《Energies》：Contributions of 4.0 Technologies to Sustainable Energy Systems: A Scoping Review
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可再生能源（renewable energy sources），如太阳能热利用和光伏、地热能、生物质能、水能及风能，具有显著的可持续性优势。然而，该领域在若干方面仍面临困境，这些困境往往降低了这些新型能源形式的效率。部分挑战包括：电力供应不稳定、可再生能源（r
可再生能源（renewable energy sources），如太阳能热利用和光伏、地热能、生物质能、水能及风能，具有显著的可持续性优势。然而，该领域在若干方面仍面临困境，这些困境往往降低了这些新型能源形式的效率。部分挑战包括：电力供应不稳定、可再生能源（renewable energy sources）的分散性使其难以开发利用，以及电力供应的不一致性和不可预测性，这对可再生能源（renewable energy）市场产生了影响。尽管工业4.0（Industry 4.0）本质上为高能耗产业，但其对可再生能源系统（renewable energy systems）的积极贡献可能超过其成本。因此，研究人员开展了一项范围综述（scoping review），探讨数字技术（digital technologies）在可再生能源系统（renewable energy systems）中的作用。研究聚焦于2020年至2026年间发表的开放获取会议论文、期刊文章和书籍章节，这些文献选自IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink和Scopus等科学平台和数据库。研究人员采用了多阶段筛选流程，并为89篇入选文章制作了摘要表以提取必要信息。结果表明，工业4.0（Industry 4.0）在设计安装阶段凭借预测性维护（predictive maintenance）、高效管理及能源安全（energy security）影响可再生能源系统（renewable energy systems）。同时，可再生能源系统（renewable energy systems）中的工业4.0（Industry 4.0）仍面临可归类为政治、金融、基础设施、环境、人力、安全及技术方面的负外部性。为应对这些往往陷入负强化循环的挑战，论文建议在政治、法律、监管及环境层面定义标准化、清晰、严格且稳定的框架，以克服与可再生能源（renewable energy）数字化转型相关的大多数挑战。研究还建议制定灵活、包容的战略规划，该规划需考虑可再生能源系统（renewable energy system）的数字成熟度。基于这些视角，本研究从战略与协调的视角，兼从人力与技术两个层面，探讨了工业4.0（Industry 4.0）技术在可再生能源系统（renewable energy systems）中的作用，从而为文献做出贡献。此外，研究还通过支持可再生能源系统的创新，并推动有利于其发展的政策与监管决策，提供了管理与政策方面的启示。
1. 引言
该部分指出传统能源的过度使用导致了能源危机和全球变暖，推动了向可再生能源（renewable energy sources）的转变。然而，可再生能源（renewable energy）在供应链中面临不规律性，尤其在生产系统方面，存在空间和时间限制，如资源难以获取和发电量波动。工业4.0（Industry 4.0）作为一种基于连接性、互操作性、数据共享和智能决策支持的组织哲学，有潜力重塑可再生能源系统的运行方式。研究问题聚焦于工业4.0（Industry 4.0）在优化可持续能源系统和促进资源效率方面的作用。研究采用范围综述（scoping review）的方法，旨在提供关于数字技术对可再生能源系统贡献的全面、战略性和协调性的概述。
2. 研究方法
研究遵循基于PRISMA-ScR方案的范围综述方法学，采用Arksey和O'Malley的五步方法论框架：识别研究问题、识别相关研究、研究选择、数据整理、数据汇总。
