數(shù)字化工廠(chǎng)通往未來(lái)制造 | 工業(yè)百條
【中文詞條】數(shù)字化工廠(chǎng)
【英文詞條】Digital Factory
數(shù)字化工廠(chǎng)——《工業(yè)百條》正解
以覆蓋產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下，利用三維建模、虛擬仿真等數(shù)字化技術(shù)，為涵蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、工程組態(tài)、生產(chǎn)執(zhí)行，直至后期運(yùn)營(yíng)服務(wù)在內(nèi)的生產(chǎn)活動(dòng)全價(jià)值鏈打造無(wú)縫集成、虛實(shí)精準(zhǔn)映射的工廠(chǎng)解決方案，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、質(zhì)量、靈活性的提升，以及成本的下降。數(shù)字化工廠(chǎng)是計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字化制造與先進(jìn)制造運(yùn)營(yíng)管理理念相結(jié)合的產(chǎn)物。
如今，隨著工業(yè)4.0熱潮的逐漸降溫與制造業(yè)普遍對(duì)于新技術(shù)、新理念認(rèn)知水平的持續(xù)提高，越來(lái)越多的制造企業(yè)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，工業(yè)4.0就像遠(yuǎn)方的依稀可見(jiàn)的象牙塔，雖然并非遙不可及，卻也不是朝夕即至。
正如北京航空航天大學(xué)劉強(qiáng)教授于2015年提出的“智能制造三不要”所描述的那樣：
不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞自動(dòng)化——工業(yè)2.0必須先解決的問(wèn)題（需補(bǔ)自動(dòng)化的課）；
不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化——工業(yè)3.0必須先解決的問(wèn)題（需補(bǔ)建立在現(xiàn)代管理基礎(chǔ)上的信息化的課）；
不要在不具備數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)時(shí)搞智能化——工業(yè)4.0必須先解決的問(wèn)題（數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化需要補(bǔ)課的太多了）。
也就是說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，必須先構(gòu)建智能工廠(chǎng)，而要構(gòu)建智能工廠(chǎng)，必須先打造數(shù)字化工廠(chǎng)，數(shù)字化工廠(chǎng)是走向智能制造與實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的必由之路。
數(shù)字化工廠(chǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展
雖然CAD與PDM等專(zhuān)注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)軟件自誕生至今已有二三十年的歷史，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，由于缺乏科學(xué)有效的數(shù)據(jù)協(xié)同管理手段，研發(fā)設(shè)計(jì)階段所產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)同步共享，僅能通過(guò)負(fù)責(zé)生產(chǎn)的工作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷安排生產(chǎn)，由信息不對(duì)稱(chēng)而造成的一切問(wèn)題，只能進(jìn)行被動(dòng)的應(yīng)對(duì)與處理，不但嚴(yán)重影響實(shí)際生產(chǎn)效率，而且還需承擔(dān)由此產(chǎn)生的額外成本損失。這種由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)與信息脫節(jié)所引發(fā)的種種問(wèn)題，是制造業(yè)的一大痛點(diǎn)。
隨著制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，客戶(hù)需求的多樣化、制造工藝的復(fù)雜程度、市場(chǎng)對(duì)于質(zhì)量與效率的訴求不斷提升，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。制造企業(yè)需要以更短的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期、更快的產(chǎn)品迭代速度、更高的生產(chǎn)效率與更靈活的生產(chǎn)方式來(lái)應(yīng)對(duì)這種變革。
事實(shí)上，業(yè)界從未停止使用信息化的手段嘗試解決這些問(wèn)題，其中比較著名的解決方案，包括二十世紀(jì)八十年代提出的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)，但在企業(yè)的具體實(shí)踐當(dāng)中，限于成本與技術(shù)瓶頸問(wèn)題，尤其是限于體制問(wèn)題，實(shí)施多年收效甚微，無(wú)疾而終。
