Mariia Golovianko a,*, Vagan Terziyan b, Vladyslav Branytskyi a, Diana Malyk a
a Departamento de Inteligencia Artificial, Universidad Nacional de Radioelectrónica de Kharkiv, 61166, Kharkiv, Ucrania
b Facultad de Tecnología de la Información, Universidad de Jyväskylä, 40014, Jyväskylä, Finlandia
Abstracto
La fabricación inteligente está siendo moldeada hoy en día por dos paradigmas diferentes: la Industria 4.0 proclama la transición a la digitalización y la automatización de procesos, mientras que la emergente Industria 5.0 enfatiza el enfoque humano. Este giro puede explicarse por los desafíos sin precedentes que enfrentan las sociedades recientemente, como el cambio climático global, las pandemias, la guerra híbrida y convencional, las crisis de refugiados. Los procesos sostenibles y resilientes requieren que los humanos vuelvan al circuito de la toma de decisiones organizacionales. En este artículo, argumentamos que la forma más razonable de unir los dos extremos de la automatización y los procesos impulsados por humanos basados en valores es crear un híbrido de Industria 4.0 + Industria 5.0, que herede las características más valiosas de ambos: la eficiencia de los procesos de la Industria 4.0 y la sostenibilidad de las decisiones de la Industria 5.0. Los clones cognitivos digitales que hermanan el comportamiento humano de toma de decisiones se representan como una tecnología habilitadora para el futuro híbrido y como un acelerador (así como un facilitador de la resiliencia) de la convergencia de los mundos digital y humano.
© 2022 Los autores. Publicado por Elsevier B.V.
Este es un artículo de acceso abierto bajo la licencia CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0)
Revisión por pares bajo la responsabilidad del comité científico de la 4ª Conferencia Internacional sobre Industria 4.0 y Fabricación Inteligente
Palabras clave: Industria 4.0, Industria 5.0, clones digitales, inteligencia colectiva, resiliencia
Introducción
El progreso tecnológico sin precedentes revoluciona y acelera las industrias modernas. La Industria 4.0 [1] tiene como objetivo permitir tal nivel de digitalización, interconexión, automatización e inteligencia que el papel de un ser humano en los procesos industriales se vuelve cuestionable. Da un impulso a la discusión multidisciplinaria sobre el futuro de las transiciones digitales: ¿qué traerá la Industria 5.0 y más allá? Anteriormente en [1], dos direcciones de desarrollo para la Industria 4.0
1877-0509 © 2022 Los autores. Publicado por Elsevier B.V.
Este es un artículo de acceso abierto bajo la licencia CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0)
Revisión por pares bajo la responsabilidad del comité científico de la 4ª Conferencia Internacional sobre Industria 4.0 y Fabricación Inteligente 10.1016/j.procs.2022.12.206 se han introducido: (i) enormes cambios operativos para abordar los desafíos sociales, económicos y políticos, como la reducción de los períodos de desarrollo (tiempo de comercialización), la individualización bajo demanda (de un mercado de vendedores a un mercado de compradores), una mayor flexibilidad en el desarrollo de productos, una toma de decisiones descentralizada y más rápida; eficiencia y sostenibilidad de los recursos económicos y ecológicos, y (ii) un impulso tecnológico excepcional en las prácticas industriales. El cambio tecnológico se ha previsto como la rápida transformación digital y la automatización de los procesos de fabricación y negocio, incluida la toma de decisiones autónoma impulsada por la Inteligencia Artificial (IA). Desde la perspectiva del entorno sandbox modelado, todo parecía lógico: la Industria 4.0 es un ecosistema de fábricas inteligentes con componentes altamente descentralizados, inteligentes, autónomos y proactivos que impulsan los procesos de control de producción [2].
Sin embargo, los procesos globales, que surgen en la vida real, tienen un gran impacto en la configuración del futuro panorama industrial y en las proyecciones ideales elaboradas.
El cambio climático, que está ocurriendo en este momento, es uno de los mayores desafíos que la humanidad ha enfrentado. Según [3], la crisis climática impulsada por las emisiones de gases de efecto invernadero provoca un aumento de las temperaturas, incendios, sequías e inundaciones, y trae importantes alteraciones a los ecosistemas, la sociedad y las economías. Si la gente no actúa ahora (aplicando una combinación de políticas informadas y toma de decisiones), el daño del cambio climático será grande, más duradero y hará que las revoluciones industriales impulsadas por la tecnología sean inútiles.
Otro desafío global es causado por la pandemia de COVID-19, que ha tenido un efecto devastador en la salud pública y ha amenazado a las sociedades y economías de todo el mundo. La pandemia ya ha traído cambios significativos a los procesos y políticas industriales. Las soluciones recientemente desarrolladas se están convirtiendo en una parte integral de la visión pospandémica de la Industria 4.0, en la que se ha recuperado o mejorado el enfoque en el ser humano [4]. Las políticas de recuperación de la industria que abordan tanto el cambio climático como las crisis de COVID-19 se estudian en [5]. Se cree que toda la ayuda sectorial debe estar condicionada a la centralidad humana (en particular a una mayor participación de los recursos humanos) y a las cadenas de suministro con bajas emisiones de carbono dentro de la fabricación inteligente.
