智能制造中的人-信息-物理系統(tǒng)協(xié)同的人因工程

新一代互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的不斷發(fā)展為我國(guó)智能制造的發(fā)展持續(xù)注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力。過(guò)分追求信息化、數(shù)字化的生產(chǎn)模式已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)車(chē)間柔性化、用戶(hù)個(gè)性定制化等復(fù)雜作業(yè)的需求，智能制造中的難點(diǎn)開(kāi)始凸顯，因此生產(chǎn)趨勢(shì)急需改變，人作為關(guān)鍵因素不能再被忽視。工業(yè)５.０的概念逐漸引起人們的重視，作為工業(yè)４.０的延續(xù)和補(bǔ)充，工業(yè)５.０除了注重產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和自動(dòng)化水平提升，又將人置于制造業(yè)中心，讓技術(shù)主動(dòng)服務(wù)和適應(yīng)人，并更注重人的價(jià)值和感受。以人為中心的智能制造要考慮工人的安全感和幸福感，打消工人對(duì)工業(yè)革命浪潮帶來(lái)的“機(jī)器換人”的擔(dān)憂(yōu)和顧慮，讓勞動(dòng)力重回工廠。在汽車(chē)行業(yè)，由于頻繁變更的車(chē)型，企業(yè)需要制造系統(tǒng)具備更加柔性化的部署，以滿(mǎn)足智能制造面臨的小批量、多品種的生產(chǎn)需求。在３Ｃ行業(yè)，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期通常在１到２年，這導(dǎo)致生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)常需要改造，部署調(diào)整成本高。因此無(wú)論是考慮生產(chǎn)周期還是實(shí)施成本，僅依靠工業(yè)機(jī)器人很難滿(mǎn)足這些行業(yè)的生產(chǎn)需求。作為一種模塊化的小型智能化工廠實(shí)踐，整個(gè)智能生產(chǎn)單元由自動(dòng)化模塊、信息化模塊和智能化模塊組成，包含設(shè)備、機(jī)器人、ＡＧＶ、網(wǎng)絡(luò)、信息數(shù)據(jù)等。智能生產(chǎn)單元將人作為關(guān)鍵因素，由人負(fù)責(zé)對(duì)柔性、觸覺(jué)、靈活性要求比較高的工序，機(jī)器人則利用其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)來(lái)負(fù)責(zé)重復(fù)性的工作，以“最小的智能化工廠”實(shí)現(xiàn)多品種、小批量的生產(chǎn)智能化。如何落實(shí)人機(jī)交互生產(chǎn)模式，將操作人員、機(jī)器人和輔助設(shè)備等進(jìn)行模塊化、集成化、一體化的聚合，通過(guò)人與機(jī)器人的協(xié)調(diào)合作，充分發(fā)揮機(jī)器人的效率及人類(lèi)的智能，使制造系統(tǒng)具備多品種、小批量產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)輸出能力，已成為解決當(dāng)前智能制造發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。因此，開(kāi)展人機(jī)交互的生產(chǎn)模式，使人和機(jī)器和諧共處，滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品個(gè)性定制化的需求，打消工人對(duì)失業(yè)的擔(dān)憂(yōu)，使人回歸制造業(yè)。本文著重分析智能制造系統(tǒng)中的人機(jī)協(xié)同需求與人機(jī)交互鴻溝，從行為、意圖、認(rèn)知三個(gè)層次闡述人因工程在縮小人機(jī)交互鴻溝、實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作中的重要性，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)字孿生、混合現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，提出面向智能制造的人機(jī)交互的人因工程發(fā)展建議。１智能制造中的人機(jī)協(xié)同智能制造的藍(lán)圖中，人機(jī)協(xié)同成為主流的生產(chǎn)和服務(wù)方式。由于人與“機(jī)”的深度協(xié)作，人在智能制造系統(tǒng)中的作業(yè)任務(wù)和要求都發(fā)生了巨大的變化。盡管人不再承擔(dān)重復(fù)性的工作，但仍是決策回路系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，始終處于主導(dǎo)地位。人機(jī)協(xié)同的深層內(nèi)涵是“人機(jī)智能融合”，它代表人與“機(jī)”需要共同完成指定任務(wù)。在完成動(dòng)態(tài)作業(yè)任務(wù)的過(guò)程中，制造系統(tǒng)需要與工作人員保持步調(diào)一致，面對(duì)動(dòng)態(tài)作業(yè)需求，進(jìn)行資源適配與自主協(xié)同，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)生產(chǎn)。ＺＨＯＵ等提出的人信息物理系統(tǒng)（ＨＣＰＳ）的智能制造發(fā)展理論，明確了以物理系統(tǒng)（機(jī)器、機(jī)器人、加工過(guò)程）為主體、以信息系統(tǒng)為主導(dǎo)、以人為決策主宰的技術(shù)體系（圖１）。圖１新一代人信息物理系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖通過(guò)信息系統(tǒng)遷移人的部分感知、分析和控制功能，替代人的大部分體力勞動(dòng)和部分腦力勞動(dòng)。人與物理系統(tǒng)的結(jié)合使整個(gè)制造系統(tǒng)具備較高的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)質(zhì)量。根據(jù)智能制造的人信息物理系統(tǒng)發(fā)展理論，智能制造人機(jī)協(xié)同中的“機(jī)”具有兩層含義：一是信息系統(tǒng)，即人與計(jì)算機(jī)等智能體、智能系統(tǒng)的交互；二是物理系統(tǒng)，即人與機(jī)器人、設(shè)備等物理實(shí)體的交互。本章從智能制造人機(jī)協(xié)同的需求出發(fā)，對(duì)人與信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)交互的研究重點(diǎn)進(jìn)行闡述，并梳理上述過(guò)程中存在的人機(jī)交互鴻溝。１.１人與信息系統(tǒng)的交互智能制造系統(tǒng)是建立在新一代信息技術(shù)之上、面向人機(jī)協(xié)同與生產(chǎn)過(guò)程自治的新一代ＨＣＰＳ。ＨＣＰＳ中的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)人與“機(jī)”的智能融合。