工业4.0环境下的人因与工效学

廖光继 易树平 周佳 温沛涵 熊世权

摘 要：工业4.0的提出，云平台、大数据、物联网等技术的发展与应用，对各个学科和领域的研究与应用均产生重大影响。对人因与工效学学科而言，环境的智慧化，将从根本上改变人的交互方式与交互行为，建构该领域新的研究基础，提出新的研究课题。从智慧环境、智慧设备和智慧工件的定义与讨论出发，提出智慧人因与工效学的架构，并展望了工业4.0环境下的智慧化人机交互、智慧工作空间与环境、工作与任务、以及智慧组织与管理等应用情景。

关键词：工业4.0；智慧工厂；智慧生产；人因与工效学

中图分类号：C 939 文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2016）03-0270-06

0 引 言

人类在此之前共经历过三次工业革命[1-3]：18世纪末引入蒸汽机动力的“工业1.0”，机械生产代替手工生产，促使手工劳动向机械动力劳动转变，实现由以农业、手工业为基础的经济社会向以工业以及机械制造业带动经济社会发展的转型；20世纪初以电气化为基础的“工业2.0”，电的发现及电动机的发明，电力作为新的动力能源代替蒸汽动力，并驱动产品大规模生产，通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产新模式；始于20世纪70年代建立在IT技术和信息化之上的“工业3.0”，电子与信息技术的广泛使用，使制造过程向智能自动化发展，机器逐步代替人类作业，不仅减少人的体力和脑力劳动，而且提高了控制速度和精度，促使生产效率以及产品质量进一步提高。而“工业4.0”这一概念问世于2011年4月，由德国Wolf-gang Wahlster教授于2011年汉诺威工业博览会上首次提出。德国“工业4.0”指利用物联信息系统（CPS）将生产中供应、制造、销售信息等数据化、智能化，从而达到快速、有效、个性化产品效应，其核心是“智慧+网络化”[4]。

人因與工效学是实践工业4.0的基石，其研究本质是研究人、机、环境三者的相互关系和作用[5]。20世纪初，美国人泰勒（F.W. Taylor）进行了铁铲实验及时间研究实验，同一时期，吉尔布雷斯夫妇（F. B. Gilbreth and L. M. Gilbreth）通过动作研究创立了利用动素分析改进操作动作的方法，这段时期被认为是人因与工效学的萌芽时期，之后人因与工效学经历兴起时期、成长时期以及发展时期，到如今已经成为应用极其广泛的学科。人因与工效学主要目的是寻找使处于不同条件下的人都能高效、安全、健康、舒适地工作和生活的最优解决方案，实现人、机、环境之间的最佳匹配[6]。该学科目前已被广泛应用于航空、制造、核电和军事等行业，以改善系统和服务[7]。

在工业4.0的浪潮下，作为研究基础的人、机、环境发生了巨大变化，人因与工效学如何变革以适应时代的发展，这正是文章讨论的要点。

1 工业4.0

1.1 工业4.0内涵

工业的高速发展及人类过度的资源使用与浪费，致使资源出现枯竭现象。此外，大量的工业化生产还造成环境污染。现有的制造方式造成气候变暖及资源枯竭，难以为继。为解决这一全球性挑战，工业4.0应运而生。因此，工业4.0的第一个内涵是智慧化、绿色化以及人性化[8]。随着客户需求的变化，对产品追求逐渐个性化，而传统生产方式难以大批量生产个性化或定制化产品。工业4.0环境下的智慧工厂以生产精密、高质量以及个性化智慧产品为目标，使单件小批量生产达到大批量生产时的效率与成本。既可对企业客户实行大规模小批量定制，亦可对个体用户实行小批量单品定制。从原材料到最终产成品间的物流运输系统由智慧物流完成。如图1所示。

绿色化首先是指利用可替代、非传统的清洁能源，一方面可减少传统能源消耗，有效缓解资源枯竭；另一方面产生更少的污染物，有效保护环境。其次，在产品全生命周期内，无论产品的制造、使用及废弃过程对环境影响小，且可回收再循环使用，实现可持续发展。

