數字化工廠伴隨數字仿真技術和虛擬現實技術發展而來，是智能制造發展的重要實踐模式，它通過對真實工業生產的虛擬規劃、仿真優化，實現對工廠產品研發、制造生產和銷售服務的優化和提升，是現代工業化與信息化融合的應用體現。
◎ 文/ 恒大新能源汽車集團 第一作者 高景深
制造業進入到全新的數字化時代，需要構建新型智能工廠、數字化工廠與智能車間以助力傳統產業智能制造升級，將新一代信息技術貫穿到設計、工藝、生產、物流等各個環節。目的是完善創新體系、提升產品質量、推行綠色制造、增強核心競爭力、發展現代化客戶體驗。以恒大新能源汽車智慧工廠構建與運營的實踐為例，對數字化信息技術與傳統制造產業創新融合應用實例展開研究，分析了構建數字化工廠的目的、數字化工廠總體設計、數字化工廠建設路徑要素，以期為我國制造業的轉型升級之路提供參考。
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引言
隨著物聯網、云計算、大數據和5G等信息技術的發展，全球化工業革命進入實質階段，制造工廠面臨著第四次工業革命。在這場革命中，制造業的環境發生了根本性的變化，通過運用網絡通信技術使計算機和自動化以一種全新的方式實現了實時連接，配備有機器學習算法的計算機系統與機器人遠程連接，可以學習和控制機器人技術，促使操作人員執行的操作發生根本的結構變化[1]。
“工業4.0”這個概念最早由德國產、學、研各界共同制定、以提高德國工業競爭力為主要戰略目的提出[2]，該概念在德國學術界和產業界的共同倡導和推動下被政府接受，并迅速上升為國家戰略[3]。
同時，歐美日等發達國家為了緩解本國嚴峻的就業壓力，紛紛推行“再工業化”，力圖通過產業升級化解高成本壓力，尋找能夠支撐未來經濟增長的高端產業[4]。全球制造業逐漸形成：高端制造業回流發達國家、低端制造業轉移低成本國家的格局。
新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起，這將重塑全球經濟結構和競爭格局，這與我國加快建設制造強國的舉措形成歷史性交匯，為實施創新驅動發展戰略提供了難得的重大機遇。智能制造、《中國制造2025》等戰略的相繼出臺，表明國家已經行動起來，把握新一輪工業發展機遇實現工業化轉型[5]。
數字化工廠伴隨數字仿真技術和虛擬現實技術發展而來，是智能制造發展的重要實踐模式，它通過對真實工業生產的虛擬規劃、仿真優化，實現對工廠產品研發、制造生產和銷售服務的優化和提升，是現代工業化與信息化融合的應用體現[6]。
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數字化工廠模型的設計與應用
規劃以智慧園區為基礎，以IT技術和OT技術為支撐，以前瞻技術為引導，通過構建支撐應用場景的IOT架構。
圖1 數字化工廠規劃導圖
廣州工廠投入了大量的自動化設備和信息化應用系統，包含工廠級MES生產執行系統，設備管理系統，質量管理系統，SAP系統，供應商管理系統，WMS系統，AGV智能調度系統，可視化監控系統等。以往各個系統因為基礎軟件的不同，相互之間都是孤島，數據需經過離線人為格式轉換從系統導入另外一個系統。因此，針對不同工業基礎軟件的面向業務需求的接口二次開發至關重要。通過MES結合智能識別RFID系統，從制造的角度、從生產計劃與生產過點動態角度把所有不同模塊從業務的角度串聯起來。
圖2 數字化工廠規劃結構圖
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數字化工廠實施案例
2.1產品數字化
為了加快新產品開發的步伐，通過建立高效的PLM協同集成平臺，實現計算機輔助設計CATIA和研發設計管理軟件PDM的系統集成，建立企業級中央集成BOM系統，對EBOM、MBOM、SBOM進行統一管理。
