实现工业5.0：人机融合新关系的构建

工业5.0的发展将打造全新的制造现场，人与机器的关系也将进化到“融合”的新阶段。当前，以人为本、以人为中心的人机融合制造已初见端倪，美、日、中和欧洲必定围绕相关技术研发和应用场景系统开发展开激烈竞争，并主导工业5.0框架下人机融合制造的技术路线、技术标准和商业模式。

不同于以往的新科技革命和产业变革

与以往的技术浪潮和产业革命追求高效率、高产值和低成本存在明显区别的是，当前，各国在制定应对新科技革命和产业变革的战略和政策时，不约而同地突出“人”的核心价值。一方面，技术进步和产业升级的目标是人的生活更美好，而不是单纯追求效益和效率提高；另一方面，技术的使用尊重人的动作习惯、满足人的发展需求、降低人的脑力体力支出，在生产过程中形成更加和谐的人机关系。作为著名“无尽前沿法案”的替代和延续，“2021年美国创新与竞争法案”同时提到加强人机交互和机器自动化的技术研发和应用，改善以工业为重点的工作环境。欧洲国家有注重人性释放的传统，欧盟2020年版本的“地平线计划”特别重视利用新技术改善人的发展环境，创建具有创造力和文化包容性的社会，而工业要提供更加人性化的工作岗位。日本文部科学省发布的《2020科学技术白皮书》将“社会5.0”描绘为一个以人为本的智慧社会，并提出了2040年可以实现的37项新技术，其中多项是与人在新科技环境下的发展，以及与人机交互、人机融合相关的，包括增强虚拟现实、存档工匠技术的农业机器人、实时翻译所有语言系统、语言表达回话装置、记录和分享个人感觉的装置、学习工匠技巧的人工智能系统。

工业和制造工厂一直是新技术、新工艺的试验地和应用场所。从英国工业革命开始，制造现场已经经历若干次巨大变化，使用蒸汽机的手工作坊、使用大型机械的冶金车间、电气化的装配线、劳动密集的加工工厂、高度自动化的流水线等是不同时代工业的代表。最近二三十年，在技术推动下，这种变化更是加速发生。但现代化的工厂仍然是以冷冰冰的机器为主：大量固定的工业装置整齐排列在流水线两侧，以标准化的流程和动作完成工作；不时闪烁的黄灯或红灯是机器向人类的求助信号，但在机器完全停止运转前，工人和工程师禁止进入围栏和警戒线内。人与机器在不同岗位上工作，没有实现深度融合下的交流与合作。

工业5.0体系亟需形成一种全新的人机关系，不仅要突破机器自身的局限，更要使人处于工业5.0新制造现场的核心地位，机器配合人的习惯和节奏，在动作上保护人的安全、在思想上服从人的指挥，成为人忠诚和得力的帮手和从属。这种新的人机关系继续发挥机器在力量、精细化、稳定性和无惧恶劣环境等方面的优势，但更突出人在生产中的绝对主导地位，并形成更加人性化的工业就业模式和工作环境。包括机器人在内的各种工业机器将更类似于人人都能便捷使用的“智能手机”，而不是需要专门学习才能安全有效操作的“高级装置”。

人机关系的演进：从冲突到融合

随着技术的进步、制度的完善，以及工业从业人员（特别是普通工人）的状况越来越被重视，工业生产中人与机器的关系从工业革命初期的对立和冲突，逐渐磨合演变为互补和协作。这一过程绝非简单的“机器换人”，而是反映了不同历史时期、不同技术条件下，工业发展目标、经济属性、技术路线和价值创造方式不断向着更符合人的利益的方向发展（见表1）。在数字化时代，工业生产中人与机器的关系不尽如人意，这是工业就业吸引力下降进而引发工业价值创造能力下降、要素配置扭曲的重要原因。构建更符合时代特征的人机关系，是破解工业发展困境，实现转型的必然要求，也是“工业5.0”在人机关系上的具体表现。

表1 制造业人机关系的演变

在工业革命初期，机器的出现大幅地提高了生产率，但这并没有改善劳动者的状况，甚至还使得底层人民的生活更糟糕。圈地运动将劳动者从农村赶到城市，失去土地的农民不得不进入工厂。十八世纪末到十九世纪初，高强度的工作使得英国工厂劳工的平均寿命比同期乡村人口低了近20岁，机械工的平均寿命一度不足20岁。工业化和制造工厂没有给劳动人民带来福祉，反而是剥夺其生产资料、缩短其寿命，机器对工人造成的伤害巨大，人与机器之间是激烈的“冲突”关系。

