陶俐言,南函池,耿豪凱

(杭州電子科技大學 管理學院,浙江 杭州 310000)

1 引言

近年來,隨著國家“兩化”的深度融合發(fā)展,促進制造業(yè)的環(huán)境變化,提升制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與能力,更好地改變不成熟、不先進的模式,我國長三角和珠三角地區(qū)提出了“機器換人”戰(zhàn)略。在實施過程中,由于中小型企業(yè)受到基礎條件的限制,不能完全自動化,但人機協(xié)同仍是當今乃至今后一段時間內(nèi)的重要形式。

由于人的脆弱性和各種生理條件限制,導致有人工參與的制造系統(tǒng)生產(chǎn)時間不確定、不穩(wěn)定,容易出現(xiàn)堵塞等各種情況,但也不可簡單地用機器來替代人。在過去很長一段時間,由于人們過度追求無人化和自動化,包括日本和歐共體國家的公司在內(nèi),許多公司都經(jīng)歷了嚴峻的問題,導致系統(tǒng)失敗[1]。比亞迪利用自己獨特的商業(yè)方式,將人與非標準自動化機器高度一體化,用更加低廉的價格生產(chǎn)出了品質(zhì)比最先進的自動化設備更高的產(chǎn)品,使比亞迪依靠半自動化的設備和人工,達到了降低成本、提高效益的目的,成為我國第一、全球第二的充電電池制造商[2]。

當今,越來越多的專家學者開始研究以人為中心的系統(tǒng),這些研究都證明了人在制造系統(tǒng)中的重要作用,以及要讓人與機器充分合作,共同認識、感知、決策和工作。張伯鵬[3]研究了人在制造系統(tǒng)中發(fā)揮的作用,特別是一些機器不可替代的作用,主要是對信息的處理、非符號評估、推理、決策等方面;Enrico Beltramini[4]提出脆弱性是人類構建人機界面的基礎,人類通過機器與物質(zhì)現(xiàn)實,建立了距離并使人類依賴于機器,故應把脆弱性人類學應用到人機界面的構建中,這種方法是根據(jù)人的脆弱性而不是機器的性能來構建人機界面的。

在已有的大多數(shù)研究中,把人看作是與機器一樣的一個普通要素和一個被動的工具,但與機器不同的是：人有主觀能動性、創(chuàng)造性、靈活性、自治性。建造一個智能的生產(chǎn)系統(tǒng),需要加強人和機器之間的聯(lián)系,實現(xiàn)機器和人的完美協(xié)調(diào),即所謂的“人機協(xié)同”[5]。此外,一些專家學者如劉愛軍等[6]在研究某道工序中,人、機和工件結(jié)合時都利用技能水平選擇生產(chǎn)人員,但會對生產(chǎn)人員的生產(chǎn)水平造成影響的因素并不只有這一個,還需要結(jié)合其他的影響因素提出一個新的指標。因此，要求對人和機器的特點、功能等進行分析,得到人和機器分別適合做的工作。當任務到達時,分析執(zhí)行任務所需要的條件與技能,根據(jù)要求分配給適合主體來執(zhí)行任務,這樣才可更好地實現(xiàn)人機協(xié)同。

2 人機協(xié)同任務分配的依據(jù)

人機協(xié)同就是人與機器在人機接口下進行信息交換,通過合理的分工與合作,根據(jù)自己的特點,完成各自擅長的工作,使系統(tǒng)最終得到最佳的效率和最優(yōu)的結(jié)果[7]。在一個共同擁有人和機器的系統(tǒng)中,需要人和機器的充分協(xié)調(diào)和共同作業(yè)。在制造系統(tǒng)中,人機系統(tǒng)的設計應以任務的完成時間、任務完成成本、機器的利用率等指標作為設計依據(jù)。在設計人機系統(tǒng)時,首先應把訂單的完成過程分解為子任務,將所有子任務分配給適合完成的主體來完成,然后確定子任務完成的先后順序。但由于人機系統(tǒng)的復雜性,如人機系統(tǒng)中人完成任務的能力、人的心理與精神負荷、人與機器的不同組合對任務執(zhí)行的種類與時間的影響等，因此需要充分研究人機協(xié)同系統(tǒng)中兩個主要的要素——人和機器各自的特點與適合執(zhí)行的工作。

