工業4.0環境下的人因與工效學

廖光繼 易樹平 周佳 溫沛涵 熊世權

摘 要：工業4.0的提出，云平臺、大數據、物聯網等技術的發展與應用，對各個學科和領域的研究與應用均產生重大影響。對人因與工效學學科而言，環境的智慧化，將從根本上改變人的交互方式與交互行為，建構該領域新的研究基礎，提出新的研究課題。從智慧環境、智慧設備和智慧工件的定義與討論出發，提出智慧人因與工效學的架構，并展望了工業4.0環境下的智慧化人機交互、智慧工作空間與環境、工作與任務、以及智慧組織與管理等應用情景。

關鍵詞：工業4.0；智慧工廠；智慧生產；人因與工效學

中圖分類號：C 939 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7312（2016）03-0270-06

0 引 言

人類在此之前共經歷過三次工業革命[1-3]：18世紀末引入蒸汽機動力的“工業1.0”，機械生產代替手工生產，促使手工勞動向機械動力勞動轉變，實現由以農業、手工業為基礎的經濟社會向以工業以及機械制造業帶動經濟社會發展的轉型；20世紀初以電氣化為基礎的“工業2.0”，電的發現及電動機的發明，電力作為新的動力能源代替蒸汽動力，并驅動產品大規模生產，通過零部件生產與產品裝配的成功分離，開創了產品批量生產新模式；始于20世紀70年代建立在IT技術和信息化之上的“工業3.0”，電子與信息技術的廣泛使用，使制造過程向智能自動化發展，機器逐步代替人類作業，不僅減少人的體力和腦力勞動，而且提高了控制速度和精度，促使生產效率以及產品質量進一步提高。而“工業4.0”這一概念問世于2011年4月，由德國Wolf-gang Wahlster教授于2011年漢諾威工業博覽會上首次提出。德國“工業4.0”指利用物聯信息系統（CPS）將生產中供應、制造、銷售信息等數據化、智能化，從而達到快速、有效、個性化產品效應，其核心是“智慧+網絡化”[4]。

人因與工效學是實踐工業4.0的基石，其研究本質是研究人、機、環境三者的相互關系和作用[5]。20世紀初，美國人泰勒（F.W. Taylor）進行了鐵鏟實驗及時間研究實驗，同一時期，吉爾布雷斯夫婦（F. B. Gilbreth and L. M. Gilbreth）通過動作研究創立了利用動素分析改進操作動作的方法，這段時期被認為是人因與工效學的萌芽時期，之后人因與工效學經歷興起時期、成長時期以及發展時期，到如今已經成為應用極其廣泛的學科。人因與工效學主要目的是尋找使處于不同條件下的人都能高效、安全、健康、舒適地工作和生活的最優解決方案，實現人、機、環境之間的最佳匹配[6]。該學科目前已被廣泛應用于航空、制造、核電和軍事等行業，以改善系統和服務[7]。

在工業4.0的浪潮下，作為研究基礎的人、機、環境發生了巨大變化，人因與工效學如何變革以適應時代的發展，這正是文章討論的要點。

1 工業4.0

1.1 工業4.0內涵

工業的高速發展及人類過度的資源使用與浪費，致使資源出現枯竭現象。此外，大量的工業化生產還造成環境污染。現有的制造方式造成氣候變暖及資源枯竭，難以為繼。為解決這一全球性挑戰，工業4.0應運而生。因此，工業4.0的第一個內涵是智慧化、綠色化以及人性化[8]。隨著客戶需求的變化，對產品追求逐漸個性化，而傳統生產方式難以大批量生產個性化或定制化產品。工業4.0環境下的智慧工廠以生產精密、高質量以及個性化智慧產品為目標，使單件小批量生產達到大批量生產時的效率與成本。既可對企業客戶實行大規模小批量定制，亦可對個體用戶實行小批量單品定制。從原材料到最終產成品間的物流運輸系統由智慧物流完成。如圖1所示。

綠色化首先是指利用可替代、非傳統的清潔能源，一方面可減少傳統能源消耗，有效緩解資源枯竭；另一方面產生更少的污染物，有效保護環境。其次，在產品全生命周期內，無論產品的制造、使用及廢棄過程對環境影響小，且可回收再循環使用，實現可持續發展。

