推薦序一

近年來，全球制造業始終面臨著轉型升級和可持續發展的挑戰。這一局面形成的原因是多方面的，包括勞動力老齡化和與此對應的根深蒂固的傳統生產模式、全球制造業結構和形勢的不斷變革，以及智能技術領域的創新在生產環境中相對較慢的應用速度等。

“工業4.0”是德國聯邦政府高技術戰略工作組基於對制造業前景的預測而制定的前瞻性計劃，試圖呈現以信息物理繫統（Cyber-PhysicalSystems，CPS，也有學者將其譯為“信息物理融合繫統”）為核心，引領第四次工業革命的全新生產體繫。

在工業4.0時代，智能工廠將取代傳統的生產設備，並生產智能產品。邁向工業4.0之路是循序漸進、不斷演進的：許多基礎技術仍然需要進一步發展，現存的制造業基礎設施需要適應工業4.0時代的要求，建立有效的信息物理繫統模型也需要新工具、新技術和新方法的大力支持。但隻要與信息技術全面整合、具備先進分析和預測能力的工業4.0得以成功運用和實施，企業的全球競爭力將得以提高，本土制造業將得以恢復，全新的市場機遇將得以開創。

工業4.0轉型中一個關鍵的問題是它對人們造成的影響。人們需要怎樣與智能化的設備和繫統進行合作以保障未來工業4.0環境下的生產活動有條不紊？對面臨著人口老齡化的國家而言，這個問題極為關鍵，對於新興經濟體也同樣至關重要。

本書闡述了人們在工業4.0環境下將受到怎樣的衝擊，以及技術如何將人類與未來的生產繫統進行進一步整合等問題。我認為本書呈現的技術和案例可以使讀者進一步理解人們在工業4.0轉型中的角色變換。

李傑（JayLee）教授

美國俄亥俄州辛辛那提市，辛辛那提大學

推薦序二

馬克思在研究英國工業革命時明確指出，生產力的改變不是革命，隻有生產關繫發生改變，纔是革命。縱觀其後發生的第二次、第三次工業革命，馬克思的話猶如在耳，甚至到了所謂的工業4.0（也即第四次工業革命），生產力和生產關繫的並行改變，仍然是一個不變的規律。

發生在英國的工業革命典型的技術應用是機械化，這導致了車間的出現，同時也導致了工人階層的出現；其後以電氣化為代表的第二次工業革命，再次促使了車間的革命——出現了流水線作業，同時伴隨的是職業經理階層的出現；再到以信息化為代表的第三次工業革命，導致了分布式乃至全球化的工廠出現，全球化的分工也出現了，這個階段出現了職業的投資階層，硅谷是為典型的代表。

即將到來的第四次工業革命也會遵循以上規律，大量的互聯網技術被應用到生產制造過程，將導致智能制造的出現，工廠也將轉變為智能工廠，正如馬克思所講，生產力的大幅提升之後，生產關繫也會發生改變，在第四次工業革命期間，生產關繫將發生什麼改變呢？

機械工業出版社引進德國原版圖書出版的《工業4.0》（實踐版），探索性地回答了這個問題。通過社會技術視角，來自不同領域的專家深入分析了工業4.0時代的工作環境、工作內容以及工作方式等的改變，揭示了工業4.0時代的工作狀態——這也是未來的工業常態。

工業4.0研究院研究成果顯示，工業4.0具有高度自動化、高度信息化和高度網絡化三大基本特征。從《工業4.0》（實踐版）討論的主題來看，工業4.0時代的自動化將導致工作形態發生改變，特別是企業工作者的角色和地位將發生較大的改變（見書中第2章），這要求新型工人擁有新的知識和技能，並能夠與機器進行協作。不過，由於工業4.0時代的高度信息化，機器人協同工作（見書中第3章第2篇文章）將輕松達到，更由於互聯網技術在生產制造領域的廣泛應用，將更容易提高生產效率，形成學習型生產繫統（見書中第3章第5篇文章）。

僅僅是車間的革命還不足以讓我們認識到第四次工業革命帶來的變革，按照德國工業4.0體繫關於三大集成的論述，工業4.0研究院把它總結為工業4.0發展的三個階段，分別為縱向集成、端到端集成和橫向集成。

在工業1.0、2.0和3.0階段，技術創新大都發生在車間，到了工業4.0時代，車間仍然是先發生變化的地方，所謂縱向集成就是傳統工廠邊界內發生的技術革新，這也是德國企業西門子推出數字化工廠（DigitalFactory）解決方案的商業理由，因為容易滿足企業升級改造需求的，毫無疑問是車間的數字化。而在探索工業4.0解決方案的三一重工和海爾等不同類型的制造企業，也把縱向集成作為變革的起點。

