實現工業5.0：人機融合新關系的構建

鄧洲

不同于以往的新科技革命和產業變革

與以往的技術浪潮和產業革命追求高效率、高產值和低成本存在明顯區別的是，當前，各國在制定應對新科技革命和產業變革的戰略和政策時，不約而同地突出“人”的核心價值。一方面，技術進步和產業升級的目標是人的生活更美好，而不是單純追求效益和效率提高；另一方面，技術的使用尊重人的動作習慣、滿足人的發展需求、降低人的腦力體力支出，在生產過程中形成更加和諧的人機關系。作為著名“無盡前沿法案”的替代和延續，“2021年美國創新與競爭法案”同時提到加強人機交互和機器自動化的技術研發和應用，改善以工業為重點的工作環境。歐洲國家有注重人性釋放的傳統，歐盟2020年版本的“地平線計劃”特別重視利用新技術改善人的發展環境，創建具有創造力和文化包容性的社會，而工業要提供更加人性化的工作崗位。日本文部科學省發布的《2020科學技術白皮書》將“社會5.0”描繪為一個以人為本的智慧社會，并提出了2040年可以實現的37項新技術，其中多項是與人在新科技環境下的發展，以及與人機交互、人機融合相關的，包括增強虛擬現實、存檔工匠技術的農業機器人、實時翻譯所有語言系統、語言表達回話裝置、記錄和分享個人感覺的裝置、學習工匠技巧的人工智能系統。

工業和制造工廠一直是新技術、新工藝的試驗地和應用場所。從英國工業革命開始，制造現場已經經歷若干次巨大變化，使用蒸汽機的手工作坊、使用大型機械的冶金車間、電氣化的裝配線、勞動密集的加工工廠、高度自動化的流水線等是不同時代工業的代表。最近二三十年，在技術推動下，這種變化更是加速發生。但現代化的工廠仍然是以冷冰冰的機器為主：大量固定的工業裝置整齊排列在流水線兩側，以標準化的流程和動作完成工作；不時閃爍的黃燈或紅燈是機器向人類的求助信號，但在機器完全停止運轉前，工人和工程師禁止進入圍欄和警戒線內。人與機器在不同崗位上工作，沒有實現深度融合下的交流與合作。

工業5.0體系亟需形成一種全新的人機關系，不僅要突破機器自身的局限，更要使人處于工業5.0新制造現場的核心地位，機器配合人的習慣和節奏，在動作上保護人的安全、在思想上服從人的指揮，成為人忠誠和得力的幫手和從屬。這種新的人機關系繼續發揮機器在力量、精細化、穩定性和無懼惡劣環境等方面的優勢，但更突出人在生產中的絕對主導地位，并形成更加人性化的工業就業模式和工作環境。包括機器人在內的各種工業機器將更類似于人人都能便捷使用的“智能手機”，而不是需要專門學習才能安全有效操作的“高級裝置”。

人機關系的演進：從沖突到融合

隨著技術的進步、制度的完善，以及工業從業人員（特別是普通工人）的狀況越來越被重視，工業生產中人與機器的關系從工業革命初期的對立和沖突，逐漸磨合演變為互補和協作。這一過程絕非簡單的“機器換人”，而是反映了不同歷史時期、不同技術條件下，工業發展目標、經濟屬性、技術路線和價值創造方式不斷向著更符合人的利益的方向發展（見表1）。在數字化時代，工業生產中人與機器的關系不盡如人意，這是工業就業吸引力下降進而引發工業價值創造能力下降、要素配置扭曲的重要原因。構建更符合時代特征的人機關系，是破解工業發展困境，實現轉型的必然要求，也是“工業5.0”在人機關系上的具體表現。

在工業革命初期，機器的出現大幅地提高了生產率，但這并沒有改善勞動者的狀況，甚至還使得底層人民的生活更糟糕。圈地運動將勞動者從農村趕到城市，失去土地的農民不得不進入工廠。十八世紀末到十九世紀初，高強度的工作使得英國工廠勞工的平均壽命比同期鄉村人口低了近20歲，機械工的平均壽命一度不足20歲。工業化和制造工廠沒有給勞動人民帶來福祉，反而是剝奪其生產資料、縮短其壽命，機器對工人造成的傷害巨大，人與機器之間是激烈的“沖突”關系。

