原文《数字孪生智能工厂（总体结构、技术架构、MES+ERP）建设方案》PPT格式，主要从智慧工厂总体结构、智能工厂技术架构、智慧工厂建设核心要素、核心功能（基于三维仿真的数字化规、工业物联网与智能产线、MES和ERP无缝集成、公共资源精细化管理、智能化立体仓库和物流运输系统、生产控制中心PCC、SPC 质量在线检测与分析）、数字孪生与智慧工厂（数字孪生技术架构体系、数字孪生智慧厂房、数字孪生数据底座、基于数字孪生智慧工厂功能应用）等进行建设，本文仅对主要内容进行介绍。

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数字工厂，作为现代工业制造领域的创新模式，它结合了先进的物理设备、信息化技术、虚拟仿真等多种手段，旨在实现生产过程的智能化、高效化和低成本化。

1、建设数字化工厂产品模型，基于三维建模的产品设计。

★ 数字化是实现智能化的前提与条件，数 字化集成了产品数据、生产过程和工厂 建模的数据库，通过可视化、仿真分析 以及文档管理，提高产品质量，缩短产 品的设计及生产周期。

★ 产品数字化模型是产品仿真分析的基础， 是生产制造、工艺加工路线和工艺过程 的条件。

2、建设企业知识数据中心，实时数据联通的生产执行。

★ 企业可以借此契机对已有的历史数据进 行梳理，沉淀有价值的知识，去除冗余、 不规范的数据，把以往的设计知识和经 验更好地管理与共享，指导以后的设计 和生产工作的开展。数据标准化整理包 含图纸模板、BOM、各类项目文档模板、 企业标准、业务流程等。

3、建设数字孪生模型，工艺仿真使能的生产规划。

★ 从产品设计、生产环节建模，在计算机 虚拟空间中实现产品设计、生产加工、 装配校验以及废品回收等全生命周期模 拟仿真过程，从而通过数字孪生代替样 机制造。以此来提供设计质量和提供生 产效率，使企业利益最大化，提高市场 竞争力。

1、基于三维仿真的数字化规划

通过对整个生产工艺流程建模，在虚拟场景 中试生产，优化规划方案。

在规划层面的仿真模型实验过程中实现产能 分析与评估，通过预测未来可能的市场需求， 动态模拟厂房生产系统的响应能力；

在装配计划层面的仿真模型中，通过仿真实 验进行节拍平衡分析与优化，规划最优的装 配任务和资源配置。

2、虚拟仿真

现虚拟设计-在项目实施之前：依据设计、装备、工艺等数据模型，对产品 未来的制造、乃至全生命周期的过程进行虚拟仿真，达成对未 来生产过程的预测、评价、工艺、时序、交期、成本、能耗及 人工等进行精准的分析与改进，并完成产线布局及信息化模拟，在项目实施之前即对方案做出最优化的决策。

辅助优化决策-项目投产之后：将实际生产过程的大数据导入虚拟仿真系统，通过优化的控制方案及经验累积，不断地加快研发进度、 提升产品质量及生产效率、降低生产成本及能耗、增强企业 管理决策与生产控制水平。

便于系统展示-实际制造过程中：虚拟仿真系统通过与实际工厂生产过程数 据的交互，可展示产品制造流程的全方位、多角度、无限接 近真实工况的各项信息，以展现生产过程的透明度、提升对 企业先进制造能力的可信度。

2、工业物联网与智能产线

利用智能装备实现生产过程自动化、机器换人，提升生产效率；同时搭建工业生产物联网，通过网络连入机台，实现机台的生产信息采集、机 台互联，以及 自动控制与数据传输，使机台使用率最大化

基于物联网平台集成的现场 设备数据、生产管理数据和 外部数据，运用机器 学习、 人工智能等大数据分析与挖 掘技术，建立产品、工艺、 设备、产线等数字 化模型， 提供生产工艺与流程优化、 设备预测性维护、智能排产 等新型工业应用。

