工藝是設(shè)計(jì)到制造的紐帶;在數(shù)字化工廠中，結(jié)構(gòu)化工藝更是中樞神經(jīng)，定義與驅(qū)動(dòng)數(shù)字化工廠高效運(yùn)作。制造企業(yè)在MBD全三維數(shù)字化環(huán)境中，定義與驗(yàn)證結(jié)構(gòu)化工藝，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中的人和機(jī)器傳遞一次性準(zhǔn)確的工藝信息，最終支撐智能制造。
本篇將重點(diǎn)闡述基于當(dāng)前數(shù)字化工廠規(guī)劃(大工藝)技術(shù)和結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)，如何深入開展生產(chǎn)制造的數(shù)字孿生建設(shè)，以及數(shù)字孿生當(dāng)前的能力狀態(tài)。
一、生產(chǎn)制造數(shù)字孿生的定義
1 數(shù)字孿生的官方定義
按照官方定義，數(shù)字孿生(Digital Twin)：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。針對(duì)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，該裝備系統(tǒng)既可指代企業(yè)交付給客戶的產(chǎn)品，也可指代企業(yè)的生產(chǎn)工廠，甚至整個(gè)企業(yè)。
在最新2020年工業(yè)與信息化部指導(dǎo)編寫的《信息物理系統(tǒng)建設(shè)指南(2020)》中，對(duì)數(shù)字孿生的組成進(jìn)行了細(xì)致定義，如下圖所示：
數(shù)字孿生(Digital Twin)包括：
1，物理實(shí)體：真實(shí)世界的實(shí)物產(chǎn)品。
2，信息虛體(數(shù)字孿生體(Digital Twins))：即虛擬世界的虛擬產(chǎn)品，包括數(shù)字模型、孿生數(shù)據(jù)、孿生主線、數(shù)字孿生服務(wù)等。
3，交互對(duì)接：虛擬和實(shí)物產(chǎn)品間的數(shù)據(jù)和信息交互。
2 西門子數(shù)字孿生總體定義
西門子總體愿景是為制造企業(yè)打造數(shù)字孿生，全面覆蓋整個(gè)企業(yè)的全業(yè)務(wù)流程和產(chǎn)品的全生命周期。鑒于制造企業(yè)的復(fù)雜度和數(shù)字孿生技術(shù)的狀態(tài)，西門子首先從產(chǎn)品、生產(chǎn)和運(yùn)維三個(gè)階段來(lái)分別打造數(shù)字孿生，然后通過(guò)數(shù)據(jù)主線(Digital Thread)進(jìn)行這些數(shù)字孿生貫通，最后隨著技術(shù)的成熟去構(gòu)建制造企業(yè)的全面綜合的一體化數(shù)字孿生。
1.產(chǎn)品(Product)數(shù)字孿生：指真實(shí)產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品(對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成的模型化表達(dá)、對(duì)產(chǎn)品本身內(nèi)在機(jī)理的虛擬表達(dá))組成的相互作用系統(tǒng)。
2.生產(chǎn)(Production)數(shù)字孿生：指真實(shí)生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)(虛擬的制造產(chǎn)品/對(duì)象，虛擬的工藝、虛擬的工廠/生產(chǎn)系統(tǒng))組成的相互作用系統(tǒng)。
3.運(yùn)維(Performance)數(shù)字孿生：指真實(shí)產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品(對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行功效的虛擬表達(dá))組成的相互作用系統(tǒng)。
3 西門子生產(chǎn)數(shù)字孿生的界定
在生產(chǎn)數(shù)字孿生的系統(tǒng)中，主要包含制造產(chǎn)品、制造工藝、制造工廠這三個(gè)方面要素進(jìn)行物理與虛擬的對(duì)應(yīng)。
1.制造產(chǎn)品：包含原材料、采購(gòu)件、過(guò)程件/在制品、半成品、成品等被加工制造對(duì)象(物料)實(shí)物以及虛擬表達(dá)。(虛擬產(chǎn)品表達(dá)更多是對(duì)產(chǎn)品變形/組合過(guò)程及制造特性)
2.制造工藝：包含產(chǎn)品制造過(guò)程中所采用的各種工藝過(guò)程(機(jī)加/鈑金/焊接/噴涂、裝配/維修/調(diào)試、熱表/鍛鑄/特種加工等)的完整表達(dá)。(制造工藝在企業(yè)中是無(wú)形非實(shí)物的智力資產(chǎn)，制造工藝的虛擬表達(dá)更多就是工藝知識(shí)的全數(shù)字/結(jié)構(gòu)化表達(dá))
