數字孿生技術與工程實踐PPT課件第4章數字工廠和數字孿生工廠

1、數字孿生技術與工程實踐第4章 數字工廠和數字孿生工廠智能制造的三個基本范式演進數字化網絡化智能化周濟等，“走向新一代智能制造”上世紀開始的數字化制造：數字化產品數字化工廠數字化企業(yè)數字化制造是智能制造的關鍵起點，只有實現(xiàn)了數字化，才能進一步實現(xiàn)智能化。數字孿生工廠的構建也是如此，從數字化工廠開始，構建數字孿生工廠。目錄4.1 數字化工廠規(guī)劃與數字工廠4.2 工廠數字孿生系統(tǒng)中的模型和數據4.3 工廠數字孿生系統(tǒng)的特點與結構4.4 工廠數字孿生系統(tǒng)的構建4.1 數字化工廠規(guī)劃與數字工廠工廠全生命周期工廠是一個復雜的系統(tǒng)，參考產品生命周期理論，可以分析得到工廠的生命周期過程，大體可分為：設計規(guī)劃階

2、段、工程建設階段、運行維護階段規(guī)劃設計階段規(guī)劃設計是智能工廠建設最基礎的工作，主要包括：建筑設計、工廠布局規(guī)劃。工廠建設階段完成了工廠的設計規(guī)劃工作，通過各個相關部門的審批后，工廠就進入了工程建設的實施階段。工程建設包括建筑施工建設、設備調試、試生產等主要工作。運行維護階段完成所有前期準備工作后，工廠就將投入生產，進入運行維護階段。離散制造行業(yè)產品知識含量高從設計到量產上市的時間越來越短生產設備和制造系統(tǒng)日趨復雜，規(guī)劃、設計、組裝和調試面臨日益嚴峻的問題挑戰(zhàn)工藝設計平臺基于仿真的工規(guī)劃設計方法減少設計錯誤，提高規(guī)劃方案的質量，減少工廠工程建設的時間方便運維。數字化工廠流程制造行業(yè)系統(tǒng)生產能力要

3、求越來越高生產設備日趨復雜，保證設備無故障運行和優(yōu)化運行的壓力越來越大優(yōu)化系統(tǒng)運行參數，實現(xiàn)節(jié)能減排挑戰(zhàn)提高工廠運行維護階段的監(jiān)控能力通過實時數據采集，和在線分析系統(tǒng)，實時監(jiān)控基于數據的優(yōu)化數字化工廠數字化工廠（規(guī)劃設計）數字化工廠（digital factory）一詞最早出現(xiàn)在1998年，在CIM（Computers in Manufacturing）展會上，多個廠家展示了數字化工廠仿真系統(tǒng)，加速數字化工廠的到來。Dwyer John在1999年的一篇論文中指出 “制造的所有細節(jié)在其發(fā)生前被模擬”。日本的Onosato和Iwata提出了虛擬制造技術是“用模型和仿真來替代現(xiàn)實生活中的實體，用3

4、D技術和數字模型來建立數字化工廠”。德國工程師協(xié)會（VDI，Association of German Engineers）對“數字化工廠（digital factory）”下的定義是：“數字化工廠是有關網絡工廠的，集成在常用數據管理系統(tǒng)中的數字模型、數字方法和數字工具的總體概念。其目的在于統(tǒng)一的工廠規(guī)劃、評估和不斷地對所有重要的工廠生產工藝過程和資源結合產品進行改進?！辈l(fā)布了與此相關的指導規(guī)范：VDI 4499。數字工廠數字工廠（ditital factory）作為支撐工業(yè)4.0現(xiàn)有的最重要國際標準之一，是IEC（國際電工委員會）/TC65（65技術委員會：工業(yè)過程測量、控制和自動化）的重

5、要議題。2011年6月，IEC/TC65成立WG16“數字工廠”工作組，西門子、施耐德電氣、羅克韋爾自動化、橫河等國際自動化企業(yè)，以及我國機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經濟研究所等研究機構，都參與了“IEC/TR 62794：2012數字工廠標準”的制定。為更好地指導國內企業(yè)開展數字工廠建設，全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化委員會（SAC/TC124）組織國內相關單位，將該標準等同轉化為我國國家標準工業(yè)過程測量、控制和自動化生產設施表示用參考模型（數字工廠）（GB/Z 32235-2015，2015年12月發(fā)布）。GB/Z 32235-2015中對“數字工廠”的定義為：工廠通用模型，用于表示基本元

