在由《物流技術與應用》主辦的“第十一屆全球智能物流産業發展大會暨2023全球物流裝備企業家年會”上，北自所（北京）科技發展股份有限公司（簡稱“北自科技”）總經理王勇先生以《數字孿生驅動數字化工廠建設》為題發表演講。
他指出，數字化轉型本身是企業級戰略，是企業總體戰略的重要組成部分，而數字化工廠的建設與實施是制造業企業數字化轉型的必經之路，也是制造過程創新更新的重要組成部分，目前北自科技主要以數字孿生為抓手提供數字化工廠解決方案，每年都有新的技術應用于物流解決方案。演講要點如下：
王勇
北自所（北京）科技發展股份有限公司總經理王勇先生
關于數字化工廠
近年來，國家大力發展數字經濟，加快企業數字化轉型，促進數字化工廠建設。
1.制造業的創新更新
字化轉型本身是企業級戰略，是企業總體戰略的重要組成部分，而數字化工廠的建設與實施是制造業企業數字化轉型的必經之路，也是制造過程創新更新的重要組成部分。
數字化工廠主要以資訊、仿真等諸多數字化技術為依托，将研發、制造、經營、服務等全流程數字化，實作業務全覆寫和資料縱橫貫通，是數字化技術支撐的實體工廠。随着數字孿生、工業元宇宙等核心技術發展，驅動實作實體、資訊融合成為可能，但背後仍有大量基礎工作要做，例如工業元宇宙的虛拟空間如何建構，其中物流的元宇宙又該如何建設，都是需要我們繼續探索的問題。
整體來看，建設數字化工廠是制造過程創新更新的重要組成部分，是企業理念更新、産品創新更新、制造過程創新更新、制造模式創新更新的過程，這也是數字化工廠建設的目标。
2.實體工廠的數字化
在傳統的工廠建設中，通常會重視“人、機、料、法、環”五大要素（人員、機器、原料、方法、環境），如今又增加“測”和“能”兩大要素（檢測、能耗），從以上幾方面開展數字化，基本就可以實作整個工廠的數字化。
實際上，實體工廠數字化的過程就是将“人、機、料、法、環、能”等幾個環節，通過數字化的方式表達、資料的采集、模型的建立，以及用資料推動模型來實作整個工廠的虛拟化運轉。而所謂“數字孿生”是指通過數字技術在真實空間中再建一個虛拟空間，并且兩邊一一對應，是以數字孿生與數字化工廠是互相關聯的關系。
3.數字化工廠基本特征
數字化工廠的基本特征可以概括為“三化三性”，具體包括：
●數字化
在網絡及存儲媒介上以計算機語言的形式将研發資訊、制造技術資訊、企業管理資訊、資源物料資訊等進行存儲、傳遞、計算、分析和運用。
●內建化
研發資訊、制造技術資訊、企業管理資訊等在不同層面進行時效性的內建，各種資源、資料、子系統等進行有效內建，進行仿真、分析、驗證、優化和監控等活動。
●虛拟化
建構與現實工廠相對應的虛拟工廠，将生産經營活動的資訊在虛拟工廠中進行數字化的展現，為數字化工廠的各項應用提供虛拟性的仿真與驗證。
●協同性
各個成員、子系統之間緊密地互相協同作業，保證數字化工廠的正常運作資訊內建、服務內建、應用內建。
●實時性
借助于計算機，數字化工廠的負責人可以實時檢視每個生産環節資訊、生産人員資訊、庫存資訊以及其他相關的資料。通過實時了解，進而掌握生産過程中的具體狀況，更可避免一些突發情況發生。
●動态性
研發資訊、制造技術資訊、企業管理資訊等，随着客戶需求的改變、企業運作的開展、市場機遇的變化、内部成員的變化、系統的變更，而進行動态的變化制造。
4.資料來源、類型及特點
數字化工廠的核心是資料，涵蓋從客戶需求到銷售、訂單、計劃、研發、設計、工藝、制造、采購、供應、庫存、發貨和傳遞、售後服務、運維、報廢或回收再制造等整個産品全生命周期各個環節所産生的各類資訊。
資料主要有三個來源：
（1）裝置物聯資料
裝置和産品實時産生的資料，包含生産過程中産線、裝置、物流等工況（如壓力、溫度、振動、應力等）、運作狀态、環境參數等資料，一般采集自裝置PLC、SCADA以及部分外接傳感器，以時序資料為主。