工业4.0第二个内涵是网络化与信息物理深度融合。工业4.0是由大数据、云平台、物联网等技术驱动的制造，通过信息与物理系统的深度融合，利用移动终端与无线通信，实现虚拟网络世界与现实世界无障碍沟通，使设备和人可在空间与时间上分离，通过IT控件使设备与设备、设备与工件间可以通讯，处于不同地点的生产设施可以集成。

1.2 工业4.0特性

德国工业4.0是通过信息物理系统实现制造业由信息化向智慧化转变，其特性主要体现在互联性、创新性、集成性以及大数据4个方面。

1.2.1 互联性

工业4.0在物联网等技术支持下可实现万物互联，包括设备间互联，设备与工件互联，虚拟与现实互联，人与人互联。设备间互联主要是通过物联网技术，将车间和工厂内不同功能的智能设备连接，此外不同地域的设备间亦可互联。设备与工件互联是以IT控件为媒介，实现设备与加工工件间的交流。设备通过IT控件读取加工工件的下一步加工指令，使整个生产系统更加智慧，从而实现智慧生产。信息物联系统作为工业4.0的技术支持，其通过将单机智能设备联网，使智能设备具有自适应、自诊断、自修复和远程协助等功能[9]。

1.2.2 大数据

工业4.0的大数据是指从原材料到产品销售、顾客使用整个过程中产生的与产品相关的大量数据。如产品数据、运营数据、价值链数据、外部数据等，企业需要对这些海量数据进行收集、处理并反馈，建立相应的应用机制。

1.2.3 集成性

工业4.0通过信息物理系统将生产系统中的生产设备、控制系统以及IT控件连接，进而形成一个智慧网络，以此实现工业的横向、纵向以及端对端高度集成。纵向集成指实现工厂内部从产品设计、生产制造、物流运输、产品销售以及设备的使用维护等环节信息无缝连接。通过价值链及网络实现企业间的横向集成，使企业内部信息集成向产业链信息集成转变，促进企业间合作的紧密性。端对端集成可更灵活的配置生产，并可通过提供更差异化的管理和控制过程来拓展机会。

1.2.4 创新性

工业4.0的实施过程是制造业创新发展的过程，制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将层出不穷。技术创新是智慧工厂坚定的技术基础，产品创新即实现产品的智能化，使具有感知、存储、及传输等功能。模式创新促使生产模式由大批量生产向个性化定制生产转变。

2 人因与工效学

人因与工效学是从20世纪50年代开始迅速发展的一门新兴交叉学科。该学科在美国称为“Human Factors Engineering”或“Human Engineering”，西欧国家称为“Ergonomics”。前者传统上更关注人机界面，研究人与设备及环境交互时的行为，注重人与系统交互时的需求、能力及局限性，以此设计安全、舒适的交互系统（工作系统）；而后者则更关注工作对人的影响，重点是通过工作任务设计降低工人工作负荷，减少疲劳，以符合人的工作能力范围[10]。但随着两者的融合与发展，其意义与研究范畴已基本统一。我国关于该学科的命名已出现多种，如人体工程学、人机工程学、工程心理学、人类工效学、人类工程学、人的因素等。国际人类工效学学会（International Ergonomics Association， 简称IEA）将该学科定义为：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题。人因与工效学的研究聚焦于人以及人与日常生活和工作中使用的产品、设备、设施、流程和环境之间的相互关系。其强调人本身，以及物品设计如何影响人。人因与工效学的研究方法是将与人的能力、极限、特征、行为和动机相关的信息系统应用到人们使用的物品、流程以及环境的设计中。具体方法有描述性研究、实验研究以及评估研究[11]。該学科本质是研究人-机-环境三者之间的相互关系和作用，在工业4.0环境下，云平台、大数据、物联网等先进技术的出现与应用，人、机、环境都发生了诸多改变，为本门学科提出了许多新的研究领域与问题。