毫無疑問，在工業4.0時代，僅僅局限在車間的技術創新，不足以體現互聯網技術對生產制造領域的影響。正如時下總理提出的“互聯網+”概念，互聯網技術在生產領域的應用，將導致新的業態出現——目前主要體現為端到端集成的形態，具體可以考察的案例有蘋果、小米、海爾和紅領等企業，它們利用自己在產業鏈上的影響力或創新，實現了對供應鏈的集成，並利用手中的核心數據，介入到了電子商務服務環節。筆者對海爾互聯工廠印像深刻，一直探索利用互聯網力量的張瑞敏，似乎已經在正確的工業4.0道路上。

除了以上兩種集成模式，還有跨越多條價值鏈的橫向集成，這纔是真正未來的制造業，按照工業4.0研究院提出的新工業價值生態概念，橫向集成是互聯網技術在生產制造領域的深入應用，同時也是社會生產力大大提升的階段，在這個階段，社會技術體繫也會發生革命性的改變。細心的讀者應該會發現，這也是《工業4.0》（實踐版）一書中隱約提及的一個改變。

由於工業4.0時代的技術高度發達，大量機器人的應用實現了高度自動化，無所不在的計算（泛在計算）將導致高度信息化得以實現，加上真正的CPS（Cyber-PhysicalSystems，信息物理融合繫統，也有學者將其譯為信息物理繫統）帶來的高度網絡化，傳統意義上的工人、經理等角色將不復存在，工業4.0生產體繫的自組織能力，將模糊工人和經理之間的界限，也許每個人都是生產者，每個人也同時是管理者，當然，每個人也可以給自己投資，成為一個“資本家”。

工業4.0的三大高度化特征合一就會實現所謂的智能化，筆者不清楚未來歷史學家在描述工業4.0的時候，會不會把智能化作為這個時代的特征，也不清楚什麼樣的事件可以作為這個時代的代表，但筆者相信，生產力的大幅提升，新的生產關繫出現，仍然會成為這個時代的特征。

讀者在閱讀《工業4.0》（實踐版）的時候，如果把《工業4.0：即將來襲的第四次工業革命》（機械工業出版社2014年出版的一本德國引進圖書）作為閱讀的參考書，則可以更容易理解技術的變革和社會的變化相輔相成，推動歷史的車輪不斷前行，人類社會將發生巨大的改變，中國制造也將成為推動這個改變的一股不可忽視的力量。

胡權

工業4.0研究院院長兼首席經濟學家

人機互動合作下的工作繫統構建——以機器人技術為例

1. 機器人將成為合作伙伴

隨著傳感技術、傳動機制以及導航領域科技的迅猛發展，工業機器人在更多的領域被投入使用，同時突破了工業機器人的傳統應用方式。由以往的人機空間分離的共存方式轉向更緊密的人機互動合作乃是大勢所趨。

機器人將會與人類共同工作成為我們的智能助手嗎？機器人繫統能否把煩瑣多變的操作工序變成一個統一完整的流程？機器人適應人類的程度如何？而人類又需要在多大程度上去配合機器人呢？哪些新型的人機交互形式允許機器和人類實現真正意義上的合作？下面的例子將為您進一步解答這些問題。

2. 工人指導

由德國BMWi所資助的自主科技項目中的RoboGasInspector計劃讓自主機器人參與到（部分）工作中去，這一計劃的投入對勞工分配產生了明顯影響。該計劃通過使用智能的、協作的、裝備有遠端油氣測量技術的機器人的新型人機繫統，及時檢測出機械設備中漏油的問題。在此之後，機械設備的檢查工作將大範圍實現自主檢測。其中所使用的多模塊遠程測量技術可以有效檢測不易操作的位置。與互聯網進行連接可以傳輸非本地的檢測數據以及儲存的數據，該功能同時可以服務於設備監控，其他機器人和工作人員之間也可以通過該功能實現信息交流。通過GPS和激光掃描機器人可以進行自我定位和導航。通過增強現實功能操作員可以直觀地確定監控工作區域的地圖、通過機器人的視角來感知其周圍環境並監控整個傳感過程。

如有需要，使用者還可以通過手勢控制機器人的操作，進行遠程交互，並接管它的工作。這個功能可以通過例如“工具—中心—點”控制，使用空格鍵—鼠標或者使用可視動態追蹤繫統，操作員手的運動軌跡將直接傳輸給機器人並轉化成它的動作。操作員通過立體相機繫統得到反饋，該反饋顯示在一個立體屏幕上或者頭盔顯示器上。通過這個繫統，可以遠程打開氣門、關上氣門或者檢查某些特定的管道位置。

