第2章
数字工厂基础平台
2.1 技术架构
不同企业在设计自身数字工厂的技术架构时，要根据自身的行业特点和发展阶段酌情定义。在今天的数字工厂2.0时代，比较典型的数字工厂通用总体技术架构体系可按4层架构来构建，如图2-1所示。数字工厂总体技术架构体系由下至上分别为数据层、基础平台层、应用层和展示层。
图2-1 数字工厂通用总体技术架构体系
根据建设数字工厂技术架构体系的总体目标，应首先开展数字工厂整体架构设计和数字化标准规范体系建设，并把着力点放在搭建基础平台层的工作环节上。此外，针对在役工厂，应依托历史数据整理的信息，对工厂进行激光扫描、三维逆向重建、智能工艺流程图转换和最终的数据入库管理，实现数字工厂静态模型的建立。
实际上对任何一个具体的企业来说，建立真正长期有效的数字工厂都不可能是一个一蹴而就的一次性项目。如果一个企业确实有志于让数字工厂技术平台扎根，持续发挥实际效用，并成为企业管理文化的一部分，就要制定好远景规划并做好持续滚动建设的准备。以汽车工业为例，在20世纪80年代，典型的制造业企业代表为大众汽车集团，从1985年起便启动了数字工厂DF（德语Digitale Fabrik）战略。起步于1985年的HLS（Hallen Layout System）第一代数字工厂系统，旨在提升对汽车工厂和生产线的规划设计能力。
经过40多年的持续迭代发展，该汽车集团不断引入新的技术内涵，其数字工厂技术架构体系已经覆盖冲压、白车身、涂装、动力总成、组装五大工艺，涵盖了工业工程、物流与包装、工厂布局规划、过程仿真、虚拟验证、数据平台六大技术场景。该技术架构用20多种不同的应用软件组成了其核心技术架构。
这些构成数字工厂核心技术架构的应用软件不是互相孤立的，而是通过数据接口实现了不同系统之间的信息流通，并根据业务流的衔接情况搭接起了跨系统的信息流，从而实现了数字工厂与真实工厂运作间的映射关系。
2.1.1 基础平台
数字工厂基础平台是整个数字工厂技术架构体系的核心。基础平台在整个数字工厂技术架构体系中发挥以下重要作用：一是作为数字工厂模型的载体，接收、存储、管理来自工厂全生命周期各个阶段的三维模型；二是以智能工艺流程图和三维模型来组织信息，以智能工艺流程图聚合工程信息，以三维可视化作为主要的展示方式和交互手段，快捷、准确地掌握工厂信息；三是提供多种集成第三方系统的手段，能有效避免信息孤岛；四是作为应用程序的开发框架，通过二次开发接口，支撑应用开发，快速产生业务价值。
2.1.2 基本技术路线
（1）数据层
数据层拥有数字工厂数据重构的能力，由数字化工具生成的数据、图文档（包括智能工艺流程图）和模型（由三维设计软件正向设计或由激光扫描的逆向建模方式完成），将通过系统自带集成接口发布到基础平台层上；同时支持将其他相关离散的数据、图文档或轻量化转换模型等，批量加载到基础平台层上；最终完成对工程数据的聚合式管理，形成工程数据仓库。
（2）基础平台层
基础平台层提供在工厂全生命周期各个阶段内的数据集成和数字化管理能力，支持完整的数据、图文档和模型管理功能。基础平台除了提供各种格式的图文档和模型的可视化浏览功能，还将对接用于轻量级可视化三维模型浏览的专用模块，满足三维浏览专业功能需求，同时提供基于数据科学手段的各种基础建模功能。
（3）应用层
应用层在基础平台层上层，基础平台层为应用层提供全面的工程基础数据及关联系统数据的服务调用接口，能够在应用层的不同业务应用场景中，根据需要实现数字工厂可视化实时监控能力、模拟仿真应用能力及其他综合应用需求。
（4）展示层
展示层包含移动App，并预留与企业门户看板进行集成的扩展功能。通过移动App在线方式连接和访问数字工厂平台的数据、图纸和文档信息等，集成展示设备动态信息及实时数据等。
2.1.3 硬件架构及需求评估
根据数字工厂总体技术架构体系及企业对于系统环境的要求，需要合理设计硬件架构，搭建服务器和后台数据管理平台。系统构建在企业内网中，数字工厂基础平台总体架构至少包含3台独立的服务器，即数据库服务器DB1，应用发布服务器/文件服务器/三维轻量化模型服务器DB2（共用），三维模型转换服务器/模型数据管理服务器DB3（共用）。
