人机界面在工业4.0的演进中正在向完全数字化、自动化转变-电子发烧友网

在过去的几十年里，由于技术的飞速发展，人机界面（HMI）发生了巨大的变化。人机界面行业见证了从简单按钮到现代触摸屏显示器的演变过程。尽管如此，人们与机器交流的方式预计还会有更多的变化。企业物联网和工业4.0等趋势在这方面发挥着重要作用，是人机界面转型的最重要载体。

工业革命的四个阶段

工业4.0一词最初是在2011年用于智能制造，后来被赋予了更广泛的定义，涵盖了交通、智能建筑、采矿、石油和天然气、医疗保健和其他领域。它出现在工业革命的第四阶段，因此要了解工业4.0的概念，重要的是探索其前身。

第一次工业革命

1784年，发明了第一台机器织机，标志着工业革命和工业1.0第一阶段的开始。随后，引进了水和蒸汽动力机器，使机器能够日夜运转，并且不需要多个操作员。机械化是工业1.0的核心，它催生了现代制造业。

第二次工业革命

到了20世纪初，电力似乎取代了水和蒸汽。工业2.0时代的特点是大规模生产商品，使用装配线和分工来优化劳动力。

第三次工业革命

工业革命的第三阶段始于20世纪60年代末，当时出现了可编程逻辑控制器（PLC）。电子和信息技术的广泛应用实现了制造业的进一步自动化和数字化，这是工业3.0时代的基础。物联网、云计算和大数据分析等技术也是第三次工业革命的关键驱动力。

第四次工业革命

我们正处于第四次工业革命之中——制造业数字化和自动化的下一次飞跃，有望带来持续的生产力增长并改变工厂的运行方式。工业4.0引入了工人和机器之间交互的重大变化。在这个新时代，机器的职责已经超越了手工制造过程：它们开始在制造管理、资源规划、数据收集和分析以及物流方面发挥重要作用。

工业4.0组件

工业4.0在技术的帮助下为先进生产提供了新的机会。这些技术是众所周知的：

物联网

3D打印

高级人机界面

大数据

增强现实和虚拟现实

但是，工业4.0的关键组件是网络物理系统（CPS），它是真实世界和虚拟世界融合不可或缺的技术环节。

网络物理系统（CPS）的好处和关注点

根据工业4.0范例，网络物理系统（CPS）越来越具有自主性和自组织性：它们可以收集数据，并对其进行分析，甚至根据其做出决策。下一个逻辑问题是“人类在制造流程中将扮演什么角色？”

一些人担心如果智能机器取代了人类，就会出现不需要工人操作的生产设施。事实上，CPS不会取代操作员，而只会改变其角色。当智能CPS持续监控制造流程，预测或检测正常状态的变化时，人们可以在关键决策时进行干预。此外，工业4.0可以引入与大数据分析、机器人技术和机械工程相关的新工作岗位，并彻底改变人类与工程系统的沟通方式，并显著改进流程。

可以预期的是，今天的机器被CPS取代将带来一些主要好处：

CPS支持工业机器、制造业供应链、供应商和业务系统之间的实时数据传输，以实现有效的决策。

CPS支持自我监控，因此当工业资产损坏时，它会向支持工程师发送警报，以主动修复问题。这节省了维护系统功能所需的时间、金钱和精力。

CPS允许对整个生产流程进行日常控制，这有助于使生产流程更好地满足消费者需求。

CPS为供应链提供了更高程度的可见性和控制，从而提高了货物的可追溯性和安全性。

新型的人机界面

随着智能CPS正在改变人机通信过程，它们需要新型的界面来确保流畅的交互。新的人机界面系统需要更加先进，以提高效率和远程服务操作，尤其是当工人在多尘、潮湿或黑暗的环境中与技术交互时。由于操作人员参与到关键决策的制造流程中，因此人机界面系统应允许轻松快速地输入命令，以提高解决问题的准确性、安全性和速度。

考虑到这些需求，工业4.0和物联网开发人员正在实施新型人机界面：增强的触摸界面、语音界面、手势界面和增强现实/虚拟现实工具。

增强的触摸界面

触摸屏显示器自从20年前推出以来，已经取得了长足的进步，就可视化数据表示而言，它变得更加用户友好和强大。工业接口支持物联网和M2M连接，因此制造公司可以在本地和远程监控现场工业操作。现代的触摸界面非常灵敏，即使戴着手套也可以管理机器，从而为操作员带来额外的舒适度和安全性。

