智能制造行业虚拟工厂搭建关键技术

张恩康，孙 强，果 伟

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，青岛 266111)

0 引言

数字化转型已经成为时代发展的趋势，也已上升到国家战略，尤其是制造企业更是加快了数字化转型实践的探索，并已发展到转型的关键时机。未来，数字化转型的必然趋势是数字化技术与智能制造深度融合，通过数字化推进数据交互，以此为基础和前提条件，将数字化制造理念延伸至全过程精益管控，强化数字化思维与精益思维的融合，加快制造数字化进程，持续深化数字技术在智能制造中的应用，创新开展经营管理活动。

随着企业数字化转型推进进入关键期，虚拟工厂技术作为数字化转型的关键技术，已逐步得到制造企业的重视。虚拟工厂也叫数字孪生工厂，是存储在计算机系统中的一个数字化的工厂，是物理工厂的虚拟“镜像”，其重点强调的是物理工厂的虚拟现实呈现，KELSICK将虚拟工厂描述为一个可视化的三维空间[1]。而AZIZ则认为虚拟工厂是一个仿真系统，可用于描述工厂的生产活动[2]，是“建模—模拟—流程—设计—建造—运营”在工厂的全生命周期将工艺、设计、ERP、制造、质量、物流、设备等相关系统数据的信息交换和集成，以产品制造全过程的履历数据为基础，在信息系统虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。

虚拟工厂是相对物理工厂而言的，物理工厂是企业的实体资产，虚拟工厂则管理着企业的数字信息资产，存储了实体工厂的制造、经营、管理、供应链等所有信息；并融合智能制造技术和计算机仿真技术而构建的创新型产物，由于他的出现，为智能制造业带来了新的模式创新，并为产品设计与制造相互协同提供了新的沟通桥梁。虚拟工厂在不同应用场景下有着独特的含义和特性，从规模方面来讲，一个车间可以作为独立的虚拟工厂，也可以扩展到企业级[3]。

1 虚拟工厂的特点

虚拟工厂技术一经面世即得到众多学者的兴趣，尤其是近年来，大数据、物联网等技术的突飞发展更为虚拟工厂技术的应用提供了良好的土壤。由于虚拟工厂具有虚拟空间的独特特性，为突破制造中的关键技术提供了良好的仿真环境，其具体特性主要有以下几点：

1）直观：高保真描述和映射物理工厂的实体关系，并具有最自然、全景式、实体化等特点，融合的三维虚拟现实工作环境；

2）精确：精确描述工厂各主体元素的外观、空间布局、经营管理、工艺逻辑等相关信息；

3）实时：数据同步映射、业务数据实时更新、实时展现物理工厂的制造过程；

4）集成：以生产全要素数据深度融合为目标，利用系统集成和数据集成等各种方式，实现数据的贯通与共享，如：MES、QMS、EAM、WMS、视频等相关信息系]工艺流程的融合、与生产经营业务流程的融合，构建信息的关联关系；

6）协同：利用网络同步能力，基于生产要素协同，利用人工智能技术实现一站式调度指挥、研发协同等任务；

7）智能：基于岗位角色的数据智能筛选与推送；构建面向智能制造的机理或挖掘模型，实现智能制造的主动感知，精准预测等智能化能力。

以上良好的特性为虚拟工厂在制造中的应用提供了先天无法比拟的条件，近年来众多学者和企业均投入了大量的精力和财力投入虚拟工厂的研究和应用探索中。

2 虚拟工厂整体设计

近年来，虚拟工厂作为智能制造的关键应用技术已在工业行业中得以应用，尤其是在设备巡检、生产仿真、管线分析等制造环节中，为管理人员提供形象直观的数据决策支撑能力[4]。本研究选取某高端装备制造企业为研究对象，利用物联网、大数据、GIS等相关技术，融合生产、设备、质量、物流等应用系统数据，搭建面向生产协同、资产管控、能源指挥等智慧化应用体系，加速推进企业生产的数字化智慧化进程。系统架构设计如图1所示。

图1 虚拟工厂整体框架

虚拟工厂是以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、三维可视化、工业互联网思维等新型技术为技术支撑，通过融合企业工厂设施设备各类静动态数据与现有信息化体系相关数据为基础，以工厂、周边环境的可视化场景为载体，数据按照三维空间有机整合，结合工厂生产运行相关的模型，挖掘动态分析，形成面向各业务的专题式服务能力[5～7]。

在系统平台搭建方面，重点围绕企业生产调度、资产、能源、物流等与工厂物理空间结合比较紧密的专题搭建相应的应用体系，具体应用设计如图2所示。

图2 虚拟工厂平台架构图

虚拟工厂平台主要以企业工业互联网平台能力，融合资产设备、能源、质量、物流、制造等相关数据，并基于虚拟工厂三维可视化能力，搭建面向生产、资产、能源、物流等相关专题的数字化应用，形成面向企业级的生产管理数字化支撑机制，加速推进企业生产智慧化、决策数字化进程。