從表1可見,人和機器在速度、思維、決策能力、穩(wěn)定性、可靠性等多個方面都有區(qū)別。在對人和機器的功能進行比較后,可得到人和機器分別適合承擔的工作。從表2可見,人適合承擔的是一些需要判斷的主體工作,而機器主要承擔的是一個工具的作用。

表1 人機功能比較

表2 人和機器分別適合承擔的工作

3 人機協(xié)同任務分配模型設計

在一個制造系統(tǒng)中,人和機器的合作有多種方式,但所有的合作方式都需要考慮人和機器的功能與特點,采用合適的人機協(xié)同方式,才可合理充分地發(fā)揮人的主觀作用和機器的工具作用,實現(xiàn)人機協(xié)同,取得“1+1>2”的綜合效果。

3.1 基本思路

人機協(xié)同的方式主要包括以下幾種:人和機器合理分工、人和機器的合理配合、人機信息互換[8]。其中,人和機器合理分工主要為人負責判斷、創(chuàng)造等智力工作,機器承擔繁重、危險、復雜、重復的體力工作;人和機器的合理配合主要為人操控機器完成工作、人負責給機器更換程序等；人機信息互換。根據(jù)人和機器的功能和適合的工作進行比較,發(fā)現(xiàn)適合分配給人做的工作都為基于思維、經(jīng)驗的智力工作,適合分配給機器的都是基于規(guī)則、程序且量大、危險的體力工作,但除了這些工作之外,還有一些工作既可分配給人,也可分配給機器。

綜合考慮以上所有因素,使用任務分析法,將任務進行分析研究,分析任務執(zhí)行需要的條件,綜合考慮效率、成本、危險性、執(zhí)行所需技能等因素,再將任務進行分配。具體的執(zhí)行步驟為:①任務分析。當任務到達時,分析任務的各項數(shù)據(jù)，其中包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)要求、生產(chǎn)工具、約束條件、所需技能等。任務分析后得到的數(shù)據(jù)有益于之后的任務分解。②任務分解。將任務分解成為幾個沒有關聯(lián)度的子任務,分解完畢后可進行任務分配。③任務分配。人和機器的不同功能和分別適合承擔的工作是任務分配的依據(jù)。

3.2 分配流程與關鍵要素分析

基于定性分析的初次分配:根據(jù)任務執(zhí)行的一些定性的約束條件,如是否存在適用的規(guī)則與程序、是否需要人工操控或人工幫助、是否會危害人的身心健康、是否會超出人的感知范圍、是否人的速度過慢、是否人的工作質(zhì)量或時間波動大、是否需要處理大量數(shù)據(jù)、是否機器執(zhí)行更有效、是否人完成成本過高、是否需要機器提供感知和決策支持(圖1),然后對執(zhí)行主體進行初次分配。

圖1 任務初次分配流程

基于生產(chǎn)能力水平的定量分配:用定量的方式對執(zhí)行主體進行再次分配,提出生產(chǎn)能力水平概念。經(jīng)過第一步后,可得到適合具體工作的人機協(xié)同方式,但其中有人參與的人機協(xié)同方式還需要更為細致的任務分配。在已有的論文中,當機器要選擇操作員進行協(xié)助生產(chǎn)時,都會選擇技術水平更高的操作員[9]，但專家不一定是技術水平最高的,有可能是經(jīng)驗豐富的[10]。因此,綜合技術水平和經(jīng)驗提出生產(chǎn)能力水平這個概念來表示一個操作員執(zhí)行一個產(chǎn)品加工任務的能力。假設技術水平是通過學習來獲得的,技術水平越高,生產(chǎn)能力水平越高;經(jīng)驗是通過實踐獲得的,操縱員操作機器或加工人員在崗位上工作的時間越長,經(jīng)驗越多,生產(chǎn)能力水平越高。

