人與機器之間協(xié)作水平將在工業(yè)5.0時代繼續(xù)擴大

HMI（人機界面）是將個人連接到機器、系統(tǒng)或設備的用戶界面或控制面板，它通常應用于工業(yè)過程。最早的HMI雛形是1945年前后工業(yè)2.0時期出現(xiàn)的批處理界面。

批處理界面是一種非交互式用戶界面，由用戶預先指定批處理的詳細信息，在所有處理完成后收到輸出。批處理過程開始后就不再允許其他的輸入。在批處理界面出現(xiàn)之前，是伴隨蒸汽機的發(fā)明而出現(xiàn)的工業(yè)1.0。操作員通過簡單的表計、開關和操作桿分別與每臺機器進行交互。電力的出現(xiàn)宣布了工業(yè)2.0的到來，這個階段始于同樣有限的操作員/機器交互。隨著工業(yè)2.0的發(fā)展，逐漸實現(xiàn)了在布滿專用表盤和面板的獨立控制室監(jiān)控整個生產(chǎn)過程。這催生了批處理界面的發(fā)展。工業(yè)3.0始于1969年，當時推出了第一臺可編程邏輯控制器（PLC）。

本文將追溯HMI技術的發(fā)展，首先從批處理界面講起。然后將回顧推進HMI技術前進的演化過程——從原始的命令行界面起步，在最早的的PLC上使用，如今已發(fā)展到基于觸摸屏的先進圖形用戶界面，以及使用聯(lián)網(wǎng)的手持移動設備通過具有工業(yè)4.0特征的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）來控制和監(jiān)控自動化系統(tǒng)。最后將簡要展望HMI在工業(yè)5.0中更進一步的未來。

01

工業(yè)2.0和批處理

在工業(yè)2.0之初，人們進行調(diào)整（接受培訓）來與機器協(xié)作，并不存在什么HMI?？晒┦褂玫闹挥袕墓I(yè)1.0繼承而來的簡單的表計、操作桿和開關。大約1890年，當制造過程中蒸汽動力被電力取代時，工業(yè)2.0開始了，這催生了勞動分工、大規(guī)模生產(chǎn)和裝配線。直到1945年，批處理才被引入并出現(xiàn)了最初的HMI。

批處理不同于當今的自動化系統(tǒng)。它的算力有限并且成本高昂，HMI也很粗糙。用戶要適應計算機。HMI增加了開銷，軟件則旨在最大限度地提高處理器利用率并減少HMI等開銷。程序員并不直接與機器實時交互；他們制作打孔卡或紙帶，交給機器操作員進行實施（圖1）。

圖1：打孔卡和打孔帶是批處理系統(tǒng)HMI的形式之一

（圖源：Shutterstock）打孔卡和紙帶是高級版本。在早期的設計中，機器使用類似于當時電話總機室的插板進行“編程”。相比之下，中間設計將指令輸入到控制面板上的開關矩陣中，這些開關被打開和關閉以直接在機器中生成控制代碼。程序必然是直截了當?shù)?，通常僅限于打開和關閉繼電器。提交打孔卡或打孔帶提高了機器的生產(chǎn)效率。程序可以更復雜，并可在機器外生成，使機器能夠更加連續(xù)地運行。但是使用打孔卡和打孔帶也存在缺點，需要按照嚴格的語法進行，否則卡帶可能會損壞。錯誤時有發(fā)生，但這些錯誤要等到機器操作員運行程序數(shù)小時或數(shù)天后才會被發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的錯誤得到糾正后，又需要幾個小時或幾天的時間來重新運行程序，但愿不要再出錯。

