數字化工廠的實現方式與應用分析

王新政

摘 要 為解決產品設計、生產規劃與制造之間的不確定性，提高生產系統的可靠性，人們提出了數字化工廠概念，文章從概念和技術兩個層面敘述了數字化工廠的實現方式，并對數字化工廠的結構與生產仿真等技術的進行了分析研究。最后，以汽車生產制造企業的數控加工車間應用為例，提出了相應的數字化生產設計設想，實現對數字化工廠概念的拓展，為數字化工廠的進一步應用提供思路借鑒。

關鍵詞 數字化工廠；數字化建模；數字化仿真；虛擬制造

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）222-0133-03

當今時代，產品的更新換代與設計周期日益縮短，各企業也紛紛加速響應市場需求，生產能力與生產效益不斷提高。隨著信息技術與互聯網的不斷發展，制造技術已經從物質形式制造向智能制造轉變。采用最快的速度、最低的成本推出高質量的產品來占領市場，才有可能讓企業處于不敗之地[ 1 ]。雖然許多企業不斷引進新的生產系統，但是由于缺乏有效的集成，生產車間高度自動化設備與管理系統并沒有效地合，與此同時建造一種數字化的工廠可以對制造過程中的數據進行數據化，就像是連通所有數據的一座橋梁，并通過設定好的程序對這些數據進行交換、加工、處理，直接對生產過程進行管理和控制[2]。減少產品生產過程中的錯誤，提升生產的效率，達到機器控制機器的生產效果，節省了大量的人力，降低了生產所需的成本，從而提升了產品的市場競爭力。

1 數字化工廠技術

1.1 數字化工廠概念

想了解數字化工廠應該先了解什么叫做數字化，所謂數字化，是將各種形式的信息轉化為適當的數字化模型，對于計算機來說是轉化為二進制代碼（用0和1表示），從而引入計算機內部進行統一處理。數字化的基礎是計算機技術，隨著以計算機為核心的數字化技術在制造業的應用（利用計算機將復雜多變的聲音、圖像數字化），才有了數字化工廠的概念。數字化工廠是指以產品或服務全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，因此數字化工廠又被稱為“虛擬工廠”。數字化工廠是對整個生產系統進行設計、優化，通過網絡對各組分進行相關業務數據以及信息的交流，從而實現虛擬制造，利用實際運作中的信息，通過設定好的程序調整生產過程中可能出現的失誤，實現實際運作的數字化。

1.2 數字化工廠結構

數字化工廠有狹義和廣義之分，狹義數字化僅僅是指工廠生產過程數字化，而廣義數字化是更加全面的數字化，包括前期的市場需求數字化、產品設計數字化、生產加工數字化、企業管理數字化等。整個數字化工廠系統就形成了對實際企業的虛擬映射，以最快的時間滿足客戶的需求，提高產品的質量和生產過程所涉及的質量和動態性能，從而更好地投入市場[ 3 ]。

為便于概念的理解，本文主要以廣義的數字化工廠為例進行結構分析。廣義數字化工廠包括一切與制造有關的活動過程，主要包括原料供應、制造企業、銷售部門，基本結構如圖1所示。

原料供應：為制造企業提供原料的環節，需要原料供應商提供各種原材料、半成品、零件等。這里通過虛擬技術將可能花費的費用進行分析，通過網絡技術選取最廉價的材料，并虛擬供應，分析可能出現的問題進行解決。

制造企業：進行虛擬管理，調整人才分布狀態、設備功效等，以保證生產能夠以最快最好的效益進行，防止因為客觀原因導致生產不能高效進行。虛擬制造分為設計虛擬以及生產虛擬，設計虛擬對產品制造材料、工藝進行分析，生產虛擬則根據數字化模型進行仿真虛擬，給出虛擬的生產過程與虛擬產品，同時也可以通過修改生產計劃對虛擬生產過程進行進一步調整和優化。

銷售部門：分析潛在的市場，對可能市場的銷售方法、服務方式進行模擬，發現客戶，為客戶提供數字化訂單服務。同時能夠得知產品的庫存情況，參與數字化產品設計、制造和銷售服務，提供市場需求等數字化信息，向企業傳達數字化訂單?？蛻羰侵圃炱髽I的產品和服務的受體，是企業利潤的來源。

1.3 數字化工廠關鍵技術

從1.2的分析可知，數字化工廠的技術基礎是計算機技術，相應的關鍵技術有數字化計算機建模與數字化計算機仿真[1，4]。

1）數字化建模。由于數字化工廠需要采用適當的建模方法，對建模結構進行分析與簡化，最后通過建立數字化工廠的企業模型，作為企業信息系統的建立運行的基礎。企業數字化建模是借助計算機實現數字化描述、存儲和表達實際產品，其中主要包括產品的外觀、性能和狀態等關鍵信息，以便在軟件系統中進行各種數字仿真和分析，因此，模型的精準程度影響到對真實情況的反應，對于后續的工作以及精確的模擬仿真有著很大的影響，可以說這是數字化工廠技術的基礎，起著十分關鍵的作用。本質上是在生產過程中采用多視圖和復合模型進行描述，如采用三維數字化技術。從產品信息、產品生產、流水線工程等多方面分別進行描述，通過集成化方法產生相對應的視圖，并按照加工過程的特點，對加工過程進行建模和仿真，即對生產軌跡進行運動模擬。