3、MES与ERP无缝集成

集成 MES 系统与 ERP 系统，实现了客户订单 下达到生产制造、产品交付以及售后追踪的全流 程信息化，实现了生产制造现场与客户的实时交 互。客户的个性化需求可以第一时间到达计划、 制造、商务等相关部门，制造人员就能直接按照 客户的要求进行快速生产和交付，客户也可以随 时了解所购买设备的生产进度。

生产现场以MES 系统为主线，辅助智能派工、 现场LED 看板等可视化信 息，集成化计划/物流/质量等控制系统，从生产计划下达、物料配送、 作业标准查询、质量管理等维度进行在线管控， 实现了人员、资源实时调度，生产制造现 场与 生产管控中心的实时交互。

4、公共资源精细化管理

5、智能化立体仓库和物流运输系统

6、生产控制中心PCC

厂房建设有 PCC 生产控制中心，通过对生产过程中物料、设备、辅助生产资源等数据采集，并集成 PDM\ERP\CRM\MES 等应用系统，实现 订单执行与生产现场的集中管理与调度。核心业务包括生产计划与执行管控、质量管控、物流管控，以及生产现场视频监控等。

7、SPC质量在线检测及分析系统

Ø 全时指时间域，既包括设计、建造和运维生命周期， 也包括产品设计、生产规划与生产执行等作业周期；

Ø 全域指多粒度的空间域，地理上包含地上、地下、 地表，管理上包含工厂、车间、设备系统，构造上 包含系统、单元、构件；

Ø 全要素指全生命周期所有业务涉及的要素，从产品 设计、生产规划与生产执行的全生命周期不同阶段。

1、数字孪生技术架构体系

2、厂区可视化管理

3、设备运维管理

4、厂区安全监控

5、生产线虚拟演练

第一阶段：强化自动化、数字化基础

通过改造、升级、研发、新增等方式实现车间关键重大工艺节点制造设备的自动化、数字化、可视化。建 设工厂数据支撑平台、可视化管理平台。以某车间作为试点，在取得成功后推广至全厂。

第二阶段：梳理企业业务流程，提升企业管理的智慧度

梳理企业业务流程，与办公OA系统、产品全生命周期PLM系统、资源计划管理ERP系统、新建生产执行 MES系统逐步融合，建立企业标准化、数字化的业务管理体系。

第三阶段：深度两化融合、打造核心竞争力

在关键重大工艺节点应用智能传感的物联网技术，实现物物相连。逐步实现产品生产制造全流程的物料、物流信息化。最终实现 单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放达标，在企业全业务流程、研发设计流程、生产流程中深化应用ERP、PLM、MES等系 统，逐步应用积累收集的海量数据进行大数据深度挖掘，建设生产规划、研发设计、生产管理、质量管理、运维管理等智慧应用， 建立一套符合企业未来智能工厂生产管控需求、功能全面、集成性高、技术先进及运行稳定的智能工厂数字化平台。

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公共资源定位系统是智能工厂的一个重要支撑。公 共制造资源定位平台融合不同的定位方式并满足不 同的业务需求的同时，实现基础设施的共用，达到 减少重复建设、提高基础设施利用率的目的。

通过物联网技术实现对在制品、叉车、人员、设备 资源的实时定位、追 踪与监控；

实时获取物料和运输工具的状态和位置等信息，并 可以通过对这些信息 的分析实现对物料的高效调度；

综合运用 WSN、RFID 和 GPS 等多种定位技术， 满足不同制造资源的定位需求。

智能化立体仓库和物流运输系统实现泵车、拖泵、车载泵装配线及部装线所需物料的暂存、拣选、配盘功 能，并与AGV 配套实现工位物料自动配送至各个工位。

仓储模式采用自动化立体仓库存储（主要储存中小件为主）+垂直升降库存储（主要储存小件为主）+平 面仓库储存（主要储存大件等其他特殊物资）很大程度地缓和了自动化立体仓库的出入库作业压力，有效 地提高了整个系统的作业能力。

