虛擬工廠在智能工廠全生命周期中的應(yīng)用綜述

劉 進，關(guān)俊濤，張新生，史康云,梁冬青

(1.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 咨詢研究院,河南 鄭州 450007；2.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 綠色建筑信息模型化工程實驗室，河南 鄭州 450007；3.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 智能制造工程院，河南 鄭州 450007)

目前，制造業(yè)的國際市場競爭日趨激烈，我國經(jīng)濟發(fā)展方式正由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，制造業(yè)由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)型升級已成為制造企業(yè)求生存、求發(fā)展的必然選擇.而計算機技術(shù)的深化應(yīng)用是制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段，基于自動化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的智能工廠則是機械制造工廠的高級形式，是我國制造業(yè)發(fā)展的方向.

融合和使用新一代信息技術(shù)(如云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、人工智能等)，建設(shè)智能工廠/智能車間，開展智能生產(chǎn)，以滿足社會化、個性化、服務(wù)化、智能化、綠色化等制造發(fā)展需求和趨勢，真正實現(xiàn)智能制造，是當(dāng)前各國共同追求的先進制造戰(zhàn)略，如工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IIOT)、基于信息物理系統(tǒng)(CPS)的制造[1]、中國制造2025、互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)、面向服務(wù)的制造、云制造等.對于制造業(yè)，物理世界和虛擬世界之間的交互與共融是制造模式升級的有效手段[2].

1 智能工廠的特征

(1)有感知(收集功能)：工廠設(shè)施、設(shè)備、儀表、儀器、人員自帶和外裝各類有線或無線工業(yè)傳感器，作為視覺、觸覺、聽覺裝置來采集與生產(chǎn)監(jiān)控相關(guān)的工業(yè)大數(shù)據(jù)，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，將實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分類上傳[3].

(2)會記憶(存儲功能)：能夠自動記錄和存儲工廠的靜態(tài)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù).

(3)能思考(判斷功能)：能夠利用特定算法和工廠的工業(yè)大數(shù)據(jù)解決工廠業(yè)務(wù)的實際問題.

(4)可互動(人機互動功能)：利用已知條件和大數(shù)據(jù)形成新的規(guī)則，由計算機主動提交給具有相應(yīng)權(quán)限的管理人員，被確認(rèn)后執(zhí)行.

(5)善行動(執(zhí)行功能)：能夠利用形成的知識庫自主指導(dǎo)實際的工廠生產(chǎn)業(yè)務(wù).

(6)自優(yōu)化(改善功能)：可通過人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)、模型和高級智能算法自主優(yōu)化工廠各類業(yè)務(wù).

(7)互融合(兼容功能)：能夠促進人與機器的融合、機器與機器的融合、企業(yè)與企業(yè)的融合、虛擬世界與物理世界的融合.

2 智能工廠建設(shè)的內(nèi)容

智能制造以智能工廠為載體，發(fā)揮著制造業(yè)主戰(zhàn)場的作用.智能工廠可以廣義地理解為“物理工廠+虛擬工廠”(圖1)[4].依靠自動化生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)建而成的物理工廠是智能制造的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)階段絕大多數(shù)制造工廠轉(zhuǎn)型升級的重點.

在生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，以互聯(lián)互通為支撐，構(gòu)建高度靈活的個性化和數(shù)字化智能制造模式，實現(xiàn)信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行.這是虛擬工廠建設(shè)的重點，也是制造業(yè)在生產(chǎn)自動化程度已經(jīng)達到較高水平后，將裝備優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和市場優(yōu)勢，實現(xiàn)升級轉(zhuǎn)型和趕超世界先進水平的捷徑.將物理工廠的業(yè)務(wù)和實體轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的虛擬工廠，并建立虛擬工廠與物理工廠之間實時、緊密的映射鏈接，充分利用虛擬工廠強大的仿真計算能力，評估物理工廠的現(xiàn)狀并仿真模擬未來的運營狀態(tài).其仿真最優(yōu)結(jié)果用來組織工廠的制造資源，開展相應(yīng)的生產(chǎn)活動.在產(chǎn)品設(shè)計階段，利用虛擬化仿真，在產(chǎn)品定型制造前就可完成產(chǎn)品的評估、驗證和生產(chǎn)優(yōu)化.