二十世紀初，第二次工業革命將工業的生產率提高到新的高度，但機器繼續對工人造成身心上的傷害。機器變得更加復雜，同時也更加危險，工廠瘋狂追逐規模化和高利潤，安全事故猶如家常便飯。1919年，美國波士頓一家糖廠儲糖罐爆炸，21條生命在糖漿中窒息身亡。工業化起步更晚的中國，直到上世紀九十年代，浙江樂清每年會有約5萬根手指頭斷送在沖壓機上。當然也必須肯定，機器在上個世紀大幅降低了工人的勞動強度，明顯減少了工人的體力消耗，人與機器緩慢“磨合”尋求更和諧的關系。

從上世紀五六十年代開始，相對和平的環境加快了工業的發展，在技術進步的同時，工業迎來管理方法和規章制度的大改革。機器對工人的保護得到加強，機器造成的傷害事故在發達國家迅速減少，發展中國家也開始加速工業化并融入全球分工體系。與此同時，得益于先進機器的使用，出現更多的高收入崗位，人與機器的關系得以緩和，呈現互補的特征。

到八十年代以后，工業機器人開始大規模應用于制造業，信息技術的進步還促進了包括機器人在內的各種工業機器的數控化，機器的操作更加人性化，也更安全可靠。同時，機器的標準化程度大幅提高，這使得多臺機器共同工作成為可能，大大提高了制造工廠的柔性化程度，人與機器逐步形成“協同”關系。但是，這種協同是有條件和局限的：人必須通過培訓才能用計算機語言操作機器，這通常需要大量人力資源投入；更大力量、更快速度的機器變得更加危險，工廠必須執行極端嚴格的規章制度，將機器隔離在圍擋以內，人與機器的協作只能發生在不同工序上。

進入新世紀后，工業啟動新一輪的以數字化、綠色化為特征的變革，這對人與機器的關系提出了更高的要求。機器一方面需要更“像人”，具備和人類勞動者相似的學習能力，實現高度的柔性化；另一方面需要更好地“服務人”，工人必須是未來新制造場景的核心，機器的運轉完全服從人的意志，配合人的習慣。借助新的技術和工藝，機器至少需要在三個方面發生明顯變化才能實現人機深度融合：一是人類自然語言替代計算機語言成為人機交互的媒介；二是機器更加安全，能夠實現人與機器同空間同平臺協作，肢體上的觸碰不會造成傷害；三是機器更加柔性和智能，能夠與工人共同學習，并迅速發展出新的生產能力。一旦完成上述三個變化，就能夠形成“工業5.0”描繪的人與機器深度融合的全新制造現場。

人機融合的關鍵：識別、避讓、移動和同步

2019年1月，在美國拉斯維加斯舉辦的國際消費電子展上，歐姆龍集團展示了其對未來制造的設想——“近未來制造現場”。兩年后的2021年中國國際進口博覽會上，歐姆龍展完善了“突破性的”“近未來制造現場”，這是該公司在2015年提出“i-Automation”人機融合生產現場解決方案后在實踐上的一次重大進步，并首次向公眾展示一套完整人機融合制造系統。“i-Automation”整合了人工智能、物聯網、大數據分析等新一代信息技術，使用協作機器人與移動操縱機器人應用（MoMA），機器成為人類的助手，與工人在同一平臺、同一空間互補與協助，實現柔性、高效、靈活的生產。“i-Automation”給參觀者最大的沖擊是：在一個人機共享的生產空間，機器人通過視覺系統感知人的動作，判斷人的熟練程度，并據此調整自己的速度，工人熟練度低時設備速度就會慢一點，等工人熟練度提升后，速度就會快起來。在展會現場，參觀者不需要學習任何計算機語言就可以直接向系統發出指令以完成一件產品的制造。雖然離真正的產業應用還有一段距離，但“i-Automation”已經勾勒出未來人機融合制造現場的基本輪廓。

要形成高度融合的人機關系，依靠現在的工業機器顯然是不行的。國際機器人聯盟（IFR）根據協作層次以及對內部安全特征和外部傳感器的要求，將協作機器人分為隔離操作、共存操作、序列協作、同平臺合作、響應性協作五個級別，工業機器要實現從與工人的隔離操作向最高級別的響應性操作躍升，必須突破識別、避讓、移動和同步四個關鍵性難點。

