面向人本智造的新一代操作工参考架构、使能技术与典型场景
发布时间：2022-01-21 10:57 所属栏目：经济论文摘要：操作工人(Operator)是制造系统中最灵活、最具有主观能动性的要素。新兴信息技术赋能制造系统，驱动制造效率和质量的快速提升，同时也赋予操作工多样化感知、认知和控制的能力。面向以人为本的智能制造(人本智造)，传统操作工的角色定位已无法适应新场景、新技术
摘要：操作工人(Operator)是制造系统中最灵活、最具有主观能动性的要素。新兴信息技术赋能制造系统，驱动制造效率和质量的快速提升，同时也赋予操作工多样化感知、认知和控制的能力。面向以人为本的智能制造(人本智造)，传统操作工的角色定位已无法适应新场景、新技术和新问题，新一代操作工(Operator4.0)应运而生。围绕操作工在制造系统中的作用，分析了历次工业革命至今操作工角色的变迁，并在人信息物理系统(Humanyberphysicalsystems,HCP)语义下阐述了新一代操作工的基本内涵。按照工作任务特点和技术方案，新一代操作工可分为力量型、认知增强型、协作型等种类;同时，从感知线程、认知线程和控制线程三个角度讨论了新一代操作工的参考架构;重点分析了新一代操作工的关键使能技术，包括外骨骼、增强现实、可穿戴技术、人工智能等。对新一代操作工的典型应用进行讨论，包括基于增强现实的复杂产品装配、工业机器人辅助制造和基于虚拟现实的制造培训等，展现新一代操作工的应用基础和效果，以期为人本智造的前沿探索、技术开发与实践应用提供参考。
关键词：智能制造;人本智造;新一代操作工;人信息物理系统(HCPS)
引言
人是生产制造系统中最具能动性和最具活力的要素。整个制造业发展历程中，始终无法脱离工人与机器之间关系的讨论与研究。第一次工业革命，动力机械的引入将操作工从繁重的体力劳动中解放出来，进而转向掌握机器使用技巧;第二次工业革命，标准化、流水线生产的出现，操作工趋向于掌握相对单一的机器使用方法来完成特定工序的工作任务;第三次工业革命，计算机、微电子等技术的出现和普及催生了自动化生产，工人们逐渐从直接操控机械设备向人计算机交互转变。工业4.0拉开了以智能制造为核心技术的新一轮工业革命的序幕[14]，智能制造具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能，工人们可依托数字化、网络化和智能化的技术手段来实现高质量高效率生产[5]。
近年来，以人为本的智能制造(人本智造)逐渐成为制造业转型升级过程中的重要技术方向与发展理念[6,7]。周济、王柏村等[810]秉承“以人为本”的理念提出了人信息物理系统(HumanyberPhysicalsystems，HCPS)的技术框架，讨论了面向HCPS的新一代智能制造的技术体系与未来挑战。在HCPS中，操作工人的主观能动性和灵活性对于智能制造系统的高效平稳运行具有不可替代的作用。然而，对于操作工的传统理解和阐述已无法适应新时期智能制造的发展与推广应用，亟需对操作工相关理论方法迭代更新。
在这种背景下，国内外学者开始积极探索与尝试，初步提出了新一代操作工(Operator4.0)这一概念并开展了相关研究与实践[1117]，为智能制造高质量发展提供了有效参考，成为人本智造领域的一个重要研究方向。综上，为了更好地融合先进制造技术和新一代信息技术，充分激发操作工人在智能制造系统中的作用，本文重点分析操作工从第一次工业革命至今的发展演变过程，结合文献分析对新一代操作工的概念内涵、功能分类、参考架构、关键使能技术进行深入讨论，并分析新一代操作工的典型应用场景，旨在为相关研究与发展提供参考。
1新一代操作工的基本概念
1.1操作工人的角色演变
制造系统是由生产设施、操作工人、加工设备(包括机床、工业机器人等)等共同组成的具有特定功能的系统。操作工作为制造过程中最活跃、最灵活的要素，根据任务分工对制造过程进行计划、实施或控制等，加工设备是操作工完成制造任务的核心工具，操作工与加工设备的互动共同推动制造系统平稳与高效运行。随着制造技术和信息使能技术的不断发展与融合，操作工与加工设备的交互方式不断迭代，导致操作工在制造系统中的角色不断演变，总体上可以分为四个阶段[11]：
