|
摘要：工業4.0誕生以來，強化了數字化、數據驅動和互聯的工業所帶來的高度變革性影響。但是工業4.0沒有強調工業在全球范圍內為人類提供長期服務的重要性，也沒有很好解決如何利用技術創新來促進工業與社會之間的協作和“雙贏”互動等問題。工業5.0系統地提出將勞動者作為工業生產的核心，從而實現就業和增長之外的社會目標，穩健地提供繁榮。但是，工業5.0作為對工業未來發展的再思考，目前其研究尚處于探索階段，研究成果相對較少且缺乏系統性。首先回顧工業5.0的產生背景，分析工業5.0與工業4.0的區別，總結工業5.0以人為中心、可持續性、韌性和智慧性等四個主要特征。 在此基礎上對工業5.0的內涵進行系統闡述，并探討工業5.0與社會5.0概念的關系。建立工業5.0的三維體系架構，給出工業5.0的使能技術體系和工業5.0的實現路徑，指出工業4.0使得數據成為企業生產要素組成部分中非常重要的一環，促進了數字經濟的快速發展，而工業5.0將推動知識成為企業生產要素的重要組成部分并發揮重要作用，并推動知識經濟快速發展。 關鍵詞：工業5.0；工業4.0；社會5.0；智能制造；人-信息-物理系統；以人為中心；知識驅動；韌性 中圖分類號：TG156 0 前沿 工業是國民經濟的主導和支柱產業，能夠提供眾多的就業崗位并促進社會繁榮。從18世紀60年代開始至今，人類在200多年的時間里經歷了多次工業革命。第一次工業革命源于以水和蒸汽為動力的機械生產設備的發明與應用，使得工業勞動者從大量的體力勞動中得到了一定程度的解放，生產力得到了巨大提升；第二次工業革命則是源于以電為動力、基于勞動分工和流水線的大規模生產的實現，生產力和生產效率都得到大幅提升，勞動者的技能趨于專業化；第三次工業革命的顯著特征則是電子技術和信息技術驅動的管理決策信息化和更高程度的設備自動化，工業勞動者大量的體力勞動和少量的腦力勞動被機器和軟件所替代，生產效率、管理能力、產品質量大幅提升，工業數據存儲形式開始由紙質文件轉為計算機存儲并由信息化系統進行管理。進入21世紀，隨著物聯網、云計算、大數據、移動互聯網、人工智能等新一代信息技術的快速發展，德國在2011年提出了“工業4.0”的概念，因其強化了信息技術的進步以及數字化、數據驅動和互聯的工業所帶來的高度變革性影響，被認為是第四次工業革命。 工業4.0的內涵是利用信息物理系統(Cyber-physical systems，CPS)，將生產中的供應、制造和銷售等信息數據化，最后達到快速、有效、個性化的產品供應；其本質是通過充分利用CPS，將制造業推向數字化和智能化的轉型。顯然，工業4.0是以數字世界與物理世界的深度融合為主要特征。工業4.0一經提出，不僅為歐洲工業的創新、技術發展和數字化轉型提供了正確的指導原則，也受到了世界主要經濟體的認可。 工業4.0提出后，目前許多制造公司正在融入和實現工業4.0的過程當中。雖然目前大部分企業并沒有完全實現工業4.0，但是工業4.0對整個價值鏈的不同領域已經產生了巨大影響，如基于CPS的自治系統的出現，包括嵌入了智能組件并具備自感知、自分析、自診斷、自決策、自執行和自適應能力的智能裝備、智能產線、智能工廠等，能夠大大提高生產效率、提升產品質量、降低研發成本等，并為真正實現大規模定制生產提供支撐。 但是，注重系統自治的工業4.0也帶來了一系列問題，如人的智能應該處于什么樣的角色，人被機器替代后的就業問題該如何解決。實際上，從工業生產過程的安全性、保密性、專業性、領域性、巨大不確定性、社會性和綠色清潔等方面考慮，人的智能依然扮演了極其重要的角色。同時，工業在促進經濟繁榮的同時不能把工業勞動者排除在就業崗位之外，否則可能會產生許多的社會問題；也不應該對環境造成極大的污染和破壞，這樣會影響工業勞動者的健康和人類的生存環境。因此，許多企業的決策層、技術專家、政策的制定者開始了對工業5.0的討論，擬系統地解決人和環境在工業生產過程中的地位問題。