人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配規(guī)則研究

陶俐言,南函池,耿豪凱

(杭州電子科技大學(xué) 管理學(xué)院,浙江 杭州 310000)

1 引言

近年來,隨著國家“兩化”的深度融合發(fā)展,促進(jìn)制造業(yè)的環(huán)境變化,提升制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與能力,更好地改變不成熟、不先進(jìn)的模式,我國長三角和珠三角地區(qū)提出了“機(jī)器換人”戰(zhàn)略。在實(shí)施過程中,由于中小型企業(yè)受到基礎(chǔ)條件的限制,不能完全自動化,但人機(jī)協(xié)同仍是當(dāng)今乃至今后一段時(shí)間內(nèi)的重要形式。

由于人的脆弱性和各種生理?xiàng)l件限制,導(dǎo)致有人工參與的制造系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)間不確定、不穩(wěn)定,容易出現(xiàn)堵塞等各種情況,但也不可簡單地用機(jī)器來替代人。在過去很長一段時(shí)間,由于人們過度追求無人化和自動化,包括日本和歐共體國家的公司在內(nèi),許多公司都經(jīng)歷了嚴(yán)峻的問題,導(dǎo)致系統(tǒng)失敗[1]。比亞迪利用自己獨(dú)特的商業(yè)方式,將人與非標(biāo)準(zhǔn)自動化機(jī)器高度一體化,用更加低廉的價(jià)格生產(chǎn)出了品質(zhì)比最先進(jìn)的自動化設(shè)備更高的產(chǎn)品,使比亞迪依靠半自動化的設(shè)備和人工,達(dá)到了降低成本、提高效益的目的,成為我國第一、全球第二的充電電池制造商[2]。

當(dāng)今,越來越多的專家學(xué)者開始研究以人為中心的系統(tǒng),這些研究都證明了人在制造系統(tǒng)中的重要作用,以及要讓人與機(jī)器充分合作,共同認(rèn)識、感知、決策和工作。張伯鵬[3]研究了人在制造系統(tǒng)中發(fā)揮的作用,特別是一些機(jī)器不可替代的作用,主要是對信息的處理、非符號評估、推理、決策等方面;Enrico Beltramini[4]提出脆弱性是人類構(gòu)建人機(jī)界面的基礎(chǔ),人類通過機(jī)器與物質(zhì)現(xiàn)實(shí),建立了距離并使人類依賴于機(jī)器,故應(yīng)把脆弱性人類學(xué)應(yīng)用到人機(jī)界面的構(gòu)建中,這種方法是根據(jù)人的脆弱性而不是機(jī)器的性能來構(gòu)建人機(jī)界面的。

在已有的大多數(shù)研究中,把人看作是與機(jī)器一樣的一個(gè)普通要素和一個(gè)被動的工具,但與機(jī)器不同的是：人有主觀能動性、創(chuàng)造性、靈活性、自治性。建造一個(gè)智能的生產(chǎn)系統(tǒng),需要加強(qiáng)人和機(jī)器之間的聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)機(jī)器和人的完美協(xié)調(diào),即所謂的“人機(jī)協(xié)同”[5]。此外,一些專家學(xué)者如劉愛軍等[6]在研究某道工序中,人、機(jī)和工件結(jié)合時(shí)都利用技能水平選擇生產(chǎn)人員,但會對生產(chǎn)人員的生產(chǎn)水平造成影響的因素并不只有這一個(gè),還需要結(jié)合其他的影響因素提出一個(gè)新的指標(biāo)。因此，要求對人和機(jī)器的特點(diǎn)、功能等進(jìn)行分析,得到人和機(jī)器分別適合做的工作。當(dāng)任務(wù)到達(dá)時(shí),分析執(zhí)行任務(wù)所需要的條件與技能,根據(jù)要求分配給適合主體來執(zhí)行任務(wù),這樣才可更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同。

2 人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配的依據(jù)

人機(jī)協(xié)同就是人與機(jī)器在人機(jī)接口下進(jìn)行信息交換,通過合理的分工與合作,根據(jù)自己的特點(diǎn),完成各自擅長的工作,使系統(tǒng)最終得到最佳的效率和最優(yōu)的結(jié)果[7]。在一個(gè)共同擁有人和機(jī)器的系統(tǒng)中,需要人和機(jī)器的充分協(xié)調(diào)和共同作業(yè)。在制造系統(tǒng)中,人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以任務(wù)的完成時(shí)間、任務(wù)完成成本、機(jī)器的利用率等指標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí),首先應(yīng)把訂單的完成過程分解為子任務(wù),將所有子任務(wù)分配給適合完成的主體來完成,然后確定子任務(wù)完成的先后順序。但由于人機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性,如人機(jī)系統(tǒng)中人完成任務(wù)的能力、人的心理與精神負(fù)荷、人與機(jī)器的不同組合對任務(wù)執(zhí)行的種類與時(shí)間的影響等，因此需要充分研究人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中兩個(gè)主要的要素——人和機(jī)器各自的特點(diǎn)與適合執(zhí)行的工作。

