Critical Manufacturing制造公司的電子/SMT區(qū)域經(jīng)理。本文基于2020年發(fā)布的題為“數(shù)字孿生和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：通過(guò) MES 從理想到現(xiàn)實(shí)”的白皮書(shū)。

現(xiàn)在正是制造業(yè)公司實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的理想時(shí)機(jī)。每個(gè)人似乎都認(rèn)可這是制造公司走向成功的必經(jīng)之路。然而，并不是每家公司都了解現(xiàn)在應(yīng)該如何走向數(shù)字化的未來(lái)。

提示：將數(shù)字孿生和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality ，簡(jiǎn)稱(chēng)AR）等新的工業(yè)4.0技術(shù)與最新版本的成熟軟件系統(tǒng)（尤其是制造執(zhí)行系統(tǒng)MES）相結(jié)合。或者更好的方法是，找到為公司實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的已有系統(tǒng)。然后，創(chuàng)建相關(guān)方法，以確保這些數(shù)字由虛擬系統(tǒng)反映并完全支持公司的物理和現(xiàn)實(shí)操作。實(shí)施工業(yè)4.0需要考慮新的技術(shù)方法。

本文將主要討論兩種技術(shù)：數(shù)字孿生和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，并簡(jiǎn)要涉及第三種技術(shù)——數(shù)字線程。這是一種將其他技術(shù)整合在一起的更理想的數(shù)據(jù)流及方法。數(shù)字孿生是物理實(shí)體的數(shù)字化復(fù)制品。雖然在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)，但這只是數(shù)字孿生的一種類(lèi)型（圖1）。

在制造中，數(shù)字孿生是關(guān)于產(chǎn)品、資產(chǎn)、生產(chǎn)線或工廠的一組模型和數(shù)據(jù)，并在其生命周期中不斷更新。使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中發(fā)生的情況實(shí)時(shí)更新虛擬模型數(shù)據(jù)。

圖1：數(shù)字孿生在產(chǎn)品和工藝工程中最為人所知，但也有實(shí)際制造過(guò)程的數(shù)字孿生。

根據(jù)MESA International的定義，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是“在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和地點(diǎn)（如通過(guò)谷歌眼鏡等設(shè)備)添加具體信息的虛擬層。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有望幫助車(chē)間工人更快地完成各種非重復(fù)性任務(wù)，如組裝、撿選、維護(hù)等” 。虛擬—現(xiàn)實(shí)連續(xù)體是了解虛擬和現(xiàn)實(shí)世界之間關(guān)系的方式（圖2）。注意，還有各種虛擬和現(xiàn)實(shí)的混合，尤其是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。考慮如圖3所示的這兩種情況可能會(huì)有所幫助：

工廠是現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象

數(shù)字孿生是其在鏡子中的形象

AR是一種同時(shí)看到鏡子和現(xiàn)實(shí)對(duì)象的設(shè)備

圖2：真實(shí)- 虛擬連續(xù)體不僅包括兩端的真實(shí)和虛擬，而且也包括混合現(xiàn)實(shí)。混合現(xiàn)實(shí)包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），其中虛擬要素疊加在相機(jī)的真實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視圖上，真實(shí)視圖投影到數(shù)字孿生的虛擬環(huán)境中。

圖3：制造數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界工廠的虛擬模型。隨著信息在虛擬和現(xiàn)實(shí)之間來(lái)回流動(dòng)，這些信息是動(dòng)態(tài)及同步的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是工廠數(shù)字孿生相關(guān)數(shù)據(jù)可見(jiàn)的方法，當(dāng)員工用工作臺(tái)、智能手機(jī)或特殊目鏡指著一條線、一件設(shè)備、產(chǎn)品、載體等時(shí)，使虛擬和現(xiàn)實(shí)能夠同時(shí)在具體情況下可見(jiàn)。

