《智能系統(tǒng)》第10章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)

1、第十章人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)10.1人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述10.2運(yùn)行機(jī)制10.3智能遷移10.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of311習(xí)題10.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of312 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)又稱為人機(jī)結(jié)合系統(tǒng)( HumanComputer Associative Systems) 、人機(jī)整合系統(tǒng)( HumanComputer Integrated Systems)。通常認(rèn)為，人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)是由人和計(jì)算機(jī)（含嵌入式控制系統(tǒng)）共同組成的一個(gè)系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)處理大量的數(shù)據(jù)計(jì)算以及部分推理工作(例如演繹推理、歸納推理、類比推理等)，在計(jì)算力不夠的部分，比如選擇、決策以及評價(jià)等工作，則需要由人

2、來負(fù)責(zé)，從而充分發(fā)揮出人的靈活性與創(chuàng)造性，人與計(jì)算機(jī)相互協(xié)同，密切協(xié)作，可以更為高效地處理各種復(fù)雜的問題。1智能系統(tǒng)概述10.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of313 在國內(nèi)，已經(jīng)有不少學(xué)者和專家對人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)(或人機(jī)結(jié)合系統(tǒng))進(jìn)行了研究。1984年，張守剛、劉海波在討論機(jī)器求解問題時(shí)就已經(jīng)提出，在機(jī)器推理和求解問題的過程中，必須由人來參與。如何將問題形式化，如何將推理規(guī)則及程序放到機(jī)器中，以及如何解決機(jī)器在求解問題時(shí)遇到的難題，都需要人來處理?！皺C(jī)器求解問題，實(shí)際上是人、機(jī)求解問題系統(tǒng)。人的智能加上物化的智能、機(jī)器智能所構(gòu)成的人、智能機(jī)系統(tǒng)將是今后智能系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。”2

3、1988年，馬希文提出了人與機(jī)器結(jié)合的觀點(diǎn)，人利用機(jī)器，機(jī)器輔助人，共同完成一項(xiàng)復(fù)雜的工作。31990年，錢學(xué)森在研究系統(tǒng)科學(xué)和工程時(shí)，第一次提出了“綜合集成工程” ( Metasynthetic Engineering) 的構(gòu)想。所謂的“綜合集成工程”，是對開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上提煉、概括和總結(jié)出來的一種工程研究方法。2中外研究10.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of314 在國外，也有大量學(xué)者對人機(jī)結(jié)合或人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其中，比較有代表性的有，1991年，美國著名人工智能與計(jì)算機(jī)學(xué)家費(fèi)根鮑姆(Edward Albert Feigenbaum) 與里南(Douglas

4、Lenat)提出了“人機(jī)合作預(yù)測”(ManMachine Synergy Prediction)的概念，他們認(rèn)為人與計(jì)算機(jī)之間可以成為一種同事的關(guān)系，人與計(jì)算機(jī)所需要做的工作就是執(zhí)行自己所最精通的工作。2014年，美國學(xué)者艾薩克森(Walter Isaacson)指出，當(dāng)下最重大的創(chuàng)新來自于人的靈感與計(jì)算處理能力的結(jié)合?！叭祟惡陀?jì)算機(jī)共同發(fā)揮各自的才能，共同合作，總會(huì)比計(jì)算 機(jī)單獨(dú)行事更具創(chuàng)造力。人類與機(jī)器相結(jié)合的 做法，則會(huì)持續(xù)不斷地產(chǎn)生出令人驚嘆的創(chuàng)新。 數(shù)字時(shí)代舉足輕重的先驅(qū)們也是這么想的，比 如萬尼瓦爾布什( Vannevar Bush) 、利克里德( Joseph Carl Robn

5、ett Licklider) 和道格恩格爾巴特 ( Doug Engelbart ) 。人腦和計(jì)算機(jī)將會(huì)非常緊密地 結(jié)合起來，二者的協(xié)同合作將會(huì)產(chǎn)生一種人腦未曾 想到過的思考方式，能夠產(chǎn)生我們當(dāng)前所熟知的信 息處理機(jī)器所不能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理方式。2中外研究第十章人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)10.1人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述10.2運(yùn)行機(jī)制10.3智能遷移10.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of315習(xí)題10.2 運(yùn)行機(jī)制第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of316人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的組成可以分為三大部分：人、人機(jī)交互接口、計(jì)算機(jī)。1人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)10.2 運(yùn)行機(jī)制第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of317 （1）人。人通過觀測得到

