圍繞激烈的市場競爭，制造企業(yè)已經(jīng)意識到他們正面臨著巨大的時間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等壓力。如何快速適應市場的變化，實現(xiàn)從“以產(chǎn)定銷”到“按訂單生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變？數(shù)字化工廠提供了較為理想的解決方案。

1.數(shù)字化工廠概述

　　數(shù)字化工廠是BIM(建筑信息模型)技術、現(xiàn)代數(shù)字制造技術與計算機仿真技術相結(jié)合的產(chǎn)物，同時具有其鮮明的特征。

1.1數(shù)字化工廠

1.1.1數(shù)字化工廠的概念

　　數(shù)字化工廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)虛擬制造原理，在虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、優(yōu)化和重組的新的生產(chǎn)組織方式。它是在設計建造階段，建立全面、詳實的信息，包括材料、工藝、設備運行管理等全生命周期的信息檔案數(shù)據(jù)庫，利用BIM(建筑信息模型)技術指導建筑物、構筑物及設備的科學使用和維護，為信息化、標準化管理提供數(shù)據(jù)基礎平臺，加上CAD、EEP、MEP等應用管理系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)字化信息的有效傳遞，既鏈接了生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，又與企業(yè)經(jīng)營管理相互聯(lián)系，進而把整個企業(yè)數(shù)字化的資金信息、物流信息、生產(chǎn)裝置狀態(tài)信息、生產(chǎn)效率信息、生產(chǎn)能力信息、市場信息、采購信息以及企業(yè)所必須的控制目標都實時、準確、全面、系統(tǒng)地提供給決策者和管理者，幫助企業(yè)決策者和管理者提高決策的實時性和準確性以及管理者的效率，從而實現(xiàn)管理和控制數(shù)字化、一體化的目標。

1.1.2數(shù)字化工廠的優(yōu)勢

　　數(shù)字化工廠利用其工廠布局、工藝規(guī)劃和仿真優(yōu)化等功能手段，改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的理念，給現(xiàn)代化工業(yè)帶來了新的技術革命，其優(yōu)勢作用較為明顯。

　　預規(guī)劃和靈活性生產(chǎn)：利用數(shù)字化工廠技術，整個企業(yè)在設計之初就可以對工廠布局、產(chǎn)品生產(chǎn)水平與能力等進行預規(guī)劃，幫助企業(yè)進行評估與檢驗。同時，數(shù)字化工廠技術的應用使得工廠設計不再是各部門單一地流水作業(yè)，各部門成為一個緊密聯(lián)系的有機整體，有助于工廠建設過程中的靈活協(xié)調(diào)與并行處理。此外，在工廠生產(chǎn)過程中能夠最大程度地關聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈上的各節(jié)點，增強生產(chǎn)、物流、管理過程中的靈活性和自動化水平。

縮短產(chǎn)品上市時間、提高產(chǎn)品競爭力：數(shù)字化工廠能夠根據(jù)市場需求的變化，快速、方便地對新產(chǎn)品進行虛擬化仿真設計，加快了新產(chǎn)品設計成形的進度。同時，通過對新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程進行模擬仿真與優(yōu)化，保證了新產(chǎn)品生產(chǎn)過程的順利性與產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，加快了產(chǎn)品的上市時間，在企業(yè)間的競爭中占得先機。

　　節(jié)約資源、降低成本、提高資金效益：通過數(shù)字化工廠技術方便地進行產(chǎn)品的虛擬設計與驗證，最大程度地降低了物理原型的生產(chǎn)與更改，從而有效地減少資源浪費、降低產(chǎn)品開發(fā)成本。同時，充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料（客戶需求、生產(chǎn)原料、設備狀況等）進行生產(chǎn)仿真與預測，對生產(chǎn)過程進行預先判斷與決策，從而提高生產(chǎn)收益與資金使用效益。

　　提升產(chǎn)品質(zhì)量水平：利用數(shù)字化工廠技術，能夠?qū)Ξa(chǎn)品設計、產(chǎn)品原料、生產(chǎn)過程等進行嚴格把關與統(tǒng)籌安排，降低設計與生產(chǎn)制造之間的不確定性，從而提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，方便地進行質(zhì)量規(guī)劃，提升質(zhì)量水平。