虛擬工廠模型需要在生產(chǎn)全過程進行維護，以確保模型與工廠及車間有效連接.一方面，利用模擬工具，重新配置的生產(chǎn)過程可以在虛擬工廠中進行測試和驗證，以便在物理工廠中快速實施；另一方面，對物理工廠進行完善的方案可以在工廠虛擬模型上得到反饋和保存.

圖1 智能工廠的架構(gòu)

(1)實體工廠.它是整個智能工廠的基礎(chǔ)層，主要包括工廠的工藝設(shè)備(為了自動采集數(shù)據(jù)并及時接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)和指令，需要采用能夠進行數(shù)據(jù)集成的工藝裝備、物流裝備等)、公用設(shè)施(與生產(chǎn)工藝相關(guān)的土建公用設(shè)備)和信息基礎(chǔ)設(shè)施(工廠的綜合布線系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息引導(dǎo)及發(fā)布系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和信息機房等).

(2)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng).它是整個智能工廠的控制層，用于完成數(shù)據(jù)的傳輸、集成等任務(wù).它主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、安燈管理系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施能源監(jiān)測系統(tǒng)、機器視覺識別系統(tǒng)、在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)、車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及人機交互系統(tǒng)等.

(3)虛擬工廠.它是整個物理工廠(實體工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及信息化應(yīng)用系統(tǒng)中所有物理設(shè)備的集合)的映射，主要為實體模型和仿真模型，能夠迭代優(yōu)化工藝方案并指導(dǎo)智能工廠的建設(shè)，最終形成企業(yè)的數(shù)字資產(chǎn).

(4)車間級信息化應(yīng)用系統(tǒng).它是整個車間的執(zhí)行層，用于接收訂單并將其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)指令.它主要包括制造運營管理系統(tǒng)(MOM)、高級排成系統(tǒng)(APS)、倉儲管理系統(tǒng)(WMS)、智慧能源系統(tǒng)(EMS)等.

(5)企業(yè)級信息化應(yīng)用系統(tǒng).它是整個企業(yè)的決策層，用于完成訂單接收、產(chǎn)品全生命周期管理和產(chǎn)品工藝研發(fā)等任務(wù).它主要包括企業(yè)資源管理系統(tǒng)(ERP)、計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)(CAPP/CAD/CAE/CAT/CAQ)，以及產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(PLM)、服務(wù)生命周期管理系統(tǒng)(SLM)、應(yīng)用生命周期管理(ALM)[5]等.

(6)基于云的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng).它屬于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用技術(shù)，主要應(yīng)用在企業(yè)經(jīng)營管理、質(zhì)量管理和制造管理方面.

(7)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系和智能制造安全體系.為保障智能制造系統(tǒng)運行，智能工廠建設(shè)需要設(shè)計智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系和智能制造安全體系.

3 虛擬工廠的內(nèi)涵

構(gòu)建虛擬工廠是實現(xiàn)智能工廠目標(biāo)的基礎(chǔ).所謂虛擬工廠，是把“現(xiàn)實制造”和“虛擬呈現(xiàn)”融合在一起，通過遍布全廠的傳感器采集現(xiàn)實生產(chǎn)制造過程中海量的實時數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)的量非常大，可實時、快速地反映生產(chǎn)任何細節(jié)的狀態(tài)),并基于這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在計算機虛擬環(huán)境中，應(yīng)用數(shù)字化模擬、大數(shù)據(jù)分析、3D虛擬仿真等方法，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，使虛擬世界的生產(chǎn)仿真與現(xiàn)實世界的實際生產(chǎn)無縫融合，利用虛擬工廠的靈活可變優(yōu)勢來促進現(xiàn)實生產(chǎn).構(gòu)建虛擬工廠是一個多學(xué)科交叉與融合的過程. 在圖2所示的虛擬工廠架構(gòu)中，虛擬工廠被劃分為基礎(chǔ)包和技術(shù)包.其中，基礎(chǔ)包有基于數(shù)字化制造和基于模型的系統(tǒng)工程、知識挖掘等技術(shù)；技術(shù)包有工廠建模(信息模型、仿真模型)、工藝設(shè)計、生產(chǎn)線設(shè)計、物流設(shè)計、邊緣計算、機器智能和虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實以及系統(tǒng)集成技術(shù).基礎(chǔ)包和技術(shù)包可通過系統(tǒng)集成與企業(yè)其他異構(gòu)系統(tǒng)集成，例如企業(yè)資源計劃(ERP)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、高級計劃與排程(APS)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等[6-7].