3.制造工廠：包含制造企業(yè)車間現(xiàn)場(chǎng)的所有生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施、儀器、工裝等生產(chǎn)資源的實(shí)物及虛擬表達(dá)。(虛擬工廠不僅只是工廠外形的表達(dá)，更多是工廠的工作邏輯、生產(chǎn)邏輯、運(yùn)行狀態(tài)的全面表達(dá))
正如前面文章的闡述，MBD技術(shù)發(fā)展，使得制造產(chǎn)品、制造工藝、制造工廠的數(shù)字化虛擬表達(dá)的技術(shù)日益成熟;數(shù)字化工廠的發(fā)展使得生產(chǎn)制造系統(tǒng)實(shí)物硬件更加數(shù)字化;實(shí)物更加易于數(shù)字化虛擬表達(dá)而且易于與數(shù)字化虛體進(jìn)行交互。由真實(shí)和虛擬的“制造產(chǎn)品、制造工藝、制造工廠”組成的生產(chǎn)制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生，開展虛擬生產(chǎn)和真實(shí)生產(chǎn)，以及相互指導(dǎo)與反饋優(yōu)化，來(lái)提高數(shù)字化工廠的制造產(chǎn)能、效率和質(zhì)量。
4 西門子的閉環(huán)數(shù)字孿生
在數(shù)字孿生發(fā)展的初期階段，實(shí)物和虛擬的世界往往只是鏡像或相互參考印證的關(guān)系。隨著各種產(chǎn)品及生產(chǎn)制造設(shè)備/儀器的數(shù)字化智能化發(fā)展，實(shí)物和虛擬的產(chǎn)品/工藝/工廠之間的相互關(guān)聯(lián)更加實(shí)時(shí)連接甚至直接相互作用，可以說(shuō)是閉環(huán)的數(shù)字孿生。
西門子在傳統(tǒng)的全集成自動(dòng)化(TIA)的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，把西門子開環(huán)的產(chǎn)品/生產(chǎn)/運(yùn)維數(shù)字孿生逐步打造成閉環(huán)的數(shù)字孿生(= 虛擬模型 * 物理資產(chǎn)數(shù)據(jù) * 虛實(shí)互連)。如下圖所示。
因此本篇將從開環(huán)和閉環(huán)兩個(gè)層級(jí)來(lái)闡述生產(chǎn)數(shù)字孿生。開環(huán)數(shù)字孿生中重點(diǎn)闡述生產(chǎn)數(shù)字孿生體(Digital Twins，即虛體部分)的應(yīng)用與能力，即單獨(dú)考慮基于產(chǎn)數(shù)字孿生體的仿真分析技術(shù);閉環(huán)數(shù)字孿生更多講述虛實(shí)結(jié)合之后的數(shù)字孿生(Digital Twin，即虛實(shí)聯(lián)合體)的應(yīng)用與能力，即基于物聯(lián)網(wǎng)軟硬結(jié)合后的相關(guān)技術(shù)。最后暢想一下整個(gè)制造企業(yè)基于虛實(shí)工廠對(duì)客戶直連制造的生產(chǎn)模式的支撐。
二、生產(chǎn)數(shù)字孿生體(Digital twins)
在多數(shù)制造企業(yè)內(nèi)，對(duì)于生產(chǎn)制造系統(tǒng)的管理與使用還是采用傳統(tǒng)的方式，不透明、不精細(xì)、不優(yōu)化。具體表現(xiàn)如下圖的幾個(gè)方面：
●生產(chǎn)系統(tǒng)不透明：通過(guò)傳統(tǒng)的表格方式管理資產(chǎn)清單，僅僅記錄數(shù)量與價(jià)值;對(duì)于資產(chǎn)真正實(shí)體形態(tài)，工作位置、加工能力說(shuō)明、工作或維修的狀態(tài)等都不清楚，而且隨著工廠的調(diào)整，不下現(xiàn)場(chǎng)，根本不知道工廠的狀態(tài)。
●生產(chǎn)產(chǎn)能不自知：對(duì)于工廠的產(chǎn)能只是模糊的概念，新增產(chǎn)能時(shí)只能大概估計(jì);提升產(chǎn)能只能通過(guò)“大干幾百天”或加班加點(diǎn)，而不是消除產(chǎn)能瓶頸或任務(wù)合理化。
●生產(chǎn)布局不優(yōu)化：習(xí)慣性按功能區(qū)擺放，一張類似辦公桌布局圖來(lái)確定設(shè)備布局。沒(méi)有綜合考慮工藝流、物流、生產(chǎn)節(jié)拍等因素。
●工藝脫離車間現(xiàn)場(chǎng)：工藝員設(shè)計(jì)工藝時(shí)，難以全然明晰由設(shè)備/工裝等組成復(fù)雜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)工藝過(guò)程的影響。過(guò)度關(guān)注給工人編制工藝規(guī)程卡，而缺乏保障工藝一次正確性的能力。
