一、前言
當今世界正處于百年未有之大變局，特別是新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的持續(xù)深度融合，深刻改變著全球制造業(yè)的發(fā)展形態(tài)。面對以智能制造技術(shù)為核心的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，世界各國或地區(qū)都在積極采取行動 [1,2]，推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以確保本國制造業(yè)在未來工業(yè)發(fā)展中占據(jù)有利地位（見表 1）。其中，智能制造成為各個國家或地區(qū)構(gòu)建本地域制造業(yè)競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵選擇。與此同時，各國學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也較多開展相關(guān)研究，為推進智能制造相關(guān)戰(zhàn)略計劃提供理論基礎 [1~5]。
表 1 世界各國或地區(qū)發(fā)布的工業(yè) / 制造業(yè)戰(zhàn)略計劃
近年來，我國不斷加快智能制造領域的發(fā)展步伐?！吨袊圃?2025》明確提出，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，按照“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”方針，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越 [1]。2017 年，國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》詳細闡述了人工智能（AI）的新特征，明確提出智能制造是新一代 AI 的重要應用方向。我國學術(shù)界提出了人–信息–物理系統(tǒng)（HCPS）的智能制造發(fā)展理論，并在此基礎上分析了智能制造的范式演變，指明了未來 20 年我國智能制造的發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線 [1~3]。
基于 HCPS 的智能制造發(fā)展理論，以人為本的智能制造（人本智造）正逐漸引起學界和業(yè)界的普遍關(guān)注，有望成為智能制造的重要發(fā)展方向。本文著重分析人本智造的發(fā)展背景，闡述人本智造的內(nèi)涵與技術(shù)體系，研究人本智造的應用實踐，并在此基礎上提出推動人本智造發(fā)展的對策建議。
二、人本智造的發(fā)展背景
制造是人運用工具將原材料轉(zhuǎn)化為能夠滿足人們生產(chǎn)生活需要的產(chǎn)品和服務的過程。智能制造是提高這種轉(zhuǎn)化效率和質(zhì)量的手段，但智能制造不能為了智能而智能，而是要回歸到服務和滿足人們美好生活需求上來。因此，在整個制造生產(chǎn)活動中，人始終是最具有能動性和最具有活力的因素。
（1）人是智能制造的最終服務目標。智能制造借助新的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)方式的變革，進而實現(xiàn)更快、更靈活、更高效地為消費者提供各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和服務。隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，特別是移動互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、大數(shù)據(jù)、超級計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、機器學習、協(xié)作機器人、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實（VR/AR）等數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化技術(shù)，為人本智造提供了重要的技術(shù)支撐。同時，隨著消費者個性化需求的不斷提升，企業(yè)為了獲得更多的市場份額、提高市場競爭力，注重堅持以用戶為中心，通過運用先進技術(shù)和變革組織管理方式，不斷滿足消費者的個性化需求。因此，面對多樣化的市場需求，考慮到技術(shù)經(jīng)濟性和就業(yè)等因素，推進智能制造必須堅持“以人為本”的理念。
