數字化工廠

德國工程師協會對于數字化工廠的定義是：數字化工廠(Digital Factory，DF)是由數字化模型、方法和工具構成的綜合網絡，包含仿真和3D/虛擬現實可視化，通過連續的、不中斷的數據管理集成在一起。數字化工廠集成了產品、過程和工廠模型數據庫，通過先進的可視化、仿真和文檔管理，提高產品的質量和生產過程所涉及的質量和動態性能

一般意義上的數字化工廠有廣義和狹義之分：

(1)廣義數字化工廠指的是以生產產品或提供服務的制造企業為核心企業，以及相關聯的成員，包括核心制造企業、供應商、軟件系統服務商合作伙伴、協作廠商、客戶、分銷商、銀行等，使其生產與經營過程中所有信息數字化的動態聯盟。

(2)狹義數字化工廠指的是以制造資源(resource)、生產操作(operation)和產品(product)為核心，以產品生命周期數據為基礎，應用仿真技術、虛擬現實技術、實驗驗證技術等，是產品在生產工位、生產單元、生產線以及整個工廠中的所有真實活動虛擬化，并對加工和裝配過程進行仿真、試驗、分析、優化的一種集成組織方式。

根據頭豹研究院發布的《2021年淺析數字化工廠五大核心系統》^[1]報告，數字化工廠的定義涵蓋以下五個方面。

(1)生產追蹤

管理生產過程中各類資源(人員、設備等))的運行情況。通過實時監控作業人員的工作狀態、設備的運行狀態等幫助管理人員更高效地管控作業現場，從而實

(2)現場監管

管理作業現場人員、設備、材料、方法、信息、安全、節約和學習七大內容。通過運用攝像頭和傳感器等硬件對作業現場環境和設備等數據進行實時采集，再結合視頻監控和圖像識別等技術對作業現場異常情況的及時反饋優化作業現場管理決策輸出時調節生產進度以達到企業的計劃生產目標

(3)資源控制

管理生產相關資源(例如人員、設備、原材料等)，包括原材料與輔料的分發、成品與半成品的管理等。通過監控與分析物料損耗比率、投入產出比、半產品周轉率等指標，確保制造資源被高效分配和利用。資源利用效率的優化可從設備和人員兩方面進行，包括定期設備巡檢、故障預測性運維、工藝流程優化、生產計劃排程等

(4)質量監督

企業的質量監督包含原材料品質管控、流程工藝管控和產品品質管控三大環節，企業可從質量策劃、質量檢驗、質量保證、質量監督、質量改善、質量服務、體系和流程七個方面提升產品的質量管控水平，通過降低產品的不良率，從而提升企業的經營效益

(5)物流管控

管理企業內外部的物流全流程，包括原材料采購、工廠內部周轉、產品外銷三個環節。工廠外部的物流可通過運用車聯網技術與大數據技術實時獲取與分析物流車輛的運行狀態，高效規劃和調整物流行程；工廠內部的物流可通過應用AGV小車提升物流的周轉效率，實現無人分揀、智能搬運等。

數字化工廠的業務數字化具體體現在生產關鍵要素(人員、資產、設備)數字化、生產細分層面(資源規劃調度、質量預警溯源)數字化和生產細分環節(需求分析、設備運維、工藝管控)數字化等

(1)運營監控層：負責監控和分析影響工廠經營結果的關鍵生產要素(人員、產品、資產等)。根據關鍵生產要素的評估結果高效調整運營策略。

(2)綜合應用層：細化和貫通工廠生產全流程各環節，通過提前規劃流程、及時排查質量、高效故障溯源和預測性運維等提升產品生產效益。

(3)業務平臺層：對產品全生命周期要素進行管理，包括處理客戶個性化需求、生產資源調度和維護、生產環境監控、產品質量監測和分析等，實現多業務協同化發展。

(4)數據平臺層和現場設備層：對多源(質量參數、設備參數、工藝參數等)和多元(動態、靜態、實時)數據進行采集、存儲、集成分析和應用，協助企業實現少人化生產，進而降低工廠的經營成本和提升作業現場的安全性。

數字化工廠涉及的技術類型包含云計算、物聯網、人工智能和移動互聯網。工廠通過物聯網實現生產要素全聯接，在互聯互通的基礎上應用人工智能技術和云計算技術實現生產自動化、管理平臺化、應用服務化和決策無人化，支撐工廠實現可視化和協同化的高效運維管理，滿足日益個性化、動態化和定制化發展的市場需求。

(1)工廠的數字孿生：工廠的數字孿生能夠協助規劃、設計和建設廠房和基礎設施；能用于廠房的測試、模擬和試運行

(2)生產類資產或設備的數字孿生：生產類資產或設備的數字孿生的數字孿生能用于設計、模擬啟動和持續運轉；主要是模擬生產類資產或設備的運轉，設定和優化關鍵參數，實現預防性維護和增強現實等概念