●機(jī)器人還不是柔性設(shè)備：企業(yè)購(gòu)買機(jī)器人時(shí)購(gòu)買了廠商提供的PLC程序，日后不能根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)整等優(yōu)化或改變PLC程序，成為一臺(tái)固化的自動(dòng)化設(shè)備。
●工人只是高度柔性的設(shè)備：工作現(xiàn)場(chǎng)缺乏人性化考慮，對(duì)工作強(qiáng)度、工作舒適度等方面基于人因工程的分析和優(yōu)化。
基于產(chǎn)數(shù)字孿生體的仿真分析技術(shù)，可以很大程度上解決上述制造企業(yè)面臨的問(wèn)題。
1 工廠三維建模與可視化
有人還在質(zhì)疑，建立工廠的三維模型有意義嗎?還沒(méi)有游戲或電影制作工具的效果清晰好看。其實(shí)制造企業(yè)工廠三維建模的環(huán)境已經(jīng)成熟：一方面企業(yè)需求越來(lái)越明顯，另一方面數(shù)字化建模技術(shù)和應(yīng)用越來(lái)越豐富。
大家可能觀察到，有些企業(yè)在采購(gòu)生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，要求設(shè)備供應(yīng)商同時(shí)提供一套帶三維模型的數(shù)字化設(shè)備，不僅只是三維造型，還包含能力參數(shù)說(shuō)明手冊(cè)等相關(guān)內(nèi)容?，F(xiàn)在生產(chǎn)線集成商在給企業(yè)提供交鑰匙工程，也會(huì)提供一套數(shù)字化的生產(chǎn)線，讓企業(yè)后續(xù)可持續(xù)使用。
業(yè)界生產(chǎn)線設(shè)計(jì)/工廠建模工具已經(jīng)成熟，例如西門子的NX Line Designer，能夠利用豐富可擴(kuò)充的生產(chǎn)線資源庫(kù)，基于參數(shù)化的快速設(shè)計(jì)定制化的生產(chǎn)線;不僅實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的三維可視化，甚至關(guān)聯(lián)展示相關(guān)信息;同時(shí)三維模型可輸出工程圖紙，用于生產(chǎn)線的生產(chǎn)制造。
采用點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)歷史資產(chǎn)快速3D可視化：除了自己從零開始為每個(gè)廠房新建模型外，還可以為現(xiàn)有的工廠進(jìn)行快速掃描建模，用于工廠的整體直接可視，也可為未來(lái)生產(chǎn)線逐步調(diào)整優(yōu)化過(guò)程中逐步建模提供背景;在NX Line Designer可以實(shí)現(xiàn)新建的三維模型和點(diǎn)云掃描模型組合在一起;隨著工廠的持續(xù)優(yōu)化改造，這些點(diǎn)云的模型逐步被新三維模型取代。
工廠三維模型，一方面實(shí)現(xiàn)全球資產(chǎn)的數(shù)字化管理，讓任何人在任何地點(diǎn)查看企業(yè)工廠景況;另外這些模型可以直接為工廠仿真/工藝仿真提供模型基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ);甚至可以基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)集成獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球分布式工廠的實(shí)時(shí)信息觸手可及，實(shí)時(shí)巡視;通過(guò)靜態(tài)描述與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相結(jié)合全方位多層次實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造系統(tǒng)的透明化。
例如：福特汽車與西門子開展合作，已經(jīng)開始為全球諸多工廠建立的數(shù)字化模型，并溝通過(guò)與MOM集成，以及逐步采用IoT技術(shù)把生產(chǎn)設(shè)備信息放到Mindsphere平臺(tái)管理分析，并最終集成到Intosite平臺(tái)中進(jìn)行展現(xiàn)。Intosite就是類似Google earth一樣對(duì)全球工廠進(jìn)行可視化展現(xiàn)的工具。
總之工廠三維建模與可視化技術(shù)可以很大程度上解決“生產(chǎn)系統(tǒng)不透明”問(wèn)題。
2 工廠價(jià)值流分析與仿真驗(yàn)證
數(shù)字化工廠不是簡(jiǎn)單的用自動(dòng)化和數(shù)字化設(shè)備儀器取代原有生產(chǎn)硬件，而是追求更加精益的高效柔性制造工廠。在數(shù)字化工廠策劃籌建時(shí)，就必須在數(shù)字化的環(huán)境里進(jìn)行全面分析和驗(yàn)證。數(shù)字化工廠仿真工具(例如：西門子的Plant Simulation)能夠低成本幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