（2）人在智能制造實施過程中扮演關(guān)鍵角色。工業(yè)機器人是智能制造的重要組成部分，而傳統(tǒng)工業(yè)機器人存在一些不足，目前尚未充分滿足新的市場需求。例如，傳統(tǒng)機器人部署成本較高，單獨的機器人無法直接用于工廠的生產(chǎn)線，仍需諸多外圍設備的配套支持；雖然機器人本身具有較高的柔性和靈活性，但整個生產(chǎn)線的柔性一般較差。另外，中小企業(yè)限于資金條件，難以對生產(chǎn)線進行大規(guī)模改造，且對產(chǎn)品的投資回報率更為敏感，這就要求機器人具有較低的綜合成本、快速的部署能力、簡便的使用方法，但目前很難在成本可控的情況下給出滿意的解決方案。如果由人類承擔對柔性、觸覺、靈活性等要求比較高的工作環(huán)節(jié)，機器人則利用其快速精準的優(yōu)勢來負責重復性和程序化的工作環(huán)節(jié)，那么這種人機協(xié)作將會為中小企業(yè)提供一個較好的解決方案。此外，如果通過機器人技術(shù)增強勞動力水平達到降低成本和提高競爭力的目的，還可以為社會創(chuàng)造更多的工作機會。
（3）人在未來智能制造發(fā)展過程中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。智能制造的實際需求在不同行業(yè)或不同企業(yè)之間存在著較大差異，并不是所有行業(yè)、所有工廠都需要完全自動化或完全無人化，因而推進智能制造需考慮技術(shù)經(jīng)濟性的問題。例如，與汽車行業(yè)不同，航空、航天、船舶和建筑等行業(yè)由于任務和過程復雜性，目前尚未實現(xiàn)完全自動化和無人化，而是更多地依賴人機合作、人的知識經(jīng)驗的積累以及人的主觀能動性的發(fā)揮。因此，制造的未來并不是追求純粹的無人工廠，而是要以人為核心，使人在先進技術(shù)的支持下從事更有價值、更有樂趣的工作，同步為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益。
三、人本智造的內(nèi)涵與技術(shù)體系
人本智造，就是將以人為本的理念貫穿于智能制造系統(tǒng)的全生命周期過程（包括設計、制造、管理、銷售、服務等），充分考慮人（包括設計者、生產(chǎn)者、管理者、用戶等）的各種因素（如生理、認知、組織、文化、社會因素等），運用先進的數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化技術(shù)，充分發(fā)揮人與機器的各自優(yōu)勢來協(xié)作完成各種工作任務，最大限度實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量、確保人員身心安全、滿足用戶需求、促進社會可持續(xù)發(fā)展的目的。
人本智造體現(xiàn)的是一種重要的發(fā)展理念，同時代表了未來智能制造發(fā)展的一個重要方向。人本智造并不特指某個單一的制造模式或者范式，在其發(fā)展進程中還會出現(xiàn)大量的制造新模式、新業(yè)態(tài)，如共享制造、社會化制造、可持續(xù)制造等。目前對人本智造的研究尚處于起步階段，但可以預計，相關(guān)定義、內(nèi)涵和特征仍將不斷演化拓展。
（一）智能制造中人的因素
從智能制造全生命周期 [6] 的角度來看，智能制造中的人的因素包括人的作用、人機關(guān)系、人體工效學、認知工效學、組織工效學（見圖 1），具體闡述如下。
圖 1 智能制造系統(tǒng)與人的因素
1. 人的作用
人的作用主要體現(xiàn)為人在智能制造系統(tǒng)中的不同角色、作用及工作類型等。從智能的角度看，人的作用集中體現(xiàn)在知識創(chuàng)造和流程創(chuàng)造方面，正是基于人的經(jīng)驗、才智、知識等的持續(xù)沉淀和不斷實踐，制造的智能水平才得以不斷優(yōu)化和提升。
國內(nèi)外學者對智能制造中人的關(guān)鍵地位、決定性作用以及人的因素的重要性進行了分析，認為只有將先進技術(shù)、人和組織集成協(xié)同起來才能真正發(fā)揮作用，進而產(chǎn)生效益 [7,8]。周濟等 [1,2] 提出了 HCPS 的概念，認為在 HCPS 中人起著主宰作用：物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)都是由人設計并創(chuàng)造出來的，分析計算與控制的模型、方法和準則等都是由研發(fā)人員確定并固化到信息系統(tǒng)中的，整個系統(tǒng)的目的是為人類服務，人既是設計者、操作者、監(jiān)督者也是智能制造系統(tǒng)服務的對象。美國通用電氣公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)報告中指出，人是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的重要要素之一 [4]。Nunes 等 [9] 認為，人在信息–物理系統(tǒng)（CPS））中的作用包括數(shù)據(jù)獲取、狀態(tài)推斷、驅(qū)動、控制、監(jiān)測等方面。Madni 等 [10,11] 認為， HCPS 中人的作用包括人不在控制回路的監(jiān)測、人不在控制回路的監(jiān)測指導、人在回路的控制。 Jin 等 [12] 將 HCPS 中人的角色總結(jié)為操作者、代理人、用戶以及傳感終端等。