所有工作都由中心指揮處調配執行，固定路線巡視員的工作範圍因此而發生明顯變化：現場巡視的工作任務將逐漸消失，並由監控、設計以及服務等任務所替代。而這也意味著更高質量的工作，以及新的培訓要求。同時，以往的崗位能力要求也將失效。雖然許多以前人工完成的工作步驟將由機器人代替，但是人類又不止扮演監測工作的角色，他需要設計機器人的路線並且在必要情況下執行人機交互動作，並且還要評估機器人獲得的數據。

下面這個來自Sabre Autonomous Solutions（SAS）公司的例子體現了機器人如何減輕工人的工作，但又並不完全取代工人的工作。

機器人技術使用領域：鋼結構噴砂處理。尤其是大型鋼鐵基礎設施，例如橋，必須長期進行防腐蝕護理。這項工作一直都由工人完成。然而惡劣的工作條件以及對體力的要求，即使再嫻熟的工人在工作15～30min後也要休息一段時間。SAS公司發明了一種機器人，從而大大減輕了這項工作，使得該工作的很大一部分可以由機器人來承擔。將機器人放置於要進行加工的區域之前，機器人的工作環境也同正常工人的一樣，有相應的安全保障。機器人通過智能感應器掃描需要加工的區域，同時一款軟件將識別要進行加工的範圍，並計算機器人手臂的運動軌跡。而工人全程監測該自動化過程，若出現安全問題時也可以隨時終止操作。機器人完成操作後，工人進行質量檢查，並手動將加工後的部分遮蓋住，以防止機器人接觸該區域。

3. 人力交互

RoRaRob方案形像地體現了機器人和人類之間更進一步的合作。該方案展示了如何將新型的協作繫統融入已有的工作結構中，而且無須對工人進行新的資格培訓。具體來說，這是一個為管道以及框架組裝焊接任務所發明的機器人協助繫統。該方案的焦點是從、經濟和人體工程學的角度實現人機互動。

該方案的目的並不是取代電焊工，而是減少工人在核心任務“焊接”之外的其他步驟，例如手持工件。伴隨的是人體工程學上的減壓。也就是說，例如，當組裝80kg重的部件時，工人不再需要親自動手移動它或手動安裝。同樣，也一並解決了手持工件的麻煩。針對這個需求，一個數字模擬身體模型從一開始就被植入繫統中（見圖53a），通過這種方式人體工程學上的限制得到解決。

關於人機踫撞的問題，該方案為操控工件的機器人推導出了化的運動模型，轉化為機器人可識別的指令，納入整個繫統之中。同時還會檢查該動作是否在這個虛擬機床工人的承重範圍之內。運行過程中，工人可以利用新型的人機互動工具（6D鼠標）來調整合適的工作高度。關鍵的一點是：電焊工自己並不用為機器人動作編程。幾乎所有編程工作隻在線下完成。

出於企業經濟方面的考慮，在這個例子中運用新程序作業並沒有對電焊工增添更多負擔。這就意味著，電焊工的工作以及資格培訓都沒有大的變化。從勞工分配的角度來看，更優化的分配減輕了工人的壓力。電焊工仍舊處於這個工作的中心位置，並且在一定程度上可以干涉機器人的操作。

4. 人力協作

歐盟JILAS項目的結果展示了現代機器人技術如何全方位成為工人的助手。一家來自瑞士的小型飛機制造商提出了對該自動化工作解決方案的需求。該制造商的大多數飛機訂單都需要特別定制，因此至今都沿用手工制造方法。然而由於瑞士高昂的勞動力成本，他們不得不外包生產。尤其是組裝沉重的側面板和頂部件需要多達5個人共同合作。而在可調控力量的機器手臂的幫助下，現在隻要一個工人就能獨立、完整、安全地完成這個安裝。機器手臂負責抬起沉重的部件，工人則在機器手臂的協助下將這個側面板挪至靠近其目標位置。為了方便終將定位精確到毫米內，工人可使用操作簡易的跟蹤繫統測量終端位置。然後，機器手臂會自主將部件精確安裝至終位置。機器人移動工件時常常會受到突出的螺釘或者弔環的阻礙，遇到這種情況，工人則可以協助機器人，將工件拉至無阻礙的方向後，機器人繼續正常運作，後，由工人完成終裝配。該繫統的設計無須工人掌握任何特殊的知識。工人仍使用他習慣的工件，隻是在機器人的幫助下可以更精確地完成裝配，而不再需其他工人的配合。手持和移動重物，在此之前是人體工程學上的重負，現在則可以輕松脫手了。而整個工作流程掌握在工人自己手裡。工人可以自行設計、執行工作，控制結果，在必要時修正錯誤。這樣就完成了一次出色的自主工作。