價(jià)值流分析：可以幫助制造企業(yè)進(jìn)行精益價(jià)值流分析，繪制當(dāng)前價(jià)值流圖，站在企業(yè)的層面，對(duì)信息流、實(shí)物流分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品全價(jià)值鏈增值過(guò)程中潛在的、對(duì)客戶不增值的浪費(fèi)活動(dòng)，并制定策略，進(jìn)行改進(jìn)，形成全新的價(jià)值流圖。價(jià)值流分析不僅僅對(duì)現(xiàn)有工廠進(jìn)行基于產(chǎn)能或交貨準(zhǔn)確率策略進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也可對(duì)新工廠導(dǎo)入新產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行決策輔助，選擇總體價(jià)值最大化的產(chǎn)品組合進(jìn)行該工廠生產(chǎn)。
產(chǎn)能優(yōu)化：工廠仿真工具能夠?qū)ιa(chǎn)資源進(jìn)行對(duì)象量化管理(例如每臺(tái)資源量化的產(chǎn)能信息)，對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行的邏輯量化表達(dá)(先后順序/工時(shí)/人員/設(shè)備/資源要求等)，結(jié)合相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)工廠的虛擬運(yùn)行(周期可長(zhǎng)可短，可快可慢)，因此可快速知曉產(chǎn)能與產(chǎn)能瓶頸;并且通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝組合或調(diào)整產(chǎn)能瓶頸，最終滿足產(chǎn)能需求或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)能提升。
仿真優(yōu)化時(shí)，可考慮眾多生產(chǎn)因素進(jìn)行優(yōu)化組合來(lái)提升產(chǎn)能：人員要求和配備;生產(chǎn)線節(jié)拍和利用率生產(chǎn)能力，性能;工作時(shí)間和換班模式;瓶頸、系統(tǒng)故障;布局安排、計(jì)劃和先后順序。這涉及到制造企業(yè)生產(chǎn)控制策略、處理原則的設(shè)定，例如：產(chǎn)能優(yōu)先、交貨準(zhǔn)確率優(yōu)先等。
對(duì)于復(fù)雜的組合，工廠仿真工具提供多種優(yōu)化能力：試驗(yàn)管理 Experiment Design;遺傳算法 Genetic Algorithm;特征值 Factor Analysis;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Neural Network。通過(guò)這些優(yōu)化策略主動(dòng)尋找最優(yōu)的組合方案。
物流與產(chǎn)線布局優(yōu)化：工廠仿真工具不僅分析關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)能需求，計(jì)算重要資源(工裝/托盤/AGV小車/倉(cāng)儲(chǔ)貨格)的具體數(shù)量需求;同時(shí)按照具體的工藝流和工廠布局進(jìn)行虛擬運(yùn)行，可對(duì)車間內(nèi)/工廠內(nèi)全面物流系統(tǒng)及產(chǎn)線布局進(jìn)行校核優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整產(chǎn)線或物流布局，可減少物流不均衡、瓶頸、浪費(fèi)等情況;甚至通過(guò)合理物流和布局，來(lái)達(dá)到產(chǎn)能最大或精益等目標(biāo)。
結(jié)合工廠的三維模型，還可對(duì)各種資源的位置干涉性、通過(guò)性;這不僅只考慮靜態(tài)下的空間干涉，還包括移動(dòng)設(shè)備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，或帶門設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)下的干涉性、通過(guò)性。
降本綠色：而且通過(guò)帶有成本信息和能耗信息的工廠的虛擬運(yùn)行，能夠快速計(jì)算出產(chǎn)品/生產(chǎn)成本(折舊+原材料+生產(chǎn)+停機(jī)+……)，甚至工廠能耗信息，為工廠的精益成本控制和綠色節(jié)能運(yùn)行提供決策支持。
總之工廠仿真驗(yàn)證技術(shù)可以很大程度上解決“生產(chǎn)產(chǎn)能不自知”和“生產(chǎn)布局不優(yōu)化”問(wèn)題。
3 工藝仿真與驗(yàn)證
