[科普中国]-自主人机交互

工业4.0项目的宠儿

Autonomik是德国联邦经济与能源部（BMWi）的一个战略性研究项目，是BMWi重点资助的六大数字化技术项目之一。这个看上去有点奇怪的德文词，字面上显示出“自主、自治”的含义，但实际内涵则要更加丰富。
事实上，早在2010年（“工业4.0”尚未提出），德国就已经启动了相关的项目，名为“Autonomik-自主和基于仿真的系统服务于中小企业”。在“工业4.0“正式提出之后，此项目被升级为“Autonomik fuer Industrie 4.0”，从而将其与工业4.0进程紧密地结合在了一起。

Autonomik包含的关键词1 工具与系统

这给Autonomik的研发目标定了性。研发的成果是拿来给人用的，而不是要取代人类的。
2 中小企业

这是德国工业4.0不厌其烦强调的关键词。德国政府推动4.0的最主要目的之一，是让广大中小企业从转型升级中受益。

3 自主

这是Autonomik工具/系统的最主要特点。在其设计思想之下，工具能够在感知外界情况之后通过通信和计算来自行作出决策，不需外界干预。
4 人机一体

自主的工具和用户/环境有机地结合，成为整个工业生态系统的一部分。

Autonomik项目作为德国工业4.0计划的资助重点，目前有十五个子项目正在进行之中，其牵头单位包括阿迪达斯、奥迪等公司及慕尼黑工业大学等科研院所（。这些项目涉及生产、物流、机器人等领域，具体研究领域包括工厂架构设计、物流自动化、产品研发等，内容很丰富。德国联邦政府也很积极地对外宣传这些项目的进展，在2016年的汉诺威工业博览会、2016慕尼黑国际机器人及自动化博览会（Automatica 2016）上面都设置了专门的展台，对Autonomik的研究内容进行介绍。下图为Autonomik在2016国际机器人与自动化展会。

实例1：InventAiry飞行机器人项目

Fraunhofer IML（弗朗恩霍夫-物流研究所）在Autonomik的资助下开展了名为”InventAiry”的项目，目标是在仓库环境中用自主飞行的机器人来清点库存。这样的机器人体积甚小，凭借其摄像/探测设备可以在飞行中感知和分析周围环境，并自行决定飞行的路线。在飞行过程中，机器人会探测和记录每件物品上的条形码/RFID标签信息，从而完成库存清点的过程。
InventAiry这样的系统，具有相当大的灵活性：首先，此机器人的应用不需要其它的硬件布署作前提，因此能够迅速投入使用；其次，它能够动态地识别周围环境的变化，不依赖于已有的地图。因此，即使是飞行过程中出现了新的障碍物，或是移到一个全新的仓库中，机器人也能够很快地适应。
这种自主飞行机器人的应用，可以大幅节省库存盘点所需人力资源，将劳动者从简单的体力劳动中解放出来。同时，它使得库存监控成为一个常态化的、可连续运行的过程，有助于库存准确度的提高。下图为 自动飞行器进行库存盘点。

2：设计生产线的平台OPAK

在OPAK项目中，以液压气动系统而闻名的Festo公司，正在开发一种面向功能的系统设计平台，来简化生产系统的设计过程（如右图所示）。现代生产系统往往有着大量的零部件、传感器、控制器等等，其协调、管理和维护是一项非常复杂的工作，而且其软件架构的开发和维护也带来了很大的挑战。Festo的目标是通过可插拔式的生产系统组件和可视化的设计，实现“即插即生产”的目标。

在OPAK项目框架下，生产系统具有高度的灵活性和兼容性：通过接口和模块的标准化，来自不同制造商的机电元件可以较为容易地结合在一起，而不用作特殊的调整。即使整个系统已经投入运营了，也还可以再插入新的元件，轻松实现功能扩展。OPAK系统可以应用在各种环境，不依赖于特定的行业，也不依赖于特定的生产者。
此项目的成果可以大大解放生产系统设计师：他们可以更加专注于要实现的具体功能，而不必过度纠结于相应软件架构、硬件标准等约束。当新的机电设备/组件被纳入系统时，相应的后台软件代码生成都将自动完成，不需人为干预。设计生产系统可以像可视化编程一样，在电脑/移动设备的屏幕上轻松完成，“所见即所得”。设计人员在减少了不必要劳动之后，可以更好地发挥自己的创造潜力，以及综合考虑跨学科的因素。右图为借助“即插即生产”理念，来简化生产系统的设计。1

制造系统设计思想从Autonomik项目的实例中，可以体会到德国工业4.0对于工具和系统的设计思想：

A 基于感知的反馈控制

如前所述：研发出的工具可以在没有接到外界指令的情况下，自发地完成一些功能（如库存盘点机器人的自主飞行、OPAK系统机电元件的自动接入）。并且，完成这些功能是基于“认知”，即借助传感器、摄像头等对外界情况进行识别和判断。在实时感知的前提下，可以通过计算机的分析计算来作出最优的决策，并且反馈给工具的控制设备来执行命令。这和赛博信息系统（CPS）的理念是契合的。实时感知和分析计算的实现，有赖于先进的信息与通信技术（ICT）与工业生产技术的融合。这也是Autonomik众多研发项目的重心之所在。

B 应变和调整能力
Autonomik强调的一点是：当周围环境/顾客需求发生变化的时候，工具和系统要能够及时调整自身，去较快地适应新的环境。这一理念在现代供应链管理中也是非常重要的：由于经济活动的外界环境日趋复杂，运营面临着各种风险，所以在供应链外部环境发生变化的情况下，每个环节要能够迅速适应，恢复正常运作。具体到工厂环境中，各个生产/物流环节也要具备调整和适应的能力。当接受新的任务的时候，生产系统和工具要能够“快速学习”，及时应对。
例如下图中，在接受简单的“初期培训”之后，永恒力叉车可以自行完成指定任务。

如果将“自主性”和“应变与调整能力”结合起来看，Autonomik理念下的工具和系统显然初步具备一定的智能特征：除了认知、决策和应变之外，它还具有“进化”的能力，可以通过扩充自身功能来延长生命周期。

C 易于上手使用

如前文所述，Autonomik的主要服务对象是中小企业。所以，系统的成本要尽可能低廉，使用时所占用的土地和人力要尽可能少；它要能够比较容易地布署在一个新环境中，而不需要太多前提条件。
如果传统的大型制造企业可以比作“集团军”，那么Autonomik理念下的生产系统则可以比作“特种部队”：人数不多，但灵活精干。局部爆发力超强，招招见血。

D 多领域知识融合

对于有自主性的人机交互系统，其设计过程会涉及到很多领域的知识，包括：机械、电子、人工智能、心理学、甚至法律知识（关于IT安全等话题）。所以，未来的制造系统设计必然是一个跨学科的综合项目，需要设计师/项目经理具有系统工程的思想，去协调设计整体框架。这个过程中的跨学科交流讨论也是德国联邦政府部门所希望促成的。

E 以人为本

这个理念在德国工业哲学中是不可动摇的。无论硬件和软件进化到何种程度，人类既不会被淘汰，也不会成为机器的附属。充满智能的机器将会帮助人类，和人类协同工作、和谐并存。