2025工业4.0到工业5.0转型回顾：探索技术与人机协同的交叉、挑战与机遇研究报告

Md. Tariqul Islam†Kamelia Sepanloo†, 吴善浩†, 郑浩宇†和孙英俊* 爱德华森工业工程学院，普渡大学，印第安纳州韦斯特拉斐特，47904，美国；islam70@purdue.edu（M.T.I.）；ksepanlo@purdue.edu（K.S.）；woo75@purdue.edu（S.W.）；woo44@purdue.edu（S.H.W.）*yjson@purdue.edu†这些作者对这项工作做出了同等贡献。 摘要：工业革命（IR）涉及一个长达几个世纪的经济和社会变革过程，这一过程由工业和技术创新驱动。从以农业、手工艺为基础的社会到由人工智能（AI）驱动的现代系统，每一次工业革命都带来了显著的社会进步，同时也引发了关于未来影响的担忧。随着我们从第四次工业革命（IR4.0）过渡到新兴的第五次工业革命（IR5.0），关于人力就业、技术控制和适应等问题也产生了类似的疑问。在这些转变过程中，一个反复出现的主题是我们对未知事物的恐惧，以及对机器可能取代人类硬技能和软技能的担忧。因此，全面准备、批判性讨论和前瞻性政策是成功应对任何工业革命所必需的。虽然IR4.0强调了网络物理系统、物联网（IoT）和由AI驱动的自动化，但IR5.0旨在将这些技术整合在一起，将人、情感、智能和道德置于中心。本文通过突出涉及的技术基础、社会经济影响、挑战和机遇，批判性地审视这一转型。我们探讨了AI、区块链、边缘计算和沉浸式技术在塑造IR5.0中的作用，以及劳动力再培训策略以弥合潜在技能差距。从历史模式中学习将使我们能够应对这个变革时代，并减轻未来的任何不确定性。 学术编辑：拉特纳·巴布·奇纳姆和萨拉·马苏德 收到：2025年3月3日 修订：2025年3月17日 审批通过：2025年3月21日 发布：2025年3月24日 关键词：人工智能（AI）；人机协作；社会经济影响；劳动力再培训；第四次工业革命；第五次工业革命 引用：伊斯兰，M.T.；塞帕诺，K.；吴，S.；吴，S.H.；孙，Y.-J. 从工业4.0到5.0的转型回顾：探索技术与人机协作的交汇、挑战与机遇。机器2025 13, 1. 引言 国际关系（IR）应更多地被视为一种经济转型过程，而不是特定环境中的固定时期。1这种观点承认在全球范围内采用国际关系（IR）时存在空间和时间的异质性。例如，尽管美国和西欧等地区在19世纪末开始经历第二次工业革命（IR2.0），但其他地区，尤其是在亚洲，包括中国、印度和韩国，直到20世纪才启动第一次工业革命（IR1.0）。然而，尽管日本是IR1.0的后来者，但在明治时期加速了其工业增长，到20世纪初已成为IR2.0的重要参与者，为其后来成为亚洲经济奇迹奠定了基础。2]. 版权：© 2025 作者所有。许可方：MDPI，瑞士巴塞尔。本文为开放获取文章，遵循Creative Commons署名（CCBY）许可协议的条款和条件（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这样的工业化和时机变化证明了将国际关系视为变化的连续体而非单一事件的重要性。多项工业和 在这个范围内，技术突破可以在特定的地理区域内重叠。尽管在各个不同红外辐射区域之间存在着不同的技术跳跃，但一些共同因素作为识别新红外辐射区域的试金石。这些因素包括提高的生产力、更好的交通、对新软硬技能的需求、资源增加、政治稳定以及投资所需的金融资本。此外，这些因素之间的相互作用对于不同地区工业转型的步伐和成功具有决定性影响。例如，技术创新与人力资本发展的协同作用可以显著加速经济增长，而基础设施不足或政治不稳定则会阻碍进步，导致发展不平衡。 工业革命的确切开始和结束日期仍然是历史学家们争论的焦点，因为社会和经济变革在不同地区的速度各不相同。然而，历史分析揭示了四个主要转变，这些转变塑造了我们所知的文明。