数字基础及运营 2

第4章

数字孪生与数字化工厂4.1数字孪生的产生与发展4.2数字孪生概念与内涵4.3数字孪生的内容与架构4.4数字化工厂4.5数字化工厂下的生产数字孪生数字孪生的概念最初由Grieves教授于2003年在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出，并被定义为三维模型，包括实体产品、虚拟产品以及二者间的连接，如下图所示。

数字孪生的构成4.1.1数字孪生的产生背景4.1数字孪生的产生与发展杭州电子科技大学李晓MichaelGrieves在2003~2005年将这一概念模型称为“镜像空间模型”，在2006~2010年将其称为“信息镜像模型”在2006~2010年将其称为“信息镜像模型”。2011年，MichaelGrieves与美国宇航局JohnVickers合著的《几乎完美：通过PLM推动创新和精益产品》一书中正式将其命名为数字孪生。杭州电子科技大学李晓

但是，该概念和模型在2003年提出时并没有引起国内外学者们的重视，主要是因为：（1）当时在生产过程中收集产品相关信息的技术手段有限，大多采用人工方式和基于纸质文件，尤其是难以实现生产数据的在线实时采集；（2）物理产品的数字化描述尚不成熟，相关的软硬件无法支持在虚拟空间中精确定义和描述实体产品的相关属性和行为。（3）当时的计算机性能和算法难以实现对大数据的实时处理，移动通信技术也不够成熟，虚实之间的数据实时传输难以实现。杭州电子科技大学李晓由于GE、西门子等公司的推广，数字孪生技术近年来在工业制造领域同样发展迅速。GE基于Predix平台构建资产、系统、集群级的数字孪生，生产商和运营商可以分别利用数字孪生来表征资产的全寿命周期，以便更好地了解、预测和优化每个资产的性能。西门子与Bentley软件公司携手推出Plantsight数字孪生模型云服务，PlantSight是一款数字化解决方案，能够帮助客户提升工厂的运营效率。PlantSight提供最新的运营时数字孪生模型，能够在物理现实与工程数据之间实现同步，为所有运营工厂内跨不同数据源的一致性数字组件打造了一个全面的数字环境。借此，工厂运营方能够获取高度可信的高质量信息，从而可以随时启动运营并提高可靠性。4.1.2数字孪生的发展杭州电子科技大学李晓2016-2018年，Gartner连续三年将数字孪生列为十大战略科技发展趋势杭州电子科技大学李晓2019年，Gartner认为数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年将产生破坏性创新杭州电子科技大学李晓资料来源:赵敏，走向智能研究院数字孪生数字孪生+数字孪生++西门子公司Digital

Twin数字孪生DigitalTwin

P/P/P数字孪生

产品/生产/绩效ComprehensiveDigital

Twin综合数字孪生PTC公司Digital

Twin数字孪生DigitalTwin+KSystem数字孪生+知识体系DigitalTwin+AR数字孪生+增强现实达索公司Virtual

Twin虚拟孪生Productlifecycle

Twin产品全生命周期孪生3DEXPERIENCE

Twin3DEXPERIENCE孪生ESI公司Physical-BasedVirtual

Twin基于物理的虚拟孪生Date-DrivedVirtual

Twin数据驱动的虚拟孪生Hybrid

Twin混合孪生数字孪生正成为跨国企业业务布局的新方向杭州电子科技大学李晓数字世界物理世界数字孪生空间传感器、驱动器集成层网络、协议通信层数据、模型（数字孪生实现）信息层资产功能功能层组织和业务流程业务层资产层

物（设备/机器/产品等）德国工业4.0参考架构以数字孪生体框架为核心的工业互联网Paas系统数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手美国工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键。应用平台数字孪生空间模型平台数据平台德国工业4.0参考架构将数字孪生作为重要内容。资料来源:赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手智慧城市国家建设目标新加坡虚拟新加坡法国数字孪生巴黎加拿大中国多伦多高科技社区雄安新区数字城市中国杭州城市大脑国家相关知名公司中国百度、华为、腾讯、阿里等美国特斯拉、福特等日本丰田、本田等德国西门子等车联网资料来源:赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓CAx软件为数字孪生的出现奠定了技术基础1949年第一代CAM软件APT问世；1969年NASA推出了第一代CAE软件COSMIC Nastran；1973年第一代CAPP系统AuToPros问世；1982年二维绘图标志性工具AutoCAD问世。……21世纪之前

