工廠數字孿生實現過程包括哪些關鍵階段和步驟？

在數字化工廠規劃的過程中，一般的做法是基于某個要研究的目標，利用數字化工具建立一個可仿真預 測的模型，通過在模型上的實驗，從中得到一些幫助我們評判數字化工廠表現的結果指標，在經過修改和改 進，獲得一個更好的系統表現。此過程是重復漸進迭代的過程：

這個過程中的主要工作內容包含：基于工廠改進需求，明確仿真任務的目標，將任務目標分解，得到需 要具體實現的量化指標；從工廠運行的歷史數據中搜集與目標相關的各類數據，建立起仿真分析模型，并加 載數據進行仿真分析，仿真結果按需要形成各類評價指標與目標進行比對，如果未達預期，則進一步修改模 型、修改輸入等，進入下一輪優化求解循環，直至目標達成。 1) 確定具體的仿真概念和目標 明確仿真的具體目標對象，研究的指標等，即定 義工作邊界與分析研究方向。 2) 數據搜集 根據仿真目標，明確與搜集整理需要進行仿真 分析對象相關的各種數據。例如通過對現有項目和 工廠產線等的數據收集，完成對工廠生產線總體布 置、設備布置、人員分配及工藝布局方案建模仿真， 設定合理的生產單元布局框架，保證仿真模型與真 實產線相吻合。

3) 仿真建模 依據確定的仿真概念和目標進行仿真建模，通 過運行仿真模型得出的仿真輸出結果，在不同的規 劃方案下，以生產率最高為目標，進行產能、瓶頸、 設備利用率等的對比分析，進而對產線布局進行優 化。 4) 仿真計算及優化求解 實現模型控制策略的觸發條件和執行的操作， 從而控制仿真過程，通過內嵌的遺傳算法等優化算 法對系統的關鍵參數進行優化運算，找到對應設定 的仿真目標的解決方案的最優化值。 5) 結果評估 使用專門的圖形分析工具，用戶可以快速進行 圖形、圖表化的仿真模型的數值跟蹤和顯示，輸出可 供用戶歸檔記錄的仿真分析報告。

從業務層面，我們在工廠應用的各個領域和規劃的各個階段，均可利用上述研究方法和工具進行工廠的 建模、仿真、改進的工作。每個領域的研究同樣會經過多輪迭代，以確保在每個應用領域都得到更優的結果。 我們可以參考西門子南京數控（SNC）新工廠的規劃和建設過程，這是一個完整地按照早期數字規劃到 建成運維的全數字化實施流程，西門子將這個過程定義為“原生的數字化工廠”地規劃建設過程。從西門子南京數控（SNC）的實現過程，我們可以總結出工廠數字孿生實現過 程的幾個關鍵階段和步驟

1) 價值流分析及仿真幫助制定工廠頂層規劃 價值流圖 VSM（Value Stream Mapping）是一 種標準的方法，該方法用于設計和分析諸如生產設 備等的物料流系統，并且，還可以評估一個給定或計 劃的過程的性能。VSM 價值流分析方法廣泛應用于 工業和商業中實施的精益制造概念。 Plant Simulation 中的 VSM 仿真庫支持圖形化 VSM 建模 方法，提供基于對話框的輸入參數定義。因此，即便 是沒有仿真經驗的用戶，也可以通過對 VSM 庫來創 建和使用仿真模型。 在 SNC 新工廠的規劃建設過程中，我們在生產 單元開始設計前就在 Plant Simulation 的中輸入計 劃的預期數據假設(產量，參數，靈活性等)，精益原 則以及產品參數等，進行價值流分析和仿真，從而幫 助制定了工廠的頂層規劃。

) 生產過程仿真明確工廠設施需求 新工廠規劃和項目的早期階段，使用 Plant Simulation 進行生產過程仿真，可以幫助用戶指導工廠的規 劃和實施，在早期就明確工廠配套的水電氣設施需求，從而避免在后期因為規劃錯誤產生更改從而引起的大 量時間和投資成本。 通常來說，工廠尤其是新工廠的規劃是對設備、工位、物料、工裝、半成品、水、電、氣等配套設施的 綜合配置，我們使用 Plant Simulation 對虛擬工廠的生產過程進行仿真建模，在仿真環境下布局工位和資源 并進行優化、干涉分析等，從而建立完整的數字化產線。有了這樣的一條數字化虛擬產線，就可以研究各個 工序之間、各個車間之間以及工廠整體配置的合理性，以達到整個生產系統的人流與物流暢通化、搬運最優 化、流程最優化、效率最大化的目標。

根據仿真結果中各個工位和設備不同的工藝以及用途，結合一些專用設備（非標設備）等的特殊要求, 我們可以有針對性的設計配套的水電氣公用動力設施，如：  確定電氣負荷和用電容量，設計電氣線路布置，包括照明、動力插座、設備電源等  確定給水和排水系統的參數和容量，水源和排水的位置和布局，配置相應的污水處理設備以滿足相 應的環保要求等；  設計相應的空氣處理系統，包括新風系統、排風系統和空調系統等，確定空氣處理設備的容量和性 能要求以及安裝的具體位置要求等。  設計合適的照明系統，確定照明的位置、數量和亮度要求，以確保操作人員能夠清晰地看到工作區 域等。