在復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)任務(wù)下，信息系統(tǒng)如何通過(guò)數(shù)據(jù)與模型對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知、認(rèn)知、分析、決策與控制，并與人一起不斷優(yōu)化分配資源，進(jìn)行合理的任務(wù)決策與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源的在線(xiàn)適配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)需求的快速響應(yīng)與協(xié)同生產(chǎn)。數(shù)字孿生作為信息物理空間交互融合的有效手段，能更好地反映實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，使操作人員更好地了解系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，建立物理世界與虛擬世界的雙向動(dòng)態(tài)連接，為解決信息和物理系統(tǒng)的融合提供了有效途徑。柔性生產(chǎn)趨勢(shì)下，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的核心問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)人與制造系統(tǒng)的有效協(xié)同，尤其是針對(duì)信息系統(tǒng)的狀態(tài)感知。智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)必然產(chǎn)生復(fù)雜的信息系統(tǒng)，隨著數(shù)字孿生、深度學(xué)習(xí)、知識(shí)工程等在不同領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)人與制造系統(tǒng)數(shù)字孿生體的無(wú)縫銜接，使人通過(guò)信息系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，已成為實(shí)現(xiàn)人與“機(jī)”智能融合的又一關(guān)鍵問(wèn)題。１.２人與物理系統(tǒng)的交互物理系統(tǒng)主要指智能制造系統(tǒng)中的智能設(shè)備及機(jī)器人。隨著機(jī)器人與自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人憑借控制精度高、反應(yīng)速度快、工作能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為發(fā)展智能制造不可忽視的重要組成部分?，F(xiàn)在，絕大部分的產(chǎn)業(yè)化工業(yè)機(jī)器人一直未能脫離預(yù)編程／遙操作的控制方式，很多工廠雖通過(guò)部署機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但智能化程度不高。為保證人機(jī)交互的安全，需將人與工業(yè)機(jī)器人的工作區(qū)域隔離開(kāi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的人機(jī)協(xié)作。人與靈活、安全的物理系統(tǒng)共同協(xié)作已成為發(fā)展以人為中心的智能制造系統(tǒng)的關(guān)鍵。人與機(jī)器人共同完成動(dòng)態(tài)作業(yè)任務(wù)，充分發(fā)揮人與機(jī)器的長(zhǎng)處是未來(lái)智能制造的重要研發(fā)方向。與汽車(chē)行業(yè)相比，航空航天、造船和建筑等領(lǐng)域的制造任務(wù)和過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，裝配精度要求高，目前仍依賴(lài)手工操作，因此有必要開(kāi)展人機(jī)協(xié)作的研究。由協(xié)作機(jī)器人輔助人來(lái)完成復(fù)雜作業(yè)，使人的腦力、體力維持在最佳水平，并使大腦認(rèn)知資源的需求與大腦認(rèn)知資源對(duì)任務(wù)的供給處于平衡，避免負(fù)荷過(guò)載和欠載對(duì)操作人員的負(fù)面影響，減輕人的負(fù)擔(dān)，提高任務(wù)執(zhí)行效率和生產(chǎn)安全性。研究了肌電信號(hào)控制協(xié)作機(jī)器人的相關(guān)算法，探索了指導(dǎo)性手勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域人機(jī)協(xié)作場(chǎng)景下的有效性。２０２０年推出的“人機(jī)協(xié)作的智能化單元生產(chǎn)線(xiàn)”融合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，針對(duì)多品種、小批量生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率、柔性、品質(zhì)的提升，通過(guò)人與機(jī)器的互相感知，可在同一現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)互補(bǔ)、協(xié)助實(shí)現(xiàn)超柔性生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)軍者———于２０２１年推出的“利用機(jī)器人生產(chǎn)機(jī)器人的智能化柔性生產(chǎn)線(xiàn)”，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)及協(xié)作生產(chǎn)等方式，為協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的人機(jī)協(xié)作應(yīng)用提供了穩(wěn)定高效的參考樣本。上述研究均表明，自動(dòng)化和智能化的發(fā)展并不會(huì)完全替代人，如何保障人與物理系統(tǒng)的交互順暢，使機(jī)器快速準(zhǔn)確地捕獲操作人員的作業(yè)意圖是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵。１.３人機(jī)交互鴻溝智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體，智能工廠環(huán)境下，人與信息物理系統(tǒng)的關(guān)系從傳統(tǒng)的操作控制模式逐步向人機(jī)協(xié)作的方式轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的首要任務(wù)是建立一個(gè)能實(shí)現(xiàn)人與機(jī)信息傳輸?shù)那溃@主要包括３個(gè)階段：①操作人員感知信息物理系統(tǒng)，并用自然便捷的行為方式表達(dá)作業(yè)意圖；②信息物理系統(tǒng)準(zhǔn)確理解操作人員的作業(yè)意圖，完成智能分析、決策與控制，對(duì)不同任務(wù)做出反應(yīng)；③對(duì)上述人機(jī)信息傳輸過(guò)程進(jìn)行認(rèn)知能力評(píng)估，調(diào)節(jié)優(yōu)化雙方的作業(yè)方式，從而最大程度降低認(rèn)知負(fù)荷和疲勞度。