02

計算機操作系統(tǒng)的提示

原始操作系統(tǒng)是從這些低效的批處理界面演變而來。最初，批處理系統(tǒng)的一組打孔程序卡或打孔帶需要包括與輸入/輸出（I/O）設備通信以及執(zhí)行任何其他所需內(nèi)部事務功能的指令，這些都是由當今操作系統(tǒng)處理的活動。1957年左右，開始出現(xiàn)大家常說的“裝入立即執(zhí)行”系統(tǒng)。計算機變得更加強大而靈活（盡管仍然還看不到多少當今系統(tǒng)的影子）?！把b入立即執(zhí)行”系統(tǒng)包含嵌入式“監(jiān)控”程序，用于為批處理程序提供通用I/O和其他服務。這些監(jiān)控程序還實施經(jīng)過了改進的批處理程序錯誤檢查，有時會在程序運行之前捕捉到錯誤，并向機器操作員和程序員提供更好的反饋。這些監(jiān)控程序被認為是原始的計算機操作系統(tǒng)。再后來，從系統(tǒng)控制臺上的批處理監(jiān)控程序演變出了命令行界面（CLI）。計算資源不斷下降的成本推動了CLI的廣泛應用。延遲從幾天或幾小時縮短到幾秒鐘，系統(tǒng)變得更加高效。早期的CLI非常原始，基于同樣為新出現(xiàn)的分時計算機系統(tǒng)而開發(fā)的概念。CLI在操作員/程序員和系統(tǒng)之間采用了一系列請求和響應交互。由于操作員和機器之間（幾乎）實時交互，在收到關于先前過程結(jié)果的近實時反饋時，操作員可以改動程序后面的階段。軟件更具交互性，但仍遠談不上用戶友好。早期的實現(xiàn)需要用戶使用大量的助記符。盡管如此，相比無法提供即時性能反饋的簡單批處理界面，這已是巨大的改進。

但機器用戶想要的更多。

03

工業(yè)3.0

工業(yè)3.0可以追溯到計算機時代的開端，人們開始對機器進行更直接和實時的控制。從機械系統(tǒng)和模擬電子到數(shù)字電子的轉(zhuǎn)變凸顯了這一點。1969年第一臺PLC的推出通常被認為是工業(yè)3.0的開始。1968年，GM Hydramatic（通用汽車的自動變速器部門）開始尋求用電子系統(tǒng)替代硬接線（且難以重新編程）的基于繼電器的控制系統(tǒng)。這催生了次年生產(chǎn)的第一臺PLC。這臺PLC由Bedford Associates發(fā)明，被稱為Modicon（模塊化數(shù)字控制器）PLC（圖2）。Modicon PLC是HMI領域的重大進步。它比通用計算機更加用戶友好，并使用簡單的編程語言進行操作，而編程語言注重于工業(yè)自動化所需的邏輯和開關操作。PLC包括用于機器配置、報警和一般控制的HMI。

圖2：連接到早期PC的可編程邏輯控制器Modicon PLC 584，收藏于西班牙加泰羅尼亞國家科技博物館。（圖源：Belogorodov - stock.adobe.com）早期的PLC HMI采取多種形式：簡單系統(tǒng)中使用按鈕和指示燈，文本顯示、基本圖標和CLI也很常見。從20世紀70年代開始，PLC使用在遠程計算機上運行的更復雜編程和HMI監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)通過通信接口連接。在20世紀80年代，臺式計算機開始取代遠程計算機提供與PLC直接連接的HMI，支持特定于供應商且簡化了機器編程和監(jiān)控的硬件平臺。

20世紀90年代初，發(fā)布了IEC 61131-3。這是第一種獨立于供應商的工業(yè)自動化和PLC用編程語言，使得HMI更易于使用。此外，在20世紀90年代，PLC上的HMI功能得到擴展，除了過程控制外，還增加了機器診斷和故障排除。20世紀90年代后期設計的PLC具有圖形觸摸屏HMI，并將互聯(lián)網(wǎng)連接帶到了工廠車間。

04

工業(yè)4.0

工業(yè)4.0始于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。在HMI發(fā)展的早期階段，目標是實現(xiàn)人對機器和工業(yè)過程更強的控制。發(fā)展工業(yè)4.0 HMI則是為了支持人與機器之間不斷提高的協(xié)作水平。HMI經(jīng)過發(fā)展，支持將“機器”的定義擴展為包含決策支持系統(tǒng)、軟件以及云中的大數(shù)據(jù)。工業(yè)4.0中的人機協(xié)作得到了無線連接以及便攜式設備的支持，這些設備從手持控制器或手機上的觸摸屏到增強現(xiàn)實眼鏡應有盡有（圖3）。其結(jié)果便是所謂的信息物理系統(tǒng) （CPS），這個系統(tǒng)將計算和物理資產(chǎn)從云端集成到工廠車間。CPS始于嵌入式計算機和傳感器網(wǎng)絡，用來監(jiān)控物理過程，通常將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行分析。CPS的傳感器和執(zhí)行器與周圍環(huán)境無縫融合，創(chuàng)造出IIoT并實現(xiàn)了從集中控制到分散控制的轉(zhuǎn)變。過去，會有一個與每臺機器或每個PLC相關聯(lián)的HMI，用于在本地或在集中控制室控制多臺機器。工業(yè)4.0 HMI則是分布式的，更加以人為中心。工廠中的每個人都有自己的HMI，以無線方式連接到他們控制的各種資產(chǎn)。

