第六期丨歐盟委員會“工業5.0”系列報告翻譯連載
《工業5.0的使能技術》
摘要
歐洲正在向碳中和和數字領導力過渡。綠色和數字化的雙重轉型以及在全球舞臺上的競爭力需求將要求我們的工業進行改變，只有轉型才能使歐洲保持可持續性和競爭性。這一轉變的成功需要公眾接受、信任和反饋，工業現代化的戰略必須把人和社會的需求放在中心。
一個創新、有彈性、以社會為中心的和有競爭力的尊重地球的有限資源并最大限度地減少工業對環境的負面影響的愿景，被稱為工業5.0。它帶來了與技術、社會經濟、法規治理有關的許多新挑戰。
在此背景下，2020年7月2日和9日，來自歐洲各地研究和技術組織和供資機構的與會者在兩個虛擬研討會上討論了工業5.0的概念。會議的目的是獲得關于總體概念的反饋，并討論支持技術和可能遇到的挑戰。雖然與會者對這一概念的名稱進行了辯論，但與會者一致認為，必須將社會和環境需要更好地納入技術發展。此外，與會者一致認為，挑戰的復雜性不可能由個別技術來解決，而需要一種系統的方法。
與工業5.0概念有關的技術：
① 以人為本的解決方案和人機交互，將人和機器的優勢相互連接并結合在一起。
② 仿生和智能材料，使材料具有嵌入式傳感器并增強可回收利用功能。
③ 基于實時的數字孿生和模擬的系統對整個系統建模。
④ 能夠處理數據和系統互操作性的網絡安全數據傳輸、存儲和分析技術。
⑤ 人工智能，例如檢測復雜動態系統中的因果關系，從而產生可操作的智能。
⑥ 上述技術將需要大量的能源，這依賴于高效能源和可信賴自治技術。
對于系統方法，必須考慮可以通過各自的推動因素解決挑戰：
① 在社會方面，必須將以人為中心的方法發展為以社會為中心的方法，處理當代挑戰和各種不同的需要，同時納入社會的參與，以增加信任感和接受程度。
② 轉型的速度之快需要政府和政治層面的措施。這包括“敏捷政府”方法，他們需要理解復雜的、相互關聯的工業生態系統和勞動力市場系統。
③ 跨學科交叉（如生命科學、工程學、社會科學和人文科學）的要求是復雜的，必須用系統的方法來理解。
④ 在經濟方面，必須找到維持經濟利潤和競爭力的解決辦法以及所需的資金，例如通過發展重視生態和社會方面的各自商業模式。
⑤ 可擴展性，在確保整個價值鏈和生態系統，包括中小企業大規模實施的科技感。
一、導語
（一）工業5.0的概念
工業是歐洲經濟的最大貢獻者，為整個歐洲大陸提供了就業和繁榮。歐洲工業強大，但不斷面臨各種挑戰。它具有很強的競爭力，但在一個日益復雜的全球化經濟中運作。歐洲是一個穩定的出口國，但面臨著快速變化的政治環境。工業效率高、成本效益高，但在漫長的供應和分銷鏈中容易出現問題。在2008年至2018年期間，工業一直占歐盟GDP的20%，更具體地說，制造業為歐盟經濟提供了約14.5%的增長率。
為了讓工業繼續為歐洲帶來繁榮，工業5.0需要適應以應對這些不斷變化的挑戰，這只有通過持續不斷的創新才有可能。歐洲工業可以進一步提高其在價值鏈不同地方的效率，增加其生產系統的靈活性、敏捷性和精簡性，以迎合全球消費者迅速變化的需求，并繼續成為全球質量的參考。
第四次工業革命的理念是通過信息物理系統將物理世界和虛擬世界融合起來，通過物聯網將人、機器和設備互聯起來。這種橫跨實現了整個價值鏈橫向和縱向的互聯，從客戶到供應商，橫跨整個產品生命周期，橫跨不同職能部門，形成了新的價值網絡和生態系統。增值的創造可以更有效率、更個性化、更高質量、以服務為導向、更可追蹤、更有彈性和更靈活。同時將以不同的方式連接到生產，從而形成一個覆蓋整個生命周期的集成鏈。工業5.0將在經濟、生態和社會三方面產生效益，而這是可持續發展的三重底線。
第四次工業革命圍繞通用技術，在第一次工業革命中通過水力和蒸汽動力實現機械化，在第二次工業革命中實現電氣化，分工和批量生產，在第三次工業革命中實現IT，電子和自動化技術。工業4.0重點關注網絡物理系統和物聯網，以及在提及該概念時提到的其他技術。取而代之的是，工業5.0應該以支持和培育與社會和生態相關的價值觀為基礎。