技术积累期2000-2015年

概念提出期美国军方机构开始提出数字孪生的相关概念2003年密歇根大学MichaelGrieves教授首次提出数字孪生概念；2010年美国军方提出数字线程；2011年洛克希德·马丁提出数字织锦；2012年NASA发布了包含数字孪生的两份技术路线图。……2020-未来

快速发展期数字孪生技术和产业生态都有望迎来爆发期数字孪生将加速与AI等新兴技术融合发展进一步应用。数字孪生广泛应用于工业互联网、车联网、智慧城市等新型场景。……2015-2020年

应用萌芽期工业软件巨头纷纷布局数字孪生业务西门子2017年正式发布了数字孪生体应用模型PTC2017年推出基于数字孪生技术的物联网解决方案；达索、GE、ESI等企业开始宣传和使用数字孪生技术。……数字孪生因建模仿真技术而起、因传感技术而兴，并将随着新一代信息技术群体突破和融合发展而发展壮大。数字孪生历程：历经技术积累、概念提出、应用萌芽、快速发展四个阶段资料来源：赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓（1）CAx软件为数字孪生的出现奠定了技术基础1949年第一代CAM软件APT问世；1969年NASA推出了第一代CAE软件COSMIC Nastran；1973年第一代CAPP系统AuToPros问世；1982年二维绘图标志性工具AutoCAD问世。……21世纪之前

技术积累期杭州电子科技大学李晓（2）美国军方机构开始提出数字孪生的相关概念2003年密歇根大学MichaelGrieves

教授首次提出数字孪生概念；2010年美国军方提出数字线程；2011年洛克希德·马丁提出数字织锦；2012年NASA发布了包含数字孪生的两份技术路线图。……2000-2015年

概念提出期杭州电子科技大学李晓（3）工业软件巨头纷纷布局数字孪生业务西门子2017年正式发布了数字孪生体应用模型PTC

2017

年推出基于数字孪生技术的物联网解决方案；达索、GE、ESI等企业开始宣传和使用数字孪生技术。……2015-2020年

应用萌芽期杭州电子科技大学李晓2020-未来

快速发展期数字孪生将加速与AI等新兴技术融合发展进一步应用。数字孪生广泛应用于工业互联网、车联网、智慧城市等新型场景。……（4）数字孪生技术和产业生态都有望迎来爆发期杭州电子科技大学李晓从宏观看数字孪生不仅仅是一项通用使能技术，也将会是数字社会人类认识和改造世界的方法论。从中观看数字孪生将成为支撑社会治理和产业数字化转型的发展范式。从微观看数字孪生落地的关键是“数据+模型”，亟需分领域、分行业编制数字孪生模型全景图谱。数字孪生未来展望方法论理论推理试验验证数字孪生模型全景图谱逻辑对象物理实体机理模型数据驱动模型社会治理数字化转型产业数字化转型数字孪生政府数字孪生城市数字孪生公民……数字孪生工业数字孪生农业数字孪生医疗……杭州电子科技大学李晓4.2数字孪生的概念与内涵杭州电子科技大学李晓国外研究机构德勤：数字孪生是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现。埃森哲：数字孪生是指物理产品在虚拟空间中的数字模型，包含了从产品构思到产品退市全生命周期的产品信息。美国国防采办大学：数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。密歇根大学：数字孪生是基于传感器所建立的某一物理实体的数字化模型，可模拟显示世界中的具体事物。（1）数字孪生的定义1、什么是数字孪生杭州电子科技大学李晓国内行业专家宁振波：数字孪生是将物理对象以数字化方式在虚拟空间呈现，模拟其在现实环境中的行为特征。赵敏：数字孪生是指在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系。林诗万：数字孪生是实体或逻辑对象在数字空间的全生命周期的动态复制体，可基于丰富的历史和实时数据、先进的算法模型实现对对象状态和行为高保真度的数字化表征、模拟试验和预测。陶飞：数字孪生以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。杭州电子科技大学李晓数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。物理对象原理+数据软件是载体数据是基础自我学习模型是核心动态调整机理模型+数据驱动模型信息指令模型控制器数字孪生是实现物理空间在赛博空间交互映射的通用使能技术。软件模型算法化算法代码化代码软件化描述诊断预测决策杭州电子科技大学李晓（2）何为数字孪生高德地图是数字孪生吗？它是通过对真实在运行的地球进行数字化，将地球上发生的信息（主要是建筑物布局、街道方位、标志性地点等）再定位回到数字体上，最终通过app呈现给我们每个人。仿真模拟是数字孪生吗？仿真模拟是在数字体中模拟被数字化的物体可能遇到的现实环境（比方说对于一栋楼宇的抗震性能模拟，一辆汽车的风阻模拟等等），只不过这个过程复现的可以是还没有发生的“实际情况”。杭州电子科技大学李晓在科幻电影中，例如比较著名的漫威电影《钢铁侠》系列中，男主角斯塔克在制造钢铁战甲时，利用数字技术设计战甲，并在数字空间模拟战甲使用时的情况，对战甲加以改进以提升其性能。在电影《复仇者联盟》中，人物角色斯塔克构建了“数字孪生大厦”模型，通过该模型能够实时监控大厦的能源使用情况和供电装置的工作状态。杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓

