自主人機互動

目前，Autonomik項目是德國面向未來的科技創新項目，目標是為中小企業開發新一代的智慧型工具和系統。這些工具和系統能夠自主地聯網、識別周圍環境、適應外界條件的變化，並且能夠與用戶（以及其它對象）融為一體。

基本介紹

• 中文名：自主人機互動
• 外文名：Autonomics
• 德文原文：Autonomik
• 其它譯法：系統自主人機互動、自動人機工程

工業4.0項目的寵兒

Autonomik是德國聯邦經濟與能源部（BMWi）的一個戰略性研究項目，是BMWi重點資助的六大數位化技術項目之一。這個看上去有點奇怪的德文詞，字面上顯示出“自主、自治”的含義，但實際內涵則要更加豐富。
事實上，早在2010年（“工業4.0”尚未提出），德國就已經啟動了相關的項目，名為“Autonomik-自主和基於仿真的系統服務於中小企業”。在“工業4.0“正式提出之後，此項目被升級為“Autonomik fuer Industrie 4.0”，從而將其與工業4.0進程緊密地結合在了一起。

Autonomik包含的關鍵字

1 工具與系統

這給Autonomik的研發目標定了性。研發的成果是拿來給人用的，而不是要取代人類的。
2 中小企業

這是德國工業4.0不厭其煩強調的關鍵字。德國政府推動4.0的最主要目的之一，是讓廣大中小企業從轉型升級中受益。

3 自主

這是Autonomik工具/系統的最主要特點。在其設計思想之下，工具能夠在感知外界情況之後通過通信和計算來自行作出決策，不需外界干預。
4 人機一體

自主的工具和用戶/環境有機地結合，成為整個工業生態系統的一部分。

Autonomik項目作為德國工業4.0計畫的資助重點，目前有十五個子項目正在進行之中，其牽頭單位包括愛迪達、奧迪等公司及慕尼黑工業大學等科研院所（。這些項目涉及生產、物流、機器人等領域，具體研究領域包括工廠架構設計、物流自動化、產品研發等，內容很豐富。德國聯邦政府也很積極地對外宣傳這些項目的進展，在2016年的漢諾瓦工業博覽會、2016慕尼黑國際機器人及自動化博覽會（Automatica 2016）上面都設定了專門的展台，對Autonomik的研究內容進行介紹。下圖為Autonomik在2016國際機器人與自動化展會。

實例

1：InventAiry飛行機器人項目

Fraunhofer IML（弗朗恩霍夫-物流研究所）在Autonomik的資助下開展了名為”InventAiry”的項目，目標是在倉庫環境中用自主飛行的機器人來清點庫存。這樣的機器人體積甚小，憑藉其攝像/探測設備可以在飛行中感知和分析周圍環境，並自行決定飛行的路線。在飛行過程中，機器人會探測和記錄每件物品上的條形碼/RFID標籤信息，從而完成庫存清點的過程。
InventAiry這樣的系統，具有相當大的靈活性：首先，此機器人的套用不需要其它的硬體布署作前提，因此能夠迅速投入使用；其次，它能夠動態地識別周圍環境的變化，不依賴於已有的地圖。因此，即使是飛行過程中出現了新的障礙物，或是移到一個全新的倉庫中，機器人也能夠很快地適應。
這種自主飛行機器人的套用，可以大幅節省庫存檔點所需人力資源，將勞動者從簡單的體力勞動中解放出來。同時，它使得庫存監控成為一個常態化的、可連續運行的過程，有助於庫存準確度的提高。下圖為 自動飛行器進行庫存檔點。

2：設計生產線的平台OPAK

在OPAK項目中，以液壓氣動系統而聞名的Festo公司，正在開發一種面向功能的系統設計平台，來簡化生產系統的設計過程（如右圖所示）。現代生產系統往往有著大量的零部件、感測器、控制器等等，其協調、管理和維護是一項非常複雜的工作，而且其軟體架構的開發和維護也帶來了很大的挑戰。Festo的目標是通過可插拔式的生產系統組件和可視化的設計，實現“即插即生產”的目標。