3) 物流、倉儲及生產管控策略也是重要影響因素 與生產制造密不可分的物流，倉儲以及生產管 控策略也是在數字化工廠的規劃應用中很重要的影 響因素。通常情況下，為保證生產過程中，我們需要 生產設施的物料能夠連續提供，不斷料、不缺料，所 以對存儲和物流設施的能力會提出很高的要求；另 外，在某些極端情況下，例如立體倉庫的某個堆垛機 出現故障，而后續生產單元已經開始生產且不能停 機，就需要立體倉庫能夠從其他存儲通道中取出相 同的物料進行補充。 以上描述的情形，要求物流存儲系統具備極高 的柔性，可配置不同的存儲和供給策略，通過使用 Plant Simulation，建立仿真模型，定義倉庫的具體 配置形式：倉庫的堆垛機數量、倉庫的貨位數量，存 放策略，物料釋放策略，堆垛機運行的速度等，結合 對應生產任務，可以在項目的早期分析倉儲系統的 生產供給能力和對生產過程的影響。 例如，上圖顯示的是倉庫初始化設置過程，可以 根據需要創建多個不同的倉庫，每個倉庫都有自己 具體的配置參數。

綜上，通過使用 Plant Simulation 進行物流仿真， 可以在早期就進行規劃并選擇合理的運輸方式，優 化物料運輸路線，提升物流運輸效率來降低物流運 輸成本。通過進行倉儲以及生產管控策略仿真分析， 用戶可以提前準確預測需求并合理調配庫存，從而 降低庫存成本。通過合理安排倉庫布局和優化物流 流程，可以減少物料從倉儲區到生產線的時間，提高 生產線的效率和滿意度。

4) 工廠的三維可視化更易于與建設過程協同 數字化工廠建設是一個綜合性、系統性的工程， 這其中，生產線，生產車間以及廠房的建設施工實施 往往需要耗費大量的時間和資源，并且，一旦建成后 通常情況下很難進行調整和優化。因此，傳統的基于 二維平面圖的建設規劃方案已經無法滿足這樣的需 求。 借助 Plant Simulation 的三維可視化數字孿生 工廠仿真技術，通過全三維的、高逼真度的模型，以 及包含運動機構和可以展現逼真動作序列的生產設 備模型，在虛擬的數字世界里展現逼真的生產線和 工廠運營場景，利用模型進行三維空間的漫游、查 看，同時，從設備空間的占用、相對距離、物流通道、 人員通道的面積等空間因素，進行產線的檢查，用戶 可以在實際建設之前通過虛擬模型對生產線進行仿 真和優化。通過對不同參數、設備布局、工藝流程等 因素進行模擬和分析，在實際建設之前就對生產線 進行優化調整，提高整體的生產效率和運營效能，確 定最佳的工廠生產線規劃布局方案，物流配送方案 和配套的倉儲方案等，這樣，就可以將工廠仿真和廠 房建設仿真配合協同進行，在早期就發現潛在的設 備和建筑設施干涉等的問題，從而避免這些問題影 響正常生產而不得不花費巨大的時間和資源成本去 修 改 。

5) 數字化工廠在日常生產過程中持續產生價值 除了在新工廠的規劃和項目的早期階段之外， Plant Simulation 數字化工廠仿真在日常的生產過程 中也在持續不斷的產生價值。 隨著市場需求的不斷變化，傳統的大批量生產 模式已經不能滿足市場的需求。而小批量、多品種、 定制化生產模式正成為市場的主流趨勢。這樣的生 產模式對企業的生產靈活性、管理效率和質量控制 能力等各個方面都提出了更高的要求。借助 Plant Simulation 數字化工廠仿真，用戶企業可以實現生 產流程的優化，提高生產效率，降低生產成本。

例如，通過使用 Plant Simulation 工廠仿真模 型并結合生產調度系統，企業可以實現生產計劃的 快速調整，實現生產線的快速切換，從而實現小批 量 、 多 品 種 、 定 制 化 生 產 的 要 求。 利 用 Plant Simulation 進行倉儲和物流仿真分析，可以幫助用 戶在新建配送中心，確定物流配送方式和規劃最優 物流路線時，根據仿真的結果對各種不同的方法進 行多維度全方位的比較，從而選出最優最適合的方 案。當企業需要引入新產品或者需要根據市場需求 調整和切換不同產品的節拍和產能時，可以提前在 Plant Simulation 數字化工廠仿真模型中進行虛擬驗 證，在不影響和損失現有產能的情況下，根據仿真結 果有針對性的制定新產品混線生產方案等。下圖是 用戶使用 Plant Simulation 進行產線仿真，發現了產 線中的不平衡從而提前進行了整改，提升了工廠整 體的產能輸出。