MESA International對(duì)數(shù)字線程的定義是：“集成并推動(dòng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)品支持流程的數(shù)字化通信集合，包括從設(shè)計(jì)工程開(kāi)始并流經(jīng)產(chǎn)品價(jià)值鏈中多個(gè)部門(mén)和供應(yīng)商的產(chǎn)品和流程定義。新興標(biāo)準(zhǔn)提供了3D幾何模型，增強(qiáng)了語(yǔ)義豐富且設(shè)備可讀的產(chǎn)品制造信息。然而，我們希望有雙向的數(shù)字線程，讓元器件信息沿著供應(yīng)鏈流向更高級(jí)別的組件和產(chǎn)品。”基本上，數(shù)字線程是支持?jǐn)?shù)字和物理兩個(gè)方面所有正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)流。該線程是工業(yè)4.0在系統(tǒng)和學(xué)科之間的橫向和縱向集成的組成部分。

集成制造軟件方法

這種簡(jiǎn)單化的看待方式并不是為了掩蓋將虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合在一起的復(fù)雜性和真正的挑戰(zhàn)。正如生產(chǎn)操作是復(fù)雜的，涉及許多方面、要素和學(xué)科，創(chuàng)建有效的虛擬支持系統(tǒng)也有許多要素。有許多不同的技術(shù)和流程需要結(jié)合在一起，才能將理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

盡管事實(shí)如此，但有一個(gè)基本的解決方案：增強(qiáng)MES。它是適合工業(yè)4.0的工廠級(jí)軟件系統(tǒng)。這種現(xiàn)代類(lèi)型的MES建立在MES一直專(zhuān)注的工作之上。事實(shí)上，MES的起源是為了提供集成軟件系統(tǒng)，以更好地支持生產(chǎn)操作。這避免了只提供質(zhì)量、材料和資源管理、可追溯性、作業(yè)指導(dǎo)等方面的點(diǎn)式的解決方案。所有這些都在單個(gè)系統(tǒng)中，MES多年來(lái)一直在為生產(chǎn)率、質(zhì)量和靈活性提供具體狀況數(shù)據(jù)。

那么有什么新進(jìn)展嗎？生產(chǎn)的速度、復(fù)雜性、要求以及一系列新的生產(chǎn)技術(shù)都有新發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)這些新發(fā)展，增強(qiáng)MES需要具備許多功能。下面將概述數(shù)字孿生和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能。

基于MES的數(shù)字孿生

制造數(shù)字孿生與MES緊密相連。這是因?yàn)镸ES是生產(chǎn)的原始數(shù)字孿生。MES支持生產(chǎn)操作的機(jī)制是通過(guò)映射制造過(guò)程，包括物理過(guò)程和業(yè)務(wù)過(guò)程。通過(guò)這種方式，MES本質(zhì)上總是以模型或數(shù)字孿生為核心（圖4）。

圖4 ：數(shù)字孿生本質(zhì)上是MES 的核心，因?yàn)樗鼘?duì)生產(chǎn)工廠、設(shè)備、流程和產(chǎn)品進(jìn)行建模。模擬制造是MES 實(shí)施的關(guān)鍵部分。

MES數(shù)字孿生的主要目的始終包括提供工廠狀態(tài)或“實(shí)際狀況”的可見(jiàn)性，以及控制和記錄活動(dòng)。此外它也是優(yōu)化過(guò)程和了解持續(xù)改進(jìn)路徑的關(guān)鍵動(dòng)力。

MES功能及其如何為制造業(yè)的數(shù)字孿生提供支持，包括：

在這種數(shù)字孿生核心模型的背景下捕獲和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的完全同步變得簡(jiǎn)單而固有

新穎之處在于，MES必須有效地處理來(lái)自新IIoT設(shè)備的所有分布式傳入數(shù)據(jù)流

將傳入數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在模型中的計(jì)劃和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確保防錯(cuò)、警示和警報(bào)可以關(guān)閉

新穎之處在于，MES必須提供這種類(lèi)型的功能，即數(shù)據(jù)最初是由全球任意地方的物聯(lián)網(wǎng)傳感器捕獲的，而不僅僅是來(lái)自一家工廠

