劉 進，史康云，宋興旺，趙玉蘭，張新生

(1.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 第一工程院，河南 鄭州 450007；2.河南中煙工業(yè)有限公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000；3.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)

在當(dāng)今經(jīng)濟全球化、貿(mào)易自由化和社會信息化的大趨勢下，制造業(yè)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).企業(yè)只有不斷地提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提供優(yōu)良的服務(wù)，才能在激烈的市場競爭中占有一席之地.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在計算機集成制造(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)及并行工程(Concurrent Engineering，CE)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了虛擬制造.虛擬制造即透過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用計算機和周邊設(shè)備，生成與真實環(huán)境幾乎一致的3D虛擬工廠環(huán)境，能讓用戶從不同的角度觀看，并透過輔助設(shè)備與虛擬環(huán)境中的物體進行交互關(guān)聯(lián)，模擬完成制造過程[1].本文在介紹虛擬工廠的基礎(chǔ)上，擬對其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進行分析和總結(jié).

1 虛擬工廠的研究

1.1 虛擬工廠定義

虛擬工廠的概念使人們有可能從研究單一的工藝/設(shè)備發(fā)展到一個生產(chǎn)單元/一條生產(chǎn)線，甚至整個車間/工廠.目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對虛擬工廠并沒有一個明確的界定，其定義大致有4種.

(1) 通過集成一個或多個仿真模型的虛擬工廠，虛擬呈現(xiàn)工廠的主要業(yè)務(wù)活動.BODNER等將虛擬工廠定義為以“高保真度設(shè)計和控制生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境”[2].佐治亞理工大學(xué)虛擬工廠實驗室將虛擬工廠定義為“用于集成各類建模工具、仿真軟件和支持應(yīng)用系統(tǒng)等一系列重要業(yè)務(wù)決策的方法論”[3].

(2) 虛擬工廠作為虛擬組織，能夠為多個組織協(xié)同制造產(chǎn)品.UPTON等將虛擬工廠定義為“基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作的工作環(huán)境”——企業(yè)的生產(chǎn)活動不全在一個工廠內(nèi)完成，使部分生產(chǎn)活動由作為戰(zhàn)略聯(lián)盟的供應(yīng)商或合作伙伴完成，其中合作伙伴以電子方式共享信息，共同圍繞某個大型工程合作項目的產(chǎn)品設(shè)計、制造過程進行協(xié)作(包括使用統(tǒng)一平臺下的CAD/CAM、CAE)[4].美國耐克公司是全球虛擬工廠模式的先驅(qū)，它將產(chǎn)品的生產(chǎn)加工任務(wù)外包給東南亞等地的許多發(fā)展中國家.中國聯(lián)想集團也開始了多工廠的虛擬化工廠管理，其主要內(nèi)涵為聯(lián)合組織架構(gòu)、資源共享、聯(lián)合管理系統(tǒng)及最佳實踐共享.

(3) 虛擬工廠作為一項技術(shù)，強調(diào)工廠的虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn).KELSICK等將虛擬現(xiàn)實工廠的趨勢描述為：“提供一個可視化的三維空間，在其虛擬空間中研究各種產(chǎn)品零部件組合的效果，預(yù)計產(chǎn)品何時達產(chǎn)?工人獲取相應(yīng)能力的經(jīng)驗需要多久?”[5].美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)了一個擁有3D可視化和超鏈接網(wǎng)絡(luò)信息等多功能的虛擬工廠，除了可進行仿真，還允許快速訪問圖紙、程序、數(shù)據(jù)庫、制造應(yīng)用程序和歷史信息記錄，捕獲即時工藝參數(shù)和設(shè)備運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且能夠提供可視化的集成制造知識庫[6].

(4) 虛擬工廠作為仿真系統(tǒng)，可用于描述工廠的生產(chǎn)活動.佛羅里達大學(xué)在計算網(wǎng)絡(luò)中心模擬了一個真實生產(chǎn)活動的工廠[7].其虛擬工廠仿真器為用戶提供了一個交互式?jīng)Q策的支持系統(tǒng)，主要用于生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試、生產(chǎn)組織策略的確定和產(chǎn)品供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略決策.