工業4.0第二個內涵是網絡化與信息物理深度融合。工業4.0是由大數據、云平臺、物聯網等技術驅動的制造，通過信息與物理系統的深度融合，利用移動終端與無線通信，實現虛擬網絡世界與現實世界無障礙溝通，使設備和人可在空間與時間上分離，通過IT控件使設備與設備、設備與工件間可以通訊，處于不同地點的生產設施可以集成。

1.2 工業4.0特性

德國工業4.0是通過信息物理系統實現制造業由信息化向智慧化轉變，其特性主要體現在互聯性、創新性、集成性以及大數據4個方面。

1.2.1 互聯性

工業4.0在物聯網等技術支持下可實現萬物互聯，包括設備間互聯，設備與工件互聯，虛擬與現實互聯，人與人互聯。設備間互聯主要是通過物聯網技術，將車間和工廠內不同功能的智能設備連接，此外不同地域的設備間亦可互聯。設備與工件互聯是以IT控件為媒介，實現設備與加工工件間的交流。設備通過IT控件讀取加工工件的下一步加工指令，使整個生產系統更加智慧，從而實現智慧生產。信息物聯系統作為工業4.0的技術支持，其通過將單機智能設備聯網，使智能設備具有自適應、自診斷、自修復和遠程協助等功能[9]。

1.2.2 大數據

工業4.0的大數據是指從原材料到產品銷售、顧客使用整個過程中產生的與產品相關的大量數據。如產品數據、運營數據、價值鏈數據、外部數據等，企業需要對這些海量數據進行收集、處理并反饋，建立相應的應用機制。

1.2.3 集成性

工業4.0通過信息物理系統將生產系統中的生產設備、控制系統以及IT控件連接，進而形成一個智慧網絡，以此實現工業的橫向、縱向以及端對端高度集成。縱向集成指實現工廠內部從產品設計、生產制造、物流運輸、產品銷售以及設備的使用維護等環節信息無縫連接。通過價值鏈及網絡實現企業間的橫向集成，使企業內部信息集成向產業鏈信息集成轉變，促進企業間合作的緊密性。端對端集成可更靈活的配置生產，并可通過提供更差異化的管理和控制過程來拓展機會。

1.2.4 創新性

工業4.0的實施過程是制造業創新發展的過程，制造技術、產品、模式、業態、組織等方面的創新將層出不窮。技術創新是智慧工廠堅定的技術基礎，產品創新即實現產品的智能化，使具有感知、存儲、及傳輸等功能。模式創新促使生產模式由大批量生產向個性化定制生產轉變。

2 人因與工效學

人因與工效學是從20世紀50年代開始迅速發展的一門新興交叉學科。該學科在美國稱為“Human Factors Engineering”或“Human Engineering”，西歐國家稱為“Ergonomics”。前者傳統上更關注人機界面，研究人與設備及環境交互時的行為，注重人與系統交互時的需求、能力及局限性，以此設計安全、舒適的交互系統（工作系統）；而后者則更關注工作對人的影響，重點是通過工作任務設計降低工人工作負荷，減少疲勞，以符合人的工作能力范圍[10]。但隨著兩者的融合與發展，其意義與研究范疇已基本統一。我國關于該學科的命名已出現多種，如人體工程學、人機工程學、工程心理學、人類工效學、人類工程學、人的因素等。國際人類工效學學會（International Ergonomics Association， 簡稱IEA）將該學科定義為：研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素；研究人和機器及環境的相互作用；研究在工作中、生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題。人因與工效學的研究聚焦于人以及人與日常生活和工作中使用的產品、設備、設施、流程和環境之間的相互關系。其強調人本身，以及物品設計如何影響人。人因與工效學的研究方法是將與人的能力、極限、特征、行為和動機相關的信息系統應用到人們使用的物品、流程以及環境的設計中。具體方法有描述性研究、實驗研究以及評估研究[11]。該學科本質是研究人-機-環境三者之間的相互關系和作用，在工業4.0環境下，云平臺、大數據、物聯網等先進技術的出現與應用，人、機、環境都發生了諸多改變，為本門學科提出了許多新的研究領域與問題。