数字主线（DigitalThread）：是指利用先进建模和仿真工具构建的，覆盖产品全寿命周期与全价值链，从基础材料、设计、工艺、制造以及使用维护全部环节，集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流。杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓2、数字孪生的五维模型杭州电子科技大学李晓（1）物理实体PE:PE是客观存在的，指一类具备状态感知能力、可交互的物理实体、系统或物理活动过程，通常由各种部件、子系统组成，并具有独立完成至少一种任务的能力。（2）虚拟实体VE：包括几何模型（Gv）、物理模型（Pv）、行为模型（Bv）、及规则模型（Rv），四类模型通过组装、集成与融合，能从多维度、多领域和多时空尺度对PE进行描述与刻画。（3）孪生数据DD：DD是物理实体、虚拟实体、应用服务的相关数据、领域知识，以及通过数据融合产生的衍生数据的集合；DD是集成融合了信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求。（4）连接交互CN：CN是实现物理实体、虚拟实体、应用服务及孪生数据之间的互联交互，将其连接成为一个整体，从而支持虚实融合。（5）应用服务Ss：以应用软件或APP的形式为不同领域、不同层次用户和不同业务提供应用服务，从而降低数字孪生应用实践中对用户专业能力与知识的要求，实现便捷的按需使用。杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓数字孪生驱动服务和数字孪生即服务可改进传统的产品服务，不仅给用户带来更好的体验，也为企业提供了有价值的见解和系统的思考。对于用户来说，在产品销售之前，即可通过产品数字孪生体验产品的真实使用感受。数字孪生驱动的仿真服务可以模拟产品的各种真实功能，为不同的用户切换不同的应用场景。产品介绍、咨询和体验服务都可以通过产品数字孪生来完成。产品数字孪生在交易时可以交付给客户。产品销售后，产品数字孪生一方面可以示教用户操作产品，另一方面可以实时监控产品运行状态，预测产品性能和寿命，及诊断产品故障。数字孪生赋予产品服务个性化、时效性和智能化。对于企业来说，在多维模型和融合数据的驱动下，数字孪生可以帮助企业优化流程，提高效率。数字孪生使企业能够将产品变成一个动态的、连接的和协作的平台，能够持续地感受到客户的需求，并可以根据不同的场景为客户提供更好的产品和服务。杭州电子科技大学李晓4.3数字孪生的内容与架构杭州电子科技大学李晓一项通用技术支撑经济社会数字化转型的通用使能技术两大孪生空间交互反馈原子实体逻辑物理空间比特模型软件赛博空间三大技术要素数据是基础原理机理模型数据驱动模型软件是载体模型算法化 算法代码化模型是核心传感器数据四大功能等级描述诊断预测决策五大典型特征数据驱动模型支撑软件定义精准映射智能决策代码软件化1、数字孪生的内容与特征（1）涵盖“12345”五大内容杭州电子科技大学李晓数字孪生的本质是在比特的汪洋中重构原子的运行轨道，以数据的流动实现物理世界的资源优化。数字孪生的核心是面向物理实体和逻辑对象建立机理模型或数据驱动模型，形成物理空间在赛博空间的虚实交互。数字孪生的关键是将模型代码化、标准化，以软件的形式动态模拟或监测物理空间的真实状态、行为和规则。通过感知、建模、软件等技术，实现物理空间在赛博空间的全面呈现、精准表达和动态监测。未来数字孪生将融合人工智能等技术，实现物理空间和赛博空间的虚实互动、辅助决策和持续优化。数据驱动模型支撑软件定义精准映射智能决策（2）数字孪生的典型特征：杭州电子科技大学李晓2、数字孪生技术架构资料来源：赛迪，数字孪生白皮书机理模型数据层物理层物理实体数据采集数据处理数据传输功能层模型层决策描述预测数据驱动模型诊断应用层智能工厂车联网智慧城市智慧建筑智慧医疗数字孪生技术架构杭州电子科技大学李晓数字孪生应用场景智能工厂车联网智慧城市智慧建筑智慧医疗核心价值实现产品迭代式创新实现生产制造全过程数字化管理开展设备预测性维护驾驶辅助部分自动驾驶有条件自动驾驶高度自动驾驶完全自动驾驶绘制“城市画像”实现城市规划“一张图”实现城市难题“一眼明”实现城市治理“一盘棋”打造虚拟建筑施工优化智慧家居人体运行机理模拟仿真医疗设备远程管理加快科研创新向临床实践的转化应用视角：包括智能工厂、车联网等应用场景资料来源：赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓物理世界智能诊断科学预测辅助决策可视化呈现Level

