本文是一篇博士论文，本文基于态势熵、信息增益和信息引擎理论，提出了基于信息引擎的操作工信息交互机理模型，并在此基础上提出了信息交互效果评价方法和改善措施。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
我国实施的制造强国战略强调加快推动信息技术与制造技术融合发展，并把智能制造作为主攻方向。专家学者们将信息融合、互联互通和系统集成作为智能制造的典型特征[1]，并致力于通过追踪和优化信息流、物料流和能量流在制造系统各组成部分之间的流动来提高制造系统的效率，例如信息-物理系统（cyber-physical systems, CPS）强调通过通信、计算和控制使系统更加可靠、高效和实时协同[2]。虽然，通过各种信息通信技术能够打破信息孤岛，实现生产单元之间的相互协同。但是，由于生产现场存在着大量的老旧生产设备以及信息通信技术的应用场景限制，许多制造信息仍然无法被机器自动处理和传递。而且，当前的人工智能技术难以在信息不足、信息不确定或信息模糊的情况下进行精准推理和决策[3]。人类具有自主意识、创造性思维和主动学习能力，可根据生产任务、自身状态以及周围环境的变化灵活应对各种新情况。操作工作为一个天然的信息接收器和处理器，能够起到沟通各种生产单元以及处理各种生产信息的作用[4]。毫无疑问，操作工构成了制造网络中的关键一环[5]，而且操作工的信息接收和信息处理能力显著影响了制造系统的效能。针对这一现状，周济院士等[6]提出了面向新一代智能制造的人-信息-物理系统（human-cyber-physical systems, HCPS）, 系统地分析了操作工在生产制造、物料运输、信息处理和信息交互过程中的作用。王柏村等[7]基于HCPS理论提出了人本智造，主张在智能制造系统的设计、运行和维护过程中要遵守以人为本的理念，通过引入各种技术系统来增强操作工的操作能力和认知能力。因此，有必要基于以人为本的理念探究制造车间内的信息交互问题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 制造车间内信息交互问题研究现状
（1）制造车间内信息交互问题概述
制造车间内的生产活动是在信息驱动下将原材料或半成品加工成产品的过程，如果没有信息就不可能发生制造活动[9]。Nassehi等[10]指出为了获取执行任务所需的制造信息，制造系统中的各种实体需要与外界进行信息交互，因此，有必要探究制造车间内各种实体间的信息交互问题。然而，传统的制造系统研究方法经常忽略制造系统内部的信息交互问题，造成各制造单元之间信息流动不畅，从而形成“信息孤岛”，影响了各制造单元之间的协同作业，造成物料短期、在制品积压和生产效率低下等问题。针对上述问题，Lee等[12]采用信息-物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）对制造系统的信息交互问题进行了最常用、最全面和最深入的解释，构建了一个包含信息收集、信息管理、信息利用和信息交互过程的“CPS金字塔”模型。然而，Gräßler等[13]指出信息-物理生产系统（CPS）忽略了操作工的个人能力和技能特征，而且，由于科技水平的限制，当前自主性有限的智能制造系统又无法完全取代人类，导致操作工既无法高效地完成生产任务，又面临着大量的职业健康与安全问题。为了解决信息-物理系统（CPS）忽视操作工特性这一问题，学者们相继提出了人-信息-物理系统(HCPS)[14]、信息-物理-人系统(cyber-physical-human systems, CPHS)[15]、人在回路的自主信息-物理系统(human-in-the-loop cyber-physical systems, HiLCPS)[16]和信息-物理-社会系统(cyber-physical-social systems, CPSS)[17]等改进版的CPS模型。上述改进版CPS模型与传统CPS模型最大区别是将人作为制造系统的关键一环，并将其纳入决策过程，可以增强操作工、工件和机器之间的信息交互，从而实现集体智能[18]。
第2章 基于认知视角的操作工信息交互过程分析
2.1 引言
