智能制造行業(yè)虛擬工廠搭建關(guān)鍵技術(shù)

張恩康，孫 強(qiáng)，果 偉

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，青島 266111)

0 引言

數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，也已上升到國(guó)家戰(zhàn)略，尤其是制造企業(yè)更是加快了數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)踐的探索，并已發(fā)展到轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)機(jī)。未來，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然趨勢(shì)是數(shù)字化技術(shù)與智能制造深度融合，通過數(shù)字化推進(jìn)數(shù)據(jù)交互，以此為基礎(chǔ)和前提條件，將數(shù)字化制造理念延伸至全過程精益管控，強(qiáng)化數(shù)字化思維與精益思維的融合，加快制造數(shù)字化進(jìn)程，持續(xù)深化數(shù)字技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用，創(chuàng)新開展經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)。

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型推進(jìn)進(jìn)入關(guān)鍵期，虛擬工廠技術(shù)作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，已逐步得到制造企業(yè)的重視。虛擬工廠也叫數(shù)字孿生工廠，是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)數(shù)字化的工廠，是物理工廠的虛擬“鏡像”，其重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是物理工廠的虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)，KELSICK將虛擬工廠描述為一個(gè)可視化的三維空間[1]。而AZIZ則認(rèn)為虛擬工廠是一個(gè)仿真系統(tǒng)，可用于描述工廠的生產(chǎn)活動(dòng)[2]，是“建模—模擬—流程—設(shè)計(jì)—建造—運(yùn)營(yíng)”在工廠的全生命周期將工藝、設(shè)計(jì)、ERP、制造、質(zhì)量、物流、設(shè)備等相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信息交換和集成，以產(chǎn)品制造全過程的履歷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在信息系統(tǒng)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。

虛擬工廠是相對(duì)物理工廠而言的，物理工廠是企業(yè)的實(shí)體資產(chǎn)，虛擬工廠則管理著企業(yè)的數(shù)字信息資產(chǎn)，存儲(chǔ)了實(shí)體工廠的制造、經(jīng)營(yíng)、管理、供應(yīng)鏈等所有信息；并融合智能制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)而構(gòu)建的創(chuàng)新型產(chǎn)物，由于他的出現(xiàn)，為智能制造業(yè)帶來了新的模式創(chuàng)新，并為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造相互協(xié)同提供了新的溝通橋梁。虛擬工廠在不同應(yīng)用場(chǎng)景下有著獨(dú)特的含義和特性，從規(guī)模方面來講，一個(gè)車間可以作為獨(dú)立的虛擬工廠，也可以擴(kuò)展到企業(yè)級(jí)[3]。

1 虛擬工廠的特點(diǎn)

虛擬工廠技術(shù)一經(jīng)面世即得到眾多學(xué)者的興趣，尤其是近年來，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的突飛發(fā)展更為虛擬工廠技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的土壤。由于虛擬工廠具有虛擬空間的獨(dú)特特性，為突破制造中的關(guān)鍵技術(shù)提供了良好的仿真環(huán)境，其具體特性主要有以下幾點(diǎn)：

1）直觀：高保真描述和映射物理工廠的實(shí)體關(guān)系，并具有最自然、全景式、實(shí)體化等特點(diǎn)，融合的三維虛擬現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境；

2）精確：精確描述工廠各主體元素的外觀、空間布局、經(jīng)營(yíng)管理、工藝邏輯等相關(guān)信息；

3）實(shí)時(shí)：數(shù)據(jù)同步映射、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新、實(shí)時(shí)展現(xiàn)物理工廠的制造過程；

4）集成：以生產(chǎn)全要素?cái)?shù)據(jù)深度融合為目標(biāo)，利用系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)集成等各種方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的貫通與共享，如：MES、QMS、EAM、WMS、視頻等相關(guān)信息系]工藝流程的融合、與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)流程的融合，構(gòu)建信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

6）協(xié)同：利用網(wǎng)絡(luò)同步能力，基于生產(chǎn)要素協(xié)同，利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)一站式調(diào)度指揮、研發(fā)協(xié)同等任務(wù)；

7）智能：基于崗位角色的數(shù)據(jù)智能篩選與推送；構(gòu)建面向智能制造的機(jī)理或挖掘模型，實(shí)現(xiàn)智能制造的主動(dòng)感知，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)等智能化能力。

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

2 虛擬工廠整體設(shè)計(jì)

近年來，虛擬工廠作為智能制造的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)已在工業(yè)行業(yè)中得以應(yīng)用，尤其是在設(shè)備巡檢、生產(chǎn)仿真、管線分析等制造環(huán)節(jié)中，為管理人員提供形象直觀的數(shù)據(jù)決策支撐能力[4]。本研究選取某高端裝備制造企業(yè)為研究對(duì)象，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS等相關(guān)技術(shù)，融合生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、物流等應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，搭建面向生產(chǎn)協(xié)同、資產(chǎn)管控、能源指揮等智慧化應(yīng)用體系，加速推進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化智慧化進(jìn)程。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 虛擬工廠整體框架