2. 人機關(guān)系
人機關(guān)系指人類在生產(chǎn)生活過程中，持續(xù)改造自然、社會和人類本身，并與勞動對象和生產(chǎn)工具發(fā)生聯(lián)系，如人機交互、人機合作等。在智能制造系統(tǒng)人的因素研究中，通常會涉及人機關(guān)系問題，目前國際上的代表性工作有人與機器人的關(guān)系問題、第四代操作工（Operator 4.0）、人與 CPS 的關(guān)系研究以及以人為中心的智能制造系統(tǒng)研究等。例如，Romero 等 [13] 在 HCPS 語義下提出了 Operator 4.0 概念并展望了發(fā)展前景，認為 Operator 4.0 理念有助于實現(xiàn)人機共生和可持續(xù)制造。Operator 4.0 具體分為：分析操作工、增強現(xiàn)實操作工、協(xié)作操作工、健康操作工、智能操作工、社交操作工、超強操作工和虛擬操作工等 [14]。
國內(nèi)外研究均高度重視智能制造系統(tǒng)中人的不可替代作用，同時闡述了智能制造系統(tǒng)中人的作用和人機關(guān)系等研究的重要意義。隨著制造系統(tǒng)智能化的推廣應用，人在整個系統(tǒng)中的角色將逐漸從“操作者”轉(zhuǎn)向“監(jiān)管者”，成為影響制造系統(tǒng)能動性最大的因素。在勞動力有限、人力成本增加的情況下，有必要優(yōu)化人員配置，改進人工操控與機器運作之間的匹配性，進而實現(xiàn)高效協(xié)作。
3. 人因工程 / 人類工效學
人因工程 / 人類工效學，指綜合運用生理學、心理學、計算機科學、系統(tǒng)科學等多學科的研究方法和手段，致力于研究人、機器、工作環(huán)境之間的相互關(guān)系和影響規(guī)律，以實現(xiàn)提高系統(tǒng)性能，確保人的安全、健康和舒適等目標的學科 [15]；可細分為人體工效學、認知工效學和組織工效學等。
人因工程 / 人類工效學主要有三方面的研究內(nèi)容。①傳統(tǒng)的人體工效學研究包括工作姿勢、重復動作、工作地點布局、工作疾病、員工安全等；而在智能制造系統(tǒng)中，人體工效學研究涉及部分工作和動作自動化、人的安全、可穿戴設備等[16]。②認知工效學關(guān)注的是心理過程，研究內(nèi)容包括腦力負荷、決策、工作壓力、人的可靠性以及技能表現(xiàn)等；在智能制造語義下，相關(guān)研究進展包括虛實融合、信息技術(shù)減輕認知壓力、技術(shù)儲備等 [17~19]；此外，感知、模擬仿真、AI、云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等技術(shù)發(fā)展的主要目的也是在于提高或模擬增強人的各種認知能力，因而也屬于認知工效學的研究范疇。③組織工效學關(guān)注的是社會技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)化，包括工作設計、人員資源管理、團隊合作、虛擬組織以及組織文化等內(nèi)容；在智能制造系統(tǒng)中，相關(guān)研究進展包括組織結(jié)構(gòu)扁平化、更新工作設計方式、產(chǎn)用融合等。
（二）人本智造的技術(shù)體系
基于 HCPS 理論，本文提出的人本智造的三層參考架構(gòu)如圖 2（a）所示，包含單元級智能制造、系統(tǒng)級智能制造、系統(tǒng)之系統(tǒng)級智能制造。其中，單元級智能制造的技術(shù)體系如圖 2（b）所示，主要包括機器智能技術(shù)（如智能感知、智能決策、智能控制、學習認知等）、制造領域技術(shù)（如切削加工、焊接、增材制造等）、人機協(xié)同技術(shù) / 人機關(guān)系三方面。在單元級智能制造的基礎上，通過工業(yè)網(wǎng)絡集成、物聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺等技術(shù)，可構(gòu)建系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)級智能制造（如智能車間、智能產(chǎn)線、智能工廠等），從而實現(xiàn)制造資源與人力資源在更大范圍上的優(yōu)化配置。
圖 2 人本智造的技術(shù)體系示意圖 [2,3,5]
注：HPS 表示人–物理系統(tǒng)；HCS 表示人–信息系統(tǒng)。