3 虚拟工厂应用设计

工业企业尤其是智能制造行业生产过程中更加注重生产过程的实时监控，而虚拟工厂更加直观的虚拟三维空间展示优势更加有助于精准、动态监控生产过程状态以及生产要素的协同能力。本研究重点聚焦于生产过程数字化应用研究，并围绕制造过程中生产指挥调度、资产智能管控、节能降耗、优化物流配送等数字化支撑能力构建提供针对性研究。

3.1 生产数字化

在智能制造行业，尤其是大型离散型装备制造行业，其制造环节繁多、工艺复杂，对人、机、料、法、环、测等生产要素协同要求非常高，管理人员每天都要通过一系列数据汇聚到一起来综合研判各生产要素的协同情况并作出指挥调度决策，这部分工作费时费力并且非常容易出错。

本研究通过搭建基于虚拟工厂的生产数字化支撑体系充分满足了生产要素的协同支撑要求，切实实现了生成过程的实时动态监控。并以车间、产线、工位等工厂物理空间为依托，以工艺步骤为主线，将生产过程全要素信息一体化展现在虚拟工厂平台中，实现了生产现场与虚拟工厂平台同步映射。管理人员通过虚拟工厂平台即可一站式掌控各个车间、产线、工位的生产计划完成情况，并结合执行情况精准判定生产异常，并精准定位到具体的产线、工位以及责任班组。同时，针对生产异常情况，利用平台智能判定具体责任原因（如：设备异常、人员不到位、物料配送不及时等），并将异常情况一键转派给责任人，为高效生产提供智慧支持。

3.2 资产数字化

随着制造技术的升级换代，设备资产已成为生产过程最关键的要素之一。如何保障设备高效正常运行是管理者最关注的事情之一。在虚拟工厂平台中重点围绕设备巡检、设备监控、设备预警等能力进行专项支撑。

1）设备巡检：利用虚拟工厂平台三维可视化监控设备的巡检信息，精准监控各车间是否有漏检现象，并提供设备的巡检信息动态查看等功能，实现足不出户即可掌控全局；

2）设备监控：利用物联网技术实时获取设备的电流、电压、运行状态、加工程序运行等数据，并以工位为单元，利用三维空间展现设备与生产要素的协同情况，高效保障生产任务；

3）设备预警：利用人工智能技术对设备运行的机理规则提供智能化的设备预警能力，当设备出现异常时可以精准定位设备的位置，进一步关联分析对生产的影响，为生产指挥调度提供决策支撑。

3.3 能源数字化

在构建绿色工厂的总体规划指引下，以节能降耗为目标，利用虚拟工厂平台提供能源设备的监控和能源预测能力。

1）能源监控：利用虚拟工厂平台直观展现企业官网运行状态；动力房、仪表等关键设备的状态和数据，同时，利用无人机等先进手段进行巡检，实施在虚拟工厂平台中展现巡检的信息；

2）能源预测：以产线、工位为基础，聚焦生产工艺，构建单产品能耗预测能力；

3）能源分析：基于精益管理的思路，提供企业、车间、产线、工位的分层分级能源分析机制，并搭建能耗与生产任务的关联分析能力。

通过以上应用构建，一方面保障能源的安全供应；另一方面结合生产过程定位高能耗、高损耗的环节，为制定科学有效的降耗措施提供数字化支撑手段。

3.4 物流数字化

以提供物流配送效率为目标，利用虚拟工厂空间模型能力，提供动态的物流配送监控能力，实时掌控物料配送情况。同时，利用人工智能手段，结合生产计划提供智能化的预测预警支撑，确保物料提前精准配送。具体应用建设包含以下几点：

1）配送状态监控：基于虚拟工厂平台实时监控库存情况、物料配送状态，为科学调度提供决策支撑；

2）预警预测能力：基于生产任务提供智能化的物料采购、配送等预测能力，减少因缺料对生产造成的影响；

3）规划配送路径：通过空间模型的能力，合理制定配送路径，优化配送环节。

4 应用价值

本研究重点围绕与生产紧密相关的专题进行应用设计与研究，并选取某高端装备制造企业为验证对象，经过实施运行取得了良好的效果，并分别在生产效率提升、资产利用率提升、能耗降低、缩短配送时间等方面均得到很大的提升，为企业数字化转型铺垫了基础。

表1 智能制造应用价值

5 结语

本研究在已有面向工艺仿真、工厂规划、产品全寿命周期管理等相关应用研究的基础上，聚焦与智能制造紧密相关的生产指挥、设备管控、能源监控以及物流配送四个关键主题搭建虚拟工厂应用，并以某高端装备制造为研究对象，验证了虚拟工厂的应用价值，具有较高的新颖性和创新性。但由于受客观因素所限，本研究在虚拟工厂关键技术实现方面研究较为简洁，后续将围绕智能制造过程中研发设计、安全环保、防灾减灾等专题中的关键难点进行深入研究，为持续丰富虚拟工厂理论研究贡献力量。