虛擬工廠是以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、三維可視化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思維等新型技術(shù)為技術(shù)支撐，通過融合企業(yè)工廠設(shè)施設(shè)備各類靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有信息化體系相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以工廠、周邊環(huán)境的可視化場(chǎng)景為載體，數(shù)據(jù)按照三維空間有機(jī)整合，結(jié)合工廠生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)的模型，挖掘動(dòng)態(tài)分析，形成面向各業(yè)務(wù)的專題式服務(wù)能力[5～7]。

在系統(tǒng)平臺(tái)搭建方面，重點(diǎn)圍繞企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度、資產(chǎn)、能源、物流等與工廠物理空間結(jié)合比較緊密的專題搭建相應(yīng)的應(yīng)用體系，具體應(yīng)用設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 虛擬工廠平臺(tái)架構(gòu)圖

虛擬工廠平臺(tái)主要以企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能力，融合資產(chǎn)設(shè)備、能源、質(zhì)量、物流、制造等相關(guān)數(shù)據(jù)，并基于虛擬工廠三維可視化能力，搭建面向生產(chǎn)、資產(chǎn)、能源、物流等相關(guān)專題的數(shù)字化應(yīng)用，形成面向企業(yè)級(jí)的生產(chǎn)管理數(shù)字化支撐機(jī)制，加速推進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)智慧化、決策數(shù)字化進(jìn)程。

3 虛擬工廠應(yīng)用設(shè)計(jì)

工業(yè)企業(yè)尤其是智能制造行業(yè)生產(chǎn)過程中更加注重生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而虛擬工廠更加直觀的虛擬三維空間展示優(yōu)勢(shì)更加有助于精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程狀態(tài)以及生產(chǎn)要素的協(xié)同能力。本研究重點(diǎn)聚焦于生產(chǎn)過程數(shù)字化應(yīng)用研究，并圍繞制造過程中生產(chǎn)指揮調(diào)度、資產(chǎn)智能管控、節(jié)能降耗、優(yōu)化物流配送等數(shù)字化支撐能力構(gòu)建提供針對(duì)性研究。

3.1 生產(chǎn)數(shù)字化

在智能制造行業(yè)，尤其是大型離散型裝備制造行業(yè)，其制造環(huán)節(jié)繁多、工藝復(fù)雜，對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等生產(chǎn)要素協(xié)同要求非常高，管理人員每天都要通過一系列數(shù)據(jù)匯聚到一起來綜合研判各生產(chǎn)要素的協(xié)同情況并作出指揮調(diào)度決策，這部分工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且非常容易出錯(cuò)。

本研究通過搭建基于虛擬工廠的生產(chǎn)數(shù)字化支撐體系充分滿足了生產(chǎn)要素的協(xié)同支撐要求，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了生成過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。并以車間、產(chǎn)線、工位等工廠物理空間為依托，以工藝步驟為主線，將生產(chǎn)過程全要素信息一體化展現(xiàn)在虛擬工廠平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與虛擬工廠平臺(tái)同步映射。管理人員通過虛擬工廠平臺(tái)即可一站式掌控各個(gè)車間、產(chǎn)線、工位的生產(chǎn)計(jì)劃完成情況，并結(jié)合執(zhí)行情況精準(zhǔn)判定生產(chǎn)異常，并精準(zhǔn)定位到具體的產(chǎn)線、工位以及責(zé)任班組。同時(shí)，針對(duì)生產(chǎn)異常情況，利用平臺(tái)智能判定具體責(zé)任原因（如：設(shè)備異常、人員不到位、物料配送不及時(shí)等），并將異常情況一鍵轉(zhuǎn)派給責(zé)任人，為高效生產(chǎn)提供智慧支持。

3.2 資產(chǎn)數(shù)字化

隨著制造技術(shù)的升級(jí)換代，設(shè)備資產(chǎn)已成為生產(chǎn)過程最關(guān)鍵的要素之一。如何保障設(shè)備高效正常運(yùn)行是管理者最關(guān)注的事情之一。在虛擬工廠平臺(tái)中重點(diǎn)圍繞設(shè)備巡檢、設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備預(yù)警等能力進(jìn)行專項(xiàng)支撐。

1）設(shè)備巡檢：利用虛擬工廠平臺(tái)三維可視化監(jiān)控設(shè)備的巡檢信息，精準(zhǔn)監(jiān)控各車間是否有漏檢現(xiàn)象，并提供設(shè)備的巡檢信息動(dòng)態(tài)查看等功能，實(shí)現(xiàn)足不出戶即可掌控全局；

