工厂数字孪生实现过程包括哪些关键阶段和步骤？

在数字化工厂规划的过程中，一般的做法是基于某个要研究的目标，利用数字化工具建立一个可仿真预 测的模型，通过在模型上的实验，从中得到一些帮助我们评判数字化工厂表现的结果指标，在经过修改和改 进，获得一个更好的系统表现。此过程是重复渐进迭代的过程：

这个过程中的主要工作内容包含：基于工厂改进需求，明确仿真任务的目标，将任务目标分解，得到需 要具体实现的量化指标；从工厂运行的历史数据中搜集与目标相关的各类数据，建立起仿真分析模型，并加 载数据进行仿真分析，仿真结果按需要形成各类评价指标与目标进行比对，如果未达预期，则进一步修改模 型、修改输入等，进入下一轮优化求解循环，直至目标达成。 1) 确定具体的仿真概念和目标 明确仿真的具体目标对象，研究的指标等，即定 义工作边界与分析研究方向。 2) 数据搜集 根据仿真目标，明确与搜集整理需要进行仿真 分析对象相关的各种数据。例如通过对现有项目和 工厂产线等的数据收集，完成对工厂生产线总体布 置、设备布置、人员分配及工艺布局方案建模仿真， 设定合理的生产单元布局框架，保证仿真模型与真 实产线相吻合。

3) 仿真建模 依据确定的仿真概念和目标进行仿真建模，通 过运行仿真模型得出的仿真输出结果，在不同的规 划方案下，以生产率最高为目标，进行产能、瓶颈、 设备利用率等的对比分析，进而对产线布局进行优 化。 4) 仿真计算及优化求解 实现模型控制策略的触发条件和执行的操作， 从而控制仿真过程，通过内嵌的遗传算法等优化算 法对系统的关键参数进行优化运算，找到对应设定 的仿真目标的解决方案的最优化值。 5) 结果评估 使用专门的图形分析工具，用户可以快速进行 图形、图表化的仿真模型的数值跟踪和显示，输出可 供用户归档记录的仿真分析报告。

从业务层面，我们在工厂应用的各个领域和规划的各个阶段，均可利用上述研究方法和工具进行工厂的 建模、仿真、改进的工作。每个领域的研究同样会经过多轮迭代，以确保在每个应用领域都得到更优的结果。 我们可以参考西门子南京数控（SNC）新工厂的规划和建设过程，这是一个完整地按照早期数字规划到 建成运维的全数字化实施流程，西门子将这个过程定义为“原生的数字化工厂”地规划建设过程。从西门子南京数控（SNC）的实现过程，我们可以总结出工厂数字孪生实现过 程的几个关键阶段和步骤

1) 价值流分析及仿真帮助制定工厂顶层规划 价值流图 VSM（Value Stream Mapping）是一 种标准的方法，该方法用于设计和分析诸如生产设 备等的物料流系统，并且，还可以评估一个给定或计 划的过程的性能。VSM 价值流分析方法广泛应用于 工业和商业中实施的精益制造概念。 Plant Simulation 中的 VSM 仿真库支持图形化 VSM 建模 方法，提供基于对话框的输入参数定义。因此，即便 是没有仿真经验的用户，也可以通过对 VSM 库来创 建和使用仿真模型。 在 SNC 新工厂的规划建设过程中，我们在生产 单元开始设计前就在 Plant Simulation 的中输入计 划的预期数据假设(产量，参数，灵活性等)，精益原 则以及产品参数等，进行价值流分析和仿真，从而帮 助制定了工厂的顶层规划。

) 生产过程仿真明确工厂设施需求 新工厂规划和项目的早期阶段，使用 Plant Simulation 进行生产过程仿真，可以帮助用户指导工厂的规 划和实施，在早期就明确工厂配套的水电气设施需求，从而避免在后期因为规划错误产生更改从而引起的大 量时间和投资成本。 通常来说，工厂尤其是新工厂的规划是对设备、工位、物料、工装、半成品、水、电、气等配套设施的 综合配置，我们使用 Plant Simulation 对虚拟工厂的生产过程进行仿真建模，在仿真环境下布局工位和资源 并进行优化、干涉分析等，从而建立完整的数字化产线。有了这样的一条数字化虚拟产线，就可以研究各个 工序之间、各个车间之间以及工厂整体配置的合理性，以达到整个生产系统的人流与物流畅通化、搬运最优 化、流程最优化、效率最大化的目标。

根据仿真结果中各个工位和设备不同的工艺以及用途，结合一些专用设备（非标设备）等的特殊要求, 我们可以有针对性的设计配套的水电气公用动力设施，如：  确定电气负荷和用电容量，设计电气线路布置，包括照明、动力插座、设备电源等  确定给水和排水系统的参数和容量，水源和排水的位置和布局，配置相应的污水处理设备以满足相 应的环保要求等；  设计相应的空气处理系统，包括新风系统、排风系统和空调系统等，确定空气处理设备的容量和性 能要求以及安装的具体位置要求等。  设计合适的照明系统，确定照明的位置、数量和亮度要求，以确保操作人员能够清晰地看到工作区 域等。