检员所使用的设备，以工业级平板电脑和 PDA 为载体，在总装及部装线全面应用，实现了图形化质检，指导质检员快速、准确定位质检部位及 质检标准。

通过 GSP、MES、CSM 及 QIS 的整合应用，实现了涵盖供应商送货、零件制造、整机装配、售后服务等全生命周期的质检数字化，以及 SPC 分析、质量追溯等功能

设备监测、环境监测等多源物联感知数据在三维空间场景真 实位置直观展示，多种监测数据一张图呈现，做到一屏浏览 ， 一图感知，打破了信息孤岛，提升了数据应用价值。

帮助管理人员直观便捷掌控工厂整体运行状态，减轻工作压 力，提升工作效率，降低管理成本。

通过全栈三维可视化技术来进行精细化建模，打造整个 厂区环境，从园区、车间、生产流水线、设备的逐级可 视，还原工厂车间布局，生产设备模型，生产工艺等， 展示各类设备的空间位置，清晰完整地展现整个工厂环境。

按照从原料入厂到成品出厂（含检验）的实际工艺流水 线仿真展示生产的整体流程，表现关键设备动作、物料 流向、生产流程流畅程度等；对接工艺流程系统，基于 3D场景实时模拟工艺流水线的状态，如正常、故障、拥 堵等。通过调节特定工艺流程参数模拟仿真工艺变化， 调试生产方案，发现生产线隐含问题，提高实际生产线工作效率。

以数字孪生技术为基础，以可视 化、智能化、网络化、集成化理 念为目标，实现仓储的库区、仓 库、货架、设备等的逐级可视；以仓储监控为重点，集成视频监 控、出入库、库存盘点、告警等 各种管理系统，构建仓储管理的 监控、预警、诊断、分析一体化 的3D可视化平台。

厂区设备资产数据在三维场景精 准位置直观展示，360°直观浏览， 精准掌控厂区生产、应急资产分 布情况，赋能厂区设备资产的科学管理。

通过对生产设备的集中监视，汇 总生产过程中设备的实时状况， 对设备运行和管理情况数据进行 统计，形成设备运行情况统计数 据库、设备运维知识库，为合理 安排设备运行维护，充分发挥设 备的利用率，满足设备操作、车 间管理和厂级管理的多层需求提供依据。

通过收集智能设备产生的原始信 息，经过后台的数据积累，以及 专家库、知识库的迭加复用，进 行数据挖掘和智能分析，支撑设 备运维专家诊断系统建设，实时 了解整体设备内外的运行情况， 免去查看翻阅数据纪录的麻烦， 为企业提供精准、高效的设备管 理和远程运维服务，实现设备运 维环境可视化、设备质量问题可 追溯，缩短维护响应时间，提升 运维管理效率，规避潜在风险。

基于数字孪生环境，可构建工厂 孪生可视化环境，根据需要灵活 规划巡检业务，支持主动与被动 等多种巡检方式，管理者可实时 查看当前园区内巡检工作完成度 及人员位置，或利用机器人技术 模拟完成虚拟巡检，大大提升实 施效率和后期可维护性。

厂区设备资产数据在数字孪生精准位置直观展示，360°直观浏览，精准 掌控厂区生产、应急资产分布情况，赋能厂区设备资产的科学管理。

管理多种应急预案，合理规划救援与逃生路线，精准仿真事件处理过程， 直观感知现场状况，帮助精准指挥与科学决策，提升厂区应急事件应对 效果，保障厂区生产安全。

针对视频的安装及覆盖场景的不同，匹配适合的视频融合方式，实现分散的视频与三维场景的虚实融合应用。解决浏览不直观、观看不完 整等问题，做到室内、室外无缝切换，360度任意视角浏览。