虛擬工廠有幾個關(guān)鍵點：第一是物理工廠與虛擬工廠同步運行，物理工廠生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)等都會通過虛擬工廠反映出來，這要求采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時可用，并通過不中斷的數(shù)據(jù)通道進行連續(xù)交互；第二是虛擬與現(xiàn)實結(jié)合，利用三維可視化技術(shù)將生產(chǎn)場景真實展現(xiàn)出來，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時驅(qū)動三維場景中的設(shè)備，使其狀態(tài)與真實生產(chǎn)場景一致，讓管理者充分了解整個生產(chǎn)場景中各設(shè)備的運行狀況，達到及時監(jiān)測、查看、分析的目的；第三是通過大數(shù)據(jù)與分析平臺，對匯集于云端的海量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化、分析、挖掘，以便制定更明智的決策，快速提高生產(chǎn)效率，降低成本，改善產(chǎn)品質(zhì)量.

4 智能工廠的規(guī)劃

隨著三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)上以經(jīng)驗為主的模擬設(shè)計模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S建模和仿真的虛擬設(shè)計模式，使未來的智能工廠能夠通過三維數(shù)字建模、工藝虛擬仿真、三維可視化工藝現(xiàn)場應(yīng)用，避免傳統(tǒng)的“三維設(shè)計模型→二維紙質(zhì)圖紙→三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂，摒棄二維和三維之間的轉(zhuǎn)換，提高產(chǎn)品換型制造的效率.

圖2 虛擬工廠的架構(gòu)

虛擬工廠仿真技術(shù)可基于離散事件建模、3D幾何建模、可視化仿真與優(yōu)化等技術(shù)，對工廠靜態(tài)布局、動態(tài)物流過程等進行綜合仿真和分析，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)甚至全部工廠依據(jù)既定工藝的運行仿真.

智能工廠的規(guī)劃主要是工廠布局仿真，包括新建廠房規(guī)劃、生產(chǎn)線規(guī)劃、倉儲物流設(shè)施規(guī)劃等.基于仿真模型的“預(yù)演”，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，減少建造過程中對設(shè)計方案的更改.

5 智能工廠的設(shè)計

智能工廠設(shè)計和復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的過程是類似的，分為若干階段，每個階段有不同側(cè)重和顆粒度，需要不斷論證和驗證.其設(shè)計過程需要系統(tǒng)工程理論來指導(dǎo).

無論是在設(shè)計階段還是在運營階段，模擬和預(yù)測制造制造系統(tǒng)的流程可以減少不確定因素的數(shù)量.信息通信技術(shù)(ICT)在計算能力、通信速度以及多模型可視化方面的發(fā)展進一步促進了模擬和預(yù)測工具的研發(fā)及應(yīng)用.

模擬和預(yù)測生產(chǎn)流程需要的條件包括處于生命周期各階段的產(chǎn)品、資源、系統(tǒng)和工廠.圖3所示為虛擬工廠的資源模型庫.多個利益相關(guān)者合作設(shè)計和管理產(chǎn)品-流程-生產(chǎn)的集成系統(tǒng)時，需要用新的方法和工具將有關(guān)系統(tǒng)融入社會、自然和生態(tài)系統(tǒng)[8].