從表1可見,人和機(jī)器在速度、思維、決策能力、穩(wěn)定性、可靠性等多個(gè)方面都有區(qū)別。在對人和機(jī)器的功能進(jìn)行比較后,可得到人和機(jī)器分別適合承擔(dān)的工作。從表2可見,人適合承擔(dān)的是一些需要判斷的主體工作,而機(jī)器主要承擔(dān)的是一個(gè)工具的作用。

表1 人機(jī)功能比較

表2 人和機(jī)器分別適合承擔(dān)的工作

3 人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配模型設(shè)計(jì)

在一個(gè)制造系統(tǒng)中,人和機(jī)器的合作有多種方式,但所有的合作方式都需要考慮人和機(jī)器的功能與特點(diǎn),采用合適的人機(jī)協(xié)同方式,才可合理充分地發(fā)揮人的主觀作用和機(jī)器的工具作用,實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同,取得“1+1>2”的綜合效果。

3.1 基本思路

人機(jī)協(xié)同的方式主要包括以下幾種:人和機(jī)器合理分工、人和機(jī)器的合理配合、人機(jī)信息互換[8]。其中,人和機(jī)器合理分工主要為人負(fù)責(zé)判斷、創(chuàng)造等智力工作,機(jī)器承擔(dān)繁重、危險(xiǎn)、復(fù)雜、重復(fù)的體力工作;人和機(jī)器的合理配合主要為人操控機(jī)器完成工作、人負(fù)責(zé)給機(jī)器更換程序等；人機(jī)信息互換。根據(jù)人和機(jī)器的功能和適合的工作進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)適合分配給人做的工作都為基于思維、經(jīng)驗(yàn)的智力工作,適合分配給機(jī)器的都是基于規(guī)則、程序且量大、危險(xiǎn)的體力工作,但除了這些工作之外,還有一些工作既可分配給人,也可分配給機(jī)器。

綜合考慮以上所有因素,使用任務(wù)分析法,將任務(wù)進(jìn)行分析研究,分析任務(wù)執(zhí)行需要的條件,綜合考慮效率、成本、危險(xiǎn)性、執(zhí)行所需技能等因素,再將任務(wù)進(jìn)行分配。具體的執(zhí)行步驟為:①任務(wù)分析。當(dāng)任務(wù)到達(dá)時(shí),分析任務(wù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，其中包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)要求、生產(chǎn)工具、約束條件、所需技能等。任務(wù)分析后得到的數(shù)據(jù)有益于之后的任務(wù)分解。②任務(wù)分解。將任務(wù)分解成為幾個(gè)沒有關(guān)聯(lián)度的子任務(wù),分解完畢后可進(jìn)行任務(wù)分配。③任務(wù)分配。人和機(jī)器的不同功能和分別適合承擔(dān)的工作是任務(wù)分配的依據(jù)。

3.2 分配流程與關(guān)鍵要素分析

基于定性分析的初次分配:根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的一些定性的約束條件,如是否存在適用的規(guī)則與程序、是否需要人工操控或人工幫助、是否會危害人的身心健康、是否會超出人的感知范圍、是否人的速度過慢、是否人的工作質(zhì)量或時(shí)間波動大、是否需要處理大量數(shù)據(jù)、是否機(jī)器執(zhí)行更有效、是否人完成成本過高、是否需要機(jī)器提供感知和決策支持(圖1),然后對執(zhí)行主體進(jìn)行初次分配。

圖1 任務(wù)初次分配流程

基于生產(chǎn)能力水平的定量分配:用定量的方式對執(zhí)行主體進(jìn)行再次分配,提出生產(chǎn)能力水平概念。經(jīng)過第一步后,可得到適合具體工作的人機(jī)協(xié)同方式,但其中有人參與的人機(jī)協(xié)同方式還需要更為細(xì)致的任務(wù)分配。在已有的論文中,當(dāng)機(jī)器要選擇操作員進(jìn)行協(xié)助生產(chǎn)時(shí),都會選擇技術(shù)水平更高的操作員[9]，但專家不一定是技術(shù)水平最高的,有可能是經(jīng)驗(yàn)豐富的[10]。因此,綜合技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)提出生產(chǎn)能力水平這個(gè)概念來表示一個(gè)操作員執(zhí)行一個(gè)產(chǎn)品加工任務(wù)的能力。假設(shè)技術(shù)水平是通過學(xué)習(xí)來獲得的,技術(shù)水平越高,生產(chǎn)能力水平越高;經(jīng)驗(yàn)是通過實(shí)踐獲得的,操縱員操作機(jī)器或加工人員在崗位上工作的時(shí)間越長,經(jīng)驗(yàn)越多,生產(chǎn)能力水平越高。

