第2章 迈向以人为本的智能制造：基于人—信息—物理系统视角^[1]

2.1 引言

在智能制造领域，元宇宙（Metaverse）、大数据分析（Big Data Analytics）、工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）、数字孪生（Digital Twin，DT）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等颠覆性技术正在快速发展，重新定义人所扮演的角色。人与技术之间的传统界限变得模糊，这与“工业5.0”“社会5.0”“操作员5.0”等新兴概念阐述的内容相一致。除了技术创新，“人在环路”的系统集成也是开发以人为本的智能系统的重要特征。例如，元宇宙技术可以减少劳动力数量、资源成本及项目实施时间来进一步推动智能制造发展。在此背景下，人—信息—物理系统（Human-Cyber-Physical System，HCPS）作为构建以人为本的复杂智能系统的新兴范式，在迈向以人为本的智能制造等方面，引起了工业界和学术界的广泛关注。

关于人—信息—物理系统（以下简称HCPS）的演变，现有文献中存在以下两种观点。

• HCPS将虚拟环境集成到人—物理系统（Human-Physical System，HPS）。Zhou等人认为传统的制造系统是由人和物理系统（如机器）组成的人—物理系统；数字化智能化制造系统则将信息系统融入人—物理系统，从而实现传统二元人—物理系统到三元HCPS的转变。

• HCPS将人整合到信息—物理系统（Cyber-Physical System，CPS）。信息—物理系统是一种嵌入式系统，能够提高效率、可解释性、可持续性和可扩展性。当前对信息—物理系统的研究通常忽视了人对其任务和组织文化的了解，这种易被忽略的因素正是著名的丰田生产系统的本质特征。人的创造力、灵活性和解决问题的能力及不断追求优化和改进的组织文化，共同推进信息—物理系统发展。信息—物理系统的技术进步和组织创新强烈依赖熟悉制造流程并支持组织文化的群体。

无论制造过程是否体现了“人在环路”理念，先进制造技术均由人创造，服务于人且与人共同协作。因此，理应将人和虚拟环境集成到智能制造系统。现有关于制造业中人和信息系统交互的综述证实以人为本的技术在工业4.0和智能制造的背景下至关重要。例如，在人机协作装配场景下，人和机器人可以在共享工作空间中高效工作，机器人可以动态改变预先计划的任务，以保障人的安全和生产需求。

HCPS是以人为本的智能制造的基础与核心，目前尚处于早期研究阶段。在对以人为本的智能制造（以下简称“人本智造”）的持续研究过程中，出现了一系列有关HCPS的疑问，如下所示。

• HCPS的通用定义是什么？

• HCPS的框架结构是如何建立的？

• HCPS的使能技术有哪些？

• HCPS的特征与特性有哪些？

• HCPS的典型应用有哪些？

为了解决这些问题，本章从以下6个方面进行论述。2.2节介绍HCPS的基础知识，包括定义、核心要素和分类。2.3节讲解HCPS框架，并详细阐述三个核心子系统。2.4节介绍HCPS的使能技术，包括领域级技术、单元级技术、系统级技术和系统之系统级技术。2.5节介绍HCPS的特征与特性。2.6节介绍HCPS在设计、制造和服务环节的典型应用。2.7节进行总结。