在人本智造系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)主要是與人一起，對物理系統(tǒng)進行必要的感知、認知、分析決策與控制，從而使物理系統(tǒng)（如機器、加工過程等）以盡可能最優(yōu)的方式運行，包括認知層面、決策層面以及控制層面的人機協(xié)同等；還需考慮人體工效學、認知工效學、組織工效學等內(nèi)容。人本智造的相關(guān)技術(shù)主要有以人為本的設計、控制、 AI、計算、自動化、服務、管理等。其中，以人為本的設計也稱“參與式設計”，在設計中注重人的思維、情感和行為，是一種創(chuàng)新性的解決問題的方法；始終關(guān)注最終用戶的需求，并將其作為數(shù)字設計過程的中心。以人為本的 AI 則強調(diào) AI 的發(fā)展應以 AI 對人類社會的影響為指導，更多融入人類智慧的多樣性、差異性和深度性，以增強人類技能而非取代人類。
四、人本智造的應用實踐
人本智造是一個大系統(tǒng)，可從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎 4 個維度來進行認識和理解。其中，以人為本的智能產(chǎn)品是主體，以人為本的智能生產(chǎn)是主線，以人為本的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題，HCPS 和人因工程是基礎（見圖 3）。在前文闡述人因工程和 HCPS 的基礎上，聚焦應用層面，對以人為本的智能產(chǎn)品、以人為本的智能生產(chǎn)、以人為本的產(chǎn)業(yè)模式變革展開討論。
圖 3 “人本智造”的 4 個維度
（一）以人為本的智能產(chǎn)品
智能制造的主體包括產(chǎn)品、制造裝備，其中產(chǎn)品是智能制造的價值載體，制造裝備是實施智能制造的前提和基礎。這里的“以人為本”指智能產(chǎn)品和裝備的服務目的在設計之初就應充分考慮人的需求和人的因素，尤其是直接面向廣大消費者的智能產(chǎn)品。同時，在智能工業(yè)裝備的設計之初需要充分考慮人工干預的可能情況，在設計上留有權(quán)限和空間。
例 1：某品牌手機。該公司采用“互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)”模式引領了“創(chuàng)客”設計模式的新潮流，成為目前按銷售額計算成長最快的公司之一，2018 年銷售額超過 1700 億元。基于“互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)”模式，研發(fā)人員通過微博、微信、論壇等渠道匯集用戶需求并對產(chǎn)品進行改進；手機系統(tǒng) 80% 的更新需求是根據(jù)網(wǎng)友建議產(chǎn)生的，而有 33% 的系統(tǒng)更新是由用戶直接研發(fā)的 [1]。
（二）以人為本的智能生產(chǎn)
制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化是生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，推動制造業(yè)逐步向智能化集成制造系統(tǒng)方向發(fā)展。在此過程中，需要堅持以人為本，全面提升產(chǎn)品設計、制造和管理水平，構(gòu)建智能企業(yè)。以人為本的智能生產(chǎn)應用實踐包括人機合作設計、人機協(xié)作裝配、以人為本的生產(chǎn)管理等。實際上，智能優(yōu)化設計、智能協(xié)同設計、基于群體智能的“眾創(chuàng)”設計等都是以人為本智能設計的重要內(nèi)容，而基于 HCPS 開發(fā)智能設計系統(tǒng)也是發(fā)展人本智造的重要內(nèi)容之一。
例 2 ：基于深度學習的人機合作設計?？▋?nèi)基梅隆大學的 Raina 等 [20] 采用深度學習方法提取人類設計策略和隱性規(guī)則，由此訓練機器以更好地協(xié)助人類進行設計活動。事實上，人類有很強的策略 / 方法遷移能力，可以依靠已有經(jīng)驗解決相似問題，但機器在這方面就遜色很多。Raina 等 [21] 嘗試對人類的這種遷移過程進行建模，提出了一種概率模型，可以有效地將人類的經(jīng)驗遷移策略轉(zhuǎn)移到機器上，從而更高效地幫助人類進行設計。
例 3：人機協(xié)作裝配。針對部分行業(yè)或工藝過程不能完全部署機器人的實際情況，瑞典皇家理工學院 Wang Lihui 團隊在歐盟科研框架計劃“地平線 2020”的資助下，開展了人機共生協(xié)作裝配項目（SYMBIO-TIC）研究 [22]。項目聚焦人機協(xié)作裝配，主要研究傳感與通信、主動防碰撞、動態(tài)任務規(guī)劃、適應性機器人控制、移動式工人輔助等，旨在確保工人安全參與人機高效協(xié)作；已與多家汽車公司和機器人公司開展應用合作。