圖3 虛擬工廠的資源模型庫

制造業(yè)模擬和預(yù)測的方法及工具對整個工廠架構(gòu)可能產(chǎn)生巨大影響.在架構(gòu)的低層次，合適的方法和工具可提升生產(chǎn)設(shè)備和流程的設(shè)計和管理水平，支持先進、可持續(xù)的制造業(yè)發(fā)展，設(shè)計并管理越來越復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)也需要新的方法和工具；在架構(gòu)的高層次，需要用模擬和預(yù)測方法支持工廠戰(zhàn)略層面的決策[9].

6 智能工廠的建設(shè)

智能工廠的建設(shè)是一個系統(tǒng)工程.對于復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前成熟的方法論是基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)， 智能工廠的建設(shè)亦可采用. 圖4所示為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)采用MBSE方法中智能化工廠的建設(shè)迭代IDEF ( integrated definition )模型[10].

圖4 基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)智能化工廠的建設(shè)迭代模型

智能工廠建設(shè)屬于高投資、高風(fēng)險、高回報項目，利益相關(guān)方的配合力度、正確的決策、清晰的需求分析和準(zhǔn)確的產(chǎn)品市場定位是智能工廠持續(xù)強勁的源動力，資金、技術(shù)、人員、設(shè)施等相關(guān)資源是智能工廠有效實施的保障，基于國際通用的信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(當(dāng)前國際上具有影響力的信息模型與設(shè)備互聯(lián)互通及互操作標(biāo)準(zhǔn)有MTConnect[11]、AutomationML[12]和OPC-UA(Unified Architecture統(tǒng)一架構(gòu))[13-14]技術(shù)協(xié)議等)是智能工廠設(shè)計的有力保障.

新建工廠的建筑設(shè)計、物流設(shè)計、工藝設(shè)計、信息化設(shè)計和自動化設(shè)備設(shè)計，以相對獨立和自成一體模式為主.智能工廠今后的主流模式是在工廠信息模型PIM[15]、信息系統(tǒng)建模(Unified Modeling Language，UML)或工程系統(tǒng)建模(Systems Modeling Language，SysML)[16-17]、自動控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以數(shù)字量驅(qū)動為核心，通過交互通信和傳感識別手段實現(xiàn)制造系統(tǒng)中人-設(shè)備-信息的高度集成，并實現(xiàn)數(shù)字量與物理系統(tǒng)的高度融合.工業(yè)大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)是制造系統(tǒng)各要素之間建立聯(lián)系的基礎(chǔ)環(huán)境.

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用3D SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)集成開發(fā)系統(tǒng)，建立全廠的3D模型和設(shè)備3D虛擬生產(chǎn)模型(包括產(chǎn)線環(huán)控、訂單集成、輸送同步、倉儲集成、傳感集成和機器人集成等模塊)，以三維形式展現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)、故障信息和主要運行數(shù)據(jù).在三維虛擬工廠里，通過推拉、旋轉(zhuǎn)、放大、透視等操作，可多維度地獲取生產(chǎn)信息，工程師和供應(yīng)商可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)直接查看虛擬工廠.工程師可以看到系統(tǒng)中生產(chǎn)流程每個節(jié)點的情況，隨時從系統(tǒng)中調(diào)取數(shù)據(jù)；供應(yīng)商則能夠?qū)α悴考M行上線測量和生產(chǎn)演示，以便精確地做出庫存預(yù)測.虛擬工廠將向物理工廠所有生產(chǎn)員工開放.當(dāng)開會討論工作站的重新設(shè)計時，生產(chǎn)員工可在線表達看法和修改意見.

7 智能工廠的生產(chǎn)優(yōu)化

模擬和預(yù)測的方法、工具能夠給物理工廠生命周期各階段(如選址和供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、概念設(shè)計、技術(shù)選擇和流程規(guī)劃、資源設(shè)計和組件選擇、布局規(guī)劃、實施、建造、運營或執(zhí)行、維護、廢棄)制造活動戰(zhàn)略上的支持.對這些方法和工具進行整合，可形成工廠及其生產(chǎn)設(shè)備的整體、統(tǒng)一性虛擬模型.

