基于HCPS的智能制造发展理论

基于HCPS的智能制造发展理论

一、前言

基于 HCPS 的智能制造发展理论，以人为本的智能制造（人本智造）正逐渐引起学界和业界的普遍关注，有望成为智能制造的重要发展方向。本文着重分析人本智造的发展背景，阐述人本智造的内涵与技术体系，研究人本智造的应用实践，并在此基础上提出推动人本智造发展的对策建议。

二、人本智造的发展背景

制造是人运用工具将原材料转化为能够满足人们生产生活需要的产品和服务的过程。智能制造是提高这种转化效率和质量的手段，但智能制造不能为了智能而智能，而是要回归到服务和满足人们美好生活需求上来。因此，在整个制造生产活动中，人始终是最具有能动性和最具有活力的因素。

（3）人在未来智能制造发展过程中将继续发挥重要作用。智能制造的实际需求在不同行业或不同企业之间存在着较大差异，并不是所有行业、所有工厂都需要完全自动化或完全无人化，因而推进智能制造需考虑技术经济性的问题。例如，与汽车行业不同，航空、航天、船舶和建筑等行业由于任务和过程复杂性，目前尚未实现完全自动化和无人化，而是更多地依赖人机合作、人的知识经验的积累以及人的主观能动性的发挥。因此，制造的未来并不是追求纯粹的无人工厂，而是要以人为核心，使人在先进技术的支持下从事更有价值、更有乐趣的工作，同步为企业带来更好的经济效益。

三、人本智造的内涵与技术体系

人本智造，就是将以人为本的理念贯穿于智能制造系统的全生命周期过程（包括设计、制造、管理、销售、服务等），充分考虑人（包括设计者、生产者、管理者、用户等）的各种因素（如生理、认知、组织、文化、社会因素等），运用先进的数字化网络化智能化技术，充分发挥人与机器的各自优势来协作完成各种工作任务，最大限度实现提高生产效率和质量、确保人员身心安全、满足用户需求、促进社会可持续发展的目的。

人本智造体现的是一种重要的发展理念，同时代表了未来智能制造发展的一个重要方向。人本智造并不特指某个单一的制造模式或者范式，在其发展进程中还会出现大量的制造新模式、新业态，如共享制造、社会化制造、可持续制造等。目前对人本智造的研究尚处于起步阶段，但可以预计，相关定义、内涵和特征仍将不断演化拓展。

（一）智能制造中人的因素

从智能制造全生命周期 的角度来看，智能制造中的人的因素包括人的作用、人机关系、人体工效学、认知工效学、组织工效学（见图 1），具体阐述如下。

1. 人的作用

人的作用主要体现为人在智能制造系统中的不同角色、作用及工作类型等。从智能的角度看，人的作用集中体现在知识创造和流程创造方面，正是基于人的经验、才智、知识等的持续沉淀和不断实践，制造的智能水平才得以不断优化和提升。

2. 人机关系

3. 人因工程 / 人类工效学

人因工程 / 人类工效学，指综合运用生理学、心理学、计算机科学、系统科学等多学科的研究方法和手段，致力于研究人、机器、工作环境之间的相互关系和影响规律，以实现提高系统性能，确保人的安全、健康和舒适等目标的学科 ［15］；可细分为人体工效学、认知工效学和组织工效学等。

（二）人本智造的技术体系

基于 HCPS 理论，本文提出的人本智造的三层参考架构如图 2（a）所示，包含单元级智能制造、系统级智能制造、系统之系统级智能制造。其中，单元级智能制造的技术体系如图 2（b）所示，主要包括机器智能技术（如智能感知、智能决策、智能控制、学习认知等）、制造领域技术（如切削加工、焊接、增材制造等）、人机协同技术 / 人机关系三方面。在单元级智能制造的基础上，通过工业网络集成、物联网、智能调度、工业互联网、云平台等技术，可构建系统级、系统之系统级智能制造（如智能车间、智能产线、智能工厂等），从而实现制造资源与人力资源在更大范围上的优化配置。

在人本智造系统中，信息系统主要是与人一起，对物理系统进行必要的感知、认知、分析决策与控制，从而使物理系统（如机器、加工过程等）以尽可能最优的方式运行，包括认知层面、决策层面以及控制层面的人机协同等；还需考虑人体工效学、认知工效学、组织工效学等内容。人本智造的相关技术主要有以人为本的设计、控制、 AI、计算、自动化、服务、管理等。其中，以人为本的设计也称“参与式设计”，在设计中注重人的思维、情感和行为，是一种创新性的解决问题的方法；始终关注最终用户的需求，并将其作为数字设计过程的中心。以人为本的 AI 则强调 AI 的发展应以 AI 对人类社会的影响为指导，更多融入人类智慧的多样性、差异性和深度性，以增强人类技能而非取代人类。