2.1. 识别研究问题
研究问题包括：工业4.0（Industry 4.0）在优化可持续能源系统与促进资源效率中的作用？将数字技术整合到可再生能源系统中的优势与挑战？克服可再生能源中数字技术采纳挑战的方法？
2.2. 识别相关研究
研究使用了IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink和Scopus等数据库，检索截止到2025年12月20日。使用了关键词组合，如“数字技术（Digital technologies）”或“工业4.0（Industry 4.0）”或“数字化”与“循环能源系统”或“可再生能源”或“清洁能源”或“可持续能源”，并添加了“优化（Optimisat*）”以缩小范围。纳入标准包括2020年至2026年间以英文或法文发表的期刊文章、会议论文、书籍章节等，内容必须同时涉及技术维度和可再生能源维度。
2.3. 研究选择
通过对标题、摘要和关键词的筛选，初步确定832篇文章，研究人员根据纳入和排除标准讨论其适宜性。符合要求的文章被记录并下载至Zotero文献管理工具。
2.4. 数据整理
在Zotero中去除重复后，文章数量减至620篇。研究人员创建了“是”、“否”和“多少”子集合以分类文章。通过粗略审查（主要关注摘要、讨论和结论）及深入讨论达成共识，对存疑文章进行第二轮讨论。
2.5. 数据汇总
两位研究人员共同使用Excel摘要表进行数据汇总，包含描述性变量（标题、作者、出版年份、定义）和主题变量（可再生能源的优势与局限、工业4.0技术对可再生能源系统的贡献、整合的优势与挑战、解决方案）。关键思想被分组并突出显示，工业4.0技术的作用被逻辑组织以展示其协同效应。
3. 结果
3.1. 证据来源的选择
根据PRISMA图表，最初识别出832篇文章，去重后剩余212篇，首轮筛选排除222篇后得到398篇进行数据提取，其中315篇无法获取，最终183篇进行评估。在评估中，132篇被排除，原因包括关注技术和经济优化、电力系统工程、环境可持续性、循环经济及数字化的通用问题。最终纳入50项研究（对应50篇报告）进行分析。
3.2. 证据来源的特征
共50篇文章，其特点如下。
3.2.1. 技术视角
当讨论工业4.0技术角色时，多数作者（15篇）主要提及人工智能（artificial intelligence，AI）。部分作者（11篇）将人工智能（AI）与物联网（Internet of Things，IoT）和数字孪生（digital twins）等技术结合。其他作者关注：数字孪生（digital twins）（6篇）、物联网（IoT）（2篇）、区块链（Blockchain）（2篇），以及极少数研究专门从元宇宙（metaverse）、网络或信息通信技术（ICT）的角度探讨。
3.2.2. 方法学方法
研究方法多样：实验方法（14篇）、定量经验方法（10篇）、案例研究（包括变体）（6篇）、系统文献综述（所有类型）（6篇）、概念性/叙述性综述（5篇）、混合方法（3篇）、定性经验研究（1篇）。
3.2.3. 时间范围
研究限于2019至2025年，多数研究（21篇）于2025年发表，20篇于2024年发表，8篇于2023年发表，2022年和2019年各1篇。
3.3. 结果总结与呈现
3.3.1. 可再生能源的优势与挑战
可再生能源（renewable energy）包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能，其产品可跨经济部门销售，资源无限且分布广泛。它们具备环境优势（无温室气体排放、减碳）、社会效益（尤其为农村地区提供现代能源服务）以及地缘政治价值（缓解资源稀缺引发的紧张）。然而，挑战亦不容忽视：资源具有分散性、间歇性和不稳定性，受天气和环境影响导致供电不可预测；前期实施成本高昂（投资、基础设施、运营和维护）；储能技术面临布局与金融可行性难题；政治和监管框架不利，治理效率低下；社会挑战包括失业风险、利益分配不均（如电能在城市出售而农村只获环境负担）以及社会文化阻力（如NIMBY和NIABY现象）。在此背景下，整合4.0技术成为能源转型的重要跳板。