此外，隨著2020年全球疫情的爆發給世界各國經濟發展和產業鏈、供應鏈帶來的巨大沖擊，國家乃至全球工業體系應對未知風險的能力也成為一個不可忽視的議題，這也在一定程度上推動了世界主要發達經濟體對未來工業發展的一個再思考，即工業5.0：以人為中心、知識驅動的智慧化時代。如圖1給出了從工業1.0到5.0的工業革命發展歷程，其復雜性不斷提升。 圖1 從工業1.0到工業5.0的工業革命發展歷程 1 工業5.0的起源與發展 隨著新一代信息技術的飛速發展以及與工業的深度融合，基于當前全球氣候變暖、環境污染加重、資源能源持續消耗和工業競爭壓力不斷增大等諸多挑戰，在歐洲開始提出工業5.0的概念，并以此描述工業發展的遠景目標，且將其作為人類追求社會繁榮穩定所需要的解決方案。他們認為工業5.0是以一種可持續的方式來提高生產力，同時不應將工業勞動者移出制造業領域。比如ATWELL[1]認為可以將單調的、重復的任務留給機器，將創造性的工作向人類開放。這樣不僅可以令工作人員承擔更多的責任，而且也會加強對工業系統的監督，從而全面提升生產質量。這類觀點主要是從宏觀層面對工業5.0提出自己的見解，并認為之前的工業革命要么以犧牲環境和消耗大量資源能源為代價來追求經濟增長，不具備可持續性；要么存在大量工業勞動者的就業機會被機器所取代的問題，不符合“為人民服務的經濟”理念。另外，PASCHEK等[2]通過采訪一些專家和企業代表，分析和評價了工業5.0對商業的潛在影響；并指出很多企業都在實現工業4.0的過程中，并沒有意識到工業5.0的到來以及工業5.0將給工業和商業帶來的巨大價值，因此呼吁企業需要著手準備。他們也指出工業5.0強調從大規模自動化到增強工業勞動者能力和通過產品定制實現個性化的一個轉變，是工業發展的下一個層次。 從技術角度，學者們對工業5.0的研究主要集中在人與機器的深度協作，由此產生了人在回路里和人在回路上兩類主要的智能系統。一方面，人在回路里是指在整個系統中，機器為一個特定的命令執行一個任務，然后在繼續之前停止并等待人的下一個命令。人在回路上的系統是一個能夠獨立、完整執行任務的自治系統，而人的角色是可以提供系統無法獲得的專業知識，并可以對系統不知道或者意識不到的問題做出響應[3-4]。自治系統并不意味著將人排除在外，而是通過人機協作達到關鍵的性能指標[5]。當前研究較多的工業自治系統是能夠和人安全可靠協作的智能機器人，也被稱為合作機器人。RICHERT等[6]認為這類機器人不僅能夠和人實現物理層面的交互，還能夠彼此分享知識和互相學習。NAHAVANDI等[7]認為工業5.0將是一個以人為中心的解決方案，合作機器人將是其中一個重要的組成部分，并給出了一個基于合作機器人的典型應用場景。在該應用場景中，合作機器人不僅可以通過相機等視覺手段感知到人的位置和狀態，還可以通過觀看和學習人的操作來預測和明白人的意圖；并在人進行手工操作的時候，把其執行下一步操作所需要的物品提前準備好。另外，也有許多文獻并沒有把對人機協作的研究直接歸到工業5.0，而是在工業4.0背景下的進一步深入。比如，ZHOU等[8]提出的新一代智能制造是以人-信息-物理系統(Human-cyber-physical system，HCPS)為核心，而不僅僅是信息-物理系統CPS；并指出新一代智能制造系統突出了人在制造系統的中心地位，是統籌協調“人”、“信息系統”和“物理系統”的綜合集成大系統。同時，新一代智能制造系統將使人類從更多體力勞動和大量腦力勞動中解放出來，使得人類可以從事更有意義的創造性工作，不僅將使制造業的質量和效率躍升到新的水平，而且人類社會開始真正進入“智能時代”[9]。顯然這已經超出了工業4.0原有的定義范疇，并與工業5.0以人為中心的理念不謀而合。NGOC等[10]綜述和分析了工業4.0背景下以人為中心的設計案例，在此基礎上給出了其未來的發展機會和潛在研究點，包括體驗驅動的人機協同可視化智能系統設計、考慮人的文化程度和背景的人機協作系統設計等。 除了人在工業系統中的角色定位問題，從第二次工業革命開始，巨大的環境污染和資源能源消耗問題就一直困擾著工業的發展，全球性的氣候變暖、水資源的污染、局部地區的大氣污染、不可再生能源的大量消耗等議題備受關注。