6、的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、推理和判斷得到的結(jié)果，經(jīng)過人機(jī)交互接口傳輸給計(jì)算機(jī)。對計(jì)算機(jī)輸出的結(jié)果進(jìn)行再次加工，如進(jìn)行結(jié)果的評估與決策。 （2）人機(jī)交互接口。人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互的接口界面。人機(jī)交互接口應(yīng)當(dāng)盡可能提供全面、透徹、靈活的直觀信息；人與計(jì)算機(jī)可以通過計(jì)算機(jī)語言、自然語言及圖形等方式進(jìn)行對話。 （3）計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可以分為數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、進(jìn)程方法庫及推理機(jī)。數(shù)據(jù)庫是概念、事實(shí)、狀態(tài)，以及假設(shè)、證據(jù)、目標(biāo)等的集合。規(guī)則庫是規(guī)則、指示等因果關(guān)系或函數(shù)關(guān)系的集合。進(jìn)程方法庫是問題分解、評價(jià)、搜索、匹配和文件鏈接等過程和步驟的集合。推理機(jī)則主要用來實(shí)現(xiàn)推理功能。計(jì)算機(jī)中，關(guān)于數(shù)據(jù)和知識(shí)的存儲(chǔ)應(yīng)當(dāng)保證

7、安全可靠，不受擾動(dòng)和破壞。1人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)10.2 運(yùn)行機(jī)制第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of318 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制可以分為以下步驟： （1）人把觀測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、推理和判斷之后的結(jié)果通過人機(jī)交互接口輸入計(jì)算機(jī)。 （2）計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、進(jìn)程方法庫，對輸入的結(jié)果進(jìn)行分析、搜索、匹配和評價(jià)，并傳輸給推理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)推理，推理機(jī)再把推理的結(jié)果反饋給人。 （3）人機(jī)協(xié)同推理：如果有些算法或模型已知時(shí)，則通過人機(jī)交互接口確定某些參數(shù)，選擇某些多目標(biāo)決策的滿意解。 （4）如果算法或模型未知，則基于人的自身經(jīng)驗(yàn)，對結(jié)果進(jìn)行評價(jià)和選擇，實(shí)現(xiàn)最終的推理與決策。2人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制第十章人機(jī)協(xié)

8、同系統(tǒng)10.1人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述10.2運(yùn)行機(jī)制10.3智能遷移10.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of319習(xí)題10.3 智能遷移第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of3110 所謂的專家系統(tǒng)，通常認(rèn)為是“一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的問題。簡言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決專業(yè)領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)”。 最早的專家系統(tǒng)是由費(fèi)根鮑姆等于1968年研發(fā)的DENDRAL，能夠進(jìn)行質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析，并推斷化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)，基本達(dá)到了化學(xué)專家的水平。早期的專家系統(tǒng)架構(gòu)簡單、功能單一，人機(jī)交互界面生硬，缺乏自主學(xué)習(xí)能力。專家系

9、統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)通常只能負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算和部分推理任務(wù)，而數(shù)據(jù)庫的修改、推理機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)行、人機(jī)交互界面的優(yōu)化等工作通常只能由設(shè)計(jì)運(yùn)行人員來負(fù)責(zé)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，專家系統(tǒng)開始逐漸向多任務(wù)、協(xié)同運(yùn)行、機(jī)器學(xué)習(xí)等方向發(fā)展，并引入了不確定推理、蒙特卡洛模擬（Monte Carlo Simulation）算法等最新的推理機(jī)制和算法，并且具備了一定的自我糾錯(cuò)功能。AlphaGo就是其中的最新代表。10.3 智能遷移第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of3111 棋類游戲是人工智能重要的研究領(lǐng)域之一，到目前為止，人工智能在國際象棋、中國象棋、跳棋等棋類游戲中均可以戰(zhàn)勝（或者至少保證和棋）世界頂尖的人類棋手。在AlphaGo出

10、現(xiàn)之前，人工智能專家已經(jīng)研發(fā)了各種基于不同算法和推理機(jī)制的圍棋對弈專家系統(tǒng)，如Crazy Stone、Zen、Silver Star等，但是這些專家系統(tǒng)均不能戰(zhàn)勝頂尖的人類棋手。圍棋的規(guī)則雖然簡單，但是下法卻非常復(fù)雜，如果加上打劫（圍棋術(shù)語），則局面將更加復(fù)雜；據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍棋盤上可能形成的局面高達(dá)3361，比目前宇宙中所有原子數(shù)（1080）都多。以目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力及人工智能的發(fā)展水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能窮舉圍棋的所有可能性。AlphaGo的出現(xiàn)，則完全突破了這一局面。AlphaGo是由Google旗下的DeepMind公司研發(fā)的圍棋對弈專家系統(tǒng)。2015年10月，AlphaGo以5:0的戰(zhàn)績擊敗了

