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2016-07-27
冯维
知识自动化
工四术语（编号567）德文原文：Autonomik 官方英文:Autonomics中文：自主人机交互其它译法：系统自主人机交互、自动人机工程（本词条由《工四100术语》编写组收录，版权归《知识自动化》所有。欢迎业内提出建议。）智能工厂的各个要素到底长什么样？德国联邦政府的Autonomik研究项目试图回答智能工具和系统的问题。Autonomik是德国联邦经济与能源部（BMWi）的一个战略性研究项目，是BMWi重点资助的六大数字化技术项目之一。这个看上去有点奇怪的德文词，字面上显示出“自主、自治”的含义，但实际内涵则要更加丰富。
事实上，早在2010年（“工业4.0”尚未提出），德国就已经启动了相关的项目，名为“Autonomik-自主和基于仿真的系统服务于中小企业”。在“工业4.0“正式提出之后，此项目被升级为“Autonomik fuer Industrie 4.0”，从而将其与工业4.0进程紧密地结合在了一起。目前，Autonomik项目是德国面向未来的科技创新项目，目标是为中小企业开发新一代的智能工具和系统。这些工具和系统能够自主地联网、识别周围环境、适应外界条件的变化，并且能够与用户（以及其它对象）融为一体。这给Autonomik的研发目标定了性。研发的成果是拿来给人用的，而不是要取代人类的。
这是德国工业4.0不厌其烦强调的关键词。德国政府推动4.0的最主要目的之一，是让广大中小企业从转型升级中受益。▽这是Autonomik工具/系统的最主要特点。在其设计思想之下，工具能够在感知外界情况之后通过通信和计算来自行作出决策，不需外界干预。
自主的工具和用户/环境有机地结合，成为整个工业生态系统的一部分。Autonomik项目作为德国工业4.0计划的资助重点，目前有十五个子项目正在进行之中，其牵头单位包括阿迪达斯、奥迪等公司及慕尼黑工业大学等科研院所（如图2所示）。这些项目涉及生产、物流、机器人等领域，具体研究领域包括工厂架构设计、物流自动化、产品研发等，内容很丰富。德国联邦政府也很积极地对外宣传这些项目的进展，在2016年的汉诺威工业博览会、2016慕尼黑国际机器人及自动化博览会（Automatica 2016）上面都设置了专门的展台，对Autonomik的研究内容进行介绍。图2 参加Autonomik项目的代表性公司和科研院所▽图3 Autonomik在2016国际机器人与自动化展会（来源：LHLK）Fraunhofer IML（弗朗恩霍夫-物流研究所）在Autonomik的资助下开展了名为”InventAiry”的项目，目标是在仓库环境中用自主飞行的机器人来清点库存。这样的机器人体积甚小，凭借其摄像/探测设备可以在飞行中感知和分析周围环境，并自行决定飞行的路线。在飞行过程中，机器人会探测和记录每件物品上的条形码/RFID标签信息，从而完成库存清点的过程。
InventAiry这样的系统，具有相当大的灵活性：首先，此机器人的应用不需要其它的硬件布署作前提，因此能够迅速投入使用；其次，它能够动态地识别周围环境的变化，不依赖于已有的地图。因此，即使是飞行过程中出现了新的障碍物，或是移到一个全新的仓库中，机器人也能够很快地适应。
这种自主飞行机器人的应用，可以大幅节省库存盘点所需人力资源，将劳动者从简单的体力劳动中解放出来。同时，它使得库存监控成为一个常态化的、可连续运行的过程，有助于库存准确度的提高。图4 自动飞行器进行库存盘点来源：Fraunhofer IMLSPEEDFACTORY是阿迪达斯的创新性生产战略，也是Autonomik最知名的子项目之一。其意在将相关产能从亚洲迁回德国，重振其本土运动鞋/服装产业。
SPEEDFACTORY模式的一大亮点是生产的全自动化，制鞋加工过程中不再有工人的参与（如图3所示）。其生产设备占据的面积很小，便于灵活布局，以及在必要的时候移至它处。通过3D打印等技术，SPEEDFACTORY最大限度地压缩了库存和相关的原材料物流环节，并且可以以最快的速度来制作出成品。SPEEDFACTORY项目的另一大亮点是贴近客户。每一双鞋都可以为顾客量身定做：他/她只需在跑步机上试跑一段时间，系统便可以根据采集到的数据自动确定生产参数，制作定制化跑鞋。生产设备将被搬到本地的阿迪达斯专卖店里面，从而让德国顾客亲眼看到自己专属运动鞋的诞生过程。
“体验-生产-购买”的过程融为一体，使得生产设备成为客户体验的一部分，而客户也成为了生产的参与者。
按阿迪达斯的说法，这种“所需即所得”的高效灵活生产方式，将开启制鞋业的新时代。
阿迪达斯计划Speedfactory今年进入预运行，试做500双鞋投入市场进行销售测试。鞋类生产是Speedfactory项目的第一阶段，并且实现私人订制，即对用户的个性化需求进行迅速反馈，这将成为阿迪达斯的竞争优势。