盡管這些問題在很長一段時間內沒有受到政府、工業企業和學術界的關注，但是在最近幾十年，許多學者開始從地球環境的可持續性對工業系統進行研究，并從減少工業過程資源消耗、降低生產過程能耗、實現清潔低碳制造等角度對綠色制造[11-12]和綠色調度[13]、再制 造[14-15]和可持續制造[16-17]等方向開展了大量研究。另外，一些國際性的組織包括聯合國和世界貿易組織也在積極推動各國政府出臺相應的政策來保護地球環境。盡管如此，工業4.0并沒有過多強調工業生產過程中的環境保護和可持續發展問題，只是從如何利用工業維持經濟繁榮的角度考慮了生產效率提升、商業模式改變、企業通過數字化智能化轉型升級實現價值創造等議題。 基于已有研究和工業4.0在應對一些社會共性問題存在的不足，在政府層面，歐盟委員會研究與創新總局在工業4.0基礎上提出了工業5.0的概念，在2020年組織了兩次針對工業5.0的研討會，并在2020年9月發布了報告《工業5.0的使能技術》[18]，在2021年1月正式發布了首個工業5.0白皮書《工業5.0：邁向可持續、以人為中心且富有韌性的歐洲工業》[19]。他們認為工業4.0誕生10年以來，更加注重提高企業生產效率以及靈活的數字化、人工智能驅動技術，卻沒有注重歐洲原有的社會公平價值觀和可持續發展原則。同時，他們認為工業4.0更偏向于一種技術經濟遠景，即描述了工業將如何利用非工業環境下的、更普遍的技術進步來更好地應對動態變化的世界和經濟。然而，工業變革的浪潮會產生漣漪效益，其不僅會提高工廠車間的生產力、改變固有的生產關系和生產模式，更會對社會產生變革性的影響，比如對地球環境、對工業勞動者、對社會穩定、甚至對人類的生存發展產生影響。此外，突發的新冠疫情給全球的供應鏈和產業鏈帶來了巨大沖擊，引發了各國對現有工業體系及其運作模式的重新思考。因此，為了給歐洲工業的未來發展和社會繁榮提供一個連貫的愿景，歐盟委員會認為需要對當前的工業4.0模式進行補充和擴展，需要將以人為中心、可持續發展和富有韌性等理念融入到歐洲工業的發展過程當中，并稱之為“工業5.0”。在白皮書中，歐盟給出了工業5.0的定義：工業5.0認識到工業的力量，通過使生產尊重地球的邊界，將工業勞動者的利益置于生產過程的核心，從而實現就業和增長之外的社會目標，穩健地提供繁榮。 除此之外，在價值創造方面，數據驅動的智能制造是工業4.0的重要特征之一，如何充分利用所獲取的工業大數據是工業4.0需要解決的瓶頸難題之一[20]。同時，工業4.0主要是通過數據的自動流動來提升產品研發、生產和服務的效率，其支撐是基于工業互聯網的工業要素互聯和業務互聯。但是，數據積累并不能產生價值，只有將數據變為信息和知識、進而輔助人機進行決策和優化才能產生價值。因此，隨著數據的不斷積累，更多的隱性知識不斷被顯性化，工業知識也不斷積累。如何充分利用知識推動制造業創新發展和價值創造將是未來工業發展的重要方向之一，而如何實現工業知識的傳遞、分享、協同、聚類，如何構建工業知識網絡和知識服務體系等將是需要解決的難題。同時，工業系統中的人、機、物之間不僅有數據和信息層面的交互，也將有知識和智能層面的互動，比如知識分享、知識交互、知識協同、知識融合和知識學習等，這將使產品的研發、生產和服務效率躍升到一個新的臺階，也必將催生出以智慧工業為目標的新應用、新服務和新模式，比如社會化大規模定制[21]、個性化的自主制造等。 總體而言，工業5.0與已有的四次工業革命在理念上有不同程度的提升，并主要具有以下四個方面的特征，如圖2所示，具體包括以人為中心、可持續性、韌性和智慧性。需要說明的是，歐盟發布的首個工業5.0白皮書[19]中提到工業5.0具有以人為中心、可持續性、韌性三個特征。本文新增了一個特征：智慧性。 圖 2 工業 5.0 的四個主要特征 (1) 以人為中心：關注社會問題，回歸以人為中心的價值定位。顯然，工業的存在不僅是要促進經濟增長，更是要服務于社會的每個獨立個體。以往的工業革命主要是通過機械化和自動化的設備、人工智能系統、工業軟件等替代人類繁重的體力勞動、危險的生產活動或部分的腦力勞動，從而提高生產效率、生產安全性和產品質量一致性等，并解放人類做一些更具創新性的工作。