圖1 傳統(tǒng)工廠建設(shè)模式示意圖
 

       2.數(shù)字工廠建設(shè)模式

       數(shù)字工廠（Digital Plant，DF）有著眾多不同的表述。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)（Verein Deutscher Ingenieure，VDI）定義將數(shù)字工廠定義為由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字工廠包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，并通過(guò)連續(xù)的沒(méi)有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。VDI 版本數(shù)字工廠強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)可視化及工廠未來(lái)預(yù)測(cè)。在一定時(shí)期內(nèi)，國(guó)內(nèi)將通過(guò)信息化手段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)/工藝/制造/管理等運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的信息化管理，這類(lèi)工廠定義為數(shù)字化工廠。數(shù)字化工廠強(qiáng)調(diào)過(guò)程信息化和工廠運(yùn)營(yíng)管理環(huán)節(jié)的數(shù)字化有效管控。在國(guó)內(nèi)，上海東方申信科技發(fā)展有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“東方申信”）依托上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)集成制造研究所二十多年的制造業(yè)信息化研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用積累，廣泛研究分析了國(guó)內(nèi)外數(shù)字工廠的發(fā)展現(xiàn)狀，在國(guó)內(nèi)率先提出虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字工廠定義，即：將虛擬仿真技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、管理技術(shù)等融合運(yùn)用于企業(yè)工廠運(yùn)行中，實(shí)現(xiàn)多視角信息、多層次業(yè)務(wù)的高度集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行自動(dòng)化和智能化，支持動(dòng)態(tài)環(huán)境下的快速變化和精準(zhǔn)決策。該數(shù)字工廠定義更多地強(qiáng)調(diào)虛實(shí)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)虛擬工廠技術(shù)與物理工廠技術(shù)的有效融合和貫通應(yīng)用。同時(shí)，虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字工廠定義強(qiáng)調(diào)幾個(gè)特征：(1)高融合，數(shù)字工廠強(qiáng)調(diào)虛擬仿真技術(shù)/信息技術(shù)/自動(dòng)化技術(shù)/管理技術(shù)等多種技術(shù)的融合；(2)大數(shù)據(jù)，數(shù)字工廠可以從時(shí)間域、空間域，通過(guò)數(shù)據(jù)多視角多層次展現(xiàn)工廠示圖，實(shí)現(xiàn)過(guò)去可追溯、現(xiàn)在可控制、未來(lái)可預(yù)測(cè)；(3)動(dòng)態(tài)化，數(shù)字工廠系統(tǒng)應(yīng)該是高柔性程度，生產(chǎn)可按需組織并實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)；(4)智能化、數(shù)字工廠中的生產(chǎn)制造系統(tǒng)應(yīng)具備自學(xué)習(xí)功能，并可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜預(yù)測(cè)，支持精準(zhǔn)決策。
 

       采用數(shù)字工廠技術(shù)改進(jìn)工廠建設(shè)模式，可有效破解傳統(tǒng)工廠建設(shè)模式中的技術(shù)難題。這些難題往往在建設(shè)過(guò)程中甚至試制生產(chǎn)過(guò)程中才被發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行修正和調(diào)整，從而帶來(lái)高風(fēng)險(xiǎn)高成本。在規(guī)劃設(shè)計(jì)和技術(shù)改造設(shè)計(jì)階段，場(chǎng)地利用是否最大化、設(shè)備配置是否合理、各工位、生產(chǎn)線人員配置是否合理、物流設(shè)施和物流路徑是否合理調(diào)配、生產(chǎn)節(jié)拍是否均衡、生產(chǎn)班次安排的合理性、多生產(chǎn)模式的有效性推演、工廠預(yù)設(shè)產(chǎn)能是否能夠有效達(dá)成、空間域和時(shí)間域的系統(tǒng)干涉校驗(yàn)等復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題都可以通過(guò)建立虛擬工廠，并通過(guò)生產(chǎn)系統(tǒng)仿真來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析和模擬運(yùn)行。以優(yōu)化目標(biāo)為導(dǎo)向，通過(guò)資源調(diào)整和虛擬仿真優(yōu)化，輸出理想的工廠建設(shè)和實(shí)施方案。利用數(shù)字工廠技術(shù)輸出的方案進(jìn)行工廠建設(shè)和實(shí)施，可以從源頭消除很多潛在的問(wèn)題，大大降低工廠建設(shè)過(guò)程中的修正調(diào)整成本，有效保障建設(shè)工期和建設(shè)質(zhì)量。利用數(shù)字工廠技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠規(guī)劃建設(shè)的建設(shè)模式參見(jiàn)圖2。
 

 
 