智能工厂的仿真分析是在原有有限元分析理念的基础上，引入数字孪生的概念 对整个工厂生产运营做全方位的仿真过程。工厂通过仿真分析、数字孪生，把 物理空间全部映射在虚拟空间中去，不用去生产现场，在办公室指挥中心，或 在异地手机上可以实时看到现场的生产情况以及生产数据，并对数据进行分析， 为管理者提供决策依据。

数字化使得现实和虚拟世界无缝 连接，创造一个生产过程的数字 孪生模型，准确的将现实世界的 生产线生产过程以数字化方式表 达出来，对复杂的制造体系和生 产过程进行快速建模，对产线的 生产能力进行评估，实现生产过 程和产品全生命周期的智能化和 协同化。

在以实体工厂为模型重建的三维 虚拟数字空间中，对正在运行的 生产线,建立设备工艺模型、工位 间逻辑模型、产品状态模型以及 信息系统数据间的关联。通过共 享现有的数据库或者接口方式获 取现场生产数据，并通过交互联 动将现场生产活动数据推送至数 字孪生三维场景中，建立生产线 数字孪生体对实体的实时动作、 行为和状态的映射，通过数字孪 生虚实融合实现产线运行的实时 映射,为生产过程监控与决策优化 提供基础服务。

在三维数字孪生场景中，通过从对接 的MES/PLC系统获取设备的运行状态（运行、异常、停止）。当设备处于 异常时，可以迅速从MES/PLC系统获 取到设备异常在线报警信号，并在三 维界面上通过指向性漂浮窗来提示设 备报警信号。主要包括：报警信息弹 出显示，报警模型镜头定位，报警故 障现象记录，报警完善记录查询等， 从而实现异常报警信息管理。

利用智能传感技术实时采集产线故障 数据、设备状态参数及物流监控等生 产过程数据，通过生产线数字孪生系 统优化决策，预测性维护产线故障,岀 具故障分析报告。通过对生产线物理 实体实时状态和历史状态的真实反馈， 实现孪生体的自主学习、预测分析和 优化决策 。

结合生产监控数据类型及展示需求， 通过鸟瞰视图，全局展示当前线体上 的工单数据、料框分布、料框同态、 输送装置运动状态及加工设备运动状 态等生产现场数据。还可以公单信息 漂浮窗的形式更详细地显示该料框具 体的工单数据，从而实现对生产数据 更便捷的管理。

在实时映射功能基础上, 建设生产线 虚拟调试仿真环境。需要虚拟调试时， 将产线设备连接到虚拟调试系统；虚 拟调试结束后，可以快速将设备切换 到实际产线；为了分析、验证和调整 正运行的生产线上的问题，可以随时 切换到虚拟环境。虚拟生产仿真环境 能够在设备不运行情况下，验证生产 线控制程序，避免长时间且昂贵的生 产停顿，提高改造效率。

数字孪生体需要利用系统的实时运行 数据以及历史数据，对数理模型进行 修正、更新以及补充。通过融合运行 数据和系统机理，更好地进行实时动态评估。

系统通过同步读取历史信号数据、信 息系统业务数据以及视频监控数据， 还原历史状态。

利用 VR/AR/MR 的 3R 技术对产线里 史数据进行回放，在三维虚拟环境中, 再现故障发生前,生产线设备的异常以 及产品状态；可以根据历史数据时间， 调取对应时间的现场视频监控；结合 实时信号和信息系统数据，还原历史 数据对应的看板信息，辅助管理人员 更好地分析故障原因。

基于物联网技术把生产现场的数 据反馈到三维的工厂模型中，可 以进行基于虚拟工厂的生产系统 巡检，实现各车间生产管理人员 的高效安全生产巡检。同时结合 物联网数据和AR技术，实现基于 三维增强现实进行生产巡检，巡 查数据：产线三维模型、订单数 据、工艺数据、环境数据、设备 运行数据、预警数据、故障数据、 责任人数据。