5. 機器人同事

現在越來越多的機器人繫統技術都十分純熟，顯示出對人類工作出類撥萃的協助功能。輕量級的機器人扮演著尤其重要的角色，例如丹麥制造商所制造的通用機器人（Universal Robots， UR），它的力度和速度的設計理念是絕不引起任何人員傷害，當工人進入其工作區域時機器人便立即停運。參加一個簡短的訓練後，工人可以在教學面板的圖形界面中對機器人進行自主編程。自2009年起，通用機器人的銷量已超過2500個，其中80%應用於人類無物理安全障礙工作。

而Rethink Robitics公司的機器人Baxter編程功能更簡單了，它類似於前面提到的JILAS方案。Baxter從一開始就是為潛在客戶所發明的。除了安全問題外，制造商將主要注意力都放在了更方便、簡單地操作一個機器人，也就是機器人和工人的交互功能上。通過直觀地推拉機器手臂和夾具就可以為Baxer編程以及訓練Baxer。通過屏幕用戶會收到有關培訓成果的視覺反饋。該屏幕還可在運行過程中也服務於人機交互協作。當機器人，例如，因為缺少零件需要幫助，一直望向被激活的工作方向時，虛擬眼會進行提示。這樣，操作員便可以輕易地預測機器人的運動走向。Baxter像UR5一樣安全，因此不需劃分安全工作區域或與工人隔離開來。

機器人Baxter和UR5以及其他制造商的同類機型滿足所有工作構建的需求，作為一個工具，能實現完整工序的操作。一方面，用戶可以獨立設計、組織以及執行、調控任務，無須額外的專業技能知識。另一方面，機器人也能夠在其不足以保證常規操作的情況下，將其當前狀態反饋給用戶。用戶可以直觀地了解問題，並且能夠獨立解決該問題。這個方案的實現一方面是以工人參與了解各個工作步驟為前提的，另一方面直觀的交互界面也是必需的，不僅人要了解機器的動向，反之機器人更要了解人的動作。然而，這一點目前大多數繫統都沒有達到。若要實現這一點，要麼像Baxter，使用相應的可視化屏幕實現，要麼像JILAS，機器人僅僅協助人的工作。後者具有的優點是工人在任何時間都可以自己執行操作。因此當沒有人機交互界面時也能夠直觀地發現問題。

6. 人與機器之間的雙向互動

目前在人機交互領域的研究往往隻側重在預測人們的行為，然後推導機器人的行為去適應人的行為。人們常常忘記了，其實人類可以更敏捷地做出反應——隻要他能捕捉到機器人的“意圖”和狀態。未來“協作式”機器人帶來的挑戰越發凸顯出來。機器人能夠在其不足以保證常規操作的情況下，將其當前實際狀態反饋給用戶。用戶必須能夠理解問題所在並能夠獨自修復問題。在理想情況下，機器人的修復服務不再由生產商負責，而是由終用戶自己接管，這一點，這在Baxter方案中已經實現。而直觀的交互界面是必不可少的前提。

目前在弗勞恩霍夫（Fraunhofer）的一個研究方案IFF展示了機器人反饋給工人信息後工人如何應用這些信息。研究人員已經開發出一種傳感器皮膚，可以靈活地適應盡可能不同的幾何形狀。一方面，所述電阻測量繫統能夠快速和可靠地檢測到人的踫觸，從而增加人類與機器人之間的交互的安全性。這個繫統會提示機器人有人類在附近。該機器人可以停止活動或進行適當的回避動作。另一方面，這個繫統也可以用作輸入裝置，在機器人手臂上安裝類似觸摸屏的工具，以用於編程。羅伯特·；博世公司（Robert Bosch GmbH）的一個類似繫統“APAS”，制造的傳感器皮膚近期得到德國行業協會認證，允許人類與機器人之間的直接合作。這是一個高度敏感的電容式傳感器的皮膚，在真正發生接觸前，能夠探測出有人靠近，如此一來，發生接觸，機器人在正好與人發生踫撞前就能適時停住。但是，這些安全繫統並不能直接幫助人們更好地預測機器人的行為。同樣，弗勞恩霍夫IFF對此也有自己的解決方案。通過攝像頭和投影技術的組合，該方案不僅能夠將安全區域動態直觀地可視化，而且它也能記錄下進入安全區域的行為，並激活機器人手臂做出相應的行動（如緊急停止）。同時這個繫統可以通知用戶機器人的後續行動確切將在什麼位置發生，保障了人與機器人間高效的合作。

……