1.2數(shù)字化工廠的差異性

　　“數(shù)字化工廠”貫穿整個工藝設計、規(guī)劃、驗證、直至車間生產(chǎn)工藝整個制造過程，在實施過程需要注意系統(tǒng)集成方面的問題，“數(shù)字化工廠”不是一個獨立的系統(tǒng)，規(guī)劃時，需要與設計部門的CAD/PDM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，并對設計產(chǎn)品進行可制造性驗證（工藝評審），同時，所有規(guī)劃還需要考慮工廠資源情況。所以，“數(shù)字化工廠”與設計系統(tǒng)CAD/PDM和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的集成是必須的。同時，“數(shù)字化工廠”還有必要把企業(yè)已有的規(guī)劃“知識”（如工時卡、焊接規(guī)范等）集成起來，整個集成的底部是PLM構架。

　　同時，類似于PDM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，每個企業(yè)都有自己的流程和規(guī)范，考慮到很多人都在一個環(huán)境中協(xié)同工作（工藝工程師、設計工程師、零件和工具制造者、外包商、供應商以及生產(chǎn)工程師等），隨時會創(chuàng)建大量的數(shù)據(jù)，所以，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)也存在客戶化定制的要求，如操作界面、流程規(guī)范、輸出等，主要是便于使用和存取等。

2 數(shù)字化工廠的實現(xiàn)與應用

　　數(shù)字化工廠以突出的功能優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)，尤其是制造業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應用，但其實現(xiàn)過程也涉及多種關鍵技術。

2.1數(shù)字化工廠的關鍵技術

數(shù)字化工廠涉及的關鍵技術主要有：數(shù)字化建模技術、虛擬現(xiàn)實技術、優(yōu)化仿真技術、應用生產(chǎn)技術。

　　數(shù)字化建模技術：數(shù)字化工廠是建立在數(shù)字化模型基礎上的虛擬仿真系統(tǒng)，輸入數(shù)字化工廠的各種制造資源、工藝數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)等要求建立離散化數(shù)學模型，才能在數(shù)字化工廠軟件系統(tǒng)內(nèi)進行各種數(shù)字仿真與分析。數(shù)字化模型的準確性關系到對實際系統(tǒng)真實反映的精度，對于后續(xù)的產(chǎn)品設計、工藝設計以及生產(chǎn)過程的模擬仿真具有較大的影響。因此，數(shù)字化建模技術作為數(shù)字化工廠的技術基礎，其作用十分關鍵

　　虛擬現(xiàn)實技術：虛擬現(xiàn)實技術能夠提供一種具有沉浸性、交互性和構想性的多維信息空間，方便實現(xiàn)人機交互，使用戶能身臨其境地感受開發(fā)的產(chǎn)品，具有很好地直觀性，在數(shù)字化工廠中具有廣泛的應用前景。虛擬技術的實現(xiàn)水平，很大程度上影響著數(shù)字化工廠系統(tǒng)的可操作性，同時也影響著用戶對產(chǎn)品設計以及生產(chǎn)過程判斷的正確性。

　　優(yōu)化仿真技術：優(yōu)化仿真技術是數(shù)字化工廠的價值所在，根據(jù)建立的數(shù)字化模型與仿真系統(tǒng)給出的仿真結(jié)果及其各種預測數(shù)據(jù)，分析虛擬生產(chǎn)過程中的可能存在的各種問題和潛在的優(yōu)化方案等，進而優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高生產(chǎn)的可靠性與產(chǎn)品質(zhì)量，最終提高企業(yè)的效益。由此可見，優(yōu)化仿真技術水平對于能否最大限度地發(fā)揮企業(yè)效益、提升企業(yè)競爭力具有十分重要的作用，其優(yōu)化技術的自動化、智能化水平尤為關鍵。

　　應用生產(chǎn)技術：數(shù)字化工廠通過建模仿真提供一整套較為完善的產(chǎn)品設計、工藝開發(fā)與生產(chǎn)流程，但是作為生產(chǎn)自動化的需要，數(shù)字化工廠系統(tǒng)要求能夠提供各種可以直接應用于實際生產(chǎn)的設備控制程序以及各種是生產(chǎn)需要的工序、報表文件等。各種友好、優(yōu)良的應用接口，能夠加快數(shù)字化設計向?qū)嶋H生產(chǎn)應用的轉(zhuǎn)化進程。

2.2常見數(shù)字化工廠軟件

　　由于數(shù)字化工廠技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的優(yōu)越性，各知名企業(yè)競相開發(fā)各種數(shù)字化工廠軟件，其中較為常見、應用最為廣泛的數(shù)字化工廠軟件主要有eM-Power和Demia等。

