随着科學技術的不斷發展，制造類企業也經曆了幾次變革，從實際發展來看，每一次變革都帶來了制造水準的大幅提升，展現了科學技術的主導作用，研究認為制造類企業向智能化發展大緻經曆以下四個階段：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。
從曆史發展規律來看，随着科學技術的不斷進步，制造類企業變革也是一種必然，從大的發展周期角度，研究認為目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，即資訊化和工業化兩化深度融合的階段，同時正在初步探索網絡化智能化作業。
1 數字化工廠概念
數字化工廠是随着數字仿真技術和虛拟現實技術發展而來的，它通過對真實工業生産的虛拟規劃、仿真優化，實作對工廠産品研發、制造生産和服務的優化和提升，是現代工業化與資訊化融合的應用展現。随着産品需求的不斷變化、産品周期的更新換代速度提升，以及3D列印、物聯網、雲計算、大資料等新興資訊技術的不斷應用，為了縮短研發周期，降低生産成本，提升企業産品品質和效益，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着手開始建設自己的數字化工廠，以支撐企業實作新的突破和發展。
作為資訊化和工業化融合應用的最佳結合點，研究數字化工廠如何建設，探讨虛拟設計與實體裝置之間怎樣實作無縫銜接，對驅動資訊化和工業化的深度融合發展、以及未來智能工廠發展具有十分重要的意義。數字化工廠具有廣義和狹義的概念，其涉及的内容也随着分析的角度不同而有所差別。
本文數字化工廠結合國内離散型制造企業的實際情況（如兵器、航天等領域的部分制造企業），是以廣義數字化工廠中核心制造企業為主，在滿足自身生産和管理任務的同時，需要具備産品研發能力和售後服務保障能力，是以本論文中的“數字化工廠”不僅僅是生産的概念，它是向前延伸到設計，向後推移到服務，同時涵蓋企業管理，包括産品研發設計過程、生産制造過程、企業管理過程、服務保障過程等産品全生命周期整個過程。
2 數字化工廠架構
數字化工廠的規劃建設、投産營運及優化改進是企業資訊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實體世界不斷疊代，支援企業産品設計、生産制造、營運管理等各個環節的PDCA循環不斷改進和提升。本論文數字化工廠建設架構從産品生命周期、系統層級兩個次元來進行建構，實作數字世界與實體世界的互動疊代。
1）産品全生命周期：由産品設計、工藝規劃、生産制造、服務保障等一系列互相聯系的價值創造活動組成的鍊式集合。生命周期中各項活動互相關聯、互相影響。
2）系統層級：本論文提出數字化工廠建設系統層級自下而上共四層結構：
（1）裝置資源及控制層：包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識别、機器、機械和裝置、以及電力、瓦斯能源設施等硬體裝置，以及與硬體裝置密切相關的可程式設計邏輯控制器（PLC）、資料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，是企業進行生産活動的技術基礎。
（2）資料庫層：包括設計類、工藝類、制造類、管理類、試驗類、标準體系庫（包括數字化管理标準、測試與試驗标準、設計标準、STEP标準（産品資訊交換标準））等。各類資料庫又有各自的基本資料庫與知識庫。作為數字化工廠體系架構的第二層，為數字化工廠提供最基本的資料支撐。
（3）管理層：包括面向設計部門的産品資料管理（PDM）、面向工藝部門的工藝工裝管理、面向生産部門的制造執行系統（MES）、面向後勤保障部門的能源管理系統等。
（4）協同層：包括産品生命周期管理（PLM）、企業資源計劃系統（ERP）、供應鍊管理系統（SCM）和客戶關系管理系統（CRM）等，并通過網際網路絡共享資訊實作企業内部各部門之間協同和産業鍊上不同企業間協同。從産品全生命周期和系統層級建構數字化工廠二維系統架構示意圖如圖1所示。
圖1 數字化工廠建設二維系統架構示意圖
3 數字化工廠建設應具備的三個核心功能要素和三項标志關鍵技術