可采用服务器虚拟化的方式进行配置，相关硬件建议按表2-1所示方案进行基础配置，具体可根据企业情况作相应调整。表中推荐的数字工厂基础平台数据库服务器DB1和DB2的硬件配置，是按照200人以上同时在线应用的规模设计的。数字工厂基础平台软件配置和设计架构也有使用规模上限，一般建议设计冗余度满足创建和管理1000个以上的账户。
表2-1 生产服务器硬件配置
在正式布置生产服务器前，出于安全考虑，企业通常要求布置测试服务器，由于测试环境中用户并发量和数据量不会超过生产环境容量，而且其测试的目的主要是进行原型验证，因此测试服务器的硬件配置水平可以比实际生产服务器略低。
测试服务器相关硬件建议按表2-2所示方案进行基础配置。表2-2中推荐的数字工厂基础平台数据库服务器DB1和DB2的硬件配置，可以支持大约80个用户并发量。一般情况下硬件的性能可根据数字工厂的实际数据容量进行扩容。
表2-2 测试服务器硬件配置
2.1.4 数字工厂的信息管理平台
数字工厂的信息管理平台是工厂数字化的软件基础，需要具备协同设计、数字化交付及业主信息管理的解决方案。信息管理平台是对数字工厂各个应用模块或工具生成及录入的数据进行集成，包括设计、采购、施工、调试和运维的数据，并能够与工厂运行系统、维护系统等进行多方集成，构建完整的可视化数字工厂实时监控模型，实现真正意义上的贯穿全生命周期的工厂信息管理，使工厂信息成为用户单位的虚拟数字资产。
在离散制造工业和流程制造工业领域中分别有数家商业软件公司，在数字工厂的信息管理平台上进行了数十年研发，并能提供成熟的软件产品解决方案。例如本特利（Bentley）公司的ProjectWise软件主要面向离散制造工业，被大众汽车集团等德国汽车公司普遍采纳，而鹰图（Intergraph）公司的SmartPlant Foundation（SPF）软件主要面向流程制造工业，被全球石油、化工行业普遍采纳。下面以SPF为例，说明数字工厂的信息管理平台的基本功能。
①支持三维可视化的工厂信息浏览，在三维模型中任意选中一个对象，即可在属性窗口中显示该对象的工程信息。用户也可任意输入一个位号，在三维模型中定位至该位号所在位置。在按照位号进行检索时，软件支持模糊查询，用户只需输入位号部分关键字，即可获得工厂中符合该关键字的所有位号。
②支持异地分布式部署，通过在主站点和卫星站点安装文件服务器，确保处于不同地理位置的用户均可流畅浏览三维模型及二维图纸。同时支持客户/服务器（C/S）架构和浏览器/服务器（B/S）架构两种架构。在B/S架构下，用户只需通过网页浏览器登录至系统，即可实现对三维模型的旋转、缩放、剖切、隔离、测量、标注、协同等操作。
③支持结构化数据及文件（如XML、Excel文件等），以及非结构化数据及文件（如PDF、Word文件等）。行业主流二维模型和三维模型均可在SPF中浏览。
④支持建立和维护数据、文档、二维模型和三维模型之间的关联关系。其中，关联关系既可手动建立，也可基于规则自动建立。关联关系的维护可通过权限控制，确保只有具备特定权限的人员可对关联关系进行维护。
2.1.5 数字工厂应用相关软件
1.流程工业数字工厂三维设计软件
流程工业的数字工厂建设需要面向数据的、规则驱动的三维设计软件。流程工业数字工厂三维设计软件通常具备以下特征。
①等级驱动。可将工程设计规范电子化，驱动相关设计，智能地进行判断和选择，避免经验不足造成的人为错误，提高设计质量和效率，如布管时根据管道等级自动生成部件并匹配相应附件。
②设计集成与碰撞检查。将各专业设计成果集成在一起，通过碰撞检查功能，提前发现以往很多只有在施工阶段才能暴露的碰撞问题，减少现场安装的返工，缩短工期，如图2-2所示。
图2-2 碰撞检查
③与智能工艺流程图软件的集成。与智能工艺流程图软件集成，可以进行二维驱动三维建模，二三维比对，以鹰图软件为例，如图2-3所示。
