元,并且与其他的未来制造技术和模式相互融合发展。例如,数字孪生工厂已经进入试点示范阶段,元宇宙可能是未来制造工厂数字化下一阶段的展现形式,机器的工作状态和采集到的各种信息能够以更直接的方式展现出来,而不是现在冷冰冰的数字和不断跳闪的灯光。
 
  从人机融合的社会属性看,人机融合是要实现制造的“人性”。人工智能的快速发展开辟了众多全新的产品、产业和业态,大大提升了生产效率改善人们的生活,但同时也引发巨大担忧。马斯克是人工智能应用的激进者,但他也在个人社交平台上表示“人工智能技术的风险太高,以致我们不得不进行相关研究”。因此,人机融合制造的技术研发和实际应用,都必须同步推进相关的伦理研究和制度建设,保障人在未来制造现场处于绝对主导地位CONTROL ENGINEERING China版权所有,而机器必须服从人的指挥并积极配合人的工作。
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