因此，要想準(zhǔn)確有效構(gòu)建人與信息及物理系統(tǒng)的友好協(xié)作關(guān)系，還需解決現(xiàn)存的人機(jī)交互鴻溝問(wèn)題。人機(jī)交互鴻溝包括評(píng)估鴻溝和執(zhí)行鴻溝，即人與“機(jī)”每次交互時(shí)都會(huì)面臨認(rèn)知系統(tǒng)狀態(tài)、對(duì)系統(tǒng)做出反應(yīng)并執(zhí)行操作的兩大挑戰(zhàn)，這貫穿于人“機(jī)”信息傳輸?shù)模硞€(gè)階段。評(píng)估鴻溝指的是人在與系統(tǒng)交互的過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的理解與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的差異。執(zhí)行鴻溝指的是在交互過(guò)程中，人需要采取行動(dòng)實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)時(shí)，操作者的心理認(rèn)知與系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式之間的差距。人機(jī)交互中，評(píng)估和執(zhí)行階段相互依存，描述了操作人員成功與任何系統(tǒng)完成交互所必須經(jīng)歷的循環(huán)，如圖２所示，成功的評(píng)估需要感知系統(tǒng)呈現(xiàn)信息的狀態(tài)指標(biāo)并理解其含義，成功的執(zhí)行需要弄清楚要做什么來(lái)完成目標(biāo)。圖２人機(jī)交互中的評(píng)估與執(zhí)行鴻溝智能制造的信息物理系統(tǒng)與操作人員之間必然存在評(píng)估鴻溝與執(zhí)行鴻溝。如果系統(tǒng)不能清楚表示當(dāng)前狀態(tài)，操作人員就必須付出大量的認(rèn)知資源來(lái)了解系統(tǒng)的當(dāng)前狀況、下一步操作后會(huì)發(fā)生什么，并且不斷推測(cè)、判斷之前的操作有沒(méi)有更接近目標(biāo)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，人需要克服的交互鴻溝也越來(lái)越大。系統(tǒng)是由設(shè)計(jì)人員（專(zhuān)家）創(chuàng)造的，因此鴻溝主要出現(xiàn)在操作人員與專(zhuān)家之間，設(shè)計(jì)者需要了解人使用系統(tǒng)的操作習(xí)慣與認(rèn)知能力，研究人的潛在學(xué)習(xí)理論與心智模型是幫助減小交互鴻溝的有效途徑。２“以人為本”的智能制造２.１智能制造中人的因素新一代智能制造更加強(qiáng)調(diào)人的中心地位，智能制造發(fā)展的目的是更好地為人服務(wù)。基于ＨＣＰＳ理論，王柏村等提出了包含單元級(jí)智能制造、系統(tǒng)級(jí)智能制造、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)智能制造的人本智造架構(gòu)，并從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)建設(shè)４個(gè)維度對(duì)“人本智造”進(jìn)行了闡述。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(xiàn)，以人為本的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題，以人為本的智能制造基礎(chǔ)建設(shè)是研究的理論與方法基石。圖３“人本智造”四個(gè)維度中的人因工程從智能制造全生命周期的角度出發(fā)，結(jié)合人所擔(dān)任的角色，可以看出智能制造的不同環(huán)節(jié)均需考慮人的因素，這包括人的作用、人體工效學(xué)、認(rèn)知工效學(xué)、組織工效學(xué)、人機(jī)關(guān)系等（圖４）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人在制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵地位、決定性作用進(jìn)行了分析，梳理了制造系統(tǒng)中的人的因素及相關(guān)研究，認(rèn)為先進(jìn)技術(shù)只有真正和人協(xié)同起來(lái)才能充分發(fā)揮作用，進(jìn)而真正帶來(lái)智能化生產(chǎn)的效益。圖４智能制造系統(tǒng)中人的因素隨著新一代智能制造相關(guān)研究的發(fā)展，大數(shù)據(jù)智能、群體智能、跨媒體智能、混合增強(qiáng)智能及自主無(wú)人系統(tǒng)極大改變了人在系統(tǒng)中的作用。由于信息系統(tǒng)開(kāi)始具備深度學(xué)習(xí)和自主認(rèn)知及決策的相關(guān)基本能力，人可以將更多的重復(fù)性工作或簡(jiǎn)單腦力勞動(dòng)，甚至知識(shí)型工作交給信息系統(tǒng)完成。這使得人可以將更多的精力放在思考和需要更多想象力與創(chuàng)造力的工作上，這一變化將貫穿整個(gè)智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷(xiāo)售、服務(wù)等環(huán)節(jié)。此類(lèi)系統(tǒng)中，人主要作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者存在，雖然直接參與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行與控制性工作減少，但仍然需要參與系統(tǒng)的運(yùn)維、創(chuàng)新和優(yōu)化等環(huán)節(jié)。人在系統(tǒng)中的角色和作用發(fā)生改變直接導(dǎo)致人機(jī)關(guān)系的變化。智能工廠環(huán)境下，人與信息物理系統(tǒng)的關(guān)系從傳統(tǒng)的操作控制模式逐步向人機(jī)交互的方式轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，工業(yè)５.０的發(fā)展也將人機(jī)交互的模式從“人適應(yīng)機(jī)器”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C(jī)器服務(wù)于人”。指出人機(jī)協(xié)作的主要目標(biāo)在于機(jī)器協(xié)助人而不是取代人，減少人在生產(chǎn)線(xiàn)上的重復(fù)工作，降低人體的工程學(xué)壓力和工作負(fù)荷，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。ＮＡＨＡＶＡＮＤＩ強(qiáng)調(diào)工業(yè)５.０將會(huì)提高人機(jī)之間的主動(dòng)性，以及互學(xué)習(xí)、互理解、互輔助融合能力，機(jī)器認(rèn)知能力的增強(qiáng)使機(jī)器適應(yīng)不斷變化的環(huán)境及任務(wù)，與人可以進(jìn)行自然的深度交流、互學(xué)習(xí)、互推理，更好地協(xié)助于人、服務(wù)于人。從行為、意圖、認(rèn)知三個(gè)層次分析智能制造中人的中心地位已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)，相關(guān)研究成果如表１所示。