智能制造行業虛擬工廠搭建關鍵技術

張恩康，孫 強，果 偉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術工程部，青島 266111)

0 引言

數字化轉型已經成為時代發展的趨勢，也已上升到國家戰略，尤其是制造企業更是加快了數字化轉型實踐的探索，并已發展到轉型的關鍵時機。未來，數字化轉型的必然趨勢是數字化技術與智能制造深度融合，通過數字化推進數據交互，以此為基礎和前提條件，將數字化制造理念延伸至全過程精益管控，強化數字化思維與精益思維的融合，加快制造數字化進程，持續深化數字技術在智能制造中的應用，創新開展經營管理活動。

隨著企業數字化轉型推進進入關鍵期，虛擬工廠技術作為數字化轉型的關鍵技術，已逐步得到制造企業的重視。虛擬工廠也叫數字孿生工廠，是存儲在計算機系統中的一個數字化的工廠，是物理工廠的虛擬“鏡像”，其重點強調的是物理工廠的虛擬現實呈現，KELSICK將虛擬工廠描述為一個可視化的三維空間[1]。而AZIZ則認為虛擬工廠是一個仿真系統，可用于描述工廠的生產活動[2]，是“建模—模擬—流程—設計—建造—運營”在工廠的全生命周期將工藝、設計、ERP、制造、質量、物流、設備等相關系統數據的信息交換和集成，以產品制造全過程的履歷數據為基礎，在信息系統虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。

虛擬工廠是相對物理工廠而言的，物理工廠是企業的實體資產，虛擬工廠則管理著企業的數字信息資產，存儲了實體工廠的制造、經營、管理、供應鏈等所有信息；并融合智能制造技術和計算機仿真技術而構建的創新型產物，由于他的出現，為智能制造業帶來了新的模式創新，并為產品設計與制造相互協同提供了新的溝通橋梁。虛擬工廠在不同應用場景下有著獨特的含義和特性，從規模方面來講，一個車間可以作為獨立的虛擬工廠，也可以擴展到企業級[3]。

1 虛擬工廠的特點

虛擬工廠技術一經面世即得到眾多學者的興趣，尤其是近年來，大數據、物聯網等技術的突飛發展更為虛擬工廠技術的應用提供了良好的土壤。由于虛擬工廠具有虛擬空間的獨特特性，為突破制造中的關鍵技術提供了良好的仿真環境，其具體特性主要有以下幾點：

1）直觀：高保真描述和映射物理工廠的實體關系，并具有最自然、全景式、實體化等特點，融合的三維虛擬現實工作環境；

2）精確：精確描述工廠各主體元素的外觀、空間布局、經營管理、工藝邏輯等相關信息；

3）實時：數據同步映射、業務數據實時更新、實時展現物理工廠的制造過程；

4）集成：以生產全要素數據深度融合為目標，利用系統集成和數據集成等各種方式，實現數據的貫通與共享，如：MES、QMS、EAM、WMS、視頻等相關信息系]工藝流程的融合、與生產經營業務流程的融合，構建信息的關聯關系；

6）協同：利用網絡同步能力，基于生產要素協同，利用人工智能技術實現一站式調度指揮、研發協同等任務；

7）智能：基于崗位角色的數據智能篩選與推送；構建面向智能制造的機理或挖掘模型，實現智能制造的主動感知，精準預測等智能化能力。

以上良好的特性為虛擬工廠在制造中的應用提供了先天無法比擬的條件，近年來眾多學者和企業均投入了大量的精力和財力投入虛擬工廠的研究和應用探索中。

2 虛擬工廠整體設計

近年來，虛擬工廠作為智能制造的關鍵應用技術已在工業行業中得以應用，尤其是在設備巡檢、生產仿真、管線分析等制造環節中，為管理人員提供形象直觀的數據決策支撐能力[4]。本研究選取某高端裝備制造企業為研究對象，利用物聯網、大數據、GIS等相關技術，融合生產、設備、質量、物流等應用系統數據，搭建面向生產協同、資產管控、能源指揮等智慧化應用體系，加速推進企業生產的數字化智慧化進程。系統架構設計如圖1所示。

圖1 虛擬工廠整體框架

虛擬工廠是以云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能、三維可視化、工業互聯網思維等新型技術為技術支撐，通過融合企業工廠設施設備各類靜動態數據與現有信息化體系相關數據為基礎，以工廠、周邊環境的可視化場景為載體，數據按照三維空間有機整合，結合工廠生產運行相關的模型，挖掘動態分析，形成面向各業務的專題式服務能力[5～7]。

在系統平臺搭建方面，重點圍繞企業生產調度、資產、能源、物流等與工廠物理空間結合比較緊密的專題搭建相應的應用體系，具體應用設計如圖2所示。

圖2 虛擬工廠平臺架構圖

虛擬工廠平臺主要以企業工業互聯網平臺能力，融合資產設備、能源、質量、物流、制造等相關數據，并基于虛擬工廠三維可視化能力，搭建面向生產、資產、能源、物流等相關專題的數字化應用，形成面向企業級的生產管理數字化支撐機制，加速推進企業生產智慧化、決策數字化進程。

