人本智造：面向新工业革命的制造模式

智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式。以人为本成为智能制造的时代内涵和核心特征。发展智能制造，对于巩固实体经济根基、建成现代产业体系、构建新发展格局具有重要作用。人本智造体现了制造业未来发展的重要趋势，也是新一代智能制造的重要技术支撑。本书深入阐述了新一代智能制造和人-信息-物理系统（HCPS），介绍了人本智造的重要理念、关键技术和典型应用，展现了当前人本智造领域的研究进展及阶段成果。

王柏村，浙江大学研究员、博士生导师，机械工程学院院长助理、工业工程研究所副所长，入选第八届中国科协青年人才托举工程。

近年来，围绕智能制造、HCPS、人机协作等开展教学、科研与战略咨询工作，作为负责人主持国家自然科学基金项目、中国博士后国际交流派出计划项目、中国博士后科学基金面上项目等6项，参与中央办公厅重点课题、工信部重大课题、中国工程院项目、国家自然科学基金项目、密西根大学科研项目等多项。

在Engineering、Journal of Manufacturing Systems、机械工程学报、中国机械工程等国内外期刊上发表论文50余篇，多篇入选ESI高被引论文、封面论文、高影响力论文；参与撰写《中国智能制造发展战略研究》等多份咨询研究报告，部分报告得到国家领导同志的肯定和批示；参编《制造强国战略研究》《中国机械工程技术路线图》《智能制造工程教程》等著作。先后被光明日报、新华社App、浙江日报、学习强国App、中国改革报、中国经济周刊等报道或转载。

主要学术兼职：

?? 中国工程院制造业研究室特聘专家

?? 中国机械工业联合会智能制造分会副秘书长

?? 中国人工智能学会智能制造专委会常务委员

?? 中国机械工程学会工业大数据与智能系统分会委员

?? 中国图学学会数字孪生专委会委员

?? 浙江省工业软件产业技术联盟副秘书长

?? 浙江省智能制造专家委员会专家

?? 浙江大学高端装备研究院特聘研究员

坚持以人为本，加快建设制造强国

智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式。以人为本成为智能制造的时代内涵和核心特征。发展智能制造，对于巩固实体经济根基、建成现代产业体系、构建新发展格局具有重要作用。推动智能制造的高质量发展与广泛应用，需要始终坚持以人为本，更好地满足人民美好生活的需要。

一、以人为本发展智能制造的重要意义

以人为本是新一轮工业革命的重要趋势。人是生产制造活动中最具能动性和最具活力的因素，智能制造与机器人最终都需回归到服务和满足人们对美好生活的需求、促进人的全面发展上来。2017年，中国工程院基于人-信息-物理系统（Human-Cyber-Physical Systems，HCPS）正式提出了“新一代智能制造”理念，并认为物理系统是主体，信息系统是主导，人是主宰；实施智能制造的实质就是设计、构建与应用各种不同用途、不同层次的HCPS。德国在推出第四次工业革命战略之初，在制定的八项行动中就有多项与人直接有关。美国科学基金委从2016年至今，已经投入数千万美元对“人与技术前沿的未来工作”持续进行资助。2021年初，欧盟研究和创新委员会正式提出第五次工业革命（工业5.0），重点指出未来工业应更加坚持以人为本。纵览全球制造业与新工业革命，以人为本是各国的关注点，也是大势所趋。以人为本的未来工业和制造系统正在吸引国内外政府机构、行业和学术界的广泛关注。

以人为本是经济发展与科技创新的交汇点。当前，科技创新速度显著加快，大大拓展了时间、空间和认知范围，人类正在进入一个“人机物”三元融合的万物智能互联时代。经济发展最主要就是坚持以人为本，满足人民的美好生活需要，主要依靠的就是科技创新，特别是实体经济的科技创新，重点是制造业的数字化、网络化与智能化发展。以人为本发展智能制造是科技创新与经济发展的重要交汇点，也是科技与经济融合发展的应有之义。

以人为本是制造业高质量发展的必然选择。高质量发展是“十四五”时期我国经济发展的必由之路。高质量发展是能够很好地满足人民日益增长的美好生活需要的发展。以人为本、一切为了人民福祉，是制造业高质量发展

不可动摇的目标。大力发展与民生直接相关的食品、纺织服装、医疗器械等产业是智能制造高质量发展的必然要求。同时，解决中小微企业智能化、绿色化转型的世界性难题，需要坚持以人为本，实现中小微企业与大型企业协同发展，稳定就业、共同富裕。