6、素、自動化資產，及其行為和關系。注：這個通用模型可以應用于任何實際工廠。數字化工廠數字化工廠（digital factory） 是工廠基于數字化制造原理的一個/一套數字模型，這個模型能在數字空間對實際工廠的運作情況進行仿真模擬或者進行監(jiān)控；數字化工廠是一個面向工廠全生命周期的概念。在工廠設計規(guī)劃階段，利用仿真手段，對將來的工廠進行分析與優(yōu)化；在工廠建設階段，可以指導工廠的建設調試；在工廠運維階段，可以利用模型結合實際工廠運行數據，對工廠進行管理優(yōu)化。離散制造和流程制造行業(yè)，“數字化工廠”技術應用的重點各不相同。數字制造產品設計CAD產品制造Factory Automation數字化DF/數字化

7、工廠制造什么What如何制造How何時何地制造When/Where對數字化工廠規(guī)劃的需求制造系統(tǒng)越來越復雜，投資較大。在系統(tǒng)正式建立與運行之前，需要對這些系統(tǒng)建立后所取得的效益及風險進行確實有效的評估； 需要在產品設計開發(fā)的各個階段，把握產品制造過程各個階段的實況，模擬出產品的制造、使用等未來全過程，發(fā)現(xiàn)可能存在的問題(可制造性、成本、效益與風險等)，以尋求企業(yè)整體全局最優(yōu)效益;需要在產品正式生產（量產）前，對制造系統(tǒng)的規(guī)劃和實施進行有效的控制；制造系統(tǒng)變型快，需要準確評估工廠的制造潛能技術發(fā)展與數字化工廠的形成數字化工廠是通過建立統(tǒng)一的工藝數據庫來支持規(guī)劃和工藝人員完成復雜的生產工程管理和優(yōu)

8、化任務，是在計算機輔助工程、虛擬現(xiàn)實技術和仿真優(yōu)化技術的基礎上發(fā)展起來的，數字化工廠目前已經成為現(xiàn)代制造領域中的一個新的應用領域。數字化工廠規(guī)劃利用計算機技術和網絡技術，建立虛擬工廠運行環(huán)境（虛擬世界的真實工廠反映），實現(xiàn)產品工藝規(guī)劃和制造系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化為制造商及其供應商提供了一個數字化制造仿真和分析平臺，使企業(yè)能夠對整個制造過程進行設計，模擬仿真和管理，并將制造信息及時地與相關部門和供應商進行共享、傳遞與發(fā)布。數字化工廠技術就是在高性能計算機及高速網絡的支持下，采用計算機仿真與虛擬/增強現(xiàn)實技術，以群組協(xié)同工作的方式，它概括了對真實制造世界的對象和活動的建模與仿真研究的各個方面。從產品概念

9、的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環(huán)境，在計算機上實現(xiàn)產品制造的本質過程（包括產品的設計、性能分析、工藝規(guī)劃、加工制造、質量檢驗，生產過程管理與控制），通過計算機虛擬模型來模擬和預測產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題。相關的概念：虛擬制造數字化工廠規(guī)劃的功能分析數字化工廠規(guī)劃（或者說數字化工廠系統(tǒng)）是應用數字化工廠技術實現(xiàn)虛擬制造、由計算機軟硬件組成的系統(tǒng)，是現(xiàn)實制造系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下的映射，是基于模型和仿真的系統(tǒng)。作為在計算機中運行的制造系統(tǒng)，它主要由模型、仿真、控制和支撐環(huán)境四個部分組成。模型包括產品模型、制造過程所涉及的物料和中間產品模型、設備模型和其它制造資源模型。仿

10、真是對模型的處理和操作?？刂曝撠煂Ψ抡孢^程進行管理和控制。支撐環(huán)境是數字化工廠的運行平臺。A1工廠布局A2工藝規(guī)劃設備幾何模型生產大綱生產線分布信息工藝文檔客戶化分析報告（工時、成本、生產效率、設備利用率）；客戶化工藝文件；PERT 圖；GANTT 圖；操作手冊；加工指令；設備參數工藝參數，操作錯誤記錄A3仿真優(yōu)化仿真結果物流、加工、操作動畫；軌跡記錄；錯誤日志；產品數據技術要求幾何、結構數據工藝要求生產線模型操作數據廠房、設備、工裝夾具布局圖資源數字模型設備加工性能數字化工廠規(guī)劃的主要功能模塊針對不同層次的工作工廠車間層：對車間的設備布局和輔助設備及管網系統(tǒng)進行布局分析，對設備的占地面積和空