正如前面章節(jié)所述，工藝員設(shè)計(jì)工藝時(shí)，難以全然明晰由設(shè)備/工裝等組成復(fù)雜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)工藝過(guò)程的影響。過(guò)度關(guān)注給工人編制工藝規(guī)程卡，而缺乏保障工藝一次正確性的能力。
基于MBD的結(jié)構(gòu)化工藝，以BOP為核心，有效組織三維的產(chǎn)品模型、工廠模型、資源模型等，為工藝的仿真與驗(yàn)證工具提供的三維仿真環(huán)境與結(jié)構(gòu)化工序信息的基礎(chǔ)。工藝的仿真與驗(yàn)證工具讓工藝員身處在完全雷同生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)境況的虛擬環(huán)境，進(jìn)行工藝的設(shè)計(jì)思考和試錯(cuò)、驗(yàn)證調(diào)整，就像已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多次的試制生產(chǎn)一樣，出來(lái)就是滿足現(xiàn)場(chǎng)需求的一次正確性的工藝。
以裝配維修工藝為例，工藝的仿真與驗(yàn)證工具(例如：西門子Process simulate)在虛擬環(huán)境中對(duì)裝配/維修過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，是否會(huì)發(fā)生干涉，以及工裝在動(dòng)態(tài)使用過(guò)程中對(duì)裝配過(guò)程的影響，從而確定最優(yōu)的裝配順序和工裝的使用方法。甚至在復(fù)雜的裝配環(huán)境中，自主給工藝員推薦最優(yōu)可行的安裝路徑。這種仿真對(duì)于越復(fù)雜的產(chǎn)品、越復(fù)雜的生產(chǎn)/維修環(huán)境收益最大。
同時(shí)可基于仿真驗(yàn)證后的最優(yōu)裝配維修工藝，形成可視的視頻、交互式作業(yè)指導(dǎo)書，甚至結(jié)合AR進(jìn)行應(yīng)用，讓操作工人更準(zhǔn)確理解工藝，更正確執(zhí)行工藝，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。
總之工藝仿真與驗(yàn)證技術(shù)可以最大限度上解決“工藝脫離車間現(xiàn)場(chǎng)”問(wèn)題。
4 機(jī)器人編程與虛擬調(diào)試
機(jī)器人用于生產(chǎn)的場(chǎng)景越來(lái)越多，但企業(yè)購(gòu)買機(jī)器人時(shí)購(gòu)買了廠商提供的PLC程序，日后不能根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)整等優(yōu)化或改變PLC程序，成為一臺(tái)固化的自動(dòng)化設(shè)備。
在數(shù)字化工廠環(huán)境，多品種切換或者新品種的引入都會(huì)要對(duì)機(jī)器人的PLC程序進(jìn)行切換、調(diào)整、優(yōu)化。機(jī)器人仿真與虛擬調(diào)試工具(例如西門子PS Robot)能夠快速滿足這一需求，使機(jī)器人真正成為高柔性自動(dòng)化裝備。
機(jī)器人仿真與虛擬調(diào)試工具，不僅只是簡(jiǎn)單的離線編程;更重要的是對(duì)復(fù)雜工況、多機(jī)器人協(xié)作、甚至人機(jī)協(xié)作環(huán)境下進(jìn)行保障機(jī)器人和人的安全;同時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別工件曲面，優(yōu)化機(jī)器人的最優(yōu)工作姿勢(shì)、能耗節(jié)省等相關(guān)因素。
機(jī)器人仿真與虛擬調(diào)試工具，對(duì)含機(jī)器人協(xié)作或生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，可以在虛擬環(huán)境下提前進(jìn)行全方位的調(diào)試，驗(yàn)證機(jī)械操作順序、校核PLC控制代碼、機(jī)器人控制程序和HMI、測(cè)試安全互鎖裝置、執(zhí)行系統(tǒng)診斷測(cè)試等，在硬件還沒(méi)有到位之前就能得到正確的PLC、控制策略等。最終提升機(jī)器人協(xié)作效率和減少生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)試準(zhǔn)備時(shí)間，確保一次正確性。
總之機(jī)器人編程與虛擬調(diào)試技術(shù)可以最終消除“機(jī)器人還不是柔性設(shè)備”現(xiàn)象。
5 人因工程分析
在數(shù)字化工廠中的工人，是最為珍貴的高度柔性的設(shè)備，必須讓工人能持續(xù)穩(wěn)定健康工作;如何設(shè)計(jì)工藝、如何設(shè)計(jì)工位、清晰知曉工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等非常關(guān)鍵。結(jié)合工藝和工位下進(jìn)行人因工程分析，能夠有效解決這一問(wèn)題。