圖3：工業(yè)4.0中的人機協(xié)作得到了無線連接以及便攜式設備的支持，這些設備從手持控制器上的觸摸屏到增強現(xiàn)實眼鏡應有盡有。工業(yè)4.0 HMI通常帶有預安裝的App，除了控制機器人和其他機器并與之協(xié)作外，還可用于查看文檔、觀看教學媒體視頻和安全訪問外部基于Web的系統(tǒng)。這些HMI通常是可擴展的，可以包括各種App來支持特定活動，例如：

◇ 執(zhí)行高級生產(chǎn)算法和計算

◇ 通過多種協(xié)議（包括與IIoT聯(lián)網(wǎng)設備的直接連接）連接到多個來源的數(shù)據(jù)

◇ 顯示歷史數(shù)據(jù)

◇ 自動化工作流程

◇ 管理庫存

◇ 分析機器和電機驅(qū)動器的健康狀況以進行預測性維護

創(chuàng)建通知和發(fā)送提醒

05

工業(yè)5.0 – 下一步是什么？

工業(yè)5.0將看到人機協(xié)作更廣的定義以及HMI的相應變化。工業(yè)5.0將建立在大數(shù)據(jù)、云、機器學習和人工智能的基礎上。實時交叉現(xiàn)實界面將取代當今的HMI。

工業(yè)5.0 HMI將支持擴展的通信模式 - 人與機器、機器人以及協(xié)作機器人之間的雙向通路。在工業(yè)4.0中，由人來直接控制與機器的協(xié)作。工業(yè)5.0將對此做進一步擴展，HMI將使機器能夠啟動與人的協(xié)作（圖4）。HMI的持續(xù)發(fā)展將確保人們越來越緊密地融入工業(yè)過程和制造環(huán)境。

06

結(jié)語

HMI的發(fā)展始于工業(yè)2.0時期，人們尋求通過批處理界面更好地控制機器。隨著PLC和實時HMI的相關進步，在工業(yè)3.0時期實現(xiàn)了更高級別的細粒度控制。工業(yè)4.0經(jīng)歷了范式改變，HMI的目標從對機器的嚴格控制轉(zhuǎn)變?yōu)榕c機器更多的協(xié)作以及發(fā)展針對IIoT和大數(shù)據(jù)優(yōu)化的HMI。人與機器之間的協(xié)作水平將在工業(yè)5.0時代繼續(xù)擴大。HMI將演變?yōu)榘ń徊娆F(xiàn)實環(huán)境，可以滿足人與機器之間更密切的實時連接需求，由機器主動請求人類輸入以幫助優(yōu)化各種活動和過程。

圖4：大數(shù)據(jù)、人工智能和交叉現(xiàn)實將實現(xiàn)工業(yè)5.0中的人機界面新范式，其中的機器會主動與人類聯(lián)系幫助解決困難情況。

Jeff Shepard作者介紹

Jeff是Jeta電力系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司是一家被Computer Products公司收購的大功率開關電源制造商。Jeff還是個發(fā)明家，他在熱能收集和光學超材料領域擁有17項美國專利。他是業(yè)內(nèi)知名人士，經(jīng)常就電力電子領域的全球趨勢發(fā)表演講。他曾受邀在許多行業(yè)活動上發(fā)表演講，包括IEEE應用電力電子會議全會、Semico West、全球半導體聯(lián)盟新機遇會議、IBM電力和冷卻研討會以及Delta Electronics全球電信電力高級員工研討會。

Jeff擁有加州大學戴維斯分校的定量方法和數(shù)學碩士學位。他在電力電子、電子元器件和其他技術主題方面有著30多年的寫作經(jīng)驗。他從擔任《EETimes》雜志的高級編輯時就開始撰寫電力電子方面的文章。他創(chuàng)辦了《Powertechniques》，這是一本有關電力電子設計的雜志，每月發(fā)行量超過3萬份。隨后，他又創(chuàng)立了全球電力電子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group發(fā)布了PowerPulse.net，為全球電力電子工程社區(qū)提供每日新聞。Jeff曾編寫過一本開關電源教科書《Power Supplies》，由普倫蒂斯霍爾出版社的雷斯頓分部出版。

原文標題：人機界面的演變

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