2）數字化仿真。數字化仿真是虛擬制造的基礎，是利用計算機技術虛擬制造出一個環境，這個環境是虛幻的，但是人們對于這種環境的感覺（視、聽、觸等）是逼真的，最重要的是人們可以通過一些行為（肢體語言、口頭語言等）與這個環境進行交互，同時環境還可以實時地做出相對應的反應。虛擬的對于數字化工廠而言，這個系統可以是真實工廠的映射，也可以是客觀不存在但是可以制造出來或者將來可以存在的工廠?？蓪S設備、流水線等進行詳細剖析展示，由外而內表現工廠的客觀情況，并可通過鳥瞰、內部漫游、自動動畫播放等形式對設備逐一表現，從而決定是否使用模型，大大提高了設計規劃的質量與效率。同時數字化仿真和虛擬制造加強了工廠數據采集、分析、處理的能力，可以減少決策失誤，降低企業風險，使工業設計的手段和思想發生質的飛躍，更加符合社會發展的需要，所以說在工業設計中應用虛擬現實技術是可行且必要的。

2 數字化工廠應用案例分析

2.1 汽車制造智能數字工廠應用分析

由于數字化工廠的卓越性，很多知名企業已經開發出數字化工廠所需要的軟件并在市場上銷售，例如由上海魯班軟件有限公司推出的針對建筑行業的全過程管理解決方案PDPS（Project Data Providing Service）。數字化工廠可以應用在很多生產制造領域中，例如航天制造、汽車制造、零件生產等。本文以汽車制造工廠為例進行數字工廠的應用分析，一般可設計成如圖2所示的三層結構模型，主要采用到的相關技術有全廠數據采集管理、設備生命周期管理和3D可視化管理。

基于實時數據采集的在線生產管理可以利用制造執行平臺、工業數據采集引擎或與之同類的軟件進行采集，借助計算機在線搜集生產數據和質量數據，并以此為基礎進行技術分析、計算和統計等，最終以特定圖形、具體數字或多維模型等形式展現，并隨時通過數據的分析對生產進行調整。通過對采集到的在線實時數據進行分析進而實現生產管理的優化，實現以訂單為導向的生產計劃調度，為提升企業市場競爭力提供技術保障。

利用DELMIA等軟件進行管理，通過前端CAD系統的設計數據結合制造現場的資源（2D/3D）。通過3D圖形仿真引擎對于整個制造過程進行仿真和分析。得到最優化數據，進行3D環境下工藝的詳細設計、仿真和驗證。讓汽車裝配工人和維修工人對設備的了解更加全面，為實現現場可視化裝配打好基礎，減少人為失誤，提高汽車的裝配質量，使設備更方便的按所預期的效率進行運作。

2.2 數字化工廠的實際應用優勢分析

從對汽車制造智能數字工廠的分析，可以發現，數字化工廠可以根據工廠實際情況，定制自己的工藝層次結構和資源庫，減少工藝規劃時間，提高規劃質量預見并減少規劃風險，減少工程成本實現設計部門以及生產部門的良好的集成，加速產品流入市場，適應新時代的要求，提升產品的競爭力，主要優勢體現如下兩方面。

1）數字化工廠的這些技術的應用方面非常廣泛，幾乎所有大型工廠都可以通過數字化工廠來減少多余人員利用、提升生產效率、貼近市場需求，從而提高競爭力。

2）數字工廠可以更好地實現工廠自動化，自動完成產品制造的全部或部分加工過程。數字工廠可以用于計算機中確認自動機械的動作設備聯動、安全關系等，使系統達精益階段，實現生產中更高程度的自動化。

3 結論

數字化工廠是集數字化建模、仿真和虛擬現實技術為一體的現代化制造新概念，通過設備實時信息數據管理集成在一起形成的現代化工廠，是實際工廠生產在數字環境中的描述與表達。本文基于傳統生產制造過程中的問題和數字化工廠技術基礎，闡述了如何具體構建數字化工廠。通過具體案例的分析達到對企業現場智能系統作用的理解，在數字化工廠相關技術的推動下，可使企業生產運營數據管理智能化、生產線可視化、企業價值最大化，真正實現數字化制造，幫助更多的企業跟隨工業4.0

的發展潮流[4]。

參考文獻

[1]王金慶.數字化工廠及其關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2001.

[2]張國軍，黃剛.數字化工廠技術的應用現狀與趨勢[J].航空制造技術，2013，428（8）：34-37.

[3]趙榮泳，張浩，樊留群，等.數字化工廠與虛擬制造的關系研究[J].計算機集成制造系統，2004（s1）：46-50.

[4]趙子梁，賀剛，李海明.數字化工廠管理系統[J].機械設計與制造工程，2013（1）：53-56.