第一阶段，操作工主要利用机械工具和手动机床来完成手工和灵活的加工工作，可称作第一代操作工。
第二阶段，随着计算机辅助软件工具(CAx)和数字化控制技术(NC)出现和发展，操作工主要开展辅助性工作来控制加工设备完成指定的加工工作，可称作第二代操作工。
第三阶段，机器人的出现大大改变了操作工与加工设备的交互模式，操作工与机器人、加工设备、计算机等之间进行安全高效的协作来完成加工任务成为新的主题，催生了人机协作下的第三代操作工。
当前，新一轮工业革命快速发展，技术水平不断提升，制造系统各要素的智能化成为了主题，操作工与各类设备的深度融合，进而构建HCPS，催生了新一代操作工。
1.2新一代操作工的内涵
目前，智能制造正处于快速发展阶段，旨在推动制造全流程、全要素的数字化、网络化、智能化。操作工串联了制造过程的众多环节，以人为本的智能制造逐渐引起研究人员的关注。2016年，Romero[11]结合智能制造发展需求以及可穿戴设备、虚拟现实等新兴技术的发展，比较完善的提出了Operator4.0(本文译为：新一代操作工)的理念，并在后续工作中强调通过人机共生来完成制造任务[12]。新一代操作工作为新概念、新理论，迅速引起了领域专家们的广泛讨论，学者们先后从不同侧面提出了新一代操作工的定义[13,14]。
根据相关文献定义，新一代操作工更强调“以人为本”，通过智能化设备或方法增强操作工作各方面的能力，而不仅仅是用各类设备来替代操作工。新一代操作工通过应对不同加工任务和难题，不断迭代更新、提升自身的技术水平。新一代操作工的实施不仅仅是新技术的线性堆叠，而是一种全新的设计和功能理念，需要坚持以人为本，并从作业任务到制造系统进行整体规划，进而构建人机共生系统，最终提高制造效率。作为智能制造系统高效运行的关键要素，新一代操作工有望成为智能制造高质量可持续发展的关键要素。
综合表中相关定义，可总结新一代操作工的基本内涵为：新一代操作工是一种借助智能化设备和智能算法来强化身体机能、感知能力和认知能力的智能增强型技术工人，具备自主完成复杂任务和学习进化解决新问题的能力。新一代操作工的理论基础是HCPS，致力于通过人机、人人、机机深度融合构建人机共生系统，如图所示。广义上，新一代操作工可以解构为人物理系统(Humanphysicalsystems，HPS)、人信息系统(Humanybersystems,HCS)和信息物理系统(Cyberhysicalsystems,CPS)三个子系统，共同构成人机共生HCPS。
物理系统与信息系统的虚实融合实现制造系统各类硬件设备的数字化、网络化，信息系统中，认知学习、知识库共同构建AI大脑对物理系统中的制造过程进行实时感知、分析决策，形成CPS闭环;物理系统与人的交互增强了人的身体机能、感官能力和认知能力，大力提升人机工效，形成HPS闭环;信息系统的决策方案可以通过可穿戴设备等为操作工人执行工作任务提供参考，甚至可以通过发出指令对相关设备进行辅助性控制，提升操作工的智能操控水平，同样地，操作工的行为可以及时反馈到信息系统，支持信息系统做进一步分析决策，更好地服务于操作过程，形成HCS闭环。
1.3新一代操作工的分类
智能制造环境下，操作工需要应对的工作任务更加个性化、定制化。为了更好地推动新一代操作工的实践应用，有必要对其进行分类。目前，新一代操作工按照工作类型、使用的工具和技术大致可分为类[12]。力量型操作工主要采用诸如外骨骼技术增强操作工的搬运、负重能力;认知增强型操作工借助增强现实技术显示肉眼难以直接获取的关键零部件、制造过程等信息，提升操作工的认知能力;沉浸式操作工可以利用虚拟现实技术模拟特定的工作环境和运行状态，提供身临其境的操作体验;协作型操作工是指与机器人协作完成加工任务进而提升工作效率的操作工.
