基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統創新設計

劉敏洋 黃艷群 張大衛

1.天津大學機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津，3003502.北京信息科技大學機電工程學院，北京，100192

0 引言

中國制造業在“中國制造2025”這項國家計劃的推動下已經開始了轉折性的變革。該計劃一方面強調加快推動新一代技術信息與制造技術融合發展，同時也將培養、吸引、留存制造業人才作為了最終的目標[1]，因此，在打造智能工廠的眾多任務中，關于“人”在整個智能工廠中所處的位置與作用，也同樣急需納入研究范圍。中國制造業的人才流失率已經連續多年處于高位[2]，大量的一線工人中已經逐步年輕化至“90后”群體，類似機器般的制造業工作對這些熱愛新鮮事物、易受同伴影響、追求高精神回報的新生代員工[3]來說，已經較難從現實物質需求以及職業的精神需求兩個方面留守住這些人力資源，這也就造成了制造業人員的高離職率、低工作績效表現和低工作滿意度的結果。

創新的人力資源管理方法是解決這個問題的重要途徑之一。HAMARI等[4]提出，將“用戶的心理學動機”作為一個影響生產效率重要因子融入信息系統設計之中是未來的重要趨勢，它能夠有機地將“人”的心理需求(而不是“機器般”的存在)作為提升知識以及生產效能獲取的一個考慮因素。國外的相關研究則將員工的工作動機、投入感、趣味體驗等融入到人力資源管理的設計之中，特別是在IT和互聯網企業中，這一理念得到了有效應用[5-8]。然而，將員工工作感受納入績效系統在制造業領域應用仍處于初步階段。LI等[9]將AutoCAD工作進行趣味化設計，使其具有分數、任務、獎勵等屬性，從而使得制圖過程更具有愉悅感。BROUGH等[10]利用虛擬現實技術為機械裝配工人提供更加輕松和便捷的虛擬訓練環境，使其可以完成在實際操作環境中較難進行的裝配訓練。

本研究提出基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統設計，旨在令員工在工作過程中，從心理層面感受到動力、滿意度、投入感、興趣等正面情緒，從而在行為層面提高其工作績效表現。研究內容包含：基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統設計的結構與策略，該系統利用數控機床自動獲取加工數據的相關功能以及數控機床操作工人績效及工作情緒提升需求，提出通過互聯網技術聯結數控機床端、上位機端、云端以及移動客戶端四個部分的系統架構及功能策略；對該交互系統進行設計與開發，通過對四個端口的程序及架構開發，實現交互系統設計；通過實例對所開發的交互系統進行有效性檢驗，結果表明該系統可以使參與者的工作動機、工作滿意度以及工作績效表現顯著性提升。

1 基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統總體結構與設計策略

1.1 總體結構

基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統包含四個部分，具體結構如圖1所示。本系統的最底層由多臺數控機床組成。在數控系統中開發了用于啟動、結束的計時器及計時器變量結果轉存的用戶宏程序，在運行程序的同時能夠獲取操作工人完成上述各項關鍵任務的耗時。在每一特定周期(如工件加工周期)后,這些耗時數據會通過數控系統的工業以太網接口發送至上位機。上位機接收機床上傳的數據會按照一定的規則進行分數計算及排名統計，將此結果返回到數控機床操作系統，并將計算結果和原始數據存儲于數據庫中。為了保護上位機的數據安全以及保障數控機床上的生產順利進行，數據經由網絡開關與防火墻，通過互聯網傳輸至云端平臺，從而與外界訪問終端進行連接。此終端部分采用C/S構架，針對移動客戶端編寫相關程序。用戶可通過手機APP查看到經過可視化后的生產過程數據并進行交互。

圖1 基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統總體結構Fig.1 Structure of thehuman computer interactio n system for CNC machine tools based on performanc e incentive mechanism

1.2 設計策略

本系統的目標旨在提高數控機床操作工人的工作效率和工作情緒，因此，對采集到的數控機床操作過程數據進行量化和集成，并產生更加能夠激發工人工作動機的實時反饋數據是本績效系統的核心任務?；谙惹把芯咳〉玫某晒鸞11]，數控機床操作可根據工作特征模型(job characteristic model, JCM)提煉出設計策略，如表1所示。其中，工作核心特征欄為JCM中對工作的特征總結，選取了其中三個主要的特征，即技能多樣性、自主性和反饋。數控機床操作核心任務一欄為針對三個工作核心特征的各項核心任務。后4欄的內容包括目標設定、激勵元素、激勵機制、心理需求4項。最后一欄為基于前面各欄的內容，提出對應的設計策略。