3.1 三個核心功能要素分别是互聯互通、系統內建、資料資訊融合
1）互聯互通：數字化工廠的核心是連接配接，要把裝置、生産線、工廠、供應商、産品、客戶緊密地連接配接在一起。數字化工廠适應了萬物互聯的發展趨勢，将無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、生産檢測裝置、通過資訊化系統形成一個網絡，使得生産裝置之間、裝置與産品之間、以及數字世界（虛拟世界）與實體世界之間能夠互聯，使得機器、工作部件、系統以及人通過網絡持續地保持數字資訊的交流。
（1）生産裝置之間的互聯。生産裝置之間互聯是單機裝置的互聯，不同類型和功能的單機裝置互聯組成生産線，不同的生産線間互聯組成數字化工廠中的房間，數字化工廠中的房間的互聯組成數字化工廠，不同地域、行業、企業的數字化工廠的互聯組成一個制造能力無所不在的數字化制造系統聯盟。
（2）裝置和産品的互聯。産品和生産裝置之間能夠通信，使得操作人員能夠随時了解産品目前處在哪個加工階段，以及下一步将如何操作，同時了解産品什麼時候被制造等資訊。
（3）虛拟與現實的互聯。通過資訊化手段将實體裝置連接配接到網際網路上，讓實體裝置具有計算、通信、控制、遠端協同等功能，進而實作虛拟網絡世界與現實實體世界的融合。
2）系統內建：數字化工廠将傳感器、嵌入式終端系統、控制系統、生産加工檢測等實體裝置通過資訊化手段形成一個網絡，使得人與人、人與裝置、裝置與裝置，以及服務與服務之間能夠互聯，進而實作企業橫向內建、縱向內建、以及未來價值鍊端到端的內建。
（1）橫向內建：指企業通過資訊網絡所實作的一種資源整合，包括生産線裝置與裝置之間、生産線和生産線之間、工廠中的房間和工廠中的房間之間、工廠和工廠之間的聯網，這是實作數字化工廠的實體基礎。也是未來實作企業間資源共享的基礎。
（2）縱向內建：指企業内部資訊流的內建，采用統一的資料庫和軟體平台對裝置資源資料和生産過程資料、産品資料等資訊進行管理，使得主要裝置互操作性和關鍵資訊一緻性得到解決，資料或資訊可以是自上而下和自下而上有效流動，進而為下一步的大資料分析和進階智能決策奠定基礎。
（3）價值鍊端到端內建：指圍繞産品全生命周期的價值鍊創造，通過價值鍊不同企業資源的整合，實作從産品設計、生産制造、物流配送、使用維護的産品全生命周期的管理和服務。即将産品制造企業的分析需求、擷取訂單、供應鍊和制造、物流傳遞、擷取收入、售後服務直至擷取新的訂單的整個循環內建起來。
3）資料資訊融合：在系統內建和通信的基礎上，利用雲計算、大資料等新一代資訊技術，在保障資訊安全的前提下，實作資料資訊協同共享，主要包括以下三種資料資訊：
（1）産品資料資訊：包括産品全生命周期各階段的資料資訊。産品的各種資料資訊被傳輸、處理和加工，使得産品全生命周期管理成為可能，使得個性化服務成為可能，使得産品管理能夠貫穿其全部生命曆程，使得使用者能夠參與産品設計、加工的各種活動中。
（2）營運資料資訊：包括企業内部的生産線、生産裝置的資料，它可以用于對裝置本身進行實時監控，并回報到生産過程中，使得生産控制和管理最優化；還包括經濟運作、行業、市場競争對手等企業外部資料，通過對采購、倉儲、銷售、配送等供應鍊環節上資料采集分析，可以減少庫存、動态調整生産、改進和優化供應鍊。
（3）産業鍊資料資訊：包括客戶、供應商、合作夥伴等資料資訊。通過了解技術開發、生産作業、采購銷售、内外部後勤等産業鍊各環節競争要素資料資訊，為企業管理者和參與者提供看待價值鍊的資訊，使得企業有機會把價值鍊上更多的環節轉化為企業的戰略優勢。
3.2 三項标志關鍵技術分别是模組化技術、仿真技術、單一資料源技術
1）模組化技術：數字化工廠最大的特點就是産品設計和生産均可在數字化空間中虛拟進行，這樣不僅可以對産品設計可行性進行仿真驗證，還可以對新産品進行可制造性和制造成本提前預估分析。要實作上述功能首先要建立基于模型定義技術（MBD技術）的各種要素的數字化模型，本文在蔡敏等提出的6類模型基礎上将數字化工廠各種要素模型按功能分為産品設計、工廠布局、工藝規劃、生産仿真、虛拟裝配、試驗驗證和能量管理等7個部分，如圖2所示。
圖2 數字化工廠功能模型結構示意圖