二十世纪初，第二次工业革命将工业的生产率提高到新的高度，但机器继续对工人造成身心上的伤害。机器变得更加复杂，同时也更加危险，工厂疯狂追逐规模化和高利润，安全事故犹如家常便饭。1919年，美国波士顿一家糖厂储糖罐爆炸，21条生命在糖浆中窒息身亡。工业化起步更晚的中国，直到上世纪九十年代，浙江乐清每年会有约5万根手指头断送在冲压机上。当然也必须肯定，机器在上个世纪大幅降低了工人的劳动强度，明显减少了工人的体力消耗，人与机器缓慢“磨合”寻求更和谐的关系。

从上世纪五六十年代开始，相对和平的环境加快了工业的发展，在技术进步的同时，工业迎来管理方法和规章制度的大改革。机器对工人的保护得到加强，机器造成的伤害事故在发达国家迅速减少，发展中国家也开始加速工业化并融入全球分工体系。与此同时，得益于先进机器的使用，出现更多的高收入岗位，人与机器的关系得以缓和，呈现互补的特征。

到八十年代以后，工业机器人开始大规模应用于制造业，信息技术的进步还促进了包括机器人在内的各种工业机器的数控化，机器的操作更加人性化，也更安全可靠。同时，机器的标准化程度大幅提高，这使得多台机器共同工作成为可能，大大提高了制造工厂的柔性化程度，人与机器逐步形成“协同”关系。但是，这种协同是有条件和局限的：人必须通过培训才能用计算机语言操作机器，这通常需要大量人力资源投入；更大力量、更快速度的机器变得更加危险，工厂必须执行极端严格的规章制度，将机器隔离在围挡以内，人与机器的协作只能发生在不同工序上。

进入新世纪后，工业启动新一轮的以数字化、绿色化为特征的变革，这对人与机器的关系提出了更高的要求。机器一方面需要更“像人”，具备和人类劳动者相似的学习能力，实现高度的柔性化；另一方面需要更好地“服务人”，工人必须是未来新制造场景的核心，机器的运转完全服从人的意志，配合人的习惯。借助新的技术和工艺，机器至少需要在三个方面发生明显变化才能实现人机深度融合：一是人类自然语言替代计算机语言成为人机交互的媒介；二是机器更加安全，能够实现人与机器同空间同平台协作，肢体上的触碰不会造成伤害；三是机器更加柔性和智能，能够与工人共同学习，并迅速发展出新的生产能力。一旦完成上述三个变化，就能够形成“工业5.0”描绘的人与机器深度融合的全新制造现场。

人机融合的关键：识别、避让、移动和同步

2019年1月，在美国拉斯维加斯举办的国际消费电子展上，欧姆龙集团展示了其对未来制造的设想——“近未来制造现场”。两年后的2021年中国国际进口博览会上，欧姆龙展完善了“突破性的”“近未来制造现场”，这是该公司在2015年提出“i-Automation”人机融合生产现场解决方案后在实践上的一次重大进步，并首次向公众展示一套完整人机融合制造系统。“i-Automation”整合了人工智能、物联网、大数据分析等新一代信息技术，使用协作机器人与移动操纵机器人应用（Mo MA），机器成为人类的助手，与工人在同一平台、同一空间互补与协助，实现柔性、高效、灵活的生产。“i-Automation”给参观者最大的冲击是：在一个人机共享的生产空间，机器人通过视觉系统感知人的动作，判断人的熟练程度，并据此调整自己的速度，工人熟练度低时设备速度就会慢一点，等工人熟练度提升后，速度就会快起来。在展会现场，参观者不需要学习任何计算机语言就可以直接向系统发出指令以完成一件产品的制造。虽然离真正的产业应用还有一段距离，但“i-Automation”已经勾勒出未来人机融合制造现场的基本轮廓。

要形成高度融合的人机关系，依靠现在的工业机器显然是不行的。国际机器人联盟（IFR）根据协作层次以及对内部安全特征和外部传感器的要求，将协作机器人分为隔离操作、共存操作、序列协作、同平台合作、响应性协作五个级别，工业机器要实现从与工人的隔离操作向最高级别的响应性操作跃升，必须突破识别、避让、移动和同步四个关键性难点。