3 虛擬工廠應用設計

工業企業尤其是智能制造行業生產過程中更加注重生產過程的實時監控，而虛擬工廠更加直觀的虛擬三維空間展示優勢更加有助于精準、動態監控生產過程狀態以及生產要素的協同能力。本研究重點聚焦于生產過程數字化應用研究，并圍繞制造過程中生產指揮調度、資產智能管控、節能降耗、優化物流配送等數字化支撐能力構建提供針對性研究。

3.1 生產數字化

在智能制造行業，尤其是大型離散型裝備制造行業，其制造環節繁多、工藝復雜，對人、機、料、法、環、測等生產要素協同要求非常高，管理人員每天都要通過一系列數據匯聚到一起來綜合研判各生產要素的協同情況并作出指揮調度決策，這部分工作費時費力并且非常容易出錯。

本研究通過搭建基于虛擬工廠的生產數字化支撐體系充分滿足了生產要素的協同支撐要求，切實實現了生成過程的實時動態監控。并以車間、產線、工位等工廠物理空間為依托，以工藝步驟為主線，將生產過程全要素信息一體化展現在虛擬工廠平臺中，實現了生產現場與虛擬工廠平臺同步映射。管理人員通過虛擬工廠平臺即可一站式掌控各個車間、產線、工位的生產計劃完成情況，并結合執行情況精準判定生產異常，并精準定位到具體的產線、工位以及責任班組。同時，針對生產異常情況，利用平臺智能判定具體責任原因（如：設備異常、人員不到位、物料配送不及時等），并將異常情況一鍵轉派給責任人，為高效生產提供智慧支持。

3.2 資產數字化

隨著制造技術的升級換代，設備資產已成為生產過程最關鍵的要素之一。如何保障設備高效正常運行是管理者最關注的事情之一。在虛擬工廠平臺中重點圍繞設備巡檢、設備監控、設備預警等能力進行專項支撐。

1）設備巡檢：利用虛擬工廠平臺三維可視化監控設備的巡檢信息，精準監控各車間是否有漏檢現象，并提供設備的巡檢信息動態查看等功能，實現足不出戶即可掌控全局；

2）設備監控：利用物聯網技術實時獲取設備的電流、電壓、運行狀態、加工程序運行等數據，并以工位為單元，利用三維空間展現設備與生產要素的協同情況，高效保障生產任務；

3）設備預警：利用人工智能技術對設備運行的機理規則提供智能化的設備預警能力，當設備出現異常時可以精準定位設備的位置，進一步關聯分析對生產的影響，為生產指揮調度提供決策支撐。

3.3 能源數字化

在構建綠色工廠的總體規劃指引下，以節能降耗為目標，利用虛擬工廠平臺提供能源設備的監控和能源預測能力。

1）能源監控：利用虛擬工廠平臺直觀展現企業官網運行狀態；動力房、儀表等關鍵設備的狀態和數據，同時，利用無人機等先進手段進行巡檢，實施在虛擬工廠平臺中展現巡檢的信息；

2）能源預測：以產線、工位為基礎，聚焦生產工藝，構建單產品能耗預測能力；

3）能源分析：基于精益管理的思路，提供企業、車間、產線、工位的分層分級能源分析機制，并搭建能耗與生產任務的關聯分析能力。

通過以上應用構建，一方面保障能源的安全供應；另一方面結合生產過程定位高能耗、高損耗的環節，為制定科學有效的降耗措施提供數字化支撐手段。

3.4 物流數字化

以提供物流配送效率為目標，利用虛擬工廠空間模型能力，提供動態的物流配送監控能力，實時掌控物料配送情況。同時，利用人工智能手段，結合生產計劃提供智能化的預測預警支撐，確保物料提前精準配送。具體應用建設包含以下幾點：

1）配送狀態監控：基于虛擬工廠平臺實時監控庫存情況、物料配送狀態，為科學調度提供決策支撐；

2）預警預測能力：基于生產任務提供智能化的物料采購、配送等預測能力，減少因缺料對生產造成的影響；

3）規劃配送路徑：通過空間模型的能力，合理制定配送路徑，優化配送環節。

4 應用價值

本研究重點圍繞與生產緊密相關的專題進行應用設計與研究，并選取某高端裝備制造企業為驗證對象，經過實施運行取得了良好的效果，并分別在生產效率提升、資產利用率提升、能耗降低、縮短配送時間等方面均得到很大的提升，為企業數字化轉型鋪墊了基礎。

表1 智能制造應用價值

5 結語

本研究在已有面向工藝仿真、工廠規劃、產品全壽命周期管理等相關應用研究的基礎上，聚焦與智能制造緊密相關的生產指揮、設備管控、能源監控以及物流配送四個關鍵主題搭建虛擬工廠應用，并以某高端裝備制造為研究對象，驗證了虛擬工廠的應用價值，具有較高的新穎性和創新性。但由于受客觀因素所限，本研究在虛擬工廠關鍵技術實現方面研究較為簡潔，后續將圍繞智能制造過程中研發設計、安全環保、防災減災等專題中的關鍵難點進行深入研究，為持續豐富虛擬工廠理論研究貢獻力量。