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工业5.0的内涵、体系架构和使能技术

2021/8/3    来源:e-works    作者:庄存波  刘检华  张雷      
关键字:工业5.0  工业4.0  智能制造  
本文首先回顾了工业5.0的产生背景,分析了工业5.0与工业4.0的区别,总结了工业5.0以人为中心、可持续性、健壮性和智慧性等四个主要特征。在此基础上对工业5.0的内涵进行了系统阐述,并探讨了工业5.0与社会5.0概念的关系。最后建立了工业5.0的三维体系架构,给出了工业5.0的使能技术体系,并指出了工业5.0的实现路径。
0 前言

       工业是国民经济的主导和支柱产业,能够提供众多的就业岗位并促进社会繁荣。从18世纪60年代开始至今,人类在200多年的时间里经历了多次工业革命。第一次工业革命源于以水和蒸汽为动力的机械生产设备的发明与应用,使得工业劳动者从大量的体力劳动中得到了一定程度的解放,生产力得到了巨大提升;第二次工业革命则是源于以电为动力、基于劳动分工和流水线的大规模生产的实现,生产力和生产效率都得到大幅提升,劳动者的技能趋于专业化;第三次工业革命的显著特征则是电子技术和信息技术驱动的管理决策信息化和更高程度的设备自动化,工业劳动者大量的体力劳动和少量的脑力劳动被机器和软件所替代,生产效率、管理能力、产品质量大幅提升,工业数据存储形式开始由纸质文件转为计算机存储并由信息化系统进行管理。进入21世纪,随着物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等新一代信息技术的快速发展,德国在2011年提出了“工业4.0”的概念,因其强化了信息技术的进步以及数字化、数据驱动和互联的工业所带来的高度变革性影响,被认为是第四次工业革命。

       工业4.0的内涵是利用信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS),将生产中的供应、制造和销售等信息数据化,最后达到快速、有效、个性化的产品供应;其本质是通过充分利用CPS,将制造业推向数字化和智能化的转型。显然,工业4.0是以数字世界与物理世界的深度融合为主要特征。工业4.0一经提出,不仅为欧洲工业的创新、技术发展和数字化转型提供了正确的指导原则,也受到了世界主要经济体的认可。

       工业4.0提出后,目前许多制造公司正在融入和实现工业4.0的过程当中。虽然目前大部分企业并没有完全实现工业4.0,但是工业4.0对整个价值链的不同领域已经产生了巨大影响,如基于CPS的自治系统(Autonomous System)的出现,包括嵌入了智能组件并具备自感知、自分析、自诊断、自决策、自执行和自适应能力的智能装备、智能产线、智能工厂等,能够大大提高生产效率、提升产品质量、降低研发成本等,并为真正实现大规模定制生产提供支撑。

       但是,注重系统自治的工业4.0也带来了一系列问题,如人的智能应该处于什么样的角色,人被机器替代后的就业问题该如何解决。实际上,从工业生产过程的安全性、保密性、专业性、领域性、巨大不确定性、社会性和绿色清洁等方面考虑,人的智能依然扮演了极其重要的角色。同时,工业在促进经济繁荣的同时不能把工业劳动者排除在就业岗位之外,否则可能会产生许多的社会问题;也不应该对环境造成极大的污染和破坏,这样会影响工业劳动者的健康和人类的生存环境。因此,许多企业的决策层、技术专家、政策的制定者开始了对工业5.0的讨论,拟系统地解决人和环境在工业生产过程中的地位问题。此外,随着2020年全球疫情的爆发给世界各国经济发展和产业链、供应链带来的巨大冲击,国家乃至全球工业体系应对未知风险的能力也成为一个不可忽视的议题,这也在一定程度上推动了世界主要经济发达体对未来工业发展的一个再思考,即工业5.0:以人为中心、知识驱动的智慧化时代。如图1给出了从工业1.0到5.0的工业革命发展历程。
从工业1.0到工业5.0的工业革命发展历程
图1 从工业1.0到工业5.0的工业革命发展历程

1 工业5.0的起源与发展

       随着新一代信息技术的飞速发展以及与工业的深度融合,基于当前全球气候变暖、环境污染加重、资源能源持续消耗和工业竞争压力不断增大等诸多挑战,在欧洲开始提出工业5.0的概念,并以此描述工业发展的远景目标,且将其作为人类追求社会繁荣稳定所需要的解决方案。他们认为工业5.0是以一种可持续的方式来提高生产力,同时不应将工业劳动者移出制造业领域。比如Atwell认为可以将单调的、重复的任务留给机器,将创造性的工作向人类开放。这样不仅可以令工作人员承担更多的责任,而且也会加强对工业系统的监督,从而全面提升生产质量。这类观点主要是从宏观层面对工业5.0提出自己的见解,并认为之前的工业革命要么以牺牲环境和消耗大量资源能源为代价来追求经济增长,不具备可持续性;要么存在大量工业劳动者的就业机会被机器所取代的问题,不符合“为人民服务的经济”理念。另外,Paschek等通过采访一些专家和企业代表,分析和评价了工业5.0对商业的潜在影响;并指出很多企业都在实现工业4.0的过程中,并没有意识到工业5.0的到来以及工业5.0将给工业和商业带来的巨大价值,因此呼吁企业需要着手准备。他们也指出工业5.0强调从大规模自动化到增强工业劳动者能力和通过产品定制实现个性化的一个转变,是工业发展的下一个层次。

