作者：Óscar Martins

Critical Manufacturing制造公司的电子/SMT区域经理。本文基于2020年发布的题为“数字孪生和增强现实：通过 MES 从理想到现实”的白皮书。

 

现在正是制造业公司实现数字化转型的理想时机。每个人似乎都认可这是制造公司走向成功的必经之路。然而，并不是每家公司都了解现在应该如何走向数字化的未来。提示：将数字孪生和增强现实（Augmented Reality ，简称AR）等新的工业4.0技术与最新版本的成熟软件系统（尤其是制造执行系统MES）相结合。或者更好的方法是，找到为公司实现这一目标的已有系统。然后，创建相关方法，以确保这些数字由虚拟系统反映并完全支持公司的物理和现实操作。实施工业4.0需要考虑新的技术方法。本文将主要讨论两种技术：数字孪生和增强现实，并简要涉及第三种技术——数字线程。这是一种将其他技术整合在一起的更理想的数据流及方法。数字孪生是物理实体的数字化复制品。虽然在产品设计中很常见，但这只是数字孪生的一种类型（图1）。在制造中，数字孪生是关于产品、资产、生产线或工厂的一组模型和数据，并在其生命周期中不断更新。使用工业物联网（IIoT）可以根据现实系统中发生的情况实时更新虚拟模型数据。

 

图1：数字孪生在产品和工艺工程中最为人所知，但也有实际制造过程的数字孪生。

 

根据MESA International的定义，增强现实（AR）是“在适当的时间和地点（如通过谷歌眼镜等设备)添加具体信息的虚拟层。增强现实技术有望帮助车间工人更快地完成各种非重复性任务，如组装、捡选、维护等” 。虚拟—现实连续体是了解虚拟和现实世界之间关系的方式（图2）。注意，还有各种虚拟和现实的混合，尤其是增强现实。考虑如图3所示的这两种情况可能会有所帮助：

• 工厂是现实世界对象
• 数字孪生是其在镜子中的形象
• AR是一种同时看到镜子和现实对象的设备 

图2：真实- 虚拟连续体不仅包括两端的真实和虚拟，而且也包括混合现实。混合现实包括增强现实（AR），其中虚拟要素叠加在相机的真实和增强现实视图上，真实视图投影到数字孪生的虚拟环境中。

 

图3：制造数字孪生是现实世界工厂的虚拟模型。随着信息在虚拟和现实之间来回流动，这些信息是动态及同步的。增强现实是工厂数字孪生相关数据可见的方法，当员工用工作台、智能手机或特殊目镜指着一条线、一件设备、产品、载体等时，使虚拟和现实能够同时在具体情况下可见。

 

MESA International对数字线程的定义是：“集成并推动现代设计、制造和产品支持流程的数字化通信集合，包括从设计工程开始并流经产品价值链中多个部门和供应商的产品和流程定义。新兴标准提供了3D几何模型，增强了语义丰富且设备可读的产品制造信息。然而，我们希望有双向的数字线程，让元器件信息沿着供应链流向更高级别的组件和产品。”基本上，数字线程是支持数字和物理两个方面所有正在进行的数据流。该线程是工业4.0在系统和学科之间的横向和纵向集成的组成部分。

 

集成制造软件方法

这种简单化的看待方式并不是为了掩盖将虚拟和现实结合在一起的复杂性和真正的挑战。正如生产操作是复杂的，涉及许多方面、要素和学科，创建有效的虚拟支持系统也有许多要素。有许多不同的技术和流程需要结合在一起，才能将理想变为现实。

尽管事实如此，但有一个基本的解决方案：增强MES。它是适合工业4.0的工厂级软件系统。这种现代类型的MES建立在MES一直专注的工作之上。事实上，MES的起源是为了提供集成软件系统，以更好地支持生产操作。这避免了只提供质量、材料和资源管理、可追溯性、作业指导等方面的点式的解决方案。所有这些都在单个系统中，MES多年来一直在为生产率、质量和灵活性提供具体状况数据。

那么有什么新进展吗？生产的速度、复杂性、要求以及一系列新的生产技术都有新发展。为了应对这些新发展，增强MES需要具备许多功能。下面将概述数字孪生和增强现实功能。

 

 

基于MES的数字孪生

制造数字孪生与MES紧密相连。这是因为MES是生产的原始数字孪生。MES支持生产操作的机制是通过映射制造过程，包括物理过程和业务过程。通过这种方式，MES本质上总是以模型或数字孪生为核心（图4）。

 

图4 ：数字孪生本质上是MES 的核心，因为它对生产工厂、设备、流程和产品进行建模。模拟制造是MES 实施的关键部分。

 

MES数字孪生的主要目的始终包括提供工厂状态或“实际状况”的可见性，以及控制和记录活动。此外它也是优化过程和了解持续改进路径的关键动力。

MES功能及其如何为制造业的数字孪生提供支持，包括：

• 在这种数字孪生核心模型的背景下捕获和存储数据，使虚拟世界和现实世界的完全同步变得简单而固有
• 新颖之处在于，MES必须有效地处理来自新IIoT设备的所有分布式传入数据流
• 将传入数据与存储在模型中的计划和标准进行对比，确保防错、警示和警报可以关闭
• 新颖之处在于，MES必须提供这种类型的功能，即数据最初是由全球任意地方的物联网传感器捕获的，而不仅仅是来自一家工厂

