虛擬工廠應(yīng)用的研究綜述

劉 進(jìn)，史康云，宋興旺，趙玉蘭，張新生

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第一工程院，河南 鄭州 450007；2.河南中煙工業(yè)有限公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000；3.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 綠色建筑信息模型化工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450007)

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化和社會(huì)信息化的大趨勢(shì)下，制造業(yè)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).企業(yè)只有不斷地提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提供優(yōu)良的服務(wù)，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)集成制造(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)及并行工程(Concurrent Engineering，CE)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了虛擬制造.虛擬制造即透過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)和周邊設(shè)備，生成與真實(shí)環(huán)境幾乎一致的3D虛擬工廠環(huán)境，能讓用戶從不同的角度觀看，并透過輔助設(shè)備與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)，模擬完成制造過程[1].本文在介紹虛擬工廠的基礎(chǔ)上，擬對(duì)其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié).

1 虛擬工廠的研究

1.1 虛擬工廠定義

虛擬工廠的概念使人們有可能從研究單一的工藝/設(shè)備發(fā)展到一個(gè)生產(chǎn)單元/一條生產(chǎn)線，甚至整個(gè)車間/工廠.目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)虛擬工廠并沒有一個(gè)明確的界定，其定義大致有4種.

(1) 通過集成一個(gè)或多個(gè)仿真模型的虛擬工廠，虛擬呈現(xiàn)工廠的主要業(yè)務(wù)活動(dòng).BODNER等將虛擬工廠定義為以“高保真度設(shè)計(jì)和控制生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境”[2].佐治亞理工大學(xué)虛擬工廠實(shí)驗(yàn)室將虛擬工廠定義為“用于集成各類建模工具、仿真軟件和支持應(yīng)用系統(tǒng)等一系列重要業(yè)務(wù)決策的方法論”[3].

(2) 虛擬工廠作為虛擬組織，能夠?yàn)槎鄠€(gè)組織協(xié)同制造產(chǎn)品.UPTON等將虛擬工廠定義為“基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作的工作環(huán)境”——企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)不全在一個(gè)工廠內(nèi)完成，使部分生產(chǎn)活動(dòng)由作為戰(zhàn)略聯(lián)盟的供應(yīng)商或合作伙伴完成，其中合作伙伴以電子方式共享信息，共同圍繞某個(gè)大型工程合作項(xiàng)目的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程進(jìn)行協(xié)作(包括使用統(tǒng)一平臺(tái)下的CAD/CAM、CAE)[4].美國(guó)耐克公司是全球虛擬工廠模式的先驅(qū)，它將產(chǎn)品的生產(chǎn)加工任務(wù)外包給東南亞等地的許多發(fā)展中國(guó)家.中國(guó)聯(lián)想集團(tuán)也開始了多工廠的虛擬化工廠管理，其主要內(nèi)涵為聯(lián)合組織架構(gòu)、資源共享、聯(lián)合管理系統(tǒng)及最佳實(shí)踐共享.

(3) 虛擬工廠作為一項(xiàng)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)工廠的虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn).KELSICK等將虛擬現(xiàn)實(shí)工廠的趨勢(shì)描述為：“提供一個(gè)可視化的三維空間，在其虛擬空間中研究各種產(chǎn)品零部件組合的效果，預(yù)計(jì)產(chǎn)品何時(shí)達(dá)產(chǎn)?工人獲取相應(yīng)能力的經(jīng)驗(yàn)需要多久?”[5].美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一個(gè)擁有3D可視化和超鏈接網(wǎng)絡(luò)信息等多功能的虛擬工廠，除了可進(jìn)行仿真，還允許快速訪問圖紙、程序、數(shù)據(jù)庫、制造應(yīng)用程序和歷史信息記錄，捕獲即時(shí)工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且能夠提供可視化的集成制造知識(shí)庫[6].