11、間進行核準，為工廠設計人員提供輔助的分析工具。生產線層：這一層主要關心的是，所設計的生產線能否達到設計的物流節(jié)拍和生產率，制造的成本是否滿足要求，幫助工業(yè)工程師分析生產線布局的合理性、物流瓶頸和設備的使用效率等問題，同時也可對制造的成本進行分析。加工單元層：這一層主要提供對設備之間和設備內部的運動干涉問題，并可協(xié)助設備工藝規(guī)劃員生成設備的加工指令，再現(xiàn)真實的制造過程。操作層：對具體的工步進行詳細的分析，對加工的過程進行干涉等的分析，進一步可對操作人員的人機工程方面進行分析。工廠數字模型工廠數字模型（簡稱工廠DMU，F(xiàn)actory Digital Mock-up），是整個工廠從規(guī)劃、設計，到施工

12、、運營和維護的全生命周期相關數字化文檔的綜合。它不但包括了工廠的三維幾何模型，還包括了各類設計文檔、施工文檔和維護信息。工廠DMU的核心是BIM技術。借鑒產品DMU的概念和技術，將其引入到工廠的規(guī)劃、設計、建造、運行維護等過程，由此形成工廠DMU的概念。將工廠作為研究對象，應用數字樣機技術來規(guī)劃和管理工廠的建設，可以為企業(yè)節(jié)省大量的時間和資源。工廠DMU的主要內容三維幾何模型：建筑設計階段制作完成的建筑模型、工廠布局規(guī)劃階段所完成的設備布局模型，包含了廠房及廠房內所有設備的模型。對工廠的設計有修改時必須及時更新模型，以便模型能夠真實的反應工廠現(xiàn)場真實情況。工廠相關文檔：工廠規(guī)劃設計中產生的設計

13、文檔，招標文件、與施工單位簽訂的合同文件，施工過程中產生的施工文檔，再到整個廠房運營過程中的維護記錄。工廠DMU三維幾何模型建筑幾何模型設備幾何模型工廠相關文檔規(guī)劃設計文檔招標、施工文檔運營維護記錄工廠DMU的應用在工廠生命周期各個階段的應用工廠建筑設計中的應用工廠布局規(guī)劃中的應用工程建設階段的應用運行維護階段的應用特點：多專業(yè)協(xié)同唯一模型和數據的來源廠房設計建筑、結構、管道、電力等多專業(yè)協(xié)同布局規(guī)劃和物流規(guī)劃輸送系統(tǒng)設計輸送系統(tǒng)布局和物流規(guī)劃輸送設備單體設計工藝系統(tǒng)設計生產線設計工位布局設計工廠規(guī)劃工廠數字模型支持下的數字化布局方法工廠數字模型在工廠布局方面的信息集成流程工廠布局方面的信息集

14、成數字化交付石油化工工程數字化交付標準 (GB/T 51296-2018)中對數字化交付定義：以工廠對象為核心，對工程項目建設階段產生的靜態(tài)信息進行數字化創(chuàng)建直至移交的工作過程。包括信息交付的策略制定、基礎制定、方案制定、信息整合與校驗以及信息移交和驗收。區(qū)別于傳統(tǒng)工程以“卷冊”為核心的交付體系，數字化交付是指以“工廠對象”為核心，將工程設計、采購、施工、制造、安裝等階段產生的數據，進行結構化處理，建立以“工廠對象”為核心的網狀關系數據庫，存儲于工程數據中心，并基于統(tǒng)一的數據接口完成數據。數字化交付的目標是形成項目建設階段高質量的數字資產。數字化工廠管控車間管控工廠管控是在工廠投入運行后，對工

15、廠的運作進行管理和控制，保證工廠各項工作的正常開展，以優(yōu)化資源使用，實現(xiàn)最大產出。利用數字化手段實現(xiàn)數字化工廠管控，是實現(xiàn)智能工廠的第一步。在具體構建數字化工廠管控的過程中，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是一個不可忽視的部分制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱MES）的概念是由美國先進制造研究協(xié)會（Advanced Manufacturing Research，AMR）在1990年首次提出并使用的，其把MES定義為“位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，為操作人員、管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶

