工业4.0环境下的人因与工效学
时间：2021-05-29 00:03:51 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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]。
人因与工效学是实践工业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。