圖2 數(shù)字工廠建設(shè)模式示意圖
 

       相對(duì)于傳統(tǒng)的工廠建設(shè)模式，數(shù)字工廠建設(shè)模式因?yàn)橛刑摂M工廠尤其是三維可視化虛擬工廠這個(gè)載體，充分考慮產(chǎn)品類(lèi)型和產(chǎn)品工藝、生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)量要求、生產(chǎn)制造資源的可用性和有效性，可以有效地實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的全員性參與，并可以全方位、多維度的進(jìn)行評(píng)估分析，通過(guò)各種可能的制造模式進(jìn)行能力測(cè)算和組織模式推演及優(yōu)化。數(shù)字工廠建設(shè)模式已經(jīng)得到越來(lái)越多工業(yè)企業(yè)的認(rèn)可。德國(guó)的大眾汽車(chē)、中國(guó)的三一集團(tuán)等都已經(jīng)將數(shù)字工廠納入到企業(yè)的工廠規(guī)劃建設(shè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。
 

       3.虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字工廠技術(shù)

       虛擬工廠技術(shù)包括生產(chǎn)要素單元三維可視化建模技術(shù)、建筑信息模型BIM技術(shù)、生產(chǎn)物流仿真技術(shù)、生產(chǎn)制造資源系統(tǒng)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及虛擬漫游技術(shù)、虛擬制造與裝配技術(shù)、虛擬監(jiān)控技術(shù)等。虛擬工廠技術(shù)廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)象干涉校驗(yàn)、制造資源評(píng)估、生產(chǎn)過(guò)程可視化、生產(chǎn)計(jì)劃仿真、三維作業(yè)指導(dǎo)、數(shù)字沙盤(pán)與虛擬漫游、工廠三維可視化虛擬監(jiān)控、制造模式推演等應(yīng)用領(lǐng)域。
 

       數(shù)字工廠技術(shù)中的物理工廠技術(shù)除了傳統(tǒng)的CAD/PLM/ERP/自動(dòng)化等相關(guān)技術(shù)以外，主要包括設(shè)備物聯(lián)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)、產(chǎn)品制造工藝數(shù)據(jù)協(xié)同管理技術(shù)、制造執(zhí)行和生產(chǎn)管理技術(shù)、智能控制技術(shù)、立體倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)、設(shè)備維護(hù)維修管理技術(shù)、機(jī)器人等。物理工廠技術(shù)主要應(yīng)用于實(shí)際工廠運(yùn)營(yíng)中的精祥設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)控制、精密加工、精準(zhǔn)物流、精確維保、精益生產(chǎn)和精細(xì)管理。
 

       數(shù)字工廠的規(guī)劃建設(shè)和投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)及優(yōu)化改進(jìn)是企業(yè)兩化融合不斷深入的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，虛擬工廠與物理工廠不斷迭代，支持企業(yè)生產(chǎn)制造資源系統(tǒng)優(yōu)化和管理提升中各環(huán)節(jié)PDCA 循環(huán)得到閉環(huán)改進(jìn)和提升。不管是規(guī)劃建設(shè)開(kāi)始階段還是投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中技術(shù)改造，優(yōu)化項(xiàng)目都會(huì)預(yù)設(shè)項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)和階段計(jì)劃，定義清晰資源要素的類(lèi)型、數(shù)量和優(yōu)先級(jí)，然后通過(guò)虛擬工廠技術(shù)針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真、分析、驗(yàn)證，并在模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和完善。在模擬分析的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目建設(shè)單位針對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行有效實(shí)施和建設(shè)落實(shí)。在工廠運(yùn)營(yíng)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造協(xié)同，保障數(shù)據(jù)源統(tǒng)一和快速無(wú)誤地傳遞。設(shè)備的適度、有效維護(hù)管理可保障生產(chǎn)制造系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，有效的設(shè)備互聯(lián)和底層通訊實(shí)現(xiàn)可以保證控制指令準(zhǔn)確無(wú)誤的下達(dá)。物理工廠技術(shù)旨在提供支持智能制造的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化業(yè)務(wù)模式的完美固化。

       虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字工廠推進(jìn)模式參見(jiàn)圖3。
 

 
 

圖3 虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字工廠推進(jìn)示意圖
 

       作為一個(gè)由大量生產(chǎn)制造資源組成的復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)字工廠的優(yōu)化和固化都是動(dòng)態(tài)過(guò)程中的相對(duì)平衡，所以系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)也是一個(gè)持續(xù)過(guò)程。虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字工廠解決方案充分利用了虛擬工廠技術(shù)和物理工廠技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，以盡可能低的成本、最適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方案和最小的風(fēng)險(xiǎn)，獲取最大的可靠性保障和盡可能大的收益。以三一集團(tuán)某事業(yè)部為例，通過(guò)規(guī)劃建設(shè)階段幾個(gè)月的數(shù)字工廠實(shí)施應(yīng)用，修正廠房結(jié)構(gòu)規(guī)劃漏洞十余處，調(diào)整了工位布局30多處，廠房面積利用率提高近10 個(gè)百分點(diǎn)，有效節(jié)約設(shè)備投資2800萬(wàn)，效果卓著。