这一项目已经作好了商业化的前期准备，将于2017年在德国本土实现全面量产。
在OPAK项目中，以液压气动系统而闻名的Festo公司，正在开发一种面向功能的系统设计平台，来简化生产系统的设计过程（如图5所示）。现代生产系统往往有着大量的零部件、传感器、控制器等等，其协调、管理和维护是一项非常复杂的工作，而且其软件架构的开发和维护也带来了很大的挑战。Festo的目标是通过可插拔式的生产系统组件和可视化的设计，实现“即插即生产”的目标。图6 借助“即插即生产”理念，来简化生产系统的设计来源：OPAK官网在OPAK项目框架下，生产系统具有高度的灵活性和兼容性：通过接口和模块的标准化，来自不同制造商的机电元件可以较为容易地结合在一起，而不用作特殊的调整。即使整个系统已经投入运营了，也还可以再插入新的元件，轻松实现功能扩展。OPAK系统可以应用在各种环境，不依赖于特定的行业，也不依赖于特定的生产者。
此项目的成果可以大大解放生产系统设计师：他们可以更加专注于要实现的具体功能，而不必过度纠结于相应软件架构、硬件标准等约束。当新的机电设备/组件被纳入系统时，相应的后台软件代码生成都将自动完成，不需人为干预。设计生产系统可以像可视化编程一样，在电脑/移动设备的屏幕上轻松完成，“所见即所得”。设计人员在减少了不必要劳动之后，可以更好地发挥自己的创造潜力，以及综合考虑跨学科的因素。从Autonomik项目的实例中，可以体会到德国工业4.0对于工具和系统的设计思想：▽如前所述：研发出的工具可以在没有接到外界指令的情况下，自发地完成一些功能（如库存盘点机器人的自主飞行、OPAK系统机电元件的自动接入）。并且，完成这些功能是基于“认知”，即借助传感器、摄像头等对外界情况进行识别和判断。在实时感知的前提下，可以通过计算机的分析计算来作出最优的决策，并且反馈给工具的控制设备来执行命令。这和赛博信息系统（CPS）的理念是契合的。实时感知和分析计算的实现，有赖于先进的信息与通信技术（ICT）与工业生产技术的融合。这也是Autonomik众多研发项目的重心之所在。Autonomik强调的一点是：当周围环境/顾客需求发生变化的时候，工具和系统要能够及时调整自身，去较快地适应新的环境。这一理念在现代供应链管理中也是非常重要的：由于经济活动的外界环境日趋复杂，运营面临着各种风险，所以在供应链外部环境发生变化的情况下，每个环节要能够迅速适应，恢复正常运作。具体到工厂环境中，各个生产/物流环节也要具备调整和适应的能力。当接受新的任务的时候，生产系统和工具要能够“快速学习”，及时应对。
例如下图中，在接受简单的“初期培训”之后，永恒力叉车可以自行完成指定任务。图8 智能无人叉车来源：永恒力叉车
如果将“自主性”和“应变与调整能力”结合起来看，Autonomik理念下的工具和系统显然初步具备一定的智能特征：除了认知、决策和应变之外，它还具有“进化”的能力，可以通过扩充自身功能来延长生命周期。C 如前文所述，Autonomik的主要服务对象是中小企业。所以，系统的成本要尽可能低廉，使用时所占用的土地和人力要尽可能少；它要能够比较容易地布署在一个新环境中，而不需要太多前提条件。
如果传统的大型制造企业可以比作“集团军”，那么Autonomik理念下的生产系统则可以比作“特种部队”：人数不多，但灵活精干。局部爆发力超强，招招见血。D 对于有自主性的人机交互系统，其设计过程会涉及到很多领域的知识，包括：机械、电子、人工智能、心理学、甚至法律知识（关于IT安全等话题）。所以，未来的制造系统设计必然是一个跨学科的综合项目，需要设计师/项目经理具有系统工程的思想，去协调设计整体框架。这个过程中的跨学科交流讨论也是德国联邦政府部门所希望促成的。E 这个理念在德国工业哲学中是不可动摇的。无论硬件和软件进化到何种程度，人类既不会被淘汰，也不会成为机器的附属。充满智能的机器将会帮助人类，和人类协同工作、和谐并存。后 记入选这样一个词，似乎并不太符合一般“术语”的解读。然而，Autonomik项目的确是德国工业4.0项目的一颗夜明珠，中国工业界一窝蜂打着火把的欢快路上，似乎并尚未感受到它坚定而温和的光泽。
我们相信，它灿烂的光芒很快会让人惊讶的。《工四100术语》编写组入选该词的目的，就是想提醒工业4.0和智能制造都需要扎扎实实、在全面思考的前提下推动落地。
德国对于4.0在本土的实施有若干极其清晰的理念，如“服务中小企业”、“以人为本”、“全面考虑各方面影响”（比如法律影响、青少年教育）等。这些理念在德国各个层级、各种机构都反复强调，并且付诸实施。
相比而言，中国制造2025需要俯下身来，用更细微的笔触，描画工业的根节。相关阅读：
作者简介作者：冯维，北京联讯动力咨询公司特邀研究员，有兴趣交流请加个人微信号 iesouth615编审：林雪萍，北京联讯动力咨询有限公司研究员鸣谢：上海二纺机原总工周锦碚、上海图书馆原副馆长缪其浩都对此词条有启迪。工业4.0研究院院长胡权也有很好的思想碰撞与建议。