圍繞激烈的市場競爭，制造企業(yè)已經意識到他們正面臨著巨大的時間、成本、質量、產品差異化等壓力。如何快速適應市場的變化，實現從“以產定銷”到“按訂單生產”模式轉變？數字化工廠提供了較為理想的解決方案。

1.數字化工廠概述

　　數字化工廠是BIM(建筑信息模型)技術、現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物，同時具有其鮮明的特征。

1.1數字化工廠

1.1.1數字化工廠的概念

　　數字化工廠是以產品全生命周期的相關數據為基礎，根據虛擬制造原理，在虛擬環(huán)境中，對整個生產過程進行仿真、優(yōu)化和重組的新的生產組織方式。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據庫，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、標準化管理提供數據基礎平臺，加上CAD、EEP、MEP等應用管理系統(tǒng)，實現工廠控制系統(tǒng)內部數字化信息的有效傳遞，既鏈接了生產過程的各個環(huán)節(jié)，又與企業(yè)經營管理相互聯系，進而把整個企業(yè)數字化的資金信息、物流信息、生產裝置狀態(tài)信息、生產效率信息、生產能力信息、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，從而實現管理和控制數字化、一體化的目標。

1.1.2數字化工廠的優(yōu)勢

　　數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)生產的理念，給現代化工業(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：利用數字化工廠技術，整個企業(yè)在設計之初就可以對工廠布局、產品生產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系的有機整體，有助于工廠建設過程中的靈活協(xié)調與并行處理。此外，在工廠生產過程中能夠最大程度地關聯產業(yè)鏈上的各節(jié)點，增強生產、物流、管理過程中的靈活性和自動化水平。

縮短產品上市時間、提高產品競爭力：數字化工廠能夠根據市場需求的變化，快速、方便地對新產品進行虛擬化仿真設計，加快了新產品設計成形的進度。同時，通過對新產品的生產工藝、生產過程進行模擬仿真與優(yōu)化，保證了新產品生產過程的順利性與產品質量的可靠性，加快了產品的上市時間，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：通過數字化工廠技術方便地進行產品的虛擬設計與驗證，最大程度地降低了物理原型的生產與更改，從而有效地減少資源浪費、降低產品開發(fā)成本。同時，充分利用現有的數據資料（客戶需求、生產原料、設備狀況等）進行生產仿真與預測，對生產過程進行預先判斷與決策，從而提高生產收益與資金使用效益。

　　提升產品質量水平：利用數字化工廠技術，能夠對產品設計、產品原料、生產過程等進行嚴格把關與統(tǒng)籌安排，降低設計與生產制造之間的不確定性，從而提高產品數據的統(tǒng)一性，方便地進行質量規(guī)劃，提升質量水平。

1.2數字化工廠的差異性

　　“數字化工廠”貫穿整個工藝設計、規(guī)劃、驗證、直至車間生產工藝整個制造過程，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)進行數據交換，并對設計產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、供應商以及生產工程師等），隨時會創(chuàng)建大量的數據，所以，“數字化工廠”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 數字化工廠的實現與應用

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

2.1數字化工廠的關鍵技術

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

　　數字化建模技術：數字化工廠是建立在數字化模型基礎上的虛擬仿真系統(tǒng)，輸入數字化工廠的各種制造資源、工藝數據、CAD數據等要求建立離散化數學模型，才能在數字化工廠軟件系統(tǒng)內進行各種數字仿真與分析。數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)的產品設計、工藝設計以及生產過程的模擬仿真具有較大的影響。因此，數字化建模技術作為數字化工廠的技術基礎，其作用十分關鍵

　　虛擬現實技術：虛擬現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，方便實現人機交互，使用戶能身臨其境地感受開發(fā)的產品，具有很好地直觀性，在數字化工廠中具有廣泛的應用前景。虛擬技術的實現水平，很大程度上影響著數字化工廠系統(tǒng)的可操作性，同時也影響著用戶對產品設計以及生產過程判斷的正確性。

　　優(yōu)化仿真技術：優(yōu)化仿真技術是數字化工廠的價值所在，根據建立的數字化模型與仿真系統(tǒng)給出的仿真結果及其各種預測數據，分析虛擬生產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)化生產過程、提高生產的可靠性與產品質量，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。

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

2.2常見數字化工廠軟件

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

2.3數字化工廠的應用

　　數字化工廠是信息化技術發(fā)展過程中出現的一種新的企業(yè)組織形式，是促進企業(yè)現代化發(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數字化工廠技術在汽車行業(yè)的應用。

目前，數字化工廠技術在國內外汽車制造業(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品設計、制造到投放市場的時間，同時提升了其產品質量。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物流供應鏈之間建立起了緊密有序的聯系，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，如一汽大眾在車身主拼線工藝設計中采用數字化工廠技術，改善了車身焊接工藝，提高車身焊接質量。上海大眾在發(fā)動機設計和產品總裝領域采用數字化工廠技術，大幅提升了公司的制造技術和產品質量。目前，華晨金杯公司引進西門子的Tecnomatix軟件，對產品的總裝工藝進行數字化改造。

2.3.2數字化工廠技術在飛機制造業(yè)的應用。

　　在飛機制造業(yè)，數字化工廠技術的先進性也得到了充分體現。如美國的洛克希德馬丁公司在F35研制過程中，采用數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的數字化工廠技術，實現其產品的虛擬樣機發(fā)布。空客A380飛機采用虛擬裝配方案，實現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)在其產品的研制、生產過程中使用數字化工廠技術，國內的飛機制造企業(yè)也是如此。如上海飛機制造廠利用數字化工廠技術在三維環(huán)境中進行人工裝配操作的數字化模擬，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的數字化工廠軟件對其異型件生產線進行仿真和優(yōu)化，進行技術改造探索。

2.3.3數字化工廠在鑄造行業(yè)的探索

　　共享鑄鋼團《數字化工廠示范工程》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，結合共享集團在鑄造行業(yè)內領先的制造、技術和管理經驗，全面融合先進信息化技術，建設數字化模樣生產線、數字化柔性造型生產線、智能化熔煉控制系統(tǒng)、智能體聯合控制的鑄件精整線、數字化在線檢測等綜合集成的數字化鑄造工廠，在“多品種、小批量、快捷”鑄造生產方面達到同行業(yè)領先水平，建成一座在鑄造行業(yè)領先的“數字化、柔性化、綠色、高效”鑄造工廠，集成并創(chuàng)造數字化鑄造新模式。

　　隨著計算機技術、網絡技術的飛速發(fā)展，數字化工廠技術不斷與現代企業(yè)相結合，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，數字化工廠技術出現了新的趨勢。首先，現場總線技術在數字化工廠中的應用，提升數字化工廠的現場可操作性；其次，應用網絡技術，拓展數字化工廠網絡互聯能力；最后，數字化工廠的智能化發(fā)展，實現虛擬仿真與企業(yè)真實生產的無縫鏈接，打造真正的智能數字化工廠。