在OPAK項目框架下，生產系統具有高度的靈活性和兼容性：通過接口和模組的標準化，來自不同製造商的機電元件可以較為容易地結合在一起，而不用作特殊的調整。即使整個系統已經投入運營了，也還可以再插入新的元件，輕鬆實現功能擴展。OPAK系統可以套用在各種環境，不依賴於特定的行業，也不依賴於特定的生產者。
此項目的成果可以大大解放生產系統設計師：他們可以更加專注於要實現的具體功能，而不必過度糾結於相應軟體架構、硬體標準等約束。當新的機電設備/組件被納入系統時，相應的後台軟體代碼生成都將自動完成，不需人為干預。設計生產系統可以像可視化編程一樣，在電腦/移動設備的螢幕上輕鬆完成，“所見即所得”。設計人員在減少了不必要勞動之後，可以更好地發揮自己的創造潛力，以及綜合考慮跨學科的因素。右圖為藉助“即插即生產”理念，來簡化生產系統的設計。

製造系統設計思想

從Autonomik項目的實例中，可以體會到德國工業4.0對於工具和系統的設計思想：

A 基於感知的反饋控制

如前所述：研發出的工具可以在沒有接到外界指令的情況下，自發地完成一些功能（如庫存檔點機器人的自主飛行、OPAK系統機電元件的自動接入）。並且，完成這些功能是基於“認知”，即藉助感測器、攝像頭等對外界情況進行識別和判斷。在實時感知的前提下，可以通過計算機的分析計算來作出最優的決策，並且反饋給工具的控制設備來執行命令。這和賽博信息系統（CPS）的理念是契合的。實時感知和分析計算的實現，有賴於先進的信息與通信技術（ICT）與工業生產技術的融合。這也是Autonomik眾多研發項目的重心之所在。

B 應變和調整能力
Autonomik強調的一點是：當周圍環境/顧客需求發生變化的時候，工具和系統要能夠及時調整自身，去較快地適應新的環境。這一理念在現代供應鏈管理中也是非常重要的：由於經濟活動的外界環境日趨複雜，運營面臨著各種風險，所以在供應鏈外部環境發生變化的情況下，每個環節要能夠迅速適應，恢復正常運作。具體到工廠環境中，各個生產/物流環節也要具備調整和適應的能力。當接受新的任務的時候，生產系統和工具要能夠“快速學習”，及時應對。
例如下圖中，在接受簡單的“初期培訓”之後，永恆力叉車可以自行完成指定任務。

如果將“自主性”和“應變與調整能力”結合起來看，Autonomik理念下的工具和系統顯然初步具備一定的智慧型特徵：除了認知、決策和應變之外，它還具有“進化”的能力，可以通過擴充自身功能來延長生命周期。

C 易於上手使用

如前文所述，Autonomik的主要服務對象是中小企業。所以，系統的成本要儘可能低廉，使用時所占用的土地和人力要儘可能少；它要能夠比較容易地布署在一個新環境中，而不需要太多前提條件。
如果傳統的大型製造企業可以比作“集團軍”，那么Autonomik理念下的生產系統則可以比作“特種部隊”：人數不多，但靈活精幹。局部爆發力超強，招招見血。

D 多領域知識融合

對於有自主性的人機互動系統，其設計過程會涉及到很多領域的知識，包括：機械、電子、人工智慧、心理學、甚至法律知識（關於IT安全等話題）。所以，未來的製造系統設計必然是一個跨學科的綜合項目，需要設計師/項目經理具有系統工程的思想，去協調設計整體框架。這個過程中的跨學科交流討論也是德國聯邦政府部門所希望促成的。

E 以人為本

這個理念在德國工業哲學中是不可動搖的。無論硬體和軟體進化到何種程度，人類既不會被淘汰，也不會成為機器的附屬。充滿智慧型的機器將會幫助人類，和人類協同工作、和諧並存。