识别是要实现人与机器之间无障碍的交流。新一代的协作机器人都配置视觉软件和高清相机，可以捕捉人类伙伴的动作和表情，从而能够直接理解人的指令，主动配合人的习惯和节奏。过去工业机器人的视觉技术主要应用于工作对象，帮助机器更好地抓取和应对不规则无规律的情况，而现在则要涵盖对人类的动作、表情和潜在危险行为的捕捉。人工智能赋能下的语音识别、图像识别能够帮助机器更快地掌握人直接或间接发出的指令，烦琐复杂的、使用机器语言的人机界面将逐渐成为一种辅助性的交流方式。同时，混合显示技术将成为可视化的升级换代，工人能够更加直观、全面和准确地掌握机器的运转情况和其向人类传递的其他信息。例如，德国蒂森克虏伯的装备制造工厂在车间和维修现场使用增强现实显示的智能眼镜，用以辅助工人更好地识别工序信息。

避让是人机融合的安全保障。目前，很多机器人厂商都将机器与人共享工作空间作为技术研发的重要方向。通过图像、声音、温度传感器，以及更高精度的伺服电机和更加柔软的外观设计，机器的运转对人身安全的潜在伤害将降到最低。未来制造现场的一个突出变化就是各种工业机器的围挡被拆除，人与机器可以在同一工作空间深度合作。欧姆龙TM协作机器人的用户可以在可视化界面中迅速勾选相应的风险部位，机器人便会自动调整，设置安全的速度和力量极限，简单的设置省去了用户对机器人安全性能各项参数的仔细研读以及相关知识的学习。

移动是要实现机器能够像人一样自主转换位置，甚至能自主进行链接和重新组合。以往的机器都在固定工位上工作，机器设备的移动耗时长、成本高，且存在一定风险。要让机器真正融入到以人为中心的制造中，机器就必须具备和人一样的可移动性。在“移动”的基础上，工业机器可以进行快速安全的自动换装，不同位置的机器人还可以根据生产的需要相互支持和支援，这特别适合少量多样的订单需求。目前，很多工业装备企业都在开发通用型的移动平台，将传统机器人与通用移动平台链接就能实现机器的自主移动，这使得各种机器装备能够迅速脱离当前岗位，前往任何需要的位置，并重新接入生产系统。例如，欧姆龙的Mo MA、ABB的ASTI均是机器人可移动系统的代表，目标就是突破机器的空间限制，根据不同的工位产能效率灵活地设计布置工艺流程，使得整个产线的效率和柔性化程度大大提升。

同步是要实现人与机器在感知和决策上的同步，并进行共同学习。在面临新的任务和工作时，机器会事先为人提供一个由人工智能生成的操作流程，标注需要注意的重点事宜，工人以此为基础进行优化。在协作过程中，人与机器能够不断共同改进，共同提高生产效率。欧姆龙TM等高端协作机器人都具备配合不同工人调节自己速度的功能，日本川崎重工推出的继承者协作机器人还可以总结不同操作人员的习惯，并选择其中最优的向其他人进行技能传达。要实现真正意义上的人机同步，脑机链接必不可少。无论是通过哪种方式实现人脑与机器的联通，都既要突破技术难关，还要有制度上的保障。

人机融合优劣势：中国与美、日、欧的对比

美国、日本、中国与欧洲在人机融合上各具优势（见表2）。美国在脑机链接、机器链接上有绝对领先的技术研发优势，在军事和医学上已经有较为成熟的应用。例如，通过神经网络治疗癫痫、帕金森、阿兹海默综合症等脑疾病，以及战场上人与武器装备同步感知等方面，美国都有先人一步的布局，但在制造业的人机融合方面，美国由于缺少实际的场景推进较慢。日本将传感、人工智能、加工精度上的优势相结合，在人机融合制造的系统应用上形成了明显的优势。日本制造企业有不断提高生产效率和追求更精细化制造现场的传统，这促进了人机融合制造的实际运用。欧洲是高端工业装备的重要生产地区，在很多协作机器人细分领域长期保持世界第一的市场地位。中国是人机融合制造的积极参与者，已经具备世界一流的人工智能、制造业数字化场景创新能力，但受传统短板的限制，表现为规模巨大、场景多但技术处于中流水平的发展特点。

