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隨著科學技術的持續進步，制造類企業也經歷了多次變革。從實際發展情況來看，每一次變革都顯著提升了制造水平，凸顯了科學技術的主導作用。相關研究表明，制造類企業向智能化發展的過程中大致經歷了以下四個階段：手工作業、自動化流水作業、數字化網絡化作業、網絡化智能化作業。研究認為當前的制造類企業發展正處于第三階段數字化網絡化作業的發展時期，即信息化工業化深度融合的階段，同時正在探索網絡化智能化作業。

 數字化工廠是隨著數字仿真技術和虛擬現實技術發展而來的，它通過對真實工業生產的虛擬規劃、仿真優化，實現對工廠產品研發、制造生產和服務的優化和提升，是現代工業化與信息化融合的應用體現。隨著產品需求的不斷變化、產品周期的更新換代速度提升，以及3D打印、物聯網、云計算、大數據等新興信息技術的不斷應用，為了縮短研發周期，降低生產成本，提升企業產品質量和效益，先進的制造類企業開始越來越重視數字化工廠的建設，如上汽、海爾、華為、西門子等制造企業均已著手開始建設自己的數字化工廠，以支撐企業實現新的突破和發展。

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 數字化工廠的規劃建設、投產運營及優化改進是企業信息化和工業化融合不斷深入的過程。在這個過程中數字世界與物理世界不斷迭代，支持企業產品設計、生產制造、運營管理等各個環節的PDCA循環不斷改進和提升。本論文數字化工廠建設架構從產品生命周期、系統層級兩個維度來進行構建，實現數字世界與物理世界的交互迭代。

1）產品全生命周期：由產品設計、工藝規劃、生產制造、服務保障等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集合。生命周期中各項活動相互關聯、互相影響。

2）系統層級：數字化工廠建設系統層級自下而上共四層結構

①設備資源及控制層：包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置，以及電力、燃氣能源設施等硬件設備，以及與硬件設備密切相關的可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、分布式控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）等控制系統，是企業進行生產活動的技術基礎。

②數據庫層：涵蓋設計類、工藝類、制造類、管理類、試驗類以及標準體系庫（包含數字化管理標準、測試與試驗標準、設計標準、產品信息交換標準）等。各類數據庫均設有各自的基本數據庫與知識庫。作為數字化工廠體系框架的第二層，其為數字化工廠提供最為基礎的數據支撐。

③管理層：涵蓋面向設計部門的產品數據管理（PDM）、面向工藝部門的工藝工裝管理、面向生產部門的制造執行系統（MES）以及面向后勤保障部門的能源管理系統等

④協同層：包含產品生命周期管理（PLM）、企業資源計劃系統（ERP）、供應鏈管理系統（SCM）及客戶關系管理系統（CRM）等，通過互聯網絡開展信息共享工作，實現企業內部各部門間的協同以及產業鏈上不同企業間的協同。

3.1三個核心功能要素分別是互聯互通、系統集成、數據信息融合

1）互聯互通：數字化工廠的核心在于連接，需將設備、生產線、工廠、供應商、產品以及客戶進行緊密連接。數字化工廠順應了萬物互聯的發展趨向，把無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、生產檢測設備借助信息化系統構建成一個網絡，從而實現生產設備之間、設備與產品之間，以及數字世界（虛擬世界）與物理世界之間的互聯，進而讓機器、工作部件、系統與人能夠通過網絡持續開展數字信息的交互。

①生產設備之間的互聯：生產設備之間的互聯表現為單機設備的互聯，不同類型與功能的單機設備相互連接，進而組成生產線；不同的生產線相互連接，構成數字化車間；數字化車間相互連接，形成數字化工廠；不同地域、行業以及企業的數字化工廠相互連接，構建起一個具備廣泛制造能力的數字化制造系統聯盟。

②設備和產品的互聯：產品與生產設備可實現通信，使操作人員能夠實時掌握產品當前所處的加工階段、后續的操作流程，以及產品的制造時間等信息。

③虛擬與現實的互聯：通過信息化手段將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、控制、遠程協同等功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合

2）系統集成：數字化工廠將傳感器、嵌入式終端系統、控制系統、生產加工檢測等物理設備通過信息化手段形成一個網絡，使得人與人、人與設備、設備與設備，以及服務與服務之間能夠互聯，從而實現企業橫向集成、縱向集成，以及未來價值鏈端到端的集成。

①橫向集成：指企業通過信息網絡所實現的一種資源整合，包括生產線設備與設備之間、生產線和生產線之間、車間和車間之間、工廠和工廠之間的聯網，這是實現數字化工廠的物理基礎。也是未來實現企業間資源共享的基礎。

②縱向集成：指企業內部信息流的整合，運用統一的數據庫與軟件平臺，對設備資源數據、生產過程數據、產品數據等信息實時管理，以解決主要設備的互操作性及關鍵信息的一致性問題，確保數據或信息能夠實現自上而下與自下而上的有效流動，進而為后續的大數據分析與高級智能決策奠定基礎。

