智能工厂数字化规划方法与应用

智能制造以智能工厂为载体，智能工厂作为智能制造重要的实践领域，引起制造企业的广泛关注和各级政府的高度重视。智能工厂是新兴IT技术、智能化技术与制造业高度融合与全面渗透而形成的一种新型工厂，着眼于打通企业生产经营的全部流程，实现从设备控制到企业资源管理所有环节的信息快速交换、传递、存储、处理和无缝智能化集成。本书面向智能制造发展过程中对智能工厂规划设计的需求，介绍数字化工厂技术的相关理论和方法，结合该领域中的优势产品——达索公司的3D EXPERIENCE平台，介绍其数字化工厂解决方案在智能制造、智能建造中的实际应用。

本书可作为智能制造相关领域的技术人员和实际工作人员的参考书，也可作为教材为智能制造及其相关专业的本科生或研究生使用。

本书面向智能制造发展过程中对智能工厂规划设计的需求，介绍数字化工厂技术的相关理论和方法，结合该领域中的优势产品——达索公司的3D EXPERIENCE平台介绍其实际的应用，可以让相关领域的技术人员和实际工作人员作为参考，也可以作为教材为智能制造及其相关专业的高年级本科生或研究生使用。

前言

新一轮的科技革命，特别是移动互联网、大数据、人工智能、物联网、云计算等新一代信息技术的普及，带动了几乎所有领域发生了以绿色、智能、服务化、网络化为特征的群体性技术革命，新一代信息技术与制造业深度融合，孕育了智能制造的新理念。智能制造的研究起始于20世纪80年代人工智能在制造领域中的应用，到20世纪90年代智能制造技术、智能制造系统的提出，Wright和Bourne正式给出了智能制造的概念。随着德国“工业40”战略的高调提出，智能制造（Smart Manufacturing）的研究成为21世纪以来新一代新兴信息技术引领的新热点。

智能制造以智能工厂为载体，智能工厂作为智能制造重要的实践领域，引起制造企业的广泛关注和各级政府的高度重视。智能工厂是新兴IT技术、智能化技术与制造业高度融合与全面渗透而形成的一种新型工厂，着眼于打通企业生产经营的全部流程，实现从设备控制到企业资源管理所有环节的信息快速交换、传递、存储、处理和无缝智能化集成，所有的活动均能在信息空间中得到充分的数据支持、过程优化与验证，同时在物理系统中能够实时地执行并与信息空间进行深度交互。智能工厂由内部的人、技术、设备的综合集成向包含物理和虚拟制造资源的跨领域、跨行业、跨区域的立体化网络化制造系统延伸，其规划建设与运营管理面临着新的挑战。供应商和客户在智能工厂的规划和智能制造系统设计的前期、组装和调试新设备并将其投入到生产的过程中经常面临着日益严峻的问题。传统的手工处理方式，设计人员不能对新的制造技术和制造系统有正确的了解，可能导致产品设计上的错误，就需要在以后的设备现场安装调试中以更大的代价去更正。而生产制造过程的经验也不能很好地反馈到设计阶段。设计和制造两个环节的脱节就需要迫切提高企业的生产规划能力和制造系统的设计能力。另一方面，传统的人工规划方法基本上是“粗放式”的设计方法。新生产系统设计完成后，具体的设备进厂、试生产和投产都是一个不确定的纸上方案，给建造供应商提供了很大的发挥空间。这样会导致新工厂的建设时间、建设成本都不能很好地进行控制，最后往往会导致费用超支、工程的拖期。

对于传统工厂规划的局限性，数字化工厂技术的引入能够很好地解决这些问题。集现代制造技术、现代管理技术、自动化技术、计算机信息技术和系统工程技术于一体的工厂布局/规划系统，运用先进的规划软件，可模拟现代制造企业进行生产运作管理、车间制造自动化、质量监控、现代物流控制等活动，充分体现出数字化工厂规划的综合性、工程性、集成性、系统性和可拓展性等特征。

数字化工厂是数字制造中的关键环节之一，数字化工厂技术最主要的是解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，面向产品从设计到制造实现的转换过程，降低工厂、车间和生产线规划设计的不确定性，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产系统在实际运行前先于数字空间进行检验，提高将来物理系统的成功实施率和可靠性，缩短设计到生产的转换时间。