(4) 虛擬工廠作為仿真系統(tǒng)，可用于描述工廠的生產(chǎn)活動(dòng).佛羅里達(dá)大學(xué)在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中心模擬了一個(gè)真實(shí)生產(chǎn)活動(dòng)的工廠[7].其虛擬工廠仿真器為用戶提供了一個(gè)交互式?jīng)Q策的支持系統(tǒng)，主要用于生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試、生產(chǎn)組織策略的確定和產(chǎn)品供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略決策.

1.2 虛擬工廠應(yīng)用

虛擬工廠的規(guī)?？蓮脑O(shè)備級(jí)別擴(kuò)展到工廠級(jí)別.虛擬工廠在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段具有重要作用.正因如此，世界上不同組織對(duì)虛擬工廠技術(shù)展開了大量的研究和應(yīng)用.歐盟FP6數(shù)字虛擬工廠子項(xiàng)目的主要目的是滿足新一代制造公司的協(xié)作制造環(huán)境(Collaboration Manufacturing Environment，CME)，為此，其瞄準(zhǔn)歐洲的中小企業(yè)，開發(fā)了以人為本的生產(chǎn)系統(tǒng)(DiFac),但是，歐盟目前使用的虛擬工廠大多為制造工藝、技術(shù)、方法和工具的靜態(tài)集成模型[8].SHAMSUZZOHA等在歐盟FP7-Adventure(自適應(yīng)虛擬企業(yè)制造環(huán)境)項(xiàng)目中提出了智能過程監(jiān)視的基礎(chǔ)架構(gòu)，在虛擬信息化系統(tǒng)中收集可視化數(shù)據(jù)，通過開發(fā)儀表板的圖形用戶界面來跟蹤關(guān)鍵指標(biāo)(Key Performance Indicators,KPIs)[9].同時(shí)，KüHN開發(fā)了用于機(jī)器、單元/生產(chǎn)線和車間/工廠等多層級(jí)制造過程的虛擬工廠系統(tǒng)[10].歐盟FP7“全面、可擴(kuò)展、可伸縮和標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬工廠框架(Virtual Factory Framework，VFF)”項(xiàng)目旨在通過定義新一代虛擬工廠系統(tǒng)，提高歐洲制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)對(duì)工廠產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理和資源的重組優(yōu)化[11].在VFF項(xiàng)目中，AZEVEDO等將虛擬工廠系統(tǒng)分解為參考模型、虛擬工廠管理器、功能模塊和知識(shí)存儲(chǔ)庫等部分，并開發(fā)了一種工廠模板，以縮短仿真模型的開發(fā)時(shí)間[12].

(1) 虛擬工廠的一種應(yīng)用是采用類似于企業(yè)建模體系結(jié)構(gòu)(如CIMOSA、Petri和GERAM)模型視圖的方法，將企業(yè)模型、組織看作主要子系統(tǒng)的集成，分層、分體系地對(duì)制造活動(dòng)進(jìn)行建模，并使用離散事件的模擬技術(shù)在工廠運(yùn)營(yíng)級(jí)別實(shí)施這些虛擬工廠概念[13-14].日本學(xué)者中村昌弘已將生產(chǎn)模擬整合工程業(yè)務(wù)的方式引入仿真集成制造(Simulation Integrated Manufacturing，SIM)系統(tǒng)[15].

(2) 虛擬工廠的另一種應(yīng)用是對(duì)制造設(shè)備耗能行為的模擬仿真[16].在虛擬工廠中分析生產(chǎn)流程的當(dāng)前價(jià)值流，同時(shí)建立與當(dāng)前能耗有關(guān)的設(shè)備模型，在模擬場(chǎng)景中對(duì)生產(chǎn)設(shè)備整體能耗的解決方案進(jìn)行評(píng)估.羅克韋爾的Arena?商用仿真軟件[17]、西門子的Plant Simulation?商用仿真軟件[18]都能對(duì)工廠進(jìn)行耗能模擬，并進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)分析.