在建立真實物理工廠之前需要創(chuàng)建虛擬工廠模型，以便探索不同的設(shè)計方案，建立自動化系統(tǒng)，從而節(jié)約生產(chǎn)時間.通過虛擬工廠模型，工程師和生產(chǎn)人員在電腦前就可以知道未來生產(chǎn)中會發(fā)生什么情況，比如哪個工位的設(shè)置不合理、哪個零部件不匹配，甚至是機械手的長度夠不夠.他們可以在生產(chǎn)正式開始之前解決這些問題，而不是等到問題發(fā)生之后才調(diào)整生產(chǎn)線.比如在白車身焊接環(huán)節(jié)，計算機模擬系統(tǒng)可以模擬所有機械手的運行情況，包括同一工作崗位的機械手之間、兩個不同崗位的機械手之間會否發(fā)生碰撞，以及機械手能否準(zhǔn)確伸到車身每個需要焊接的位置[18].這種事先模擬可減少新產(chǎn)品上線生產(chǎn)時的錯誤.

研究層次化虛擬工廠規(guī)劃過程的建模方法，可在虛擬環(huán)境下，對工藝規(guī)劃、工廠布局規(guī)劃以及生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)評價等虛擬工廠規(guī)劃過程進行系統(tǒng)描述，進而提高企業(yè)在制造系統(tǒng)規(guī)劃方面的敏捷性.如在產(chǎn)能爬坡階段，通過物流分析優(yōu)化發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷和瓶頸，能夠提高規(guī)劃的準(zhǔn)確性和效率，最大限度地減少資本投資和提高生產(chǎn)效率；一次建模，既可在產(chǎn)品全生命周期中使用，也可在提高產(chǎn)能或增加產(chǎn)品種類時進行產(chǎn)量仿真[19].

8 智能工廠的后期運維

目前對于智能工廠來說，重建設(shè)而輕運營，建設(shè)難且運營維護更難，很多企業(yè)的智能工廠示范線開動率不高.運營人才缺、管理水平低、維護成本高等，造成智能工廠未能發(fā)揮其真正效能.因此，加強智能工廠的后期運維非常重要.有了虛擬工廠系統(tǒng)，就可以設(shè)置不同的場景，預(yù)先對生產(chǎn)線進行調(diào)整，找到最有效的方案，將被動的計劃調(diào)整改為主動的計劃調(diào)整.以前汽車廠的設(shè)備檢修繁鎖復(fù)雜，設(shè)備拆解、組裝費時費力，人工巡檢全廠需一天時間，而采用3D虛擬工廠巡檢只要幾十分鐘即可，效率得到顯著提升，且容易發(fā)現(xiàn)隱蔽的異常情況，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測的3D可視化設(shè)備檢修還可遠程進行檢測操作.

(1)優(yōu)化工廠資產(chǎn).在傳統(tǒng)制造業(yè)中，生產(chǎn)車間的多數(shù)資產(chǎn)沒有相互聯(lián)系.對制造業(yè)管理者來說，這些資產(chǎn)的功能和狀態(tài)是不可見的.通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT)，生產(chǎn)車間的所有資產(chǎn)(包括機器)能夠相互聯(lián)系，可對資產(chǎn)實現(xiàn)監(jiān)督、控制和優(yōu)化.

(2)預(yù)防性維護.不論是生產(chǎn)車間正在使用的設(shè)備，還是已建造而未投入使用的生產(chǎn)設(shè)備，只要是虛擬工廠的聯(lián)網(wǎng)機器，都可被前瞻性地給予指令性維護.在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的維護、監(jiān)督、控制與更新方面，可指令性維護是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT)模型的主要優(yōu)勢.

(3)設(shè)備的全生命周期價值管理.利用大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化手段，通過數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)制造，可提高既有設(shè)備的終身價值.

(4)大數(shù)據(jù)預(yù)測建模.在既有設(shè)備不斷產(chǎn)生大量傳感器數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過虛擬工廠挖掘這些數(shù)據(jù)，建立可能的預(yù)測模型，實施預(yù)防性維護，可避免潛在故障的發(fā)生.

