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)作式機器[5-7]。人工智能（AI）[7]所賦能的機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，人類和機器彼此合作，將人類的認知優(yōu)勢與智能機器獨有的能力結(jié)合起來，從而打造出對環(huán)境能夠自適應(yīng)的智能團隊[8,9]。

正如Rosenbrock警示稱，“人類決不能受制于機器和自動化，反過來機器和自動化應(yīng)該服從人類”，我們認為當(dāng)前正處在實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵時間點上[10]。未來的智能機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)域中的人機協(xié)作的研究至今只以人機界面[11]和人因工程（如人體工程學(xué)和大腦工作負荷）為主，來提高整個系統(tǒng)的性能[12]。為了填補這一空白，我們在此提出一種以人為本的人機共生框架。該框架能夠在工業(yè)環(huán)境中增強人的工作能力，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共生框架。人機共生具有以下特征：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為一種人機共生框架，在該框架中，人類和機器組成智能團隊，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)將討論人類與機器之間的主要交流方式，第2.2節(jié)介紹人機理解問題，第2.3節(jié)將提出我們關(guān)于人機協(xié)同智能的思考，第2.4節(jié)將討論以人為本的協(xié)作機制（該機制是人機共融的一個關(guān)鍵特征）。

2.1. 人機交流

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

除了傳統(tǒng)的人機交互界面之外，還有多種交流方式可以實現(xiàn)人機交流，如語音指令[13,14]、手勢[13,15-17]、體態(tài)[15,18]、腦電波[19,20]、增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（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）實現(xiàn)的，它們使得人機交流更接近于自然交互。表1根據(jù)使用情景和可用性，列舉了典型的人機交流方式。語音指令、物理交互、文本、圖像、視頻、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實均可用于人類和機器之間的雙向交流，并且這些方法易于在實際生產(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器的單向交流。

表1 人機交流方式

除了確保人機之間的交流信息準確外，交流還必須自適應(yīng)于交流內(nèi)容、環(huán)境和人的身份。由于人機交流與情景、時間點以及交換的消息有關(guān)，因此人機交流是一個動態(tài)的過程。有效的人機交流能夠根據(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、一條警告還是一項指示；②情景，例如，機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)（如高認知負荷）會提高壓力水平、降低滿足感，最終削弱生產(chǎn)力[12,30]。因此，準確評估人機協(xié)作過程中的人類體力負荷、認知負荷以及心理反應(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]、眼睛注視和瞳孔擴張[38,39]），可以探知人的身體狀況、認知狀況和心理狀況。未來，機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，機器將產(chǎn)生與工人共情的行為，這種行為可以視為人機之間富有同理心的互動。發(fā)展智能機器共情技能的最終目標(biāo)是在人類和機器之間建立信任和尊重。因為人們發(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，能夠提高人機團隊的工效和滿足感。

對人類而言，了解并關(guān)心智能機器的“健康狀況”同樣至關(guān)重要，通過互相了解，人類和機器之間可以構(gòu)建更加良好的關(guān)系。機器的健康狀況包括與工作負荷、任務(wù)變動水平等相關(guān)的定量指標(biāo)?；谌藱C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團隊的工效。

2.3. 人機協(xié)同智能

人機共生還需要考慮智能系統(tǒng)的控制算法。一項針對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]。在智能的人機協(xié)作環(huán)境中，人類和機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，進而提升團隊效益，并盡可能提高自身的長期回報。智能機器可以生成自適應(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)。在高效率的團隊中，智能機器和人類智能體將通過優(yōu)勢互補構(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（如多智能體強化學(xué)習(xí)）是實現(xiàn)人機團隊自適應(yīng)協(xié)作決策的一個頗有希望的選項。

2.4. 以人為本的協(xié)作機制

根據(jù)自然的人機交流（包括共情理解），我們認為，以人為本的生產(chǎn)方式[42]將成為現(xiàn)實。未來的人機團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，同時保障人機協(xié)作方面的生產(chǎn)力。例如，在人機閉環(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，從而實現(xiàn)適應(yīng)性的勞動需求[45]。具備共情能力的機器需要給予工人最大限度的工作自由度，這些機器能夠適應(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)實時任務(wù)進展和工人身心狀況改進人機協(xié)作計劃。

3. 討論

人機共生可以顯著改進未來的生產(chǎn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)變?nèi)祟惞と说慕巧?。我們認為，以人為本的人機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，人機共生可以顯著提升工人福祉和工作滿足感。人機協(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)將會按照實時需求生產(chǎn)出動態(tài)批量的個性化產(chǎn)品。

? 人機能力發(fā)展：借助于人工智能算法，人類和機器可以學(xué)習(xí)合作經(jīng)驗并提升各自能力。工人可以通過與智能機器進行可靠且密切的互動來獲取新的知識和技能，這些智能機器將以適合的方式協(xié)助、指導(dǎo)工人工作。另一方面，機器也可以根據(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

我們認為，人工智能技術(shù)的進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).