(3) 虛擬工廠也可應(yīng)用于信息物理的虛擬仿真.TAO等在2017年首次提出數(shù)字孿生車間的概念，將在數(shù)字孿生車間里收集的實(shí)物產(chǎn)品數(shù)據(jù)送入虛擬產(chǎn)品模型中，用于更好地進(jìn)行產(chǎn)品的全生命周期(包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù))管理[19].GRIEVES介紹了美國(guó)宇航局NASA位于新奧爾良郊外的米肖裝配工廠(MAF)對(duì)虛擬工廠的應(yīng)用.NASA通過創(chuàng)建虛擬工廠，模擬航天飛機(jī)燃料箱的生產(chǎn)計(jì)劃，提前發(fā)現(xiàn)了設(shè)備和工藝上的問題[20].在德國(guó)大眾公司的虛擬工廠中，3D可視化模型與達(dá)索的制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)APRISO?相鏈接，動(dòng)態(tài)地展示生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備綜合效率(Overall Equipment Effectiveness，OEE)及維修保養(yǎng)等工廠運(yùn)營(yíng)管理活動(dòng)[21].美國(guó)福特公司通過虛擬技術(shù)評(píng)估和優(yōu)化工廠設(shè)計(jì)，提高了工廠的裝配線產(chǎn)能[22].韓國(guó)學(xué)者SEUNG等提出一種數(shù)字虛擬工廠(Digital Virtual Factory，DVF)概念，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬和可視化技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)汽車公司的復(fù)雜數(shù)字虛擬工廠[23].

2 虛擬工廠應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

本文研究的虛擬工廠主要基于工廠數(shù)字孿生的仿真建模與分析技術(shù)，在三維環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃、設(shè)施監(jiān)控、運(yùn)行優(yōu)化與活動(dòng)預(yù)測(cè).圖1所示基于數(shù)字孿生的虛擬工廠系統(tǒng)集成框架，能為工廠的主要經(jīng)營(yíng)及生產(chǎn)提供集成的仿真模型[24].該仿真模型有助于將工廠作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)(System of System，SOS)，從各層級(jí)和業(yè)務(wù)視角來考慮企業(yè)的經(jīng)營(yíng)難題，為決策提供支持.相應(yīng)開發(fā)的仿真分析系統(tǒng)能夠評(píng)估多層級(jí)制造系統(tǒng)的性能，可快速地生成分析數(shù)據(jù)，以滿足實(shí)際的工廠決策需要.

圖1 基于數(shù)字孿生的虛擬工廠系統(tǒng)集成框架

虛擬工廠能夠多維度展示生產(chǎn)設(shè)施及周邊地理環(huán)境(Geographic Information System，GIS)的空間信息和地理信息.它能以虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來身臨其境的沉浸式體驗(yàn).生產(chǎn)管理人員可采集、匯總、查看各種信息，通過虛擬調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行整座工廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)隨地獲取生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、訂單進(jìn)度等各種信息，提高管理的響應(yīng)速度和透明度，促進(jìn)各部門間的協(xié)作和知識(shí)共享.虛擬工廠作為一種計(jì)算機(jī)集成模型，能夠結(jié)合物理生產(chǎn)系統(tǒng)精確展現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)，模擬其運(yùn)轉(zhuǎn)過程的物理行為和邏輯行為.虛擬工廠是對(duì)所有目前和未來生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)品、過程及控制進(jìn)行的建模[25].在現(xiàn)場(chǎng)信息和控制數(shù)據(jù)下發(fā)之前，大部分物理生產(chǎn)系統(tǒng)將在虛擬生產(chǎn)環(huán)境下得到驗(yàn)證.同時(shí)，物理生產(chǎn)系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)過程的實(shí)時(shí)狀態(tài)和信息反饋到虛擬工廠系統(tǒng)，以便對(duì)虛擬工廠的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行修正.