西門子PS Human就能提供一個(gè)三維的環(huán)境來(lái)對(duì)工人在操作過(guò)程中的身體狀態(tài)進(jìn)行合理分析(結(jié)合人機(jī)交互性評(píng)估，對(duì)工位的布局，人機(jī)交互可行性進(jìn)行模擬，人體的操作姿態(tài)，人體受力，人體的可視、可達(dá)性進(jìn)行評(píng)估，從而對(duì)產(chǎn)品、資源(設(shè)備、工裝、工具等)、人體三者之間的協(xié)同進(jìn)行全面模擬。)，分析當(dāng)前工位設(shè)計(jì)與工藝方法的人因效果;通過(guò)優(yōu)化工藝方法(可操作性/可達(dá)性等)或工位布局/工裝結(jié)構(gòu)等優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保更加高效安全健康工作。
西門子PS Human具有最為豐富和標(biāo)準(zhǔn)的人體模型庫(kù);同時(shí)可與各種運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備相結(jié)合來(lái)快速定義人的操作運(yùn)動(dòng)，提高整個(gè)仿真分析的效率。
人因工程分析對(duì)于工藝調(diào)整優(yōu)化、工位布局優(yōu)化等方面具備相當(dāng)大的助益。
總之人因工程分析技術(shù)完全消除“工人只是高度柔性的設(shè)備”問(wèn)題。
三、閉環(huán)的生產(chǎn)數(shù)字孿生(Digital Twin)
1 基于工廠實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證
西門子一直深入研究閉環(huán)數(shù)字孿生的價(jià)值應(yīng)用，構(gòu)建了“基于工廠實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證”場(chǎng)景，來(lái)驗(yàn)證其業(yè)務(wù)價(jià)值和可行性。
主體場(chǎng)景是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)(IOT)邊緣端，把關(guān)注的眾多數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)(Mindsphere)上，然后把這些數(shù)據(jù)傳遞到Plant Simulation中進(jìn)行分析驗(yàn)證，支撐決策再作用到實(shí)際工廠中。
基于上述場(chǎng)景，可以執(zhí)行下述的業(yè)務(wù)增值活動(dòng)：
●基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在Plant的虛擬工廠中，實(shí)時(shí)顯現(xiàn)工廠的運(yùn)作狀態(tài);是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際狀態(tài)，不是視頻或圖片。
●Plant的虛擬工廠中有工廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確的進(jìn)行未來(lái)生產(chǎn)的預(yù)測(cè)或業(yè)務(wù)優(yōu)化處理，或緊急查單等情況的最正確處理。
●可以在Plant的虛擬工廠模擬回放一段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行歷史回放，有利于找出生產(chǎn)問(wèn)題的根本原因，而不是通過(guò)問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)的猜測(cè)或詢問(wèn)。
總之，基于Mindsphere云平臺(tái)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Plant Simulation進(jìn)行仿真，對(duì)實(shí)時(shí)/歷史業(yè)務(wù)復(fù)現(xiàn)與分析，針對(duì)關(guān)鍵歷史事件對(duì)數(shù)字化雙胞胎進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn)，挖掘更多行業(yè)數(shù)據(jù)價(jià)值。
2 基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)閉環(huán)控制