二十世紀(jì)九十年代末，基于虛擬制造技術(shù)的數(shù)字化工廠(chǎng)解決方案，逐步發(fā)展起來(lái)。它利用數(shù)據(jù)協(xié)同管理、三維建模、虛擬仿真等數(shù)字化技術(shù)，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造階段的數(shù)據(jù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)制造之間數(shù)據(jù)與信息的協(xié)同與集成，從而填補(bǔ)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造之間的鴻溝，同時(shí)在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對(duì)物理制造系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，使生產(chǎn)制造過(guò)程能夠在生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行實(shí)際布局前，能夠在數(shù)字虛擬空間內(nèi)提前進(jìn)行驗(yàn)證、調(diào)整與優(yōu)化。在國(guó)內(nèi)較早成功的例子是九十年代末飛豹全數(shù)字樣機(jī)的開(kāi)發(fā)成功，以及所實(shí)現(xiàn)的打通設(shè)計(jì)與制造的一體化解決方案。
數(shù)字化工廠(chǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展
實(shí)踐證明，數(shù)字化工廠(chǎng)解決方案，能夠幫助制造企業(yè)縮短產(chǎn)品上市周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本、消除信息不對(duì)稱(chēng)所造成的成本與效率損失、提高生產(chǎn)線(xiàn)配置與布局效率、降低生產(chǎn)線(xiàn)潛在故障與風(fēng)險(xiǎn)、減少生產(chǎn)制造過(guò)程中的不確定性等。
什么是數(shù)字化工廠(chǎng)？
近年來(lái)，數(shù)字化工廠(chǎng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外制造業(yè)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，具體的實(shí)踐與應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，但是業(yè)內(nèi)對(duì)于數(shù)字化工廠(chǎng)含義的解讀，卻是千差萬(wàn)別，至今也沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。
德國(guó)工程師協(xié)會(huì)對(duì)于數(shù)字化工廠(chǎng)的定義是：數(shù)字化工廠(chǎng)（DF）是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，通過(guò)連續(xù)的、不中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。數(shù)字化工廠(chǎng)集成了產(chǎn)品、過(guò)程和工廠(chǎng)模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)先進(jìn)的可視化、仿真和文檔管理，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程所涉及的質(zhì)量和動(dòng)態(tài)性能。
根據(jù)市場(chǎng)上的主流觀(guān)點(diǎn)與具體的工作實(shí)踐，筆者更傾向于將數(shù)字化工廠(chǎng)理解為本文開(kāi)篇給出的定義。
更加廣義的數(shù)字化工廠(chǎng)則將制造企業(yè)的上游供應(yīng)商、中游合作伙伴、下游渠道商、客戶(hù)等所有相關(guān)方全部包含在內(nèi)，形成虛實(shí)映射的統(tǒng)一協(xié)作系統(tǒng)，其本質(zhì)是通過(guò)數(shù)據(jù)流、信息流與工作流的數(shù)字化，更有效實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)與管控。
數(shù)字化工廠(chǎng)的主要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù)
主流市場(chǎng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字化工廠(chǎng)主要涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與生產(chǎn)執(zhí)行三大環(huán)節(jié)，數(shù)字化建模、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)/加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）等技術(shù)包含在其中。
1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)——三維建模是基礎(chǔ)
在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)利用數(shù)字化建模技術(shù)為產(chǎn)品構(gòu)建三維模型，能夠有效減少物理實(shí)體樣機(jī)制造和人員重復(fù)勞動(dòng)所產(chǎn)生的成本。同時(shí)，三維模型涵蓋著產(chǎn)品所有的幾何信息與非幾何制造信息，這些屬性信息會(huì)通過(guò)PDM/cPDM (產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理/協(xié)同產(chǎn)品定義管理)這種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，伴隨產(chǎn)品整個(gè)生命周期，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同研制、產(chǎn)品從設(shè)計(jì)端到制造端一體化的重要保證。