虛擬工廠的實(shí)現(xiàn)需要三大技術(shù)支撐.一是基于建模和仿真方法的虛擬生產(chǎn)技術(shù).它通過構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)的人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)人與虛擬世界的互動(dòng).二是物理工廠獲取信息的技術(shù).它基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析來展示相關(guān)結(jié)論和洞察力.三是虛擬世界控制現(xiàn)實(shí)的技術(shù).虛擬工廠是信息系統(tǒng)整體的有機(jī)結(jié)合.虛擬工廠基于數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動(dòng)的仿真模型，應(yīng)用各種機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新一代人工智能高級(jí)算法，使工廠調(diào)度和控制、訂單處理、任務(wù)排隊(duì)、設(shè)備維護(hù)等應(yīng)用問題得到最優(yōu)解.同時(shí)，它在現(xiàn)實(shí)空間，通過決策推理、知識(shí)挖掘等自學(xué)習(xí)的工業(yè)大數(shù)據(jù)，把仿真模型驗(yàn)證的數(shù)據(jù)和加工指令送給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或生產(chǎn)線，以便調(diào)度器根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度.這里，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或生產(chǎn)線的控制采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，且通過直接與仿真器相連的遙控操作來完成.

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)在虛擬工廠中的應(yīng)用

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和積累，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和裝備逐步從娛樂消費(fèi)向工業(yè)級(jí)應(yīng)用拓展，虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬模型開發(fā)已進(jìn)入工廠管理者的視野.虛擬模型需要構(gòu)造物理對(duì)象的信息映像.它是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)開發(fā)的，既包括對(duì)象的幾何特征，又包含其本質(zhì)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型.它能夠在數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果的驅(qū)動(dòng)下，通過幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型展示對(duì)象各方面的特征.圖2所示為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在虛擬工廠交互中的接口框架[26].通過VR接口和設(shè)備，能夠?qū)μ摂M工廠的虛擬模型和對(duì)象進(jìn)行操作與控制[27-28].借助虛擬模型，可以達(dá)到如下目的：①顯示現(xiàn)實(shí)(顯示那些實(shí)際存在但因某種原因而難以觀察的物體，如密閉容器內(nèi)部、X光機(jī)區(qū)域、高濃度粉塵房間或高潔凈間等具有危險(xiǎn)性或者無法進(jìn)入的空間和場(chǎng)所)；②模擬現(xiàn)實(shí)(在事件發(fā)生前，對(duì)事件進(jìn)行預(yù)演，預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)未來的事件進(jìn)行指導(dǎo)，如發(fā)現(xiàn)工廠在試生產(chǎn)階段的產(chǎn)能約束瓶頸、物流瓶頸、工位人員的人機(jī)工程問題)；③創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)(創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)世界中可能存在的假想工況和環(huán)境，如多臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備的意外停機(jī)對(duì)生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)間的影響和產(chǎn)能恢復(fù)的可能性).

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在虛擬工廠交互中的接口框架

AR作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的擴(kuò)展，允許全息3D模型疊加于物理世界，以提高工程師評(píng)估和改進(jìn)設(shè)計(jì)的能力.

在智能工廠的運(yùn)營(yíng)中，許多產(chǎn)品需要復(fù)雜的制造設(shè)施，這些設(shè)施需要根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行升級(jí)或者替換，因此要求安裝生產(chǎn)設(shè)施的廠房能夠提供充足的空間和合適的基礎(chǔ)設(shè)施，使管道、支架、機(jī)器人等能被安裝在合適的位置.虛擬工廠可利用3D模型展示工廠設(shè)施模型，通過AR系統(tǒng)直接檢查設(shè)備間的沖突和其他非常規(guī)設(shè)備的安裝情況[29].通過這種方式，絕大多數(shù)動(dòng)力管網(wǎng)、管線的“硬干涉”和“軟干涉”問題都能在工廠設(shè)備和設(shè)施安裝開始之前得以解決.

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)在虛擬工廠中的應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)通常用于數(shù)據(jù)分析和潛在的系統(tǒng)故障預(yù)測(cè).