來自歐洲各地的研究和技術組織的代表舉辦了兩個虛擬研討會，討論工業5.0的概念，其初步定義是：工業5.0通過使生產尊重地球的資源限制并將工業工人的福利置于生產過程的中心，認識到工業在實現就業和增長以外的社會目標方面的力量，從而成為繁榮的促進者。
（二）工業5.0術語與概念評析
與會者的討論是從懷疑該術語的適用性和工業5.0的概念開始的。
首先，如果工業5.0涵蓋了與工業4.0相關的技術，那么在將與第四次工業革命相關的結果或發展說成是第五次工業革命時，可能會導致潛在的混淆。前幾次工業革命的發展需要幾十年才能展開，而工業4.0是在2011年首次被描述出來的。工業4.0作為一個概念已經被描述為相當營銷驅動的，所以在如此短的時間之后再次使用這個術語可能會擴大這種看法。例如，在生物轉化或量子技術領域真正由技術驅動的發展將是一場單獨的工業革命，這就提出了這樣一個問題，即這是否會以社會和生態價值為中心。
第二，圍繞社會和生態價值而不是圍繞技術創建工業5.0的概念，擾亂整個工業革命的概念，可能會導致誤解。這可能會把發展從技術能力的角度轉向政治的角度。價值觀的概念，更重要的是，對于哪些價值觀被認為是重要的以及如何理解這些價值觀，在世界各地有幾種不同的看法。
第三，工業5.0的很多思想和理念，在工業4.0中已經可以找到。例如，在其最初的概念中，工業4.0圍繞著人類、社會和生態的價值觀。此外，高度個性化的產品（作為大規模定制的口頭禪常被稱為“批量生產”）是工業4.0的一個中心特征。自從引入這一術語以來，一些技術被貼上了“工業4.0”的標簽，而沒有提及經濟利益之外的更廣泛目的。然而，允許人機交互的技術，如增強和虛擬現實以及協作機器人技術，是工業4.0概念的一部分，一直被應用于各大洲和并不斷創造價值。
第四，特別相關地，工業4.0在很大程度上仍在擴展。尤其是中小企業、工藝制造商，或者傳統行業，距離工業4.0技術的大范圍實施還很遠。此外，雖然可以在孤立的解決方案中看到幾種技術，但工業4.0所要實現的是整個供應鏈的全面橫向和縱向一體化，在大多數工業價值鏈中仍遠未實現。因此，工業5.0的命名可能表明一套比工業4.0更新的技術，但工業4.0的一些想法甚至比工業5.0的建議更遠。
總而言之，工業4.0的幾個理念似乎在一個新的術語下重新煥發了活力。工業5.0的概念也可以被描述為重新引入“以人為中心/以價值為中心的工業4.0”這一失去的層面,或者正如一位與會者所稱的“工業4.1”。然而，在兩次討論結束時，大家達成了一個明確的共識，即有必要在工業4.0的概念中增加一個價值層面。
會者一致認為，不應將工業5.0理解為對現有工業4.0范式的替代或替代，而是一種演變和合乎邏輯的延續。因此，工業5.0的概念不是以技術為基礎的，而是以價值為中心的，例如以人為中心、生態或社會效益。這種范式轉變的基礎是這樣一種觀念：技術可以朝著支持價值的方向發展，而技術變革可以根據社會需要進行設計，反之亦然。這一點尤其重要，因為第四次工業革命中正在進行的社會發展改變了價值創造、交換和分配的方式。此外，工業5.0中的技術必須被視為是為增強社會和生態價值而積極設計的系統的一部分，而不是決定社會發展的技術。例如，所使用的技術的主要重點不應是取代車間的工人，而是支持工人的能力，并導致更安全和更令人滿意的工作環境。工業5.0的核心技術與工業4.0基本一致，而更加注重以人為中心的技術是工業5.0的基礎。這個術語還與日本的社會5.0概念聯系在一起，描述了工業4.0技術之后或伴隨著工業4.0技術的社會發展。工業5.0補充并擴展了工業4.0的標志性功能。其關鍵層面是納入一套更廣泛的價值觀，特別是將以人為中心的觀點擴展到以社會為中心的觀點。這也增加了治理的復雜性和要求，如第3節進一步解釋的那樣。
此次討論特別強調了工業5.0的以下特點：將人與技術技能和力量結合起來，使工業和工業工人互惠互利，而不是技術取代人，而是對人的補充。這使得工作環境更安全、更令人滿意、更符合人體工程學，在這種環境中，人們可以利用自己的創造力解決問題，接受新的角色，并提高自己的技能。工業5.0背后的核心思想是基于技術如何支持人類價值和需求的倫理理論來選擇技術，而不僅僅是基于它們從純技術或經濟角度所能實現的目標。諸如人機接口、人腦能力與人工智能的融合或與機器人和機器的協作等技術被用于產生產品和服務。這些產品和服務可以進一步根據客戶需求定制，減少環境影響，并允許閉環、能源自給自足、排放中性或循環經濟等概念。