16、需求等方面）的當前狀態(tài)。ISA-95標準美國儀器、儀表和自動化協(xié)會（Instrumentation Systems and Automation Society，ISA）提出了ISA-95國際標準，成為目前MES參考的通用標準，此標準從2000年起陸續(xù)發(fā)布。ISA-95標準的具體內容包含6個部分，我國把其中第1部分、第2部分和第3部分采用作為國家標準（GB-T 20720.x）：企業(yè)控制系統(tǒng)集成的第1部分、第2部分和第3部分。ISA-95標準中首次明確提出了制造運行管理（Manufacturing Operations Management, MOM）的概念，其把制造運行管理的活動定義為：利用

17、生產資源中可協(xié)調的人員，利用可使用的設備、物料以及能源把全部或者部分原料轉化成產品的一系列活動。所以，制造運行管理包含可能由物理設備、人員和信息系統(tǒng)來執(zhí)行的活動。ISA-95標準中的功能層次模型制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是目前運行在MOM層的一個為大家所熟悉的軟件系統(tǒng)，其地位非常關鍵，起到“頂天立地”的作用?！绊斕臁?，就是要和業(yè)務規(guī)劃與物流層（圖第4層）連接，也就是要和大家熟悉的ERP（企業(yè)資源計劃）和PLM（產品全生命周期管理）系統(tǒng)互聯(lián)“立地”，就是要能和車間現(xiàn)場的各類智能設備、傳感器相連接，能起到采集、匯總現(xiàn)場數據，向上匯報的作用。隨著智能工廠、數字工廠建設的興起，MES系統(tǒng)被越來越多的企業(yè)所

18、重視。數字化車間數字化車間縱向集成重點涵蓋產品生產制造過程，其體系結構如圖4- 10所示，分為基礎層和執(zhí)行層，在數字化車間之上，還有企業(yè)的資源層。數字化車間內部各功能模塊、基礎設施之間，以及外部信息系統(tǒng)，均通過企業(yè)服務總線進行系統(tǒng)集成，形成有機整體。數字化車間的基礎層包括了數字化車間生產制造所必須的基礎設施，如信息基礎設施與網絡，生產、檢驗、物流等使用的各種數字化制造設備和輔助設備。它是實現(xiàn)數字化車間的基礎，強調裝備的控制與集成。執(zhí)行層對生產過程中的各類業(yè)務、活動或相關資產進行管理，如車間計劃與調度、生產物流管理、工藝執(zhí)行管理、質量控制和追溯、車間設備管理，實現(xiàn)車間制造過程的智能化、精益化及透

19、明化。它是實現(xiàn)數字化車間的核心結構，突出對車間的管理控制。數字化工廠管控內容生產運營信息。生產運營信息是一個企業(yè)/工廠運行的基礎，包括產品開發(fā)信息、生產經營信息、生產過程信息、產品質量信息、設備維護信息等等。這些信息通過經典的ERP、PLM、MES等系統(tǒng)的基本模塊能實現(xiàn)完整的管理體系。安防管理。隨著設備復雜程度的越來越高，以“人”為核心的管理理念不斷得到重視，安防管理成為企業(yè)越來越關注的熱點。傳統(tǒng)的人防、物防的模式不能滿足現(xiàn)代智能工廠的管理需求，實際執(zhí)行過程是“人防+技防”相結合的模式，利用新興信息技術來提高技防能力，保障人員和資產安全。安防管理包括視頻監(jiān)控、門禁管理、人員車輛定位、報警系統(tǒng)等

20、模塊。生產環(huán)境管理。生產環(huán)境是制造相關作業(yè)環(huán)境，一方面，需要保障工人的健康和安全，另一方面，需要保證產品質量的穩(wěn)定。一些精密產品的加工制造尤其重視生產環(huán)境管理。生產環(huán)境管理也包括企業(yè)在環(huán)境排放方面的管理，以符合政府、行業(yè)的相關規(guī)定（合規(guī)管理）。生產環(huán)境管理包括環(huán)境感知、環(huán)境監(jiān)控、排放合規(guī)管理、排放監(jiān)控等模塊。能源管理。近年來，隨著“碳達峰，碳中和”成為國家和社會關注熱點，工廠企業(yè)響應國家號召，在節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經濟方面，充分認識到了工作的緊迫性和重要性，在能源管理方面不斷加大資金和技術的投入。能源管理是對重點用能單元實施數據采集和處理，加強儀表計量管理，實現(xiàn)實時分析與管控。建立企業(yè)/工廠級的