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資料，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，進而優化産品設計和生産過程。在數字化工廠制造過程中，仿真技術應用主要包括：面向産品設計的仿真包括産品的靜态和動态性能；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/工廠中的房間布局、生産線布局仿真等。
3）單一資料源技術：在産品的全生命周期中，存在着不同部門和用途的各種資料檔案清單（BOM），單一資料源思想是将不同的資料經過精心組織形成一個邏輯上的單一的資料源，并建立嚴格的限制，進而有效解決不同部門之間資料備援和資料不一緻的問題。在産品全生命周期中，根據資料産生的階段和部門不同可以分為設計BOM、工藝BOM、制造BOM、采購BOM、銷售BOM、服務BOM等各種資料，每種資料BOM是由産品類型、應用領域和産品的生命周期唯一确定的，其中設計BOM屬于最原始的BOM檔案，可視為産品的單一資料源，它凝結了産品設計工程師的創造性工作，其他各種BOM都是在它的基礎上結合其應用領域的資訊轉換而來的。
4 數字化工廠建設内容
本文提出将數字化工廠建設内容分為研發設計數字化、生産制造數字化、企業管理數字化、支撐保障數字化四部分内容，其示意羅盤圖如圖3所示。
圖3 數字化工廠建設内容示意框圖
4.1 研發設計數字化
産品研發人員根據需求進行産品設計，得到産品的相關資料和三維模型，并進行管理優化和改進，直到最終确定産品的設計方案。主要包括産品設計、工藝規劃、虛拟試驗驗證三個階段。其中産品設計重點建設數字化産品模型或原理樣機的建構條件和産品性能與功能的數字化驗證手段，主要包括計算機輔助設計（CAD），計算機輔助工程分析（CAE），計算機輔助操作（CAO，包括知識庫、基礎資料庫和專家系統等）三個方面條件。
工藝規劃重點建設計算機輔助的産品工藝規劃和工裝設計、計算機輔助的工藝過程動态仿真與分析優化、專用工藝裝備的優化設計等條件，主要包括計算機輔助工藝規劃（CAPP），計算機輔助工裝設計，逆向工程（RE，如快速成型系統），數字化工藝仿真與驗證（包括動态裝配仿真、裝配過程仿真、人機過程仿真、焊接過程仿真、沖壓過程仿真、機加工過程仿真、裝配精度和公差仿真等），以及生産線布局和仿真、工位布局和仿真、物流仿真等。虛拟試驗驗證重點建立虛拟測試和驗證（VT&E）條件，即建立一個以虛拟樣機為标準的數字化環境來模拟真實的實體試驗過程，并進行一次或多次的虛拟試驗測試，并通過試驗得到的資料做合理分析，以考核、評價複雜産品的性能，進而為實物驗證提供堅實的支撐；以及建立試驗資料管理系統（TDM）用于虛拟試驗資料和真實試驗資料管理等。
4.2 生産制造數字化
涉及從投料開始到最終完成産品的全過程，生産制造數字化可以實作對生産過程的優化、監控和管理，以提高制造品質和效率。主要建設以下四個方面。
1）制造資源數字化主要包括對現有裝置數字化改造和引進先進數控智能裝置。現有裝置數字化改造主要是通過采用PLC、CNC（計算機數控系統）系統及其他數字化外設，對原機床電氣系統進行替換和提升。引進先進數控智能裝置包括購置數控機加裝置（車銑複合自動化加工單元等）、工業機器人（焊接機器人等）等。
2）生産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）聯網內建、數字化檢測、生産排程指揮中心等。
3）品質管控數字化重點建設計算機輔助品質管理（CAQ）、計算機輔助檢測（CAT）等手段。生産制造過程中品質管控數字化需要與企業管理數字化中品質管控統籌考慮。此部分建設重點為生産制造過程中的品質檢測控制，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，實作物流過程的自動化、數字化與智能化。
4.3 企業管理數字化
将資訊技術和管理技術用于企業管理領域，提高企業管理水準和經營效益。包括企業内管理數字化和企業間管理數字化兩大部分。