2.1.1機電軟一體化復雜產品開發
基于PDM系統的全球數字化協同研發平臺、結合CAD、CAE等數字化技術、利用CA PDS的研發數據管控及高性能計算系統，有效支撐了分布于全球多地的造型與總布置能力、結構設計與性能開發能力、仿真分析能力、樣車制作與工藝能力及試驗驗證與評價等能力。
1、產品設計數字化
通過CAD與PLM系統集成，設計人員可以將本機CAD設計圖樣等數據直接上傳至PLM系統并與其產品物料相關聯，實現物料的電子化簽審和產品參數化集中管理，有效管控了零部件的重用、借用，依托于產品的架構實現EBOM的快速搭建。
圖3 產品設計模塊
2、數字樣車（DMU）可視化
基于整車CAD BOM配置，對整車的物理集成進行虛擬評審，實現測量、斷面檢查、3D批注、靜態間隙檢查動態干涉檢查，以及可視化報告；定義靜態檢查標準，按照整車艙室劃分，考慮不同車型、同動力總成、不同配置等因素進行定義；定義整車虛擬評審框架，虛擬評審流程；建立遠程協同評審機制及流程。
圖4 數字化樣車
3、產品配置管理
構建全新的滿足定制化需求的車型配置選裝管理模式；基于中央制造BOM集中管控，實現面向多基地生產的制造管理模式；打通上下游（工程、制造、售后）協調一致的的變更實施管控機制；基于售后工程介入工程方案評估的同步工程設計模式。
圖5 產品配置管理
4、問題管理系統開發
實現以管理虛擬問題為主的設計問題管理，包含問題定義、根本原因、臨時措施制定、永久措施制定、效果驗證、問題關閉等環節的管理；可根據問題發生的階段、問題發生的領域進行問題分類管理；支持分析圖表及報告生成、下載、發布功能。
圖6 問題管理系統
2.1.2仿真建模及數字化交付
采用西門子最先進的“數字雙胞胎”智能制造系統。真實工廠與虛擬工廠同步運行，真實工廠生產時的數據參數、生產環境等都會通過虛擬工廠反映出來，虛擬與現實結合，并利用三維可視化技術將生產場景真實展現出來，生產數據實時驅動三維場景中的設備[7,8]，使其狀態與真實生產場景一致，從而更充分了解整個生產場景中各設備的運行狀況，達到監測、分析的目的；通過大數據與分析平臺，將云端中匯集的海量數據轉化、分析、挖掘，幫助工廠制定更明智的決策，快速提高生產效率、降低成本和實現質量目標[9]。主要功能介紹如下：
1、智能廠房設計
整個廠房的工作分區（沖壓、車身、涂裝、總裝、檢驗、物流、倉儲等）應根據工業工程的原理進行分析，引入BIM（建筑信息模型），通過三維設計軟件進行建筑設計，可以使用數字化制造仿真軟件對設備布局、產線布置、車間物流進行仿真，尤其是水、電、氣、網絡、通信等管線的設計。
同時，智能廠房規劃智能視頻監控系統、智能采光與照明系統、通風與空調系統、智能安防系統、智能門禁系統、智能火警系統等。采用智能視頻監控系統，通過人臉識別技術及圖像處理技術，過濾視頻中無用或干擾信息、自動識別不同物體和人員，分析抽取視頻源中關鍵有用信息，判斷監控畫面中的異常情況，并以最快和最佳的方式發出警報或觸發其它動作。
2、虛擬仿真
通過詳細的仿真分析驗證，在計劃節點內驗證方案可行性、設備數量及用地面積等信息，有效地將成本控制在預算范圍內，從而約束線體供應商不合理的預算追加；同時在前期進行生產能力仿真驗證，有效控制實際生產的CT、JPH、設備開動率及產能匹配；通過數字化分析和搭建，可以保障設備安裝進度、縮短在線調試時間。
圖7 虛擬仿真
3、數字化工廠搭建
通過數字化平臺將制造數據關聯起來，提供一個制造數據管理與應用環境，利用虛擬現實技術，實現工廠場景建模，構建虛擬工廠。在數字模型的信息化，虛擬與現實高度一致的基礎上，進行硬件接口開發和軟件功能開發，建立虛擬與現實的數據通訊與互聯，搭建虛實融合的數據采集、分析、優化平臺，實現基于大數據、物聯網的工藝優化和智能生產指導。
圖8 數字化工廠搭建