利用動(dòng)作捕捉等技術(shù)，采用生物力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)，從行為層面對(duì)工人作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行疲勞度分析；引入機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、動(dòng)態(tài)決策、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等先進(jìn)技術(shù)，分析人的行為表征，推測(cè)、預(yù)判人的作業(yè)意圖；為人機(jī)交互過(guò)程構(gòu)建人體認(rèn)知負(fù)荷評(píng)估模型，形成有效的認(rèn)知負(fù)荷均衡機(jī)制和優(yōu)化方法，從認(rèn)知層面形成自適應(yīng)調(diào)節(jié)。這些都從不同領(lǐng)域闡述了智能制造中研究人的因素的重要性。與此同時(shí)，更多學(xué)者將人因工程的研究引入智能制造系統(tǒng)，針對(duì)智能制造監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)展了“人在回路”的相關(guān)人因研究，探索通過(guò)瞳孔變化預(yù)測(cè)腦力負(fù)荷，以提高監(jiān)控系統(tǒng)的宜人性設(shè)計(jì)。將“面向智能制造的人因工程”定義為：基于對(duì)人、機(jī)器、技術(shù)和環(huán)境的深入研究，發(fā)現(xiàn)并利用人的自然行為方式、工作能力、作業(yè)限制等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)智能制造系統(tǒng)中相關(guān)信息與工具、任務(wù)和環(huán)境、人員安排等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以提高智能制造系統(tǒng)的效率、安全性、舒適性和有效性的工程技術(shù)。由此看來(lái)，在“以人為本”的模式下，智能制造系統(tǒng)中的人因研究尤為重要，但針對(duì)該領(lǐng)域的研究相對(duì)匱乏，因此如何讓智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更符合人的使用習(xí)慣，有效縮小人機(jī)交互鴻溝，使人能及時(shí)掌握復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)并做出正確反應(yīng)，已成為人與智能系統(tǒng)融合的重要研究領(lǐng)域。２.２人因工程助力“人本智造”人因工程是近年來(lái)隨著科技全面進(jìn)步與工業(yè)化水平大幅度的提升而迅猛發(fā)展的一門(mén)綜合性交叉學(xué)科，它綜合運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)、人體測(cè)量學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科的研究方法和手段，致力于研究人、機(jī)器及所處工作環(huán)境之間的相互關(guān)系和影響，以提高系統(tǒng)性能并確保人的安全、健康和舒適。面對(duì)工業(yè)４.０的迅猛發(fā)展和工業(yè)５.０的到來(lái)，人因工程始終以提高生產(chǎn)效率為目標(biāo)，深入解決復(fù)雜的人與自動(dòng)化、智能化的安全高效交互的問(wèn)題。隨著制造業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，人因工程的關(guān)注焦點(diǎn)也從傳統(tǒng)的降低疲勞、體力解放、效率提升，轉(zhuǎn)變到人的智能增強(qiáng)，同時(shí)也推動(dòng)了制造業(yè)的進(jìn)步，特別是提升了工業(yè)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的信息交互系統(tǒng)的適人性水平。同樣，本文將人因工程研究及發(fā)展方向從行為、意圖、認(rèn)知三個(gè)層面進(jìn)行聚焦（圖５）。圖５人本智造中人因工程的研究聚焦層次（１）行為層面。行為層面的研究通常對(duì)人根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)表達(dá)出的顯性行為進(jìn)行分析，獲取人的作業(yè)姿勢(shì)、物理行為、習(xí)慣特征等數(shù)據(jù)，并借助人機(jī)工效分析方法分析人體的可視性與可達(dá)性，判斷人的生理極限和作業(yè)能力，優(yōu)化作業(yè)流程與作業(yè)空間設(shè)計(jì)。（２）意圖層面。意圖的研究聚焦為自然意圖的表達(dá)方式，基于人的眼動(dòng)、手部動(dòng)作、肢體運(yùn)動(dòng)等物理行為的特征屬性，通過(guò)多模態(tài)特征融合方法，明確操作人員的作業(yè)意圖、目的和期望，并根據(jù)具體作業(yè)意圖的多模態(tài)表達(dá)對(duì)系統(tǒng)做出優(yōu)化和調(diào)整。（３）認(rèn)知層面。認(rèn)知層面的研究主要集中在人隱性狀態(tài)的表征，例如通過(guò)采集操作人員的心電、腦電、皮膚電等多源生理數(shù)據(jù)，構(gòu)建人的認(rèn)知狀態(tài)模型和認(rèn)知負(fù)荷量化指標(biāo)等方法，開(kāi)展對(duì)人的認(rèn)知負(fù)荷、疲勞程度等的量化與評(píng)估。在操作人員都沒(méi)有意識(shí)到疲勞或異常狀態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主動(dòng)感知與協(xié)調(diào)。堅(jiān)持以人為中心的理念、遵循系統(tǒng)工程思想和方法、直接面向設(shè)計(jì)和具體應(yīng)用場(chǎng)景是人因工程的另一典型特征。當(dāng)前，以人工智能、混合現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新技術(shù)與制造業(yè)加速融合，推動(dòng)智能系統(tǒng)向更貼近人的智慧系統(tǒng)改變。影響深遠(yuǎn)的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在逐步興起，智能制造、智能生產(chǎn)單元、人機(jī)協(xié)同制造等新型生產(chǎn)方式不斷涌現(xiàn)，給人因工程的研究環(huán)境帶來(lái)了巨大的改變。人因工程的科學(xué)思想、理論方法、設(shè)計(jì)理念和技術(shù)應(yīng)用將推進(jìn)信息化與工業(yè)化的深度融合，推動(dòng)智能裝備、可穿戴智能產(chǎn)品、虛擬信息顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人與信息物理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，在不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)和制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力等方面發(fā)揮重要作用。