—一—一智能制造的三個(gè)基本范式演進(jìn) ——周濟(jì)等，“走向新一代智能制造”上世紀(jì)開始的數(shù)字化制造：數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)字化工廠數(shù)字化企業(yè)數(shù)字化制造是智能制造的關(guān)鍵起點(diǎn)，只有實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化。數(shù)字孿生工廠的構(gòu)建也是如此，從數(shù)字化工廠開始，構(gòu)建數(shù)字孿生工廠。4.1數(shù)字化工廠規(guī)劃與數(shù)字工廠4.2工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中的模型和數(shù)據(jù)4.3工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)4.4工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建4.1數(shù)字化工廠規(guī)劃與數(shù)字工廠工廠全生命周期n規(guī)劃設(shè)計(jì)是智能工廠建設(shè)最基礎(chǔ)的工作，主要包括：建筑設(shè)計(jì)、工廠布局規(guī)劃。n完成了工廠的設(shè)計(jì)規(guī)劃工作，通過各個(gè)相關(guān)部門的審批后，工廠就進(jìn)入了工程建設(shè)的實(shí)施階段。工程建設(shè)包括建筑施工建設(shè)、設(shè)備調(diào)試、試生產(chǎn)等主要工作。n完成所有前期準(zhǔn)備工作后，工廠就將投入生產(chǎn)，進(jìn)入運(yùn)行維護(hù)階段。挑戰(zhàn)數(shù)字化工廠工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)基于仿真的工規(guī)劃設(shè)計(jì)方法減少工廠工程建設(shè)的時(shí)間方便運(yùn)維。流程制造行業(yè)挑戰(zhàn)數(shù)字化工廠提高工廠運(yùn)行維護(hù)階段的監(jiān)控能力和在線分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化數(shù)字化工廠（規(guī)劃設(shè)計(jì)）數(shù)字工廠數(shù)字化工廠數(shù)字制造制造什么What產(chǎn)品設(shè)計(jì)CAD如何制造何時(shí)何地制造HowWhen/Where產(chǎn)品制造DF/數(shù)字化工廠對(duì)數(shù)字化工廠規(guī)劃的需求n在系統(tǒng)正式建立與運(yùn)行之前，需要對(duì)這些系統(tǒng)建立后所取得的效益及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行確實(shí)有效的評(píng)估；技術(shù)發(fā)展與數(shù)字化工廠的形成數(shù)字化工廠是通過建立統(tǒng)一的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)來支持規(guī)劃和工藝人員完成復(fù)雜的生產(chǎn)工程管理和優(yōu)化任務(wù)，是在計(jì)算機(jī)輔助工程、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，數(shù)字化工廠目前已經(jīng)成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域中的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字化工廠規(guī)劃），），相關(guān)的概念：虛擬制造數(shù)字化工廠規(guī)劃的功能分析n模型包括產(chǎn)品模型、制造過程所涉及的物料和中間產(chǎn)品模型、設(shè)備模型和其它制造資源模型。n仿真是對(duì)模型的處理和操作。n控制負(fù)責(zé)對(duì)仿真過程進(jìn)行管理和控制。n支撐環(huán)境是數(shù)字化工廠的運(yùn)行平臺(tái)。數(shù)字化工廠規(guī)劃的主要功能模塊針對(duì)不同層次的工作工廠數(shù)字模型），工廠DMU的主要內(nèi)容檔檔型型型型檔工廠DMU的應(yīng)用n工廠建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用n工廠布局規(guī)劃中的應(yīng)用n工程建設(shè)階段的應(yīng)用n運(yùn)行維護(hù)階段的應(yīng)用n多專業(yè)協(xié)同n唯一模型和數(shù)據(jù)的來源廠房設(shè)計(jì)?建筑、結(jié)構(gòu)、管道、電力等廠房設(shè)計(jì)送統(tǒng)計(jì)送統(tǒng)計(jì)輸系設(shè)藝統(tǒng)計(jì)工系設(shè)工廠規(guī)劃?輸送系統(tǒng)布局和物流規(guī)劃工廠規(guī)劃工廠數(shù)字模型支持下的數(shù)字化布局方法數(shù)字化交付《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)(GB/T51296-2018)》中對(duì)數(shù)字化交付定義：以工廠對(duì)象為核心，對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)階段產(chǎn)生的靜態(tài)信息進(jìn)行數(shù)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(chǔ)制定、方案制定、信息整合與校驗(yàn)以及信息移交和驗(yàn)收。區(qū)別于傳統(tǒng)工程以“卷冊(cè)”為核心的交付體系，數(shù)字化交付是指以“工廠對(duì)象”為核心，將工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、制造、安裝等階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，建立以“工廠對(duì)象”為核心的網(wǎng)狀關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)于工程數(shù)據(jù)中心，并基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)。數(shù)字化工廠管控——車間管控ISA-95標(biāo)準(zhǔn)ISA-95標(biāo)準(zhǔn)中的功能層次模型數(shù)字化車間數(shù)字化車間縱向集成重點(diǎn)涵蓋產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程，其體系結(jié)構(gòu)如圖4-10所示，分為基礎(chǔ)層和執(zhí)行層，在數(shù)字化車間之上，還有企業(yè)的資源層。