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)反饋到三維的工廠模型中，可以進(jìn)行基于虛擬工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)巡檢，實(shí)現(xiàn)各車間生產(chǎn)管理人員的高效安全生產(chǎn)巡檢。同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于三維增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行生產(chǎn)巡檢，巡查數(shù)據(jù)：產(chǎn)線三維模型、訂單數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、責(zé)任人數(shù)據(jù)。
基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)字孿生，結(jié)合各種預(yù)測(cè)式維修、人工智能、遠(yuǎn)程控制、AR等先進(jìn)技術(shù)，還可以在更多的場(chǎng)景發(fā)揮巨大價(jià)值。下面舉幾個(gè)實(shí)例。
第一個(gè)實(shí)例是基于物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與效率/質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)合分析，沉淀經(jīng)驗(yàn)：分析質(zhì)量或效率最佳的物聯(lián)網(wǎng)獲取機(jī)床工作狀態(tài)信息，總結(jié)經(jīng)驗(yàn);反之總結(jié)教訓(xùn)。結(jié)合AI的深度學(xué)習(xí)和設(shè)備實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自主調(diào)整工作狀態(tài)參數(shù)達(dá)到最佳效果。下圖所示的實(shí)例是某汽車企業(yè)，采用機(jī)器視覺(jué)，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線上的每一個(gè)鈑金產(chǎn)品，然后把數(shù)據(jù)上傳到Mindsphere平臺(tái)上AI進(jìn)行品質(zhì)分析，獲取到產(chǎn)品品質(zhì)最好時(shí)的生產(chǎn)線各種參數(shù)狀態(tài)，最后實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)控生產(chǎn)線，使其始終處于最佳的工作狀態(tài)。幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：
●采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)機(jī)床設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)專業(yè)分析APP進(jìn)行故障預(yù)測(cè)預(yù)警
●設(shè)置維修閾值條件，對(duì)達(dá)到該閾值的設(shè)備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的維修程序。
●通過(guò)人工智能自動(dòng)調(diào)整設(shè)備工作狀態(tài)。
第二個(gè)實(shí)例是某企業(yè)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)工廠共用工具/資源的位置和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，采用移動(dòng)客戶端工業(yè)APP進(jìn)行展示與查找，能大大節(jié)省復(fù)雜工廠環(huán)境下工人查找物料的時(shí)間浪費(fèi)。同時(shí)在材料下料車間中對(duì)余料的尋找和再次優(yōu)化利用(例如板料優(yōu)化排布利用/棒料綜合使用)。
第三個(gè)實(shí)例是傳統(tǒng)污水處理行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備(鼓風(fēng)機(jī))的穩(wěn)定運(yùn)行，遠(yuǎn)程診斷和復(fù)位;基于AR/VR的設(shè)備遠(yuǎn)程設(shè)備維修和指導(dǎo);根據(jù)階梯電價(jià)動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)鍵設(shè)備工藝參數(shù)，在保證出水質(zhì)量的前提下節(jié)省能耗;通過(guò)海量運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的工藝參數(shù)“密碼”。
四、基于孿生工廠的用戶直連制造(C2M)
C2M是英文Customer-to-Manufacturer(用戶直連制造)的縮寫;C2M模式，是指用戶直連制造商，即消費(fèi)者直達(dá)工廠，強(qiáng)調(diào)的是制造業(yè)與消費(fèi)者的銜接。這是眾多制造企業(yè)追求的模式，企業(yè)與用戶緊密連接，企業(yè)準(zhǔn)確把握需求與訂單，用戶清晰制造自己個(gè)性化產(chǎn)品的狀態(tài)。