3 工业4.0环境下人因与工效学的改变

工业4.0环境下，云平台、大数据及物联网技术的推动，促使智能向智慧转变。现有智能的定义主要是采用人工智能的定义，即主要根据已有规则，启发式算法推理计算，使控制对象具有高等动物的推理、判断和学习等能力。而本文提出的智慧的定义是指在智能的基础上，使控制对象具有人的创造能力及主观能动性。在智慧工厂与智慧生产环境下，环境、设备以及工件向智慧环境、智慧设备以及智慧工件转变。

3.1 智慧环境

在工业4.0环境下，智慧环境指能够获取和应用信息的环境。可实现生活、工作、制造环境的智慧调节，保持最佳的生活条件与最适合的生产条件。智慧环境可应用于诸多场景，如智慧生活系统、智慧老年人护理系统、智慧商圈、智慧城市等。利用有线/无线网络、IT控件、物联网技术、各式可穿戴设备、大数据、云计算等建立人与环境互动机制，以此增加生活的便利性以及改善生活品质。例如：在智慧生活系统中，通过网络将各式家电及IT控件连接，实现对生活环境或工作环境中的温度、湿度、照明、人体状态等的监控。此外，所有家电于IT控件被智能终端管控，智能终端可根据实时监控数据进行智慧调节，并可利用人脸识别技术完成个性化调节，如图2所示。在智慧老年人护理系统中，通过物联网等技术，老人可在家疗养以及远距离问诊；利用可穿戴式设备对老年人进行24小时的生理与心理状态监测，当老人生理或心理状态出现问题时，系统会自动拨打急救电话并向老人子女发送紧急信息。

3.2 智慧设备

智慧设备是指在大数据、云平台、物联网等技术支撑下，设备可自行对信息进行采集及分析处理，并针对分析结果自行调整。智慧设备可应用于设备预防性维护、设备剩余能力管理、智慧泊车等场景。例如，水电站每隔一段固定时间就需要对其在役的发电机组进行检修，每次检修需花费高达上千万的费用。有时固定检修时发现发电机组设备状态良好，不需要进行检修，此时就产生了不必要的检修费用。由于一个或数个梯级水电站局设备数量少，所得的历史数据也较少，进行预防性维修困难。在工业4.0环境下，设备都通过物联网与互联网进行连接，因此，发电机组的生产厂商可以获取其生产的所有在役发电机组的运行大数据，并可将某一指定发电机组的历史运行状态数据与该品牌所有在役设备的运行状态数据进行大数据分析，精准地确定该发电机组的设备状态并给出其需要检修的准确时间，从而做到设备的预防性检修。在设备剩余能力管理中，智慧设备可根据历史生产数据、现行生产状况以及订单数量，对整条生产线的产能进行计算，当产能过剩时将多余的产能出售，获得利益；当产能不足时，系统可自行修改生产计划，提高产线的生产能力。

3.3 智慧工件

在生产过程中，加工工件与加工设备存在匹配关系，设备是固定的，而工件是动态的。传统加工过程中，工件处于被动状态，在整个生产流程中只能被工人或设备控制，被动的完成整个加工过程。在工业4.0环境下，智慧工件不再是被动的，智慧工件与智慧设备之间可沟通交流，形成信息共享。智慧工件可应用于智慧库存管理、定制化生产、智慧防错系统等场景。例如，工件上IT控件的加入，使加工工件智慧化，每个工件上的IT控件记录着该工件的加工指令。加工过程中，当工件到达某一工序时，智慧设备与智慧工件进行信息交流，获取该工件在当前工序的加工指令，进而对工件进行加工，从而实现定制化生产。

智慧环境、智慧设备和智慧工件的出现最终使人的行为、在组织中的角色等因素发生改变，需要新的人因与工效学理论。

4 智慧人因与工效学

工业4.0的3大技术：

1）数据来源广泛、分类精细、相关性强、实时更新、时间连续的大数据技术；

2）数据集中统一、服务安全可靠、功能强大、实时在线的云平台技术；

3）全时、全域互联的物联网技术对生理人因学、认知人因学以及组织人因学的研究均产生重大影响，具体体现在人机交互，任务与工作设计，个性化设计，安全、健康、舒适度设计，组织与管理等方面。