在虛擬工廠中應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)，首先，需要了解機(jī)器學(xué)習(xí)方法和預(yù)測(cè)分析的范圍，以便預(yù)測(cè)組件/系統(tǒng)何時(shí)可能失敗，更重要的是為什么會(huì)發(fā)生故障，從而進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，延長(zhǎng)資產(chǎn)和整個(gè)系統(tǒng)的生命周期；其次，需要通過建立完整的基于模型的系統(tǒng)，減少人工作業(yè)流程的數(shù)據(jù)，而高效地使用智能數(shù)據(jù).圖3所示為機(jī)器學(xué)習(xí)在虛擬工廠中的應(yīng)用框圖.模型數(shù)據(jù)從制造系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)被獲取，發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法群，使用最新優(yōu)化數(shù)據(jù)和其他信息，如數(shù)學(xué)模型(調(diào)度模型、行為方程等)、物理模型(機(jī)理模型)及行為模型(推理模型、決策模型)，生成一個(gè)生產(chǎn)預(yù)測(cè)系統(tǒng).數(shù)據(jù)在這一過程中雖然是流動(dòng)的，但經(jīng)過分析處理，對(duì)提高生產(chǎn)績(jī)效和能源利用率將有所幫助.通過機(jī)器學(xué)習(xí)，虛擬工廠將進(jìn)一步智能化[30]，而機(jī)器學(xué)習(xí)所用數(shù)據(jù)需要以虛擬工廠的孿生模型作為載體.

圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)在虛擬工廠中的應(yīng)用框圖

2.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在虛擬工廠中的應(yīng)用

虛擬工廠中的生產(chǎn)仿真與現(xiàn)實(shí)世界中的生產(chǎn)要達(dá)到無縫融合，需要將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)同步到虛擬工廠中，并保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性[31].一個(gè)大型離散型制造工廠有采集點(diǎn)數(shù)萬個(gè)、設(shè)備接口十幾種、通信協(xié)議上百個(gè)，生產(chǎn)傳感數(shù)據(jù)接入虛擬工廠之前，需經(jīng)過多次協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)，延時(shí)是難以控制的.設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)首先要接入機(jī)臺(tái)的工控系統(tǒng)，然后由Modbus等現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議上傳到車間控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，再通過Profinet等以太網(wǎng)通信協(xié)議傳送到工廠的MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后，虛擬工廠的仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)才能從數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(SCADA)的數(shù)據(jù)庫中獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù).在這樣的傳輸方式之下，數(shù)據(jù)傳輸速度是無法滿足虛擬工廠實(shí)時(shí)性要求的.

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下，數(shù)據(jù)能夠“一網(wǎng)采集到底”，由設(shè)備傳感器和驅(qū)動(dòng)器采集的數(shù)據(jù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，通過OPC-UA-TSN(時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))通信協(xié)議[32]被直接上傳到MES和SCADA的數(shù)據(jù)庫中；同時(shí)可在虛擬工廠的仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中進(jìn)行備份，并驅(qū)動(dòng)虛擬工廠的生產(chǎn)仿真系統(tǒng).

2.4 大數(shù)據(jù)在虛擬工廠中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的排產(chǎn)方法憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工干預(yù)，將工單下達(dá)到執(zhí)行的自動(dòng)化系統(tǒng).這種方法較適用于大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，但對(duì)個(gè)性化、小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的適應(yīng)能力明顯不足，更難以滿足虛擬工廠的要求.虛擬工廠需采集海量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并從各系統(tǒng)匯集企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)線能力、庫存情況、訂單優(yōu)先級(jí)、工藝限制、計(jì)劃變更、設(shè)備故障、質(zhì)量狀況、原輔料供應(yīng)、工藝調(diào)整，以及各生產(chǎn)單元間相互制約關(guān)系的大量結(jié)構(gòu)性、非結(jié)構(gòu)性和含有歷史資料的時(shí)間序列數(shù)據(jù).如何快速地分析挖掘這些雜亂的大數(shù)據(jù)，成為工廠確定最優(yōu)排產(chǎn)方案的關(guān)鍵.