除此之外，中國(guó)工程院智能制造課題組的研究報(bào)告指出：“智能制造系統(tǒng)是一個(gè)大概念，一個(gè)不斷演進(jìn)的大系統(tǒng)，是新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源消耗，推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開(kāi)放、共享發(fā)展”，是我國(guó)制造業(yè)升級(jí)的發(fā)展方向，也與智能制造中的人的因素形成呼應(yīng)?？紤]“以人為本”的智能制造，即從“人本智造”的四個(gè)維度出發(fā)，在設(shè)計(jì)之初就充分考慮用戶(hù)需求和人的因素，根據(jù)消費(fèi)者或目標(biāo)用戶(hù)群的定位，利用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多視角共享等智能技術(shù)，使用戶(hù)直接參與設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)評(píng)等環(huán)節(jié)。針對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)或工作人員，利用知識(shí)工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然行為交互等研究成果，開(kāi)展人機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)、人機(jī)協(xié)作裝配、以人為本的生產(chǎn)管理等研究，全面提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理的水平。因此，如何完成先進(jìn)技術(shù)與人因工程在智能制造系統(tǒng)中的整合是下一步需要解決的問(wèn)題，形成一套前后端貫通的完整解決方案，從分析人的作業(yè)姿勢(shì)到識(shí)別人的行為意圖、均衡人的認(rèn)知負(fù)荷的一體化智能制造系統(tǒng)，充分考慮系統(tǒng)中人的因素，注重人的思維、情感和行為，關(guān)注不同操作人員的需求和意圖，融入人的多樣性和差異性，實(shí)現(xiàn)技術(shù)增強(qiáng)人而非取代人，縮小人機(jī)交互的執(zhí)行鴻溝和評(píng)估鴻溝，真正推動(dòng)“人本智造”理念的實(shí)施與落地。３人本智造的發(fā)展趨勢(shì)與研究重點(diǎn)以人為本的智能制造從人的行為、意圖和認(rèn)知三個(gè)層次，將人因工程整合到虛實(shí)融合、多模態(tài)人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)中，在原有的智能制造系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)大人因工程特征，通過(guò)人的生物智能與機(jī)器智能、人類(lèi)用戶(hù)認(rèn)知體與機(jī)器認(rèn)知體之間的協(xié)同合作，形成可持續(xù)發(fā)展的人機(jī)智能互補(bǔ)式交互，最大限度地發(fā)揮人機(jī)協(xié)同合作優(yōu)勢(shì)和整體系統(tǒng)績(jī)效。３.１虛實(shí)融合環(huán)境下的交互當(dāng)前，越來(lái)越多的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在公共安全、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、文化旅游等產(chǎn)業(yè)相關(guān)場(chǎng)景落地。國(guó)內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域也在大幅開(kāi)展虛實(shí)融合技術(shù)研究，通過(guò)虛實(shí)數(shù)據(jù)的融合實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向動(dòng)態(tài)連接，促進(jìn)了信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合發(fā)展，降低人在生產(chǎn)過(guò)程中的工作負(fù)荷。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為將虛擬信息和真實(shí)世界融合的先進(jìn)技術(shù)，在跟蹤注冊(cè)、可視化、多模態(tài)交互等技術(shù)領(lǐng)域都有大量研究，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息添加到真實(shí)世界，實(shí)現(xiàn)兩者的互補(bǔ)和對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。數(shù)字孿生模型作為典型的虛擬數(shù)字信息，將其疊加至制造業(yè)的真實(shí)物理環(huán)境是目前制造業(yè)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的一大研究重點(diǎn)。作為一個(gè)技術(shù)核心，跟蹤注冊(cè)的精度和準(zhǔn)確度與虛實(shí)融合系統(tǒng)的最終效果密不可分。從當(dāng)前真實(shí)空間場(chǎng)景中獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)觀察者的位置、角度、方向、視場(chǎng)等因素構(gòu)建虛擬空間坐標(biāo)系和真實(shí)空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)合標(biāo)記物、自然特征信息等，最終將三維模型、動(dòng)畫(huà)、文本注釋等虛擬信息完美疊加至真實(shí)環(huán)境，從而提高裝配、運(yùn)維等過(guò)程的操作效率?；冢粒覅f(xié)同環(huán)境、碰撞檢測(cè)、輔助評(píng)估工具等建立了ＡＲ裝配工藝方案的評(píng)估系統(tǒng)，輔助工人從多個(gè)視角有效評(píng)估和改進(jìn)裝配過(guò)程（圖６）。面向某汽車(chē)制造企業(yè)線(xiàn)束卡接等手工裝配作業(yè)，設(shè)計(jì)了基于ＡＲ的手部作業(yè)檢驗(yàn)軟件，該軟件包括ＡＲ測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建、手勢(shì)追蹤與驗(yàn)證、虛擬模型操縱、碰撞檢測(cè)等４個(gè)模塊，可驗(yàn)證操作人員手部的通過(guò)性和可達(dá)性，解決了當(dāng)前基于ＣＡＴＩＡ的人機(jī)仿真模塊驗(yàn)證方法存在的人手定義復(fù)雜度高、真實(shí)性差等問(wèn)題。圖６