1 描述通过感知设备采集到的数据，对物理实体各要素进行监测和动态描述。Level

4 决策在分析过去和预测未来的基础上，对行为进行指导。Level

2 诊断分析历史数据，检查功能、性能变化的原因。Level

3 预测揭示各类模式的关系，预测未来。功能视角：包括描述、诊断、预测、决策四个能力等级资料来源：赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓⑤效果后评价①设想设想并评估当前应用场景，拟定数字孪生适用流程②确定方案确定最适合该应用场景的方案③试运行运用数字孪生模型模拟物理实体运行④产业化推进试行项目虚体，以虚控实，实现产业化评价产业化效果和投资效益部署视角：包括设想、确定方案、试运行、产业化、效果后评价五个阶段资料来源：赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓3、数字孪生平台数字孪生平台能力构成杭州电子科技大学李晓国际知名数字孪生平台及产品定位和核心技术杭州电子科技大学李晓国内数字孪生平台及产品定位和核心技术4.4数字化工厂杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓4.4.1基于数字孪生的数字化工厂产品数字孪生通过模拟物理对象在各种场景下的性能，可避免多个原型的重复开发，最小化开发总时间。因此，制造商可以在虚拟环境中调整参数，在产品上线之前测试和验证产品的功能、安全性和质量。例如：1.劳斯莱斯使用数字孪生风扇叶片来制造超级喷气发动机，提高了25%的燃油消耗效率。2.英国铁路网的数字孪生是为了实现设计过程的自动化而建立的，大大节省了现场人工测量的成本和时间。3.新加坡利用数字孪生技术研究新的智能建筑如何在现有基础设施上进行建设规划、安装等。另外，新加坡利用DT分析哪些建筑是安装太阳能电池板和积累能量的最佳选择。4.荷兰第二大城市鹿特丹还计划利用该市的数字孪生系统，来改善基础设施维护、能源效率、道路和水上交通，以及帮助消防员在紧急情况下出行任务等等。杭州电子科技大学李晓生产数字孪生也被称为虚拟调试，它主要用于车间的数字化和全自动化作业。例如：1.西门子和ABB集团分别将其应用在包装设备工程和锯床生产中。2.英国石油公司的数字孪生系统APEX是一个模拟监视系统，能将生产系统的优化时间从几个小时缩短到20分钟。杭州电子科技大学李晓什么是虚拟调试？随着制造过程的工艺复杂度和自动化水平的提高，人们不可能坚持传统的预调试模式。虚拟调试是指通过虚拟技术创建出物理制造环境的数字复制品，以用于测试和验证产品设计的合理性。简单地说，虚拟调试是通过工厂、车间、制造机器的模型，模拟运行整个或部分生产流程，并在生产线投产前对重要功能和性能进行测试。它能够检测和消除设计缺陷，例如PLCs代码中的bug，并提前解决一系列技术上的问题。调查显示，经过虚拟调试后的生产线一开机就有较高的质量，因此实际调试的时间可以减少75%。杭州电子科技大学李晓虚拟调试的其他优势：加快现场调试和生产线建设最小化设备故障、碰撞和停机的风险简化传统的软件测试流程——工厂验收测试和现场验收测试优化复杂生产线生产周期减少原型浪费和节省更多昂贵的材料越早解决bug的成本越低目前市场上已经提供虚拟调试解决方案的厂商有西门子（Tecnomatix）、达索系统（DELMIA）、可视化组件Essentials、机加工（industrialPhysics）、MapleSoft（MapleSim）等。