在一個人機系統(tǒng)中,對產(chǎn)品來說,一個產(chǎn)品可能會擁有多條加工路線,每條加工路線擁有多個工位,每個工位可能有多個生產(chǎn)人員。對生產(chǎn)人員來說,一個生產(chǎn)人員可能會在多個工位上進行生產(chǎn),不同工位的技術水平和工作時間存在著差異,相同工位生產(chǎn)不同產(chǎn)品的技術水平和工作時間存在差異,因此產(chǎn)品種類、工位、生產(chǎn)人員都是影響生產(chǎn)能力水平的因素。

本文用k(k=1,2,…,K)來表示產(chǎn)品的標號；用i(i=1,2,…,I)來表示生產(chǎn)人員(操作員)的標號;用j(j=1,2,…,J)來表示工位的標號(若該工位為機器,則該工位標號便是該機器標號);用Aijk(0≤Aijk≤1)來表示根據(jù)標號為i的生產(chǎn)人員在標號為j的工位生產(chǎn)標號為k的產(chǎn)品的技術水平來計算的生產(chǎn)能力的水平分項;用aijk來表示標號為i的生產(chǎn)人員在標號為j的工位生產(chǎn)標號為k的產(chǎn)品的技術等級;用ρA來表示根據(jù)技術水平計算的生產(chǎn)能力水平分項的權重系數(shù);用Tijk(0≤Tijk≤1)來表示根據(jù)標號為i的生產(chǎn)人員在標號為j的工位上生產(chǎn)標號為k產(chǎn)品的時間長短來計算生產(chǎn)能力的水平分項;用tijk來表示標號為i的生產(chǎn)人員在標號為j的工位生產(chǎn)標號為k的產(chǎn)品的累計時間;用ρT來表示根據(jù)時間長短計算的生產(chǎn)能力水平分項的權重系數(shù);用Lijk(0≤Lijk≤1)來表示標號為i的生產(chǎn)人員在標號為j的工位上生產(chǎn)標號為k的產(chǎn)品的生產(chǎn)能力水平,計算公式為:

(1)

(2)

Lijk=ρA×Aijk+ρT×Tijk

(3)

其中,ρA+ρT=1。

從圖2可見,經(jīng)過任務初次分配后的子任務,若需要人員進行生產(chǎn)或協(xié)助生產(chǎn),則對該子任務中需要對每一個工位進行再次分配。計算每一個生產(chǎn)人員在工位上生產(chǎn)該產(chǎn)品的生產(chǎn)能力水平,挑選生產(chǎn)能力水平最高且空閑的員工,最后得到所有的任務分配方案。

圖2 任務再次分配流程

基于目標約束的方案比較:首先，計算所有任務分配方案的任務完成時間與任務完成成本,然后選擇任務完成時間最短、任務完成成本最小的作為最后的最優(yōu)方案。用i(i=1,2,…,I)來表示生產(chǎn)人員(操作員)的標號;用j(j=1,2,…,J)來表示工位的標號(若該工位為機器,則該工位的標號便是該機器的標號);用k(k=1,2,…,K)來表示產(chǎn)品的標號;用km(m=1,2,…,M)來表示標號為k的產(chǎn)品任務要完成的一共M個工件的標號;用pk來表示標號為k(k=1,2,…,K)的產(chǎn)品可選擇的工藝路線標號,1≤pk≤P≤J;用qkp來表示標號為k(k=1,2,…,K)的產(chǎn)品在標號為p的工藝路線的工序標號,1≤qkp≤Q≤J。

其中:

(4)

C=C1+C2

(5)

因此，一個任務完成時間的計算方式為:

(6)