經(jīng)歷了三十余年的發(fā)展，數(shù)字化建模技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，至今使用三維CAD設(shè)計(jì)軟件的全三維建模技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及。數(shù)字化建模技術(shù)的應(yīng)用始于航空航天領(lǐng)域，由于對(duì)產(chǎn)品和零部件的精度、質(zhì)量、加工工藝有著比其他行業(yè)更加苛刻的要求，航空航天工業(yè)讓數(shù)字化建模技術(shù)的效用得以充分發(fā)揮。
例如，美國(guó)波音公司在其737-NX和787的設(shè)計(jì)制造中，利用數(shù)字化建模技術(shù)，不但有效縮短了研制周期，大幅降低了研制成本，而且通過(guò)PDM/cPDM，有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的信息協(xié)同，從而大幅提高了生產(chǎn)效率。
2.生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)——工藝仿真是關(guān)鍵
在生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)，基于PDM/cPDM中所同步的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，利用虛擬仿真技術(shù)，可以對(duì)于工廠(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，并在仿真模型“預(yù)演”的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行分析、評(píng)估、驗(yàn)證，迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題和有待改進(jìn)之處，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，減少后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)對(duì)于實(shí)體系統(tǒng)的更改與返工次數(shù)，從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。
虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶及其他大型設(shè)備制造過(guò)程中。例如，大眾汽車(chē)公司旗下斯柯達(dá)捷克工廠(chǎng)，即采用西門(mén)子的Tecnomatix，利用虛擬仿真工藝路徑規(guī)劃，來(lái)減少實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)整改進(jìn)所需要花費(fèi)的成本。
此外，隨著“人”在制造業(yè)中的地位和作用逐漸被重新認(rèn)識(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）技術(shù)的應(yīng)用也日漸增多，使人能夠融入虛擬仿真環(huán)境之中，如身臨其境一般參與生產(chǎn)規(guī)劃。
3.生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)通
早期的數(shù)字化工廠(chǎng)，其實(shí)并不包含生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)，但隨著制造業(yè)企業(yè)具體實(shí)踐與應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)字化工廠(chǎng)的概念開(kāi)始向覆蓋產(chǎn)品整個(gè)生命周期的全價(jià)值鏈拓展與延伸，作為將產(chǎn)品從設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，生產(chǎn)執(zhí)行無(wú)疑應(yīng)該是數(shù)字化工廠(chǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。
這個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化，體現(xiàn)在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與其他系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通上。MES與ERP、PDM/cPDM之間的集成，能夠保證所有相關(guān)產(chǎn)品屬性信息從始至終保持同步，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。
如果某一款產(chǎn)品的零部件或原材料發(fā)生變化，PDM/cPDM和MES中的數(shù)據(jù)信息會(huì)同步變化，MES會(huì)自動(dòng)調(diào)整制造解決方案，有效避免了傳統(tǒng)制造企業(yè)由于信息無(wú)法及時(shí)傳遞和同步所造成的誤工。借助RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)），MES還能夠?qū)ιa(chǎn)線(xiàn)上的產(chǎn)品零配件進(jìn)行識(shí)別和路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)柔性化的混線(xiàn)生產(chǎn)，大幅提高生產(chǎn)效率。
