【愚公系列】《工业数字孪生与企业应用实践》016-人机交互技术

🚀前言

在数字化时代的浪潮中，人机交互技术（HCI）正迅速改变着我们与技术之间的互动方式。从智能手机到智能家居，从虚拟现实到人工智能，人机交互技术不仅提升了用户体验，也推动了各行业的创新与发展。随着技术的不断进步，如何让机器更好地理解和服务于人类，成为了研究者和开发者们的重要课题。

🚀一、人机交互技术

人机交互技术((HCI)指通过计算机输入/输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。本节介绍人机交互技术的相关内容。

🔎1.概念

🦋1.1 人机交互的起源

人机交互（Human-Computer Interaction, HCI）作为一个学科的起源可以追溯到20世纪50年代末至60年代初。以下是其主要的发展历程：

• 1959年：美国学者B. Shackel提出了被认为是人机界面的第一篇文献的论文《关于计算机控制台设计的人机工程学》，提出如何减少操作者在操作计算机时的疲劳问题，从而引发了人机交互的研究。
• 1960年：Liklider JcR首次提出了“人机紧密共栖”（Human-Computer Close Symbiosis）的概念，认为人和计算机应当是相互依赖、协同工作的，这一概念被视为人机界面学的启蒙观点。
• 1969年：在英国剑桥大学召开了第一次人机系统国际大会，同年，第一份专业杂志《国际人机研究》（IJMMS）创刊，标志着人机交互学科的初步建立。1969年被视为人机界面学发展史中的里程碑。
• 1970年：成立了两个重要的HGI（人机界面）研究中心，一个位于英国Loughborough大学的HUSAT研究中心，另一个则是美国Xerox公司在Palo Alto设立的研究中心。
• 1970-1973年：出版了4本关于计算机和人机工程学的专著，为人机交互界面的研究和发展指明了方向。
• 20世纪80年代初期：学术界相继出版了6本专著，汇总了最新的人机交互研究成果，标志着该领域逐渐形成了自己的理论体系和实践框架。

🦋1.2 人机交互在工业数字李生中的应用

随着世界各国智能制造技术的不断发展，制造业的信息化水平正在逐步提高。为了提升产品生产率，及时处理生产过程中的突发事件，制造业企业必须加强生产车间各模块的管理和控制措施，提高对生产过程的控制能力。

在数字化时代的背景下，制造业逐渐迎来了数字化技术的发展。消费者对产品的个性化需求日益上升，这使得企业在生产过程中面临庞大的数据需求和复杂的数据结构，进而导致管理和分析数据的难度加大。因此，如何有效、及时地反馈生产车间设备的使用状态并提供故障预警，成为当前智能制造行业的一大挑战。现代信息技术如大数据、人工智能、物联网和边缘计算的发展，正推动传统制造向智能制造的转型。智能制造的关键特点在于自主性和主动自我优化。

新兴的人机交互技术（如AR/VR）具备三维可视化效果，正加快与几何设计和仿真模拟的融合，有望持续提升数字孪生的应用效果。目前，“AR+CAD”、“AR+三维扫描建模”、“AR+仿真”等领域均已实现应用落地。工业数字孪生体能够感知大量来自物理实体的实时数据，借助各种人工智能算法，数字孪生体可以针对不同需求场景训练出模型，完成后续的诊断、预测和决策任务。即使在物理机理不明确、输入数据不完善的情况下，数字孪生体仍能够预测未来状态，具备“先知先觉”的能力。工业数字孪生技术通过建立现实世界与数字虚拟世界的联系，实现实时仿真、预测和优化，以提高工业生产效率和质量。虚拟现实技术的发展也为人机交互模式带来了全新的体验，进一步增强了工业数字孪生的可视化效果。