1.2 虛擬工廠應(yīng)用

虛擬工廠的規(guī)?？蓮脑O(shè)備級別擴展到工廠級別.虛擬工廠在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和驗證階段具有重要作用.正因如此，世界上不同組織對虛擬工廠技術(shù)展開了大量的研究和應(yīng)用.歐盟FP6數(shù)字虛擬工廠子項目的主要目的是滿足新一代制造公司的協(xié)作制造環(huán)境(Collaboration Manufacturing Environment，CME)，為此，其瞄準(zhǔn)歐洲的中小企業(yè)，開發(fā)了以人為本的生產(chǎn)系統(tǒng)(DiFac),但是，歐盟目前使用的虛擬工廠大多為制造工藝、技術(shù)、方法和工具的靜態(tài)集成模型[8].SHAMSUZZOHA等在歐盟FP7-Adventure(自適應(yīng)虛擬企業(yè)制造環(huán)境)項目中提出了智能過程監(jiān)視的基礎(chǔ)架構(gòu)，在虛擬信息化系統(tǒng)中收集可視化數(shù)據(jù)，通過開發(fā)儀表板的圖形用戶界面來跟蹤關(guān)鍵指標(biāo)(Key Performance Indicators,KPIs)[9].同時，KüHN開發(fā)了用于機器、單元/生產(chǎn)線和車間/工廠等多層級制造過程的虛擬工廠系統(tǒng)[10].歐盟FP7“全面、可擴展、可伸縮和標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬工廠框架(Virtual Factory Framework，VFF)”項目旨在通過定義新一代虛擬工廠系統(tǒng)，提高歐洲制造業(yè)的競爭力，加強對工廠產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)管理和資源的重組優(yōu)化[11].在VFF項目中，AZEVEDO等將虛擬工廠系統(tǒng)分解為參考模型、虛擬工廠管理器、功能模塊和知識存儲庫等部分，并開發(fā)了一種工廠模板，以縮短仿真模型的開發(fā)時間[12].

(1) 虛擬工廠的一種應(yīng)用是采用類似于企業(yè)建模體系結(jié)構(gòu)(如CIMOSA、Petri和GERAM)模型視圖的方法，將企業(yè)模型、組織看作主要子系統(tǒng)的集成，分層、分體系地對制造活動進行建模，并使用離散事件的模擬技術(shù)在工廠運營級別實施這些虛擬工廠概念[13-14].日本學(xué)者中村昌弘已將生產(chǎn)模擬整合工程業(yè)務(wù)的方式引入仿真集成制造(Simulation Integrated Manufacturing，SIM)系統(tǒng)[15].

(2) 虛擬工廠的另一種應(yīng)用是對制造設(shè)備耗能行為的模擬仿真[16].在虛擬工廠中分析生產(chǎn)流程的當(dāng)前價值流，同時建立與當(dāng)前能耗有關(guān)的設(shè)備模型，在模擬場景中對生產(chǎn)設(shè)備整體能耗的解決方案進行評估.羅克韋爾的Arena?商用仿真軟件[17]、西門子的Plant Simulation?商用仿真軟件[18]都能對工廠進行耗能模擬，并進行相關(guān)經(jīng)濟分析.

(3) 虛擬工廠也可應(yīng)用于信息物理的虛擬仿真.TAO等在2017年首次提出數(shù)字孿生車間的概念，將在數(shù)字孿生車間里收集的實物產(chǎn)品數(shù)據(jù)送入虛擬產(chǎn)品模型中，用于更好地進行產(chǎn)品的全生命周期(包括產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù))管理[19].GRIEVES介紹了美國宇航局NASA位于新奧爾良郊外的米肖裝配工廠(MAF)對虛擬工廠的應(yīng)用.NASA通過創(chuàng)建虛擬工廠，模擬航天飛機燃料箱的生產(chǎn)計劃，提前發(fā)現(xiàn)了設(shè)備和工藝上的問題[20].在德國大眾公司的虛擬工廠中，3D可視化模型與達索的制造運營管理系統(tǒng)APRISO?相鏈接，動態(tài)地展示生產(chǎn)進度、設(shè)備綜合效率(Overall Equipment Effectiveness，OEE)及維修保養(yǎng)等工廠運營管理活動[21].美國福特公司通過虛擬技術(shù)評估和優(yōu)化工廠設(shè)計，提高了工廠的裝配線產(chǎn)能[22].韓國學(xué)者SEUNG等提出一種數(shù)字虛擬工廠(Digital Virtual Factory，DVF)概念，基于運動學(xué)模擬和可視化技術(shù)，構(gòu)建了一個汽車公司的復(fù)雜數(shù)字虛擬工廠[23].