21、能源管控中心，實現(xiàn)工廠能源全面管理。數字化車間建設的三條主線一條是以機床、加工設備、機器人、測量測試設備等組成的自動化設備與相關設施，實現(xiàn)生產過程的精確化執(zhí)行，這是數字化車間的物理基礎。第二條線是以MES為中心的智能化管控系統(tǒng)，實現(xiàn)對計劃調度、生產物流、工藝執(zhí)行、過程質量、設備管理等生產過程各環(huán)節(jié)及要素的精細化管控，這是數字化車間的信息建設主線。第三條主線是在互聯(lián)互通的設備物聯(lián)網基礎上，并以之作為橋梁，聯(lián)接起信息（Cyber）空間的MES等信息化系統(tǒng)與機床等物理空間的自動化設備，構建車間級的CPS系統(tǒng)，實現(xiàn)信息與物理兩個世界的相互作用、深度融合。三條主線交匯，實現(xiàn)數據在自動化設備、信息化系統(tǒng)之

22、間按照人的意愿進行有序流動，將整個車間打造成軟硬一體的系統(tǒng)級CPS。因此，數字化車間中人、設備系統(tǒng)、信息系統(tǒng)之間的相互協(xié)調合作，其本質是人機交互。4.2 工廠數字孿生系統(tǒng)中的模型和數據基于模型基于模型的定義（MBD）：將產品全部信息（包含幾何信息和非幾何信息）按照相關要求進行組織管理，并將其標注在三維實體模型上，使之成為工程人員和計算機能夠識別的數字化信息?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）在系統(tǒng)工程的基礎上增加基于模型的概念，相較于傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程，該方法強調在整個生命周期下對技術過程的形式化建模。MBSE采用的常見建模語言為SysML基于模型的企業(yè)（MBE）在MBD的基礎上，基于MBS

23、E方法論，一種面向企業(yè)的組織設計模式MBD采用的是單一數據源及三維實體模型來實現(xiàn)在整個產品生命周期下對產品的管理。MBE在此基礎上增加了流程模型來更加完整地表達產品在企業(yè)運作下的過程，即在整個企業(yè)和供應鏈的范圍里面，如何基于產品模型進行協(xié)同化合作。MBe（Model Based Engineering，基于模型工程）、MBM（Model Based Manufacturing，基于模型制造）和MBs（Model Based Sustainability，基于模型的持續(xù)保障）等三個部分MBD/MBE技術和傳統(tǒng)技術的比較不同角度MBD/MBE技術傳統(tǒng)CAD/TSE技術設計者角度需要將與產品相關的全

24、部信息轉化成數字信息，且標注在三維模型上，只需要創(chuàng)建一個三維模型通過使用CAD軟件對產品的三維模型、二維模型進行表達，借助輔助數據庫進行工藝等信息的進一步表達，需要設計多張圖紙制造者角度通過單一的三維模型可以快速查看和理解產品的制造信息，還可以通過三維模型直接傳達給數字化制造設備進行快速有效的生產需要通過二維數模、三維數模以及輔助信息來理解產品的生產信息，并且需要將其轉化成機器能識別的信息來驅動機器生產維修維護者的角度通過三維模型可以快速地查看產品的結構來進行相關的分析，也可以直接通過三維模型進行仿真前期需要通過產品的結構圖紙等查看產品的具體信息，理解過程相對復雜銷售者角度通過三維模型可以快速

25、了解產品的功能參數（此為MBE中功能），不需要額外的宣傳手冊需要通過其他的資料如宣傳手冊進行了解產品信息企業(yè)管理角度MBE引入了流程模型，以MBD格式模型作為全生命周期下單一數據源，可以將產品的全生命周期過程中的全部信息綜合到一起進行分析，有利于管理需要通過不同功能的模型、數據庫以及輔助軟件等對整個流程進行管理總結MBD/MBE優(yōu)勢1 摒棄二維工程圖，減少了重復勞動，保證了數據唯一性2 縮短了產品研制周期、降低了成本3 使得產品制造各環(huán)節(jié)人員對于產品有更深入的了解，減低因理解不充分導致的出錯可能性4 推動了并行工程開展，將產品全生命周期各階段相互聯(lián)系起來，提高了設計效率和產品可制造性，增強了產

