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工业4.0术语：Autonomik自主人机交互技术

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。

工业4.0项目的宠儿

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。

工四100术语解读

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、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。

Autonomik的语境与定义包含了这样的关键词

1、工具与系统

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。

2、中小企业

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。

Autonomik

3、自主

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。

4、人机一体

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。

实例1： InventAiry飞行机器人项目

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，并自行决艺术纸定飞行的路线。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国企业挺住 须抓紧修炼好“内功”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。

Autonomik

图4 自动飞行器进行库存盘点

来源：Fraunhofer IML

实例2：SPEEDFACTORY项目

SPEEDFACTORY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5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。

Autonomik

通过该项研究可实行运动功能重建

图5 SPEEDFACTORY场景

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，(2)仿生生物粘附调控与分离材料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，玉石宝石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。

实例3：设计生产线的平台OPAK

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6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。

Autonomik

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

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。

制造系统设计思想

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：

Autonomik

图7 Autonomik蕴含的设计思想

A、基于感知的反馈

控制如前所述：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。

B、应变和调整能力

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。

Autonomik

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、易于上手

使用如前文所述，Auton波动开关omik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、多领域知识融合

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、以人为本

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。

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。

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本词条编者：冯维(北京联讯动力咨询公司特邀研究员，个人号iesouth615),编审:林雪萍（北京联讯动力咨询公司研究员）鸣谢：周锦碚、缪其浩