二、人本智造的内涵

以人为本的智能制造（简称人本智造）是一个大概念，涵盖基础理论、科学技术、经济社会乃至哲学等多个层面。中国学者以HCPS作为理论基础，积极开展研究，初步阐明了人本智造的基本内涵。人本智造体现了制造业未来发展的重要趋势，也是新一代智能制造的重要技术支撑。从辩证角度看，其有两方面含义：其一，为了满足人民美好生活的需要，在生产活动与日常生活中，需要坚持以人为本，积极使用各种数字化、网络化、智能化技术来帮助人们完成各种体力劳动和脑力劳动，努力运用智能制造技术与系统来提升人民幸福感、安全感和获得感；其二，在发展和使用智能制造技术与系统为人类生产生活服务时，“人机物”不可避免地会产生各种关联，甚至冲突或对立，这就更加需要坚持以人为本，努力解决好隐私、安全、伦理、健康、就业等人们关心的基本诉求，努力做到人机共生、和谐发展。以上两个方面辩证统一，不可偏废。

系统观念是理论基础。在发展智能制造的过程中，需坚持系统观念，统筹考虑人、信息系统和物理系统，对传统制造系统进行重构和扩展，加强系统集成，完善并构建新型智能制造系统体系，并基于此制定智能制造发展

战略，努力实现人机协作。人、信息系统、物理系统三者良性互动、协同创新、融合发展所形成的智能制造系统体系有望成为理解智能制造演进过程、构建智能制造技术体系、推动智能制造可持续发展的基础与支撑。

数字化、智能化技术是共性赋能技术。智能制造的发展离不开数字化、网络化、智能化各类赋能技术，其中，数字孪生技术与智能人机协作是关键。智能制造系统存在大量不确定性，而考虑人的因素的智能制造系

统更是一个复杂巨系统。坚持以人为本的发展思想，数字孪生包括人的数字孪生与物理机器的数字孪生，二者同等重要。在构建人的数字孪生与物理机器的数字孪生的基础上，可进一步通过运用大数据、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等先进技术实现智能人机协作，进而实现智能制造的预期目标。

新一代产业工人是关键因素。第一次工业革命，动力机械的引入将工人从繁重的体力劳动中解放出来，进而转向掌握机器的使用技巧；第二次工业革命，标准化、流水线生产的出现使工人趋向于通过掌握相对单一的技能来完成特定工序的工作任务；第三次工业革命，计算机、微电子等技术的出现和普及催生了自动化生产，工人逐渐从直接操控机械设备向人机交互转变。智能制造拉开了新一轮工业革命的序幕，传统产业工人的角色定位已无法适应新场景、新技术和新问题，新一代产业工人应运而生。新一代信息技术不仅赋能制造系统本身，同时也将赋予工人多样化感知、认知和控制的能力。通过数字化、智能化等技术的赋能，新一代产业工人将充分发挥主观能动性和灵活性，这对于智能制造系统的高效平稳运行具有不可替代的作用。

三、坚持以人为本，推动智能制造高质量发展

坚持以人为本，突出智能制造中人的地位。要系统考虑人的因素，将以人为本的理念贯穿于智能制造系统的全生命周期过程（包括设计、制造、管理、销售、服务等），充分考虑人（包括设计者、生产者、管理者、用户等）的各种因素（如生理、认知、组织、文化、社会等），运用先进的数字化、网络化、智能化技术，充分发挥人与机器各自的优势协作完成各种工作任务，最大限度提高生产效率和质量，确保人员身心安全，满足用户个性化需求，促进社会可持续发展。坚持系统思维，引领社会层面形成共识。目前，社会各界对于智能制造

的理解存在一些误区，例如，部分人士将智能制造简单等同于“机器换人”，在具体推动智能制造发展中也存在很多疑惑，例如，智能化是否意味着机器完全代替人，怎样协调好工人就业与智能化之间的平衡问题。实际上，并非所有生产主体、所有任务都需要“机器换人”，而是需要通过不断尝试，找到适合不同领域特点的人机合作方式，努力构建“人机共融体”。要重点关注智能制造可能带来的安全隐私、工作环境、工人就业、数据治理等方面的问题，深入开展调查研究，尽快形成共识。