IR1.0，或称为工业1.0，始于18世纪末，随着水力和蒸汽动力机械制造设施的出现。这个时代见证了从手工生产方法到机器的转变，这标志着工业化的开始。詹姆斯·瓦特在1769年发明蒸汽机是一个转折点，它使得生产过程的机械化成为可能，并开启了新的交通时代。3一开始，这种转变被视为贫困和苦难的原因，因为机器在不适当的保护和法规下取代了人力工人。公司和以盈利为目的的组织通过缩短工作时间和降低工资来做出回应。然而，这种转变也通过改善职场沟通和提升生产率，推动了社会进步，为未来的工业进步铺平了道路。 IR2.0，或称工业2.0，出现在19世纪末至20世纪初。这一时期以电力的广泛应用和生产中装配线的开发为特征。4在这段时间内，各行业开始利用天然和人工资源（例如：稀土元素、塑料、合金和化学品），在生产和工具制造中发挥了关键作用，为工厂环境的自动化奠定了基础。此期间的重大进展包括：（1）信号处理技术的引入及其在19世纪70年代电话通信中的应用；（2）通过使用钢材进行的结构改进，导致了第一座摩天大楼的建造；（3）19世纪90年代的创新，例如留声机和电影。此外，发电机和冰箱的引入逐渐取代了IR1.0时代的水和蒸汽动力引擎，这标志着能源利用和生产能力的重大转变。 第三次工业革命（IR3.0）或称为3.0工业，始于20世纪70年代，常被称作数字革命。这个时代见证了电子、信息技术和自动化生产的兴起。可编程逻辑控制器（PLC）和机器人技术的发展显著提高了制造业过程的自动化水平。[4,5此外，计算机和互联网的引入为行业数字化转型奠定了基础，并为随后的工业进化阶段奠定了基础。这一工业革命3.0的一个显著后果是蓝领就业市场的萎缩，这是由于普遍的自动化和生产力提升所驱动的。然而，这种减少并非均匀分布，而是地域性集中的。主要原因在于西方国家开始将生产外包给相对低工资国家，这导致了亚洲经济体内劳动密集型制造业岗位的激增。 工业4.0，或称IR4.0，始于2000年代初，代表着制造业和工业实践的一次飞跃，其特征是将先进数字技术整合到生产过程中。工业4.0标志着网络与物理系统的融合。 物理系统、物联网、大数据分析、云计算和人工智能，催生出优化效率、自动化和基于数据驱动的决策的智能工厂。6–8 IR4.0技术提供了重大机遇，同时也带来了相当大的挑战。一方面，组织可以利用这些技术来改善决策过程，提高生产率，并降低运营成本[。9,10例如，传感技术的集成使得对生产过程的实时监控与控制成为可能，从而提高了产品质量，并最大限度地减少了浪费【】。9尽管工业4.0具有优势，中小企业（SMEs）仍面临巨大挑战，包括财务资源有限、劳动力技能差距以及抵制技术采纳。实施成本高昂加上专业知识不足，为先进自动化和人工智能驱动的决策制定设置了障碍。11–13尽管如此，第四次工业革命的impact不仅局限于运营上的改进，它对可持续性和环境责任也具有更广泛的影响。采用第四次工业革命的做法，通过优化资源利用和减少浪费，有助于实现可持续制造。14,15]. 在工业4.0的基础上，工业5.0正作为一个新范式而非简单的延续而出现。与过去几个世纪展开的工业革命不同，今天技术突破的快速步伐使将IR5.0视为一个独立时代变得合理。从这一观点来看，IR5.0通过强调人机合作为核心原则，在IR4.0范式的基础上发展。工业5.0通过优先考虑人机协作，在工业4.0的自动化和数字化基础上发展。IR5.0不仅仅关注效率，还强调将人类认知能力、适应性和伦理考量融入工业系统，促进人机之间更平衡的协同。16,17]. IR5.0的一些关键组成部分是以人为中心的理念、循环经济和增强的恢复力。这一范式着重于人类的福祉和通过技术增强我们。18例如，协作机器人（co-bots）被设计用于承担重复性和危险的任务，使人类工人能够专注于更具创新性和增值的责任。19这种技术支持提升了工人的职业满意度，并激励他们提高创造性解决问题的能力。20另一个定义性特征是5.0工业对可持续性和循环经济的承诺。