3大技术促使传统人因与工效学向智慧人因与工效学变革。

4.1 工业4.0环境下的智慧人机交互

传统的设备与工件向智慧设备与智慧工件变革的同时，人与设备、工件之间的交互方式也发生着改变。工业4.0环境下，所有生产设备、加工工件上安装的IT控件以及工作人员的可用设备都通过网络连接于企业私有云，并被同一个智能终端所管控。在智慧人机交互情景下，将由智慧设备根据实时信息引导，主动在需要的时候选择最适合的对象，提出交互请求，并且交互方式也是多维的。由于所有设备连网，交互可在多种环境下展开，既可以远程用移动智能设备交互，也可现场交互；既可利用键盘、触屏等输入设备交互，亦可以语音识别、手势控制等方式交互。此外，智慧设备的基础决策能力及信息可视化呈现，将使人们摆脱枯燥程式化的决策，而转向更为高级的直觉、创新型决策，工作性质、内容和负荷均会发生根本性变化。如图3所示。

4.2 工业4.0环境下的智慧工作空间与环境

利用互联网技术将工作/生活环境中各式家电、传感器及工作人员的可穿戴设备连接，且由统一的智能终端管控，各式设备产生的大量数据存储于企业私有云。以往的工作/生活环境无法根据个人特性完成调节，需要人为调节。例如，空调系统不能自主根据当前室温及人体身体状况调节室内温度。而在智慧工作空间与环境下，大量传感器实时收集环境数据，人脸识别技术可记忆个人特性，可穿戴设备对人体状态进行监控与数据收集，三者结合实现环境自我微调（调节室内的温度、湿度、亮度、噪声等），体现个性化环境调节并提供健康科学的工作/生活环境。如图4所示。

4.3 工业4.0环境下工作与任务

工业4.0工环境下，利用大数据、物联网等技术，可通过智能终端对员工进行测控。智能终端可对员工的工作习惯及操作做出提示，当员工存在不正规操作时将自动语音提醒操作者，并终止其操作，形成行为规范管控。另一方面，员工任务侧重点发生改变，如由获取信息转变为理解信息，筛选信息转变为整合信息。且常规工作减少，但设计类工作增加。如图5所示。

4.4 工业4.0环境下智慧组织与管理

面临智慧化的环境，企业的组织与管理形式也需做出相应的调整。物联网等技术带来的万物互联促使企业组织结构逐渐向扁平式网络组织变化，组织中层级化减少，个体权责加重。此外，在智慧组织与管理中，员工考勤制度取消，无需每天到企业办公，可选择在家、在外或途中办公，个体自主性增强，企业员工自我安排工作内容与计划等，企业管理变的更加灵活。再者，领导者对个体的信任度增强，强调企业员工的自我管理，考核制度向目標考核与过程分析相结合转变。如图6所示。

5 结 论

工业4.0环境下，云平台、大数据以及物联网等技术促使智能向智慧转变。人、机、环境三者作为人因与工效学的研究基础，在工业4.0环境下都将发生改变。传统的设备与环境向智慧设备与智慧环境转变，将改变与人机的交互方式与交互行为。人因与工效学研究基础的改变必将给该学科带来新的研究领域和问题。从交互角度，智慧人机交互过程将由机器按需发起并选择交互对象，人可在多种环境下借助多维交互手段参与，人的工作内容、性质和负荷都将发生本质变化；从环境角度，智慧工作空间与环境可实现对不同主体或主体群的个性化、自适应配置；从任务角度，智慧环境、设备和工件将极大减少人的常规性任务，创新、创意性任务增加；从组织角度，扁平化网络组织将成为常态，员工权责分配与相互合作关系将有重大改变。以上种种变化，将掀起本学科领域新的研究热潮。

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