基于新一代信息技術(shù)，提出了虛擬工廠建設(shè)框架。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入智能制造，用數(shù)據(jù)將虛擬與現(xiàn)實(shí)連接，這或許是實(shí)現(xiàn)中國制造2025的創(chuàng)新路徑。

全球未來工業(yè)的發(fā)展

工業(yè)4．0、中國制造2025是全世界各個(gè)國家針對未來工業(yè)的發(fā)展，都提出了各自的戰(zhàn)略規(guī)劃，智能制造是其中的核心。然而如何打通制造企業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、售后等多部門的快速協(xié)作，依然是世界性難題。

而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造企業(yè)中打造出的“虛擬工廠”，讓任何人都可以利用移動(dòng)終端，通過互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)入“工廠”，查看準(zhǔn)確、完整、實(shí)時(shí)的信息，快速協(xié)作，這也許會為全世界的先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展提供新的路徑。

虛擬工廠是實(shí)現(xiàn)智能工廠的第一步

構(gòu)建虛擬工廠則是實(shí)現(xiàn)智能工廠目標(biāo)的基礎(chǔ)。所謂虛擬工廠，是把“現(xiàn)實(shí)制造”和“虛擬呈現(xiàn)”融合在一起，通過遍布全廠的海量傳感器采集現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)制造過程中的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)數(shù)量非常巨大，可實(shí)時(shí)、快速地反映生產(chǎn)中的任何細(xì)節(jié)。

基于這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，應(yīng)用數(shù)字化模型、大數(shù)據(jù)分析、3D虛擬仿真等方法，可對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，使虛擬世界中的生產(chǎn)仿真與現(xiàn)實(shí)世界中的生產(chǎn)無縫融合，利用虛擬工廠的靈活可變優(yōu)勢，來促進(jìn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)。

構(gòu)建虛擬工廠是一個(gè)多學(xué)科交叉與融合的過程。虛擬工廠劃分為基礎(chǔ)包和技術(shù)包：其中基礎(chǔ)包有基于數(shù)字化制造、基于模型的系統(tǒng)工程、知識挖掘等技術(shù)；技術(shù)包包括工廠建模中信息模型、仿真模型，工藝設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，物流設(shè)計(jì)，邊緣計(jì)算、機(jī)器智能和虛擬現(xiàn)實(shí)或是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)集成技術(shù)。通過系統(tǒng)集成，它們與企業(yè)其它不同的異構(gòu)系統(tǒng)集成，例如企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、高級計(jì)劃與排程（APS）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等。

虛擬工廠關(guān)鍵點(diǎn)

第一是物理工廠與虛擬工廠同步運(yùn)行，物理工廠生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境等都會通過虛擬工廠反映出來，這需要采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可用，并通過連續(xù)、不中斷的數(shù)據(jù)通道交互。

第二是虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，利用三維可視化技術(shù)將生產(chǎn)場景真實(shí)展現(xiàn)出來，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)三維場景中的設(shè)備，使其狀態(tài)與真實(shí)生產(chǎn)場景一致，從而讓管理者充分了解整個(gè)生產(chǎn)場景中各設(shè)備的運(yùn)行狀況，達(dá)到監(jiān)測、查看、分析的目的。

第三是通過大數(shù)據(jù)與分析平臺，將云端中匯集的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、分析、挖掘，幫助工廠制定更明智的決策，快速提高生產(chǎn)效率、降低成本和改善質(zhì)量等目標(biāo)。

建立虛擬工廠三大技術(shù)支撐

一是基于建模和仿真方法的虛擬生產(chǎn)技術(shù)，通過構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)人與虛擬世界的互動(dòng)。

二是物理工廠獲取信息的技術(shù)，它基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析來展示相關(guān)結(jié)論和洞察力。

三是虛擬世界控制現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，虛擬工廠是信息系統(tǒng)整體的有機(jī)結(jié)合。在虛擬世界，基于數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動(dòng)仿真模型，應(yīng)用各種機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新一代人工智能下的高級算法，為工廠調(diào)度和控制、訂單處理、任務(wù)排隊(duì)、設(shè)備預(yù)防維護(hù)等方面的應(yīng)用得到最優(yōu)解。

在現(xiàn)實(shí)空間，通過決策推理、知識挖掘等自學(xué)習(xí)的工業(yè)大數(shù)據(jù)，把由仿真模型驗(yàn)證的數(shù)據(jù)和加工指令送給生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備或生產(chǎn)線，調(diào)度器根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行生產(chǎn)，現(xiàn)場設(shè)備或生產(chǎn)線的控制采用了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由直接與仿真模型的仿真器相連的遙控操作完成。