(3)產品的數字孿生：產品的數字孿生是對產品的數字化呈現，將產品工程設計和生命周期管理與工廠運營結合起來；作為研發的一部分，它實現了早期對產品的模擬和測試，有助于推動產品開發

(4)互聯工廠：互聯工廠是指以控制和優化為目的，將資源、設備、運輸工具或產品等相關對象連接起來，通常是利用與ERP系統結合的MES(參見“綜合規劃”)

(5)模塊化模塊化生產類資產或設備：采用靈活的、模塊化的生產類資產或設備，而不是傳統的生產線；機器人、儲存設備、固定裝置等模塊化生產類資產或設備靈活地按照當前生產流程的要求整合進生產環節

(6)柔性生產方式：使用增材制造(例如3D打印)等柔性生產流程，此類生產流程能夠支持多種產品變體，顯著增加靈活性

(7)流程可視化/自動化：工廠流程的可視化和自動化，例如以移動應用(APP)結合平板電腦或數字化眼睛等虛擬及增強現實解決方案，改善人機協作和創新型的用戶接口

(8)綜合規劃：工廠內部的綜合規劃及排產系統，從MES到ERP，涵蓋供應商和客戶等外部伙伴；綜合規劃能對資源可用性或需求的變化立即做出反應

(9)無人值守的廠內物流：工廠系統能夠在無人干預的情況下開展物流活動；這些系統實時感知和處理來自周圍數字環境或現實環境的信息，安全地在室內外通行，同時完成指定的任務；相關解決方案包括自引導運輸車以及用于執行特殊任務的空中無人機

(10)預防性維護：在傳感器數據和大數據分析的幫助下遠程監控設備的動態情況，從而預測維護和維修；該技術有助于提高資源可用性，優化運維

(11)大數據驅動的流程/質量優化：大數據分析有助于發現生產或質量數據中的規律，為流程或產品質量的優化提供洞察；可用的模式包括基于純統計的“黑盒”模式，和以專業經驗和知識為基礎的“白盒”模式

(12)生產參數轉移：完全自動地將生產參數轉移到其他工廠，例如在某處工廠試點概念，然后在其他工廠復制優化的結果

(13)完全無人值守的數字化工廠：工廠根據自主學習的算法，完全獨立運作，人工介入僅在初期的設計和設立階段，以及后續的監控和意外處理；該技術能減少運營成本，主要應用于危險品或遠程生產設施

(14)跟蹤：通過傳感器以及與MES或EPR系統連接的內部數據平臺，對產品和原材料的位置進行跟蹤；該技術讓生產流程和庫存水平透明化，對各個零部件/產品進行跟蹤

(15)基于數據的資源優化：通過智能化的數據分析和控制，優化能耗和資源消耗，例如根據實際的供需情況，開展對廠房能耗及壓縮空氣的管理^[2]。

數字化工廠建設離不開五大核心系統的建設：產品全生命周期管理(PLM)、企業資源管理計劃(ERP)、倉儲管理系統(WMS)、制造運營管理系統(MOM)和分散控制系統(DCS)是數字化工廠的五大核心系統。MOM是MES的進階版，即MES是用于解決具體問題的標準軟件產品，而MOM是多種MES軟件組成的制造管理集成平臺。五大核心系統的應用對象各異。PLM與ERP屬于企業層，WMS和MOM屬于管理層，DCS屬于操作層。SCM、APS、QMS和CRM是除五大核心系統外構成數字化工廠的重要信息系統，其管理對象各不相同，例如SCM和CRM分別管理供應鏈和客戶關系。

通過五大系統深度集成，明確定義系統業務邊界。

(1)PLM：對企業知識型資產的管理，實現對產品的數據管理、項目管理、變更管理、協同管理、標準化管理、安全管理等，為制造企業提供了一個可伸縮的研發管理平臺。

· PLM與ERP集成：PLM將PBOM和工藝路線傳給ERP，ERP根據零件的標準成本、建議成本、現行成本基礎數據，結合加工中心和成本中心，自動生成CBON。

· PLM與MOM集成：PLM將MBOM、SOP傳給MOM，指導MOM生產管理。

當產品發生設計變更，會將變更數據實時同步到ERP、MOM系統。

(2)ERP：將企業的三大流：物流，資金流，信息流進行全面一體化管理。特別提一下，ERP不要過多管理制造端，只需以報工方式，保存制造端的生產結果，用于財務成本核算。

與MOM集成：將生產基礎數據(物料、銷售訂單)傳給MOM。APS將分解后的制造工單回傳給ERP，MES將生產數量、物料消耗數量，按照一定周期回傳給ERP。

與WMS集成：實時同步物料基礎數據、倉庫基礎數據、庫存數量。

(3)WMS：通過入庫業務、出庫業務、倉庫調撥、庫存調撥和虛倉管理等功能，對批次管理、物料對應、庫存盤點、質檢管理、虛倉管理和即時庫存管理等功能綜合運用的管理系統，有效控制并跟蹤倉庫業務的物流和成本管理全過程。