③價值鏈端到端集成：指圍繞產品全生命周期的價值鏈創造，通過價值鏈不同企業資源的整合，實現從產品設計、生產制造、物流配送、使用維護的產品全生命周期的管理和服務。即將產品制造企業的分析需求、獲取訂單、供應鏈和制造、物流交付、獲取收入、售后服務直至獲取新的訂單的整個循環集成起來。

3）數據信息融合：在系統集成和通信的基礎上，利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現數據信息協同共享，主要包括以下三種數據信息

①產品數據信息：涵蓋產品全生命周期各階段的數據信息。產品的各類數據信息經傳輸、處理與加工，使產品全生命周期管理成為現實，使個性化服務成為可能，使產品管理能夠貫穿其整個生命歷程，使用戶能夠參與產品設計、加工等各類活動。

②運營數據信息：包括企業內部的生產線、生產設備的數據，它可以用于對設備本身進行實時監控，并反饋到生產過程中，使得生產控制和管理最優化；還包括經濟運行、行業、市場競爭對手等企業外部數據，通過對采購、倉儲、銷售、配送等供應鏈環節上數據采集分析，可以減少庫存、動態調整生產、改進和優化供應鏈。

③產業鏈數據信息：包括客戶、供應商、合作伙伴等數據信息。通過了解技術開發、生產作業、采購銷售、內外部后勤等產業鏈各環節競爭要素數據信息，為企業管理者和參與者提供看待價值鏈的信息，使得企業有機會把價值鏈上更多的環節轉化為企業的戰略優勢。

3.2三項標志關鍵技術分別是建模技術、仿真技術、單一數據源技術

1）建模技術：數字化工廠最大的特點就是產品設計和生產均可在數字化空間中虛擬進行，這樣不僅可以對產品設計可行性進行仿真驗證，還可以對新產品進行可制造性和制造成本提前預估分析。數字化工廠各種要素模型按功能分為產品設計、工廠布局、工藝規劃、生產仿真、虛擬裝配、試驗驗證和能量管理等7個部分，如圖所示

2）仿真技術：仿真優化是數字化工廠的價值核心，根據建立的數字化模型和仿真系統給出的仿真結果及各種預測數據，分析數字化工廠中可能出現的各種問題和潛在的優化方案，進而優化產品設計和生產過程。在數字化工廠制造過程中，仿真技術應用主要包括：面向產品設計的仿真包括產品的靜態和動態性能；面向制造過程的仿真包括加工過程仿真、裝配過程仿真和檢測過程仿真等；面向企業其他環節的仿真包括制造管理過程仿真，以及工廠/車間布局、生產線布局仿真等。

3）單一數據源技術：在產品全生命周期中，存在不同部門和用途的數據文件清單（BOM）。單一數據源思想是將不同數據精心組織成邏輯上單一的數據源并建立嚴格約束，以解決不同部門間數據冗余和不一致問題。在產品全生命周期里，根據數據產生階段和部門不同，可分為設計BOM、工藝BOM等多種數據，每種數據BOM由產品類型、應用領域和生命周期唯一確定。其中，設計BOM是最原始的BOM文件，可視為產品單一數據源，它凝聚了產品設計工程師的創造性工作，其他BOM都是在其基礎上結合應用領域信息轉換而來。

將數字化工廠建設內容分為研發設計數字化、生產制造數字化、企業管理數字化、支撐保障數字化四部分內容，其示意羅盤圖如圖所示

4.1研發設計數字化

產品研發人員依據需求開展產品設計工作，獲取產品的相關數據及三維模型，并實施管理優化與改進舉措，直至最終確定產品的設計方案。該過程主要涵蓋產品設計、工藝規劃、虛擬試驗驗證三個階段。其中，產品設計著重打造數字化產品模型或原理樣機的構建條件，以及構建產品性能與功能的數字化驗證手段，主要涉及計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程分析（CAE）、計算機輔助操作（CAO，包含知識庫、基礎數據庫和專家系統等）三個方面的條件。

4.2生產制造數字化

涉及從投料開始到最終完成產品的全過程，生產制造數字化可以實現對生產過程的優化、監控和管理，以提高制造質量和效率。主要建設以下四個方面。

1）制造資源數字化主要涵蓋對現有設備實施數字化改造以及引進先進的數控智能設備。對現有設備進行數字化改造，主要是借助采用可編程邏輯控制器（PLC）、計算機數控系統（CNC）及其他數字化外設，對原有機床的電氣系統予以替換和升級。引進先進數控智能設備則包含購置數控機加設備（如車銑復合自動化加工單元等）、工業機器人（如焊接機器人等）。