(5)操作員培訓(xùn).智能工廠中一些應(yīng)用了虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)軟件既可對操作人員進行沉浸式培訓(xùn)，又可作為交付工具實現(xiàn)與第三方應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換，還可以進行實時協(xié)作[20].應(yīng)用虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實(VR/AR)頭盔或眼鏡，能高清流暢地展現(xiàn)生產(chǎn)細節(jié)，使人身臨其境地融入虛擬工廠，實現(xiàn)三維環(huán)境下沉浸式的數(shù)據(jù)展示.

圖5所示為地鐵裝備設(shè)施的虛擬檢修界面.

圖5 地鐵裝備設(shè)施的虛擬檢修界面

9 虛擬工廠的信息集成問題

(1)虛擬工廠要達到理想狀態(tài)，首先需要突破數(shù)據(jù)管理的瓶頸.對于原有工廠的數(shù)據(jù)缺失問題，可采用三維激光掃描技術(shù)直接得出實物表面的空間采樣點——含有三維坐標(biāo)的“點云”(Point Cloud)數(shù)據(jù).這種信息采集和處理方式類似于谷歌的街景技術(shù)，不同的是谷歌街景呈現(xiàn)出來的是平面照片，而虛擬工廠系統(tǒng)中圖像構(gòu)成的空間是三維立體的.測量出物體間的距離就可以把廠房布局、所有設(shè)備和每個零部件所處的位置精確地顯示出來.

(2)目前虛擬工廠的掃描工作需要人工移動掃描設(shè)備，將來把掃描攝像槍安放在可自主移動的拖車上，可進行自動掃描；而且，工廠各區(qū)域都可安裝全自動掃描槍，以便實時自動掃描、更新工廠的布局.

(3)虛擬工廠系統(tǒng)目前還不能完全實現(xiàn)對所有產(chǎn)品和所有生產(chǎn)過程的模擬，比如柔性傳送帶的自身動作無法模擬.

(4)生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化架構(gòu)(B/S、C/S)和信息化開發(fā)平臺(Linux、Windows等)不同，各類數(shù)據(jù)(產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等)和通信協(xié)議存在的標(biāo)準(zhǔn)化問題，使得智能工廠的煙囪式信息孤島越來越多，智能工廠的數(shù)據(jù)無法互聯(lián)互通，無法實現(xiàn)信息流動自動化.這就需要在智能工廠建設(shè)初期構(gòu)建基于企業(yè)服務(wù)總線的微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)和信息化標(biāo)準(zhǔn).

10 結(jié)束語

許多發(fā)達國家早已將虛擬技術(shù)應(yīng)用到智能工廠建設(shè)中，而我國對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究起步較晚，很少有汽車廠將虛擬技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域尤其是產(chǎn)品設(shè)計和工廠生產(chǎn)制造中.虛擬技術(shù)在智能工廠的應(yīng)用前景廣闊，虛擬工廠技術(shù)可以解決制造業(yè)當(dāng)前面臨的三大難題：對于成本問題，虛擬技術(shù)與數(shù)字化工廠結(jié)合之后，一個新手也能隨時調(diào)用每臺設(shè)備的參數(shù)和互動式操作手冊，大大減少工廠對專家型工人的雇傭數(shù)量，降低勞動成本；對于效率問題，虛擬模型和真實模型可形成雙向數(shù)據(jù)流，不斷迭代、優(yōu)化，可實現(xiàn)最優(yōu)的生產(chǎn)模型；對于時效性問題，虛擬技術(shù)能夠縮短問題診斷與修復(fù)的時間，且不再需要另外派遣專家前往遠端據(jù)點.企業(yè)用戶通過虛擬工廠系統(tǒng)可以開展工廠規(guī)劃設(shè)計、工藝設(shè)計、安全分析、控制策略選擇、工廠控制系統(tǒng)校驗、操作人員培訓(xùn)、工廠改進等一系列工作.

本文通過探討虛擬工廠的理論和虛擬工廠在智能工廠中的應(yīng)用，構(gòu)建了智能工廠全生命周期中的數(shù)字孿生工廠，為智能工廠建設(shè)提供了一種新思路、新模式和新方法.

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