3 工業4.0環境下人因與工效學的改變

工業4.0環境下，云平臺、大數據及物聯網技術的推動，促使智能向智慧轉變。現有智能的定義主要是采用人工智能的定義，即主要根據已有規則，啟發式算法推理計算，使控制對象具有高等動物的推理、判斷和學習等能力。而本文提出的智慧的定義是指在智能的基礎上，使控制對象具有人的創造能力及主觀能動性。在智慧工廠與智慧生產環境下，環境、設備以及工件向智慧環境、智慧設備以及智慧工件轉變。

3.1 智慧環境

在工業4.0環境下，智慧環境指能夠獲取和應用信息的環境。可實現生活、工作、制造環境的智慧調節，保持最佳的生活條件與最適合的生產條件。智慧環境可應用于諸多場景，如智慧生活系統、智慧老年人護理系統、智慧商圈、智慧城市等。利用有線/無線網絡、IT控件、物聯網技術、各式可穿戴設備、大數據、云計算等建立人與環境互動機制，以此增加生活的便利性以及改善生活品質。例如：在智慧生活系統中，通過網絡將各式家電及IT控件連接，實現對生活環境或工作環境中的溫度、濕度、照明、人體狀態等的監控。此外，所有家電于IT控件被智能終端管控，智能終端可根據實時監控數據進行智慧調節，并可利用人臉識別技術完成個性化調節，如圖2所示。在智慧老年人護理系統中，通過物聯網等技術，老人可在家療養以及遠距離問診；利用可穿戴式設備對老年人進行24小時的生理與心理狀態監測，當老人生理或心理狀態出現問題時，系統會自動撥打急救電話并向老人子女發送緊急信息。

3.2 智慧設備

智慧設備是指在大數據、云平臺、物聯網等技術支撐下，設備可自行對信息進行采集及分析處理，并針對分析結果自行調整。智慧設備可應用于設備預防性維護、設備剩余能力管理、智慧泊車等場景。例如，水電站每隔一段固定時間就需要對其在役的發電機組進行檢修，每次檢修需花費高達上千萬的費用。有時固定檢修時發現發電機組設備狀態良好，不需要進行檢修，此時就產生了不必要的檢修費用。由于一個或數個梯級水電站局設備數量少，所得的歷史數據也較少，進行預防性維修困難。在工業4.0環境下，設備都通過物聯網與互聯網進行連接，因此，發電機組的生產廠商可以獲取其生產的所有在役發電機組的運行大數據，并可將某一指定發電機組的歷史運行狀態數據與該品牌所有在役設備的運行狀態數據進行大數據分析，精準地確定該發電機組的設備狀態并給出其需要檢修的準確時間，從而做到設備的預防性檢修。在設備剩余能力管理中，智慧設備可根據歷史生產數據、現行生產狀況以及訂單數量，對整條生產線的產能進行計算，當產能過剩時將多余的產能出售，獲得利益；當產能不足時，系統可自行修改生產計劃，提高產線的生產能力。

3.3 智慧工件

在生產過程中，加工工件與加工設備存在匹配關系，設備是固定的，而工件是動態的。傳統加工過程中，工件處于被動狀態，在整個生產流程中只能被工人或設備控制，被動的完成整個加工過程。在工業4.0環境下，智慧工件不再是被動的，智慧工件與智慧設備之間可溝通交流，形成信息共享。智慧工件可應用于智慧庫存管理、定制化生產、智慧防錯系統等場景。例如，工件上IT控件的加入，使加工工件智慧化，每個工件上的IT控件記錄著該工件的加工指令。加工過程中，當工件到達某一工序時，智慧設備與智慧工件進行信息交流，獲取該工件在當前工序的加工指令，進而對工件進行加工，從而實現定制化生產。

智慧環境、智慧設備和智慧工件的出現最終使人的行為、在組織中的角色等因素發生改變，需要新的人因與工效學理論。

4 智慧人因與工效學

工業4.0的3大技術：

1）數據來源廣泛、分類精細、相關性強、實時更新、時間連續的大數據技術；

2）數據集中統一、服務安全可靠、功能強大、實時在線的云平臺技術；

3）全時、全域互聯的物聯網技術對生理人因學、認知人因學以及組織人因學的研究均產生重大影響，具體體現在人機交互，任務與工作設計，個性化設計，安全、健康、舒適度設計，組織與管理等方面。

