工厂建设是一个系统工程。工厂常规建设项目在完成环评、规划审批等前期相关审批后，会由设计单位主导，参照相关工业建筑设计标准以及产品工艺要求进行厂房整体及配套设计和工厂布局设计，设计最终以平面施工图为标准输出。在设计图纸获得批准认可后，建设项目进入到厂房建设阶段。在工厂产品工艺流程及生产布局规划设计方面，考虑的要素非常之多：各工序的人、机、料、法各要素及其平衡匹配，设备能力和数量配比，工艺路线及节拍平衡、人流、生产物流方式及物流路径、缓存区设置、EHS要素等等。传统的设计方式在遵循相关设计标准的同时，更多地依赖设计者的经验和积累，很多设计问题往往在建设过程甚至试制生产过程中才被发现并进行修正和调整，建设周期、建设成本和建设质量都会受到诸多影响。传统工厂建设模式示意图参见图1。
图1 传统工厂建设模式示意图
2.数字工厂建设模式
数字工厂（Digital Plant，DF）有着众多不同的表述。德国工程师协会（Verein Deutscher Ingenieure，VDI）定义将数字工厂定义为由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，数字工厂包含仿真和3D/虚拟现实可视化，并通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。VDI 版本数字工厂强调数据可视化及工厂未来预测。在一定时期内，国内将通过信息化手段实现设计/工艺/制造/管理等运行数据的数字化，实现生产过程的信息化管理，这类工厂定义为数字化工厂。数字化工厂强调过程信息化和工厂运营管理环节的数字化有效管控。在国内，上海东方申信科技发展有限公司（简称“东方申信”）依托上海交通大学计算机集成制造研究所二十多年的制造业信息化研究开发与应用积累，广泛研究分析了国内外数字工厂的发展现状，在国内率先提出虚实结合的数字工厂定义，即：将虚拟仿真技术、信息技术、自动化技术、管理技术等融合运用于企业工厂运行中，实现多视角信息、多层次业务的高度集成，实现生产运行自动化和智能化，支持动态环境下的快速变化和精准决策。该数字工厂定义更多地强调虚实结合，强调虚拟工厂技术与物理工厂技术的有效融合和贯通应用。同时，虚实结合的数字工厂定义强调几个特征：(1)高融合，数字工厂强调虚拟仿真技术/信息技术/自动化技术/管理技术等多种技术的融合；(2)大数据，数字工厂可以从时间域、空间域，通过数据多视角多层次展现工厂示图，实现过去可追溯、现在可控制、未来可预测；(3)动态化，数字工厂系统应该是高柔性程度，生产可按需组织并实现快速响应；(4)智能化、数字工厂中的生产制造系统应具备自学习功能，并可以实现复杂预测，支持精准决策。
采用数字工厂技术改进工厂建设模式，可有效破解传统工厂建设模式中的技术难题。这些难题往往在建设过程中甚至试制生产过程中才被发现并进行修正和调整，从而带来高风险高成本。在规划设计和技术改造设计阶段，场地利用是否最大化、设备配置是否合理、各工位、生产线人员配置是否合理、物流设施和物流路径是否合理调配、生产节拍是否均衡、生产班次安排的合理性、多生产模式的有效性推演、工厂预设产能是否能够有效达成、空间域和时间域的系统干涉校验等复杂系统问题都可以通过建立虚拟工厂，并通过生产系统仿真来进行计算分析和模拟运行。以优化目标为导向，通过资源调整和虚拟仿真优化，输出理想的工厂建设和实施方案。利用数字工厂技术输出的方案进行工厂建设和实施，可以从源头消除很多潜在的问题，大大降低工厂建设过程中的修正调整成本，有效保障建设工期和建设质量。利用数字工厂技术实现工厂规划建设的建设模式参见图2。
图2 数字工厂建设模式示意图
相对于传统的工厂建设模式，数字工厂建设模式因为有虚拟工厂尤其是三维可视化虚拟工厂这个载体，充分考虑产品类型和产品工艺、生产计划和产量要求、生产制造资源的可用性和有效性，可以有效地实现规划设计的全员性参与，并可以全方位、多维度的进行评估分析，通过各种可能的制造模式进行能力测算和组织模式推演及优化。数字工厂建设模式已经得到越来越多工业企业的认可。德国的大众汽车、中国的三一集团等都已经将数字工厂纳入到企业的工厂规划建设企业标准中。
3.虚实结合的数字工厂技术
虚拟工厂技术包括生产要素单元三维可视化建模技术、建筑信息模型BIM技术、生产物流仿真技术、生产制造资源系统仿真技术、虚拟现实及虚拟漫游技术、虚拟制造与装配技术、虚拟监控技术等。虚拟工厂技术广泛应用于系统对象干涉校验、制造资源评估、生产过程可视化、生产计划仿真、三维作业指导、数字沙盘与虚拟漫游、工厂三维可视化虚拟监控、制造模式推演等应用领域。
数字工厂技术中的物理工厂技术除了传统的CAD/PLM/ERP/自动化等相关技术以外，主要包括设备物联组网和数据采集技术、产品制造工艺数据协同管理技术、制造执行和生产管理技术、智能控制技术、立体仓储技术、设备维护维修管理技术、机器人等。物理工厂技术主要应用于实际工厂运营中的精祥设计、精准控制、精密加工、精准物流、精确维保、精益生产和精细管理。
数字工厂的规划建设和投产运营及优化改进是企业两化融合不断深入的过程。在这个过程中，虚拟工厂与物理工厂不断迭代，支持企业生产制造资源系统优化和管理提升中各环节PDCA 循环得到闭环改进和提升。不管是规划建设开始阶段还是投产运营过程中技术改造，优化项目都会预设项目建设目标和阶段计划，定义清晰资源要素的类型、数量和优先级，然后通过虚拟工厂技术针对设计方案进行仿真、分析、验证，并在模拟分析的基础上进行优化和完善。在模拟分析的基础上，项目建设单位针对设计优化方案进行有效实施和建设落实。在工厂运营中实现设计制造协同，保障数据源统一和快速无误地传递。设备的适度、有效维护管理可保障生产制造系统的安全可靠运行。同时，有效的设备互联和底层通讯实现可以保证控制指令准确无误的下达。物理工厂技术旨在提供支持智能制造的生产管理系统，以实现优化业务模式的完美固化。
虚实结合的数字工厂推进模式参见图3。
图3 虚实结合的数字工厂推进示意图
作为一个由大量生产制造资源组成的复杂系统，数字工厂的优化和固化都是动态过程中的相对平衡，所以系统的优化和改进也是一个持续过程。虚实结合的数字工厂解决方案充分利用了虚拟工厂技术和物理工厂技术的技术特点，以尽可能低的成本、最适当的技术方案和最小的风险，获取最大的可靠性保障和尽可能大的收益。以三一集团某事业部为例，通过规划建设阶段几个月的数字工厂实施应用，修正厂房结构规划漏洞十余处，调整了工位布局30多处，厂房面积利用率提高近10 个百分点，有效节约设备投资2800万，效果卓著。