La crisis geopolítica mundial actual y las amenazas híbridas relacionadas (guerras híbridas), que incluyen: amenazas de ciberseguridad en forma de ciberataques masivos; guerras (como la agresión de Rusia contra Ucrania); Crisis humanitarias y de refugiados relacionadas, todas ellas tienen un enorme impacto en la industria y la economía mundiales y, en particular, en la Industria 4.0 y la fabricación inteligente (véase, por ejemplo, [6], [7], [8], [9] y [10]). El mundo requiere un nivel mucho mayor de resiliencia de procesos, sostenibilidad de la producción y calidad en la toma de decisiones, por lo que se ha previsto la participación humana de acuerdo con el concepto de Industria 4.0. Esto explica la creciente popularidad del concepto de Industria 5.0, que (a diferencia de la Industria 4.0) se supone que devuelve a los humanos al bucle del control de los procesos industriales y es un intento de abordar las preocupaciones emergentes de resiliencia como [11], [12] y [13].
Dado que algunas industrias han comenzado recientemente su transformación digital hacia la Industria 4.0, algunas planean avanzar directamente hacia la Industria 5.0 y otras están forzando la transformación de la Industria 4.0 a la Industria 5.0, se puede esperar un cierto período de coexistencia de los dos conceptos. En este artículo, estudiamos los pros y los contras de la industria 4.0 a la transformación de la Industria 5.0 y discutir las posibilidades de su coexistencia de forma aislada entre sí. Sin embargo, nuestra suposición es que un híbrido de Industria 4.0 e Industria 5.0, que heredará las principales características de ambos conceptos, sería la mejor opción para proceder, apuntando a una nueva generación de industrias inteligentes, eficientes y resilientes. Sugerimos las siguientes preguntas de investigación para este estudio: ¿es posible integrar los dos conceptos (la Industria 4.0 centrada en la automatización y la Industria 5.0 centrada en el ser humano) y sus correspondientes artefactos tecnológicos en un híbrido eficiente y sostenible?
El resto del documento está organizado de la siguiente manera: La Sección 2 presenta el trabajo relacionado, en particular, la Subsección 2.1 ofrece una breve revisión sobre el concepto de Industria 4.0 (humano fuera del bucle) y, en contraste, la Subsección 2.2 proporciona una descripción general del concepto de Industria 5.0, que requiere que el ser humano vuelva al bucle; en la Sección 3, discutimos las dos opciones: transición de la Industria 4.0 a la Industria 5.0 frente a la Industria 4.0 – Coexistencia de la Industria 5.0 de forma aislada; en la Sección 4, argumentamos a favor del enfoque híbrido (Industria 4.0 + Industria 5.0) impulsado por clones digitales de humanos y proporcionamos un breve resumen de nuestro trabajo relevante para el desarrollo de dicho híbrido; en la Sección 5, hacemos una revisión del concepto de inteligencia colectiva, que es una abstracción adecuada para describir las propiedades esperadas de la industria híbrida; en la Sección 6, describimos brevemente el concepto de resiliencia en el contexto del híbrido potencial, y concluimos en la Sección 7.
1. Trabajo relacionado
- Revisión de la Industria 4.0 (humano fuera del circuito)
La Industria 4.0 está asociada a la transformación digital de los procesos industriales (fabricación, producción, creación de valor, etc.) pilotada por la industria alemana. La transformación se centró en las fábricas inteligentes que se benefician de los sistemas ciberfísicos, el Internet de las cosas, la computación en la nube, la IA, el aprendizaje automático y la computación cognitiva. El concepto de «Industria 4.0» [14] se ha introducido para promover la idea de autonomía de la máquina (y, por lo tanto, del proceso). En [15], la Industria 4.0 se considera una nueva visión de un entorno de fabricación libre de humanos compuesto por producto, inteligencia, comunicación de máquina a máquina y redes.
Se ha proporcionado una excelente revisión sobre la Industria 4.0 en [16]. Argumenta que el paradigma de la Industria 4.0 asume que: los robots serán más dominantes en la fabricación; los sistemas autónomos tomarán más decisiones por sí mismos; los procesos se coordinarán y los problemas se resolverán sin la participación humana; y la mayor parte de la comunicación participará entre máquinas en lugar de entre humanos. Esta fabricación inteligente debería mejorar la eficacia de la recopilación y el análisis de datos, hacer que los sistemas y procesos sean más consistentes, robustos y ágiles y, por lo tanto, aportar modelos de negocio más eficientes. Para Oztemel y Gursev [16], es obvio que la fabricación del futuro (de acuerdo con la filosofía de la Industria 4.0) será más inteligente, flexible, adaptable, autónoma, no tripulada y basada en sensores.