在一個(gè)人機(jī)系統(tǒng)中,對產(chǎn)品來說,一個(gè)產(chǎn)品可能會擁有多條加工路線,每條加工路線擁有多個(gè)工位,每個(gè)工位可能有多個(gè)生產(chǎn)人員。對生產(chǎn)人員來說,一個(gè)生產(chǎn)人員可能會在多個(gè)工位上進(jìn)行生產(chǎn),不同工位的技術(shù)水平和工作時(shí)間存在著差異,相同工位生產(chǎn)不同產(chǎn)品的技術(shù)水平和工作時(shí)間存在差異,因此產(chǎn)品種類、工位、生產(chǎn)人員都是影響生產(chǎn)能力水平的因素。

本文用k(k=1,2,…,K)來表示產(chǎn)品的標(biāo)號；用i(i=1,2,…,I)來表示生產(chǎn)人員(操作員)的標(biāo)號;用j(j=1,2,…,J)來表示工位的標(biāo)號(若該工位為機(jī)器,則該工位標(biāo)號便是該機(jī)器標(biāo)號);用Aijk(0≤Aijk≤1)來表示根據(jù)標(biāo)號為i的生產(chǎn)人員在標(biāo)號為j的工位生產(chǎn)標(biāo)號為k的產(chǎn)品的技術(shù)水平來計(jì)算的生產(chǎn)能力的水平分項(xiàng);用aijk來表示標(biāo)號為i的生產(chǎn)人員在標(biāo)號為j的工位生產(chǎn)標(biāo)號為k的產(chǎn)品的技術(shù)等級;用ρA來表示根據(jù)技術(shù)水平計(jì)算的生產(chǎn)能力水平分項(xiàng)的權(quán)重系數(shù);用Tijk(0≤Tijk≤1)來表示根據(jù)標(biāo)號為i的生產(chǎn)人員在標(biāo)號為j的工位上生產(chǎn)標(biāo)號為k產(chǎn)品的時(shí)間長短來計(jì)算生產(chǎn)能力的水平分項(xiàng);用tijk來表示標(biāo)號為i的生產(chǎn)人員在標(biāo)號為j的工位生產(chǎn)標(biāo)號為k的產(chǎn)品的累計(jì)時(shí)間;用ρT來表示根據(jù)時(shí)間長短計(jì)算的生產(chǎn)能力水平分項(xiàng)的權(quán)重系數(shù);用Lijk(0≤Lijk≤1)來表示標(biāo)號為i的生產(chǎn)人員在標(biāo)號為j的工位上生產(chǎn)標(biāo)號為k的產(chǎn)品的生產(chǎn)能力水平,計(jì)算公式為:

(1)

(2)

Lijk=ρA×Aijk+ρT×Tijk

(3)

其中,ρA+ρT=1。

從圖2可見,經(jīng)過任務(wù)初次分配后的子任務(wù),若需要人員進(jìn)行生產(chǎn)或協(xié)助生產(chǎn),則對該子任務(wù)中需要對每一個(gè)工位進(jìn)行再次分配。計(jì)算每一個(gè)生產(chǎn)人員在工位上生產(chǎn)該產(chǎn)品的生產(chǎn)能力水平,挑選生產(chǎn)能力水平最高且空閑的員工,最后得到所有的任務(wù)分配方案。

圖2 任務(wù)再次分配流程

基于目標(biāo)約束的方案比較:首先，計(jì)算所有任務(wù)分配方案的任務(wù)完成時(shí)間與任務(wù)完成成本,然后選擇任務(wù)完成時(shí)間最短、任務(wù)完成成本最小的作為最后的最優(yōu)方案。用i(i=1,2,…,I)來表示生產(chǎn)人員(操作員)的標(biāo)號;用j(j=1,2,…,J)來表示工位的標(biāo)號(若該工位為機(jī)器,則該工位的標(biāo)號便是該機(jī)器的標(biāo)號);用k(k=1,2,…,K)來表示產(chǎn)品的標(biāo)號;用km(m=1,2,…,M)來表示標(biāo)號為k的產(chǎn)品任務(wù)要完成的一共M個(gè)工件的標(biāo)號;用pk來表示標(biāo)號為k(k=1,2,…,K)的產(chǎn)品可選擇的工藝路線標(biāo)號,1≤pk≤P≤J;用qkp來表示標(biāo)號為k(k=1,2,…,K)的產(chǎn)品在標(biāo)號為p的工藝路線的工序標(biāo)號,1≤qkp≤Q≤J。