但是更高程度的自動化技術以及以人工智能、物聯網、云計算、大數據、移動互聯等為代表的新一代信息技術的出現，也帶來了許多的社會問題甚至是倫理問題，比如人工智能系統是否將逐漸取代人類甚至超過人類？人類的主導地位是否會被機器完全取代？是否會有更多人會因此失業？這是自動化、數字化、網絡化、智能化程度日益發達的工業4.0時代需要思考的問題。工業5.0概念的提出則給這些問題提供了清晰的答案，就是要回歸以人為中心的價值定位。不僅要確立人在生產制造過程和工業系統中的主導和決策地位，也要關注人的安全、舒適、就業、培訓、技能提升等問題。 (2) 可持續性：關注環境和能源問題，注重工業發展可持續。以往的工業革命更加注重生產力的提升和生產模式的改變對社會經濟的巨大推動作用，研究范圍往往局限在工廠和車間，對工業可持續發展的研究不夠。比如第一次工業革命推動了手工作業向機械作業的轉變，第二次工業革命推動了大規模生產，第三次工業革命推動了更高程度的自動化，第四次工業革命推動了工業互聯和大規模定制化生產。前三次工業革命均是通過工廠和車間內部生產力的提升和生產模式的改變來推動生產效率的大幅提升，從而實現規模經濟，推動經濟增長。新一代信息技術驅動的工業4.0除了關注企業內部的縱向集成，也關注供應鏈上下游企業間的橫向集成以及面向產品全生命周期的端到端集成，其關注點仍然是通過推動企業的數字化和智能化轉型，實現工廠或車間生產效率和產品質量的提升。隨著歐洲《綠色新政》的提出，以及非可再生能源的逐步減少和全球變暖導致極端天氣現象頻發等情況，考慮環境和能源的可持續制造和綠色制造成為工業發展過程中必須重視的一個維度。回顧200多年的工業發展史，世界各國在工業化的初期多數是以破壞環境和消耗大量資源能源為代價；但是在工業化基本完成之后，環境友好、清潔低碳、資源能源的合理利用是工業可持續發展過程中必須要考慮的因素。因此，除了歐洲，中國也提出了“碳達峰碳中和”的遠景目標和計劃。所有這些都說明了工業的發展必須平衡好地球環境的邊界。 (3) 韌性：關注工業系統的抗風險能力，以應對類似新冠疫情等全球性突發事件。當前的工業4.0時代是萬物互聯的時代，企業內互聯、企業間互聯、供應鏈互聯、產業鏈互聯、人-機-物-環互聯給企業應對各種不確定性，從而提高企業生產效率和市場競爭力提供了可能。但是在新冠疫情出現之前，世界各國對于工業的韌性卻很少關注。在這個背景下，工業5.0不僅關注企業自身應對外在不確定性因素的能力，比如市場、供應鏈、客戶的不確定性，而且開始關注更大范圍的工業體系的韌性，比如行業、整個產業鏈、乃至一個國家或者地區的工業體系面對未知風險的抵抗能力，以應對大范圍甚至是全球性的突發事件，或者是其他國家的技術封鎖等。值得注意的是，國家也在加強相關工作布局，比如2021年7月中央政治局會議提出，要強化產業鏈供應鏈韌性；國家主席習近平在北京以視頻方式出席二十國集團領導人第十六次峰會第一階段會議時指出，要維護產業鏈供應鏈安全穩定，暢通世界經濟運行脈絡，并倡議舉辦產業鏈供應鏈韌性與穩定國際論壇。 (4) 智慧性：關注工業知識的賦能作用，推動智慧工業建設和知識經濟發展。工業4.0重點實現三大集成，即企業內集成、企業間集成、產品全生命周期價值鏈端到端集成。具體包括人、機、物等生產要素的互聯、企業內和企業間的業務互聯，以及產業鏈和價值鏈的互聯，其主要是數據和信息層面的集成與交互。隨著大數據智能、人機混合智能、跨媒體智能等新一代人工智能技術的加速發展和戰略性突破，基于知識流的智慧工業將成為未來工業發展的制高點。因此，如何在數據和信息集成的基礎上深度融合新一代人工智能和知識工程技術，從而實現知識的流動、互聯與協同，進而支撐智慧工業建設和推動知識經濟發展將是未來工業的發展方向，也必將引發百年來工業新業態、新模式、新服務、新應用的重大變革。 因此，相比于工業4.0，工業5.0在理念上有巨大轉變，并對工業發展需要考慮的維度進行了擴充，除了經濟增長，還應包括環境、能源、資源、就業、價值觀等社會其它方面。