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)字孿生和增強現(xiàn)實：通過 MES 從理想到現(xiàn)實”的白皮書。

現(xiàn)在正是制造業(yè)公司實現(xiàn)數(shù)字化轉型的理想時機。每個人似乎都認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)在應該如何走向數(shù)字化的未來。

提示：將數(shù)字孿生和增強現(xiàn)實（Augmented Reality ，簡稱AR）等新的工業(yè)4.0技術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）相結合。或者更好的方法是，找到為公司實現(xiàn)這一目標的已有系統(tǒng)。然后，創(chuàng)建相關方法，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)實操作。實施工業(yè)4.0需要考慮新的技術方法。

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

在制造中，數(shù)字孿生是關于產(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)實系統(tǒng)中發(fā)生的情況實時更新虛擬模型數(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，但也有實際制造過程的數(shù)字孿生。

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

工廠是現(xiàn)實世界對象

數(shù)字孿生是其在鏡子中的形象

AR是一種同時看到鏡子和現(xiàn)實對象的設備

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

圖3：制造數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界工廠的虛擬模型。隨著信息在虛擬和現(xiàn)實之間來回流動，這些信息是動態(tài)及同步的。增強現(xiàn)實是工廠數(shù)字孿生相關數(shù)據(jù)可見的方法，當員工用工作臺、智能手機或特殊目鏡指著一條線、一件設備、產(chǎn)品、載體等時，使虛擬和現(xiàn)實能夠同時在具體情況下可見。

MESA International對數(shù)字線程的定義是：“集成并推動現(xiàn)代設計、制造和產(chǎn)品支持流程的數(shù)字化通信集合，包括從設計工程開始并流經(jīng)產(chǎn)品價值鏈中多個部門和供應商的產(chǎn)品和流程定義。新興標準提供了3D幾何模型，增強了語義豐富且設備可讀的產(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鏈流向更高級別的組件和產(chǎn)品。”基本上，數(shù)字線程是支持數(shù)字和物理兩個方面所有正在進行的數(shù)據(jù)流。該線程是工業(yè)4.0在系統(tǒng)和學科之間的橫向和縱向集成的組成部分。

集成制造軟件方法

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

盡管事實如此，但有一個基本的解決方案：增強MES。它是適合工業(yè)4.0的工廠級軟件系統(tǒng)。這種現(xiàn)代類型的MES建立在MES一直專注的工作之上。事實上，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。這避免了只提供質量、材料和資源管理、可追溯性、作業(yè)指導等方面的點式的解決方案。所有這些都在單個系統(tǒng)中，MES多年來一直在為生產(chǎn)率、質量和靈活性提供具體狀況數(shù)據(jù)。

那么有什么新進展嗎？生產(chǎn)的速度、復雜性、要求以及一系列新的生產(chǎn)技術都有新發(fā)展。為了應對這些新發(fā)展，增強MES需要具備許多功能。下面將概述數(shù)字孿生和增強現(xiàn)實功能。

基于MES的數(shù)字孿生

制造數(shù)字孿生與MES緊密相連。這是因為MES是生產(chǎn)的原始數(shù)字孿生。MES支持生產(chǎn)操作的機制是通過映射制造過程，包括物理過程和業(yè)務過程。通過這種方式，MES本質上總是以模型或數(shù)字孿生為核心（圖4）。

圖4 ：數(shù)字孿生本質上是MES 的核心，因為它對生產(chǎn)工廠、設備、流程和產(chǎn)品進行建模。模擬制造是MES 實施的關鍵部分。

MES數(shù)字孿生的主要目的始終包括提供工廠狀態(tài)或“實際狀況”的可見性，以及控制和記錄活動。此外它也是優(yōu)化過程和了解持續(xù)改進路徑的關鍵動力。

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數(shù)據(jù)，使虛擬世界和現(xiàn)實世界的完全同步變得簡單而固有

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

將傳入數(shù)據(jù)與存儲在模型中的計劃和標準進行對比，確保防錯、警示和警報可以關閉

新穎之處在于，MES必須提供這種類型的功能，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，并始終反映每個區(qū)域、每條生產(chǎn)線和每臺設備的狀態(tài)（圖5）。使用RFID標簽和掃描儀可以經(jīng)常更新材料、容器、工具、員工和運輸系統(tǒng)的位置。增強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。更令人興奮的是，新的基于位置的服務允許該模型包含許多移動和動態(tài)部分。這些基于位置的服務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在技術上變得強大且企業(yè)可負擔，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。

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區(qū)域、生產(chǎn)線和設備的狀態(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很難保持數(shù)字孿生與工廠現(xiàn)實的同步。尋找允許公司使用現(xiàn)有的藍圖和CAD模型的設備和基于位置服務的MES。詢問如何快速加載數(shù)據(jù)，在虛擬空間中定位元素，并以適合員工的方式使結果可視化。

AR加持MES

具有額外信息的增強現(xiàn)實是MES一直在做的，但直到最近才采用新的AR技術。基本上，MES多年來一直通過屏幕上的作業(yè)指令為操作人員和技術人員提供指導。現(xiàn)在，無論是使用AR眼鏡、手機還是平板電腦，MES都可以在員工專注工作時提供所需的關鍵疊加信息。

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

圖6：可以通過多種類型的設備，如智能手機、平板電腦、AR 眼鏡或耳機，訪問豐富的AR 信息，具體取決于應用。

特殊之處在于，作為MES的一部分，系統(tǒng)可以立即將AR標識符與MES中的數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。對于產(chǎn)品或批次，這些MES數(shù)據(jù)可能是數(shù)量、測試結果、作業(yè)指令、系譜(圖)或歷史記錄。對于設備或生產(chǎn)線，MES可顯示狀態(tài)、維護數(shù)據(jù)，如平均無故障時間（Mean Time Between Failure ，簡稱MTBF）和平均維修時間（Mean Time Between Failure ，簡稱MTTR），以及有關設備的性能信息。MES中的所有日歷、數(shù)據(jù)、圖表、小部件等都可以通過這種方式進行設置。公司可以設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奠定更堅實的基礎。現(xiàn)實世界的模型因其位于MES內部而能時刻保持最新狀態(tài)，提供了覆蓋AR相機所看到的虛擬世界。MES中更廣泛、更新的功能，再加上目前流入的IIoT數(shù)據(jù)，也實現(xiàn)了AR的廣泛應用。

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中的任意內容或通過連接到MES可用的任意內容都可以疊加到現(xiàn)實產(chǎn)品、過程、生產(chǎn)線或設施區(qū)域的實時攝像機鏡頭上。

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

圖7：在工廠的每個領域都可應用AR。本圖給出了領域案例及用途。擁有適當基礎后 ，應用只會受限于用戶的想象力

當然，僅僅因為想象，并不意味著是使用AR的商業(yè)理由。然而，將MES用戶界面的一部分遷移到移動設備或AR設備似乎是不可避免的。新一代工人對此充滿期待，它可以大大減少在屏幕前來回移動的浪費，并提高作業(yè)的精度。

甚至在更遠的未來，我們看到通過AR與數(shù)字孿生的交互可能是與車間系統(tǒng)的唯一交互模式。將AR與語音識別和機器人相結合，我們所了解的標準軟件用戶界面（User Interfaces ，簡稱UI）可能就不復存在了。

通過增強MES實現(xiàn)

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

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

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

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

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

現(xiàn)在是開始的最佳時機。