（2）生産業務資料
存儲在企業資訊系統内部，包括企業資源計劃（ERP）、産品生命周期管理（PLM）、供應鍊管理（SCM）、客戶關系管理（CRM）和環境管理系統（EMS），以結構化資料為主。
（3）外部資料
與生産活動和産品相關的外部資料，包括環境資料、能耗資料以及營運維修資料。
總體來看，資料的特點包括：
●時序性：資料量大，且具有較強時序性；
●強關聯：研發—制造—市場等生命周期資料相關聯，産品不同零部件、工況、裝置狀态資料相關聯；
●多模态：資料類型複雜、協定衆多表征多樣、耦合性強；
●閉環性：産品生命周期資料閉環、資料采集—處理—分析閉環。
5.資料流通
在數字化工廠中，資料主要流轉路徑是：資料采集—資料存儲與管理—資料分析—資料服務—資料應用。
資料的感覺與采集是重要的第一步，随後進行資料存儲與管理，其中包括資料清洗、資料恢複等。在擁有完整、可靠的資料後，需要根據關聯性、工藝特點等對資料分析，再根據模型進行資料服務，實作資料可視化、資料應用開發等資料應用，最終為企業賦能。
6.數字化工廠建設——數字孿生體模型
我們在建設數字化工廠時，其實就是要建設一個大的模型，不僅是物流裝備的模型，還有工廠的模型、生産的模型等等，而模型的背後都是靠資料來驅動的。在建立模型和擁有資料之後，就可以在虛拟空間裡來營運一個真實的工廠。
數字化工廠建設的大緻過程為：首先是工廠中的房間要素的多元度模型建構，包括将某個單機裝置進行模型的建構；然後根據生産工藝、物流工藝等對模型進行組裝；待組裝完成以後，通過資料的驅動來實作整個現場工藝裝備的仿真、物流的計算等等；最終形成資料驅動的大模型，也就是數字孿生模型。
7.建設方案
在傳統工廠中，我們會實作資料的縱向貫通，還有系統的橫向內建，“一縱一橫”就構成數字化的工廠。在數字化工廠建構過程中，更多應用的是數字化、智能化技術，而在營運之後，實體與虛拟工廠的運轉與顯示則主要依靠仿真、基礎資訊等來實作。
8.數字孿生在工廠規劃設計中的應用
工廠的規劃設計會有一個協同優化問題：産品工藝設計，需要工廠作為限制，而工廠的設計，需要産品工藝要求為指導，産品工藝變化會帶來生産系統設計方案的變化。而數字孿生技術通過實時資料的引入，可以提升數字化工廠的效率和準确性，主要表現在工廠布局規劃、工藝規劃和物流優化等方面。
其實，數字孿生在安全防護、故障診斷、能耗管控、物流優化、三維可視化監控、生産排程、生産/裝配指導等方面，都可以發揮重要作用。
數字孿生方案
作為智能物流系統解決方案供應商，北自科技近年積極探索數字孿生在智能物流領域的應用，并以數字孿生為抓手提供數字化工廠解決方案。
傳統的物流可大緻分為三類：倉儲物流、生産物流、電商物流。在生産物流中，更強調協同化，因為物流要與産線進行緊密結合，對協同性要求很高。近年來，物流向智能化加速發展，并呈現出一些顯著特點：
1.智能物流系統規模更大
以前的物流系統內建項目基本為百萬元或千萬元級别，如今則經常有億元級别項目，證明物流系統的規模越建越大。
2.涉及産品種類更廣
以北自科技為例，每年都有衆多新産品、新技術應用到項目中去，反映出涉及品類越來越廣。
3.産品性能要求更高
随着大資料、區塊鍊、物聯網等新技術的應用，對物流系統性能的要求越來越高，是以對PLC的算力、網絡的速度、驅動的能力等等要求也越來越高。
4.疊代更新要求更快
新技術層出不窮，系統也在不斷疊代更新。
5.對內建理念和生态要求更全
先進的主流技術很快就能在物流系統中得到應用，物流行業的包容性遠高于其他行業。
6.遠端運維和自診斷要求更準