数字化工厂（Digital Factory）一词最早出现在1998年，Dwyer John在1999年的一篇论文中指出 “制造的所有细节在其发生前被模拟”。德国工程师协会（VDI，Association of German Engineers）对数字化工厂（Digital Factory）下的定义是：“数字化工厂是有关网络工厂的，集成在常用数据管理系统中的数字模型、数字方法和数字工具的总体概念。其目的在于统一的工厂规划、评估和不断地对所有重要的工厂生产工艺过程和资源结合产品进行改进。”可以看到，这些数字化工厂的定义，是针对工厂规划设计阶段提出的。在物理工厂还没有建设之前，通过建立数字化工厂，来构建一个虚拟的、数字化的工厂模型，用以对未来工厂的运行进行仿真和分析，从而提高工厂规划的质量。

伴随着德国“工业40”概念在国内的流行，另一个“数字工厂”词汇也开始为大家熟悉，其对应的英文也为“Digital Factory”。数字工厂作为支撑工业40现有的最重要的国际标准之一，是IEC（国际电工委员会）/TC 65（65技术委员会：工业过程测量、控制和自动化）的重要议题。2011年6月，IEC/TC 65成立WG 16“数字工厂”工作组，西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化、横河等国际自动化企业，以及我国机械工业仪器仪表综合技术经济研究所等研究机构，都参与了“IEC/TR 62794：2012数字工厂标准”的制定。全国工业过程测量控制和自动化标准化委员会（SAC/TC 124）将该标准等同转化为我国国家标准《工业过程测量、控制和自动化生产设施表示用参考模型（数字工厂）》（GB/Z 32235—2015，2015年12月发布）。GB/Z 32235—2015中对“数字工厂”的定义为：工厂通用模型，用于表示基本元素、自动化资产，及其行为和关系。注：这个通用模型可以应用于任何实际工厂。从标准的名称以及定义来看，这个“数字工厂”更多的是针对工厂运维阶段的数字化监控和管理优化，是通过工业物联网等技术将工厂实际运行数据进行采集，在数据空间利用数字化模型进行管控和优化的一个技术与方法，即实际工厂的“数字化”体现。

根据这两种定义，可以把数字化工厂（Digital Factory）这个词理解为：1）Digital Factory是工厂基于数字化制造原理的一个/一套数字模型，这个模型能在数字空间对实际工厂的运作情况进行仿真模拟或者进行监控。2）数字化工厂是一个面向工厂全生命周期的概念。在工厂设计规划阶段，利用仿真手段对将来的工厂进行分析与优化；在工厂建设阶段，可以指导工厂的建设调试；在工厂运维阶段，可以利用模型结合实际工厂的运行数据，对工厂进行管理优化。3）离散制造和流程制造行业，“数字化工厂”技术应用的重点各不相同。离散制造行业的“数字化工厂”重点在于如何更好地实现产品的客户化定制，保证新产品快速上市，因此，数字化工厂技术更多在于架构从产品设计到量产的一个桥梁；而流程制造行业的“数字化工厂”重点在于生产系统的稳定运行，以及工艺的优化，数字化工厂技术是构建实际工厂到数字工厂的桥梁。

工厂全生命周期的概念可以把这两个数字化工厂的定义关联起来。智能工厂是一个信息物理系统（CPS），信息空间的虚拟工厂（数字化工厂）和实际运行的物理智能工厂相互关联，形成一个CPS，实现完整的智能化制造。数字化工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，覆盖整个工厂全生命周期的智能工厂的数字化影像，或者说是物理工厂的“数字孪生”。

数字化工厂是不断发展的信息技术、自动化技术、制造技术和人工智能技术与方法、现代管理方法相结合的产物，是改造传统工业的有力工具，是两化融合、智能化改造的起点。国内外提供完整数字化工厂解决方案的厂商不多，达索公司是其中一家。其产品“3D Experience”是一个数字化产品设计、工艺、制造协同管理平台，其以产品研发为源头，以工艺为过程，优化业务流程及信息，提供基于协作、交互环境下的3D设计、分析、模拟仿真。产品应用于机械、电气、土木、材料、轻工等学科领域的复杂机电产品设计、仿真分析、数字化工艺与制造仿真、数字化智能工厂建设，在国内外得到了广泛的应用。另外，“3D Experience”平台在BIM（建筑信息模型）、智能建造领域也有应用。

本书针对智能工厂的规划过程，介绍数字化工厂的相关理论、方法及其应用。全书分为7章。第1章介绍了智能制造与智能工厂的基本概念，以及数字化工厂方法的起源及发展；第2章介绍了面向工厂规划的数字化工厂方法；第3章介绍了数字化工厂的建模方法；第4章介绍了数字化工厂的仿真方法；第5章介绍了数字化工厂技术的应用；第6章介绍了达索3D EXPERIENCE平台数字化工厂的基本功能；第7章分别针对“智能制造”和“智能建造”两大领域，介绍了基于3D EXPERIENCE的数字化工厂实施案例。