瑪莎拉蒂的Bertone工廠(chǎng)即采用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)Quattroporte與Ghibli兩款不同車(chē)型的全自動(dòng)生產(chǎn)與組裝，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)能提升幅度高達(dá)兩倍以上。
誰(shuí)在玩轉(zhuǎn)數(shù)字化工廠(chǎng)？
早在二十世紀(jì)九十年代，制造業(yè)企業(yè)遍開(kāi)始了對(duì)于數(shù)字化工廠(chǎng)的探索實(shí)踐，其中比較典型的代表是創(chuàng)建于1989年的德國(guó)西門(mén)子安倍格工廠(chǎng)。2000年左右，國(guó)內(nèi)汽車(chē)、航空、航天領(lǐng)域的先驅(qū)企業(yè)，陸續(xù)開(kāi)始了數(shù)字化工廠(chǎng)的探索，并取得了一定的進(jìn)展。
目前，于2013年在成都高新區(qū)落成的西門(mén)子成都工廠(chǎng)，是數(shù)字化工廠(chǎng)解決方案應(yīng)用的標(biāo)桿企業(yè)。
該工廠(chǎng)所使用的PLM、MES軟件，及所有工業(yè)自動(dòng)化硬件皆來(lái)自于西門(mén)子，西門(mén)子稱(chēng)之為數(shù)字化企業(yè)套件（Digital Enterprise Suite，DES），其解決方案，能夠全面覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)組態(tài)、生產(chǎn)執(zhí)行以及服務(wù)的全價(jià)值鏈。
數(shù)字化工廠(chǎng)的未來(lái)暢想與智能制造
時(shí)間、效率、靈活性，是當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中所面臨的主要問(wèn)題，也是制造業(yè)經(jīng)由數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路，向智能制造邁進(jìn)，進(jìn)而最終現(xiàn)實(shí)工業(yè)4.0愿景所面臨的三大挑戰(zhàn)。
數(shù)字化工廠(chǎng)解決方案，不但以其快速、高效和柔性化等特點(diǎn)為制造業(yè)企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值，而且?guī)椭圃鞓I(yè)企業(yè)打通信息孤島，有效實(shí)現(xiàn)集成與互聯(lián)互通，為未來(lái)企業(yè)走向智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)字化工廠(chǎng)技術(shù)后，企業(yè)能夠?qū)a(chǎn)品上市時(shí)間縮短30%，減少60%以上的設(shè)計(jì)修改與返工作業(yè)，生產(chǎn)工藝規(guī)劃時(shí)間減少40%，產(chǎn)能提高15%以上，同時(shí)節(jié)約15%左右的生產(chǎn)成本。
視覺(jué)所見(jiàn)的炫酷科技并不是數(shù)字化工廠(chǎng)的訴求，能夠讓制造業(yè)企業(yè)獲得實(shí)實(shí)在在的收益，才是采用數(shù)字化解決方案的最終目的。
在未來(lái)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇和市場(chǎng)需求的加速變革，制造業(yè)將面臨更大的挑戰(zhàn)，這些趨勢(shì)將不斷推進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，也將對(duì)數(shù)字化技術(shù)與解決方案提出更高的要求，數(shù)字化工廠(chǎng)的概念將進(jìn)一步豐富與深化，并引領(lǐng)企業(yè)逐漸向未來(lái)的智能制造與愿景中的工業(yè)4.0不斷邁進(jìn)。
注：本詞條入選《智能制造術(shù)語(yǔ)解讀》一書(shū)，由賽迪研究院編著，即將由電子工業(yè)出版社出版，敬請(qǐng)關(guān)注。
《工業(yè)百條》是《知識(shí)自動(dòng)化》一個(gè)常設(shè)的欄目，收集新工業(yè)浪潮中值得解讀的概念，包括新老術(shù)語(yǔ)。旨在“用科普精神解讀專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)”。如果大家發(fā)現(xiàn)值得解讀的術(shù)語(yǔ)或者概念，歡迎推薦。
作者簡(jiǎn)介
黃昌夏：西門(mén)子數(shù)字化工廠(chǎng)集團(tuán)數(shù)字化業(yè)務(wù)高級(jí)顧問(wèn)，南山工業(yè)書(shū)院研究組成員，在數(shù)字化工廠(chǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略、智能制造市場(chǎng)發(fā)展與生態(tài)演進(jìn)等領(lǐng)域具有獨(dú)到的見(jiàn)解，業(yè)界人稱(chēng)黃小邪，微信號(hào) huangchangxia001
戴霽明：西門(mén)子數(shù)字化工廠(chǎng)集團(tuán)數(shù)字化解決方案與能力中心總監(jiān)
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