以人為本的智能制造人機(jī)共生框架基本要素及其使能技術(shù)
一、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)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。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。人工智能(AI)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(duì)。
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。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。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)。
二、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。
(一)人機(jī)交流
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、手勢、體態(tài)、腦電波、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)。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。
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。
(二)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。身體的不良反應(yīng)(如肌肉疲勞累積和不良姿勢)會增加執(zhí)行制造任務(wù)時的難度。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。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、面部表情、體態(tài)、肌電圖、眼睛注視和瞳孔擴(kuò)張),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(包括協(xié)作)的基礎(chǔ)所在,能夠提高人機(jī)團(tuán)隊(duì)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)。基于人機(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(duì)的工效。
(三)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。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(duì)效益,并盡可能提高自身的長期回報(bào)。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(duì)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(duì)自適應(yīng)協(xié)作決策的一個頗有希望的選項(xiàng)。
(四)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)方式將成為現(xiàn)實(shí)。未來的人機(jī)團(tuán)隊(duì)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。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。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(jì)劃。
三、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N覀冋J(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。
四、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。
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來源:賢集網(wǎng)
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