《工业5.0的使能技术》

摘要

欧洲正在向碳中和和数字领导力过渡。绿色和数字化的双重转型以及在全球舞台上的竞争力需求将要求我们的工业进行改变，只有转型才能使欧洲保持可持续性和竞争性。这一转变的成功需要公众接受、信任和反馈，工业现代化的战略必须把人和社会的需求放在中心。

一个创新、有弹性、以社会为中心的和有竞争力的尊重地球的有限资源并最大限度地减少工业对环境的负面影响的愿景，被称为工业5.0。它带来了与技术、社会经济、法规治理有关的许多新挑战。

在此背景下，2020年7月2日和9日，来自欧洲各地研究和技术组织和供资机构的与会者在两个虚拟研讨会上讨论了工业5.0的概念。会议的目的是获得关于总体概念的反馈，并讨论支持技术和可能遇到的挑战。虽然与会者对这一概念的名称进行了辩论，但与会者一致认为，必须将社会和环境需要更好地纳入技术发展。此外，与会者一致认为，挑战的复杂性不可能由个别技术来解决，而需要一种系统的方法。

与工业5.0概念有关的技术：

① 以人为本的解决方案和人机交互，将人和机器的优势相互连接并结合在一起。

② 仿生和智能材料，使材料具有嵌入式传感器并增强可回收利用功能。

③ 基于实时的数字孪生和模拟的系统对整个系统建模。

④ 能够处理数据和系统互操作性的网络安全数据传输、存储和分析技术。

⑤ 人工智能，例如检测复杂动态系统中的因果关系，从而产生可操作的智能。

⑥ 上述技术将需要大量的能源，这依赖于高效能源和可信赖自治技术。

对于系统方法，必须考虑可以通过各自的推动因素解决挑战：

① 在社会方面，必须将以人为中心的方法发展为以社会为中心的方法，处理当代挑战和各种不同的需要，同时纳入社会的参与，以增加信任感和接受程度。

② 转型的速度之快需要政府和政治层面的措施。这包括“敏捷政府”方法，他们需要理解复杂的、相互关联的工业生态系统和劳动力市场系统。

③ 跨学科交叉（如生命科学、工程学、社会科学和人文科学）的要求是复杂的，必须用系统的方法来理解。

④ 在经济方面，必须找到维持经济利润和竞争力的解决办法以及所需的资金，例如通过发展重视生态和社会方面的各自商业模式。

⑤ 可扩展性，在确保整个价值链和生态系统，包括中小企业大规模实施的科技感。

一、导语

（一）工业5.0的概念

工业是欧洲经济的最大贡献者，为整个欧洲大陆提供了就业和繁荣。欧洲工业强大，但不断面临各种挑战。它具有很强的竞争力，但在一个日益复杂的全球化经济中运作。欧洲是一个稳定的出口国，但面临着快速变化的政治环境。工业效率高、成本效益高，但在漫长的供应和分销链中容易出现问题。在2008年至2018年期间，工业一直占欧盟GDP的20%，更具体地说，制造业为欧盟经济提供了约14.5%的增长率。

为了让工业继续为欧洲带来繁荣，工业5.0需要适应以应对这些不断变化的挑战，这只有通过持续不断的创新才有可能。欧洲工业可以进一步提高其在价值链不同地方的效率，增加其生产系统的灵活性、敏捷性和精简性，以迎合全球消费者迅速变化的需求，并继续成为全球质量的参考。

第四次工业革命的理念是通过信息物理系统将物理世界和虚拟世界融合起来，通过物联网将人、机器和设备互联起来。这种横跨实现了整个价值链横向和纵向的互联，从客户到供应商，横跨整个产品生命周期，横跨不同职能部门，形成了新的价值网络和生态系统。增值的创造可以更有效率、更个性化、更高质量、以服务为导向、更可追踪、更有弹性和更灵活。同时将以不同的方式连接到生产，从而形成一个覆盖整个生命周期的集成链。工业5.0将在经济、生态和社会三方面产生效益，而这是可持续发展的三重底线。

第四次工业革命围绕通用技术，在第一次工业革命中通过水力和蒸汽动力实现机械化，在第二次工业革命中实现电气化，分工和批量生产，在第三次工业革命中实现IT，电子和自动化技术。工业4.0重点关注网络物理系统和物联网，以及在提及该概念时提到的其他技术。取而代之的是，工业5.0应该以支持和培育与社会和生态相关的价值观为基础。