西門子按照C2M思想，綜合運(yùn)用西門子各種數(shù)字化技術(shù)，尤其是數(shù)字孿生技術(shù)，搭建了一個(gè)類似九宮格的孿生工廠(實(shí)際工廠通過(guò)幾個(gè)PLC等進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬)，模擬C2M場(chǎng)景的運(yùn)行。下圖為模擬場(chǎng)景中工廠的虛擬模型。
下圖為基于孿生工廠之上運(yùn)行的數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從用戶查看商品，定制訂單到企業(yè)接收訂單后一些列業(yè)務(wù)活動(dòng)的執(zhí)行，直至客戶接收商品后的點(diǎn)評(píng)閉環(huán)過(guò)程。下面稍微解釋一下幾個(gè)關(guān)鍵過(guò)程的運(yùn)行：
在APP中查看與下訂單：用戶在移動(dòng)端的APP查看商品;并可根據(jù)自己個(gè)性需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄖ?下訂單。
零件與工藝準(zhǔn)備：如果是定制產(chǎn)品，工程師需要基于訂單定制需求在PLM環(huán)境進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備。
MES中接收訂單與APS優(yōu)化排程：訂單進(jìn)入企業(yè)后在高級(jí)計(jì)劃與排程(APS)系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)計(jì)劃安排;為了更精確的確保訂單及時(shí)交付，可結(jié)合采用工廠仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)能進(jìn)行合理驗(yàn)證;最終給與用戶最為精準(zhǔn)的訂單執(zhí)行計(jì)劃信息。
在虛擬/實(shí)物工廠中進(jìn)行訂單的執(zhí)行：計(jì)劃確認(rèn)后直接由MOM系統(tǒng)組織生產(chǎn)。在本環(huán)境中，訂單可在虛擬工廠中執(zhí)行，也可在實(shí)物工廠中執(zhí)行。其中虛擬和實(shí)物工廠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把諸多信息進(jìn)行完全同步。虛擬工廠和實(shí)物工廠聯(lián)合生產(chǎn)的模式，即可首先采用虛擬工廠進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化和生產(chǎn)預(yù)測(cè);也可以基于實(shí)物工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回放驗(yàn)證，找出實(shí)際工廠的問(wèn)題根源等。
優(yōu)化工廠作業(yè)訂單組合：如果在虛擬工廠中執(zhí)行，可以利用虛擬工廠仿真優(yōu)化技術(shù)，更好優(yōu)化作業(yè)任務(wù)組合，實(shí)現(xiàn)工廠效率最高，所有訂單準(zhǔn)時(shí)交付。
工廠與MES訂單生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)溝通：無(wú)論是虛擬工廠還是實(shí)物工廠，都會(huì)實(shí)時(shí)與MES保持雙向溝通，確保訂單的準(zhǔn)確執(zhí)行。
在MES中檢查訂單狀態(tài)：在MES系統(tǒng)中，全面檢查和記錄虛擬和實(shí)物工廠的訂單執(zhí)行狀態(tài)
緊急訂單：對(duì)于緊急訂單，可以現(xiàn)在虛擬工廠進(jìn)行快速執(zhí)行，得到最佳策略后，再到實(shí)物工廠進(jìn)行。
在APP中查看訂單狀態(tài)與反饋：用戶通過(guò)移動(dòng)APP，隨時(shí)查看訂單執(zhí)行和交付情況，進(jìn)行及時(shí)反饋。
基于孿生工廠技術(shù)，不僅僅實(shí)現(xiàn)用戶直連制造，提高用戶的極致體驗(yàn)感;同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于虛實(shí)工廠的聯(lián)合制造，實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)的安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)的透明度和可預(yù)期性。
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主數(shù)據(jù)的未來(lái)：動(dòng)態(tài)、人工智能驅(qū)動(dòng)、...