如今，工廠的數(shù)字孿生可以完全是3D的，并始終反映每個(gè)區(qū)域、每條生產(chǎn)線和每臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)（圖5）。使用RFID標(biāo)簽和掃描儀可以經(jīng)常更新材料、容器、工具、員工和運(yùn)輸系統(tǒng)的位置。增強(qiáng)MES可以顯示，在數(shù)字孿生模型中，它保持所有更新元素的坐標(biāo)。更令人興奮的是，新的基于位置的服務(wù)允許該模型包含許多移動(dòng)和動(dòng)態(tài)部分。這些基于位置的服務(wù)將允許每隔幾秒讀取一次，甚至可連續(xù)讀取。隨著這些基于位置的新技術(shù)在技術(shù)上變得強(qiáng)大且企業(yè)可負(fù)擔(dān)，數(shù)字孿生不僅是顯示狀態(tài)和參數(shù)的3D SCADA系統(tǒng)，而且將變得更加生動(dòng)。

圖5：工廠的數(shù)字孿生可以是完全3D 的，且能夠始終反映每個(gè)區(qū)域、生產(chǎn)線和設(shè)備的狀態(tài)。

然而，許多MES產(chǎn)品還不能支持這些功能。一些可完成部分功能的MES很難保持?jǐn)?shù)字孿生與工廠現(xiàn)實(shí)的同步。尋找允許公司使用現(xiàn)有的藍(lán)圖和CAD模型的設(shè)備和基于位置服務(wù)的MES。詢(xún)問(wèn)如何快速加載數(shù)據(jù)，在虛擬空間中定位元素，并以適合員工的方式使結(jié)果可視化。

AR加持MES

具有額外信息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是MES一直在做的，但直到最近才采用新的AR技術(shù)。基本上，MES多年來(lái)一直通過(guò)屏幕上的作業(yè)指令為操作人員和技術(shù)人員提供指導(dǎo)。現(xiàn)在，無(wú)論是使用AR眼鏡、手機(jī)還是平板電腦，MES都可以在員工專(zhuān)注工作時(shí)提供所需的關(guān)鍵疊加信息。

員工將AR耳機(jī)、平板電腦或智能手機(jī)指向有疑問(wèn)的區(qū)域。AR技術(shù)可以讀取容器、產(chǎn)品和/或設(shè)備上的條形碼或QR碼等標(biāo)識(shí)符。根據(jù)人員的角色或任務(wù)，他們將在顯示屏上看到相關(guān)信息(圖6)。隨著時(shí)間的推移，AR也可能由接近傳感器、圖像識(shí)別、相機(jī)的位置和方向觸發(fā)，但條形碼和QR碼是簡(jiǎn)單的起點(diǎn)。

圖6：可以通過(guò)多種類(lèi)型的設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、AR 眼鏡或耳機(jī)，訪問(wèn)豐富的AR 信息，具體取決于應(yīng)用。

特殊之處在于，作為MES的一部分，系統(tǒng)可以立即將AR標(biāo)識(shí)符與MES中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。對(duì)于產(chǎn)品或批次，這些MES數(shù)據(jù)可能是數(shù)量、測(cè)試結(jié)果、作業(yè)指令、系譜(圖)或歷史記錄。對(duì)于設(shè)備或生產(chǎn)線，MES可顯示狀態(tài)、維護(hù)數(shù)據(jù)，如平均無(wú)故障時(shí)間（Mean Time Between Failure ，簡(jiǎn)稱(chēng)MTBF）和平均維修時(shí)間（Mean Time Between Failure ，簡(jiǎn)稱(chēng)MTTR），以及有關(guān)設(shè)備的性能信息。MES中的所有日歷、數(shù)據(jù)、圖表、小部件等都可以通過(guò)這種方式進(jìn)行設(shè)置。公司可以設(shè)置以何種順序顯示哪些數(shù)據(jù)。

MES的數(shù)字孿生部分可以為AR奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。現(xiàn)實(shí)世界的模型因其位于MES內(nèi)部而能時(shí)刻保持最新?tīng)顟B(tài)，提供了覆蓋AR相機(jī)所看到的虛擬世界。MES中更廣泛、更新的功能，再加上目前流入的IIoT數(shù)據(jù)，也實(shí)現(xiàn)了AR的廣泛應(yīng)用。