图2-3 鹰图软件的Smart 3D与P&ID的集成
④点云模型的逆向建模。使用激光扫描仪对在役工厂进行扫描后，进行点云的成像和拟合，可以将拟合模型用于改扩建、设备升级完善和维护等工作场景，并在Smart 3D等软件中实现逆向建模，点云逆向建模如图2-4所示。
图2-4 点云逆向建模
2.离散制造工业三维设计软件
离散制造工业三维设计软件可跟踪所有数字设计数据，并能够简化工作流、提供新项目和BOM功能，提高工作效率，能够轻松完成钣金、焊接、桁架等设计工作，还具有仿真分析、渲染、动画制作等功能。下面以专业级机械设计的三维计算机辅助设计工具Autodesk Inventor为例（Autodesk Inventor的三维设计界面如图2-5所示）说明离散制造工业三维设计软件的主要功能。
图2-5 Autodesk Inventor的三维设计界面
①能够进行三维零件设计、装配设计、钣金设计及塑件设计。
②能够进行机械、液压和电气跨专业的设计协同，缩短设计周期。
③能够进行三维管路和电线设计。
④能使用自动化工具测试零件在装配中的干涉。
⑤可以通过运动仿真预测产品在真实条件下的运动状况。
3.工厂三维设计软件
工厂三维设计软件需要跟踪所有工厂布局数据，并能够简化工作流、提供新项目和BOM功能，提高工作效率，能够轻松完成结构、焊接、桁架等设计工作，还具有仿真分析、渲染、动画制作等功能。下面以德国汽车工业普遍采纳的MicroStation软件为例（用MicroStation构建的工厂三维模型如图2-6所示）说明工厂三维设计软件的主要职能和作用。
图2-6 用MicroStation构建的工厂三维模型
①在规划设计阶段对设计进行干涉碰撞检查，从而有效降低设计差错率，减少施工阶段的工程变更，缩短项目周期及节省成本。
②提高精益化设计能力及对设计细节的关注度，通过3D设计及渲染照片和虚拟现实技术，为管理层提供更有表现力的决策信息。
③对设备局部的合理性、各专业管线的布局协调性、设备末端水电气连接的可行性提前进行验证和规划。
④为工艺仿真、工业工程仿真、物流仿真提供工厂三维模型数据基础。
⑤在生产和公用设备发包阶段，将完整的工厂三维数据交付给设备供应商，有效提高设备供应商的规划效率和准确性，减少车间施工阶段的工程变更，保障工期。
⑥在规划设计阶段留下的整套三维数据对工厂运行阶段的运维、改造，和其他新工厂规划设计阶段的数据准备有重要意义。
以建筑行业常用的Autodesk Revit系列软件为例，该系列软件将建筑的各专业设计和配合通过三维的形式表现出来，使建筑设计更直观、更合理，也更精确。通过碰撞检查，能更方便地解决建筑当中的碰撞问题，使建筑设计的质量得到严格把关，如图2-7所示。
图2-7 Autodesk Revit系统中的建筑信息模型
4.智能工艺流程图设计软件
智能工艺流程图设计软件是基于数据库及规则驱动的工艺系统图设计软件。完善的工程数据表包含管道、管件和仪表编码，阀门型号，管道材料，管道规格，工艺介质，介质流量流速，设计参数，管道试验条件，保温属性，仪表类型，材料库对应编码，多种运行工况参数及运行条件等信息。工程数据的延伸和发展为后续设计打下了坚实的基础，并随着设计交付，在工厂施工、运行和维护过程中发挥作用。下面以SmartPlant P&ID（SP P&ID）为例，说明智能工艺流程图设计软件需要具备的主要功能和特性。
①全厂规则驱动。对图面符号的连接、属性的传递、符号之间的关联进行实时规则驱动，通过这些规则，画图人员可以减少错误，缩短设计周期。
②一致性校验。在画图过程中实时进行属性的一致性校验，可以及时反映出在属性填写过程中的问题，提醒设计人员进行修改。
③统一标准图例。SP P&ID的一个项目使用一个共享的图例库，使整个项目的图纸呈现出整齐、规范的图面。这种模式能提高读图效率，而且使图纸在项目全生命周期中，呈现出统一的规范标准，图例库也可以根据项目进行个性化定制。
④版本控制。可以进行手动和自动的版本保存，设计和审查者可以在任意时间查看历史版本，并进行任意版本之间的数据及图面比较，比较结果能以不同的颜色表现出来，同时还能生成比较报告。