语音界面

语音界面通常没有显示信息的屏幕，而是通过免提、直观和高效的交互来方便数据访问。在工业4.0中，语音激活界面变得不可或缺，尤其是在需要远程操作机器的情况下。

Makino是工业语音激活人机界面的先驱公司之一，已经开发了Athena，它使用基本的语音命令来控制车间的生产设备。Athena的操作员现在不仅可以远程发布命令，而且还可以询问有关机器关键指标的问题。

手势界面

与语音界面类似，手势控制允许对工业机器或计算机系统进行无接触操作。它们识别操作员的手或头部的动作，并使用特殊的数学算法来控制设备或与设备交互。手势界面可通过多种方法（有线手套、深度感知和立体声摄像头或手动跟踪控制器）启用，从而提供更准确、更快速的人机交互。

虚拟现实和增强现实工具

目前，增强现实和虚拟现实是提高效率、降低运营成本并在从库存管理到员工培训的许多制造流程中提高生产灵活性的最突出技术之一。

当涉及到装配线任务时，操作员通常需要非常专注，以将过多的组件精确地组装在一起。增强现实工具通过叠加关键信息来分解这些组件，从而大大简化组装操作员的工作，并降低出错的风险。

现在，员工无需检查组装手册，并且可以随时确定他们的下一步工作，这极大地提高了绩效。例如，全球最大的国防承包商洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）已经将AR集成到航天器装配中。在这种情况下，必须将一些关键零件（例如紧固件）的公差设置为0.5英寸，而配备增强现实眼镜的员工现在可以可靠地对齐这些组件。洛克希德（Lockheed）报告说，每个紧固件每年可节省38美元的人工费用，每年订购这种紧固件的数量高达数百万个。

制造业中增强现实和虚拟现实影响的另一个范围是员工培训。当新员工入职时，会出现许多挑战，包括设备和培训老师的可用性。此外，复制一些现场场景通常很昂贵，尤其是涉及安全的场景。（来源物联之家）洛克希德·马丁公司还实施了增强现实技术，为其员工提供组装航天器部件的动画手册。该公司报告称，向工人解释装配说明所需的时间惊人地减少了95%。归根结底，这些技术提供了一种更身临其境的在职培训，充分提高了员工的满意度。

最后，增强现实和虚拟现实还可以显著减少维护和故障检测时间。例如，大型电梯制造商蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）已为其技术人员提供了用于维修操作的AR工具。现在，服务技术人员可以更可靠地发现问题并获得实时的叠加指导。该公司声称技术人员现在可以比以前快四倍时间完成维修。

超越炒作

要让这些技术带来真正的长期效益，不仅需要将其简单地引入制造工作流程中，而且还需要更多。

在德勤（Deloitte）最近发表的题为《工业4.0：在准备和责任的交汇处》中，三分之二的受访企业表示，他们正在对工业4.0采用临时的做法，而商业领袖中只有10%的受访者表示，他们有从各种人机界面系统中获取最大价值的长期策略。毫不奇怪，后一组将在整体上取得更大成功。

在这种情况下，长期方法不是要制定持续的技术采用计划和产品配置策略，而是要在利润和社会责任之间寻求平衡。普华永道的《数字产品开发2025》报告发现，专注于产品生命周期管理和企业资源规划的公司预计产品开发效率将提高31%，上市时间将缩短28%。

人们将注意力转移到可持续发展和企业社会责任上的主要原因是客户和员工的压力越来越大。在理想世界里，对可持续发展的关注应该是企业领导者内在社会责任的结果，而如今的客户、员工和利益相关方越来越关注环境。许多人认为，他们的公司关注社会问题是由董事会和客户的期望驱动的。

这让我们看到，那些拥有全面企业社会责任政策的企业将能够更快地创新，聘用更好的专家，并实现稳步增长。

人机界面：实施技巧

这里没有什么大新闻，您需要一个实施计划。由于公司旨在获得工业4.0和人机界面提供的最大利益，因此考虑以下实施步骤至关重要：

首先，组织需要开始进行审计，以评估其在工业4.0成熟度等级中的当前位置，然后制定长期的战略计划。

下一步，关键是要建立新的领导角色，负责采用和利用人机界面的力量，并确定新的投资机会。

在为变革做准备时，我们还建议制定足够的员工培训和发展计划。然而，确定您的员工到底需要哪些技能仍然是一项重大挑战，而这就是上述第一步制定长期战略计划的重要性的原因所在。