3大技術促使傳統人因與工效學向智慧人因與工效學變革。

4.1 工業4.0環境下的智慧人機交互

傳統的設備與工件向智慧設備與智慧工件變革的同時，人與設備、工件之間的交互方式也發生著改變。工業4.0環境下，所有生產設備、加工工件上安裝的IT控件以及工作人員的可用設備都通過網絡連接于企業私有云，并被同一個智能終端所管控。在智慧人機交互情景下，將由智慧設備根據實時信息引導，主動在需要的時候選擇最適合的對象，提出交互請求，并且交互方式也是多維的。由于所有設備連網，交互可在多種環境下展開，既可以遠程用移動智能設備交互，也可現場交互；既可利用鍵盤、觸屏等輸入設備交互，亦可以語音識別、手勢控制等方式交互。此外，智慧設備的基礎決策能力及信息可視化呈現，將使人們擺脫枯燥程式化的決策，而轉向更為高級的直覺、創新型決策，工作性質、內容和負荷均會發生根本性變化。如圖3所示。

4.2 工業4.0環境下的智慧工作空間與環境

利用互聯網技術將工作/生活環境中各式家電、傳感器及工作人員的可穿戴設備連接，且由統一的智能終端管控，各式設備產生的大量數據存儲于企業私有云。以往的工作/生活環境無法根據個人特性完成調節，需要人為調節。例如，空調系統不能自主根據當前室溫及人體身體狀況調節室內溫度。而在智慧工作空間與環境下，大量傳感器實時收集環境數據，人臉識別技術可記憶個人特性，可穿戴設備對人體狀態進行監控與數據收集，三者結合實現環境自我微調（調節室內的溫度、濕度、亮度、噪聲等），體現個性化環境調節并提供健康科學的工作/生活環境。如圖4所示。

4.3 工業4.0環境下工作與任務

工業4.0工環境下，利用大數據、物聯網等技術，可通過智能終端對員工進行測控。智能終端可對員工的工作習慣及操作做出提示，當員工存在不正規操作時將自動語音提醒操作者，并終止其操作，形成行為規范管控。另一方面，員工任務側重點發生改變，如由獲取信息轉變為理解信息，篩選信息轉變為整合信息。且常規工作減少，但設計類工作增加。如圖5所示。

4.4 工業4.0環境下智慧組織與管理

面臨智慧化的環境，企業的組織與管理形式也需做出相應的調整。物聯網等技術帶來的萬物互聯促使企業組織結構逐漸向扁平式網絡組織變化，組織中層級化減少，個體權責加重。此外，在智慧組織與管理中，員工考勤制度取消，無需每天到企業辦公，可選擇在家、在外或途中辦公，個體自主性增強，企業員工自我安排工作內容與計劃等，企業管理變的更加靈活。再者，領導者對個體的信任度增強，強調企業員工的自我管理，考核制度向目標考核與過程分析相結合轉變。如圖6所示。

5 結 論

工業4.0環境下，云平臺、大數據以及物聯網等技術促使智能向智慧轉變。人、機、環境三者作為人因與工效學的研究基礎，在工業4.0環境下都將發生改變。傳統的設備與環境向智慧設備與智慧環境轉變，將改變與人機的交互方式與交互行為。人因與工效學研究基礎的改變必將給該學科帶來新的研究領域和問題。從交互角度，智慧人機交互過程將由機器按需發起并選擇交互對象，人可在多種環境下借助多維交互手段參與，人的工作內容、性質和負荷都將發生本質變化；從環境角度，智慧工作空間與環境可實現對不同主體或主體群的個性化、自適應配置；從任務角度，智慧環境、設備和工件將極大減少人的常規性任務，創新、創意性任務增加；從組織角度，扁平化網絡組織將成為常態，員工權責分配與相互合作關系將有重大改變。以上種種變化，將掀起本學科領域新的研究熱潮。

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