與ERP集成：如果需要提供一整套的倉庫解決方案的話，ERP系統依然存在一些缺陷的，我們也了解到WMS系統可以彌補ERP系統的一些缺陷。因此，如果你想擁有一個強大的倉庫管理解決方案，那么可以將ERP系統與WMS系統兩者結合起來使用。

與MOM集成：當車間MES接料時，WMS實時將物料批次信息傳給MES，綁定接料工位。當成品入庫時，MES實時將物料批次信息傳給WMS，綁定倉庫和儲位。

(4)DCS：SCADA+PLC的生產現場控制系統。

 ；與MOM集成：MES將工單下達到機臺設備，對設備、模具、刀具、人員防錯，指導設備生產。DCS將設備狀態、工藝參數數據(溫度、壓力、扭矩、...)回傳給MES，與生產工單關聯，用于生產追溯^[3]。

主流市場觀點認為，數字化工廠主要涉及產品設計、生產規劃與生產執行三大環節，數字化建模、虛擬仿真、虛擬現實/加強現實(VR/AR)等技術包含在其中。

(1)產品設計環節——三維建模是基礎

在產品研發設計環節利用數字化建模技術為產品構建三維模型，能夠有效減少物理實體樣機制造和人員重復勞動所產生的成本。同時，三維模型涵蓋著產品所有的幾何信息與非幾何制造信息，這些屬性信息會通過PDM/cPDM(產品數據管理/協同產品定義管理)這種統一的數據平臺，伴隨產品整個生命周期，是實現產品協同研制、產品從設計端到制造端一體化的重要保證。例如，美國波音公司在其737-NX和787的設計制造中，利用數字化建模技術，不但有效縮短了研制周期，大幅降低了研制成本，而且通過PDM/cPDM，有效實現了產品設計與制造環節的信息協同，從而大幅提高了生產效率。

(2)生產規劃環節——工藝仿真是關鍵

在生產規劃環節，基于PDM/cPDM中所同步的產品設計環節的數據，利用虛擬仿真技術，可以對于工廠的生產線布局、設備配置、生產制造工藝路徑、物流等進行預規劃。

虛擬仿真技術廣泛應用于汽車、船舶及其他大型設備制造過程中。例如，大眾汽車公司旗下斯柯達捷克工廠，即采用西門子的Tecnomatix，利用虛擬仿真工藝路徑規劃，來減少實際生產線調整改進所需要花費的成本。

(3)生產執行環節——數據采集實時通

這個環節的數字化，體現在制造執行系統(MES)與其他系統之間的互聯互通上。MES與ERP、PDM/cPDM之間的集成，能夠保證所有相關產品屬性信息從始至終保持同步，并實現實時更新。

瑪莎拉蒂的Bertone工廠即采用上述技術實現Quattroporte與Ghibli兩款不同車型的全自動生產與組裝，據不完全統計，產能提升幅度高達兩倍以上^[4]。

2020年，世紀經濟論壇發布《全球“燈塔工廠”網絡：來自第四次工業革命前沿的最新洞見》^[5]指出“過去三年，一批領先制造商在第四次工業革命技術的應用上進展矚目，因而榮登‘燈塔工廠’之榜?？v觀‘燈塔工廠’的發展脈絡，不難看出，他們的數字化旅程都始于運營系統的轉型。隨后，依托物聯網集成與員工技能重塑等驅動因素，數字技術得以實現規?；l展?！?注：2018年，世界經濟論壇對1000多家工廠進行了全面篩選。在第四次工業革命的大背景下，有16家工廠在運營和業績上實現了質的雙飛躍，因而被評為先進制造領域的領跑者。他們成功跨越試點階段，一舉斬獲先進制造領域的“燈塔工廠”殊榮)

三一重工的18號工廠是工信部首批智能制造示范項目，被稱為“最聰明的廠房”，是亞洲最大的智能化制造車間，擁有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，是三一重工的總裝車間。自2018年投產以來，18號工廠可實現無人化下料、智能化分揀、自動化組建、無人化機加、智能化涂裝和裝配下線等工序。通過數字化賦能，三一重工全方位提升了產品、渠道、服務等方面的核心競爭力。從生產端看，數字化解決了離散型制造的痛點問題，能夠實現“產品混裝+流水線”的高度柔性生產，大幅提質增效降本，18號燈塔工廠改造后主要產品泵車下線時間縮短98%，公司人均營收2019年達410萬元，較2010年翻4倍，且首次超過全球龍頭卡特彼勒(363萬元)。

參考資料：

[1]頭豹研究院：2021年淺析數字化工廠五大核心系統（38頁）.pdf

[2]普華永道：數字化工廠2020：塑造制造業的新未來(20頁).pdf

[3]ITValue.企業數字化轉型的五大核心系統集成

[4]姚老師.什么是數字化工廠?一文詳解!

[5]世界經濟論壇-全球“燈塔工廠”網絡：來自第四次工業革命前沿的最新洞見白皮書[40頁].pdf