26、品的競爭力數字孿生和MBE的關系數字孿生技術可以為MBE實現(xiàn)提供基礎MBE需要通過對制造對象、制造工具以及制造流程模型建構，然后通過上述模型實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的管理。而數字孿生技術中建模是通過“高保真”建模技術實現(xiàn)對孿生對象模型構建，其不僅包含對孿生對象幾何模型、參數以及管理模型構建，還包含對孿生對象行為、規(guī)則等機理模型構建，數字孿生技術中仿真技術就是基于孿生模型實現(xiàn)對孿生對象全生命周期的管理。因此，數字孿生技術可以為實現(xiàn)MBE提供基礎。MBE 也能從孿生對象模型和數據的定義以及維護流程角度給數字孿生系統(tǒng)全生命周期管理提供支持。由于在數字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)過程中需要實現(xiàn)對孿生對象進行“高保真”建模仿真，

27、因此，如果當孿生對象過于復雜時，對模型構建、集成、更新過程的模型管理就顯得十分必要。數字孿生系統(tǒng)包括物理對象和信息對象的融合，系統(tǒng)工程思想可以幫助數字孿生系統(tǒng)的實現(xiàn)。MBSE方法論可以為數字孿生系統(tǒng)的實現(xiàn)提供系統(tǒng)設計理論支持。MBE在產品全生命周期管理下對企業(yè)對象模型進行集成化管理，所包含的流程模型能夠為數字孿生技術下全組織集成化管理在工程實現(xiàn)以及管理上提供支持。工廠數字孿生系統(tǒng)中的模型一個工廠數字孿生系統(tǒng)中模型分別包含產品模型、工廠資源模型以及生產管理模型三部分。產品模型由產品三維模型、產品屬性以及管理屬性等三個部分組成工廠資源模型主要描述工廠各要素的組成，可以從三維結構、工廠布局、邏輯關系

28、三個方面進行描述生產管理模型是指用于實現(xiàn)對生產全過程管理所構建的模型，其可分為生產流程管理模型和生產服務管理模型兩部分生產流程管理是工廠的基本控制功能，在這個基本控制模型之外，是保證生產流程能順利進行的相關生產服務管理模型，如工廠整體狀態(tài)實時監(jiān)控和評估、設備健康度管理、物流管理、設施維護等相關的模型，這些模型也可以稱之為工廠服務模型。工廠數字孿生系統(tǒng)中的產品生命周期產品的模型和數據是構成一個完整工廠數字孿生系統(tǒng)必不可缺的一部分在整個產品生命周期下，工廠需要面臨管理的是一個可以動態(tài)更新產品模型，此可能會導致生產線、生產流程、供應鏈等一系列連鎖變化。在工廠數字孿生系統(tǒng)中，主要涉及產品生命周期中的產

29、品設計、產品制造兩個階段，但是需求調研、產品維護階段的數據對這兩個階段的工作也起很大的影響。產品模型不是單一的產品三維幾何結構模型，還包含產品基本屬性以及面向產品制造過程中產品管理屬性。MBD采用單一數據源即產品三維模型和三維標注技術，能夠保證在整個產品循環(huán)生命周期下的數據的唯一性。利用MBD技術，結合MBE的企業(yè)流程管理，構建基于統(tǒng)一模型的產品數字孿生系統(tǒng)，產品全生命周期下各個階段都是在產品模型的基礎上進行相應內容的管理，因此可以保證產品相關的人員對產品內容的定義以及產品數據管理過程的一致性，還能縮短每個周期下相關人員對于模型的學習時間，提高效率。工廠數字孿生系統(tǒng)中的管理分析工廠的管理包括工

30、廠內部的管理和工廠外部的協(xié)同。工廠內部管理以“管理金字塔”為特征，具有以ISA-95所構建的層級管理為特征（圖4- 9）。工廠外部的協(xié)同，以供應鏈協(xié)同與管理為主要代表。和產品、工廠具有明確的生命周期階段特征不同，工廠管理主要包括的是管理或者協(xié)同要素。工廠管理的要素可以分為生產需求、原料準備、生產計劃、生產管理和產品交付及售后等五個部分。管理過程的建模以管理流程、管理要素和決策規(guī)則為主，在數字孿生構建中，也是以流程自動化為主來形成管理模型，并且結合決策模型來幫助關鍵節(jié)點人員的決策，確定業(yè)務的流向。工廠管理模型以工廠組織架構模型為核心，面向企業(yè)管理目標實現(xiàn)對制造過程集成化管理，管理模型涉及產品模型