當然，歐盟提出工業5.0有它自身的需要，包括如何在《地平線歐洲》的基礎上制定更加符合當前《歐洲綠色新政》和“為人民服務的經濟”理念的工業發展路徑，如何應對疫情和加劇的工業市場競爭帶來的挑戰等。由于理念的提升與差異，在使能技術層面，工業5.0與工業4.0相比也會存在一定的差異，同時也帶動一些新興技術的發展。當然，由于工業5.0和工業4.0概念提出的時間間隔很短，有些技術兩者是共用的，甚至有些技術在工業4.0提出前就有了一定的研究，比如綠色制造、可持續制造等。需要指出的是，新理念的提出也會對已有技術的發展指明新的方向，所以從這個角度出發，工業5.0的提出也是非常必要和及時的。 2 工業5.0的內涵 從當前工業5.0的發展來看，其初步研究主要還是集中在概念闡述、特征分析和人機協同等方面，研討的范圍多局限在歐洲。同時，目前工業5.0主要作為對工業發展的遠景目標和對工業4.0的補充，其研究尚處于探索階段，研究成果相對較少且缺乏系統性。本文總結國內外關于工業5.0的相關研究成果，提出如圖3所示的工業5.0內涵體系框架。 圖3 工業5.0的內涵體系框架 2.1 工業5.0的定義 綜合考慮已有的工業5.0相關解釋，筆者在歐盟白皮書對于工業5.0定義的基礎上，給出自己的定義：工業5.0通過使生產尊重地球的邊界，以及人、機、物、環在知識層面的交互、協同與融合，將工業勞動者及其利益置于生產過程的核心，從而實現包括經濟增長之外的多種社會目標，穩健地、可持續地提供繁榮的一種工業生產模式。 2.2 工業5.0的主要特點 與工業4.0具有互操作性、信息透明、分布式智能、信息物理融合等特點[23-24]不同，工業5.0具有其它一些特點，具體可歸納為：人是決策主體、人是服務對象、綠色環�？沙掷m、未知風險可抵抗、知識互聯的智慧時代。 (1) 人是決策主體。工業5.0強調以人為中心，即人在生產過程中的核心地位，人依然是決策主導，機器/人工智能系統是輔助。人的創造性和應對不確定情況的快速應變能力是工業生產過程中至關重要的一環，應當充分挖掘，從而使產品創新和質量效率提升躍升到一個新的高度。 (2) 人是服務對象。工業5.0關注工業能夠實現的除經濟增長之外的其他社會目標，第一就是要服務于人。一直以來人都是工業發展和改革過程中服務的對象和中心，脫離了以人為中心的目標就失去了工業發展和改革的意義。工業發展的目的不是要讓機器完全替代人，而是要將人從繁重的體力勞動、危險勞動和重復性的腦力勞動中釋放出來，從而充分保護工業勞動者并發揮人的經驗與智慧；并能輔助人完成更多具有挑戰性的工作，或者輔助提升工業勞動者的技能、為每一個愿意工作的人提供幫助、創造更多新的就業崗位等。同時，工業也應該提供工業勞動者更為舒適安全的工作環境，且不能破壞人類的生存環境。 (3) 綠色環�？沙掷m。工業5.0強調地球環境、資源和能源約束下的工業發展的可持續性，主要包括低碳制造、綠色清潔生產、資源高效和重復利用等三個方面。① 低碳制造：全球氣候持續變暖背景下亟需控制碳的排放量；② 綠色清潔生產：減少有害氣體、有害物質的排放，減少水污染、大氣污染等對環境的破壞，同時保護工業勞動者在生產過程中不受有毒氣體的危害；③ 資源高效和重復利用：全球資源有限情況下需要減少資源的消耗和浪費，或者對資源進行回收和再利用，推動工業可持續 發展。 (4) 未知風險可抵抗。在全球疫情的背景下，工業的韌性就顯得至關重要。工業5.0作為未來工業發展的愿景，必須強調工業體系應該具備的應對各種不確定性因素和全球突發事件的能力，以便能夠穩健地提供社會繁榮。 (5) 知識互聯的智慧時代。工業4.0主要強調 人-機-物-環在數據和信息層面的集成與互聯，并使得數據成為企業生產要素，促進了數字經濟的快速發展；工業5.0還強調人-機-物-環之間在知識層面的集成與互聯，包括知識的傳遞、分享、交互、學習與融合提升，以及工業生產鏈、價值鏈、產業鏈的知識匯聚、重組與體系構建，將推動知識成為企業生產要素，并推動知識經濟快速發展。