其中:

(4)

C=C1+C2

(5)

因此，一個(gè)任務(wù)完成時(shí)間的計(jì)算方式為:

(6)

人機(jī)協(xié)同的目的是為了充分發(fā)揮人和機(jī)器的特點(diǎn),提高生產(chǎn)效率,如果要滿足基本生產(chǎn)速度的要求,所以一個(gè)任務(wù)的完成時(shí)間的長短要少于交貨時(shí)間的長短。

約束條件為:

C≤D

(7)

由于一個(gè)工序的結(jié)束加工時(shí)間一定大于其開始加工時(shí)間,約束條件為:

(8)

任務(wù)完成成本的計(jì)算公式為:

(9)

(10)

(11)

一個(gè)人機(jī)系統(tǒng)中的機(jī)器利用率可反應(yīng)該系統(tǒng)中機(jī)器的使用情況,計(jì)算公式為:

(12)

一個(gè)人機(jī)系統(tǒng)中的人員利用率可反應(yīng)該系統(tǒng)中人員的利用情況,計(jì)算公式為:

(13)

式中,CV為在任務(wù)完成過程中,使用機(jī)器加工的時(shí)間;CI為任務(wù)完成過程中,使用人員進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)間;ηV為機(jī)器利用率，ηI為人員利用率,這兩個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一可反應(yīng)人機(jī)系統(tǒng)的資源利用率。

綜上所述,目標(biāo)函數(shù)為:

(14)

(15)

(16)

(17)

C≤D

(18)

(19)

(20)

通過以上步驟,可找到最適合的人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配方式,使生產(chǎn)系統(tǒng)的效率最高、成本最低,并可充分發(fā)揮人的優(yōu)勢和機(jī)器的優(yōu)勢。

4 實(shí)例分析與驗(yàn)證

以BS公司的產(chǎn)品人機(jī)系統(tǒng)為例,該人機(jī)系統(tǒng)共有10個(gè)工位,標(biāo)號分別為J1—J10,其中J1、J2、J3、J6、J7、J8、J9、J10工位上為機(jī)器。工位生產(chǎn)成本與換線成本信息見表3。

表3 工位成本信息

該人機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)該公司的5種產(chǎn)品,標(biāo)號分別為K1—K5,其中K1的工藝路線為J1→J2→J3→J4→J5→J6,K2的工藝路線為J7→J8→J9→J10,K3的工藝路線為J1→J2→J3→J9,K4的工藝路線為J4→J5→J6,K5為J3、J5、J8都可單獨(dú)加工完成。產(chǎn)品K1—K5的生產(chǎn)工藝路線和每個(gè)工位的時(shí)間見表4。

表4 各產(chǎn)品工藝時(shí)間

該系統(tǒng)制造團(tuán)隊(duì)的生產(chǎn)人員共由6名技術(shù)人員和5名加工人員組成,技術(shù)人員負(fù)責(zé)對需要換線的工位進(jìn)行更換程序、模具和工具等專業(yè)技術(shù)要求高的工作,加工人員主要負(fù)責(zé)工位上的加工工作(若該工位需要人和機(jī)器共同作用的工作,則由人操控機(jī)器完成加工工作)。對BS公司的人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行重新分配,得到一個(gè)重新分配后的方案。輸入一個(gè)任務(wù)信息,對比該方案與原始方案的任務(wù)完成時(shí)間和任務(wù)完成成本見表5。

表5 重新分配后與初始方案各參數(shù)比較

由表5可知,重新分配后,該人機(jī)系統(tǒng)任務(wù)完成時(shí)間縮短了6.04%,共152.66h;任務(wù)完成成本減少了1.59%,共100.37萬元;機(jī)器利用率增加了2.61%;人員利用率增加了6.73%。通過比較初始方案與重新分配后方案的4個(gè)指標(biāo)發(fā)現(xiàn),該規(guī)則對方案均有優(yōu)化,故該規(guī)則可幫助人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更好地人機(jī)協(xié)同，提高工作效率,減少成本。

5 結(jié)語

本文將同時(shí)擁有人和機(jī)器共同作用的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)作為研究對象,根據(jù)人機(jī)協(xié)同的定義,對人和機(jī)器的特點(diǎn)、功能等進(jìn)行分析,得到人和機(jī)器分別適合做的工作,在此基礎(chǔ)上所得到的人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配規(guī)則可以幫助我國制造企業(yè)分配任務(wù),將任務(wù)分配給合適的執(zhí)行主題來完成,充分實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器的合作與協(xié)調(diào),提高制造企業(yè)的工作效率和市場競爭力,有利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與資源效益的提高,對我國制造企業(yè)的運(yùn)作與發(fā)展具有一定意義。