基于企業(yè)級(jí)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、查詢、分析平臺(tái)，為工廠快速排產(chǎn)構(gòu)建海量數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)，對(duì)各類海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能挖掘和分析，能夠幫助工廠從各類繁雜無序的數(shù)據(jù)湖中獲取真正有價(jià)值的智能數(shù)據(jù)，及時(shí)洞察生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行決策優(yōu)化.虛擬工廠能夠建立工廠生產(chǎn)模型，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果制定排產(chǎn)方案，在虛擬仿真系統(tǒng)中對(duì)各種排產(chǎn)方案進(jìn)行仿真.通過仿真,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)因滿足履約訂單要求而增加的無謂成本問題，以便反饋并修改方案，找出最優(yōu)排產(chǎn)計(jì)劃，使排產(chǎn)調(diào)整周期從數(shù)十小時(shí)縮短到幾分鐘，將排產(chǎn)準(zhǔn)確率提高到98%.

3 虛擬工廠應(yīng)用的瓶頸和解決方案

一個(gè)完整工廠的全面虛擬化運(yùn)作，面臨一系列技術(shù)問題和非技術(shù)使能因素，不同的應(yīng)用瓶頸應(yīng)有針對(duì)性的解決方案.

(1) 構(gòu)建生產(chǎn)的全生命周期系統(tǒng).在工廠規(guī)劃的設(shè)計(jì)階段，可使用全生命周期的模擬生產(chǎn)系統(tǒng)(Cyber-Physical Production Systems，CPPS)整合多領(lǐng)域和跨學(xué)科的不同模型.盡管有后期新產(chǎn)品導(dǎo)入的工廠技術(shù)改造，采用的信息化系統(tǒng)有升級(jí)，但規(guī)劃階段的信息系統(tǒng)能夠支持和維護(hù)全生命周期的虛擬工廠，使數(shù)據(jù)得到及時(shí)擴(kuò)展與更新，同時(shí)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、試運(yùn)行、運(yùn)維的每個(gè)階段都能進(jìn)行復(fù)用.例如每個(gè)階段都使用適當(dāng)顆粒度的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立高保真和完整數(shù)據(jù)庫的模塊，以及二次開發(fā)應(yīng)用.

(2) 通過使用合適的商用仿真工具，構(gòu)建行業(yè)專用和適用于特定業(yè)務(wù)背景的虛擬工廠系統(tǒng).目前，類似的平臺(tái)還不具備通用性，需要企業(yè)用戶和商業(yè)合作伙伴共同開發(fā)，構(gòu)建可集成、可擴(kuò)展的工廠模型和APP工具，以實(shí)現(xiàn)多層面、不同管理權(quán)限、不同合作伙伴共享信息的訪問機(jī)制.新的平臺(tái)應(yīng)能夠收集現(xiàn)場(chǎng)不同粒度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、訂單流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品配置數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)不同管理尺度的功能，以便從工廠經(jīng)理到設(shè)備操作員都能提取有用的結(jié)果和信息，從而向上匯總關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)和趨勢(shì)數(shù)據(jù)；向下深度挖掘關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息.

(3) 確保數(shù)字資產(chǎn)與物理資產(chǎn)的一致性.虛擬工廠作為時(shí)間維度上的數(shù)字資產(chǎn)，雖然數(shù)字機(jī)器不存在物理空間上整機(jī)的磨損，易損件和配件、輔料的消耗，但在時(shí)間維度上，性能、指標(biāo)和價(jià)格是順著時(shí)間的變化呈非線性變化(變化曲線因設(shè)備性能不同而異)的.現(xiàn)實(shí)工廠中環(huán)境條件(如振動(dòng)、溫濕度、潔凈度)的變化會(huì)影響真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行精度和使用壽命，但虛擬工廠只需表達(dá)類似這種生產(chǎn)工序之間、環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)性，即可運(yùn)行近于實(shí)時(shí)的新數(shù)據(jù)，自動(dòng)建模，并在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)實(shí)際設(shè)備和設(shè)施維護(hù)情況等情形判定是否需要重建.