AR的使用案例僅限于我們的想象。想看到什么，想了解什么？MES中的任意內(nèi)容或通過(guò)連接到MES可用的任意內(nèi)容都可以疊加到現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品、過(guò)程、生產(chǎn)線或設(shè)施區(qū)域的實(shí)時(shí)攝像機(jī)鏡頭上。

工廠中的每個(gè)學(xué)科都可能有一些他們希望以這種方式看到的東西(圖7)。操作和維護(hù)可以看到SOP、檢查清單、在制品和耐用品狀態(tài)、工作認(rèn)證需求，以及質(zhì)量KPI、及時(shí)性、吞吐量和可用性。他們還可以獲得交互式工作流程指導(dǎo)，以防出錯(cuò)，支持新員工以及涉及多品種或產(chǎn)品變化多的作業(yè)。每個(gè)人都可從跟蹤每個(gè)容器的物料數(shù)量、序列號(hào)，以便于撿選、包裝，及物料使用中受益。

圖7：在工廠的每個(gè)領(lǐng)域都可應(yīng)用AR。本圖給出了領(lǐng)域案例及用途。擁有適當(dāng)基礎(chǔ)后 ，應(yīng)用只會(huì)受限于用戶(hù)的想象力

當(dāng)然，僅僅因?yàn)橄胂螅⒉灰馕吨鞘褂肁R的商業(yè)理由。然而，將MES用戶(hù)界面的一部分遷移到移動(dòng)設(shè)備或AR設(shè)備似乎是不可避免的。新一代工人對(duì)此充滿期待，它可以大大減少在屏幕前來(lái)回移動(dòng)的浪費(fèi)，并提高作業(yè)的精度。

甚至在更遠(yuǎn)的未來(lái)，我們看到通過(guò)AR與數(shù)字孿生的交互可能是與車(chē)間系統(tǒng)的唯一交互模式。將AR與語(yǔ)音識(shí)別和機(jī)器人相結(jié)合，我們所了解的標(biāo)準(zhǔn)軟件用戶(hù)界面（User Interfaces ，簡(jiǎn)稱(chēng)UI）可能就不復(fù)存在了。

通過(guò)增強(qiáng)MES實(shí)現(xiàn)

因此，我們提出了理想的工廠，使用物聯(lián)網(wǎng)和AR來(lái)提高生產(chǎn)力并加速改進(jìn)。好消息是現(xiàn)在已經(jīng)有支持這些技術(shù)的商業(yè)MES。這些現(xiàn)代軟件套件從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)，以支持工業(yè)4.0和涉及的連接技術(shù)，為此我們稱(chēng)其為增強(qiáng)MES。

增強(qiáng)MES可以使這一理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。MES包含大量信息，在模型中識(shí)別資產(chǎn)后，就可以立即顯示這些信息。增強(qiáng)型MES可以幫助探索、構(gòu)建和改進(jìn)制造數(shù)字孿生并使用AR。經(jīng)證實(shí)，MES幾乎可以立即提供價(jià)值。

然而，并非每個(gè)MES都準(zhǔn)備好了這樣做。舊版本幾乎肯定不行。即使是目前的許多系統(tǒng)也沒(méi)有支持工業(yè)4.0、IIoT、數(shù)字孿生和AR的廣泛應(yīng)用和增強(qiáng)功能。

MES成為數(shù)字線程中的重要要素。MES最擅長(zhǎng)的是將操作數(shù)據(jù)用于整個(gè)企業(yè)和自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著越來(lái)越多的分布式數(shù)據(jù)進(jìn)入，MES的作用將越來(lái)越大。

除了向前邁出幾步外，采用增強(qiáng)MES的公司會(huì)發(fā)現(xiàn)他們可以自信地向前發(fā)展。增強(qiáng)MES大大加快了公司邁向工業(yè)4.0的進(jìn)程。

現(xiàn)在是開(kāi)始的最佳時(shí)機(jī)。