雖然工業5.0概念的開發是在Covid-19之前開始的，但可以認為這是一個典型的挑戰，它凸顯了需要考慮或重新考慮一些概念，例如本地產生附加值和重新分配，更加關注彈性，優化，退貨和引進等。主權能力的概念與精益原則和生產力驅動的理論形成對比。政策在重新分配中起著至關重要的作用；它必須創造誘人的框架條件，以刺激公司在歐洲開展業務。創新和價值創造必須面向需求和需求，要求組織和社會變革朝著融合學科，思維定勢，領導能力和決策以及遠離組織孤島，推進諸如共享經濟之類的概念發展。此外，對技術的信任，必須通過鼓勵客戶對其使用的技術和產品做出明智的決定，來增強網絡安全和數據保護。此外，個人對新技術的信任程度隨著操作能力的提高而增加，因此需要在整個供應鏈中進行大量的培訓和技能提升。最后，將目前占主導地位的技術確定性理論發展為基于聯合價值的人的確定性理論，是邁向工業5.0概念的第一步。
二、支持技術
工業5.0的實現必須依靠一套復雜的系統，將智能材料與嵌入式生物傳感器相結合。因此，以下每一個類別只有與其他類別結合起來，作為系統和技術框架的一部分，才能發揮其潛力。
（一）個性化人機交互
把人和技術聯系起來即：把人的創新和機器的能力結合起來。以下技術支持人類完成物理和認知任務：
① 多語種語音手勢識別與人類意圖預測
② 員工身心緊張和壓力的跟蹤技術
③ 機器人技術：協作機器人('cobots')，它與人類一起工作并幫助人類
④ 增強、虛擬或混合現實技術，特別是用于培訓和包容性的技術
⑤ 增強人的身體能力：外骨骼、仿生工作裝置和安全設備
⑥ 增強人類的認知能力：將人工智能和人腦的優勢相匹配的技術（例如，將創造力與分析技能相結合）、決策支持系統
（二）生物仿生技術與智能材料
源自生物轉化概念的生物仿生技術和工藝可與以下特性相結合：
① 自愈或自修復
② 輕量化
③ 可回收
④ 從廢物中產生原料
④ 生活資料一體化
⑥ 嵌入式傳感器技術與生物傳感器
⑦ 適應性/響應性人體工程學和表面特性
⑧ 具有內在可追溯性的材料
（三）數字孿生與仿真
數字孿生和模擬技術優化生產、測試產品和過程并檢測可能的有害影響，例如：
① 產品和過程的數字化孿生體
② 產品和過程的虛擬模擬和測試（例如，以人為中心、工作和操作安全）
③ 多尺度動態建模與仿真
④ 環境和社會影響的模擬和測量
⑤ 信息物理系統與整個系統的數字孿生
⑥ 計劃維護
（四）數據傳輸、存儲和分析技術
需要節能和安全的數據傳輸、存儲和分析技術，其特性如下：
① 網絡化傳感器
② 數據和系統互操作性
③ 可擴展、多層次的網絡安全
④ 網絡安全/安全云IT基礎設施
⑤ 大數據管理
⑥ 可追溯性（例如，數據來源和規范的實現）
⑦ 學習過程的數據處理
⑧ 邊緣計算
（五）人工智能
人工智能，如今仍然經常指的是先進的相關分析技術，必須在幾個方面進一步發展：
① 基于因果關系而不僅僅是基于相關性的人工智能
② 顯示關聯之外的關系和網絡效應
③ 在沒有人力支持的情況下對新的或意外的情況作出反應的能力
④ 群體智能
⑤ 腦-機接口
⑥ 以個人為中心的人工智能
⑦ 知情深度學習（專家知識結合人工智能）
⑧ 人與任務的技能匹配
⑨ 安全高效的人工智能
⑩ 在一個系統的系統中處理和發現不同來源和尺度的動態系統中復雜的、相互關聯的數據之間的相關性的能力。
（六）能源效率、可再生能源、儲存和自主技術
由于所提到的大多數技術需要大量的能源來運行，因此需要以下技術和特性來實現排放中和：
① 可再生能源一體化
② 支持Power-to-X技術
③ 智能塵埃和能量自主傳感器
④ 低能耗數據傳輸與數據分析
本文譯自《Enabling Technologies for Industry 5.0 Results of a workshop with Europe’s technology leaders》
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