11、歐洲圍棋冠軍樊麾二段；2016年3月，又以4:1的戰(zhàn)績擊敗了擁有14個(gè)世界圍棋冠軍頭銜的李世石九段，震驚了全世界?？梢哉f，這是一次人工智能的巨大勝利。第十章人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)10.1人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述10.2運(yùn)行機(jī)制10.3智能遷移10.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of3112習(xí)題10.4 案例第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of3113案例背景： 與跨國公司大陸集團(tuán)的合作是該行業(yè)中絕佳的轉(zhuǎn)型案例。作為汽車領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，大陸集團(tuán)是迄今為止自動(dòng)化程度最高的制造商，并率先向工業(yè) 4.0 邁進(jìn)。在 2016 年，該公司決定購買多臺(tái)UR10協(xié)作機(jī)器人，進(jìn)行PCB板的自動(dòng)化制造和加工，與手動(dòng)操作相比，轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短了50

12、%（從40分鐘縮短到20分鐘）。 作為一家不斷成長的公司，大陸集團(tuán)在汽車行業(yè)擁有25年的歷史，并一直專注于創(chuàng)新，并因此在與其他頂級(jí)公司的競爭中贏得了許多重要項(xiàng)目。西班牙大陸汽車的工廠經(jīng)理 Cyril Hogard 談起引入U(xiǎn)R協(xié)作機(jī)器人的初衷時(shí)表示：公司在行業(yè)競爭激烈的背景下運(yùn)營，主要挑戰(zhàn)之一是提高生產(chǎn)率。兩年前第一次聽說協(xié)作機(jī)器人時(shí)，他立即確信，協(xié)作機(jī)器人將憑借其集成簡便、維護(hù)成本低和能提高生產(chǎn)力的優(yōu)勢，成為大陸汽車在工業(yè) 4.0 中發(fā)展的基石。10.4 案例第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of3114解決方案： 西班牙大陸汽車公司選擇優(yōu)傲機(jī)器人，在制造過程中執(zhí)行PCB板和組件的上下料及檢測任務(wù)，這是一

13、項(xiàng)單調(diào)和重復(fù)的任務(wù)，同時(shí)需要高度精確。 項(xiàng)目初期，大陸汽車安裝了兩臺(tái)UR10機(jī)器人用于裝卸PCB板和組件裝配。目前已增加到6臺(tái)UR10協(xié)作機(jī)器人，另有3個(gè)UR10項(xiàng)目正在進(jìn)行中。 大陸汽車的工程師們積極地投入到項(xiàng)目開發(fā)中，當(dāng)開始第一個(gè)項(xiàng)目時(shí)大家知道這意味著大陸汽車正在使用具有更現(xiàn)代機(jī)器人理念的協(xié)作型機(jī)器人從事開創(chuàng)性的技術(shù)工作，也預(yù)示著以自動(dòng)化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）為核心的智能工廠的出現(xiàn)。 負(fù)責(zé)UR機(jī)器人應(yīng)用的是工程師 Vctor Cantn，盡管之前并沒有機(jī)器人技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，他仍然接受了挑戰(zhàn)。在幾個(gè)星期內(nèi)，他就理解了UR協(xié)作機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠開始編程。項(xiàng)目的早期階段，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)使

14、用一臺(tái)優(yōu)傲機(jī)器人進(jìn)行測試、節(jié)拍計(jì)算和運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃，為簡化和加快現(xiàn)場實(shí)施做準(zhǔn)備。10.4 案例第十章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)of3115 優(yōu)點(diǎn)： 大陸集團(tuán)的團(tuán)隊(duì)對于UR協(xié)作機(jī)器人在其生產(chǎn)線上的使用結(jié)果非常滿意，產(chǎn)品優(yōu)勢在操作過程中顯露無遺。 （1）控制及靈活性：編程非常簡單；所有的電子設(shè)備和機(jī)器人控制器被集成在中央控制器中，使它們在不需要外部專家的幫助下就可以重新編程。 （2）減少團(tuán)隊(duì)負(fù)擔(dān)：協(xié)作機(jī)器人的到來意味著操作員的角色改變，操作員不再需要執(zhí)行繁復(fù)的工作任務(wù)，如將組件從一個(gè)工作站移動(dòng)到下一個(gè)工作站。他們現(xiàn)在可以專注于提高生產(chǎn)的技能任務(wù)。 （3）降低成本：大陸集團(tuán)在車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化移動(dòng)零部件，與手動(dòng)操作相比，將轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短了 50%（從40分鐘縮短到20分鐘），降低了運(yùn)營成本