經曆過疫情期間的挑戰，遠端運維能力得以提升，甚至海外項目都不用去現場即可進行遠端調試、安裝和維護。
在快速發展的同時，智能物流在仿真優化、故障診斷和維護、遠端協作、智能監控、排程優化、虛拟調試等方面也面臨着諸多挑戰。如何通過數字化技術，對故障進行高效處理，使排程更加柔性化與智能化，使物流系統與産線、使用者工藝等更好地協同等等，成為需要突破的重點。
為此，北自科技建立起數字孿生模型，從外部采集來自裝備、資訊系統的資料，在内部建構起大量模型，包括工藝模型、物流裝備模型、生産模型等，再整合作業排程、深度學習、診斷預算等算法，通過資料驅動算法、算法驅動模型，對外輸出應用的資料。通過這些資料實作實時監控、工藝優化、排程優化、運作可視化、資料可視化等功能，來驅動整個工廠和物流的運作。
IntelliTwin軟體
北自科技已建立起數字中台，不僅可為使用者企業提供數字化産品，也在企業内部進行數字化轉型，借此提高自身生産效率。
多年來，北自科技一直在為使用者提供數字化服務和數字化産品，可以讓一座擁有1萬名員工的工廠最後變成僅需不到1000人，進而大幅降低人力等成本。但北自科技本身的用人數量卻在大幅增長，是以深感有必要實作自己的數字化，進而達到減員增效的目的。
為此，北自科技開發出基于數字孿生的數字化平台軟體IntelliTwin。利用這一軟體，可實作企業生産多元度、全流程、廣時域的智能管控，助力企業數智化轉型。IntelliTwin軟體經曆了三四年的研發，如今已開始在業内推廣應用。
IntelliTwin軟體主要有6大核心業務子產品：
1.可視化管理
無論是工廠管理者，還是物流管理者，能通過多終端将整個工廠、整個物流環節都看得更清、更透、更明白，可看作是傳統視訊監控的更新版。對于生産資料、倉儲資訊等底層資料，可在進行清洗、加工、處理和整合後展現在管理者面前。
2.智能維護
通過預測性維護，可實作裝置健康監測和故障預警，減少意外情況發生；通過故障診斷與分析程式，實作裝置故障快速診斷和根因分析，提高運維效率，降低運維成本；并且可将故障上傳和統計，形成故障台賬，支援使用者線上搜尋和查詢，為裝置維護提供重要資料支撐。
3.排程優化
通過任務序列優化、排程政策優化、作業路徑規劃、物流排程可視，讓物流排程靈活高效。并且，北自科技還在不斷探讨優化其中的算法，争取盡快擺脫工程師的個人因素影響，讓程式統一化、标準化運作。
4.MR協作
針對物流系統的維護與維修難題，MR協作基于混合現實、圖像識别等技術打造，以MR裝置為互動終端，具備虛實融合、遠端通信等能力，可實作人機協同運維和支援專家遠端指導，進而提升巡檢運維效率，降低運維成本。
5.虛拟教育訓練
以前教育訓練都在現場進行，倉庫内部往往條件複雜且存在裝置操作風險。基于虛拟現實技術，打造與現場相同的虛拟空間，以VR裝置、PC、手機為互動終端，使使用者獲得沉浸式、趣味性體驗，能夠提升教育訓練效果，降低風險和教育訓練成本。
6.動畫示範
利用動态美觀的畫面展示生産系統工藝流程具體細節和原理，幫助使用者更好地了解工藝流程。
應用實踐
北自科技建構的智能物流複雜裝備數字孿生系統，目前已在衆多工廠中得到應用，并取得很好的效果。例如，可幫助使用者将故障處理時間縮短30%，将設計調試過程的效率提高62%，技術教育訓練時間大幅縮短，節拍控制精确化、作業過程智能化的程度也都有顯著提高。
由于數字中台可以幫助企業更好地管理和利用資料，北自科技希望通過建設數字中台來打造新的物流系統。實際上，數字中台不僅僅服務于客戶，北自科技也将自己的生産資料和内部的營運、财務、内控等資料全部上傳到數字中台，對公司的銷售、研發、生産等進行全面管理。可以說，在企業數字化轉型過程中，數字中台的建設具有重要意義，将是未來科技企業發展的重要核心之一。