這不僅將從本質上提高工業系統處理復雜性和不確定性問題的能力，而且能夠催生出知識驅動的新業態、新模式和新應用，比如工業知識服務、工業知識協同、工業決策自動化等，進而實現智慧工業，并推動人類社會真正邁入“知識經濟時代”和“智慧時代”。 2.3 工業5.0體現了以人為本的核心價值觀 以往的工業革命都是通過解放生產力或改變生產模式來推動社會經濟發展，并在此基礎上帶來就業與繁榮，均是以經濟增長為中心的發展模式。在整個發展過程當中，更強調機器能力的大幅提升所帶來的生產力和生產效率的提升，比如機器的動力來源從蒸汽到電氣，機器的操作從手工到自動化控制，機器的決策由單一到網絡化互聯后的群智決策。隨著機器的動力化、自動化、數字化、網絡化和智能化程度的大幅提升，人在生產過程中的角色正在不斷削弱，大部分工業勞動者存在失業風險，尤其是工業4.0時代“機器換人”浪潮的涌現。同時，環境的破壞和資源能源的大量消耗也讓人類的生活生存環境受到了一定程度的破壞，極端天氣開始增多。工業5.0則改換思路，在機器能力提升的同時也要提升或者充分挖掘人所特有的能力，使得人、機器能夠同步提升，而不僅僅只是機器的提升。人作為非常重要的生產要素，具有極大的潛力，在工業系統中應當充分發揮人的創造性、敏捷性等各種能力。另外，人作為工業創造的主體，工業的目的應當是服務于人。工業5.0再次將工業發展的目標拉回到以人為中心，包括人的生存環境、人的生活環境、人的工作環境、人的個人隱私和人的社會價值體現等，而不僅僅是生產力提升和經濟增長。 2.4 工業5.0時代的工業系統將是人-信息-物理系統 工業4.0的核心是信息系統與物理系統的融合，并注重物聯網、人工智能、云計算、大數據等新一代信息技術驅動下的工業系統自治能力，包括自感知、自分析、自組織、自決策、自適應、自學習等。在工業5.0時代，智能機器將代替人類大量的體力勞動和相當部分的腦力勞動，人類則可以從事更多創造性的工作。這點與新一代智能制造的理念相似，其工業系統組成將是人、“信息系統”和“物理系統”的深度融合與協作的綜合集成大系統，即人-信息-物理系統(HCPS)。人的智慧與機器智能將能夠相互啟發、互相學習、彼此增長，從而使工業的知識型工作逐步向自主智能化方向發生轉變，進而突破當今工業發展所面臨的瓶頸和困難[25-26]。 2.5 工業5.0的目標之一是實現“碳達峰碳中和” 工業推動經濟發展不能以破壞環境和大量消耗資源為代價，而應該是可持續發展。多數經濟體在工業發展初期均已破壞環境和消耗資源為代價促進經濟增長，但是在21世紀的今天，環境的問題凸顯，資源的有限也是需要面對的難題。顯然，在全球氣候變暖背景下，“碳達峰碳中和”是工業5.0要達到的一個目標。 2.6 工業5.0是對工業4.0在技術和理念方面的雙重提升 工業5.0遠遠超出了工業4.0定義的范疇。工業5.0不僅僅包含工業4.0當中所提到的數字世界與物理世界的深度融合即CPS，更是將人的智慧納入到其中，形成以人為核心的HCPS系統。不僅如此，工業5.0超出了以往工業革命只注重經濟增長的目標，更在環境保護、以人為中心等方面提出了新的要求，在理念上更為先進，也更符合當前社會發展的趨勢和所面臨的挑戰。同時，工業4.0多關注集成，工業5.0在此基礎上對集成后的韌性和穩健性進行了愿景描述，是對工業4.0的一個補充。因此，工業5.0不僅在理念上對工業4.0有了較大的提升，注重了當前工業發展過程中存在的突出問題，包括環境問題、就業問題、應對突發事件的能力問題等。同樣，理念上的提升對技術也提出了更高的要求，其在技術層面也對工業4.0已有的使能技術進行了擴展，包括機器智能與人的智慧的深度交互、人-機-物-環在知識層面的交互協同與共融、可持續制造、綠色制造、工業知識體系構建等。 3 工業5.0與社會5.0 為解決本國存在的一系列社會問題和需要面對的挑戰，日本政府在2016年1月推出的“第五期科學技術基本計劃(2016—2020)”中提到了一種新型的社會形態：“社會5.0”，也被稱為“超智能社會”。具體而言，是指人類的社會發展經歷了五個階段，如圖4所示[22]。 圖4 人類社會發展的五個階段 在“社會”這一概念中，人們的生活保障方式直接關系到社會建設方式。