Sin embargo, la necesidad de enfoques centrados en el ser humano ya se ha reconocido en el contexto de la Industria 4.0. Longo et al. [17] propusieron una pirámide de Internet industrial (mediante la combinación de tecnologías relacionadas con gemelos digitales orientados a servicios, ontologías, realidad aumentada, etc.) como un paradigma de fabricación emergente centrado en el ser humano dentro de la Industria 4.0 con los empleados de fabricación desempeñando el papel central. Antes de eso, Longo et al. [18] notaron que, en el entorno de trabajo muy dinámico de la Industria 4.0, se requiere que los operadores humanos sean altamente flexibles y demuestren capacidades de adaptación. El estudio dio como resultado un marco para operadores aumentados, que se basa en asistentes digitales personales inteligentes. Los experimentos de campo han demostrado que el enfoque está centrado en el ser humano, ya que demostró un impacto real en el aprendizaje de los operadores. El marco se ha desarrollado aún más promoviendo el concepto de «operadores inteligentes» como facilitadores de la centralidad humana [19].
- Revisión de la Industria 5.0 (human-back-into-the-loop)
Después de unos diez años desde la introducción de la Industria 4.0, la Comisión Europea anunció la Industria 5.0 como respuesta a los desafíos sociales emergentes [12]. La Industria 5.0 apareció como una visión de la industria que apunta más allá de la eficiencia y la productividad hacia el respeto a los valores humanos y la contribución a las necesidades vitales de la sociedad. Pone el bienestar de los trabajadores junto con otros valores humanos (con respecto a los empleados, los clientes y la sociedad en general) en el centro de los procesos de fabricación/producción [20]. También respeta los límites de producción con respecto a la ecología de nuestro planeta. Se considera una transición a una industria centrada en el ser humano [11], sostenible [21] y resiliente [13]. Javaid y Haleem [22] creen que la industria moderna necesita la transición del uso eficiente de la automatización industrial (Industria 4.0) hacia la creación de un nuevo valor a partir del replanteamiento crítico de los recursos humanos (Industria 5.0). Según Maddikunta et al. [23], la Industria 5.0 requiere tanto una actualización de las tecnologías habilitadoras (por ejemplo, edge computing, gemelos digitales, robots colaborativos, Internet de todo, etc.) como la creación de nuevas aplicaciones (por ejemplo, en la atención médica inteligente, la fabricación en la nube, la gestión de la cadena de suministro, etc.). Javaid et al. [24] describen tecnologías y aplicaciones que se ajustan al concepto de Industria 5.0 y están diseñadas específicamente para abordar el desafío de COVID-19.
El estado actual de la Industria 5.0 con respecto a las tendencias de investigación relacionadas se ha analizado en [25]. Se ha observado que las tendencias relacionadas con la IA, el big data, la cadena de suministro, la transformación digital, el aprendizaje automático y el Internet de las cosas, siguen estando entre los impulsores clave de la Industria 5.0, al igual que lo fueron para la Industria 4.0.
Tanto la Industria 4.0 como la Industria 5.0 se basan en el uso extensivo de la IA. Sin embargo, los informáticos que trabajan bajo el marco de la Industria 5.0 suelen hablar de «IA débil», que se utiliza para tareas específicas y es comprensible y manejable por los humanos. Por lo tanto, el concepto de «humano en el bucle» se considera una fortaleza, ya que fomenta la cooperación transparente hombre-máquina, sobrevive a los modos degradados en caso de falla del equipo y permite tomar decisiones éticas. Como ha notado Vogt [26], quienes trabajan bajo el paraguas de la Industria 4.0 apoyan la «IA de caja negra», que casi no ofrece control humano.
Las necesidades de humanización de la evolución de la Industria 4.0 y las correspondientes tendencias de transformación de la Industria 4.0 a la Industria 5.0 están relacionadas con el concepto de Operador 4.0 y su evolución hacia el Operador 5.0. El concepto de Operador 4.0 se ha introducido en [27] como una perspectiva centrada en el ser humano de la cuarta revolución industrial y una especie de simbiosis humano-automatización. Más tarde, la necesidad de agregar la dimensión de resiliencia a esta definición de concepto dio como resultado el concepto de Operador 5.0 [28], que asume la resiliencia frente a una variedad de factores que afectan los procesos de trabajo y los lugares de trabajo. Según [29], la visión resiliente del Operador 5.0 se centra, por un lado, en crear «autoresiliencia» para la fuerza laboral debido a sus debilidades y fragilidad naturales (humanas) y, por otro lado, en la «resiliencia del sistema» para garantizar el funcionamiento óptimo del sistema general debido a una colaboración más inteligente entre operadores y máquinas. Por lo tanto, los marcos y plataformas de realidad mixta deben usarse para capacitar a dichos profesionales.