杭州电子科技大学李晓设备数字孪生（绩效数字孪生）主要通过收集产品、机器和整个生产线的运行数据，以模拟和预测性能故障、能耗峰值及停机风险。例如：1.通用电气公司通过利用数字孪生体监控风力涡轮机的性能、监督风电场的运作和生产。2.压缩机制造商Kaeser通过使用数字孪生来预测什么时候可能发生故障，从而最小化停机时间。杭州电子科技大学李晓数字孪生与产品生命周期在产品设计、制造和运行维修阶段分别表现为产品数字孪生体、生产工艺流程数字孪生体和设备数字孪生体，帮助企业在实际投入生产前既能在虚拟环境中优化、仿真和测试产品性能，在生产过程中同步优化整个企业制造工艺流程，最终实现高效的柔性生产和快速创新上市，锻造企业持久竞争力。数字化工厂与数字孪生杭州电子科技大学李晓（1）数字化设计：数字孪生+产品创新杭州电子科技大学李晓达索、PTC、波音等公司综合运用数字孪生技术打造产品设计数字孪生体，在赛博空间进行体系化仿真，实现反馈式设计、迭代式创新和持续性优化。目前，在汽车、轮船、航空航天、精密装备制造等领域已普遍开展原型设计、工艺设计、工程设计、数字样机等形式的数字化设计实践。几何数据工艺数据原理数据材料数据历史设计数据现场设备数据现场环境数据历史测试数据数据层模型层应用层数模验证模型试验仿真模型物理几何模型产品数字模型生产加工模型客户生产部门第一性原理动态数据反馈集成服务接口优化迭代人机交互模拟客户深度体验沉浸式工艺设计虚拟制造工业设计优化设计协同辅助需求设计验证生产工程预测数据多维动态的数字环境精确执行的数字模型同步交付的数字产品资料来源:赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓（2）虚拟工厂：数字孪生+生产制造全过程管理杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓西门子、洛马等国外公司，以及华龙迅达、东方国信、石化盈科等国内公司，在赛博空间打造映射物理空间的虚拟车间、数字工厂，推动物理实体与数字虚体之间数据双向动态交互，根据赛博空间的变化及时调整生产工艺、优化生产参数，提高生产效率。智能计划排产 物料配给管理

生产参数优化 库存动态管控人员安排管控生产环境管控生产制造产品质量追踪产品设计员工数据机器数据物料数据规则数据环境数据多协议兼容+边缘数据采集协同工艺规划生产规划设计制造协同模型生产过程状态监测模型故障预测维修能效优化分析产品服务制造能力交易模型故障诊断模型设备维护管理安全可靠保障经营管理产品增值服务模型工艺优化模型生产管理优化模型质量控制模型设备健康管理模型节能减排模型离散行业流程行业数据层模型层应用层资料来源:赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓（3）设备预测性维护：数字孪生+设备管理杭州电子科技大学李晓GE、空客等公司开发设备数字孪生体并与物理实体同步交付，实现了设备全生命周期数字化管理，同时依托现场数据采集与数字孪生体分析，提供产品故障分析、寿命预测、远程管理等增值服务，提升用户体验，降低运维成本，强化企业核心竞争力。数据层模型层应用层现场设备数据历史状态数据现场环境数据历史维护数据状态监测模型几何数据物理数据远程诊断模型故障预测模型健康管理模型 学习提升模型健康评估寿命预测故障定位 故障预警维修规划设备检测