       从技术角度,学者们对工业5.0的研究主要集中在人与机器的深度协作,由此产生了人在回路里(human-in-the-loop)和人在回路上(human-on-the-loop)两类主要的智能系统。一方面,人在回路里是指在整个系统中,机器为一个特定的命令执行一个任务,然后在继续之前停止并等待人的下一个命令。人在回路上的系统是一个能够独立、完整执行任务的自治系统,而人的角色是可以提供系统无法获得的专业知识,并可以对系统不知道或者意识不到的问题做出响应。自治系统并不意味着将人排除在外,而是通过人机协作达到关键的性能指标。当前研究较多的工业自治系统是能够和人安全可靠协作的智能机器人,也被称为合作机器人(cobot)。Richert等认为这类机器人不仅能够和人实现物理层面的交互,还能够彼此分享知识和互相学习。Nahavandi等认为工业5.0将是一个以人为中心的解决方案,合作机器人将是其中一个重要的组成部分,并给出了一个基于合作机器人的典型应用场景。在该应用场景中,合作机器人不仅可以通过相机等视觉手段感知到人的位置和状态,还可以通过观看和学习人的操作来预测和明白人的意图;并在人进行手工操作的时候,把其执行下一步操作所需要的物品提前准备好。另外,也有许多文献并没有把对人机协作的研究直接归到工业5.0,而是在工业4.0背景下的进一步深入。比如,周济等提出的新一代智能制造是以人-信息-物理系统(Human-Cyber-Physical System,HCPS)为核心,而不仅仅是信息-物理系统CPS;并指出新一代智能制造系统突出了人在制造系统的中心地位,是统筹协调“人”、“信息系统”和“物理系统”的综合集成大系统。同时,新一代智能制造系统将使人类从更多体力劳动和大量脑力劳动中解放出来,使得人类可以从事更有意义的创造性工作,不仅将使制造业的质量和效率跃升到新的水平,而且人类社会开始真正进入“智能时代”。显然这已经超出了工业4.0原有的定义范畴,并与工业5.0以人为中心的理念不谋而合。Ngoc等综述和分析了工业4.0背景下以人为中心的设计案例,在此基础上给出了其未来的发展机会和潜在研究点,包括体验驱动的人机协同可视化智能系统设计、考虑人的文化程度和背景的人机协作系统设计等。

       除了人在工业系统中的角色定位问题,从第二次工业革命开始,巨大的环境污染和资源能源消耗问题就一直困扰着工业的发展,全球性的气候变暖、水资源的污染、局部地区的大气污染、不可再生能源的大量消耗等议题备受关注。尽管这些问题在很长一段时间内没有受到政府、工业企业和学术界的关注,但是在最近几十年,许多学者开始从地球环境的可持续性对工业系统进行研究,并从减少工业过程资源消耗、降低生产过程能耗、实现清洁低碳制造等角度对绿色制造和绿色调度、再制造和可持续制造等方向开展了大量研究。另外,一些国际性的组织包括联合国UN和世界贸易组织WHO也在积极推动各国政府出台相应的政策来保护地球环境。尽管如此,工业4.0并没有过多强调工业生产过程中的环境保护和可持续发展问题,只是从如何利用工业维持经济繁荣的角度考虑了生产效率提升、商业模式改变、企业通过数字化智能化转型升级实现价值创造等议题。

       基于已有研究和工业4.0在应对一些社会共性问题存在的不足,在政府层面,欧盟委员会(European Commission)研究与创新总局(General for Research and Innovation)在工业4.0基础上提出了工业5.0的概念,在2020年组织了两次针对工业5.0的研讨会,并在2020年9月发布了报告《工业5.0的使能技术》(Enabling Technologies for Industry 5.0),在2021年1月正式发布了首个工业5.0白皮书《工业5.0:迈向可持续、以人为中心且富有韧性的欧洲工业》(Industry 5.0: Towards a sustainable,human-centric and resilient European industry)。他们认为工业4.0诞生10年以来,更加注重提高企业生产效率以及灵活的数字化、人工智能驱动技术,却没有注重欧洲原有的社会公平价值观和可持续发展原则。同时,他们认为工业4.0更偏向于一种技术经济远景,即描述了工业将如何利用非工业环境下的、更普遍的技术进步来更好地应对动态变化的世界和经济。然而,工业变革的浪潮会产生涟漪效益,其不仅会提高工厂车间的生产力、改变固有的生产关系和生产模式,更会对社会产生变革性的影响,比如对地球环境、对工业劳动者、对社会稳定、甚至对人类的生存发展产生影响。因此,为了给欧洲工业的未来发展和社会繁荣提供一个连贯的愿景,欧盟委员会认为需要对当前的工业4.0模式进行补充和扩展,需要将以人为中心、可持续发展等理念融入到欧洲工业的发展过程当中,并称之为“工业5.0”。在白皮书中,欧盟给出了工业5.0的定义:工业5.0认识到工业的力量,通过使生产尊重地球的边界,将工业劳动者的利益置于生产过程的核心,从而实现就业和增长之外的社会目标,稳健地提供繁荣。