數(shù)字化車間內(nèi)部各功能模塊、基礎(chǔ)設(shè)施之間，以及外部信息系統(tǒng)，均通過企業(yè)服務(wù)總線進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成有機(jī)整體。數(shù)字化車間的基礎(chǔ)層包括了數(shù)字化車間生產(chǎn)制造所必須的基礎(chǔ)設(shè)施，如信息基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)、檢驗(yàn)、物流等使用的各種數(shù)字化制造設(shè)備和輔助設(shè)備。它是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)裝備的控制與集成。執(zhí)行層對(duì)生產(chǎn)過程中的各類業(yè)務(wù)、活動(dòng)或相關(guān)資產(chǎn)進(jìn)行管理，如車間計(jì)劃與調(diào)度、生產(chǎn)物流管理、工藝執(zhí)行管理、質(zhì)量控制和追溯、車間設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)車間制造過程的智能化、精益化及透明化。它是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的核心結(jié)構(gòu)，突出對(duì)車間的管理控制。數(shù)字化工廠管控內(nèi)容生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息。生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息是一個(gè)企業(yè)/工廠運(yùn)行的基礎(chǔ)，包括產(chǎn)品開發(fā)信息、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)信息、生產(chǎn)過程信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息、設(shè)備維護(hù)信息等等。這些信息通過經(jīng)典的ERP、PLM、MES等系統(tǒng)的基本模塊能實(shí)現(xiàn)完整的管理體系。安防管理。隨著設(shè)備復(fù)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(guān)注的熱點(diǎn)。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(shí)際執(zhí)行過程是“人防+技防”相結(jié)合的模式，利用新興信息技術(shù)來提高技防能力，保障人員和資產(chǎn)安全。安防管理包括視頻監(jiān)控、門禁管理、人員車輛定位、報(bào)警系統(tǒng)等模塊。生產(chǎn)環(huán)境管理。生產(chǎn)環(huán)境是制造相關(guān)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(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。一些精密產(chǎn)品的加工制造尤其重視生產(chǎn)環(huán)境管理。生產(chǎn)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(guān)規(guī)定（合規(guī)管理）。生產(chǎn)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(dá)峰，碳中和”成為國(guó)家和社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)，工廠企業(yè)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面，充分認(rèn)識(shí)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(shù)的投入。能源管理是對(duì)重點(diǎn)用能單元實(shí)施數(shù)據(jù)采集和處理，加強(qiáng)儀表計(jì)量管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析與管控。建立企業(yè)/工廠級(jí)的能源管控中心，實(shí)現(xiàn)工廠能源全面管理。數(shù)字化車間建設(shè)的三條主線4.2工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中的模型和數(shù)據(jù)基于模型n將產(chǎn)品全部信息（包含幾何信息和非幾何信息）按照相關(guān)要求進(jìn)行組織管理，并將其標(biāo)注在三維實(shí)體模型上，使之成為工程人員和計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字化信息。n在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)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(qiáng)調(diào)在整個(gè)生命周期下對(duì)技術(shù)過程的形式化建模。nMBSE采用的常見建模語言為SysMLn在MBD的基礎(chǔ)上，基于MBSE方法論，一種面向企業(yè)的組織設(shè)計(jì)模式nMBD采用的是單一數(shù)據(jù)源及三維實(shí)體模型來實(shí)現(xiàn)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期下對(duì)產(chǎn)品的管理。MBE在此基礎(chǔ)上增加了流程模型來更加完整地表達(dá)產(chǎn)品在企業(yè)運(yùn)作下的過程，即在整個(gè)企業(yè)和供應(yīng)鏈的范圍里面，如何基于產(chǎn)品模型進(jìn)行協(xié)同化合作。nMBe（ModelBasedEngineering，基于模型工程）、MBM（ModelBasedManufacturing，基于模型制造）和MBs（ModelBasedSustainability，基于模型的持續(xù)保障）等三個(gè)部分MBD/MBE技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)的比較），冊(cè)數(shù)字孿生和MBE的關(guān)系nMBE需要通過對(duì)制造對(duì)象、制造工具以及制造流程模型建構(gòu)，然后通過上述模型實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)的管理。而數(shù)字孿生技術(shù)中建模是通過“高保真”建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)孿生對(duì)象模型構(gòu)建，其不僅包含對(duì)孿生對(duì)象幾何模型、參數(shù)以及管理模型構(gòu)建，還包含對(duì)孿生對(duì)象行為、規(guī)則等機(jī)理模型構(gòu)建，數(shù)字孿生技術(shù)中仿真技術(shù)就是基于孿生模型實(shí)現(xiàn)對(duì)孿生對(duì)象全生命周期的管理。