識別是要實現人與機器之間無障礙的交流。新一代的協作機器人都配置視覺軟件和高清相機，可以捕捉人類伙伴的動作和表情，從而能夠直接理解人的指令，主動配合人的習慣和節奏。過去工業機器人的視覺技術主要應用于工作對象，幫助機器更好地抓取和應對不規則無規律的情況，而現在則要涵蓋對人類的動作、表情和潛在危險行為的捕捉。人工智能賦能下的語音識別、圖像識別能夠幫助機器更快地掌握人直接或間接發出的指令，煩瑣復雜的、使用機器語言的人機界面將逐漸成為一種輔助性的交流方式。同時，混合顯示技術將成為可視化的升級換代，工人能夠更加直觀、全面和準確地掌握機器的運轉情況和其向人類傳遞的其他信息。例如，德國蒂森克虜伯的裝備制造工廠在車間和維修現場使用增強現實顯示的智能眼鏡，用以輔助工人更好地識別工序信息。

避讓是人機融合的安全保障。目前，很多機器人廠商都將機器與人共享工作空間作為技術研發的重要方向。通過圖像、聲音、溫度傳感器，以及更高精度的伺服電機和更加柔軟的外觀設計，機器的運轉對人身安全的潛在傷害將降到最低。未來制造現場的一個突出變化就是各種工業機器的圍擋被拆除，人與機器可以在同一工作空間深度合作。歐姆龍TM協作機器人的用戶可以在可視化界面中迅速勾選相應的風險部位，機器人便會自動調整，設置安全的速度和力量極限，簡單的設置省去了用戶對機器人安全性能各項參數的仔細研讀以及相關知識的學習。

移動是要實現機器能夠像人一樣自主轉換位置，甚至能自主進行鏈接和重新組合。以往的機器都在固定工位上工作，機器設備的移動耗時長、成本高，且存在一定風險。要讓機器真正融入到以人為中心的制造中，機器就必須具備和人一樣的可移動性。在“移動”的基礎上，工業機器可以進行快速安全的自動換裝，不同位置的機器人還可以根據生產的需要相互支持和支援，這特別適合少量多樣的訂單需求。目前，很多工業裝備企業都在開發通用型的移動平臺，將傳統機器人與通用移動平臺鏈接就能實現機器的自主移動，這使得各種機器裝備能夠迅速脫離當前崗位，前往任何需要的位置，并重新接入生產系統。例如，歐姆龍的MoMA、ABB的ASTI均是機器人可移動系統的代表，目標就是突破機器的空間限制，根據不同的工位產能效率靈活地設計布置工藝流程，使得整個產線的效率和柔性化程度大大提升。

同步是要實現人與機器在感知和決策上的同步，并進行共同學習。在面臨新的任務和工作時，機器會事先為人提供一個由人工智能生成的操作流程，標注需要注意的重點事宜，工人以此為基礎進行優化。在協作過程中，人與機器能夠不斷共同改進，共同提高生產效率。歐姆龍TM等高端協作機器人都具備配合不同工人調節自己速度的功能，日本川崎重工推出的繼承者協作機器人還可以總結不同操作人員的習慣，并選擇其中最優的向其他人進行技能傳達。要實現真正意義上的人機同步，腦機鏈接必不可少。無論是通過哪種方式實現人腦與機器的聯通，都既要突破技術難關，還要有制度上的保障。

人機融合優劣勢：中國與美、日、歐的對比

美國、日本、中國與歐洲在人機融合上各具優勢（見表2）。美國在腦機鏈接、機器鏈接上有絕對領先的技術研發優勢，在軍事和醫學上已經有較為成熟的應用。例如，通過神經網絡治療癲癇、帕金森、阿茲海默綜合癥等腦疾病，以及戰場上人與武器裝備同步感知等方面，美國都有先人一步的布局，但在制造業的人機融合方面，美國由于缺少實際的場景推進較慢。日本將傳感、人工智能、加工精度上的優勢相結合，在人機融合制造的系統應用上形成了明顯的優勢。日本制造企業有不斷提高生產效率和追求更精細化制造現場的傳統，這促進了人機融合制造的實際運用。歐洲是高端工業裝備的重要生產地區，在很多協作機器人細分領域長期保持世界第一的市場地位。中國是人機融合制造的積極參與者，已經具備世界一流的人工智能、制造業數字化場景創新能力，但受傳統短板的限制，表現為規模巨大、場景多但技術處于中流水平的發展特點。