认识到地球资源的有限性，IR5.0优先考虑节能生产、减少浪费和道德工业实践。人工智能、物联网和区块链等新兴技术越来越多地被采用，以提升资源优化、网络安全和制造中的环境责任感。21,22同样，韧性，即系统在面对不确定性或危机事件时维持持续运行的能力，在IR 5.0中发挥着关键作用。在这种情况下，韧性不仅关乎恢复，还涉及系统在行业中抵御中断的主动适应和演变。例如，在IR5.0中，AI在数据收集、解释和评估的广泛应用，通过实施预测中断、维护、预测潜在故障和最小化停机时间等先进技术，加强供应链网络，从而使整个供应链更具韧性。 研究人员和行业从业者正勤奋工作，以确保在IR5.0新时代成功整合这些关键组件。不断努力拓展我们的能力和知识边界是实现这一目标的必要条件。因此，本文旨在对从IR4.0的以机器驱动、自动化环境为特征的天然演进到IR5.0更以人为中心的愿景进行关键评估，在这一愿景中，人与机器之间的协作变得至关重要。在本篇综述论文中，我们讨论了那些显而易见地引领突破的进展。 我们朝着这一目标迈进，同时关注那些相对陌生的领域。本次讨论涵盖了来自多学科应用（即科学、工程、人体工程学、心理学和伦理学）的见解，并探讨了将塑造我们未来几十年来居住世界的科技。特别是，我们讨论了物联网、大数据、基于物理学的机器学习、增材制造、机器人和人机交互的应用。此外，我们讨论了人工智能、可解释人工智能和 cyber-physical systems 的发展，特别是关于脆弱性和基于信息的决策。在整个重要工业革命过程中，关于就业保障和提升技能的必要性一直是突出的问题，这篇综述论文也对此进行了探讨。我们将讨论可能出现在这场革命前沿的工具，并研究如何提升劳动力使用这些工具的技能（例如，扩展现实（XR）、脑机接口、生成式AI、人机交互和区块链）将对未来的增长和适应性带来益处。通过分析过去趋势和新兴技术转变，本研究为定义向第五次工业革命过渡的挑战和机遇提供了关键见解。 剩余的这篇论文结构如下。章节2讨论了确定本研究范围所使用的方法。章节3探讨工业4.0的技术基础，详细阐述物联网、大数据和软硬件结合系统等关键进展。第X节4讨论了5.0工业的兴起，强调了向人机协作、可持续性和韧性转变的趋势。章节5检查这一转型所带来的社会经济影响，包括劳动力提升和伦理考量。章节6提供促进这一转变的关键工具和技术，而本节介绍7概述了各行业中的现实应用和机会。最后，章节8应对第五产业的挑战和未来发展方向，最后以对不断演变的工业格局的洞察作为总结。 2. 方法 为了确定本综述论文的范畴，我们进行了一项广泛的文献计量网络分析。最初，我们从“工业革命”关键词在Scopus数据库中检索出超过30,000个文档，然后筛选至大约19,000个文档，仅包括文章、会议论文和书籍章节。将这些选择的文档的标题、摘要、关键词和作者信息导出为RefWorks（RIS）格式。随后，我们使用VOSviewer软件1.6.20对收集到的文献计量数据进行排序、分析和可视化，如图所示。1这是一个广泛用于构建和可视化期刊、作者和关键词文献计量网络的工具。文献计量网络可以展示不同类型的关系，包括引用、关键词共现、共引和共同作者。在这些网络可视化中，每个项目都由其标签表示，每个圆圈的大小反映了关键词或作者的显著性或频率。圆圈越大，项目的权重或频率就越高。每种颜色代表一个紧密相关的项目集群，两个关键词之间的距离大致表示它们基于共现的相关性；关键词彼此越接近，它们之间的联系就越强。这里展示的从选择的19,000篇Scopus索引文档中关于“工业革命”的关键词共现可视化，成为了本论文范围的一个指南。通过我们的分析，我们在关键词图中确定了三个主要集群：一个围绕着工业4.0，另一个专注于人工智能和物联网，第三个强调可持续性和以人为本的方法。 同样，我们生成了一个文献计量作者网络（图2），该网络突出了我们观察到的最占主导地位的研究集群是“工业4.0”，这是一个核心主题。在工业革命中的突出研究合作与主题分组连接多个领域，如智能制造、供应链、数字