2 虛擬工廠應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

本文研究的虛擬工廠主要基于工廠數(shù)字孿生的仿真建模與分析技術(shù)，在三維環(huán)境中進行生產(chǎn)規(guī)劃、設(shè)施監(jiān)控、運行優(yōu)化與活動預(yù)測.圖1所示基于數(shù)字孿生的虛擬工廠系統(tǒng)集成框架，能為工廠的主要經(jīng)營及生產(chǎn)提供集成的仿真模型[24].該仿真模型有助于將工廠作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)(System of System，SOS)，從各層級和業(yè)務(wù)視角來考慮企業(yè)的經(jīng)營難題，為決策提供支持.相應(yīng)開發(fā)的仿真分析系統(tǒng)能夠評估多層級制造系統(tǒng)的性能，可快速地生成分析數(shù)據(jù)，以滿足實際的工廠決策需要.

圖1 基于數(shù)字孿生的虛擬工廠系統(tǒng)集成框架

虛擬工廠能夠多維度展示生產(chǎn)設(shè)施及周邊地理環(huán)境(Geographic Information System，GIS)的空間信息和地理信息.它能以虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)帶來身臨其境的沉浸式體驗.生產(chǎn)管理人員可采集、匯總、查看各種信息，通過虛擬調(diào)度平臺進行整座工廠的遠程監(jiān)控，隨時隨地獲取生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、訂單進度等各種信息，提高管理的響應(yīng)速度和透明度，促進各部門間的協(xié)作和知識共享.虛擬工廠作為一種計算機集成模型，能夠結(jié)合物理生產(chǎn)系統(tǒng)精確展現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)，模擬其運轉(zhuǎn)過程的物理行為和邏輯行為.虛擬工廠是對所有目前和未來生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)品、過程及控制進行的建模[25].在現(xiàn)場信息和控制數(shù)據(jù)下發(fā)之前，大部分物理生產(chǎn)系統(tǒng)將在虛擬生產(chǎn)環(huán)境下得到驗證.同時，物理生產(chǎn)系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)過程的實時狀態(tài)和信息反饋到虛擬工廠系統(tǒng)，以便對虛擬工廠的生產(chǎn)參數(shù)進行修正.

虛擬工廠的實現(xiàn)需要三大技術(shù)支撐.一是基于建模和仿真方法的虛擬生產(chǎn)技術(shù).它通過構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)的人機交互方式，實現(xiàn)人與虛擬世界的互動.二是物理工廠獲取信息的技術(shù).它基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析來展示相關(guān)結(jié)論和洞察力.三是虛擬世界控制現(xiàn)實的技術(shù).虛擬工廠是信息系統(tǒng)整體的有機結(jié)合.虛擬工廠基于數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動的仿真模型，應(yīng)用各種機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新一代人工智能高級算法，使工廠調(diào)度和控制、訂單處理、任務(wù)排隊、設(shè)備維護等應(yīng)用問題得到最優(yōu)解.同時，它在現(xiàn)實空間，通過決策推理、知識挖掘等自學(xué)習(xí)的工業(yè)大數(shù)據(jù)，把仿真模型驗證的數(shù)據(jù)和加工指令送給生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備或生產(chǎn)線，以便調(diào)度器根據(jù)生產(chǎn)計劃準(zhǔn)確無誤地進行生產(chǎn)調(diào)度.這里，現(xiàn)場設(shè)備或生產(chǎn)線的控制采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，且通過直接與仿真器相連的遙控操作來完成.

2.1 虛擬現(xiàn)實(VR)/增強現(xiàn)實(AR)在虛擬工廠中的應(yīng)用

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和積累，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和裝備逐步從娛樂消費向工業(yè)級應(yīng)用拓展，虛擬現(xiàn)實的虛擬模型開發(fā)已進入工廠管理者的視野.虛擬模型需要構(gòu)造物理對象的信息映像.它是利用計算機圖形技術(shù)開發(fā)的，既包括對象的幾何特征，又包含其本質(zhì)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型.它能夠在數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果的驅(qū)動下，通過幾何模型和運動模型展示對象各方面的特征.圖2所示為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在虛擬工廠交互中的接口框架[26].通過VR接口和設(shè)備，能夠?qū)μ摂M工廠的虛擬模型和對象進行操作與控制[27-28].借助虛擬模型，可以達到如下目的：①顯示現(xiàn)實(顯示那些實際存在但因某種原因而難以觀察的物體，如密閉容器內(nèi)部、X光機區(qū)域、高濃度粉塵房間或高潔凈間等具有危險性或者無法進入的空間和場所)；②模擬現(xiàn)實(在事件發(fā)生前，對事件進行預(yù)演，預(yù)測結(jié)果，對未來的事件進行指導(dǎo)，如發(fā)現(xiàn)工廠在試生產(chǎn)階段的產(chǎn)能約束瓶頸、物流瓶頸、工位人員的人機工程問題)；③創(chuàng)造現(xiàn)實(創(chuàng)造現(xiàn)實世界中可能存在的假想工況和環(huán)境，如多臺關(guān)鍵設(shè)備的意外停機對生產(chǎn)恢復(fù)時間的影響和產(chǎn)能恢復(fù)的可能性).