来自欧洲各地的研究和技术组织的代表举办了两个虚拟研讨会，讨论工业5.0的概念，其初步定义是：工业5.0通过使生产尊重地球的资源限制并将工业工人的福利置于生产过程的中心，认识到工业在实现就业和增长以外的社会目标方面的力量，从而成为繁荣的促进者。

（二）工业5.0术语与概念评析

与会者的讨论是从怀疑该术语的适用性和工业5.0的概念开始的。

首先，如果工业5.0涵盖了与工业4.0相关的技术，那么在将与第四次工业革命相关的结果或发展说成是第五次工业革命时，可能会导致潜在的混淆。前几次工业革命的发展需要几十年才能展开，而工业4.0是在2011年首次被描述出来的。工业4.0作为一个概念已经被描述为相当营销驱动的，所以在如此短的时间之后再次使用这个术语可能会扩大这种看法。例如，在生物转化或量子技术领域真正由技术驱动的发展将是一场单独的工业革命，这就提出了这样一个问题，即这是否会以社会和生态价值为中心。

第二，围绕社会和生态价值而不是围绕技术创建工业5.0的概念，扰乱整个工业革命的概念，可能会导致误解。这可能会把发展从技术能力的角度转向政治的角度。价值观的概念，更重要的是，对于哪些价值观被认为是重要的以及如何理解这些价值观，在世界各地有几种不同的看法。

第三，工业5.0的很多思想和理念，在工业4.0中已经可以找到。例如，在其最初的概念中，工业4.0围绕着人类、社会和生态的价值观。此外，高度个性化的产品（作为大规模定制的口头禅常被称为“批量生产”）是工业4.0的一个中心特征。自从引入这一术语以来，一些技术被贴上了“工业4.0”的标签，而没有提及经济利益之外的更广泛目的。然而，允许人机交互的技术，如增强和虚拟现实以及协作机器人技术，是工业4.0概念的一部分，一直被应用于各大洲和并不断创造价值。

第四，特别相关地，工业4.0在很大程度上仍在扩展。尤其是中小企业、工艺制造商，或者传统行业，距离工业4.0技术的大范围实施还很远。此外，虽然可以在孤立的解决方案中看到几种技术，但工业4.0所要实现的是整个供应链的全面横向和纵向一体化，在大多数工业价值链中仍远未实现。因此，工业5.0的命名可能表明一套比工业4.0更新的技术，但工业4.0的一些想法甚至比工业5.0的建议更远。

总而言之，工业4.0的几个理念似乎在一个新的术语下重新焕发了活力。工业5.0的概念也可以被描述为重新引入“以人为中心/以价值为中心的工业4.0”这一失去的层面,或者正如一位与会者所称的“工业4.1”。然而，在两次讨论结束时，大家达成了一个明确的共识，即有必要在工业4.0的概念中增加一个价值层面。

会者一致认为，不应将工业5.0理解为对现有工业4.0范式的替代或替代，而是一种演变和合乎逻辑的延续。因此，工业5.0的概念不是以技术为基础的，而是以价值为中心的，例如以人为中心、生态或社会效益。这种范式转变的基础是这样一种观念：技术可以朝着支持价值的方向发展，而技术变革可以根据社会需要进行设计，反之亦然。这一点尤其重要，因为第四次工业革命中正在进行的社会发展改变了价值创造、交换和分配的方式。此外，工业5.0中的技术必须被视为是为增强社会和生态价值而积极设计的系统的一部分，而不是决定社会发展的技术。例如，所使用的技术的主要重点不应是取代车间的工人，而是支持工人的能力，并导致更安全和更令人满意的工作环境。工业5.0的核心技术与工业4.0基本一致，而更加注重以人为中心的技术是工业5.0的基础。这个术语还与日本的社会5.0概念联系在一起，描述了工业4.0技术之后或伴随着工业4.0技术的社会发展。工业5.0补充并扩展了工业4.0的标志性功能。其关键层面是纳入一套更广泛的价值观，特别是将以人为中心的观点扩展到以社会为中心的观点。这也增加了治理的复杂性和要求，如第3节进一步解释的那样。

此次讨论特别强调了工业5.0的以下特点：将人与技术技能和力量结合起来，使工业和工业工人互惠互利，而不是技术取代人，而是对人的补充。这使得工作环境更安全、更令人满意、更符合人体工程学，在这种环境中，人们可以利用自己的创造力解决问题，接受新的角色，并提高自己的技能。工业5.0背后的核心思想是基于技术如何支持人类价值和需求的伦理理论来选择技术，而不仅仅是基于它们从纯技术或经济角度所能实现的目标。诸如人机接口、人脑能力与人工智能的融合或与机器人和机器的协作等技术被用于产生产品和服务。这些产品和服务可以进一步根据客户需求定制，减少环境影响，并允许闭环、能源自给自足、排放中性或循环经济等概念。