健康型操作工侧重对操作工的工作状态(疲劳状态、健康情况等)进行监控，以动态调整工作强度，提高综合效益;智慧型操作工主要依托人工智能和可穿戴设备对制造过程进行深度感知，提升操作工认知水平，从而做出最优操作决策;互动型操作工强调人机互动、人人交互，在人机共生系统中进行有效交互，提高作业效率;分析型操作工利用数据处理技术对复杂制造过程进行分析，并提供具有建设性的分析报告，为优化制造过程提供重要指导。不同类型的操作工在制造过程中扮演着不同的角色，服务于不同的业务场景，共同推动“以人为本的制造”向智能化转型升级。
1.4新一代操作工参考模型
为了便于新一代操作工的分析与深入研究，需要对参考模型进行研究。考虑到新一代操作工涉及到的要素众多，而且又是一种全新的设计理念和功能理念，需要对新一代操作工的实施框架进行探讨;另外，为了明晰新一代操作工的运行流程与步骤，对人机共生系统进行动态优化，有必要提出新一代操作工的运行框架。基于现有研究成果和上述新一代操作工的基本内涵，提出了新一代操作工的实施框架。
首先是对实施新一代操作工的具体需求进行梳理，明确新一代操作工实施的目的和需要实现的功能。然后进行新一代操作工实施方案探索，确定制造系统要素和流程(特别是人机交互相关内容)，选择功能实现所需硬件设备(可穿戴设备、传感器等)。基于此，选择所需的模型、算法，确定虚实融合的方式，并通过虚拟验证、半实物验证、实物验证等多种方式对实施方案进行测试。至此，完成面向人机共生的新一代操作工的方案设计和实施。
在实际场景中，新一代操作工需要与加工设备、辅助设备、其他操作工等进行交互，具有动态性和复杂性。为了达到最佳实施效果，需要对新一代操作工的运行过程进行持续优化。基于此，以下重点介绍新一代操作工运行过程中的感知线程、认知线程和控制线程。
感知线程从制造系统现场的设备层出发，利用传感器和设备自带的信息系统采集相关设备的状态信息，一方面向边缘层传递，利用边缘计算进行一些相对简单的分析决策对设备进行即时控制;另一方面利用制造现场总线汇聚感知信息并借助工业互联网上云，多源获取、持续采集形成工业大数据，在信息系统中借助AI大脑进行复杂的认知、优化、决策和控制活动。此外，操作工在制造现场可以进行直观的设备状态感知，也可以借助辅助设备、信息系统反馈等深度感知制造状态。
认知线程是感知线程的延续，最终收敛于操作工对各类设备运行状态的认知。信息系统的数据分析结果可以为操作工的认知提供关键信息，操作工自身的感知也可以为其认知提供依据。控制线程则是对感知和认知结果的反馈，依托边缘层、信息系统和人的决策，实现不同程度的控制。边缘层可以对设备进行即时操控。信息系统则对复杂制造过程进行分析优化决策，形成一系列控制指令完成相对复杂的调控。操作工可借助各种手段综合处理制造现场的各类复杂活动，完成自动化、智能化手段无法自主完成的复杂控制，必要时对另外两种控制活动进行干预。
2新一代操作工的关键使能技术
新一代操作工的发展离不开各类使能技术的支撑，本节重点讨论新一代操作工的关键使能技术，包括外骨骼技术、虚拟现实技术、可穿戴追踪技术、协作机器人等。按照不同场景，对这些关键技术进行合理选择和组合后，可以增强操作工的感知、认知、控制等方面的能力，进而提升工作效率。
2.1外骨骼技术
外骨骼技术可以大幅增强操作工的身体机能来完成制造过程中相对费力的工作[18,19],具有轻量化、灵活性、可移动等特点。史小华等[20]提出了多关节坐卧动力外骨骼机器人，并利用人机一体化模型进行运动学和动力学仿真验证。Collins等[21]在Nature上刊发了外骨骼技术在节省人类体力消耗上的研究，强调考虑人体结构进行一体化设计的重要性，并构建了一个与腿部肌肉并行运动的轻量化弹性装置进行验证。
Munoz[22]分析了新工业革命中外骨骼技术的人因工效学研究情况，指出在利用外骨骼技术过程中兼顾操作工健康因素的必要性。荆泓玮等[23]从外骨骼研究进展、本体结构、控制方法等方面进行了分析，总结了外骨骼技术面临的挑战和发展趋势。Huysamen等[24]根据操作工特点设计了一套外骨骼系统来减轻操作负荷，并对外骨骼系统辅助操作工执行动态升降手动操作任务的效率进行评估。Stadler等[25]提出了一种智能协作轻型的外骨骼系统用于帮助操作工在短距离内提升、降低和搬运物体。事实上，外骨骼技术可以分为无动力外骨骼和动力外骨骼两类。动力外骨骼无疑更具有灵活性，也可以辅助操作工实现更丰富的功能。但是，动力外骨骼的续航和控制依然是需要重点解决的难题。