3) 物流、仓储及生产管控策略也是重要影响因素 与生产制造密不可分的物流，仓储以及生产管 控策略也是在数字化工厂的规划应用中很重要的影 响因素。通常情况下，为保证生产过程中，我们需要 生产设施的物料能够连续提供，不断料、不缺料，所 以对存储和物流设施的能力会提出很高的要求；另 外，在某些极端情况下，例如立体仓库的某个堆垛机 出现故障，而后续生产单元已经开始生产且不能停 机，就需要立体仓库能够从其他存储通道中取出相 同的物料进行补充。 以上描述的情形，要求物流存储系统具备极高 的柔性，可配置不同的存储和供给策略，通过使用 Plant Simulation，建立仿真模型，定义仓库的具体 配置形式：仓库的堆垛机数量、仓库的货位数量，存 放策略，物料释放策略，堆垛机运行的速度等，结合 对应生产任务，可以在项目的早期分析仓储系统的 生产供给能力和对生产过程的影响。 例如，上图显示的是仓库初始化设置过程，可以 根据需要创建多个不同的仓库，每个仓库都有自己 具体的配置参数。

综上，通过使用 Plant Simulation 进行物流仿真， 可以在早期就进行规划并选择合理的运输方式，优 化物料运输路线，提升物流运输效率来降低物流运 输成本。通过进行仓储以及生产管控策略仿真分析， 用户可以提前准确预测需求并合理调配库存，从而 降低库存成本。通过合理安排仓库布局和优化物流 流程，可以减少物料从仓储区到生产线的时间，提高 生产线的效率和满意度。

4) 工厂的三维可视化更易于与建设过程协同 数字化工厂建设是一个综合性、系统性的工程， 这其中，生产线，生产车间以及厂房的建设施工实施 往往需要耗费大量的时间和资源，并且，一旦建成后 通常情况下很难进行调整和优化。因此，传统的基于 二维平面图的建设规划方案已经无法满足这样的需 求。 借助 Plant Simulation 的三维可视化数字孪生 工厂仿真技术，通过全三维的、高逼真度的模型，以 及包含运动机构和可以展现逼真动作序列的生产设 备模型，在虚拟的数字世界里展现逼真的生产线和 工厂运营场景，利用模型进行三维空间的漫游、查 看，同时，从设备空间的占用、相对距离、物流通道、 人员通道的面积等空间因素，进行产线的检查，用户 可以在实际建设之前通过虚拟模型对生产线进行仿 真和优化。通过对不同参数、设备布局、工艺流程等 因素进行模拟和分析，在实际建设之前就对生产线 进行优化调整，提高整体的生产效率和运营效能，确 定最佳的工厂生产线规划布局方案，物流配送方案 和配套的仓储方案等，这样，就可以将工厂仿真和厂 房建设仿真配合协同进行，在早期就发现潜在的设 备和建筑设施干涉等的问题，从而避免这些问题影 响正常生产而不得不花费巨大的时间和资源成本去 修 改 。

5) 数字化工厂在日常生产过程中持续产生价值 除了在新工厂的规划和项目的早期阶段之外， Plant Simulation 数字化工厂仿真在日常的生产过程 中也在持续不断的产生价值。 随着市场需求的不断变化，传统的大批量生产 模式已经不能满足市场的需求。而小批量、多品种、 定制化生产模式正成为市场的主流趋势。这样的生 产模式对企业的生产灵活性、管理效率和质量控制 能力等各个方面都提出了更高的要求。借助 Plant Simulation 数字化工厂仿真，用户企业可以实现生 产流程的优化，提高生产效率，降低生产成本。

例如，通过使用 Plant Simulation 工厂仿真模 型并结合生产调度系统，企业可以实现生产计划的 快速调整，实现生产线的快速切换，从而实现小批 量 、 多 品 种 、 定 制 化 生 产 的 要 求。 利 用 Plant Simulation 进行仓储和物流仿真分析，可以帮助用 户在新建配送中心，确定物流配送方式和规划最优 物流路线时，根据仿真的结果对各种不同的方法进 行多维度全方位的比较，从而选出最优最适合的方 案。当企业需要引入新产品或者需要根据市场需求 调整和切换不同产品的节拍和产能时，可以提前在 Plant Simulation 数字化工厂仿真模型中进行虚拟验 证，在不影响和损失现有产能的情况下，根据仿真结 果有针对性的制定新产品混线生产方案等。下图是 用户使用 Plant Simulation 进行产线仿真，发现了产 线中的不平衡从而提前进行了整改，提升了工厂整 体的产能输出。