圖2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在虛擬工廠交互中的接口框架

AR作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的擴展，允許全息3D模型疊加于物理世界，以提高工程師評估和改進設(shè)計的能力.

在智能工廠的運營中，許多產(chǎn)品需要復(fù)雜的制造設(shè)施，這些設(shè)施需要根據(jù)生產(chǎn)要求進行升級或者替換，因此要求安裝生產(chǎn)設(shè)施的廠房能夠提供充足的空間和合適的基礎(chǔ)設(shè)施，使管道、支架、機器人等能被安裝在合適的位置.虛擬工廠可利用3D模型展示工廠設(shè)施模型，通過AR系統(tǒng)直接檢查設(shè)備間的沖突和其他非常規(guī)設(shè)備的安裝情況[29].通過這種方式，絕大多數(shù)動力管網(wǎng)、管線的“硬干涉”和“軟干涉”問題都能在工廠設(shè)備和設(shè)施安裝開始之前得以解決.

2.2 機器學(xué)習(xí)在虛擬工廠中的應(yīng)用

機器學(xué)習(xí)通常用于數(shù)據(jù)分析和潛在的系統(tǒng)故障預(yù)測.

在虛擬工廠中應(yīng)用機器學(xué)習(xí)，首先，需要了解機器學(xué)習(xí)方法和預(yù)測分析的范圍，以便預(yù)測組件/系統(tǒng)何時可能失敗，更重要的是為什么會發(fā)生故障，從而進行系統(tǒng)優(yōu)化，延長資產(chǎn)和整個系統(tǒng)的生命周期；其次，需要通過建立完整的基于模型的系統(tǒng)，減少人工作業(yè)流程的數(shù)據(jù)，而高效地使用智能數(shù)據(jù).圖3所示為機器學(xué)習(xí)在虛擬工廠中的應(yīng)用框圖.模型數(shù)據(jù)從制造系統(tǒng)現(xiàn)場被獲取，發(fā)送給一個或多個機器學(xué)習(xí)算法群，使用最新優(yōu)化數(shù)據(jù)和其他信息，如數(shù)學(xué)模型(調(diào)度模型、行為方程等)、物理模型(機理模型)及行為模型(推理模型、決策模型)，生成一個生產(chǎn)預(yù)測系統(tǒng).數(shù)據(jù)在這一過程中雖然是流動的，但經(jīng)過分析處理，對提高生產(chǎn)績效和能源利用率將有所幫助.通過機器學(xué)習(xí)，虛擬工廠將進一步智能化[30]，而機器學(xué)習(xí)所用數(shù)據(jù)需要以虛擬工廠的孿生模型作為載體.

圖3 機器學(xué)習(xí)在虛擬工廠中的應(yīng)用框圖

2.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在虛擬工廠中的應(yīng)用

虛擬工廠中的生產(chǎn)仿真與現(xiàn)實世界中的生產(chǎn)要達到無縫融合，需要將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)同步到虛擬工廠中，并保證數(shù)據(jù)采集的實時性、準(zhǔn)確性和完整性[31].一個大型離散型制造工廠有采集點數(shù)萬個、設(shè)備接口十幾種、通信協(xié)議上百個，生產(chǎn)傳感數(shù)據(jù)接入虛擬工廠之前，需經(jīng)過多次協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)，延時是難以控制的.設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)首先要接入機臺的工控系統(tǒng)，然后由Modbus等現(xiàn)場總線協(xié)議上傳到車間控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫，再通過Profinet等以太網(wǎng)通信協(xié)議傳送到工廠的MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后，虛擬工廠的仿真實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)才能從數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(SCADA)的數(shù)據(jù)庫中獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù).在這樣的傳輸方式之下，數(shù)據(jù)傳輸速度是無法滿足虛擬工廠實時性要求的.