2.2增强现实技术
增强现实(AugmentedReality，AR)[26]是一种将三维虚拟对象实时集成到三维真实环境中的技术。增强现实技术能够增强用户对现实世界的感知和交互，显示用户无法直接用感官检测的信息[27]。BlancoNovoa等[28]通过评估增强现实软硬件在造船厂不同场景中的应用情况，为操作工提供用户友好的界面和相关流程信息，提高基于增强现实技术的辅助制造系统的可靠性。
DePace等[29]分析了增强现实技术在工业生产中的应用领域情况。Paelke[30]提出一个支持生产环境快速变化场景下使用的增强现实系统，采用直接在操作工视野中提供新任务信息的方式来引导操作。Bruno等[31]提出一种用于提升数据收集和信息交换效率的增强现实工具，并开展了用户接受度评估。虽然增强现实极大提升了新一代操作工获取可视化信息的能力，但是其高昂的价格成为其推广应用的障碍，笨重的AR眼镜也大大降低了舒适度，未来需要在这些方面进行优化与革新。
2.3虚拟现实技术
虚拟现实(VirtualReality，VR)[32]是可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，具有“沉浸式”和“交互式”两大特点。虚拟现实技术通过三维可视化能够实现快速信息整合并支持决策[33]。Turner等[34]基于VR系统框架建立了一种虚拟现实与模拟离散事件相结合的交互式仿真模型，为智能工厂的场景测试和决策提供支持。
Manca等[35]基于虚拟现实及增强现实设计了一种培训方案，通过事故动态模拟对操作工进行异常情况应对能力培训，以提高操作工对异常情况的有效识别和响应能力。Mujber等[36]综述了虚拟现实在制造过程中的应用情况，并指出当前高昂的设备价格是该技术大规模推广的瓶颈。Malik等[37]开发了一个基于虚拟现实的人机模拟集成框架，利用虚拟环境中的机器人与操作工进行交互，形成以人为中心的生产系统。虚拟现实与增强现实面临着相似的技术瓶颈。此外，虚拟现实在制造过程中的应用场景有待进一步开发。
3新一代操作工的典型应用
目前，伴随着智能制造的发展，新一代操作工已经形成了一批典型应用场景，包括基于增强现实的复杂产品装配(增强型操作工)、工业机器人辅助制造(协作型操作工)、基于虚拟现实的制造培训(沉浸式操作工)等，为新一代操作工的后续发展奠定了重要基础。
3.1增强型操作工——基于增强现实的复杂产品装配
复杂产品装配过程具有“并行、异步”的特点[63]。复杂装配过程对操作工的经验和熟练度提出了很高的要求，操作工个体的差异性则会导致装配质量不一致、装配效率低下等一系列问题。增强型操作工可以借助增强现实技术对装配过程进行监控、引导和预测预警等[64]，为实现复杂产品的高质量、高效率装配赋能。传统的复杂产品装配指导信息具有不直观的特点，而增强型操作工在装配过程中可以便捷地获取相关信息[65]，并且直观地展示在HoloLens等可穿戴设备上[66]，可极大提高装配效率。
Wang等[67]对基于增强现实的复杂产品装配应用情况进行了分析，增强现实环境的实时反馈可以对复杂产品装配设计和规划过程进行动态优化[68]，基于增强现实的复杂产品装配可以减少高达50%的装配时间和装配错误率，增强型操作工在复杂产品装配领域具有广阔的应用前景。
3.2协作型操作工——工业机器人辅助制造
工业机器人的广泛应用是智能制造的重要特征之一[69]。工业机器人从最初代替人工操作从事简单、重复性工作到利用机器视觉[70]、人工智能[71]等技术感知制造环境、与操作工融合互动完成复杂工作，其在制造过程中的定位越来越重要。工业机器人已经在物料搬运、焊接、减材制造、增材制造等[72]业务场景中展现了其巨大的应用推广价值。工业机器人辅助制造逐渐成为智能制造不可或缺的一部分.