       除此之外,在价值创造方面,数据驱动的智能制造是工业4.0的重要特征之一,如何充分利用所获取的工业大数据是工业4.0需要解决的瓶颈难题之一。同时,工业4.0主要是通过数据的自动流动来提升产品研发、生产和服务的效率,其支撑是基于工业互联网的工业要素互联和业务互联。但是,数据积累并不能产生价值,只有将数据变为信息和知识、进而辅助人机进行决策和优化才能产生价值。因此,随着数据的不断积累,更多的隐性知识不断被显性化,工业知识也不断积累。如何充分利用知识推动制造业创新发展和价值创造将是未来工业发展的重要方向之一,而如何实现工业知识的传递、分享、协同、聚类,如何构建工业知识网络和知识服务体系等将是需要解决的难题。同时,工业系统中的人、机、物之间不仅有数据和信息层面的交互,也将有知识和智能层面的互动,比如知识分享、知识交互、知识协同、知识融合和知识学习等,这将使产品的研发、生产和服务效率跃升到一个新的台阶,也必将催生出以智慧工业为目标的新应用、新服务和新模式,比如社会化大规模定制、个性化的自主制造等。

       总体而言,工业5.0与已有的四次工业革命在理念上有不同程度的提升,并主要具有以下四个方面的特征,如图2所示,具体包括以人为中心、可持续性、健壮性和智慧性。
工业5.0的四个主要特征
图2 工业5.0的四个主要特征

       (1)以人为中心:关注社会问题,回归以人为中心的价值定位

       显然,工业的存在不仅是要促进经济增长,更是要服务于社会的每个独立个体。以往的工业革命主要是通过机械化和自动化的设备、人工智能系统、工业软件等替代人类繁重的体力劳动、危险的生产活动或部分的脑力劳动,从而提高生产效率、生产安全性和产品质量一致性等,并解放人类做一些更具创新性的工作。但是更高程度的自动化技术以及以人工智能、物联网、云计算、大数据、移动互联等为代表的新一代信息技术的出现,也带来了许多的社会问题甚至是伦理问题,比如人工智能系统是否将逐渐取代人类甚至超过人类?人类的主导地位是否会被机器完全取代?是否会有更多人会因此失业?这是自动化、数字化、网络化、智能化程度日益发达的工业4.0时代需要思考的问题。工业5.0概念的提出则给这些问题提供了清晰的答案,就是要回归以人为中心的价值定位。不仅要确立人在生产制造过程和工业系统中的主导和决策地位,也要关注人的安全、舒适、就业、培训、技能提升等问题。

       (2)可持续性:关注环境和能源问题,注重工业发展可持续

       以往的工业革命更加注重生产力的提升和生产模式的改变对社会经济的巨大推动作用,研究范围往往局限在工厂和车间,对工业可持续发展的研究不够。比如第一次工业革命推动了手工作业向机械作业的转变,第二次工业革命推动了大规模生产,第三次工业革命推动了更高程度的自动化,第四次工业革命推动了工业互联和大规模定制化生产。前三次工业革命均是通过工厂和车间内部生产力的提升和生产模式的改变来推动生产效率的大幅提升,从而实现规模经济,推动经济增长。新一代信息技术驱动的工业4.0除了关注企业内部的纵向集成,也关注供应链上下游企业间的横向集成以及面向产品全生命周期的端到端集成,其关注点仍然是通过推动企业的数字化和智能化转型,实现工厂或车间生产效率和产品质量的提升。随着欧洲《绿色新政》的提出,以及非可再生能源的逐步减少和全球变暖导致极端天气现象频发等情况,考虑环境和能源的可持续制造和绿色制造成为工业发展过程中必须重视的一个维度。回顾200多年的工业发展史,世界各国在工业化的初期多数是以破坏环境和消耗大量资源能源为代价;但是在工业化基本完成之后,环境友好、清洁低碳、资源能源的合理利用是工业可持续发展过程中必须要考虑的因素。因此,除了欧洲,中国也提出了“碳达峰碳中和”的远景目标和计划。所有这些都说明了工业的发展必须平衡好地球环境的边界。

       (3)健壮性:关注工业系统的抗风险能力,以应对类似新冠疫情等全球性突发事件

       当前的工业4.0时代是万物互联的时代,企业内互联、企业间互联、供应链互联、产业链互联、人-机-物-环互联给企业应对各种不确定性,从而提高企业生产效率和市场竞争力提供了可能。但是在新冠疫情出现之前,世界各国对于工业体系的健壮性却很少关注。在这个背景下,工业5.0不仅关注企业自身应对外在不确定性因素的能力,比如市场、供应链、客户的不确定性,而且开始关注更大范围的工业体系的健壮性,比如行业乃至整个产业链抵抗未知风险的能力,以应对大范围甚至是全球性的突发事件,或者是其他国家的技术封锁等。

       (4)智慧性:关注工业知识的赋能作用,推动智慧工业建设和知识经济发展

       工业4.0重点实现三大集成,即企业内集成、企业间集成、产品全生命周期价值链端到端集成。具体包括人、机、物等生产要素的互联、企业内和企业间的业务互联,以及产业链和价值链的互联,其主要是数据和信息层面的集成与交互。随着大数据智能、人机混合智能、跨媒体智能等新一代人工智能技术的加速发展和战略性突破,基于知识流的智慧工业将成为未来工业发展的制高点。因此,如何在数据和信息集成的基础上深度融合新一代人工智能和知识工程技术,从而实现知识的流动、互联与协同,进而支撑智慧工业建设和推动知识经济发展将是未来工业的发展方向,也必将引发百年来工业新业态、新模式、新服务、新应用的重大变革。