四、人本智造的应用实践

人本智造是一个大系统，可从产品、生产、模式、基础 4 个维度来进行认识和理解。其中，以人为本的智能产品是主体，以人为本的智能生产是主线，以人为本的产业模式变革是主题，HCPS 和人因工程是基础（见图 3）。在前文阐述人因工程和 HCPS 的基础上，聚焦应用层面，对以人为本的智能产品、以人为本的智能生产、以人为本的产业模式变革展开讨论。

（一）以人为本的智能产品

智能制造的主体包括产品、制造装备，其中产品是智能制造的价值载体，制造装备是实施智能制造的前提和基础。这里的“以人为本”指智能产品和装备的服务目的在设计之初就应充分考虑人的需求和人的因素，尤其是直接面向广大消费者的智能产品。同时，在智能工业装备的设计之初需要充分考虑人工干预的可能情况，在设计上留有权限和空间。

（二）以人为本的智能生产

制造业的数字化、网络化、智能化是生产技术创新的共性使能技术，推动制造业逐步向智能化集成制造系统方向发展。在此过程中，需要坚持以人为本，全面提升产品设计、制造和管理水平，构建智能企业。以人为本的智能生产应用实践包括人机合作设计、人机协作装配、以人为本的生产管理等。实际上，智能优化设计、智能协同设计、基于群体智能的“众创”设计等都是以人为本智能设计的重要内容，而基于 HCPS 开发智能设计系统也是发展人本智造的重要内容之一。

（三）以人为本的产业模式变革

以智能服务为核心的产业模式变革是人本智造的主题。随着先进技术的推广应用，制造业将从以产品为中心向以用户为中心发生转变，产业模式从大规模流水线生产向规模定制化生产转变，产业形态从生产型制造向服务型制造转变。

例 5 ：某家电企业工业互联网平台。与传统制造和其他电商平台不同，该平台坚持以人为本、人单合一的理念。平台用户从产品交互、设计、采购、制造到服务全流程参与体验，且产品在用户使用过程中通过“网器”（该公司相对于传统“电器”提出的新概念）进行持续的交互和迭代，最大程度满足用户个性化需求。企业通过产品交互了解用户需求，把封闭的企业变成了生态系统，让用户、企业、资源能够全流程的创造价值；用户主动成为产品成长的重要组成部分，企业也实现了自身效益的增加和发展模式在行业内的复制推广。例如，该平台与某地合作建立建筑陶瓷产业基地，将原本“单打独斗”的 130 余家企业，通过平台集约化为 20 余家，在转型升级后，使得制造成本降低 10%，产能提升 20%。以人为本的产业模式变革实现了用户和企业的双赢 ［3］。

五、思考与建议

（一）政策层面

欧盟、美国、日本等国家和地区都十分重视人本智造的研究，如美国专门设立“人–技术前沿的未来工作”系列研究项目进行前瞻布局，这为我国发展人本智造带来了挑战和启示。建议人本智造及时对接国家相关战略，加强顶层设计；在智能制造试点示范、应用推广、宣传贯彻、教育培训方面，系统考虑人的因素，将以人为本的理念融入到智能制造标准体系建设和成熟度评价等工作中；更加重视人机协同标准化、人机任务分工和智能制造人员成熟度评价等工作。推动 HCPS 和人因工程等概念在智能制造实践中落地生根，促进人本智造在我国的深化发展。

（二）企业层面

从人的角度来看，智能制造企业需着重考虑并解决两个问题：如何用先进适用的技术延长员工的职业生涯，让那些体力逐渐下降而智力与经验仍处在高峰的员工，在技术的支持下继续贡献价值；如何用技术营造一种环境氛围，让年轻一代愿意从事制造业工作，并体会到智能制造工作和价值创造的乐趣。建议制造企业将“以人为本”作为发展智能制造的重要理念，重视员工的培训、教育与管理，并将此视为企业的战略性投资。企业进一步使用协作机器人来满足自己的需求，而不是全部采用传统机器人来“机器换人”。通过不断的尝试、磨合与调整，找到适合企业自身的人机搭配工作方式以不断地提高生产效率和增加经营利润。

（三）研究层面

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