本书面向智能制造发展过程中对智能工厂规划设计的需求，介绍数字化工厂技术的相关理论和方法，结合该领域中的优势产品介绍其实际的应用，可以让相关领域的技术人员和实际工作人员作为参考，也可以作为教材为智能制造及其相关专业的高年级本科生或研究生使用。

本书的编写工作由同济大学CIMS研究中心的陆剑峰副教授、张浩教授、赵荣泳副教授以及来自达索析统（上海）信息技术有限公司的杨海超工程师合作完成。另外，同济大学电子与信息工程学院的博士研究生夏路遥、韩调娟和吴伟等也做了大量书稿整理工作。

信息技术和人工智能技术的高速发展，推动了智能制造的理念和方法的不断进步，数字化工厂的技术与方法也在不断发展之中。智能制造本身就是一个多学科、多领域的交叉，不同的技术人员会有不同的见地，加以作者水平有限，本书难免存在不足、片面甚至错误之处，恳请广大读者给予批评指正。

作者

目录
前言
第1章智能工厂——智能制造的载体与体现
1.1智能制造趋势/发展背景
1.1.1引言
1.1.2国内外智能制造战略
1.1.3智能制造的概念及其特点
1.2智能制造系统与智能工厂
1.2.1智能制造系统
1.2.2智能工厂是智能制造的载体
1.3数字化工厂与数字化工厂规划方法
1.3.1面向工厂全生命周期的数字化工厂
1.3.2数字化工厂规划
1.3.3智能工厂的数字化规划
第2章面向工厂规划的数字化工厂方法
2.1数字化工厂规划体系框架
2.1.1数字化工厂在企业信息化中的功能定位
2.1.2数字化工厂功能分析
2.1.3数字化工厂的系统架构
2.2数字化工厂系统功能分解
2.2.1工厂布局
2.2.2工艺规划
2.2.3仿真优化
2.3数字化工厂的实施和应用
第3章数字化工厂的建模方法
3.1制造系统的建模框架
3.1.1企业模型框架
3.1.2智能制造体系下的工厂建模框架
3.2数字化工厂的典型建模方法
3.2.1建模要求
3.2.2DEDS建模方法
3.2.3Petri网建模方法
3.2.4IDEFX建模方法
3.2.5UML建模方法
3.2.6基于多智能体的建模方法
第4章数字化工厂的仿真方法
4.1仿真的基本概念
4.2仿真模型
4.3仿真建模方法
4.3.1离散事件仿真
4.3.2系统动力学仿真
4.3.3多智能体仿真
4.4制造系统的仿真优化
4.4.1制造行业仿真分类
4.4.2制造系统仿真的一般过程
4.4.3制造系统的仿真评价
4.4.4制造系统的仿真优化
第5章数字化工厂技术的应用
5.1布局规划
5.1.1布局设计的一般流程
5.1.2车间布局
5.1.3数字化工厂技术的应用
5.1.4工厂布局规划的关键技术
5.1.5工厂布局规划的实施
5.1.6工厂数字模型
5.2生产线规划与装配规划
5.2.1PERT图与数字化工厂
5.2.2生产线规划设计
5.2.3生产线规划的建模仿真
5.2.4数字化装配概述
5.2.5数字化装配功能模块
5.3VR/AR应用
5.3.1虚拟现实技术的起源和发展
5.3.2虚拟现实技术的基本概念
5.3.3虚拟现实系统的分类
5.3.4虚拟现实的应用
5.3.5虚拟现实技术在工厂规划中的应用
5.3.6增强现实技术概述
5.3.7增强现实与虚拟现实的关系
5.3.8增强现实系统的支撑技术
5.3.9增强现实在工厂规划中的作用
第6章数字化工厂规划的实现——基于3D EXPERIENCE的
方法
6.1三维体验平台的功能概述
6.1.1制造企业的变革需求
6.1.2三维体验平台的四个象限
6.1.3三维体验平台的数字化制造理念
6.2BOM与PPR模型
6.2.1从EBOM到MBOM
6.2.2PPR模型
6.3工厂布局
6.3.1定义资源
6.3.2放置对象
6.3.3使用资源库
6.4工艺仿真
6.4.1装配仿真
6.4.2人机工效仿真
6.4.3机器人仿真
6.5物流优化
第7章数字化工厂实施案例
7.1智能制造案例
7.1.1案例背景
7.1.2技术路线
7.1.3项目收益
7.1.4核心技术与解决的问题
7.2智能建造案例
7.2.1案例背景
7.2.2技术路线
7.2.3项目收益
参考文献

数字化工厂