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配工藝方案評(píng)估系統(tǒng)面向“人本智造”理念，如何增強(qiáng)人與信息物理的交互，建立人的數(shù)字孿生體來(lái)反映人的真實(shí)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬信息、真實(shí)環(huán)境與數(shù)字人的智能融合顯得尤為重要。驗(yàn)證人與信息物理系統(tǒng)在協(xié)作生產(chǎn)過(guò)程中的安全性也是亟待解決的問(wèn)題之一。數(shù)字人建模仿真技術(shù)是驗(yàn)證操作人員可達(dá)性，保障人機(jī)協(xié)作過(guò)程中的工人安全，建立虛實(shí)融合環(huán)境下智能制造系統(tǒng)可靠安全機(jī)制的主要手段之一。目前的仿真軟件建模方法存在仿真工作量大、操作繁瑣、動(dòng)作連貫性差、對(duì)人體行為建模精確度低等問(wèn)題，無(wú)法對(duì)實(shí)際復(fù)雜產(chǎn)品的操作人因風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面驗(yàn)證，專(zhuān)家只能在仿真任務(wù)完成后再對(duì)整個(gè)操作過(guò)程進(jìn)行分析，工作周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高。通過(guò)動(dòng)作捕捉設(shè)備、眼動(dòng)儀等設(shè)備和人因分析方法，實(shí)時(shí)采集人的行為、生理、心理等相關(guān)數(shù)據(jù)，建立人的數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)生成高保真數(shù)字人模型，反映人在虛實(shí)融合環(huán)境下的狀態(tài)，保證對(duì)作業(yè)人員行為的高精度建模，提高人因分析準(zhǔn)確度，專(zhuān)家可以在人體數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析作業(yè)，實(shí)時(shí)更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不需要在產(chǎn)品生產(chǎn)后再次試驗(yàn)調(diào)整設(shè)計(jì)，從而起到縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的作用。研究人信息物理系統(tǒng)的感知機(jī)制是實(shí)現(xiàn)以人為本的智能制造的關(guān)鍵點(diǎn)。文獻(xiàn)針對(duì)某人因分析方法存在的分析周期長(zhǎng)、仿真建模工作量大、虛擬人動(dòng)作精度低等問(wèn)題，開(kāi)展了面向工業(yè)車(chē)間座椅裝配、手工涂膠作業(yè)任務(wù)的人機(jī)功效分析，驗(yàn)證并評(píng)估手工裝配過(guò)程的工人操作可達(dá)性及安全風(fēng)險(xiǎn)性，提出一種基于ＡＲ的汽車(chē)總裝體力疲勞綜合評(píng)估方法（圖７），借助ＡＲ技術(shù)搭建汽車(chē)總裝典型場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合場(chǎng)景的可視化、產(chǎn)品分析師和設(shè)計(jì)師多人視角共享及協(xié)同在線(xiàn)操作；利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)真實(shí)準(zhǔn)確地反映人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)時(shí)捕捉人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，完成體力疲勞度評(píng)估與分析。圖７基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和動(dòng)作捕捉設(shè)備的人因人機(jī)結(jié)合、虛實(shí)融合是新一代智能制造系統(tǒng)的顯著特征，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)的頭戴式設(shè)備幫助工作人員接入制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，從而“身臨其境”地全方位感知系統(tǒng)狀態(tài)；在裝配、運(yùn)維過(guò)程中增強(qiáng)信息的智能呈現(xiàn)，以便于操作人員理解，降低操作負(fù)荷，減小人機(jī)交互執(zhí)行鴻溝。利用動(dòng)作捕捉設(shè)備采集人體行為數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)人機(jī)工程的仿真驗(yàn)證與分析，為實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)狀態(tài)、完成動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了便捷，同時(shí)也滿(mǎn)足了智能制造柔性可變、快速響應(yīng)的需求。隨著數(shù)字化信息技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究虛擬數(shù)字信息與真實(shí)物理場(chǎng)景融合環(huán)境下的人與數(shù)字化信息交互的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（圖８）已成為未來(lái)工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。圖８ＨＣＰＳ中的虛實(shí)融合技術(shù)３.２多模態(tài)意圖識(shí)別智能制造系統(tǒng)中，人機(jī)角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，工作人員的活動(dòng)范圍更加靈活多變，對(duì)系統(tǒng)的控制及作業(yè)意圖的表達(dá)方式也不再局限于命令行、圖形界面、鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等利用輔助設(shè)備進(jìn)行的人機(jī)交互。自然用戶(hù)界面提倡用戶(hù)不需要學(xué)習(xí)，憑借感知器官與經(jīng)驗(yàn)來(lái)接收信息，利用自然行為表達(dá)作業(yè)意圖，降低了用戶(hù)的操作和學(xué)習(xí)成本，從而縮小人機(jī)交互的執(zhí)行鴻溝。交互發(fā)生在三維的物理空間中時(shí)，智能制造系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)及環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致同樣的輸入代表不同的語(yǔ)義，因此需要考慮作業(yè)任務(wù)與環(huán)境的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別操作人員的作業(yè)意圖。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能、機(jī)器視覺(jué)等新型技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及交互環(huán)境的變化，傳統(tǒng)的交互方式不再滿(mǎn)足智能制造的發(fā)展需求，這使得新型人機(jī)交互模式逐漸涌現(xiàn)，依托以眼動(dòng)、手勢(shì)、語(yǔ)音等多模態(tài)生理信號(hào)為核心的自然交互模式成為未來(lái)助力智能工廠人機(jī)協(xié)作能力提升的新方向?