人機協(xié)同的目的是為了充分發(fā)揮人和機器的特點,提高生產(chǎn)效率,如果要滿足基本生產(chǎn)速度的要求,所以一個任務的完成時間的長短要少于交貨時間的長短。

約束條件為:

C≤D

(7)

由于一個工序的結(jié)束加工時間一定大于其開始加工時間,約束條件為:

(8)

任務完成成本的計算公式為:

(9)

(10)

(11)

一個人機系統(tǒng)中的機器利用率可反應該系統(tǒng)中機器的使用情況,計算公式為:

(12)

一個人機系統(tǒng)中的人員利用率可反應該系統(tǒng)中人員的利用情況,計算公式為:

(13)

式中,CV為在任務完成過程中,使用機器加工的時間;CI為任務完成過程中,使用人員進行生產(chǎn)的時間;ηV為機器利用率，ηI為人員利用率,這兩個指標統(tǒng)一可反應人機系統(tǒng)的資源利用率。

綜上所述,目標函數(shù)為:

(14)

(15)

(16)

(17)

C≤D

(18)

(19)

(20)

通過以上步驟,可找到最適合的人機協(xié)同任務分配方式,使生產(chǎn)系統(tǒng)的效率最高、成本最低,并可充分發(fā)揮人的優(yōu)勢和機器的優(yōu)勢。

4 實例分析與驗證

以BS公司的產(chǎn)品人機系統(tǒng)為例,該人機系統(tǒng)共有10個工位,標號分別為J1—J10,其中J1、J2、J3、J6、J7、J8、J9、J10工位上為機器。工位生產(chǎn)成本與換線成本信息見表3。

表3 工位成本信息

該人機系統(tǒng)生產(chǎn)該公司的5種產(chǎn)品,標號分別為K1—K5,其中K1的工藝路線為J1→J2→J3→J4→J5→J6,K2的工藝路線為J7→J8→J9→J10,K3的工藝路線為J1→J2→J3→J9,K4的工藝路線為J4→J5→J6,K5為J3、J5、J8都可單獨加工完成。產(chǎn)品K1—K5的生產(chǎn)工藝路線和每個工位的時間見表4。

表4 各產(chǎn)品工藝時間

該系統(tǒng)制造團隊的生產(chǎn)人員共由6名技術人員和5名加工人員組成,技術人員負責對需要換線的工位進行更換程序、模具和工具等專業(yè)技術要求高的工作,加工人員主要負責工位上的加工工作(若該工位需要人和機器共同作用的工作,則由人操控機器完成加工工作)。對BS公司的人機系統(tǒng)進行重新分配,得到一個重新分配后的方案。輸入一個任務信息,對比該方案與原始方案的任務完成時間和任務完成成本見表5。

表5 重新分配后與初始方案各參數(shù)比較

由表5可知,重新分配后,該人機系統(tǒng)任務完成時間縮短了6.04%,共152.66h;任務完成成本減少了1.59%,共100.37萬元;機器利用率增加了2.61%;人員利用率增加了6.73%。通過比較初始方案與重新分配后方案的4個指標發(fā)現(xiàn),該規(guī)則對方案均有優(yōu)化,故該規(guī)則可幫助人機系統(tǒng)實現(xiàn)更好地人機協(xié)同，提高工作效率,減少成本。

5 結(jié)語

本文將同時擁有人和機器共同作用的復雜人機系統(tǒng)作為研究對象,根據(jù)人機協(xié)同的定義,對人和機器的特點、功能等進行分析,得到人和機器分別適合做的工作,在此基礎上所得到的人機協(xié)同任務分配規(guī)則可以幫助我國制造企業(yè)分配任務,將任務分配給合適的執(zhí)行主題來完成,充分實現(xiàn)人和機器的合作與協(xié)調(diào),提高制造企業(yè)的工作效率和市場競爭力,有利于企業(yè)經(jīng)濟效益與資源效益的提高,對我國制造企業(yè)的運作與發(fā)展具有一定意義。