總體上看，無論是人與機器深度融合的關系，還是新的制造業現場，都還處于探索之中，尚沒有形成成熟的模式。然而，可以肯定的是，人機融合制造將成為“工業5.0”的重要特征，是未來制造現場人與機器和諧共存的方式。美國、日本、中國以及歐洲在人機融合的技術研發、場景創新和模式探索上領先于其他國家和地區，這四個國家和地區必定在制造業人機融合的各個領域、各個環節展開激烈競爭。

人機融合開啟工業發展新局面

人機融合的根本目的是讓工業變得更加“人性”，是對工業機器研發、設計、使用思路的一次重大調整。在過去，工業發展對利潤的追求遠遠高于對人性的尊重，在工業化早期和中期對工人的身心造成傷害，而在工業化的中后期和后工業化社會表現為工業就業吸引力的下降。人機融合就是要重塑工業部門中人與機器的關系，不僅要發揮出機器的優勢，更要實現人的發展。工業領域人機融合的發展需要完善的制度保障，要通過加強勞動保護，以及制定規范使用機器的標準，保障人在未來制造現場的中心地位——人不能依附于機器，機器承擔更多、更繁重的工作，但只能是人的幫手。目前，美國、日本、韓國和歐盟都在資助有關機器與人倫理關系的軟科學研究，中國在這方面的研究相對滯后。應當讓更多經濟學、管理學、社會學、法律學、文化學的研究人員參與到人機融合的相關課題中，同步推進工業人機融合的技術研發和制度建設。

工業行業之間因技術特征差異大，人機融合會有不同的實現路徑。在達到人機融合制造最終理想狀態之前，不同制造業部門因為技術特征不同，可能出現多種演進路徑。以歐姆龍TM機器人和可移動MoMA系統為代表，目前大多數協作機器人和人機融合制造系統更適合勞動密集型較高的加工制造業，例如服裝業、電子信息的裝配環節等，而對于其他工業部門則需要另外設計技術路線和創新應用場景。例如，對于化工、冶金等流程類行業，人機融合制造的關鍵在于根據訂單調節產量和產品結構，實現最大程度的循環經濟降低物耗能耗，以及以機器協助工程師對生產流程進行無縫隙監管，防止安全事故的發生，降低產品殘次比例。對于大飛機、高鐵機車、工程機械等復雜產品系統，人機融合制造應該更強調機器的可移動性，機器能夠跟隨工人并隨時提供體力上的輔助，完成自動備料、提供各種參數信息等任務，并發現和糾正工人可能出現的操作錯誤。對于汽車、家電等標準化程度高的模塊化產業，更適合發展能夠人機合作自主構建產線的智能化工廠，形成更加柔性化的大規模定制生產系統。對于生物醫藥、集成電路、采掘等需要高度潔凈或面臨極端惡劣環境的產業，應當更加注重人機遠程融合，讓工人能夠遠離作業現場。

人機融合制造發展的一個潛在影響是重新激發工業的就業吸引力。無論是在發達國家，還是在發展中國家，工業對年輕人就業的吸引力都在降低。工資水平較低只是一方面的原因，工業就業崗位紀律嚴苛、時間固定，工業園區遠離生活方便的市區等都是造成工業就業不足的原因。在中國的大中城市，年輕人寧肯跑快遞也不進工廠。人機融合制造能夠徹底改變工業的工作狀態，一方面，人機融合顯著改善工作環境，提高勞動生產率，進而提高工資水平。另一方面，人機融合能夠促使在工業行業的非全日制就業、臨時就業、自營就業、遠程就業、自由就業、兼職就業等就業新模式成為可能。這些變化將使工業的就業更加類似于年輕人所偏好的服務業，由此會減少對工業就業的偏見，進而在一定程度上改變工業勞動力市場的供需不平衡。

人機融合是工業5.0和未來制造場景的一個特征，與其他智能制造和相關新技術、新工藝的發展是相輔相成的。例如，柔性制造和定制制造要求工業機器具備極高的柔性化可重構能力，這與人機融合制造的發展方向是一致的；黑燈工廠、無人工廠并不是完全不需要人的參與，而是通過信息技術實現了工人和工程師非線下、非現場工作，這符合人機融合發展的理念；用戶參與制造將人機融合的范疇從工業從業人員擴展到工業產品的使用者，是更加廣義的人機融合；近年來提出的太空制造概念極具科幻色彩，太空惡劣、復雜、多變的環境更需要人與機器的深度協作。

本文得到國家社科基金重點項目“人工智能對制造業就業的影響研究”（22AJY003）的資助。