人机交互技术在工业数字孪生应用中的重要作用主要体现在以下几个方面：

1. 直观的可视化界面：人机交互技术通过虚拟现实和增强现实等手段，为工业从业人员提供了更直观的观察和操控数字孪生系统的方式。通过佩戴VR头盔，用户能够实时观察生产线的运行情况，并进行操作和调整，这种直观的界面使得工业从业人员能够更好地理解工业过程，快速做出决策。
2. 自然语言处理和语音识别：人机交互技术使工业从业人员能够通过语音与数字孪生系统进行互动，获取特定信息，如设备状态和生产数据。同时，数字孪生系统也可以通过语音合成技术反馈分析结果和建议，实现便捷的沟通与合作。
3. 手势识别和触摸交互：人机交互技术支持手势操作和触摸屏交互，使得工业从业人员能够灵活地调整参数、旋转模型或放大/缩小视图，简化了工业操作的复杂性，提高了工作效率。

总之，人机交互技术在工业数字孪生技术体系中发挥着至关重要的作用。工业数字孪生依靠数字化技术构建数字模型，利用物联网等技术将物理世界中的数据和信息转换为通用数据，并将AR、VR、MR、GIS等技术结合，再现数字世界中的物理实体。在此基础上，结合人工智能、大数据、云计算等技术，实现智能决策和常见应用，赋能智能制造行业。因此，人机交互技术是工业数字孪生生态系统的核心底层技术之一，其必要性主要体现在海量数据处理和系统自我优化上，使得工业数字孪生生态系统能够有序、智能地运行，成为该生态系统的“中心大脑”。

🦋1.3 什么是人机交互

☀️1.3.1 人机交互（HCI）概述

人机交互（HCI）是一个多学科的领域，专注于用户（人）与计算机之间的交互，以及计算机交互界面的设计。HCI领域的研究人员观察人类与计算机的交互方式，并设计出使人类能够以新颖方式与计算机进行交互的技术。系统可以是各种类型的机器，包括计算机化的系统和软件。人机交互界面通常指用户可见的部分，用户通过这些界面与系统进行交流和操作，范围从收音机的播放按键到飞机上的仪表板或发电厂的控制室。

☀️1.3.2 HCI的研究内容

人机交互技术研究人类在使用或不使用计算机时，系统和基础设施的运行方式。许多研究旨在通过提高计算机接口的可用性来改善人机交互。当前的争论包括：

• 如何准确理解可用性。
• 可用性与其他社会和文化价值之间的关系。
• 何时可用性不再是计算机界面的理想属性。

☀️1.3.3 HCI的目标

人机交互的目标是生产安全、可用的功能性系统。为了实现良好的可用性，研究者需要了解以下几点：

1. 决定人们使用技术的因素。
2. 开发工具和技术来构建合适的系统。
3. 实现高效、有效和安全的交互。
4. 将用户置于设计的首位，遵循用户中心设计思想（User-Centered Interaction Design）。

☀️1.3.4 HCI的组成部分

人机交互系统的主要组成包括：

• 多模态输入/输出：包括键盘、鼠标、文字、语音、手势、表情、注视等输入方式；多模态输出包括文字、图形、语音等交互信息。
• 视觉合成：使人机交互能够在仿真或虚拟环境中进行，模拟现实世界的交互。
• 知识处理：自动提取有组织的、可供人类使用的知识。
• 对话系统：主要有基于语音的和任务导向的对话管理系统。
• 智能接口代理：实现人与计算机交互的媒介。

☀️1.3.5 HCI的主要特点

1. 基于语音的交互：当前人机交互技术的主要表现形式，涉及信息输入输出、语音处理、语义分析和智能逻辑处理等。
2. 多媒体用户界面：引入视频和音频后，用户界面不再静态，而是时变的。
3. 信息呈现：时变媒体主要顺序呈现，而传统的视觉媒体（文本和图形）通常是同时呈现。

☀️1.3.6 HCI的关键技术

• 自然语音处理技术：包括中文分词、词性标注、实体识别等。
• 语义分析和理解：涉及知识表示和机器推理等技术。
• 知识构建与学习：包括数据挖掘和机器学习等。
• 语音技术：包括语音识别和声纹识别等。
• 整合通信技术：跨平台即时通信及移动客户端开发。
• 云计算技术：海量数据的分布式存储和分析。