后綴數字“1.0”到“5.0”，與歷次工業革命的時間尺度截然不同，而且要長得多。其中，在前工業化時期(直到18世紀末)，分別對應“狩獵社會(社會1.0)”、“農耕社會(社會2.0)”。“社會3.0”是一個工業社會，大致對應第一次、第二次和第三次工業革命的部分時期�！吧鐣�4.0”的特點是“信息”占主導地位，可以說它是從第三次工業革命的高度數字化時期開始演變至今�！吧鐣�5.0”是一種對未來假想的新型社會形態，是能夠細分掌握社會的種種需求，并超越年齡、性別、地區和語言差異，將必要的物品和服務，在必要的時間、以必要的程度提供給需要的人，讓所有人都能享受優質服務、快樂舒適生活的社會。 社會5.0與工業5.0在某種程度上實現了融合交匯。雖然社會5.0與工業5.0在劃分方式、時間跨度等方面有所不同，但是兩者在出發點、目標、導向等許多方面有相似之處，主要體現在以下三點。 (1) 出發點。以人為中心。兩者提出的出發點均是以人為中心。工業5.0旨在突出人在工業中的主導地位，并解決與人相關的就業、隱私、技能培訓、工作環境、生活環境等社會問題；社會5.0則是一個“以人為中心”的社會，其目標就是要為人提供優質、高效、個性化的按需服務。 (2) 目標。經濟發展與社會問題的平衡。前四次工業革命都只注重工業對經濟發展的推動作用，卻忽略了就業、環境污染、氣候變暖、資源短缺等社會和環境問題。工業5.0和社會5.0則不局限于制造業，而是要在經濟發展與解決社會問題之間取得平衡，并認為未來的工業發展將能夠幫助應對當前存在的各類社會問題和疫情等未知風險。 (3) 以問題為導向。社會5.0是日本為解決本國存在的人口老齡化、少子化、資源能源相對匱乏等社會問題而推出的工業和社會發展戰略，旨在通過整合物理空間和虛擬空間，來應對更大的社會挑戰。歐盟推出工業5.0也是期待未來歐洲工業的發展能夠符合綠色新政，并解決人的就業、隱私、技能培訓、疫情等一系列社會問題，從而穩健地提供繁榮。 4 工業5.0的三維體系架構 目前國內外對工業5.0的系統性研究成果較少，本文從價值維、組織維、目標維構建工業5.0的三維體系架構，如圖5所示。 圖5 工業5.0的三維體系架構 4.1 工業5.0的價值維 在研發設計環節的價值創造和優化主要體現在產品創新方面。工業4.0主要通過數字化、網絡化、智能化等技術來實現面向客戶需求的個性化定制設計或優化產品的功能和性能，進而提高產品的附加值；或通過研發設計模式的創新升級來提高產品研發的效率和質量，縮短新產品上市周期[27]。其目標主要是通過滿足客戶個性化需求、優化產品功能和性能等手段實現產品價值增值，從而提升企業的盈利能力和市場競爭力，拉動經濟增長。工業5.0則不同，其目標不僅僅是經濟增長，因此需要在工業4.0的基礎上，通過面向環境友好的產品設計、面向可回收和再制造的產品設計、基于平臺的眾創眾包設計、數字孿生增強的創新設計等技術手段實現以人為中心、綠色環保可持續等目標。 在生產制造環節的價值創造和優化主要體現在生產智能化方面。工業4.0階段主要通過具有自治能力的智能工業系統以及人、機、物等工業全要素在數據和信息層面的互聯等手段來全面提升車間生產和管理水平，從而實現高效、柔性、優質、安全生產，進而提高企業對市場波動、客戶個性需求等不確定性因素的快速響應能力。工業5.0階段主要通過人、信息系統、物理系統的深度融合以及人、機、物等工業全要素在知識層面的互聯來大幅提升車間生產和管理水平，充分發揮人在生產過程中的創造力、決策力、經驗知識和應對突發事件的快速響應能力，并在實現高效優質生產的同時考慮能耗、資源消耗、有害物質排放含量等環境指標，從而實現低碳、綠色、清潔生產，減少資源和能源浪費，確保工業發展的可持續性。 在運維服務階段的價值實現主要體現在服務模式融合創新方面。工業4.0階段一方面實現以用戶為中心的智能化服務，如在線個性定制、遠程運維、預測性維護等，另一方面實現價值鏈延伸和服務模式創新，如服務型制造業、云制造服務等。