虽然工业5.0概念的开发是在Covid-19之前开始的，但可以认为这是一个典型的挑战，它凸显了需要考虑或重新考虑一些概念，例如本地产生附加值和重新分配，更加关注弹性，优化，退货和引进等。主权能力的概念与精益原则和生产力驱动的理论形成对比。政策在重新分配中起着至关重要的作用；它必须创造诱人的框架条件，以刺激公司在欧洲开展业务。创新和价值创造必须面向需求和需求，要求组织和社会变革朝着融合学科，思维定势，领导能力和决策以及远离组织孤岛，推进诸如共享经济之类的概念发展。此外，对技术的信任，必须通过鼓励客户对其使用的技术和产品做出明智的决定，来增强网络安全和数据保护。此外，个人对新技术的信任程度随着操作能力的提高而增加，因此需要在整个供应链中进行大量的培训和技能提升。最后，将目前占主导地位的技术确定性理论发展为基于联合价值的人的确定性理论，是迈向工业5.0概念的第一步。

二、支持技术

工业5.0的实现必须依靠一套复杂的系统，将智能材料与嵌入式生物传感器相结合。因此，以下每一个类别只有与其他类别结合起来，作为系统和技术框架的一部分，才能发挥其潜力。

（一）个性化人机交互

把人和技术联系起来即：把人的创新和机器的能力结合起来。以下技术支持人类完成物理和认知任务：

① 多语种语音手势识别与人类意图预测

② 员工身心紧张和压力的跟踪技术

③ 机器人技术：协作机器人('cobots')，它与人类一起工作并帮助人类

④ 增强、虚拟或混合现实技术，特别是用于培训和包容性的技术

⑤ 增强人的身体能力：外骨骼、仿生工作装置和安全设备

⑥ 增强人类的认知能力：将人工智能和人脑的优势相匹配的技术（例如，将创造力与分析技能相结合）、决策支持系统

（二）生物仿生技术与智能材料

源自生物转化概念的生物仿生技术和工艺可与以下特性相结合：

① 自愈或自修复

② 轻量化

③ 可回收

④ 从废物中产生原料

④ 生活资料一体化

⑥ 嵌入式传感器技术与生物传感器

⑦ 适应性/响应性人体工程学和表面特性

⑧ 具有内在可追溯性的材料

（三）数字孪生与仿真

数字孪生和模拟技术优化生产、测试产品和过程并检测可能的有害影响，例如：

① 产品和过程的数字化孪生体

② 产品和过程的虚拟模拟和测试（例如，以人为中心、工作和操作安全）

③ 多尺度动态建模与仿真

④ 环境和社会影响的模拟和测量

⑤ 信息物理系统与整个系统的数字孪生

⑥ 计划维护

（四）数据传输、存储和分析技术

需要节能和安全的数据传输、存储和分析技术，其特性如下：

① 网络化传感器

② 数据和系统互操作性

③ 可扩展、多层次的网络安全

④ 网络安全/安全云IT基础设施

⑤ 大数据管理

⑥ 可追溯性（例如，数据来源和规范的实现）

⑦ 学习过程的数据处理

⑧ 边缘计算

（五）人工智能

人工智能，如今仍然经常指的是先进的相关分析技术，必须在几个方面进一步发展：

① 基于因果关系而不仅仅是基于相关性的人工智能

② 显示关联之外的关系和网络效应

③ 在没有人力支持的情况下对新的或意外的情况作出反应的能力

④ 群体智能

⑤ 脑-机接口

⑥ 以个人为中心的人工智能

⑦ 知情深度学习（专家知识结合人工智能）

⑧ 人与任务的技能匹配

⑨ 安全高效的人工智能

⑩ 在一个系统的系统中处理和发现不同来源和尺度的动态系统中复杂的、相互关联的数据之间的相关性的能力。

（六）能源效率、可再生能源、储存和自主技术

由于所提到的大多数技术需要大量的能源来运行，因此需要以下技术和特性来实现排放中和：

① 可再生能源一体化

② 支持Power-to-X技术

③ 智能尘埃和能量自主传感器

④ 低能耗数据传输与数据分析

本文译自《Enabling Technologies for Industry 5.0 Results of a workshop with Europe’s technology leaders》