如今，工厂的数字孪生可以完全是3D的，并始终反映每个区域、每条生产线和每台设备的状态（图5）。使用RFID标签和扫描仪可以经常更新材料、容器、工具、员工和运输系统的位置。增强MES可以显示，在数字孪生模型中，它保持所有更新元素的坐标。更令人兴奋的是，新的基于位置的服务允许该模型包含许多移动和动态部分。这些基于位置的服务将允许每隔几秒读取一次，甚至可连续读取。随着这些基于位置的新技术在技术上变得强大且企业可负担，数字孪生不仅是显示状态和参数的3D SCADA系统，而且将变得更加生动。

 

图5：工厂的数字孪生可以是完全3D 的，且能够始终反映每个区域、生产线和设备的状态。

 

然而，许多MES产品还不能支持这些功能。一些可完成部分功能的MES很难保持数字孪生与工厂现实的同步。寻找允许公司使用现有的蓝图和CAD模型的设备和基于位置服务的MES。询问如何快速加载数据，在虚拟空间中定位元素，并以适合员工的方式使结果可视化。

 

 

AR加持MES

具有额外信息的增强现实是MES一直在做的，但直到最近才采用新的AR技术。基本上，MES多年来一直通过屏幕上的作业指令为操作人员和技术人员提供指导。现在，无论是使用AR眼镜、手机还是平板电脑，MES都可以在员工专注工作时提供所需的关键叠加信息。

员工将AR耳机、平板电脑或智能手机指向有疑问的区域。AR技术可以读取容器、产品和/或设备上的条形码或QR码等标识符。根据人员的角色或任务，他们将在显示屏上看到相关信息(图6)。随着时间的推移，AR也可能由接近传感器、图像识别、相机的位置和方向触发，但条形码和QR码是简单的起点。

 

图6：可以通过多种类型的设备，如智能手机、平板电脑、AR 眼镜或耳机，访问丰富的AR 信息，具体取决于应用。

 

特殊之处在于，作为MES的一部分，系统可以立即将AR标识符与MES中的数据关联起来。对于产品或批次，这些MES数据可能是数量、测试结果、作业指令、系谱(图)或历史记录。对于设备或生产线，MES可显示状态、维护数据，如平均无故障时间（Mean Time Between Failure ，简称MTBF）和平均维修时间（Mean Time Between Failure ，简称MTTR），以及有关设备的性能信息。MES中的所有日历、数据、图表、小部件等都可以通过这种方式进行设置。公司可以设置以何种顺序显示哪些数据。

MES的数字孪生部分可以为AR奠定更坚实的基础。现实世界的模型因其位于MES内部而能时刻保持最新状态，提供了覆盖AR相机所看到的虚拟世界。MES中更广泛、更新的功能，再加上目前流入的IIoT数据，也实现了AR的广泛应用。

AR的使用案例仅限于我们的想象。想看到什么，想了解什么？MES中的任意内容或通过连接到MES可用的任意内容都可以叠加到现实产品、过程、生产线或设施区域的实时摄像机镜头上。

工厂中的每个学科都可能有一些他们希望以这种方式看到的东西(图7)。操作和维护可以看到SOP、检查清单、在制品和耐用品状态、工作认证需求，以及质量KPI、及时性、吞吐量和可用性。他们还可以获得交互式工作流程指导，以防出错，支持新员工以及涉及多品种或产品变化多的作业。每个人都可从跟踪每个容器的物料数量、序列号，以便于捡选、包装，及物料使用中受益。

 

图7：在工厂的每个领域都可应用AR。本图给出了领域案例及用途。拥有适当基础后 ，应用只会受限于用户的想象力

 

当然，仅仅因为想象，并不意味着是使用AR的商业理由。然而，将MES用户界面的一部分迁移到移动设备或AR设备似乎是不可避免的。新一代工人对此充满期待，它可以大大减少在屏幕前来回移动的浪费，并提高作业的精度。

甚至在更远的未来，我们看到通过AR与数字孪生的交互可能是与车间系统的唯一交互模式。将AR与语音识别和机器人相结合，我们所了解的标准软件用户界面（User Interfaces ，简称UI）可能就不复存在了。

 

 

通过增强MES实现

因此，我们提出了理想的工厂，使用物联网和AR来提高生产力并加速改进。好消息是现在已经有支持这些技术的商业MES。这些现代软件套件从头开始设计，以支持工业4.0和涉及的连接技术，为此我们称其为增强MES。

增强MES可以使这一理想变为现实。MES包含大量信息，在模型中识别资产后，就可以立即显示这些信息。增强型MES可以帮助探索、构建和改进制造数字孪生并使用AR。经证实，MES几乎可以立即提供价值。

然而，并非每个MES都准备好了这样做。旧版本几乎肯定不行。即使是目前的许多系统也没有支持工业4.0、IIoT、数字孪生和AR的广泛应用和增强功能。

MES成为数字线程中的重要要素。MES最擅长的是将操作数据用于整个企业和自动化系统。随着越来越多的分布式数据进入，MES的作用将越来越大。

除了向前迈出几步外，采用增强MES的公司会发现他们可以自信地向前发展。增强MES大大加快了公司迈向工业4.0的进程。

现在是开始的最佳时机。

我想这是一份应该公开发布的白皮书。即使是在网站上，编辑的说明也是必要的。

 

 

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