2 基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統設計

2.1 機床端數據采集與程序開發

本系統的機床端開發基于FANUC數控系統，使用FANUC Picture軟件進行開發，在所有具有FANUC Picture Executor功能的FANUC數控系統上均可兼容?；谏鲜鲈O計策略，數控機床操作工人在各項核心任務的操作時間、完成工件的數量以及良品率方面將會被采集作為生產過程數據。完成工件的數量直接由數控系統獲取，良品率在質檢報告給出后即可獲得。核心任務操作時間的獲取與人機交互的流程如圖2所示，當按下“啟動”按鈕后，系統會在每項任務開始前進行提示，如提示“檢查程序”，操作工人需要按照實際工作情況進行常規操作，在此過程中操作工人無需進行額外操作，系統會自動獲取完成每項任務的工作時間，并記錄到相應的變量中。當操作工人完成全部加工任務后，系統會給出所有任務的耗時總長，操作界面如圖3a所示，如員工愿意提交本次加工任務的數據以參加競賽，系統則會將本數控機床所獲取的數據上傳到上位機進行計算，隨后反饋信息到數控機床系統，操作界面如圖3b所示。反之，系統則不會上傳本機床獲取的數據，此舉可避免由于“強制性快樂”對參與者所產生的影響。

表1 基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統設計策略

2.2 上位機端設計

在收到來自各個數控機床傳輸的工人完成各項核心任務的時間數據后，上位機會通過MT-Linki軟件開發的程序進行計算和排名，在得到以下結果后返傳回數控系統并顯示:①完成各項任務的時間排名；②臨時總分數；③臨時總排名。分數的計算規則可根據企業績效管理需求進行自定義。所有數據結算完畢后，最終結果會通過互聯網發送至云端平臺，以方便用戶使用手機等移動終端查閱。

圖2 核心操作任務數據獲取與人機交互流程圖Fig.2 Data capture of key operation tasks and huma n computer interaction flow chart

(a)各項任務完成耗時提示界面

(b)操作結束后數控機床的結果顯示界面圖3 機床端設計的部分操作界面Fig.3 Part of interfaces of terminal design based o n CNC machine tools

2.3 云平臺及移動端設計

經上位機計算后的數據通過云平臺傳輸給移動端，本系統的移動端將最終的工作績效表現數據通過視覺化手段呈現給用戶。端口分為員工端和管理端兩種角色入口。員工端的用戶均為車間一線技術工人，管理端的用戶可包括企業總管、生產部長、車間主任、車間質檢員等相關管理人員。員工端的功能框架如圖4a所示。生產計劃功能可以為員工提供所需要進行的生產任務通知，了解當天以及未來一周的生產任務。生產成就功能即為從上位機傳來的各項數據，包括生產量統計、所獲得總分、成就徽章和排行榜等信息，這一功能所獲得數據與績效系統的薪酬以及人力資源信息掛鉤。生產廣場功能即為工廠內的“朋友圈”，可以發布各種文字、圖片、文件等內容，可以為他人點贊或者評論。生產商店的功能可以讓員工通過花費個人的獎勵分數購買相應的道具獎勵。當積分達到特定數值時，可換取培訓與職業發展的相關咨詢道具。管理端功能框架如圖4b所示。從生產力量部分可了解到工廠當日的生產情況及統計、工廠季度完成總量、入庫總量占年目標率、階段入庫量對比等信息。生產計劃功能是生產部長和車間主任的核心任務，他們可以通過此模塊進行車間人員分配、生產任務分配和上傳任務記錄等操作。生產檢驗模塊提供給檢驗人員進行輸入檢驗結果和導出檢驗結果的功能。生產廣場與員工端的功能一樣，可供用戶互瀏覽發布的內容。移動端部分交互界面如圖5所示。

(a)員工端功能框架圖

(b)管理端功能框架圖圖4 移動端設計的功能框架Fig.4 Function structure of the mobile terminal

圖5 移動端部分交互界面Fig.5 Part of user interfaces of the mobile terminal

3 基于績效激勵機制的數控機床人機交互系統設計檢驗

3.1 實驗假設與流程

為了測試本人機交互系統設計的有效性，需要測量其對操作工人工作情緒以及工作績效表現兩方面的影響，因此提出三個假設，即：①此人機交互系統可以提升操作工人的工作動機；②此人機交互系統可以提升操作工人的工作滿意度；③此人機交互系統可以提升操作工人的工作績效表現。

實驗參與人員的采樣來源于一小型絲杠加工廠(工廠1)和一大型的汽車缸蓋生產廠(工廠2)，采用實地實驗，在兩個工廠真實工作環境中進行被測者平時真實的工作內容，并選擇了加工時長和復雜程度類似的工件作為控制變量。分別篩選了26名和44名數控機床操作工人參與實驗，工廠1、工廠2員工的平均年齡為26.06歲(標準差為1.25)和25.8歲(標準差為0.76)，被測者全部為男性。