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下，數(shù)據(jù)能夠“一網(wǎng)采集到底”，由設(shè)備傳感器和驅(qū)動器采集的數(shù)據(jù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺上，通過OPC-UA-TSN(時間敏感網(wǎng)絡(luò))通信協(xié)議[32]被直接上傳到MES和SCADA的數(shù)據(jù)庫中；同時可在虛擬工廠的仿真實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中進行備份，并驅(qū)動虛擬工廠的生產(chǎn)仿真系統(tǒng).

2.4 大數(shù)據(jù)在虛擬工廠中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的排產(chǎn)方法憑借經(jīng)驗進行人工干預(yù)，將工單下達到執(zhí)行的自動化系統(tǒng).這種方法較適用于大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，但對個性化、小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的適應(yīng)能力明顯不足，更難以滿足虛擬工廠的要求.虛擬工廠需采集海量的實時數(shù)據(jù)及歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并從各系統(tǒng)匯集企業(yè)的生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)線能力、庫存情況、訂單優(yōu)先級、工藝限制、計劃變更、設(shè)備故障、質(zhì)量狀況、原輔料供應(yīng)、工藝調(diào)整，以及各生產(chǎn)單元間相互制約關(guān)系的大量結(jié)構(gòu)性、非結(jié)構(gòu)性和含有歷史資料的時間序列數(shù)據(jù).如何快速地分析挖掘這些雜亂的大數(shù)據(jù)，成為工廠確定最優(yōu)排產(chǎn)方案的關(guān)鍵.

基于企業(yè)級的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、查詢、分析平臺，為工廠快速排產(chǎn)構(gòu)建海量數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)，對各類海量數(shù)據(jù)進行智能挖掘和分析，能夠幫助工廠從各類繁雜無序的數(shù)據(jù)湖中獲取真正有價值的智能數(shù)據(jù)，及時洞察生產(chǎn)中的風(fēng)險，進行決策優(yōu)化.虛擬工廠能夠建立工廠生產(chǎn)模型，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果制定排產(chǎn)方案，在虛擬仿真系統(tǒng)中對各種排產(chǎn)方案進行仿真.通過仿真,能夠及時發(fā)現(xiàn)因滿足履約訂單要求而增加的無謂成本問題，以便反饋并修改方案，找出最優(yōu)排產(chǎn)計劃，使排產(chǎn)調(diào)整周期從數(shù)十小時縮短到幾分鐘，將排產(chǎn)準(zhǔn)確率提高到98%.

3 虛擬工廠應(yīng)用的瓶頸和解決方案

一個完整工廠的全面虛擬化運作，面臨一系列技術(shù)問題和非技術(shù)使能因素，不同的應(yīng)用瓶頸應(yīng)有針對性的解決方案.

(1) 構(gòu)建生產(chǎn)的全生命周期系統(tǒng).在工廠規(guī)劃的設(shè)計階段，可使用全生命周期的模擬生產(chǎn)系統(tǒng)(Cyber-Physical Production Systems，CPPS)整合多領(lǐng)域和跨學(xué)科的不同模型.盡管有后期新產(chǎn)品導(dǎo)入的工廠技術(shù)改造，采用的信息化系統(tǒng)有升級，但規(guī)劃階段的信息系統(tǒng)能夠支持和維護全生命周期的虛擬工廠，使數(shù)據(jù)得到及時擴展與更新，同時在設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備、試運行、運維的每個階段都能進行復(fù)用.例如每個階段都使用適當(dāng)顆粒度的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立高保真和完整數(shù)據(jù)庫的模塊，以及二次開發(fā)應(yīng)用.

(2) 通過使用合適的商用仿真工具，構(gòu)建行業(yè)專用和適用于特定業(yè)務(wù)背景的虛擬工廠系統(tǒng).目前，類似的平臺還不具備通用性，需要企業(yè)用戶和商業(yè)合作伙伴共同開發(fā)，構(gòu)建可集成、可擴展的工廠模型和APP工具，以實現(xiàn)多層面、不同管理權(quán)限、不同合作伙伴共享信息的訪問機制.新的平臺應(yīng)能夠收集現(xiàn)場不同粒度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、訂單流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品配置數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)不同管理尺度的功能，以便從工廠經(jīng)理到設(shè)備操作員都能提取有用的結(jié)果和信息，從而向上匯總關(guān)鍵績效指標(biāo)和趨勢數(shù)據(jù)；向下深度挖掘關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息.