       因此,相比于工业4.0,工业5.0在理念上有巨大转变,并对工业发展需要考虑的维度进行了扩充,除了经济增长,还应包括环境、能源、资源、就业、价值观等社会其它方面。当然,欧盟提出工业5.0有它自身的需要,包括如何在《地平线欧洲》的基础上制定更加符合当前《欧洲绿色新政》和“为人民服务的经济”理念的工业发展路径,如何应对疫情和加剧的工业市场竞争带来的挑战等。由于理念的提升与差异,在使能技术层面,工业5.0与工业4.0相比也会存在一定的差异,同时也带动一些新兴技术的发展。当然,由于工业5.0和工业4.0概念提出的时间间隔很短,有些技术两者是共用的,甚至有些技术在工业4.0提出前就有了一定的研究,比如绿色制造、可持续制造等。需要指出的是,新理念的提出也会对已有技术的发展指明新的方向,所以从这个角度出发,工业5.0的提出也是非常必要和及时的。

2 工业5.0的内涵

       从当前工业5.0的发展来看,其初步研究主要还是集中在概念阐述、特征分析和人机协同等方面,研讨的范围多局限在欧洲。同时,目前工业5.0主要作为对工业发展的远景目标和对工业4.0的补充,其研究尚处于探索阶段,研究成果相对较少且缺乏系统性。本文总结国内外关于工业5.0的相关研究成果,提出如图3所示的工业5.0内涵体系框架。
工业5.0的内涵体系框架
图3 工业5.0的内涵体系框架

       (1)工业5.0的定义

       综合考虑已有的工业5.0相关解释,笔者在欧盟白皮书对于工业5.0定义的基础上,给出自己的定义:工业5.0通过使生产尊重地球的边界,以及人、机、物、环在知识层面的交互、协同与融合,将工业劳动者及其利益置于生产过程的核心,从而实现包括经济增长之外的多种社会目标,稳健地、可持续地提供繁荣。

       (2)工业5.0的主要特点

       与工业4.0具有互操作性、信息透明、分布式智能、信息物理融合等特点不同,工业5.0具有其它一些特点,具体可归纳为:人是决策主体、人是服务对象、绿色环保可持续、未知风险可抵抗、知识互联的智慧时代。

       1)人是决策主导:工业5.0强调以人为中心,即人在生产过程中的核心地位,人依然是决策主导,机器/人工智能系统是辅助。人的创造性和应对不确定情况的快速应变能力是工业生产过程中至关重要的一环,应当充分挖掘,从而使产品创新和质量效率提升跃升到一个新的高度。

       2)人是服务对象:工业5.0关注工业能够实现的除经济增长之外的其他社会目标,第一就是要服务于人。一直以来人都是工业发展和改革过程中服务的对象和中心,脱离了以人为中心的目标就失去了工业发展和改革的意义。工业发展的目的不是要让机器完全替代人,而是要将人从繁重的体力劳动、危险劳动和重复性的脑力劳动中释放出来,从而充分保护工业劳动者并发挥人的经验与智慧;并能辅助人完成更多具有挑战性的工作,或者辅助提升工业劳动者的技能、为每一个愿意工作的人提供帮助、创造更多新的就业岗位等。同时,工业也应该提供工业劳动者更为舒适安全的工作环境,且不能破坏人类的生存环境。

       3)绿色环保可持续:工业5.0强调地球环境、资源和能源约束下的工业发展的可持续性,主要包括低碳制造、绿色清洁生产、资源高效和重复利用等三个方面。①低碳制造:全球气候持续变暖背景下亟需控制碳的排放量。②绿色清洁生产:减少有害气体、有害物质的排放,减少水污染、大气污染等对环境的破坏,同时保护工业劳动者在生产过程中不受有毒气体的危害。③资源高效和重复利用:全球资源有限情况下需要减少资源的消耗和浪费,或者对资源进行回收和再利用,推动工业可持续发展。

       4)未知风险可抵抗:在全球疫情的背景下,工业体系的健壮性就显得至关重要。工业5.0作为未来工业发展的愿景,必须强调工业体系应该具备的应对各种不确定性因素和全球突发事件的能力,以便能够稳健地提供社会繁荣。

       5)知识互联的智慧时代:工业4.0主要强调人-机-物-环在数据和信息层面的集成与互联;工业5.0还强调人-机-物-环之间在知识层面的集成与互联,包括知识的传递、分享、交互、学习与融合提升,以及工业生产链、价值链、产业链的知识汇聚、重组与体系构建。这不仅将从本质上提高工业系统处理复杂性和不确定性问题的能力,而且能够催生出知识驱动的新业态、新模式和新应用,比如工业知识服务、工业知识协同、工业决策自动化等,进而实现智慧工业,并推动人类社会真正迈入“知识经济时代”和“智慧时代”。

       (3)工业5.0时代的工业系统将是人-信息-物理系统

       工业4.0的核心是信息系统与物理系统的融合,并注重物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术驱动下的工业系统自治能力,包括自感知、自分析、自组织、自决策、自适应、自学习等。在工业5.0时代,智能机器将代替人类大量的体力劳动和相当部分的脑力劳动,人类则可以从事更多创造性的工作。这点与新一代智能制造的理念相似,其工业系统组成将是人、“信息系统”和“物理系统”的深度融合与协作的综合集成大系统,即人-信息-物理系统(HCPS)。人的智慧与机器智能将能够相互启发、互相学习、彼此增长,从而使工业的知识型工作逐步向自主智能化方向发生转变,进而突破当今工业发展所面临的瓶颈和困难。