，F(xiàn)有較為成熟的交互方式有語(yǔ)音交互、手勢(shì)控制、觸覺(jué)交互、眨眼檢測(cè)及眼跟蹤技術(shù)等。在人類(lèi)感知信息途徑中，通過(guò)視覺(jué)獲取對(duì)外信息的比例高達(dá)８３％，大大超過(guò)其他感知覺(jué)。相對(duì)于手控、語(yǔ)音等方式，視覺(jué)交互縮短了中央加工與動(dòng)作執(zhí)行的反應(yīng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同步處理，且受環(huán)境影響較小。但眼動(dòng)信號(hào)中的認(rèn)知成分較少，無(wú)法判斷注視行為屬于無(wú)意識(shí)還是有意識(shí)即發(fā)生“米達(dá)斯接觸”問(wèn)題，因此通常采用增加視覺(jué)反饋體系、反復(fù)定位確認(rèn)與交互，以及外界信號(hào)觸發(fā)輔助等解決方法，但這都給眼部帶來(lái)了額外的負(fù)擔(dān)與勞累，加劇視疲勞的產(chǎn)生，造成用戶(hù)體驗(yàn)下降。如何在有效解決“米達(dá)斯接觸”問(wèn)題的同時(shí)避免疲勞是目前視覺(jué)交互技術(shù)研究的重點(diǎn)。多模態(tài)交互方式充分利用各模態(tài)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，融合多種模式的綜合語(yǔ)義輔助視覺(jué)通道，精準(zhǔn)定位目標(biāo)、準(zhǔn)確識(shí)別意圖，對(duì)縮短定位時(shí)間、減緩視覺(jué)疲勞有著重要作用。相比于基于單一模態(tài)數(shù)據(jù)的交互方式，基于多模態(tài)融合交互方式的空間覆蓋率、時(shí)間覆蓋率和決策準(zhǔn)確度更高，可以有效進(jìn)行信息互補(bǔ)，多方面描述數(shù)據(jù)對(duì)象特性，成為復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互意圖感知的有效途徑。虛實(shí)環(huán)境與多模態(tài)人機(jī)交互技術(shù)的結(jié)合為實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)車(chē)間的智能人機(jī)融合提供了技術(shù)路徑。微軟發(fā)布的HoLoLen2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴式設(shè)備支持手勢(shì)、語(yǔ)音、眼動(dòng)等交互方式，通過(guò)示教系統(tǒng)可用于復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)車(chē)間，輔助員工完成裝配培訓(xùn)，并看使用Dynamic365Layout驗(yàn)證生產(chǎn)布局。目前，針對(duì)人與虛擬信息的自然交互方式的研究還不成熟，在利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備完成操作的過(guò)程中，出現(xiàn)了許多人因問(wèn)題。由于用戶(hù)體驗(yàn)的差異性和多樣性，以及用戶(hù)認(rèn)知能力的不同，當(dāng)前的技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品無(wú)法以人們所習(xí)慣的方式與人們進(jìn)行信息交流、提供主動(dòng)服務(wù)，不能滿(mǎn)足人機(jī)交互系統(tǒng)個(gè)性化、柔性化的要求。為提升用戶(hù)體驗(yàn)，將多模態(tài)自然交互與用戶(hù)畫(huà)像相結(jié)合，深度挖掘用戶(hù)的需求和意圖，真正實(shí)現(xiàn)用戶(hù)行為的個(gè)性化識(shí)別和理解，縮小人機(jī)交互的評(píng)估鴻溝，促進(jìn)“以人為本”的智能制造發(fā)展。面向制造業(yè)裝配場(chǎng)景，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為媒介連接人和機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的多模態(tài)交互，并基于該系統(tǒng)，提出一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的個(gè)性化人機(jī)協(xié)作裝配意圖識(shí)別方法（圖９），針對(duì)用戶(hù)在典型人機(jī)協(xié)作裝配過(guò)程的物理行為習(xí)慣及特征，以單個(gè)用戶(hù)為中心采集多維度、強(qiáng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建用戶(hù)畫(huà)像模型，構(gòu)建基于用戶(hù)行為習(xí)慣的多模態(tài)特征融合方法模型，并對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的習(xí)慣手勢(shì)、語(yǔ)音和視覺(jué)等物理行為進(jìn)行識(shí)別，利用基于改進(jìn)ＨＭＭ和貝葉斯融合的決策層融合方法，實(shí)現(xiàn)面向不同用戶(hù)的個(gè)性化意圖識(shí)別，為用戶(hù)提供更精準(zhǔn)的個(gè)性化服務(wù)，有效改善人機(jī)協(xié)作過(guò)程中的用戶(hù)體驗(yàn)。圖９個(gè)性化人機(jī)協(xié)作裝配意圖識(shí)別方法３.３科學(xué)的認(rèn)知量化方法面對(duì)以智能制造為核心的產(chǎn)業(yè)和科技變革，制造企業(yè)應(yīng)積極采取行動(dòng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高自動(dòng)化、數(shù)字化水平?，F(xiàn)階段，我國(guó)制造業(yè)仍存在自動(dòng)化水平不高、手工依賴(lài)程度高的問(wèn)題，工人面臨的操作任務(wù)愈發(fā)繁重。復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)和長(zhǎng)時(shí)間的人機(jī)協(xié)同作業(yè)容易對(duì)操作人員產(chǎn)生巨大的認(rèn)知負(fù)荷。因此，形成對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的準(zhǔn)確量化和有效均衡是保障人機(jī)協(xié)同安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。操作人員面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)的主要任務(wù)是“信息獲取判斷決策響應(yīng)”過(guò)程，屬于掌控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的腦力活動(dòng)，因此人機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)的工作負(fù)荷主要表現(xiàn)為認(rèn)知負(fù)荷。