1）企業内管理數字化建立以産品為主線的PLM和以物料流為主線的ERP企業内管理數字化架構，輔助相應的辦公自動化OA，品質資訊系統QIS，試驗資料管理系統TDM、産品資料管理PDM（TDM和PDM系統重點在産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，财務管理系統，裝置管理系統，知識管理系統，企業門戶平台，資料決策支撐系統等條件手段。
2）企業間管理數字化在企業内管理數字化的基礎上進一步實作企業間相關業務、流程與共享資源的數字化，進而使企業具備參與供應鍊數字化管理和靈活制造的能力。重點建設供應鍊管理系統SCM，客戶關系管理CRM，以及電子商務智能BI等内容。
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作條件，需與産品研發、生産制造、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：包括異地網建設和本地區域網路建設，異地網建設包括不同企業之間，以及本企業不同地點的網絡建設。本地區域網路建設目前包括涉密網、工業網際網路（又稱物聯網、含能源網際網路）、國際網際網路等。（2）資料中心/災備中心：包括機房建設，研發、生産、管理各類應用系統的硬體伺服器、高性能計算叢集系統、以及資料存儲與備份軟硬體配置。（3）總控中心：數字化工廠的資訊中心，将反映企業營運狀況的資訊系統在總控中心進行集中監控管理進而實作資訊系統管理效率和管理品質的同步提升。
2）資料庫及标準規範：資料庫建設根據産品研制需要建立設計、工藝、制造、試驗等各環節産品專用資料庫、以及關系資料庫、檔案資料庫、實時資料庫等通用商業資料庫系統，如Oracle資料庫、SQL Server資料庫，以及資料庫的管理系統。标準規範建設依據國家資訊化相關标準體系，根據公司級資訊化标準體系，建立數字化工廠标準體系庫（包括數字化管理标準、測試與試驗标準、設計标準、産品資訊交換标準等。标準規範體系的建設具有很強的客戶化性質，不存在現成的固定模式的商業軟體。
3）資訊安全：保障網絡安全穩定運作，重點建設面向涉密網絡的實體安全、資訊安全、運作安全和保密管理等資訊安全防護體系；建設面向工業網際網路的工業防火牆IFW、工業通訊網關、工控網絡安全監測審計系統、安全監測平台，工控網絡安全防禦平台，工業資訊安全線上監測預警平台，工業網際網路可信計算機主動免疫平台。
4）能源保障：以建設能源網際網路為資訊運作載體，結合能量管理模型的虛拟仿真，通過建設能源管理系統EMS，綜合采用計算機技術、資料庫技術、網絡技術、儀表控制技術，對數字化工廠運作所需的各種能源（供電、供水、供氣、供暖等）的詳細使用情況進行線上監視、動态分析，實時掌控能源消耗，以便及時查找能耗弱點，動态進行用能調整，實作“實時測量”、“資料處理”和“遠端控制”等功能。
5）服務保障：後方技術保障人員應用遠端通信技術指導前方的裝備操作或維修人員對裝備的故障進行排除，迅速恢複裝備的性能；重點包括遠端診斷和維修服務（如與維修保障機建構遠端診斷系統）、可視化維修服務（如建設互動式電子技術手冊IETM）、維修知識服務（如教育訓練、或公司門戶）、便攜式維修輔助裝置、維修服務管理等五部分内容。
6）系統內建：通過建構面向研發設計、生産制造、經營管理的數字化工廠內建支撐平台（利用軟體接口API和協定可使各類軟體系統具有互操作能力），有效支援數字化工廠的各階段內建，使企業各功能系統協同地工作。從目前的發展趨勢，研究認為以研發為主的企業可以建立以PDM為核心的內建平台，以制造為核心的企業可以建立以ERP+MES為核心的內建平台，研發制造混合型企業可以建立以PLM為核心的內建平台，實作産品生生命周期的內建。
5 結束語
數字化工廠建設是一個綜合性、系統性工程，波及整個企業及其供應鍊生态系統。數字化工廠建設所要實作的互聯互通、系統內建、資料資訊融合和産品全生命周期內建将方方面面的人、裝置、産品、環境要素聯系起來，數字、資料、資訊無處不在，決策和行動分布到企業各級員工。是以建設數字化工廠，除了面臨技術挑戰之外，更多面臨組織、文化、流程和人力資源等管理挑戰，特别需要企業自身加強複合型資訊化人才的培養。