       (4)工业5.0体现了以人为本的核心价值观

       以往的工业革命都是通过解放生产力或改变生产模式来推动社会经济发展,并在此基础上带来就业与繁荣,均是以经济增长为中心的发展模式。在整个发展过程当中,更强调机器能力的大幅提升所带来的生产力和生产效率的提升,比如机器的动力来源从蒸汽到电气,机器的操作从手工到自动化控制,机器的决策由单一到网络化互联后的群智决策。随着机器的动力化、自动化、数字化、网络化和智能化程度的大幅提升,人在生产过程中的角色正在不断削弱,大部分工业劳动者存在失业风险,尤其是工业4.0时代“机器换人”浪潮的涌现。同时,环境的破坏和资源能源的大量消耗也让人类的生活生存环境受到了一定程度的破坏,极端天气开始增多。工业5.0则改换思路,在机器能力提升的同时也要提升或者充分挖掘人所特有的能力,使得人、机器能够同步提升,而不仅仅只是机器的提升。人作为非常重要的生产要素,具有极大的潜力,在工业系统中应当充分发挥人的创造性、敏捷性等各种能力。另外,人作为工业创造的主体,工业的目的应当是服务于人。工业5.0再次将工业发展的目标拉回到以人为中心,包括人的生存环境、人的生活环境、人的工作环境、人的个人隐私和人的社会价值体现等,而不仅仅是生产力提升和经济增长。

       (5)工业5.0的目标之一是实现“碳达峰碳中和”

       工业推动经济发展不能以破坏环境和大量消耗资源为代价,而应该是可持续发展。多数经济体在工业发展初期均已破坏环境和消耗资源为代价促进经济增长,但是在21世纪的今天,环境的问题凸显,资源的有限也是需要面对的难题。显然,在全球气候变暖背景下,“碳达峰碳中和”是工业5.0要达到的一个目标。

       (6)工业5.0突出了工业体系的健壮性和抗风险能力

       全球疫情的发生给工业的发展带来了新的思考,如何构建更加稳定和健壮的工业体系是应对全球风险和不确定性的关键。工业5.0注重工业的健壮性和抗风险能力,是工业全球化和分工精细化发展趋势下要解决的另一大难题。

       (7)工业5.0是对工业4.0在技术和理念方面的双重提升

       工业5.0远远超出了工业4.0定义的范畴。工业5.0不仅仅包含工业4.0当中所提到的数字世界与物理世界的深度融合即CPS,更是将人的智慧纳入到其中,形成以人为核心的HCPS系统。不仅如此,工业5.0超出了以往工业革命只注重经济增长的目标,更在环境保护、以人为中心等方面提出了新的要求,在理念上更为先进,也更符合当前社会发展的趋势和所面临的挑战。同时,工业4.0多关注集成,工业5.0在此基础上对集成后的稳健性进行了愿景描述,是对工业4.0的一个补充。因此,工业5.0不仅在理念上对工业4.0有了较大的提升,注重了当前工业发展过程中存在的突出问题,包括环境问题、就业问题、应对突发事件的能力问题等。同样,理念上的提升对技术也提出了更高的要求,其在技术层面也对工业4.0已有的使能技术进行了扩展,包括机器智能与人的智慧的深度交互、人-机-物-环在知识层面的交互协同与共融、可持续制造、绿色制造、工业知识体系构建等。

3 工业5.0与社会5.0

       “社会5.0”(Society 5.0)是日本政府在2016年1月推出的“第五期科学技术基本计划(2016—2020)”中提到的新型社会形态,也被称为“超智能社会”。具体而言,是指人类的社会发展经历了五个阶段,如图4所示[22]。
人类社会发展的五个阶段
图4 人类社会发展的五个阶段

       在“社会”这一概念中,人们的生活保障方式直接关系到社会建设方式。后缀数字“1.0”到“5.0”,与历次工业革命的时间尺度截然不同,而且要长得多。其中,在前工业化时期(直到18世纪末),分别对应“狩猎社会(社会1.0)”、“农耕社会(社会2.0)”。“社会3.0”是一个工业社会,大致对应第一次、第二次和第三次工业革命的部分时期。“社会4.0”的特点是“信息”占主导地位,可以说它是从第三次工业革命的高度数字化时期开始演变至今。“社会5.0”是一种对未来假想的新型社会形态,是能够细分掌握社会的种种需求,并超越年龄、性别、地区和语言差异,将必要的物品和服务,在必要的时间、以必要的程度提供给需要的人,让所有人都能享受优质服务、快乐舒适生活的社会。

       工业5.0与社会5.0在理念上有许多相似之处,主要体现在:

       ①以人为中心:两者提出的出发点均是以人为中心。工业5.0旨在突出人在工业中的主导地位,并解决与人相关的就业、隐私、技能培训、工作环境、生活环境等社会问题;社会5.0则是一个“以人为中心”的社会,其目标就是要为人提供优质、高效、个性化的按需服务。

       ②经济发展与社会问题的平衡:前四次工业革命都只注重工业对经济发展的推动作用,却忽略了就业、环境污染、气候变暖、资源短缺等社会和环境问题。工业5.0和社会5.0则不局限于制造业,而是要在经济发展与解决社会问题之间取得平衡,并认为未来的工业发展将能够帮助应对当前存在的各类社会问题和疫情等未知风险。

       ③问题导向:社会5.0是日本为解决本国存在的人口老龄化、少子化、资源能源相对匮乏等社会问题而推出的工业和社会发展战略,旨在通过整合物理空间和虚拟空间,来应对更大的社会挑战。欧盟推出工业5.0也是期待未来欧洲工业的发展能够符合绿色新政,并解决人的就业、隐私、技能培训、疫情等一系列社会问题,从而稳健地提供繁荣。