在生产现场，操作工执行生产任务时需要获取必要的制造信息，用于评估制造系统的状态，从而做出恰当的决策并付诸行动。因此，对于操作工来说，重要的是信息的质量而不是数量。信息质量体现在正确的时间(何时)、以正确的方式(如何)提供正确的信息(什么)[35]。Fast-Berglund等[119]主张正确的制造信息涉及信息量（信息内容）、如何呈现（信息载体）以及谁是接收者（操作工）。因此，有必要从操作工的认知视角，研究生产现场的信息交互机理。如图2.1所示，通信的大致流程为：①信源按照任务要求发出特定的信息；②编码器将信源发出的信息转换成易于传输的通讯信号；③信道传输这些通讯信号，而且信号在传输过程中受到外界噪声的干扰；④解码器将接收到的通讯信号再次转化为信息；⑤信宿接收解码后的信息并对这些信息进行解析。通常，这些传输的信息承载了某些事物的属性或状态信息，也就是说这些信息对接收者来说是有内在含义的，但是，香农在研究通信问题的时候假定信息的含义与通信问题无关，其追求的是在信宿端精确地或近似地恢复信源端所发送信息的外在形式[120]。然而，钟义信[121]指出在研究个体的认知活动时，除了需要考虑信息的外在形式外，还需要考虑信息的内在含义和效用价值，从而定义了“全信息”这一概念，并借用语言学中“语法”、“语用”和“语义”这三个术语，将全信息分为语法信息、语义信息和语用信息，如图2.2所示。语法信息主要关注信息的外在形式，语义信息主要关注信息的内在含义，语用信息主要关注信息的效用价值。
2.2 操作工的信息交互过程分析
2.2.1 操作工的信息交互形式
操作工主要指在生产现场中完成生产作业任务的工人。在制造车间中与操作工相关的信息交互主要包括操作工与协作者之间的人-人交互和操作工与技术系统（包括物理系统和信息系统）之间的人-机交互。在制造车间内，根据HCPS模型[6]对制造系统层级的划分，操作工的信息交互可以分为单元级工位内的信息交互和系统级工位间的信息交互。
如图2.4所示，工位内的信息交互主要是人-机交互，即为了执行生产任务，工位内的操作工需要获取所在工位的状态信息，这些信息通过各种人机交互界面呈现给操作工，例如，纸张、显示器和指示灯等。
第3章 考虑认知行为特征的交互信息内容分析 ..... 53
3.1 引言 ................................. 53
3.2 制造车间内交互信息分析模型 .......................... 54
第4章 面向人-人交互的制造车间设施规划与设计 ........................... 81
4.1 引言 ...................................... 81
4.2 制造车间设施规划与设计框架 ......................... 82
第5章 面向人-机交互的制造车间目视化设计 ..................... 115
5.1 引言 ............................ 115
5.2 制造车间目视化设计框架 ......................... 116
第5章 面向人-机交互的制造车间目视化设计
5.1 引言
Bilalis等[174]指出随着技术的快速发展，信息的远距离传递问题已经成功解决，然而，如何在近距离交流中消除信息的无效传递仍是一大挑战。操作工在工位内的人-机交互问题就是一个典型的近距离信息获取问题，而且在本文第4章中已经提到工位之间的远距离信息交互可以通过信息与通信系统转化为工位内信息交互，因此，工位内近距离的信息交互问题变得越来越重要。Tezel等[175]指出目视化是一种旨在从认知层面实现信息高效传递的近距信息传播策略，而且，目视化的媒介主要是各种交互界面。Edwards提出的SHEL（Software-Hardware-Environment-Liveware, SHEL, 软件-硬件-环境-人件）模型[176]将交互界面划分为：人-硬件交互界面、人-软件交互界面、人-环境交互界面和人-人交互界面。SHEL模型中提到的是广义界面，泛指一切与人发生物质、能量和信息交换的媒介，因此，交互界面已经成为操作工感知制造系统状态信息的主要媒介。
在制造车间内，视觉是操作工在人机交互过程中获取制造信息的主要感知通道，设计良好的人机交互界面能够帮助操作工更轻松地接收交互信息，降低认知难度。因此，需要探究在操作工的视野范围内信息呈现的方式、信息呈现的位置以及如何通过听觉、触觉和嗅觉等其他感知通道辅助操作工获取制造系统的信息。人机交互界面设计主要优化文本框、图标和按键等信息载体的排列方式、大小、颜色和形状等，除了追求美观性外，还需要有助于操作工理解信息的内在含义，从而降低操作工的认知负荷，因此，可以采用Kong[89]提出的信息加工经济原则进行人机交互界面设计。在人机交互界面布局时，设计师们根据信息的重要性、交互频率和相关性等确定交互信息在交互界面中呈现的位置，致力于从可视性、可达性、舒适性等角度探究信息模块在交互界面中的位置，然而，信息的重要性判定主要通过专家根据主观经验判断，缺乏客观性[177]。
第6章 总结与展望
6.1总结
操作工在决策时需要通过信息交互获取制造信息并承受认知负荷，根据是否有助于执行生产任务。如果交互信息与任务特征和操作工的认知能力不匹配，将会带来额外的认知负荷，而且，过高的认知负荷会影响操作工的感知、决策和行动能力。因此，为了降低认知