异常报警

备件管理远程调度

增值服务功能数据工艺数据资料来源:赛迪，数字孪生白皮书杭州电子科技大学李晓4.4.2数字化工厂的推进杭州电子科技大学李晓1.制造业背景：制造技术的发展需求和趋势变化，带来制造业核心竞争力发

生深刻的变化。制造需求：

多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速响应、节能减排环境友好等制造业变化的速度比以往更快杭州电子科技大学李晓◼

Digital

twin◼

状态监控◼

传感器与物联网◼

虚拟现实与增强现实5智能产品智能服务智能工厂智能研发智能管理智能物流与供应链智能决策◼

CPS◼

传感器◼

Adas◼

产品性能仿真◼

嵌入式软件◼

设计成本管理◼

DFM分析◼

拓扑优化◼

AGV◼

SLAM◼

自动化立库◼

WMS◼

TMS◼

DPS(数字拣货系统)◼

车间联网◼

增材制造◼

智能装备◼

智能产线◼

设备健康管理◼

ERP◼

CRM◼

EAM◼

SRM◼

MDM◼

BI◼

工业大数据◼

EPM◼

移动应用◼

智能与协作机器人◼

MES◼

视觉检测◼

APS◼

工艺仿真 ◼

数据采集(SCADA)◼

CAD◼

CAE（工程仿真）◼

CAM◼

EDA◼

PLM◼

质量管理◼

企业门户由数字化技术支撑的智能制造，已成为制造行业不可或缺的核心竞争力杭州电子科技大学李晓对数字化工厂特点与内涵的理解是企业提升竞争力的手段而非目标需要规划、IT、自动化、精益等部门通力合作会覆盖企业全价值链涉及极其复杂的系统工程涉及诸多使能技术行业差异很大6杭州电子科技大学李晓0201

03050604自动化基础薄弱部分环节开始了机器人，如焊接、喷涂、搬运等环节；装配环节的自动化程度还非常低；质检自动化，如视觉检测、激光检测等应用较少；数字化技术专业人才团队匮乏数字化技术涉及面广，人才专业性高；具备对数字化整体规划的人才较少；一般企业搭建数字化建设团队存在难度；业务模式与流程的变革难1.

对于数字化的愿景和目标不清晰；智能制造下的业务流程优化目标与战略存在脱节；行业内的最佳实践对标缺乏体系；业务模式受传统理念影响，模式创新存在困难；OT与IO融合度有限标准化与数据质量较差大部分企业的标准化推进力度弱；业务数据缺少统一的治理规则；核心问题7信息化没有明确对自动化的要求；设备种类多，老设备多，数据采集难度大；信息化无法有效的发挥自动化的优势；

集成成为最大的障碍缺少整体规划，孤岛严重；信息化与业务没有充分融合；业务流程断点较多；杭州电子科技大学李晓2.数字化工厂的推进的难点问题3.数字化工厂的推进与建设路径智能化互联化数字化建设阶段推进重点数字化自动化改造（机器人、自动化产线、自动化质检等）信息化系统的覆盖（ERP、MES、APS、SRM等）产品的数字化（传感、监测、人机交互）信息化与业务的深度融合互联化自动化与信息化的链接多个系统的集成（MES与ERP、CRM与ERP等）业务链条的打通与集成（OTD、产品全生命周期等）智能化基于深度学习的人工智能应用形成业务闭环与知识重用8核心业务的数字化系统建设；自动化改造，车间布局优化；两化深度融合；作业人员的减少；三大集成；各业务互联互通，形成“网”；数据与流程在企业中无缝流转；业务人员的减少；感知、分析、决策、学习；CPS系统；人工智能；管理人员的减少；杭州电子科技大学李晓4.杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓杭州电子科技大学李晓4.4.3数字化工厂的核心架构数字化工厂整体架构设计资料来源：e-works咨询杭州电子科技大学李晓Restricted©SiemensAG