4 工业5.0的三维体系架构

       目前国内外对工业5.0的系统性研究成果较少,本文从价值维、组织维、目标维构建工业5.0的三维体系架构,如图5所示。
工业5.0的三维体系架构
图5 工业5.0的三维体系架构

       (1)工业5.0的价值维

       在研发设计环节的价值创造和优化主要体现在产品创新方面。工业4.0主要通过数字化、网络化、智能化等技术来实现面向客户需求的个性化定制设计或优化产品的功能和性能,进而提高产品的附加值;或通过研发设计模式的创新升级来提高产品研发的效率和质量,缩短新产品上市周期。其目标主要是通过满足客户个性化需求、优化产品功能和性能等手段实现产品价值增值,从而提升企业的盈利能力和市场竞争力,拉动经济增长。工业5.0则不同,其目标不仅仅是经济增长,因此需要在工业4.0的基础上,通过面向环境友好的产品设计、面向可回收和再制造的产品设计、基于平台的众创众包设计、数字孪生增强的创新设计等技术手段实现以人为中心、绿色环保可持续等目标。

       在生产制造环节的价值创造和优化主要体现在生产智能化方面。工业4.0阶段主要通过具有自治能力的智能工业系统以及人、机、物等工业全要素在数据和信息层面的互联等手段来全面提升车间生产和管理水平,从而实现高效、柔性、优质、安全生产,进而提高企业对市场波动、客户个性需求等不确定性因素的快速响应能力。工业5.0阶段主要通过人、信息系统、物理系统的深度融合以及人、机、物等工业全要素在知识层面的互联来大幅提升车间生产和管理水平,充分发挥人在生产过程中的创造力、决策力、经验知识和应对突发事件的快速响应能力,并在实现高效优质生产的同时考虑能耗、资源消耗、有害物质排放含量等环境指标,从而实现低碳、绿色、清洁生产,减少资源和能源浪费,确保工业发展的可持续性。

       在运维服务阶段的价值实现主要体现在服务模式融合创新方面。工业4.0阶段一方面实现以用户为中心的智能化服务,如在线个性定制、远程运维、预测性维护等,另一方面实现价值链延伸和服务模式创新,如服务型制造业、云制造服务等。工业5.0阶段则可以在工业4.0的基础上,通过虚拟现实、增强现实、混合现实等手段探索出更多以用户为中心的智能化体验服务,比如产品线上体验、产品使用和维修远程培训等。

       在报废回收阶段的价值实现主要体现在产品的再制造。工业4.0并没有对产品的报废与回收环节进行过多的考虑;工业5.0一方面通过产品的回收利用与再制造技术来推动绿色环保可持续目标的实现,另一方面也可以提高资源利用率,减少新产品的制造成本。

       此外,研发设计、生产制造和运维服务等各环节的大集成作为工业4.0的重要特征,也是工业5.0实现价值创造和优化的重要方面。除此以外,把产品报废、回收或再制造过程纳入整个集成环节将是工业5.0额外关注的重点。

       (2)工业5.0的目标维

       工业5.0的目标维度代表了其相对于工业4.0关注点的不同。工业5.0在关注工业生产力和生产效率提升带来社会经济增长的同时,也关注以人为中心的价值观的体现、地球环境的保护以及工业体系的健壮性。关注点的不同对产品研发设计、生产制造、运维服务和报废回收等各价值链环节也提供了新的价值增长方向,也对使能技术提出了不同的要求。比如在经济增长方面,人-机-物-环在知识层面的交互、协同与共融是其中的关键技术之一;在以人为中心方面,通过多种技术的融合构建智能单元HCPS、智能系统HCPS、智能系统之系统HCPS是关键;在绿色环保可持续方面,绿色制造、可持续制造是关键;在工业体系的健壮性方面,如何通过复杂网络和数字孪生构建工业产业链、价值链、物流链的复杂关联关系并进行准确分析和动态优化是关键。

       (3)工业5.0的组织维

       与工业4.0类似,实施工业5.0的组织维主要包括智能单元、智能系统和智能系统之系统三个层次。智能单元是实现工业5.0经济增长、以人为中心、绿色环保可持续和工业体系健壮性目标的最小单元,是由人、信息系统和物理系统深度融合而成的单元级HCPS。智能系统则是由多个智能单元通过工业互联网集成而成的系统级HCPS,比如智能产线、智能车间、智能工厂、智能企业。智能系统之系统(System of Systems,SoS)是通过工业互联网实现跨系统、跨平台、跨行业的集成,形成系统之系统级HCPS,比如智能供应链、智能产业链、智能工业、智能社会。

       在智能单元层面,工业4.0以CPS为核心,打造具有自感知、自分析、自决策、自适应、自学习的智能装备,包括智能机床、智能加工中心、智能机器人、智能AGV(Automated Guided Vehicle)小车等。工业5.0则以HCPS为核心,通过人、信息系统、物理系统的深度融合,实现高效协作、知识分享和能力提升。

       在系统层面,以工厂为例,工业4.0主要通过工业物联网实现人、智能机器、物料、环境的实时感知与数据互联互通,进而实现大规模个性高效定制生产。工业5.0则不仅要实现人、机、物、环等生产要素的数据互联,更要实现人、机、物、环在智能层面即知识的互联,真正实现具有“智能”的工厂。在系统之系统层面,工业4.0主要通过工业互联网实现企业间和产品全周期端到端的信息集成,工业5.0则要通过构建知识图谱实现生产链、价值链和产业链的知识集成与互联,进而实现知识驱动的智慧工业。