表2 美、日、中、欧洲人机融合制造的代表企业和优劣势

总体上看，无论是人与机器深度融合的关系，还是新的制造业现场，都还处于探索之中，尚没有形成成熟的模式。然而，可以肯定的是，人机融合制造将成为“工业5.0”的重要特征，是未来制造现场人与机器和谐共存的方式。美国、日本、中国以及欧洲在人机融合的技术研发、场景创新和模式探索上领先于其他国家和地区，这四个国家和地区必定在制造业人机融合的各个领域、各个环节展开激烈竞争。

人机融合开启工业发展新局面

人机融合的根本目的是让工业变得更加“人性”，是对工业机器研发、设计、使用思路的一次重大调整。在过去，工业发展对利润的追求远远高于对人性的尊重，在工业化早期和中期对工人的身心造成伤害，而在工业化的中后期和后工业化社会表现为工业就业吸引力的下降。人机融合就是要重塑工业部门中人与机器的关系，不仅要发挥出机器的优势，更要实现人的发展。工业领域人机融合的发展需要完善的制度保障，要通过加强劳动保护，以及制定规范使用机器的标准，保障人在未来制造现场的中心地位——人不能依附于机器，机器承担更多、更繁重的工作，但只能是人的帮手。目前，美国、日本、韩国和欧盟都在资助有关机器与人伦理关系的软科学研究，中国在这方面的研究相对滞后。应当让更多经济学、管理学、社会学、法律学、文化学的研究人员参与到人机融合的相关课题中，同步推进工业人机融合的技术研发和制度建设。

工业行业之间因技术特征差异大，人机融合会有不同的实现路径。在达到人机融合制造最终理想状态之前，不同制造业部门因为技术特征不同，可能出现多种演进路径。以欧姆龙TM机器人和可移动Mo MA系统为代表，目前大多数协作机器人和人机融合制造系统更适合劳动密集型较高的加工制造业，例如服装业、电子信息的装配环节等，而对于其他工业部门则需要另外设计技术路线和创新应用场景。例如，对于化工、冶金等流程类行业，人机融合制造的关键在于根据订单调节产量和产品结构，实现最大程度的循环经济降低物耗能耗，以及以机器协助工程师对生产流程进行无缝隙监管，防止安全事故的发生，降低产品残次比例。对于大飞机、高铁机车、工程机械等复杂产品系统，人机融合制造应该更强调机器的可移动性，机器能够跟随工人并随时提供体力上的辅助，完成自动备料、提供各种参数信息等任务，并发现和纠正工人可能出现的操作错误。对于汽车、家电等标准化程度高的模块化产业，更适合发展能够人机合作自主构建产线的智能化工厂，形成更加柔性化的大规模定制生产系统。对于生物医药、集成电路、采掘等需要高度洁净或面临极端恶劣环境的产业，应当更加注重人机远程融合，让工人能够远离作业现场。

人机融合制造发展的一个潜在影响是重新激发工业的就业吸引力。无论是在发达国家，还是在发展中国家，工业对年轻人就业的吸引力都在降低。工资水平较低只是一方面的原因，工业就业岗位纪律严苛、时间固定，工业园区远离生活方便的市区等都是造成工业就业不足的原因。在中国的大中城市，年轻人宁肯跑快递也不进工厂。人机融合制造能够彻底改变工业的工作状态，一方面，人机融合显著改善工作环境，提高劳动生产率，进而提高工资水平。另一方面，人机融合能够促使在工业行业的非全日制就业、临时就业、自营就业、远程就业、自由就业、兼职就业等就业新模式成为可能。这些变化将使工业的就业更加类似于年轻人所偏好的服务业，由此会减少对工业就业的偏见，进而在一定程度上改变工业劳动力市场的供需不平衡。

人机融合是工业5.0和未来制造场景的一个特征，与其他智能制造和相关新技术、新工艺的发展是相辅相成的。例如，柔性制造和定制制造要求工业机器具备极高的柔性化可重构能力，这与人机融合制造的发展方向是一致的；黑灯工厂、无人工厂并不是完全不需要人的参与，而是通过信息技术实现了工人和工程师非线下、非现场工作，这符合人机融合发展的理念；用户参与制造将人机融合的范畴从工业从业人员扩展到工业产品的使用者，是更加广义的人机融合；近年来提出的太空制造概念极具科幻色彩，太空恶劣、复杂、多变的环境更需要人与机器的深度协作。

邓洲.实现工业5.0：人机融合新关系的构建[J].清华管理评论,2023,(Z1):52-59.