¿Cuáles son las opiniones más allá de la Industria 5.0? Kuosmanen et al. [30] abordan los posibles caminos que debe tomar la industria finlandesa para obtener el liderazgo en la futura Industria 6.0. Creen que la reciente situación económica mundial, que se ve afectada por muchas crisis y riesgos nuevos, requiere una revolución industrial completamente nueva, que se centrará en la «antifragilidad» para aumentar nuestra resiliencia a futuros factores de estrés y choques globales. Kuosmanen et al. ([30], p.7) definen la Industria 6.0 como la «… fabricación ubicua, impulsada por el cliente, virtualizada y antifrágil», que permite fábricas multidominio hiperconectadas centradas en el cliente, con cadenas de suministro dinámicas, donde el ser humano (como trabajador de producción) se convierte en parte del entorno interconectado, digitalizado y optimizado. Duggal et al. [31] creen que la futura Industria 6.0 se asociará con el salto cualitativo previsto en un mayor desarrollo de la IA en general y de la robótica en particular, que será ampliamente adoptado e integrado en nuestro estilo de vida diario. Como ejemplo de esta «otra IA» para la Industria 6.0, Duggal et al. [31] espera que la IA sea entrenada para establecer restricciones estructurales basadas en el perfil físico del usuario. Esto podría conducir a un sistema de fabricación más inteligente en el que el usuario ni siquiera tenga que ingresar las especificaciones del producto para realizar el producto. Dichos perfiles de usuario podrían diseñarse como gemelos digitales de los usuarios, como se menciona en [32], para marcar la diferencia en el concepto de Industria 6.0.
2. De la Industria 4.0 a la Industria 5.0: ¿complemento o sustitución?
En esta sección, compararemos dos formas de abordar la Industria 4.0 y la Industria 5.0 simultáneamente: o bien su coexistencia en relativo aislamiento entre sí o bien la transformación destinada a sustituir la Industria 4.0 por la Industria 5.0.
- Coexistencia
La Industria 4.0 a menudo se reconoce como una industria impulsada por la tecnología, mientras que la Industria 5.0 es una industria impulsada por el valor. La Industria 5.0 complementa y amplía las características de la Industria 4.0; por lo tanto, son capaces de coexistir [33]. La indicación de tal coexistencia es el surgimiento de una especie de Tecno-Revolución Social (o quizás Tecno-Revolución Social), con la tecnología como la herramienta habilitadora y las necesidades sociales como el objetivo final. Observamos la transición del concepto de Sistemas Ciberfísicos dentro del contexto de la Industria 4.0 a Sistemas Ciberfísicos-Sociales dentro del contexto de la Industria 5.0. La coexistencia exitosa de la Industria 4.0 y la Industria 5.0 significaría un aumento de la productividad sin eliminar a los trabajadores humanos de los procesos de fabricación. Nahavandi [11] sugiere la visión de la Industria 5.0, donde los componentes robotizados se entrelazan con el cerebro humano y funcionan como colaboradores en lugar de competidores. Esta visión asume que la Industria 5.0 creará más empleos de los que eliminará. Una revisión reciente [34] sostiene que ambos marcos pueden coexistir, mientras que la Industria 5.0 complementará el paradigma existente de la Industria 4.0 con la orientación al trabajador, cuyo papel se ha enfatizado durante la pandemia de COVID-19.
- Transición
Otra opción es la transformación de la Industria 4.0 a la Industria 5.0. Saniuk et al. [35] sugieren que el proceso de transición debe abordar las expectativas sociales clave y centrarse en tres áreas de desarrollo: centrado en el ser humano, sostenible y resiliente, con especial énfasis en los principios de desarrollo sostenible y calidad de vida. La transformación hacia la digitalización de la economía centrada en el ser humano también implica cambios dentro de las estrategias de inversión y las políticas gubernamentales adecuadas. La gente debe ver que la transformación de la industria es en realidad un camino hacia el desarrollo y la calidad de vida de la persona promedio. Ungureanu [36] destaca la importancia de la
impacto económico personificado para el exitoso proceso de transformación de la Industria 4.0 a la Industria 5.0 a través de la implementación de la regla de las 4C: pensamiento crítico, comunicación, colaboración y creatividad. Se cree que este instrumento reconoce mejor el valor del capital humano debido a la transformación. Una revisión reciente [37] considera el papel clave de las tecnologías de la información y la comunicación en el proceso de transformación, que se centra en la sostenibilidad en lugar de la productividad. Jafari et al. [38] cree que la incorporación de la centralidad humana, la resiliencia y la sostenibilidad en los procesos inteligentes de la Industria 4.0 de acuerdo con las demandas de la Industria 5.0 emergente requiere repensar y reconsiderar las coincidencias tecnológicas. El nuevo papel humano en la transición tecnológica debe centrarse predominantemente en el desarrollo sostenible en las dimensiones económica, ambiental y social. Es interesante que, aunque la Industria 5.0 ha dado un giro hacia el enfoque humano, se ha informado de cierta resistencia por parte de los empleados [39]. Se debe a que la velocidad del cambio tecnológico es mucho mayor que la velocidad de reacción de los empleados.