例 4 ：精益模式。作為技術(shù)管理、精益制造、精益產(chǎn)品研發(fā)認證等課程的共同創(chuàng)辦人，美國密西根大學 Jeffrey Liker 認為精益模式的核心內(nèi)涵在于持續(xù)改進與尊重人。尊重人的實質(zhì)就是以人為本，即重視公司文化、全員參與、標準化，發(fā)展信奉公司理念的杰出人才與團隊，不斷反思與持續(xù)改善、建設學習型組織等。從精益模式可以看出，以人為本的管理是企業(yè)重要的發(fā)展戰(zhàn)略，人是企業(yè)內(nèi)部發(fā)展的生命力與創(chuàng)造力，是企業(yè)最寶貴的資源。
（三）以人為本的產(chǎn)業(yè)模式變革
以智能服務為核心的產(chǎn)業(yè)模式變革是人本智造的主題。隨著先進技術(shù)的推廣應用，制造業(yè)將從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)模式從大規(guī)模流水線生產(chǎn)向規(guī)模定制化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)形態(tài)從生產(chǎn)型制造向服務型制造轉(zhuǎn)變。
例 5 ：某家電企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。與傳統(tǒng)制造和其他電商平臺不同，該平臺堅持以人為本、人單合一的理念。平臺用戶從產(chǎn)品交互、設計、采購、制造到服務全流程參與體驗，且產(chǎn)品在用戶使用過程中通過“網(wǎng)器”（該公司相對于傳統(tǒng)“電器”提出的新概念）進行持續(xù)的交互和迭代，最大程度滿足用戶個性化需求。企業(yè)通過產(chǎn)品交互了解用戶需求，把封閉的企業(yè)變成了生態(tài)系統(tǒng)，讓用戶、企業(yè)、資源能夠全流程的創(chuàng)造價值；用戶主動成為產(chǎn)品成長的重要組成部分，企業(yè)也實現(xiàn)了自身效益的增加和發(fā)展模式在行業(yè)內(nèi)的復制推廣。例如，該平臺與某地合作建立建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)基地，將原本“單打獨斗”的 130 余家企業(yè)，通過平臺集約化為 20 余家，在轉(zhuǎn)型升級后，使得制造成本降低 10%，產(chǎn)能提升 20%。以人為本的產(chǎn)業(yè)模式變革實現(xiàn)了用戶和企業(yè)的雙贏 [3]。
五、思考與建議
（一）政策層面
歐盟、美國、日本等國家和地區(qū)都十分重視人本智造的研究，如美國專門設立“人–技術(shù)前沿的未來工作”系列研究項目進行前瞻布局，這為我國發(fā)展人本智造帶來了挑戰(zhàn)和啟示。建議人本智造及時對接國家相關(guān)戰(zhàn)略，加強頂層設計；在智能制造試點示范、應用推廣、宣傳貫徹、教育培訓方面，系統(tǒng)考慮人的因素，將以人為本的理念融入到智能制造標準體系建設和成熟度評價等工作中；更加重視人機協(xié)同標準化、人機任務分工和智能制造人員成熟度評價等工作。推動 HCPS 和人因工程等概念在智能制造實踐中落地生根，促進人本智造在我國的深化發(fā)展。
（二）企業(yè)層面
從人的角度來看，智能制造企業(yè)需著重考慮并解決兩個問題：如何用先進適用的技術(shù)延長員工的職業(yè)生涯，讓那些體力逐漸下降而智力與經(jīng)驗仍處在高峰的員工，在技術(shù)的支持下繼續(xù)貢獻價值；如何用技術(shù)營造一種環(huán)境氛圍，讓年輕一代愿意從事制造業(yè)工作，并體會到智能制造工作和價值創(chuàng)造的樂趣。建議制造企業(yè)將“以人為本”作為發(fā)展智能制造的重要理念，重視員工的培訓、教育與管理，并將此視為企業(yè)的戰(zhàn)略性投資。企業(yè)進一步使用協(xié)作機器人來滿足自己的需求，而不是全部采用傳統(tǒng)機器人來“機器換人”。通過不斷的嘗試、磨合與調(diào)整，找到適合企業(yè)自身的人機搭配工作方式以不斷地提高生產(chǎn)效率和增加經(jīng)營利潤。
（三）研究層面
從研究現(xiàn)角看，HCPS 與人本智造、面向智能制造的人因工程、協(xié)作機器人等方面需進一步加強探索。高度重視 HCPS 科學與技術(shù)體系的構(gòu)建與完善，在智能制造領域推廣應用 HCPS，由此大力發(fā)展人本智造。相關(guān)理論與應用研究應包括以人為本的設計、產(chǎn)品、自動化、AI、生產(chǎn)、工廠、服務等。重視智能制造系統(tǒng)中的人體工效學、認知工效學、組織工效學等人因工程的研究，致力實現(xiàn)自然科學與社會科學的良性互動。此外，協(xié)作機器人、共融機器人是重要的研發(fā)方向，人與信息物理系統(tǒng)的交互、人的數(shù)字孿生、人在回路的控制是亟待加強的研究課題。