其中，操作工与机器人的交互协作是关键[73]。毋庸置疑，人机协作系统顺利运转的前提是保证操作工的安全，Khalid等[74]提出了一种系统性的HCPS开发指导方法和工具来保证人机协同过程的安全性，并在重负荷业务场景验证了其可行性。机器人的高柔性、高灵活性赋予了智能制造过程高效、自主应对个性化、定制化需求的能力。Gonzalez等[75]提出了一种面向工业环境的可移动机器人导航方法，在网络互联的基础上，融合嵌入式监督控制器和分布式导航架构，通过人机、机机互动等快速适应不同的业务场景。
3.3沉浸式操作工——基于虚拟现实的制造培训
虚拟现实可以通过模拟高度真实的环境创造沉浸式的体验[76]，结合感知系统和仿真系统，实现具有真实反馈的人机交互。虚拟现实的建模方法是创造沉浸式体验的基础，涉及到几何建模、物理建模、行为建模等，进而构建复杂的制造场景，比如制造单元构建、工厂布局。基于虚拟现实的加工操作培训是虚拟现实技术在智能制造中的典型应用，可以将操作工带入虚拟制造环境中，尽情地探索制造活动和所需操作，尽快适应复杂的操作工序，低成本、安全、快捷地做好各项制造准备工作。蔡宝等[77]将虚拟现实技术应用于铣床加工教学实践，增强学员学习兴趣的同时避免了操作实际设备可能发生的危险。
Salah等[78]强调虚拟现实技术在产品制造过程中的可持续培训和教育作用，以具有可持续特点的可重构制造系统为对象，开展制造系统设计、交互和操作等环节的示教。Roldán等[79]基于虚拟现实开发了一个复杂装配培训系统，利用虚拟现实技术复现工作环境，结合培训过程挖掘技术收集和存储操作工的经验知识，培训效果大大超过传统的纸质指导书。Schroeder等[80]在分析制造活动所需培训内容中着重讨论了哪些环节可以用虚拟现实进行开发实现虚拟培训，包括信息获取、材料和工具分配、部组件配备等。
4小结
操作工作为制造过程中最活跃、最灵活的要素，如何融合先进制造技术和新一代信息技术充分调动其主观能动性是人本智造的一个关键问题。在分析不同时期(历次工业革命)的操作工的内涵和特点的基础上，基于现有新一代操作工研究和智能制造特点总结了新一代操作工的基本内涵，根据任务特点和技术方案的不同总结了八种类型的“新一代操作工”，并探讨了新一代操作工的实施架构与运行框架。此外，还重点讨论了新一代操作工的关键使能技术和典型应用场景。虽然新一代操作工相关研究还处于起步阶段，但新一轮工业革命(不管称之为工业4.0或是工业5.0)为其提供了一个良好的环境来综合运用并测试新兴技术，以实现以人为本的智能制造(人本智造)。
如果说HCPS是人本智造的理论基础、人的数字孪生(Humandigitaltwin，HDT)等是人本智造的核心使能技术，那么新一代操作工就是人本智造的“灵魂”。下一步研究团队将坚持以人为本的理念，以HCPS为理论基础，融合新一代操作工相关理念与技术，开展智能制造系统的规划设计、虚实融合仿真、人机工效等应用研究，发展人本智造，促进制造业的智能化转型。
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作者：黄思翰王柏村2,3*张美迪黄金棠朱启章1杨赓
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