- Un híbrido
En la siguiente sección se analizará en detalle un híbrido previsto (artefactos integrados de la Industria 4.0 + Industria 5.0), en lugar de su coexistencia o transición. Sin embargo, presentamos brevemente aquí el desafío de la integración. En realidad, no se supone que los puntos de vista y las implementaciones de la Industria 4.0 tengan completamente el eslogan «humano-fuera-del-bucle» y, del mismo modo, los puntos de vista e implementaciones de la Industria 5.0 no implican completamente el eslogan «humano-de-vuelta-al-bucle». Ambos conceptos son en realidad difusos y pueden describirse mediante variables lingüísticas (de acuerdo con la teoría de conjuntos difusos) como se muestra en la Fig. 1. Se puede ver que cualquier implementación existente de artefacto de fabricación inteligente, dependiendo del nivel de participación humana, puede pertenecer tanto a la Industria 4.0 como a la Industria 5.0 con diferentes grados de membresía. Lo que está claro es que la Industria 5.0 supone una mayor participación humana, pero aún no está claro (difuso) cuánto más, es decir, se desconocen las ubicaciones exactas de los puntos «B» y «D» en la figura. Sin embargo, se puede ver que B < D, lo que significa que no hay un cortafuegos claro entre la Industria 4.0 y la Industria
Conceptos 5.0. En términos de conjuntos difusos, se podría colocar un híbrido potencial en el medio, como otro concepto difuso como se muestra en la Fig. 1, de modo que se desconocen las ubicaciones exactas de los puntos «A» y «E» (que indican los límites del grado de participación humana), pero la desigualdad será la siguiente:
0% < A < B < C < D < E < 100%.
Esto significa que podría haber tales implementaciones de futuras fábricas inteligentes, que podrían reconocerse simultáneamente como Industria 4.0, Industria 5.0 y su híbrido, como se puede ver en la Fig.1.
Figura 1. Conceptos de Industria 4.0, Industria 5.0 y su híbrido visualizados como conjuntos difusos.
Por lo tanto, hablando de «fábricas inteligentes», hay que aclarar: ¿son inteligentes principalmente por los humanos o por la IA (toma de decisiones autónoma y automatizada)? Lo que queda claro de las observaciones de tendencias actuales es que la industria 4.0 está sesgado hacia la automatización y la Industria 5.0 hacia los humanos, mientras que un híbrido potencial podría estar sesgado hacia ambos (como inteligencia colaborativa) simultáneamente.
3. Clones de Pi-Mind como facilitadores para la Industria 4.0 y la Industria 5.0 híbrida
Creemos que la Industria 4.0 y la Industria 5.0 no deben sustituirse ni coexistir de forma aislada. La mejor manera de obtener los máximos beneficios es crear un híbrido que herede las características esenciales de ambos. Se espera que dicho híbrido (también conocido como posible opción para la posible Industria 6.0) sea una opción de «ganar-ganar» en lugar de una opción de compromiso de la industria Convivencia 4.0 e Industria 5.0. El concepto está siendo promovido por el grupo de investigación de Inteligencia Colectiva en colaboración con el grupo de investigación de Inteligencia Adversarial (jyu.fi/it/en/research/our-active-research/collective-inteligencia). Para casar la eficiencia (Industria 4.0) y el enfoque en el ser humano (Industria 5.0), Terziyan et al. [40] anunciaron un nuevo componente emergente para el híbrido potencial, que es un clon cognitivo digital de un humano y tecnología relacionada para la clonación cognitiva (Pi-Mind) [41]. Golovianko et al. [42] informaron experimentos exitosos para clonar las capacidades de toma de decisiones de los operadores humanos. Más tarde se ha demostrado que la clonación podría aplicarse no solo a individuos sino también a grupos para capturar sesgos específicos de toma de decisiones grupales [43], [44]. Se supone que la interoperabilidad entre humanos e IA dentro de los grupos se logra utilizando IA explicable especialmente entrenada [45]. Branytskyi et al.[46] descubrió que la clonación como tecnología de aprendizaje adversarial también mejora la sostenibilidad y la resiliencia de los sistemas industriales (importante en el contexto de la Industria 5.0), ya que también entrena una especie de inmunidad digital para los clones digitales contra diversas crisis y ataques. El concepto de «Inteligencia Artificial Complementaria» se ha informado en [47]. Se basa en las llamadas «coolabilities» (capacidades mejoradas similares a las humanas en condiciones de discapacidad). Las capacidades de enfriamiento (también conocidas como impulsores adicionales de la Industria 5.0) son modeladas por arquitecturas de redes neuronales (que controlan un proceso ciberfísico en la Industria 4.0) y entrenadas de manera que sean resistentes en caso de varios tipos de discapacidades (por ejemplo, bajo ataques adversarios) y capaces de mantener el proceso de toma de decisiones en curso incluso con una infraestructura de sensores y actuadores gravemente dañada.
La Fig. 2 ilustra la idea genérica de Industria 4.0 + Industria 5.0 híbrida. Se puede ver que los humanos pueden volver al bucle de los procesos de la Industria 4.0 (como requiere el concepto de Industria 5.0) indirectamente, pero a través de sus representantes digitales (clones cognitivos como los agentes impulsados por la tecnología Pi-Mind). Teniendo en cuenta que estos clones cognitivos mantienen todas las características y sesgos necesarios de cada persona en particular (es decir, permiten centrarse en el ser humano), pueden operar de forma autónoma como representantes responsables de los humanos en los procesos industriales (particularmente en la toma de decisiones). Debido a la ubicuidad de estos clones, además de centrarse en el ser humano, también conservan la eficiencia inherente a los procesos automatizados de la Industria 4.0. Todo esto hace que este híbrido sea una integración «beneficiosa para todos» de la Industria 4.0 y la Industria
5.0 en lugar de un compromiso.
