人機界面在工業(yè)4.0的演進中正在向完全數(shù)字化、自動化轉(zhuǎn)變

在過去的幾十年里，由于技術的飛速發(fā)展，人機界面（HMI）發(fā)生了巨大的變化。人機界面行業(yè)見證了從簡單按鈕到現(xiàn)代觸摸屏顯示器的演變過程。盡管如此，人們與機器交流的方式預計還會有更多的變化。企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0等趨勢在這方面發(fā)揮著重要作用，是人機界面轉(zhuǎn)型的最重要載體。

工業(yè)革命的四個階段

工業(yè)4.0一詞最初是在2011年用于智能制造，后來被賦予了更廣泛的定義，涵蓋了交通、智能建筑、采礦、石油和天然氣、醫(yī)療保健和其他領域。它出現(xiàn)在工業(yè)革命的第四階段，因此要了解工業(yè)4.0的概念，重要的是探索其前身。

第一次工業(yè)革命

1784年，發(fā)明了第一臺機器織機，標志著工業(yè)革命和工業(yè)1.0第一階段的開始。隨后，引進了水和蒸汽動力機器，使機器能夠日夜運轉(zhuǎn)，并且不需要多個操作員。機械化是工業(yè)1.0的核心，它催生了現(xiàn)代制造業(yè)。

第二次工業(yè)革命

到了20世紀初，電力似乎取代了水和蒸汽。工業(yè)2.0時代的特點是大規(guī)模生產(chǎn)商品，使用裝配線和分工來優(yōu)化勞動力。

第三次工業(yè)革命

工業(yè)革命的第三階段始于20世紀60年代末，當時出現(xiàn)了可編程邏輯控制器（PLC）。電子和信息技術的廣泛應用實現(xiàn)了制造業(yè)的進一步自動化和數(shù)字化，這是工業(yè)3.0時代的基礎。物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)分析等技術也是第三次工業(yè)革命的關鍵驅(qū)動力。

第四次工業(yè)革命

我們正處于第四次工業(yè)革命之中——制造業(yè)數(shù)字化和自動化的下一次飛躍，有望帶來持續(xù)的生產(chǎn)力增長并改變工廠的運行方式。工業(yè)4.0引入了工人和機器之間交互的重大變化。在這個新時代，機器的職責已經(jīng)超越了手工制造過程：它們開始在制造管理、資源規(guī)劃、數(shù)據(jù)收集和分析以及物流方面發(fā)揮重要作用。

工業(yè)4.0組件

工業(yè)4.0在技術的幫助下為先進生產(chǎn)提供了新的機會。這些技術是眾所周知的：

物聯(lián)網(wǎng)

3D打印

高級人機界面

大數(shù)據(jù)

增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實

但是，工業(yè)4.0的關鍵組件是網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS），它是真實世界和虛擬世界融合不可或缺的技術環(huán)節(jié)。

網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS）的好處和關注點

根據(jù)工業(yè)4.0范例，網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS）越來越具有自主性和自組織性：它們可以收集數(shù)據(jù)，并對其進行分析，甚至根據(jù)其做出決策。下一個邏輯問題是“人類在制造流程中將扮演什么角色？”

一些人擔心如果智能機器取代了人類，就會出現(xiàn)不需要工人操作的生產(chǎn)設施。事實上，CPS不會取代操作員，而只會改變其角色。當智能CPS持續(xù)監(jiān)控制造流程，預測或檢測正常狀態(tài)的變化時，人們可以在關鍵決策時進行干預。此外，工業(yè)4.0可以引入與大數(shù)據(jù)分析、機器人技術和機械工程相關的新工作崗位，并徹底改變?nèi)祟惻c工程系統(tǒng)的溝通方式，并顯著改進流程。

可以預期的是，今天的機器被CPS取代將帶來一些主要好處：

CPS支持工業(yè)機器、制造業(yè)供應鏈、供應商和業(yè)務系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)有效的決策。

CPS支持自我監(jiān)控，因此當工業(yè)資產(chǎn)損壞時，它會向支持工程師發(fā)送警報，以主動修復問題。這節(jié)省了維護系統(tǒng)功能所需的時間、金錢和精力。

CPS允許對整個生產(chǎn)流程進行日?？刂?，這有助于使生產(chǎn)流程更好地滿足消費者需求。

CPS為供應鏈提供了更高程度的可見性和控制，從而提高了貨物的可追溯性和安全性。

新型的人機界面

隨著智能CPS正在改變?nèi)藱C通信過程，它們需要新型的界面來確保流暢的交互。新的人機界面系統(tǒng)需要更加先進，以提高效率和遠程服務操作，尤其是當工人在多塵、潮濕或黑暗的環(huán)境中與技術交互時。由于操作人員參與到關鍵決策的制造流程中，因此人機界面系統(tǒng)應允許輕松快速地輸入命令，以提高解決問題的準確性、安全性和速度。

考慮到這些需求，工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員正在實施新型人機界面：增強的觸摸界面、語音界面、手勢界面和增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實工具。

增強的觸摸界面

觸摸屏顯示器自從20年前推出以來，已經(jīng)取得了長足的進步，就可視化數(shù)據(jù)表示而言，它變得更加用戶友好和強大。工業(yè)接口支持物聯(lián)網(wǎng)和M2M連接，因此制造公司可以在本地和遠程監(jiān)控現(xiàn)場工業(yè)操作?，F(xiàn)代的觸摸界面非常靈敏，即使戴著手套也可以管理機器，從而為操作員帶來額外的舒適度和安全性。

語音界面

語音界面通常沒有顯示信息的屏幕，而是通過免提、直觀和高效的交互來方便數(shù)據(jù)訪問。在工業(yè)4.0中，語音激活界面變得不可或缺，尤其是在需要遠程操作機器的情況下。