2）設(shè)備監(jiān)控：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的電流、電壓、運(yùn)行狀態(tài)、加工程序運(yùn)行等數(shù)據(jù)，并以工位為單元，利用三維空間展現(xiàn)設(shè)備與生產(chǎn)要素的協(xié)同情況，高效保障生產(chǎn)任務(wù)；

3）設(shè)備預(yù)警：利用人工智能技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的機(jī)理規(guī)則提供智能化的設(shè)備預(yù)警能力，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)可以精準(zhǔn)定位設(shè)備的位置，進(jìn)一步關(guān)聯(lián)分析對(duì)生產(chǎn)的影響，為生產(chǎn)指揮調(diào)度提供決策支撐。

3.3 能源數(shù)字化

在構(gòu)建綠色工廠的總體規(guī)劃指引下，以節(jié)能降耗為目標(biāo)，利用虛擬工廠平臺(tái)提供能源設(shè)備的監(jiān)控和能源預(yù)測(cè)能力。

1）能源監(jiān)控：利用虛擬工廠平臺(tái)直觀展現(xiàn)企業(yè)官網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；動(dòng)力房、儀表等關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用無人機(jī)等先進(jìn)手段進(jìn)行巡檢，實(shí)施在虛擬工廠平臺(tái)中展現(xiàn)巡檢的信息；

2）能源預(yù)測(cè)：以產(chǎn)線、工位為基礎(chǔ)，聚焦生產(chǎn)工藝，構(gòu)建單產(chǎn)品能耗預(yù)測(cè)能力；

3）能源分析：基于精益管理的思路，提供企業(yè)、車間、產(chǎn)線、工位的分層分級(jí)能源分析機(jī)制，并搭建能耗與生產(chǎn)任務(wù)的關(guān)聯(lián)分析能力。

通過以上應(yīng)用構(gòu)建，一方面保障能源的安全供應(yīng)；另一方面結(jié)合生產(chǎn)過程定位高能耗、高損耗的環(huán)節(jié)，為制定科學(xué)有效的降耗措施提供數(shù)字化支撐手段。

3.4 物流數(shù)字化

以提供物流配送效率為目標(biāo)，利用虛擬工廠空間模型能力，提供動(dòng)態(tài)的物流配送監(jiān)控能力，實(shí)時(shí)掌控物料配送情況。同時(shí)，利用人工智能手段，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃提供智能化的預(yù)測(cè)預(yù)警支撐，確保物料提前精準(zhǔn)配送。具體應(yīng)用建設(shè)包含以下幾點(diǎn)：

1）配送狀態(tài)監(jiān)控：基于虛擬工廠平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控庫(kù)存情況、物料配送狀態(tài)，為科學(xué)調(diào)度提供決策支撐；

2）預(yù)警預(yù)測(cè)能力：基于生產(chǎn)任務(wù)提供智能化的物料采購(gòu)、配送等預(yù)測(cè)能力，減少因缺料對(duì)生產(chǎn)造成的影響；

3）規(guī)劃配送路徑：通過空間模型的能力，合理制定配送路徑，優(yōu)化配送環(huán)節(jié)。

4 應(yīng)用價(jià)值

本研究重點(diǎn)圍繞與生產(chǎn)緊密相關(guān)的專題進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)與研究，并選取某高端裝備制造企業(yè)為驗(yàn)證對(duì)象，經(jīng)過實(shí)施運(yùn)行取得了良好的效果，并分別在生產(chǎn)效率提升、資產(chǎn)利用率提升、能耗降低、縮短配送時(shí)間等方面均得到很大的提升，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型鋪墊了基礎(chǔ)。

表1 智能制造應(yīng)用價(jià)值

5 結(jié)語

本研究在已有面向工藝仿真、工廠規(guī)劃、產(chǎn)品全壽命周期管理等相關(guān)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，聚焦與智能制造緊密相關(guān)的生產(chǎn)指揮、設(shè)備管控、能源監(jiān)控以及物流配送四個(gè)關(guān)鍵主題搭建虛擬工廠應(yīng)用，并以某高端裝備制造為研究對(duì)象，驗(yàn)證了虛擬工廠的應(yīng)用價(jià)值，具有較高的新穎性和創(chuàng)新性。但由于受客觀因素所限，本研究在虛擬工廠關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面研究較為簡(jiǎn)潔，后續(xù)將圍繞智能制造過程中研發(fā)設(shè)計(jì)、安全環(huán)保、防災(zāi)減災(zāi)等專題中的關(guān)鍵難點(diǎn)進(jìn)行深入研究，為持續(xù)豐富虛擬工廠理論研究貢獻(xiàn)力量。