31、、工廠/車間模型以及供應鏈協(xié)同模型，各類模型隨著時間會不斷變化，需要基于動態(tài)數據來對管理過程行為規(guī)則等進行動態(tài)調整，即管理規(guī)則的自學習，對管理架構實現(xiàn)自組織，才能實現(xiàn)自適應的管理需求。4.3 工廠數字孿生系統(tǒng)的特點與結構工廠數字孿生系統(tǒng)的特點多領域數字孿生系統(tǒng)交互特征數據-知識混合驅動服務特征知識服務是融入用戶之中并貫穿于用戶決策過程的服務，智能工廠數字孿生系統(tǒng)需要將系統(tǒng)服務以最便捷、最直觀的形式提供給用戶，并直接與用戶交互。服務驅動管理特征工廠數字孿生系統(tǒng)需要形成制造運行管理過程中所需的智能服務并需要進一步進行服務融合來滿足智能生產、精準管控等實際需求。柔性特征人-機-物-信息協(xié)同共融特征人

32、感知到的信息，決策思維以及執(zhí)行能力作為智能車間中增強部分，發(fā)揮著不可或缺的作用，最終實現(xiàn)智能工廠中“人機物信息”協(xié)同共融。工廠數字孿生系統(tǒng)總體架構實體工廠是實際存在的工廠，包括車間、生產線、在制品、產品、人員等。虛擬工廠，是指工廠相關的數字模型以及相關的信息系統(tǒng)。數字孿生引擎是連接物理工廠和虛擬工廠，形成數字孿生系統(tǒng)，并提供基于數字孿生高級服務功能的軟件平臺，因此也是數字孿生體的一個部分。工廠的智能功能主要從三個方面體現(xiàn)：系統(tǒng)自組織、系統(tǒng)自調節(jié)/自更新以及系統(tǒng)自優(yōu)化。工廠數字孿生服務系統(tǒng)，是基于數字孿生引擎提供的包括供應鏈管理、設計優(yōu)化等功能的服務，是工廠數字孿生系統(tǒng)所具有的外在功能接口。車間

33、數字孿生系統(tǒng)與外部系統(tǒng)關系相對工廠的復雜來說，車間規(guī)?？煽?。因此，“車間數字孿生系統(tǒng)”是在工程實施中比較好的應用切入口。車間數字孿生系統(tǒng)的架構可以參考圖4- 12來設計，只是在車間數字孿生系統(tǒng)中，ERP、PLM等系統(tǒng)都算作外在系統(tǒng)，相互關系可以參考圖4- 134.4 工廠數字孿生系統(tǒng)的構建工廠數字孿生系統(tǒng)生命周期和產品數字孿生系統(tǒng)類似，工廠數字孿生系統(tǒng)或車間數字孿生系統(tǒng)一般都是“由虛切入”構建，即先構建工廠或車間的虛擬模型，經過必要的仿真驗證和優(yōu)化后，確定設計方案，再構建工廠實體或車間實體，然后通過數字孿生引擎實現(xiàn)模型和數據的融合，形成數字孿生系統(tǒng)。與之相反，城市數字孿生系統(tǒng)、供應鏈數字孿生系

34、統(tǒng)通常是“由實切入”來構建，即一般都是已經有了城市、供應鏈實體，再構建其數字孿生體，形成數字孿生系統(tǒng)。工廠數字孿生系統(tǒng)起始于虛擬工廠的構建，隨著數字孿生引擎以及物理實體工廠的建造，在系統(tǒng)推進過程中，虛擬工廠、數字孿生引擎及物理工廠不斷完善，由獨立單一的個體逐漸融合成為一個虛實融合的智能系統(tǒng)工廠數字孿生系統(tǒng)的構建工廠數字孿生系統(tǒng)起始于虛擬工廠的構建，隨著數字孿生引擎以及物理實體工廠的建造，在系統(tǒng)推進過程中，虛擬工廠、數字孿生引擎及物理工廠不斷完善，由獨立單一的個體逐漸融合成為一個虛實融合的智能系統(tǒng)，系統(tǒng)生命周期發(fā)展進程如圖4- 14所示。工廠數字孿生系統(tǒng)構建過程構建初期，此階段主要服務于數字化工廠的規(guī)劃建設，構建虛擬工廠用于工廠的布局規(guī)劃和工藝規(guī)