坚持企业主体地位，促进人的全面发展。作为发展智能制造的主体，企业要积极培养制造工程技术人员、智能制造专业人员和智能制造系统建设专业人员。企业要将以人为本作为发展智能制造的重要理念，运用先进适用

的技术延长员工的职业生涯，努力让员工在智能制造技术的支持下更好地贡献价值，运用智能制造技术营造良好环境氛围，吸引年轻一代从事制造业工作。同时，要加快发展共享制造、服务型制造、绿色制造等新模式新业态，

让智能制造更好地为人民美好生活服务。智能制造将深刻影响人类社会的生产方式和生产关系。坚持以人为本，夯实智能制造主攻方向，推动制造业产业模式和企业形态实现根本性转变，就一定能促进中国制造业高质量发展，为建设制造强国提供有力支撑。

杨华勇

中国工程院院士

十四届全国政协常委

国家智能制造专家委员会副主任

第1章 面向新一代智能制造的HCPS ...............................................................001

1.1 引言 ..........................................................................................................001

1.2 面向智能制造的HCPS的进化过程 ........................................................001

1.3 面向新一代智能制造的HCPS2.0的内涵 ...............................................008

1.4 面向新一代智能制造的HCPS2.0的技术体系 .......................................011

1.5 基于HCPS2.0的新一代智能制造面临的重大挑战 ...............................018

1.6 小结 ..........................................................................................................020

参考文献 ...........................................................................................................020

第2章 以人为本的智能制造：理念、技术与应用 .........................................031

2.1 引言 ..........................................................................................................031

2.2 人本智造的发展背景 ...............................................................................032

2.3 人本智造的内涵与技术体系 ...................................................................033

2.4 人本智造的应用实践 ...............................................................................037

2.5 思考与建议 ..............................................................................................040

2.6 小结 ..........................................................................................................041

参考文献 ...........................................................................................................041

第3章 面向智能制造的人因工程.........................................................................045

3.1 引言 ..........................................................................................................045

3.2 智能制造系统中人的作用 .......................................................................046

3.3 面向智能制造的人因工程 .......................................................................048

3.4 研究进展 ..................................................................................................049

3.5 挑战与未来发展.......................................................................................058

3.6 小结 ..........................................................................................................062

参考文献 ...........................................................................................................063

第4 章 HCPS 视角下智能制造的发展与研究 ................................................071

4.1 引言 ..........................................................................................................071

4.2 HCPS的内涵与系统组成 ........................................................................072

4.3 HCPS视角下的智能制造 ........................................................................075

4.4 相关研究进展 ..........................................................................................077

4.5 智能制造发展建议...................................................................................083

4.6 小结 ..........................................................................................................085

参考文献 ...........................................................................................................085

第5 章 数字孪生驱动的智能人机协作 ...............................................................093

5.1 引言 ..........................................................................................................093

5.2 人机关系的演变与发展 ...........................................................................094

5.3 数字孪生驱动的智能人机协作框架 .......................................................097

5.4 智能人机协作的共性使能技术 ...............................................................100

5.5 典型应用 ..................................................................................................106

5.6 小结 ..........................................................................................................110

参考文献 ...........................................................................................................110

第6 章 面向人本智造的新一代操作工 ...............................................................117

6.1 引言 ..........................................................................................................117

6.2 新一代操作工的概念 ...............................................................................118

6.3 新一代操作工的关键使能技术 ...............................................................124

6.4 新一代操作工的典型应用 .......................................................................132

6.5 小结 ..........................................................................................................135

参考文献 ...........................................................................................................136

第7 章 HCPS 视角下的智慧健康办公 ..............................................................145

7.1 引言 ..........................................................................................................145

7.2 智慧健康办公的概念及组成要素 ...........................................................147

7.3 从传统健康办公到智慧健康办公 ...........................................................149

7.4 智慧健康办公研究框架 ...........................................................................152

7.5 面向办公人员肌肉骨骼健康的智慧健康工位 .......................................155

7.6 小结 ..........................................................................................................159

参考文献 ...........................................................................................................160

第8 章 增强现实技术辅助的互认知人机安全交互系统 ...............................165

8.1 引言 ..........................................................................................................165

8.2 国内外研究现状.......................................................................................166

8.3 人机交互系统的互认知框架设计 ...........................................................170

8.4 安全策略实现与验证 ...............................................................................173

8.5 小结 ..........................................................................................................181

参考文献 ...........................................................................................................181

后记 ....................................................................................................................................187