提出了基于認(rèn)知的虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互系統(tǒng)框架，并開(kāi)展了交互通道與認(rèn)知負(fù)荷的影響機(jī)制研究。認(rèn)知負(fù)荷反映同時(shí)施加在工作記憶中所有智力活動(dòng)的數(shù)量，任何認(rèn)知加工活動(dòng)均需消耗認(rèn)知資源。不同交互通道帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷不同，如果在同一時(shí)間多任務(wù)并行處理產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷超過(guò)個(gè)體所擁有的認(rèn)知資源總量，將導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷超載，直接影響操作者的任務(wù)績(jī)效；另一方面，過(guò)低的任務(wù)需求通常會(huì)造成操作者參與不足，即認(rèn)知負(fù)荷欠載，容易出現(xiàn)疲勞與自滿(mǎn)情緒，此時(shí)任務(wù)需求的突然增加、突發(fā)意外等情況會(huì)使操作者迅速進(jìn)入高度緊張狀態(tài)，影響操作者做出正確決策，即操作者表現(xiàn)與腦力負(fù)荷及大腦認(rèn)知資源供需的倒Ｕ型關(guān)系模型。因此，控制認(rèn)知負(fù)荷的均衡可以有效提高人機(jī)協(xié)作效率。分析了指揮控制系統(tǒng)界面認(rèn)知負(fù)荷的來(lái)源及類(lèi)型特點(diǎn)，形成了面向指揮控制系統(tǒng)界面認(rèn)知負(fù)荷的均衡策略，主要包括圖像復(fù)雜度控制、用戶(hù)需求信息合理呈現(xiàn)、信息編碼與視覺(jué)搜尋匹配等。提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶(hù)認(rèn)知負(fù)荷水平的智能空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，根據(jù)用戶(hù)認(rèn)知狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的增強(qiáng)信息，使用戶(hù)處于最佳工作狀態(tài)，提高工作效率，保證工作質(zhì)量。因此，從面向用戶(hù)認(rèn)知的生理信息融合角度出發(fā)，構(gòu)建認(rèn)知負(fù)荷定量表達(dá)模型是完善人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)、提高態(tài)勢(shì)感知、實(shí)現(xiàn)正確決策的重點(diǎn)。人機(jī)協(xié)同認(rèn)知負(fù)荷評(píng)估與均衡問(wèn)題可從“科學(xué)評(píng)價(jià)、準(zhǔn)確量化、有效均衡”三方面開(kāi)展研究。通過(guò)生理參數(shù)的動(dòng)態(tài)表征揭示操作人員認(rèn)知負(fù)荷的演變機(jī)理，是神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。在多通道交互的情況下，生理指標(biāo)的變化易受交互通道的選擇影響。同時(shí)，認(rèn)知負(fù)荷水平的不確定性、抽象性、經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性、個(gè)體差異性、學(xué)習(xí)遷移效應(yīng)等特征導(dǎo)致以生理參數(shù)量化描述認(rèn)知負(fù)荷水平的變化存在技術(shù)難度。腦電、心電、肌肉電等多源生理信號(hào)的有效融合極大依賴(lài)操作任務(wù)與認(rèn)知數(shù)據(jù)，復(fù)雜作業(yè)任務(wù)產(chǎn)生大量認(rèn)知活動(dòng)及決策行為數(shù)據(jù)，同時(shí)伴隨認(rèn)知行為時(shí)序關(guān)聯(lián)、認(rèn)知負(fù)荷的隱式干擾、認(rèn)知狀態(tài)和變化順序等多層級(jí)耦合關(guān)系。由于生理參數(shù)敏感度不同、難以同步、存在競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)效應(yīng)等問(wèn)題，要從中提取不同生理信號(hào)與認(rèn)知行為相對(duì)關(guān)系，結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)信號(hào)特征，融合不同維度信號(hào)來(lái)反映增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下多通道交互過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化面臨較大難度。人機(jī)協(xié)同運(yùn)維過(guò)程中，“人在回路”的行為決策是在人內(nèi)部認(rèn)知空間與外部環(huán)境元素的共同作用下產(chǎn)生的，是環(huán)境信息要素與認(rèn)知負(fù)荷的樞紐。揭示人機(jī)協(xié)同過(guò)程中的態(tài)勢(shì)元素、個(gè)體認(rèn)知負(fù)荷、行為決策的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是對(duì)認(rèn)知負(fù)荷有效均衡的關(guān)鍵，對(duì)降低認(rèn)知任務(wù)的復(fù)雜性及難度、提高人機(jī)協(xié)同的作業(yè)績(jī)效至關(guān)重要。因此，明確主體多生理指標(biāo)的認(rèn)知負(fù)荷誘發(fā)策略與演變機(jī)理并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)量化表達(dá)，是揭示認(rèn)知負(fù)荷水平變化的關(guān)鍵；建立相應(yīng)的人機(jī)協(xié)同認(rèn)知負(fù)荷均衡機(jī)制，從而降低認(rèn)知任務(wù)的復(fù)雜性，提高人機(jī)系統(tǒng)的作業(yè)績(jī)效。這對(duì)在新環(huán)境、新技術(shù)、新模式下開(kāi)展人因工程相關(guān)研究，縮小人機(jī)交互鴻溝，推動(dòng)人本智造的發(fā)展有著實(shí)際性的作用。４發(fā)展與建議４.１學(xué)科發(fā)展智能制造作為典型的系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)數(shù)字化智能設(shè)備、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)在制造系統(tǒng)中的集成，涉及機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。面向世界范圍的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，針對(duì)中國(guó)制造的發(fā)展需求，順應(yīng)“兩化融合”國(guó)家戰(zhàn)略，國(guó)內(nèi)多所高校相繼設(shè)立了智能制造工程等“新工科”專(zhuān)業(yè)。與此同時(shí)，國(guó)家自然科學(xué)基金委