兩個工廠的被測試者均被分成等量的實驗組與對照組，采用對同一工廠的兩組被測者進行前后測量的手段檢驗三個因變量，即工作動機、工作滿意度和工作績效表現。兩組參與者對規定數量的相同工件進行加工后(工作時長為W1)，測量他們的三個因變量數值(M1)。隨后，對實驗組的被測試者進行數控機床績效系統功能講解，實驗組的被測試者改為在含有本績效系統設計的數控機床上進行工作。對照組無干涉措施，對規定數量的、且與實驗組相同的工件進行加工(工作時長為W2)。實驗組測量三個變量M2，而對照組測量三個變量M′2。同樣方法，進行另外三天的實驗，員工工作時間分別為W3、W4、W5，實驗組測量三個變量分別為M3、M4、M5，對照組測量三個變量M′3、M′4、M′5。

3.2 實驗數據測量

工作動機的測量采用工作動機量表(work motivation scale)[12]發展而來的7題量表。工作滿意度通過明尼蘇達工作滿意度量表(Minnesota satisfaction questionnaire,MSQ)[13]的短表中內部動機題目進行測量。工作績效表現通過對工作時長和合格率這兩個因子進行測量。工作時長是指在每個工作階段內完成規定數量的工件加工所花費的總時長；合格率是指每次工作時間結束后，通過檢測后合格的工件數占總加工工件數的百分比。

3.3 實驗結果分析

所有樣本的工作動機和工作滿意度數據均通過了信度和效度檢驗，并且兩個工廠的數據不存在顯著差異，可被認為是對一個整體樣本進行分析。對實驗組和對照組的工作動機和工作滿意度在W1和W2～W5之間進行配對樣本t檢驗(t值為顯著性檢驗的t統計量，p值為差異性顯著的檢驗值)。結果如表2所示，實驗組的工作動機和工作滿意度均值均有顯著提升，而對照組中此兩個因變量沒有顯著變化。這些實驗結果驗證了假設①和假設②。

表2 實驗組和對照組關于工作動機和工作滿意度的配對樣本t檢驗

對比實驗組和對照組的兩項工作績效表現因子可知,對于工作總時長來說，對兩個工廠的樣本各自進行配對樣本t檢驗來比較W1和W2～W5的均值區別，如表3所示。結果表明，對于實驗組來說，相比W1，W2～W5的總加工時長均值有所減小，而對照組并未出現顯著差異。同時，對兩組數據的合格率進行Wilcoxon檢驗，結果表明無論實驗組還是對照組，在W1～W5五個工作時間段內，合格率都沒有顯著變化。因此，工作績效表現的測量因子在實驗組的工作時長有明顯縮短而合格率無明顯變化，對照組在兩個因子均無明顯變化的情況下，可驗證假設③。由此，三個假設均得到驗證，證明了基于生產過程數據量化集成的數控機床操作績效系統對被測者的工作動機、工作滿意度以及績效表現均有顯著提升。

表3 實驗組與對照組的加工總時長的配對樣本t檢驗

4 結論

本研究創新點在于:從概念角度，增強了“人”這一因素在數控機床操作工作中的影響，通過對心理因素的設計來促進員工的績效行為表現；從技術角度，利用移動互聯網、物聯網、云平臺等先進的信息技術，以及數控系統能夠抓取各項操作的時間數據以及加工工件數據的特性，將員工的生產過程數據進行計算比較，形成競賽形式的分數及績效獎勵機制，并最終通過數控機床系統端和移動客戶端將數據進行信息系統的整合與實現；從應用角度，實驗結果表明此數控機床人機交互系統對被測者的工作動機、工作滿意度以及工作績效表現均具有正面影響。本系統不但可以促進操作工人更高效和更有動力地完成工作，對于管理層用戶而言，所提供的更加準確的生產結果統計以及員工工作表現可以成為一種全新的提高生產效率和員工工作情緒的管理手段。另外，這套績效系統的應用范圍具有廣闊潛力。就目前單個的工廠層面來考慮，它可以被應用在班組之間、車間之間等工廠內部的各種層級之間，從而促進生產效率的提高。在大數據時代，這套系統中用戶所積累的分數、等級、成就等數據信息，可能成為一種被全國范圍內工廠之間以及行業內認可和量化的職業技能標準。應用這套系統的技術人員，可通過這個公共平臺上的個人數據信息來體現其職業技能價值以及地位，也能為中國制造業人才的儲備、培養和管理提供具有參考價值的信息。