2）生產過程數字化以制造執行系統（MES）為核心，包括計算機輔助制造（CAM），快速原型（RPM），以及分布式數控（DNC）聯網集成、數字化檢測、生產調度指揮中心等。

3）質量管控數字化重點建設計算機輔助質量管理（CAQ）、計算機輔助檢測（CAT）等手段。生產制造過程中質量管控數字化需要與企業管理數字化中質量管控統籌考慮。此部分建設重點為生產制造過程中的質量檢測控制，側重于通過MES系統解決

4）物料管控數字化重點建立自動化倉庫、自動配送傳輸裝置（AGV）、公共資源定位等物流管控條件，實現物流過程的自動化、數字化與智能化。

4.3企業管理數字化

將信息技術和管理技術用于企業管理領域，提高企業管理水平和經營效益。包括企業內管理數字化和企業間管理數字化兩大部分。

1）企業內管理數字化建立以產品為主線的PLM和以物料流為主線的ERP企業內管理數字化框架，輔助相應的辦公自動化OA、質量信息系統QIS、試驗數據管理系統TDM、產品數據管理PDM（TDM和PDM系統重點在產品研發設計數字化階段使用）、合同管理系統、人力資源管理系統、財務管理系統、設備管理系統、知識管理系統、企業門戶平臺、數據決策支撐系統等條件手段。

2）企業間管理數字化在企業內管理數字化的基礎上進一步實現企業間相關業務、流程與共享資源的數字化，從而使企業具備參與供應鏈數字化管理和敏捷制造的能力。重點建設供應鏈管理系統SCM，客戶關系管理CRM，以及電子商務智能BI等內容

4.4支撐保障數字化

作為數字化工廠的支撐保障條件，是數字化工廠支撐環境和運行條件，需與產品研發、生產制造、企業管理數字化條件同步開展。主要建設以下六個方面。

1）基礎設施

①網絡基礎：涵蓋異地網絡建設與本地局域網建設。其中，異地網絡建設涉及不同企業之間，以及本企業不同地點的網絡搭建。當前，本地局域網建設包含涉密網絡、工業互聯網（亦稱物聯網，涵蓋能源互聯網）、國際互聯網等。

②總控中心：數字化工廠的信息中心對反映企業運營狀況的信息系統于總控中心開展集中監控管理，進而達成信息系統管理效率與管理質量的同步提高。

2）數據庫及標準規范:數據庫建設工作依據產品研制需求，構建設計、工藝、制造、試驗等各環節的產品專用數據庫，以及關系數據庫、文件數據庫、實時數據庫等通用商業數據庫系統。

3)信息安全：為保障網絡安全穩定運行，需著重構建面向涉密網絡的物理安全、信息安全、運行安全以及保密管理等方面的信息安全防護體系；同時，建設面向工業互聯網的工業防火墻 IFW、工業通訊網關、工控網絡安全監測審計系統、安全監測平臺、工控網絡安全防御平臺、工業信息安全在線監測預警平臺以及工業互聯網可信計算機主動免疫平臺。

4)能源保障：以構建能源互聯網作為信息運行載體，結合能量管理模型的虛擬仿真，通過搭建能源管理系統（EMS），綜合運用計算機技術、數據庫技術、網絡技術、儀表控制技術，針對數字化工廠運行所需的各類能源（如供電、供水、供氣、供暖等）的具體使用狀況開展在線監測與動態分析，實時掌握能源消耗情況，從而及時排查能耗薄弱環節，動態實施用能調整，達成“實時測量”“數據處理”以及“遠程控制”等功能。

5)服務保障：后方技術保障人員運用遠程通信技術，指導前方的裝備操作或維修人員排除裝備故障，以迅速恢復裝備性能。其重點涵蓋五部分內容，分別為遠程診斷和維修服務（例如與維修保障機構構建遠程診斷系統）、可視化維修服務（例如建設交互式電子技術手冊IETM）、維修知識服務（例如培訓或公司門戶）、便攜式維修輔助設備，以及維修服務管理。

6)系統集成：通過構建面向研發設計、生產制造、經營管理的數字化工廠集成支撐平臺（利用軟件接口API和協議可使各類軟件系統具有互操作能力），有效支持數字化工廠的各階段集成，使企業各功能系統協同地工作。以制造為核心的企業可以建立以ERP+MES為核心的集成平臺。

結束語

 數字化工廠建設屬于綜合性、系統性工程，其影響范圍涵蓋整個企業及其供應鏈生態系統。數字化工廠建設旨在達成的互聯互通、系統集成、數據信息融合以及產品全生命周期集成，會將各個方面的人員、設備、產品和環境要素關聯起來，數字、數據和信息廣泛存在，決策與行動也會分配至企業各級員工。故而，建設數字化工廠時，除了要應對技術層面的挑戰，更多地還需應對組織、文化、流程和人力資源等管理方面的挑戰，尤其需要企業自身強化復合型信息化人才的培養。