Fig.2. Se ilustra el concepto de híbrido Industria 4.0 + Industria 5.0 (impulsado por clones cognitivos digitales de humanos Pi-Mind).
Tal híbrido necesitaría una variedad de interfaces para admitir una interoperabilidad significativa entre componentes diferentes por naturaleza (máquina a software y viceversa; máquina a humano y viceversa; humano a software y viceversa; IA a humano y viceversa; robot a humano y viceversa; y muchos, muchos más). Para habilitar una interfaz unificada (agente a agente) para todos estos casos, estamos utilizando nuestro marco SmartResource [48] y la correspondiente plataforma de middleware de nueva generación UBIWARE [49], que permite interfaces generalizadas, inteligentes y semánticas para integrar diferentes tipos de componentes de fábrica inteligente: digitales, físicos, humanos, robóticos, IA e incluso abstractos. Debido a UBIWARE y a la tecnología y el lenguaje especiales de programación de agentes semánticos [50], estos componentes heterogéneos pueden comunicarse (a través de agentes autónomos) en toda la empresa y más allá, y no solo comunicarse, sino también coordinarse de manera flexible entre sí, descubrirse y usarse entre sí, y participar conjuntamente en diferentes procesos comerciales (www.cs.jyu.fi/ai/SmartResource_UBIWARE.html).
4. El papel de la inteligencia colectiva/colaborativa
Los procesos industriales modernos contienen muchos puntos de toma de decisiones, y el éxito de estos procesos depende de la calidad y eficiencia de las decisiones que se toman. Si el progreso de los procesos de la Industria 4.0 fue hacia la toma de decisiones automatizada y autónoma, se supone que los procesos de la Industria 5.0 emergente son una toma de decisiones humana. Muchas decisiones involucran a grupos de tomadores de decisiones, que realizan procesos correspondientes impulsados por inteligencia colectiva. Podemos suponer que, para el potencial híbrido Industria 4.0 – Industria 5.0, la inteligencia colectiva (como impulsor de los procesos de toma de decisiones) también será híbrida, es decir, incluirá humanos y componentes autónomos automatizados de toma de decisiones (agentes). En esta sección, discutiremos el estado actual de la investigación de inteligencia colectiva y su preparación para respaldar los procesos comerciales de la futura fabricación inteligente e híbrida. La inteligencia colectiva permite una nueva dimensión (o capa) «social» dentro de los sistemas ciberfísicos, convirtiéndolos en sistemas ciberfísico-sociales, es decir, autoorganizados y potenciados por multitudes [51]. Esta nueva dimensión aparece también en las actividades de fabricación de productos que dan lugar a la «fabricación social» [52], que se puede resumir como la demanda también de principios de servicio, agrupaciones y comunidades apoyadas por complejas redes de inteligencia colectiva. Nguyen et al. [53], consideran la inteligencia colectiva como una actividad inteligente orientada a tareas de un grupo (colectivo) de unidades autónomas (personas o sistemas), y esta actividad tiene dos aspectos importantes: el aspecto de cooperación (las unidades son colaborativas) y el aspecto de competencia (las unidades son egoístas). La tarea suele referirse a la toma de decisiones comunes, teniendo en cuenta los aspectos de integración, diversidad y cardinalidad.
Williams [54] considera la llamada «inteligencia colectiva general» como un componente necesario para lograr el uso generalizado de la fabricación generalizada. Se supone que la inteligencia colectiva general orquesta a los grupos para que cooperen como una sola inteligencia colectiva que aumenta en gran medida la capacidad general de resolución de problemas del grupo. Tal aumento de la capacidad de resolución de problemas en el grupo, si se aplica a la fabricación, facilita procesos descentralizados que de otra manera no serían posibles. En la fabricación inteligente, la necesidad de un uso eficiente de la inteligencia colectiva en general y de la inteligencia colectiva computacional en particular está aumentando drásticamente. Lykourentzou et al. [55] consideran tres categorías de inteligencia colectiva (colaborativa, competitiva e híbrida) y clasifican los sistemas correspondientes en pasivos y activos. El primer grupo de sistemas se basa en características específicas de cada individuo y se coordina de manera ascendente, mientras que en el segundo grupo, el comportamiento individual no preexiste y la coordinación va de arriba hacia abajo, impulsada por los requisitos del sistema (o proceso) en su conjunto.