☀️1.3.7 HCI的研究方向

人机交互领域的研究主要集中在以下几个方面：

1. 设计新计算机界面的方法，优化可学习性、可发现性和使用效率。
2. 通过软件库实现接口的方法。
3. 评估和比较接口的可用性及其他属性的方法。
4. 确定用户是人还是计算机的方法。
5. 人机使用的模型和理论，以及用于设计计算机接口的概念框架。

☀️1.3.8 研究人员的愿景

研究人员在HCI领域的愿景各不相同：

• 从认知主义角度，寻求将计算机接口与人类心理模型结合。
• 从后认知主义角度，寻求将计算机界面与社会实践或文化价值相结合。

HCI研究人员的兴趣包括开发设计方法、实验设备、原型软件和硬件系统，探索交互模式，以及开发交互模型和理论。

🔎2.技术体系

🦋2.1 人机交互技术的发展方向

人机交互技术主要有以下几个发展方向：

1. 触控交互
   • 技术方式：
     • 电阻式触控技术
     • 电容式触控技术
     • 红外触控技术
     • 表面声波触控技术
2. 声控交互
   • 语音识别：将音频数据转化为文本或其他可处理信息的技术。
   • 语音合成：将输入的文字信号经过韵律处理后，生成自然流利的语音输出。
3. 动作交互
   • 手势识别：
     • 静态手势（指姿态，单个手形）
     • 动态手势（指动作，由一系列姿态组成）
   • 姿势识别：常用算法包括：
     • 基于模板的身体姿势识别
     • 基于状态空间的身体姿势识别
     • 基于语义描述的身体姿势识别
4. 眼动交互
   • 利用AI技术提高眼动计算的精度与效率，理解人的感知与认知状态，构建智能人机交互框架。常用方式有：
     • 驻留时间触发
     • 平滑追随运动
     • 眨眼和眼势
5. 虚拟现实输入
   • 开发多种适用于虚拟现实的文本输入技术，包括：
     • 实体键盘技术
     • 虚拟键盘技术
     • 新型输入技术（手部输入、圆形键盘输入、立体输入）
6. 多模态交互
   • 不同输入形式的组合（例如语音、手势、触摸、凝视等），旨在为用户提供多种交互选择，支持自然的用户交互。
7. 信息无障碍中的智能交互技术
   • 信息无障碍（Information Accessibility）旨在通过信息技术弥补残障人士在生理和认知能力上的不足，使其能够顺畅地与他人、物理世界及信息设备进行交互。

新兴技术的影响

虚拟现实技术的发展为人机交互带来了全新的模式，提升了可视化效果。传统的平面人机交互技术虽然在不断改进，但主要停留在平面可视化。新兴的AR/VR技术提供三维可视化效果，加速与几何设计和仿真模拟的融合，使数字空间的交互更接近物理实体。

例如，西门子推出的Solid Edge 2020产品新增增强现实功能，能够基于OBJ格式快速导入AR系统，提升3D设计的视觉效果。同时，将COMO SWalkinside 3D虚拟现实与SIMIT系统的仿真软件紧密集成，缩短工厂工程调试时间，实现工业数字化的沉浸式应用。

🦋2.2 人机交互技术体系

☀️2.2.1 人机交互技术概述

人机交互技术是一种综合性技术，涵盖自然语言处理、手势识别、虚拟现实等多种技术手段，旨在提升计算机与人类之间的互动体验，使其更加人性化、高效和易用。

☀️2.2.2 虚拟现实技术

虚拟现实（VR）是工业数字孪生的重要推动力，定义为一种需要用户完全沉浸在虚拟环境中的计算机应用。用户通过触觉、声音和视觉等多种感官，体验到高度的现实感，不受地理和物理环境的限制。虚拟现实技术通过计算机生成模拟环境，使用户能够体验到真实生活中的数据转化为电子信号的现象。

VR的特征

1. 多感知性 (Multi-Sensory): 除了视觉感知外，还包括听觉、触觉、力觉等多重感知，理想的VR应具备人类的全部感知功能。
2. 沉浸感 (Immersion): 用户在虚拟环境中的真实感，难以分辨真假，仿佛身临其境。
3. 交互性 (Interactivity): 用户能直接操作虚拟物体并获得实时反馈，增强互动体验。
4. 构想性 (Imagination): VR技术应具备广阔的想象空间，能够再现真实或构建虚拟环境。