(3) 確保數(shù)字資產(chǎn)與物理資產(chǎn)的一致性.虛擬工廠作為時間維度上的數(shù)字資產(chǎn)，雖然數(shù)字機器不存在物理空間上整機的磨損，易損件和配件、輔料的消耗，但在時間維度上，性能、指標(biāo)和價格是順著時間的變化呈非線性變化(變化曲線因設(shè)備性能不同而異)的.現(xiàn)實工廠中環(huán)境條件(如振動、溫濕度、潔凈度)的變化會影響真實設(shè)備的運行精度和使用壽命，但虛擬工廠只需表達類似這種生產(chǎn)工序之間、環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)性，即可運行近于實時的新數(shù)據(jù)，自動建模，并在短時間內(nèi)根據(jù)實際設(shè)備和設(shè)施維護情況等情形判定是否需要重建.

(4) 解決高逼真、高保真的數(shù)字模型需求與數(shù)據(jù)采集頻率、顆粒度之間的矛盾.強大的圖像處理功能和高速的計算能力需要高性能計算服務(wù)中心(High Performance Computing Center，HPCC)作支撐，需要企業(yè)投入大量的資金和維護成本.系統(tǒng)在分析和展示階段往往需要復(fù)雜的計算分析，而不需要高頻率的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)；在運行維護階段，對模型的細(xì)節(jié)并沒有過多的要求.然而，輕量化的模型和高頻率的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)均是快速發(fā)現(xiàn)問題和解決問題所必需的.

(5) 需要支持制造業(yè)現(xiàn)場操作決策的先進集成開發(fā)工具[33]，如基于數(shù)字線索的下料切割、切削加工、增材制造、沖壓焊接、涂裝裝配、調(diào)試試驗等集成仿真數(shù)字工具.而目前的解決方案過于專業(yè)和獨立，不利于現(xiàn)場一線技術(shù)工人和操作者的使用；已有數(shù)字工具多為零碎的“珍珠式”軟件套件，未通過數(shù)字線索進行串聯(lián)，不便使用.制造業(yè)需要有行業(yè)一致性的模型表達語言，以便精確地定義模型對象和具有不同抽象級別的對象之間的關(guān)系.此外，信息交換機制必須保持一致.

(6) 支持制造業(yè)中各種例外情況的處理引擎和算法的開發(fā)[34].雖然目前的仿真軟件和系統(tǒng)考慮了各種“what-if”知識模塊，但生產(chǎn)和產(chǎn)品的復(fù)雜性導(dǎo)致各種問題層出不窮，一個意外和突發(fā)情況即可讓系統(tǒng)無所適從，因此必須開發(fā)靈活的意外應(yīng)急處理模塊，使系統(tǒng)能迅速從采集和更新的數(shù)據(jù)中開發(fā)、補充知識庫，以采取相應(yīng)的行動，保持操作的自愈性、穩(wěn)健性和完整性.

(7) 開發(fā)性價比高、用戶體驗好的人機互動接口.以往的虛擬工廠操作比較笨拙，用戶接口非常復(fù)雜且難以理解，以至技術(shù)人員幾乎無法使用，操作人員往往被訪問用戶接口的數(shù)量或傳播信息的復(fù)雜性所困惑.實際上，高級工廠經(jīng)理需要理解與生產(chǎn)績效、財務(wù)成本等指標(biāo)相關(guān)的展示數(shù)據(jù)；設(shè)備維護和管理人員只需了解與生產(chǎn)相關(guān)的訂單、原輔料、工藝參數(shù)、設(shè)備維護及使用狀態(tài)等數(shù)據(jù).新的系統(tǒng)應(yīng)能通過層次化醒目地展示數(shù)據(jù)，以觸摸式或感應(yīng)式交換輸入輸出信息.

4 結(jié)束語

基于數(shù)字孿生的虛擬工廠通過集成過程模型、仿真軟件、信息化系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實系統(tǒng)，帶來了以下好處：不同地點的人可以在同一項目上更好地合作；通過虛擬新產(chǎn)品設(shè)計，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和物料的浪費；在項目的各階段，不同地點的工作人員之間的協(xié)作都很方便；決策過程能夠促進互動創(chuàng)新；不同的締約方可共享和訪問產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)的知識庫；開發(fā)過程以人為中心，工人的效率和安全意識通過虛擬機器和生產(chǎn)線的培訓(xùn)學(xué)習(xí)得以增強，并且可在虛擬環(huán)境中對工人進行安全應(yīng)急能力的培訓(xùn).

后續(xù)將圍繞虛擬工廠建模技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化、制造業(yè)專用知識庫在虛擬工廠的表述和獲取、智能工廠全生命周期中基于集成模型的虛擬工廠理論和關(guān)鍵技術(shù)等開展深入研究.