因此，數(shù)字孿生技術(shù)可以為實(shí)現(xiàn)MBE提供基礎(chǔ)。n由于在數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中需要實(shí)現(xiàn)對(duì)孿生對(duì)象進(jìn)行“高保真”建模仿真，因此，如果當(dāng)孿生對(duì)象過于復(fù)雜時(shí)，對(duì)模型構(gòu)建、集成、更新過程的模型管理就顯得十分必要。數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理對(duì)象和信息對(duì)象的融合，系統(tǒng)工程思想可以幫助數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。nMBSE方法論可以為數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論支持。MBE在產(chǎn)品全生命周期管理下對(duì)企業(yè)對(duì)象模型進(jìn)行集成化管理，所包含的流程模型能夠?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)下全組織集成化管理在工程實(shí)現(xiàn)以及管理上提供支持。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中的模型n生產(chǎn)流程管理是工廠的基本控制功能，在這個(gè)基本控制模型之外，是保證生產(chǎn)流程能順利進(jìn)行的相關(guān)生產(chǎn)服務(wù)管理模型，如工廠整體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估、設(shè)備健康度管理、物流管理、設(shè)施維護(hù)等相關(guān)的模型，這些模型也可以稱之為工廠服務(wù)模型。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中的產(chǎn)品生命周期工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中的管理分析n工廠管理的要素可以分為生產(chǎn)需求、原料準(zhǔn)備、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)管理和產(chǎn)品交付及售后等五個(gè)部分。4.3工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點(diǎn)n知識(shí)服務(wù)是融入用戶之中并貫穿于用戶決策過程的服務(wù)，智能工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)需要將系統(tǒng)服務(wù)以最便捷、最直觀的形式提供給用戶，并直接與用戶交互。n工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)需要形成制造運(yùn)行管理過程中所需的智能服務(wù)并需要進(jìn)一步進(jìn)行服務(wù)融合來滿足智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)管控等實(shí)際需求。n人感知到的信息，決策思維以及執(zhí)行能力作為智能車間中增強(qiáng)部分，發(fā)揮著不可或缺的作用，最終實(shí)現(xiàn)智能工廠中“人—機(jī)—物—信息”協(xié)同共融。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)車間數(shù)字孿生系統(tǒng)與外部系統(tǒng)關(guān)系相對(duì)工廠的復(fù)雜來說，車間規(guī)?？煽?。因此，“車間數(shù)字孿生系統(tǒng)”是在工程實(shí)施中比較好的應(yīng)用切入口。車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的架構(gòu)可以參考圖4-12來設(shè)計(jì)，只是在車間數(shù)字孿生系統(tǒng)中，ERP、PLM等系統(tǒng)都算作外在系統(tǒng)，相互關(guān)系可以參考圖4-134.4工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)生命周期工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)起始于虛擬工廠的構(gòu)建，隨著數(shù)字孿生引擎以及物理實(shí)體工廠的建造，在系統(tǒng)推進(jìn)過程中，虛擬工廠、數(shù)字孿生引擎及物理工廠不斷完善，由獨(dú)立單一的個(gè)體逐漸融合成為一個(gè)虛實(shí)融合的智能系統(tǒng)，系統(tǒng)生命周期發(fā)展進(jìn)程如圖4-14所示。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建過程構(gòu)建初期，此階段主要服務(wù)于數(shù)字化工廠的規(guī)劃建設(shè)，構(gòu)建虛擬工廠用于工廠的布局規(guī)劃和工藝規(guī)劃，開始廠房建筑設(shè)計(jì)。構(gòu)建中期，此階段系統(tǒng)主要開始實(shí)體工廠和數(shù)字孿生引擎的構(gòu)建。構(gòu)建末期，虛擬工廠、實(shí)體工廠及數(shù)字孿生引擎基本完善，此階段是主要是驗(yàn)證實(shí)際工廠建造結(jié)果是否滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，并且進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的調(diào)試和試生產(chǎn)工作。通過數(shù)字孿生引擎連接實(shí)體工廠和虛擬工廠，進(jìn)行各類虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化工作。n此階段過后，虛擬工廠、數(shù)字孿生引擎、實(shí)體工廠均已完善，數(shù)字孿生系統(tǒng)初步形成，已能夠投入實(shí)際運(yùn)行。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)施的重點(diǎn)技術(shù)n三維建模及三維標(biāo)注技術(shù)n基于MBD模型管理及數(shù)據(jù)提取技術(shù)nBIM模型管理及數(shù)據(jù)訪問技術(shù)n模型輕量化技術(shù)n數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)n實(shí)體智能工廠實(shí)現(xiàn)技術(shù)n工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法n一種是利用通用的軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)和建設(shè)，例如