2.3數(shù)字化工廠的應用

　　數(shù)字化工廠是信息化技術發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種新的企業(yè)組織形式，是促進企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的新興技術，目前主要應用在汽車制造、航空航天等大型制造企業(yè)。

3.3.1數(shù)字化工廠技術在汽車行業(yè)的應用。

目前，數(shù)字化工廠技術在國內(nèi)外汽車制造業(yè)中得到了廣泛應用。在國外，如通用汽車公司使用Tecnmatix eMPower的解決方案，大大縮短了通用公司從新產(chǎn)品設計、制造到投放市場的時間，同時提升了其產(chǎn)品質(zhì)量。奧迪公司使用eM-Plant進行物流規(guī)劃仿真，如A3 Sportback項目。通過物流規(guī)劃仿真不僅使得整個生產(chǎn)物流供應鏈之間建立起了緊密有序的聯(lián)系，同時也方便對物流方案進行先期評估和可行性分析。在國內(nèi)，如一汽大眾在車身主拼線工藝設計中采用數(shù)字化工廠技術，改善了車身焊接工藝，提高車身焊接質(zhì)量。上海大眾在發(fā)動機設計和產(chǎn)品總裝領域采用數(shù)字化工廠技術，大幅提升了公司的制造技術和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，華晨金杯公司引進西門子的Tecnomatix軟件，對產(chǎn)品的總裝工藝進行數(shù)字化改造。

2.3.2數(shù)字化工廠技術在飛機制造業(yè)的應用。

　　在飛機制造業(yè)，數(shù)字化工廠技術的先進性也得到了充分體現(xiàn)。如美國的洛克希德馬丁公司在F35研制過程中，采用數(shù)字化工廠技術縮短了2/3的研制周期，降低了50%的研制成本，開創(chuàng)了航空數(shù)字化制造的先河。有如波音787飛機在研制過程中采用基于Delmia的數(shù)字化工廠技術，實現(xiàn)其產(chǎn)品的虛擬樣機發(fā)布?？湛虯380飛機采用虛擬裝配方案，實現(xiàn)整機的三維虛擬裝配仿真和驗證。不僅國外飛機制造企業(yè)在其產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)過程中使用數(shù)字化工廠技術，國內(nèi)的飛機制造企業(yè)也是如此。如上海飛機制造廠利用數(shù)字化工廠技術在三維環(huán)境中進行人工裝配操作的數(shù)字化模擬，提高了人工操作的標準化。而西安航空動力控制公司則采用Tecnomatix的數(shù)字化工廠軟件對其異型件生產(chǎn)線進行仿真和優(yōu)化，進行技術改造探索。

2.3.3數(shù)字化工廠在鑄造行業(yè)的探索

　　共享鑄鋼團《數(shù)字化工廠示范工程》擬運用先進制造理念（如虛擬制造、智能制造、綠色制造、柔性制造等）和先進鑄造技術、方法，結(jié)合共享集團在鑄造行業(yè)內(nèi)領先的制造、技術和管理經(jīng)驗，全面融合先進信息化技術，建設數(shù)字化模樣生產(chǎn)線、數(shù)字化柔性造型生產(chǎn)線、智能化熔煉控制系統(tǒng)、智能體聯(lián)合控制的鑄件精整線、數(shù)字化在線檢測等綜合集成的數(shù)字化鑄造工廠，在“多品種、小批量、快捷”鑄造生產(chǎn)方面達到同行業(yè)領先水平，建成一座在鑄造行業(yè)領先的“數(shù)字化、柔性化、綠色、高效”鑄造工廠，集成并創(chuàng)造數(shù)字化鑄造新模式。

　　隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化工廠技術不斷與現(xiàn)代企業(yè)相結(jié)合，已成為提升企業(yè)競爭力的新動力。在當前企業(yè)發(fā)展的新形勢下，數(shù)字化工廠技術出現(xiàn)了新的趨勢。首先，現(xiàn)場總線技術在數(shù)字化工廠中的應用，提升數(shù)字化工廠的現(xiàn)場可操作性；其次，應用網(wǎng)絡技術，拓展數(shù)字化工廠網(wǎng)絡互聯(lián)能力；最后，數(shù)字化工廠的智能化發(fā)展，實現(xiàn)虛擬仿真與企業(yè)真實生產(chǎn)的無縫鏈接，打造真正的智能數(shù)字化工廠。