Makino是工業(yè)語音激活人機界面的先驅(qū)公司之一，已經(jīng)開發(fā)了Athena，它使用基本的語音命令來控制車間的生產(chǎn)設備。Athena的操作員現(xiàn)在不僅可以遠程發(fā)布命令，而且還可以詢問有關機器關鍵指標的問題。

手勢界面

與語音界面類似，手勢控制允許對工業(yè)機器或計算機系統(tǒng)進行無接觸操作。它們識別操作員的手或頭部的動作，并使用特殊的數(shù)學算法來控制設備或與設備交互。手勢界面可通過多種方法（有線手套、深度感知和立體聲攝像頭或手動跟蹤控制器）啟用，從而提供更準確、更快速的人機交互。

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實工具

目前，增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實是提高效率、降低運營成本并在從庫存管理到員工培訓的許多制造流程中提高生產(chǎn)靈活性的最突出技術之一。

當涉及到裝配線任務時，操作員通常需要非常專注，以將過多的組件精確地組裝在一起。增強現(xiàn)實工具通過疊加關鍵信息來分解這些組件，從而大大簡化組裝操作員的工作，并降低出錯的風險。

現(xiàn)在，員工無需檢查組裝手冊，并且可以隨時確定他們的下一步工作，這極大地提高了績效。例如，全球最大的國防承包商洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin）已經(jīng)將AR集成到航天器裝配中。在這種情況下，必須將一些關鍵零件（例如緊固件）的公差設置為0.5英寸，而配備增強現(xiàn)實眼鏡的員工現(xiàn)在可以可靠地對齊這些組件。洛克希德（Lockheed）報告說，每個緊固件每年可節(jié)省38美元的人工費用，每年訂購這種緊固件的數(shù)量高達數(shù)百萬個。

制造業(yè)中增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實影響的另一個范圍是員工培訓。當新員工入職時，會出現(xiàn)許多挑戰(zhàn)，包括設備和培訓老師的可用性。此外，復制一些現(xiàn)場場景通常很昂貴，尤其是涉及安全的場景。（來源物聯(lián)之家）洛克希德·馬丁公司還實施了增強現(xiàn)實技術，為其員工提供組裝航天器部件的動畫手冊。該公司報告稱，向工人解釋裝配說明所需的時間驚人地減少了95%。歸根結(jié)底，這些技術提供了一種更身臨其境的在職培訓，充分提高了員工的滿意度。

最后，增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實還可以顯著減少維護和故障檢測時間。例如，大型電梯制造商蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）已為其技術人員提供了用于維修操作的AR工具?，F(xiàn)在，服務技術人員可以更可靠地發(fā)現(xiàn)問題并獲得實時的疊加指導。該公司聲稱技術人員現(xiàn)在可以比以前快四倍時間完成維修。

超越炒作

要讓這些技術帶來真正的長期效益，不僅需要將其簡單地引入制造工作流程中，而且還需要更多。

在德勤（Deloitte）最近發(fā)表的題為《工業(yè)4.0：在準備和責任的交匯處》中，三分之二的受訪企業(yè)表示，他們正在對工業(yè)4.0采用臨時的做法，而商業(yè)領袖中只有10%的受訪者表示，他們有從各種人機界面系統(tǒng)中獲取最大價值的長期策略。毫不奇怪，后一組將在整體上取得更大成功。

在這種情況下，長期方法不是要制定持續(xù)的技術采用計劃和產(chǎn)品配置策略，而是要在利潤和社會責任之間尋求平衡。普華永道的《數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)2025》報告發(fā)現(xiàn)，專注于產(chǎn)品生命周期管理和企業(yè)資源規(guī)劃的公司預計產(chǎn)品開發(fā)效率將提高31%，上市時間將縮短28%。

人們將注意力轉(zhuǎn)移到可持續(xù)發(fā)展和企業(yè)社會責任上的主要原因是客戶和員工的壓力越來越大。在理想世界里，對可持續(xù)發(fā)展的關注應該是企業(yè)領導者內(nèi)在社會責任的結(jié)果，而如今的客戶、員工和利益相關方越來越關注環(huán)境。許多人認為，他們的公司關注社會問題是由董事會和客戶的期望驅(qū)動的。

這讓我們看到，那些擁有全面企業(yè)社會責任政策的企業(yè)將能夠更快地創(chuàng)新，聘用更好的專家，并實現(xiàn)穩(wěn)步增長。

人機界面：實施技巧

這里沒有什么大新聞，您需要一個實施計劃。由于公司旨在獲得工業(yè)4.0和人機界面提供的最大利益，因此考慮以下實施步驟至關重要：

首先，組織需要開始進行審計，以評估其在工業(yè)4.0成熟度等級中的當前位置，然后制定長期的戰(zhàn)略計劃。

下一步，關鍵是要建立新的領導角色，負責采用和利用人機界面的力量，并確定新的投資機會。

在為變革做準備時，我們還建議制定足夠的員工培訓和發(fā)展計劃。然而，確定您的員工到底需要哪些技能仍然是一項重大挑戰(zhàn)，而這就是上述第一步制定長期戰(zhàn)略計劃的重要性的原因所在。

總結(jié)

借助語音和手勢控件、增強的觸摸界面以及虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實工具，人機界面在工業(yè)4.0的演進中正在向完全數(shù)字化、自動化轉(zhuǎn)變。新型的人機界面可以通過提高效率和減少停機時間來為智能工廠帶來很多好處。此外，用于重復性任務或危險環(huán)境時，它們可以簡化操作并確保工作場所的額外安全。
責編AJX