虛擬數(shù)字化工廠與傳統(tǒng)工廠的差異

傳統(tǒng)工廠：人工統(tǒng)計(jì)，效率低且不準(zhǔn)確

在傳統(tǒng)的中小型工廠中，對于設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，幾乎完全依靠人工完成。流動(dòng)的人員、散落的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的保存成了一個(gè)巨大的問題。同時(shí)人工統(tǒng)計(jì)的效率也非常的低，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)更新。

此外，數(shù)據(jù)對于設(shè)備而言有著時(shí)效性和歷史數(shù)據(jù)參考性的關(guān)鍵作用，從底層操作工的數(shù)據(jù)記錄－數(shù)據(jù)分析－數(shù)據(jù)反饋－管理者的決策，中間的環(huán)節(jié)讓數(shù)據(jù)的時(shí)效性大大降低，同時(shí)人工的記錄統(tǒng)計(jì)也會造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題，而且龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算分析，對于人力是一個(gè)非常大的耗損。

數(shù)字化工廠：設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳反饋

而在數(shù)字化工廠中，物聯(lián)網(wǎng)的概念就被運(yùn)用到每一臺設(shè)備上。設(shè)備與設(shè)備之間，早也不是信息孤島，而是將人、設(shè)備，通過數(shù)據(jù)建立緊密聯(lián)系。一個(gè)工廠管理者可以在手機(jī)或者PC終端觀測到每一臺設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且可以隨時(shí)收到設(shè)備的狀態(tài)提醒。

除了收集、計(jì)算、反饋等“去工人化”的功能，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)之后，還有一大好處就是數(shù)據(jù)的存儲。大量歷史數(shù)據(jù)，包括設(shè)備損失數(shù)據(jù)，也給后期工廠設(shè)備的很多操作都提供了參考意義。之后，再遇到工廠的人員流動(dòng)，這些數(shù)據(jù)依然可以隨時(shí)調(diào)用并完善保存。

傳統(tǒng)工廠：設(shè)備意外停機(jī)頻發(fā)，造成大量損失

除了數(shù)據(jù)的管理問題，傳統(tǒng)工廠還有一大痛點(diǎn)，那就是經(jīng)常遭遇意外停機(jī)。意外停機(jī)不僅造成了生產(chǎn)的停滯，而且對于設(shè)備造成的隱性破壞不可估量。

為了預(yù)防設(shè)備的意外停機(jī)，工廠通常安排了24小時(shí)的輪班工人巡檢，造成了工廠人力耗損嚴(yán)重。每時(shí)每刻的巡檢也并不能全面檢測到可能導(dǎo)致設(shè)備意外停機(jī)的各種因素。

由于害怕意外停機(jī)帶來的嚴(yán)重?fù)p失，很多工廠也會購買大量的備用零部件，以防止意外停機(jī)的維修需要，而現(xiàn)實(shí)情況又是一些設(shè)備的意外停機(jī)故障周期很長，導(dǎo)致大量的備用零部件并沒有派上用場，造成成本浪費(fèi)。

數(shù)字化工廠：設(shè)備意外停機(jī)預(yù)警通知，讓設(shè)備時(shí)刻保持最佳運(yùn)行狀態(tài)

數(shù)字化工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，設(shè)備的一切都被隨時(shí)監(jiān)控反饋，而意外停機(jī)發(fā)生之前，設(shè)備的某些參數(shù)會發(fā)生變化，此時(shí)設(shè)備就能在參數(shù)發(fā)生變化時(shí)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警通知，讓設(shè)備故障在發(fā)生之前被發(fā)現(xiàn)及運(yùn)維。從而保證工廠設(shè)備時(shí)刻處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

即使是故障已經(jīng)發(fā)生了，也能在過去的設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)里立即找到合適的解決方案，把損失降到最低。這也就是數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)的重要一步，讓預(yù)知未來成為智能工廠的一部分。

結(jié)尾：

智能工廠虛擬仿真技術(shù)對于智能制造非常重要。智能制造從數(shù)字化、智能化技術(shù)和裝備將貫穿產(chǎn)品的全生命周期，推動(dòng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程產(chǎn)生了重大變革，從而努力實(shí)現(xiàn)中國制造2025的創(chuàng)新路徑。