(4) 解決高逼真、高保真的數(shù)字模型需求與數(shù)據(jù)采集頻率、顆粒度之間的矛盾.強(qiáng)大的圖像處理功能和高速的計(jì)算能力需要高性能計(jì)算服務(wù)中心(High Performance Computing Center，HPCC)作支撐，需要企業(yè)投入大量的資金和維護(hù)成本.系統(tǒng)在分析和展示階段往往需要復(fù)雜的計(jì)算分析，而不需要高頻率的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；在運(yùn)行維護(hù)階段，對(duì)模型的細(xì)節(jié)并沒有過多的要求.然而，輕量化的模型和高頻率的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均是快速發(fā)現(xiàn)問題和解決問題所必需的.

(5) 需要支持制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作決策的先進(jìn)集成開發(fā)工具[33]，如基于數(shù)字線索的下料切割、切削加工、增材制造、沖壓焊接、涂裝裝配、調(diào)試試驗(yàn)等集成仿真數(shù)字工具.而目前的解決方案過于專業(yè)和獨(dú)立，不利于現(xiàn)場(chǎng)一線技術(shù)工人和操作者的使用；已有數(shù)字工具多為零碎的“珍珠式”軟件套件，未通過數(shù)字線索進(jìn)行串聯(lián)，不便使用.制造業(yè)需要有行業(yè)一致性的模型表達(dá)語言，以便精確地定義模型對(duì)象和具有不同抽象級(jí)別的對(duì)象之間的關(guān)系.此外，信息交換機(jī)制必須保持一致.

(6) 支持制造業(yè)中各種例外情況的處理引擎和算法的開發(fā)[34].雖然目前的仿真軟件和系統(tǒng)考慮了各種“what-if”知識(shí)模塊，但生產(chǎn)和產(chǎn)品的復(fù)雜性導(dǎo)致各種問題層出不窮，一個(gè)意外和突發(fā)情況即可讓系統(tǒng)無所適從，因此必須開發(fā)靈活的意外應(yīng)急處理模塊，使系統(tǒng)能迅速從采集和更新的數(shù)據(jù)中開發(fā)、補(bǔ)充知識(shí)庫，以采取相應(yīng)的行動(dòng)，保持操作的自愈性、穩(wěn)健性和完整性.

(7) 開發(fā)性價(jià)比高、用戶體驗(yàn)好的人機(jī)互動(dòng)接口.以往的虛擬工廠操作比較笨拙，用戶接口非常復(fù)雜且難以理解，以至技術(shù)人員幾乎無法使用，操作人員往往被訪問用戶接口的數(shù)量或傳播信息的復(fù)雜性所困惑.實(shí)際上，高級(jí)工廠經(jīng)理需要理解與生產(chǎn)績(jī)效、財(cái)務(wù)成本等指標(biāo)相關(guān)的展示數(shù)據(jù)；設(shè)備維護(hù)和管理人員只需了解與生產(chǎn)相關(guān)的訂單、原輔料、工藝參數(shù)、設(shè)備維護(hù)及使用狀態(tài)等數(shù)據(jù).新的系統(tǒng)應(yīng)能通過層次化醒目地展示數(shù)據(jù)，以觸摸式或感應(yīng)式交換輸入輸出信息.

4 結(jié)束語

基于數(shù)字孿生的虛擬工廠通過集成過程模型、仿真軟件、信息化系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，帶來了以下好處：不同地點(diǎn)的人可以在同一項(xiàng)目上更好地合作；通過虛擬新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和物料的浪費(fèi)；在項(xiàng)目的各階段，不同地點(diǎn)的工作人員之間的協(xié)作都很方便；決策過程能夠促進(jìn)互動(dòng)創(chuàng)新；不同的締約方可共享和訪問產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的知識(shí)庫；開發(fā)過程以人為中心，工人的效率和安全意識(shí)通過虛擬機(jī)器和生產(chǎn)線的培訓(xùn)學(xué)習(xí)得以增強(qiáng)，并且可在虛擬環(huán)境中對(duì)工人進(jìn)行安全應(yīng)急能力的培訓(xùn).

后續(xù)將圍繞虛擬工廠建模技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化、制造業(yè)專用知識(shí)庫在虛擬工廠的表述和獲取、智能工廠全生命周期中基于集成模型的虛擬工廠理論和關(guān)鍵技術(shù)等開展深入研究.