智能制造业中的人机协作与交互技术

# 智能制造业中的人机协作与交互技术 ## 1. 先进技术对制造业的影响 先进技术如机器人技术、5G 移动通信、物联网（IoT）、云计算和无线传感器网络，极大地改变了制造业。随着人机协作的增加，制造过程更加自动化，通过实时数据的运用，减少了错误。这不仅能够实现产品的定制化和个性化，还能提高生产过程的竞争力、效率和附加值。同时，它能快速响应技术或人为错误，避免产品和系统损坏，提高工作场所安全性和风险评估能力，减少浪费、污染和相关成本。 ## 2. 人机交互（HMI）技术在智能制造中的挑战与路线图 ### 2.1 HMI 技术的作用 HMI 技术在智能制造环境中拉近了人与机器人的距离，这种环境需要计算机集成制造、高度适应性、快速设计变更、数字信息技术和更灵活的技术工作培训，以实现无差错的工作场所。智能制造还能帮助调查工作场所的效率低下问题和工人安全问题。采用“智能”系统的企业非常注重效率优化，这通过数据研究和智能学习自动化来实现。 ### 2.2 HMI 系统面临的挑战 - **法律和伦理问题**：使用自主系统时涉及法律和伦理方面的考量。 - **数据合规与保护**：确保数据的合规性和安全性。 - **社会因素**：老龄化社会和人们普遍不愿改变的态度。 - **培训问题**：需要对员工进行相关培训。 - **生产问题**：存在过度生产的情况。 - **透明度问题**：许多流程和行业缺乏透明度。 - **依赖问题**：对信息技术和电力的依赖。 ### 2.3 HMI 技术的路线图 从战略和技术角度出发，制定了迈向智能制造的路线图，以可视化每一步骤。通过实施各种模型研究了人的因素的重要性，并提出了一个新框架，用于解释质量措施与质量技能之间的关系，以及如何提高工业过程的效率和有效性。 ## 3. 智能制造中 HMI 的具体应用 ### 3.1 工人角色的转变 智能制造的发展改变了工厂中人类的任务和需求。作为网络物理生产系统中最灵活的实体，工人将面临从生产策略的规范、监控到验证等各种各样的工作。通过技术支持，工人能够充分发挥潜力，成为战略决策者和灵活的问题解决者。 ### 3.2 HMI 系统的相关内容 讨论了 HMI 系统、架构、技术和专业标准，提出了基于网络物理的解决方案，通过智能用户界面为工人提供技术援助。除了技术手段，还指出了制定适当资格策略的必要要求，以培养智能制造所需的跨学科理解。 ## 4. 人工智能在 HMI 中的应用 ### 4.1 人工智能的定义与发展 人工智能是智能机器所表现出的智能，与人类和动物的自然智能相对。随着智能机器能力的不断增强，一些原本被认为需要“智能”的任务逐渐从人工智能的定义中移除，这一现象被称为“AI 效应”。例如，光学字符识别已成为常规技术，不再被视为人工智能的范畴。 ### 4.2 现代人工智能的能力 现代机器通常被归类为人工智能的能力包括：成功理解人类语言、自主操作机器和车辆、在内容分发网络中提供智能路由以及进行模拟等。还将涵盖智能制造中人工智能系统的实际案例研究、未来设计和架构。 ## 5. 5G 及未来环境下的工业物联网（IIoT） ### 5.1 IIoT 的现状与问题 物联网已应用于智能制造领域。随着先进技术在制造业中的渗透和应用，制造过程中产生了大量数据。然而，当前的 3G、4G 等通信技术无法满足云管理平台（CMPs）对高数据速率、高可靠性、高覆盖率、低延迟等方面的需求，这阻碍了网络物理生产系统（CPMS）的发展和实施。 ### 5.2 5G 技术的优势 5G 及更先进的无线传输技术具有显著潜力，能够推动工业物联网（IIoT）和 CPMS 的发展。基于 5G 及超 5G 无线通信技术的架构和特点，提出了基于 5G 的工业物联网和服务（IIoTS）架构，并描述了不同先进制造场景和制造技术（如增强移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC））的实现方法。同时，分析了基于 5G 的 IIoT 的关键技术和面临的挑战，包括互操作性困难、线粒体内膜组织系统（MINOS）上的网络架构问题以及智能制造环境中的安全问题。 以下是 5G 推动 IIoT 发展的流程 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[制造过程产生大量数据] --> B[现有通信技术无法满足需求] B --> C[5G 及超 5G 技术出现] C --> D[提出 5G 基 IIoTS 架构] D --> E[实现不同制造场景和技术] E --> F[推动 IIoT 和 CPMS 发展] ``` ## 6. 支持智能制造中数据分析（DA）应用的模拟 ### 6.1 模拟的作用 制造商使用建模和模拟来分析其运营并支持决策制定。提出了多种方法，使模拟能够在制造环境中作为 DA 应用，以解决大数据问题。 ### 6.2 示例案例 通过一个示例案例展示了模拟的应用，即使用加工操作的虚拟表示来生成评估制造 DA 应用所需的数据。 ## 7. 用于制造的网络物理系统工程 ### 7.1 网络物理系统（CPS）的定义 CPS 是网络系统（包括计算、通信和控制元素）和物理系统（包括几何和材料元素）的集成体现。现代社会中几乎所有产品都是 CPS，生产这些产品的现代制造系统也大多是 CPS。 ### 7.2 CPS 工程的重要性 对如此复杂的 CPS 进行工程设计重新激发了系统工程领域的活力，该领域正逐渐从基于文档的实践转向基于模型的学科。CPS 工程的成功很大程度上取决于基于模型的系统工程（MBSE）的正确应用。 ### 7.3 CPS 与现代制造的关系 一些国家将制造业列为国家优先事项，在他们认为具有战略意义的制造技术领域进行了大量的公私合作投资。阐述了现代制造与 CPS 工程之间的关键联系，讨论了 CPS 的特点、系统工程学科为应对复