☀️2.2.3 增强现实技术

增强现实（AR）是将虚拟信息与真实环境融合，通过计算机技术在显示器、投影仪或可穿戴设备上呈现给用户，提升用户的感知和信息交流能力。

AR的特征

1. 信息双向利用: 真实世界和虚拟世界的信息均可被利用。
2. 实时交互: 实现虚拟和现实场景的实时互动。
3. 三维虚拟信息: 虚拟信息以三维形式展现在现实世界中。

☀️2.2.4 混合现实技术

混合现实（MR）是虚拟现实和增强现实的结合，通过引入现实场景的信息，搭建虚拟世界、现实世界与用户间的交互反馈环路，增强用户体验的真实感。

MR的特征

1. 空间扫描与定位: MR具有将虚拟对象精准定位于真实空间的能力。
2. 虚实融合: 在物理世界中放置数字对象（如全息影像），使其看似真实存在。
3. 异步协作: 个人的数字形象可以在不同时间点与他人协作。
4. 物理边界数字化: 在虚拟现实中，物理障碍物以数字形式出现在体验中，帮助用户避开。

🔎3.总结

随着AR、VR等人机交互界面的快速发展，考虑到经济效益、执行实务性和总体环境趋势，短期和中期内元宇宙在工业应用方面的推动将主要集中于以下几个领域：

1. 人员培训：利用虚拟和增强现实技术，提高培训的沉浸感和互动性，使得学习过程更加高效。
2. 远程维修：通过数字孪生技术，工程师能够实时与设备进行互动，提供精准的维修指导，降低停机时间。
3. 能源监控：实现对能源使用情况的实时监控，优化能源管理，提高效率。
4. 预测性维护：通过数据分析和AI算法预测设备故障，提升维护的时效性和有效性。

工业数字孪生的实现依赖于高效的人机交互技术，使得工程师和操作人员能够与虚拟模型进行无缝互动。借助直观的图形界面、手势识别和触摸屏等技术，用户可以方便地操作和控制数字孪生系统，并实时查看和修改虚拟模型的参数和状态。

将人机交互技术与人工智能（AI）、物联网（IoT）等先进技术相结合，可以进一步提升系统的智能化水平。AI算法能够对大量模拟数据进行分析，从中提取规律并优化方案，而IoT技术则通过连接实际设备与数字孪生系统，实现实时数据的采集和监测。

🦋3.1 虚拟实体与数字孪生

虚拟实体是物理实体在数字空间中的真实、客观和完整的映射，承载着工业孪生的数据。基于数字孪生的智能系统构建了高度拟真的虚拟模型，提供海量逼真的虚拟场景、模型和数据来源，并定义了智能系统的新范式及应用。VR、AR、MR技术结合三维注册技术和虚实融合显示技术，以全新、超现实的可视化形式呈现信息。

🦋3.2 多模态人机交互

未来的人机交互模式将是多模态的，围绕“多模态”的研究将融合面部识别、手势动作识别和手语识别，以提高手语识别的精度。同时，多模态手段使机器人能够感知人类的状态，提升人机协作的效率。

VR、AR、MR技术为用户提供了视觉、听觉和触觉等多感官的沉浸式体验，使用户能够及时、准确、全面地获取目标系统的基本原理、构造、运转情况和变化趋势等信息，促进更好的系统决策，从而以启发式方式改善系统性能，激发创造灵感，推动应用向智能化、个性化、快速化和灵活化发展。

🦋3.3 总结

人机交互作为工业数字孪生的引领技术，已被广泛认可。尽管多种自然交互技术和新型交互终端不断涌现，图形用户界面仍是主导模式。在新兴技术不断演进和ChatGPT持续更新的背景下，人机交互的研究与开发仍有很大的提升空间。自然高效的交互将是未来的发展趋势，因此需要综合探索自然交互技术的科学原理，设定明确的优化目标，并结合智能技术发展高效可用的自然交互技术。