⑤实时保存。每个操作和步骤都实时保存到数据库中，计算机死机、突然断电等不可控因素不再导致设计数据丢失。无须手动保存的特性可以保证设计的安全性。
⑥支持多种文件格式的数据导入。支持XML文件、Excel文件、TXT文件等多种数据文件的导入，提高数据的复用性和连贯性，从前端设计阶段到详细设计阶段，所有数据都能进行导出和导入，极大地提高了数据的复用性和稳定性。
5.可视化模型浏览软件
①轻量级可视化模型浏览软件。轻量级可视化模型浏览软件需要具备界面简单直观、功能易学易用的特点。下面以UniversalPlantViewer（UPV）为例，说明轻量级可视化模型浏览软件需要包括的功能。
●以数据流模式发布：模型可以存储在服务器上以数据流模式发布。浏览软件需要支持大规模的工厂专业化模型。也可以将数据下载到本地机器上，实现本机访问工厂模型。
●支持点云的结合：可以在三维点云模型中加入照片，使显示更逼真。
●与外部系统的链接：属性驱动的方式可以很方便地链接外部文件，如网页、PDF文件、Excel文件等。UPV可以通过超级链接的方式被其他软件通过链接方式调用，还提供API（应用程序接口），供其他软件集成，当跳转到UPV界面时，能够聚焦到所链接的设备，如图2-8所示。
图2-8 UPV被其他软件调用
●场景漫游：支持阿凡达人物，可以行走、爬楼梯等，也可以放置吊车、卡车等物体。
可以输出到HTC VIVE、Oculus Rift等VR漫游设备。
②三维模型审查软件。三维模型审查软件可以利用三维模型制作动画和电影等。下面以SmartPlant Review（SPR）为例，说明三维模型审查软件需要包括的功能。
●模型渲染：为模型赋予材质（通过调整反射率、透明度、抛光等），设置灯光（点光源、远光源、日光、环境光等）。
●动画制作：动画制作适用于工厂漫游、安装过程模拟、进度模拟等。通过设置动画路径、模型淡入淡出、颜色、声音等将过程录制成动画输出。
6.三维模型转换软件
三维模型转换软件可将各种机械设计软件的三维模型和各种工程设计软件的三维模型快速地转换为数字工厂平台、三维设计软件和三维校审软件可识别的格式。对模型的转换不仅是对模型外形的重现，还要能获取模型在原系统中的属性信息，以便在三维设计软件中根据模型外部属性，进行增加、修改、渲染等操作。
以SmartPlant Interop Publisher（SPIOP）为例，在该系统中可以随时对模型进行转换，或者设置一个时间间隔来自动转换模型。用户也可以配置一个自动项目监视器，如使用文件夹完成自动创建、转换、安排计划和发布模型等操作。
SPIOP软件不同版本支持的图纸数据格式如表2-3所示。
表2-3 SPIOP软件不同版本支持的图纸数据格式
7.点云数据转换软件
点云数据转换软件需要支持将主流激光扫描设备（如FARO、Leica和Trimble等）扫描得到的点云文件快速转化为三维模型，转换后的三维模型格式应支持主流的设计软件格式。下面以Cyclone软件为例说明点云数据转换软件的功能，在此基础上，还需另外选用类似CloudWorx for Smart 3D插件与Smart 3D等三维建模工具配合，才能完成逆向建模。
①点云去噪与优化。可手动去除装置周围的无用点，如行人和树木，以及其他一些干扰点，并通过系统命令优化点云质量。
②普通建模。管道模型创建方法如下。在Cyclone中利用点云自动拟合功能拟合出初步的管道模型，再手动加以修改和完善，得到完整管道模型，管道普通建模如图2-9所示。
设备及结构模型创建方法如下：在Cyclone中通过点云拟合出设备及结构外形。
以上生成的模型可以另存为DWG格式文件导入Smart 3D，参考历史图纸或其他相关材料完善属性，得到智能设备及结构模型。
图2-9 管道普通建模
③精细建模。管道模型创建方法如下。通过CloudWorx for Smart 3D可将点云插入Smart 3D并对点云进行旋转、切分和捕捉点云拟合管道模型等操作。通过捕捉点云中轴线拟合管道，并结合历史图纸和材料等级信息输入相应属性，最终创建符合工程规格并包含相应属性的智能管道模型。