工業5.0階段則可以在工業4.0的基礎上，通過虛擬現實、增強現實、混合現實等手段探索出更多以用戶為中心的智能化體驗服務，比如產品線上體驗、產品使用和維修遠程培訓等。 在報廢回收階段的價值實現主要體現在產品的再制造。工業4.0并沒有對產品的報廢與回收環節進行過多的考慮；工業5.0一方面通過產品的回收利用與再制造技術來推動綠色環�？沙掷m目標的實現，另一方面也可以提高資源利用率，減少新產品的制造成本。 此外，研發設計、生產制造和運維服務等各環節的大集成作為工業4.0的重要特征，也是工業5.0實現價值創造和優化的重要方面。除此以外，把產品報廢、回收或再制造過程納入整個集成環節將是工業5.0額外關注的重點。 4.2 工業5.0的目標維 工業5.0的目標維度代表了其相對于工業4.0關注點的不同。工業5.0在關注工業生產力和生產效率提升帶來社會經濟增長的同時，也關注以人為中心的價值觀的體現、地球環境的保護以及工業的韌性。關注點的不同對產品研發設計、生產制造、運維服務和報廢回收等各價值鏈環節也提供了新的價值增長方向，也對使能技術提出了不同的要求。比如在經濟增長方面，人-機-物-環在知識層面的交互、協同與共融是其中的關鍵技術之一；在以人為中心方面，通過多種技術的融合構建智能單元HCPS、智能系統HCPS、智能系統之系統HCPS是關鍵；在綠色環�？沙掷m方面，綠色制造、可持續制造是關鍵；在工業的韌性方面，如何通過復雜網絡和數字孿生構建工業產業鏈、價值鏈、物流鏈的復雜關聯關系并進行準確分析和動態優化是關鍵。 4.3 工業5.0的組織維 與工業4.0類似，實施工業5.0的組織維主要包括智能單元、智能系統和智能系統之系統三個層次。智能單元是實現工業5.0經濟增長、以人為中心、綠色環�？沙掷m和工業韌性目標的最小單元，是由人、信息系統和物理系統深度融合而成的單元級HCPS。智能系統則是由多個智能單元通過工業互聯網集成而成的系統級HCPS，比如智能產線、智能車間、智能工廠、智能企業。智能系統之系統(System of systems，SoS)是通過工業互聯網實現跨系統、跨平臺、跨行業的集成，形成系統之系統級HCPS，比如智能供應鏈、智能產業鏈、智能工業、智能 社會。 在智能單元層面，工業4.0以CPS為核心，打造具有自感知、自分析、自決策、自適應、自學習的智能裝備，包括智能機床、智能加工中心、智能機器人、智能自動導引小車 (Automated guided vehicle，AGV)等。工業5.0則以HCPS為核心，通 過人、信息系統、物理系統的深度融合，實現高效協作、知識分享和能力提升。 在系統層面，以工廠為例，工業4.0主要通過工業物聯網實現人、智能機器、物料、環境的實時感知與數據互聯互通，進而實現大規模個性高效定制生產。工業5.0則不僅要實現人、機、物、環等生產要素的數據互聯，更要實現人、機、物、環在智能層面即知識的互聯，真正實現具有“智能”的工廠。在系統之系統層面，工業4.0主要通過工業互聯網實現企業間和產品全周期端到端的信息集成，工業5.0則要通過構建知識圖譜實現生產鏈、價值鏈和產業鏈的知識集成與互聯，進而實現知識驅動的智慧工業。 5 工業5.0的使能技術 歐盟在其發布的報告中[18]提到了工業5.0的六項使能技術，分別是個性化人機交互、仿生技術和智能材料、數字孿生和仿真、數據傳輸、存儲和分析技術、人工智能以及能源效率、可再生能源、儲存和自治技術。本文結合所構建的工業5.0總體架構，面向經濟增長和以人為中心、綠色環�？沙掷m、富有韌性等工業5.0的目標，建立如圖6所示的工業5.0使能技術體系。 圖6 工業5.0的使能技術體系 來源：機械工程學報 本文經授權轉載發布 中服云（www.cserver.com.cn）——長期致力于工業物聯網平臺及工業APP的研發和服務，工業物聯網技術業界領先。全力打造自動數據采集獲取技術+數據分析價值挖掘技術兩個核心技術，基于“平臺+APPS”的產品架構思想。從數字化底座、到智能化生產、再到生產環境的智能化，形成了完整的“中服云”數智化產品品牌。致力于業務層和物理層的深度融合，從根本上解決智能化的核心問題。 |