2017西门子：数字化制造是智能制造的基础杭州电子科技大学李晓SiemensManufacturingOperationsManagement

Portfolio排产：APS

制造：MES

质量：Quality数据：EMI订单管理库存与内部物流跟踪与追溯制造任务管理性能监视业务系统集成高级产品质量计划供应商质量生产质量实验室质量抱怨管理审计管理中长期计划资源能力订单优先级顺序与同步生产变更企业和多工厂的可视化自助数据发现与仪表盘KPI计算问题追根溯源高级数据关联性分析制造运营管理（MOM）解决方案杭州电子科技大学李晓计划与排产

典型细节度与范围低细节度高细节度年 月 周 天 小时

分钟排产生产哪种产品生产时间生产量生产地点所需物料所需资源计划排产质量要求按计划执行排序同步优先级、约束和冲突监控执行管理变化计划杭州电子科技大学李晓高级计划战略决策工具考虑预测订单以及长期订单，以确定可行性并设置生产的大致方向；动态设置目标库存水平以满足未来需求；综合考虑约束、物料库存期等因素，平衡多种资源之间的负荷；支持产能的主要决策：增加工人增加资源产能增加工厂计划Preactor

GMPS预测需求开始补充库存订单计划时间段库存控制参数产能ERP杭州电子科技大学李晓高级排产战略决策支援工具考虑详细生产需求，提供生产序列和工作项列表；预测生产变化、生产中断、机器故障和废料的影响；对实时生产效率做出反应；支持决策：加班订单优先化分割生产批次交货期交涉订单承诺计划Preactor

GMPS预测需求开始补充库存订单计划时间段库存控制参数产能排产

Preactor

APS

倒班模式详细约束ERP排序规则杭州电子科技大学李晓西门子MOM解决方案

-

APS

组件MOM解决方案-APS组件如果我们根据交货期和序列来考虑整备时间，显得过于复杂。设备可用时间劳动力可用时间用电量约束模具约束多重约束未缩减整备时间缩减了部分整备时间完全缩减整备时间1 22432 32122433第

1

天 第

2

天 第

3

天 第4

天1 2 4 2 32 3杭州电子科技大学李晓西门子MOM解决方案

–

MES组件平台技术特点基于国际标准-ISA95

的领先体系架构所见即所得的工作流实现方式一站式从硬件、软件、现场管理集成支持容灾容错的高可用配置专有的数据集成总线与接口与SAP、PLM等其他系统无缝集成杭州电子科技大学李晓西门子MOM平台—MES模块工厂建模物料管理数据采集KPI管理逻辑建模现场防错质量分析报表管理计划下达设备管理能源管理看板管理杭州电子科技大学李晓ACTPLANDOCHECKQMSQualityManagement

solutionsPlantheproduct

engineeringprocessaswellashowtomanufacturethe

product.规划产品工艺工程及产品的生产过程The

manufacturingofaproductiscloselyconnectedtotheinspectionandmonitoringofthe

product.实时的检验与监控产品质量是生产过程中非常重要的一个环节.Initiatetheproblemsolvingprocesstomitigatethedeviationandsupportcontinuousimprovement

inproduct

planning启动问题解决流程来管理质量缺陷/偏差,

支持质量水平的持续提升.Beingabletovisualizetheactualsandcomparing

themtothespecificationsleads

totheabilitytoanalyzedeviations可视化显示实际过程数据并与标准规格进行比对来显示分析偏差杭州电子科技大学李晓MOM解决方案

–QMS组件MOM解决方案

–EMI组件工艺设计员生产主管

/生产调度操作员MOM功能展示场景车间作业管理物料管理质量管理分析、报告与产品档案工单与车间作业计划加工任务上传生产数据任务信息传送订单和生产数据

任务

工艺管理发布给制造部门任务发布来自ERP的订单反馈工单实际数据基础数据管理计划员生产统计员人员管理2

91100设备管理系统集成34传送到车间5678设备工具质量管理生产计划IT制造管理维护控制杭州电子科技大学李晓4.5数字（智）化工厂下的生产数字孪生

杭州电子科技大学管理学院

李晓

在数字孪生发展的初期阶段，实物和虚拟的世界往往只是镜像或相互参考印证的关系。随着各种产品及生产