5 工业5.0的使能技术

       结合所构建的工业5.0总体架构,建立如图6所示的工业5.0使能技术体系。
工业5.0的使能技术体系
图6 工业5.0的使能技术体系

       (1)以人为中心的HCPS关键实现技术

       如前所述,在工业5.0阶段,工业系统将是考虑地球环境边界的,人、信息系统、物理系统深度融合的HCPS,其不仅能够实现人-机-物-环间的数据和信息交互,更要实现在知识层面的交互;不仅仅是相互感知,更是相互认知,甚至相互学习和彼此提升。

       ①制造领域技术

       制造领域技术是指HCPS中的物理系统所涉及的技术,是通用制造技术和专用领域技术的集合。工业的根本仍然是制造,因此制造领域技术是工业5.0的使能技术之一,也是工业5.0的本体技术。制造领域技术覆盖面非常广泛,既涉及离散型制造和流程型制造,又覆盖研发设计、生产制造、运维服务、报废与回收等产品全生命周期各环节。制造领域技术可以从多个角度进行分类,按工艺原理包括切削加工技术、铸造技术、热处理技术、装配技术、增材制造技术等。

       在HCPS系统中,人依然是核心,信息系统是辅助,其需要帮助人对物理系统进行必要的感知、认知、分析、决策和控制,以使物理系统以尽可能优的方式运行,甚至可以辅助提升人的技能和促进彼此的知识增长。实现该目标的使能技术主要包括三部分:机器智能技术、人机协同技术和数字孪生技术。其中机器智能技术是信息系统的核心,人机协同技术是HCPS系统运行的核心,数字孪生技术是HCPS系统稳健运行的保障。

       ②机器智能技术

       针对单元级的HCPS,根据信息系统的功能,机器智能技术主要包括智能感知、自主认知、自主决策和智能控制。其中,1)全方位、多维度、多时空尺度的智能感知是实现认知、决策和控制的前提。2)认知是决定决策和控制效果的关键,其任务是有效获得实现系统目标所需的知识。3)决策的任务是评估系统状态并确定最优行动方案。4)控制的任务是根据决策结果对系统进行操作调整以实现系统目标。

       ③人机协同技术

       人机协同技术主要包括认知层面的人机协同、决策层面的人机协同、控制层面的人机协同以及人机可靠安全交互等,具体包括大数据智能、人机混合增强智能、群体智能、跨媒体智能等能够实现协同认知、决策和控制的人工智能2.0技术;实现人机物理层面可靠交互的人机协同机器人技术;实现人机虚实可靠交互的3R技术,即虚拟现实(Virtual Reality,VR)、增强现实(Augmented Reality,AR)、混合现实(Mixed Reality,MR);实现人机信息安全交互的区块链技术;实现人机可靠交互的工业5G、工业6G等信息高可靠硬实时传输技术。

       ④数字孪生技术

       数字孪生技术主要包括HCPS高保真建模、HCPS运行分析、HCPS运行仿真与优化,用于实现对HCPS系统整体运行状态的监控、模拟、仿真、预测和优化。

       ⑤集成与全局优化技术

       系统级与系统之系统级HCPS的本质特征在于系统集成与资源优化配置。根据系统集成的广度与深度的不同,可划分为多个层次,如产线级、车间级、企业级、行业级甚至是跨行业跨区域的开放、协同与共享的产业生态。根据系统集成的高度的不同,可以划分为多个维度,如数据集成、信息集成和知识集成。工业4.0更多关注数据和信息的集成,工业5.0则注重知识的集成。

       在前述单元级HCPS关键技术基础上,系统级与系统之系统级HCPS新的关键技术包括三方面:一是工业智联网、工业云平台、工业大数据等支撑技术。二是系统集成技术,并侧重知识集成和知识自动化技术。知识自动化,在广义上目前暂无精确的定义,粗略上可以理解为是一种以自动化的方式变革性地改变知识产生、获取、挖掘、分析、理解、优化、实施的有效途径,其关键在于如何将信息与任务、场景和决策准确、及时、在线地整合起来,从而实现自动完成各种知识功能与知识服务,包括知识的互联互通标准、知识提取、知识分享、知识图谱、知识聚类、知识重组、知识学习等。三是实现系统集成管理与决策的技术,如数据和知识驱动的智能决策技术、智能调度技术、智能安全管控技术等。

       (2)绿色制造与可持续制造

       针对工业5.0的环境友好可持续目标,其使能技术主要包括绿色制造技术和可持续制造技术。

       ①绿色制造技术主要包括绿色环保材料、绿色设计绿色加工、绿色装配、绿色调度等技术。

       ②可持续制造技术主要包括面向再制造的设计、检测、加工、装配和服务技术,面向再制造的制造系统技术、可回收技术等。

       (3)复杂网络和数字孪生

       针对工业5.0的健壮性目标,其使能技术主要包括复杂网络建模技术和数字孪生技术。通过构建价值链、产业链、供应链、物流链上各企业间的复杂关联关系网络模型,结合数字孪生技术,实现对工业体系运转状态的全面实时监控、模拟、仿真、预测与优化控制。