Si Lykourentzou et al. [55] ven la inteligencia colectiva «híbrida» como un grupo, que involucra tanto a actores colaborativos como competitivos, la visión más popular sobre lo «híbrido» hoy en día está relacionada con la «inteligencia colaborativa» donde los actores humanos y artificiales unen fuerzas [56]. Esta visión se ajusta bien a las necesidades de la emergente Industria 4.0 – Industria 5.0 híbrida porque nos permite explorar el valor de la colaboración no solo entre máquinas autónomas (Industria 4.0) o humanos (Industria 5.0), sino también dentro de equipos heterogéneos, donde las máquinas ayudan a los humanos en su actividad inteligente y viceversa cuando corresponde. Zhang et al. [57] notaron que los sistemas no tripulados en red actuales de la Industria 4.0 aún no tienen suficiente inteligencia a nivel humano y propusieron una visión de sistemas no tripulados en red centrados en el ser humano (clústeres) donde los sistemas autónomos distribuidos y los humanos están conectados a través del conocimiento para lograr la cognición. Ansari et al. [58] consideran la posibilidad de que los humanos y las máquinas no solo operen sino que también aprendan juntos, lo que puede transformar la fábrica inteligente actual en una fábrica de autoaprendizaje. Dichas fábricas serán impulsadas por procesos capaces de cambiar dinámicamente entre la fuerza laboral humana y la colaboración
robots (cobots) de acuerdo con la distribución inteligente de tareas y asumiendo que cada uno aprende de cada uno. Los entornos de fabricación complejos e inteligentes requieren aumentar la cognición colectiva impulsada por humanos hacia la interacción humano-automatización (cognición colaborativa). Según Jiao et al. [59], una cognición híbrida de este tipo revela una variedad de oportunidades para mejorar la cognición afectiva, la percepción, el aprendizaje, la dinámica de confianza, la predicción del rendimiento, así como para optimizar la interacción entre humanos y automatización.
Nuestra visión sobre la inteligencia colectiva se presenta en la Fig. 3. Además de los humanos (Fig. 3 (a)), la inteligencia colectiva incluye: robots o agentes de software (Fig. 3 (b)), que permiten un comportamiento autónomo e inteligente para artefactos no vivos de diferente naturaleza (Fig. 3 (d)); y (Fig. 3 (c)) digital (clones cognitivos de humanos). Suponemos que cada artefacto digitalizado y etiquetado semánticamente (A) del híbrido Industria 4.0 – Industria 5.0 se suministrará con el gestor autónomo (robot / agente de software) que es consciente de A, se «encargará» de A y funciona como una interfaz inteligente de A:
- Sabe cómo usar A (consultar, ejecutar, etc.);
- Capaz de publicitar (promover) A a través de las redes internas y externas;
- Capaz de vincular A con otros artefactos;
- Capaz de mantener y actualizar A;
- Responsable de la seguridad y privacidad de A;
- Capaz de comunicar problemas relacionados con A con los usuarios, otros agentes o programas externos (Fig. 3 (d)).
Figura 3. Esquema genérico de los componentes de inteligencia colectiva adecuados para el híbrido Industria 4.0 – Industria 5.0: (a) humanos; b) robots de software autónomos como artefactos inteligentes impulsados por agentes (físicos, digitales, sociales o abstractos); c) clones digitales (cognitivos) de seres humanos; d) componentes inteligentes del entorno externo mediados por robots de software.
Por lo tanto, la inteligencia colectiva, en la que los humanos participarán en el control de los procesos industriales junto con otros asistentes autónomos, incluidos los robots de software y los clones cognitivos digitales de los humanos (varios si es necesario) como responsables autónomos de la toma de decisiones, podría ser un facilitador (tanto eficiente como centrado en el ser humano) para un potencial híbrido de Industria 4.0 + Industria 5.0.
5. Robustez, resiliencia y sostenibilidad de la industria
La resiliencia es necesaria como uno de los facilitadores importantes de la Industria 5.0. Junto con los conceptos relacionados de recuperación, robustez y sostenibilidad, la resiliencia se ha considerado como un concepto clave del cambio global, que está en curso en la industria, las empresas, nuestro mundo y la sociedad en su conjunto [60]. La complejidad del concepto de resiliencia dentro de la Industria 5.0 en comparación con la Industria 4.0 se debe al hecho de que hay que tener en cuenta todas las interacciones posibles en la capa de inteligencia colectiva (colaborativa) (máquina a máquina, máquina a humano, humano a máquina y humano a humano). Las vulnerabilidades de los procesos industriales basados en la infraestructura y la automatización (Industria 4.0) también incluirán vulnerabilidades relacionadas con el human-in-the-loop (Industria 5.0); y esta es una preocupación importante que debe abordar la resiliencia en el nuevo contexto, especialmente para los procesos de toma de decisiones [61].
A pesar del creciente interés en la resiliencia, todavía falta un modelo conceptual que explique cómo la resiliencia de un sistema se relaciona con la resiliencia de otros sistemas concurrentes. Ungar [62] identifica principios que explican los patrones de resiliencia de los futuros sistemas industriales de sistemas en el contexto de la resiliencia de los subsistemas interconectados (biológicos, psicológicos, sociales, culturales, económicos, legales, de comunicación, ecológicos, etc.). Estos principios comunes incluyen: la resiliencia de un sistema es un proceso que aparece en la adversidad o en un contexto adversario y que permite compensaciones entre subsistemas; un sistema resiliente es complejo, abierto, dinámico y promueve la conectividad; Un sistema resiliente demuestra experimentación y aprendizaje e incluye diversidad, redundancia y participación. La resiliencia según estos principios puede considerarse como una secuencia de interacciones sistémicas a través de las cuales los actores colaboradores (humanos, agentes artificiales y autónomos, plataformas habilitadoras o ecosistemas) aseguran los recursos necesarios para la sostenibilidad en entornos estresados [62].