设备及结构模型创建方法如下。在Cyclone中通过点云拟合出设备及结构外形，再另存为DWG格式文件导入Smart 3D，参考历史图纸或其他相关材料完善属性，得到智能设备及结构模型。
8.三维模拟培训软件
三维模拟培训软件可用于企业的生产操作培训和HSE（健康、安全和环境）安全应急演练培训等。这类软件一般可以兼容不同厂商的三维模型格式，包括来自激光扫描和逆向建模后的三维模型格式，并在模型中展开演练。以鹰图公司的3D PACT为例，通过创建逼真的物理事件，创建和增加有规则的、有物理感知的三维几何图形。甚至创建和增加动态的人物角色，来模拟工厂的工艺操作、运维操作、安全应急等过程，如图2-10所示。
图2-10 安全应急演练
三维模拟培训软件支持在工厂三维模型中自定义增加“可操作的”三维对象，如针对邻近设备模型，添加仿真的三维操作面板、活动点、按钮、阀门开关等，同时按一定情境下的操作规程要求，设计不同的事件应对处置脚本，并嵌入一定的动作应对考试题，进行逼真动画场景下的人机互动，实现对操作人员的培训或上岗考核。
9.仿真软件平台
仿真软件可进行从规划到布局的建模，研究和优化各种制造流程。仿真软件通过可视化过程，帮助企业优化生产线和工艺节拍规划，并识别生产线上的工艺瓶颈等问题。离散制造工业和流程制造工业面临问题的场景不一样，因此仿真软件的核心元素与输出报告的侧重点也有区别。
下面以三一重机大数据所自主研发的阿波罗系统为例，说明仿真软件的功能。阿波罗系统是一个典型的离散事件仿真系统，可以实现和物理工厂高度一致的参数化建模，根据生产节拍、故障率、生产计划、设备投入数量、库存控制策略和物料配送的拉动式解决方案等关键参数和逻辑关系搭建模型，然后通过仿真引擎驱动模型自动模拟规定周期的生产情况，从而分析系统瓶颈、生产资源利用率、物料的流转效率等问题。通过对生产线的全局模拟和各项关键指标的图表结合报告输出，用户可以站在全局视角提前发现影响制造系统运行效益的结构性问题。图2-11所示是阿波罗系统的建模界面。
图2-11 阿波罗系统的建模界面
阿波罗系统能够以动画、图、表和数据的形式展示仿真结果，量化评估仿真方案的优劣。图2-12所示是阿波罗系统分析报告的实例片段。
仿真系统输出的报告不但可以进行多个规划设计方案的经营指标模拟和比对，而且能够帮助规划、工艺、生产和经营管理人员根据仿真的结果清晰地判断系统瓶颈和问题节点，并有助于工艺和生产管理人员由此提出工作流程、生产节拍、物流线路、缓冲规划、工人和设备数量、空间布局等方面的改进方案。
10.决策优化平台
决策优化平台通过BI（商务智能）、机器学习、仿真引擎、运筹优化算法等数据科学手段，实现对经营战略、生产计划、资源调度、操作控制等关键决策点的赋能。
下面以三一重机大数据所自主研发的伽利略系统为例，说明决策优化平台的功能。伽利略系统通过自主研发的基于运筹优化算法的生产计划与排产定序寻优平台，在混合生产线上线排序、日计划编排、中长期生产大纲制订等关键决策场景中，提供自动化机器决策和管理赋能，从而显著提升制造平台经营效益。伽利略系统的软件界面如图2-13所示。
图2-12 阿波罗系统分析报告的实例片段
图2-13 伽利略系统的软件界面
伽利略系统的生产排序模块实现了生产排程自动优化、物料完备性检查、扰动场景下的重新调度等场景的完全自动化机器决策，而且比传统经验提升了30%以上的产能。日计划功能基于运筹优化算法，以产能、关重件资源、交期等为约束，实现了全面因素综合考虑的自动化生产计划制订，并根据生产计划对未来库存情况进行推演，对异常情况进行预警，提升对决策结果的预见能力和决策质量。中长期计划功能以预期总收益最大化为目标，考虑市场需求的不确定性、库存、关重件等条件，输出最优中长期计划方案。同时该系统还用自然语言处理（NLP）技术训练了一个智能辅助机器人，根据推演数据主动生成语言文字，提醒管理者需注意的潜在问题。