6 工业5.0的实现路径

       为实现工业5.0经济增长、以人为中心、绿色环保可持续和健壮性等四个目标,需要采用不同的实现路径。

       (1)工业5.0经济增长目标的实现路径

       工业5.0时代突出知识的赋能作用,其核心是数据信息集成基础上的知识集成与互联,因此要加快推进多层次融合式的智慧工业建设。具体包括:①针对系统和系统之系统的HCPS,工业4.0时代多以基于信息流互动的工业互联网发展为主,其关键是通过数据的自动流动驱动业务流程的自动化。因此,需要对基于知识流互动的新一代工业互联网开展研究,从而提前布局和支撑智慧工业的建设。②以需求为导向,以不同的应用场景为驱动,不断挖掘和积累知识,并通过知识的融合与汇聚,构建智慧工业体系,最终实现智慧赋能的生产链、价值链、产业链的全链优化。③发展HCPS不但要形成顶层的规划与设想,同时也要赋能中小企业。因此,在组织维度方面,面向不同行业特点和企业实际,需要建立企业、集团企业和跨企业等多层次融合式HCPS,并实现各层次数据、信息和知识的收集、汇聚与融合,从而推动智慧工业的发展。

       (2)以人为中心目标的实现路径

       为了实现工业5.0以人为中心的发展目标,需要从多个维度着手,具体包括:①在政策层面,要保护人的各类隐私,尤其是人工智能技术快速应用背景下的人的各类数据的隐私,包括个人基本信息、人脸、指纹、聊天记录等;同时,在教育与技能培训等方面也需要升级,使得劳动者能够适应社会和企业的发展。②在技术层面,突出人在生产过程中的核心地位。在产品研发设计、生产制造、运维服务、报废与回收各环节,要充分发挥人的智慧,从人机在物理层面的协同控制、在信息层面的数据交互向人机在智能层面的知识分享的转变,加强人机混合增强智能、群体智能、跨媒体智能等新一代人工智能技术在HCPS中的应用,促进工业创新发展。

       (3)绿色环保可持续目标的实现路径

       在绿色环保可持续方面,企业是主体,但是也需要政府的推动。①在政策层面,要通过减免税收、财政补贴等方式鼓励企业在实现产品质量和生产效率提升的同时,把环境保护和减少资源消耗纳入企业的生产过程管理中;并要采取一些措施,促使企业重视生产过程中的环境问题,比如加大对工业环境污染行为的惩罚力度、采用阶梯式的方式设置工业用电单价等方面。②在技术层面,需要从环保材料、面向可回收和再利用的产品研发设计与制造、工艺过程环保、运维服务环保等多个层次同步推进。

       (4)工业体系健壮性目标的实现路径

       在工业体系的健壮性方面,需要在政府引导下,分析重点行业、产业链、供应链上各企业节点的复杂关联关系并构建相应的复杂网络模型,在此基础上才能够分析、推演和预测网络中的不稳定环节,并通过合理的优化应对可能出现的任何问题。

       最后,需要指出的是,保证社会经济繁荣和促进经济增长仍然是工业5.0首先需要实现的目标。因此,工业5.0的实施不可能一蹴而就,也不可能完全脱离现有实际,而一味追求其它目标,却忽略了工业企业的盈利能力。工业4.0与工业5.0应该并行发展,局部实现从工业3.0到工业5.0的跨越式发展。在实现工业4.0的过程中,比如搭建工业互联网平台、工业云平台、研制基于CPS的高端智能装备等,政府、科研院所、高校、部分有条件的集团企业和大型企业可以开始布局对绿色、清洁、低碳制造技术的研究,加强对工业体系网络建模与分析的研究,提前规划单元级和系统级HCPS、领域知识图谱、专业知识图谱、产品全生命周期各环节知识图谱、工业跨领域跨专业跨环节知识体系构建等前沿技术研究。

7 结论

       工业4.0主要是由新兴技术的潜能驱动,以提高效率和生产力;而工业5.0则是由新出现的社会变革和现实状况推动,为要解决工业与社会之间的协作和“双赢”互动等问题。工业5.0侧重于技术和创新,给工业发展提供了连贯的愿景,是向最新工业模式过渡的必要组成部分。其中,生产必须尊重地球的边界,工业劳动者及其福祉被置于生产过程的中心,工业体系的健壮性也越来越强大。另外,工业4.0使得数据成为企业生产要素组成部分中非常重要的一环,并促进了数字经济的快速发展;工业5.0将推动知识成为企业生产要素的重要组成部分并发挥重要作用,并推动知识经济快速发展。可以说,工业5.0给制造业的技术创新和发展提供了新的理念及新的方向。

       此外,未来的工业能否实现更人本化、更快速、更灵活、更智能、更环保、更健壮的目标,需要政府、企业、教育、科研院所、环保、高等院校等多部门的配合与协作。

       目前工业5.0的内涵讨论与应用还处于初级阶段,仍然有许多问题需要进一步的研究。同时,目前工业5.0的技术研究主要集中在以人为中心的解决方案上,尤其在人机协同和环境友好可持续方面有部分研究成果,但在工业体系的健壮性、工业知识的集成与互联等方面鲜有报导。因此,探讨工业体系的健壮性问题,并通过构建多层次多维度跨行业跨区域的企业关联关系复杂网络模型,将对全球化背景下的工业稳健发展提供一个新的解决方案;研究人-机-物-环在知识层面的集成与互联技术,构建动态且时变的知识自动化系统,从而推动工业知识服务,充分发挥知识在生产链、产业链、价值链中的赋能作用,或将引发百年来工业新业态、新服务、新应用的重大变革。
 
责任编辑:程玥
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