3.3.2. 工业4.0（Industry 4.0）与可再生能源系统（renewable energy systems）
工业4.0（Industry 4.0）基于四大原则：互联互通、信息透明、去中心化决策和技术协助。数字4.0技术的集成操作使得从微电网转向更大更智能的电网成为可能，通过物联网（IoT）持续收集数据，数字孪生（digital twin）创建动态虚拟表示，云计算（cloud computing）促进大数据分析，边缘计算（edge computing）和雾计算（fog computing）实现本地处理，人工智能（AI）算法进行实时分析，元宇宙（metaverse）参与能源商业化，区块链（blockchain）确保点对点（P2P）交易。技术采纳面临技能缺乏、资源有限、基础设施不足及战略管理问题等障碍。成功转型需有计划、包容、注重技能的方法，灵活的战略规划需与利益相关者协调，并基于数字成熟度评估（如Quenum等人提出的包含技术、文化、组织、人力资源、战略规划六个维度及六个渐进级别的模型）。
4.0技术对可再生能源系统的贡献体现在多个方面。设计安装阶段，集成数字技术可应用高级建模方法，基于自适应预测模型模拟系统性能，预测负荷、能源价格、天气因素（太阳辐射、风速）和系统故障，优化设计。预测性维护与系统可靠性方面，集成的4.0系统可进行预测分析及预防控制，通过实时监控实现故障诊断、剩余寿命预测及自动维护调度。电力系统管理方面，数字技术促进了远程管理、去中心化能源管理、电网优化，提升了性能与效率，并降低了投资风险。能源安全方面，元宇宙技术提供沉浸式培训环境，支持去中心化柔性电力系统，区块链技术（blockchain technology）通过智能合约保障P2P能源交易安全，提高透明度和信任度。
整合数字技术的优势包括：提升能源透明度、效率、盈利性、可持续性与系统灵活性，增强电网稳定性和供应安全。优化储能、生产、成本、排放及资源使用，并促进先进财务分析。然而，挑战并存：政治上，利益相关者协调不足限制互操作；金融上，高初始投资和数据处理成本；基础设施上，高性能硬件的需求难以满足；环境上，技术本身的高能耗与可持续目标冲突；人力上，技能劳动力短缺与社会经济差异；安全上，网络安全风险可能破坏电网稳定；技术上，系统复杂性和数据计算要求高。因果循环图显示，政治协调、成本、基础设施、环境、人力、安全和技术等因素形成多个负反馈循环，相互强化，阻碍技术采纳。
克服可再生能源数字技术采纳挑战的方法主要是政治和行政性的。政治层面，需定义标准化、清晰、严格且稳定的政策、法规、法律和环境框架。金融层面，政府需调动绿色金融和公私伙伴关系等激励性融资渠道。基础设施上，实施公共政策以促进投资和公私合作。环境上，评估和生命周期分析需纳入法规。人力上，有效治理和领导力可协调利益，建立能力建设项目投资人力资本，并发展支持计划以应对社会差距。安全方面，框架应促进数据安全和透明度。技术上，4.0可再生能源生态系统需要机构支持技术创新，加强数据治理和政产学研协调。
4. 讨论
本研究发现工业4.0（Industry 4.0）技术在可再生能源系统（renewable energy systems）的多个层面发挥作用，包括设备设计安装、系统预测维护、能源管理和安全，有助于可靠性和整体优化。尽管数字技术在可再生能源领域潜力巨大，但在政治、金融、基础设施、环境、人力、安全和技术方面仍存在许多挑战。大多数挑战（除却环境维度可能存在的矛盾）构成了负强化循环。为解决这些问题，需要清晰的、稳定的、协调的政治、监管和法律框架。金融上，激励性融资机制至关重要。人力层面，需解决外部劳动力短缺和内部管理问题。实施解决方案需要基于系统数字成熟度的战略规划，本研究识别了六个成熟度级别。本研究的贡献在于首次从战略和协调视角，兼从人力和技术层面探讨了工业4.0（Industry 4.0）技术的作用，并为管理和政策提供了启示。研究建议在能源系统数字化转型中，需要明确的框架和适应该系统数字成熟度的战略计划。