El concepto de un sistema ciberfísico de sistemas mejorado hacia el nivel de la Industria 5.0 reconoce la creciente importancia de la resiliencia del sistema con la capacidad de manejar eventos relacionados con la seguridad y la protección [63]. La resiliencia (o la capacidad de un sistema para resistir perturbaciones y mantener su funcionamiento en un modo sostenible y seguro) requiere interacciones especiales entre los humanos, componentes autónomos de IA y automatización de bajo nivel. Linnosmaa et al. [63] sugieren un marco habilitador de resiliencia de este tipo, según el cual el flujo de decisiones comienza desde los operadores humanos (mejorados por componentes de apoyo a la toma de decisiones), luego a los componentes de control autónomos impulsados por IA y finalmente a los controles de automatización de bajo nivel. Teniendo en cuenta que las perturbaciones pueden ocurrir internamente (en cualquiera de estos tres niveles) o externamente del medio ambiente, un sistema resiliente debe ser capaz de mitigar los efectos negativos y mantener su funcionamiento continuo.
Nuestros estudios y experimentos sobre resiliencia ([42] y [46]) proporcionados por las tecnologías de clonación digital Pi-Mind y los procesos relacionados impulsados por la inteligencia colectiva demuestran que la clonación digital mejora esencialmente la resiliencia de los procesos industriales en comparación con los impulsados únicamente por humanos o la automatización.
Como se admite en [64], para permitir sistemas resilientes del futuro, el desafío sería diseñar y desarrollar equipos humano-máquina fluidos para ello. Aquí el concepto de Operador 5.0 resiliente tiene una gran importancia. Como se observa en [29], las interfaces activas impulsadas por agentes (para IoT, servicios y humanos) podrán recopilar información sobre el estado de la capacidad de agente de la nueva generación de operadores (es decir, Operador 5.0), máquinas sociales y sistemas de software social, y enviar una solicitud de cooperación que permita un entorno colaborativo de múltiples agentes (como, por ejemplo, [65] o [49]), en el que los «agentes gemelos» de humanos y máquinas reales facilitarán la comunicación entre ellos y los mundos cibernético y físico.
6. Conclusiones
Este documento plantea un tema antiguo y atemporal de «robots vs. humanos» (particularmente «eficiencia y ubicuidad vs. humanismo y responsabilidad») en el nuevo contexto de «Industria 4.0 vs. Industria 5.0». Parece que la industria moderna debe elegir un mayor desarrollo hacia una de estas opciones, que parecen ser muy diferentes, casi contradictorias.
Por un lado, los desafíos y crisis globales actuales requieren human-in-the-loop (apoyado en el concepto de Industria 5.0) para la toma de decisiones responsables en situaciones nuevas, desafiantes, complejas y críticas relacionadas con el control seguro de los procesos de fabricación inteligente. Por otro lado, los mismos desafíos requieren un control eficiente (rápido y sostenible) impulsado por la automatización autónoma ubicua (respaldada por el concepto de Industria 4.0).
Por lo tanto, en este artículo, planteamos una pregunta de: ¿es posible crear un híbrido sostenible que integre ambos conceptos en uno? Nuestra respuesta es sí. En este artículo, argumentamos que algunos artefactos digitales aparecidos recientemente, como los clones cognitivos, son portadores de la ideología híbrida Industria 4.0 + Industria 5.0 y las tecnologías, como la clonación cognitiva basada en el aprendizaje adversarial Pi-Mind ([40], [41] y [42]) son sus facilitadores. Un clon cognitivo digital de un tomador de decisiones humano es un compromiso industrial en el dilema de «robots contra humanos», que sirve como un concepto puente para unir la Industria 4.0 centrada en la automatización y la Industria 5.0 centrada en el ser humano. Los clones cognitivos, como artefactos tecnológicos de puente inteligente, mantienen a los humanos particulares (donantes de los clones) dentro del circuito de los procesos responsables de toma de decisiones y, al mismo tiempo, hacen que dicha participación humana sea ubicua y, por lo tanto, eficiente. En este artículo, también argumentamos que el concepto de inteligencia colectiva (humanos y sus clones digitales autónomos), como poder de toma de decisiones colaborativas, es capaz de servir como un facilitador para la industria resiliente y centrada en la inteligencia colectiva
4.0 – Industria 5.0 híbrida.
Por lo tanto, a modo de resumen, afirmamos que: mientras que el concepto de Industria 4.0 asume una alta cuota de automatización en la toma de decisiones y el concepto de Industria 5.0 asume el papel protagonista de los humanos en la toma de decisiones, la Industria 4.0 + Industria 5.0 híbrido asume que la inteligencia colectiva (híbrida) es el motor de la toma de decisiones (eficiente, ubicua, centrada en el ser humano, responsable y resiliente).
Nuestro trabajo futuro se centrará en un mayor desarrollo de las técnicas de formación relativas a la inteligencia colectiva (colaborativa) como motor del híbrido Industria 4.0 + Industria 5.0. Dicha capacitación debe organizarse como una combinación inteligente de aprendizaje humano y automático e incluirá una dimensión adversa para garantizar la resiliencia como resultado del aprendizaje.
