Critical Manufacturing制造公司的電子/SMT區域經理。本文基于2020年發布的題為“數字孿生和增強現實：通過 MES 從理想到現實”的白皮書。

現在正是制造業公司實現數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之路。然而，并不是每家公司都了解現在應該如何走向數字化的未來。

提示：將數字孿生和增強現實（Augmented Reality ，簡稱AR）等新的工業4.0技術與最新版本的成熟軟件系統（尤其是制造執行系統MES）相結合。或者更好的方法是，找到為公司實現這一目標的已有系統。然后，創建相關方法，以確保這些數字由虛擬系統反映并完全支持公司的物理和現實操作。實施工業4.0需要考慮新的技術方法。

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

在制造中，數字孿生是關于產品、資產、生產線或工廠的一組模型和數據，并在其生命周期中不斷更新。使用工業物聯網（IIoT）可以根據現實系統中發生的情況實時更新虛擬模型數據。

圖1：數字孿生在產品和工藝工程中最為人所知，但也有實際制造過程的數字孿生。

根據MESA International的定義，增強現實（AR）是“在適當的時間和地點（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—現實連續體是了解虛擬和現實世界之間關系的方式（圖2）。注意，還有各種虛擬和現實的混合，尤其是增強現實。考慮如圖3所示的這兩種情況可能會有所幫助：

工廠是現實世界對象

數字孿生是其在鏡子中的形象

AR是一種同時看到鏡子和現實對象的設備

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

圖3：制造數字孿生是現實世界工廠的虛擬模型。隨著信息在虛擬和現實之間來回流動，這些信息是動態及同步的。增強現實是工廠數字孿生相關數據可見的方法，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、產品、載體等時，使虛擬和現實能夠同時在具體情況下可見。

MESA International對數字線程的定義是：“集成并推動現代設計、制造和產品支持流程的數字化通信集合，包括從設計工程開始并流經產品價值鏈中多個部門和供應商的產品和流程定義。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品制造信息。然而，我們希望有雙向的數字線程，讓元器件信息沿著供應鏈流向更高級別的組件和產品。”基本上，數字線程是支持數字和物理兩個方面所有正在進行的數據流。該線程是工業4.0在系統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實結合在一起的復雜性和真正的挑戰。正如生產操作是復雜的，涉及許多方面、要素和學科，創建有效的虛擬支持系統也有許多要素。有許多不同的技術和流程需要結合在一起，才能將理想變為現實。

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4.0的工廠級軟件系統。這種現代類型的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，以更好地支持生產操作。這避免了只提供質量、材料和資源管理、可追溯性、作業指導等方面的點式的解決方案。所有這些都在單個系統中，MES多年來一直在為生產率、質量和靈活性提供具體狀況數據。

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

基于MES的數字孿生

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

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

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

MES功能及其如何為制造業的數字孿生提供支持，包括：

在這種數字孿生核心模型的背景下捕獲和存儲數據，使虛擬世界和現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據流

將傳入數據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，即數據最初是由全球任意地方的物聯網傳感器捕獲的，而不僅僅是來自一家工廠

如今，工廠的數字孿生可以完全是3D的，并始終反映每個區域、每條生產線和每臺設備的狀態（圖5）。使用RFID標簽和掃描儀可以經常更新材料、容器、工具、員工和運輸系統的位置。增強MES可以顯示，在數字孿生模型中，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可負擔，數字孿生不僅是顯示狀態和參數的3D SCADA系統，而且將變得更加生動。

圖5：工廠的數字孿生可以是完全3D 的，且能夠始終反映每個區域、生產線和設備的狀態。

然而，許多MES產品還不能支持這些功能。一些可完成部分功能的MES很難保持數字孿生與工廠現實的同步。尋找允許公司使用現有的藍圖和CAD模型的設備和基于位置服務的MES。詢問如何快速加載數據，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指令為操作人員和技術人員提供指導。現在，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域。AR技術可以讀取容器、產品和/或設備上的條形碼或QR碼等標識符。根據人員的角色或任務，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，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，系統可以立即將AR標識符與MES中的數據關聯起來。對于產品或批次，這些MES數據可能是數量、測試結果、作業指令、系譜(圖)或歷史記錄。對于設備或生產線，MES可顯示狀態、維護數據，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、數據、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據。

MES的數字孿生部分可以為AR奠定更堅實的基礎。現實世界的模型因其位于MES內部而能時刻保持最新狀態，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數據，也實現了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實產品、過程、生產線或設施區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、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品變化多的作業。每個人都可從跟蹤每個容器的物料數量、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，并提高作業的精度。

甚至在更遠的未來，我們看到通過AR與數字孿生的交互可能是與車間系統的唯一交互模式。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

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

增強MES可以使這一理想變為現實。MES包含大量信息，在模型中識別資產后，就可以立即顯示這些信息。增強型MES可以幫助探索、構建和改進制造數字孿生并使用AR。經證實，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也沒有支持工業4.0、IIoT、數字孿生和AR的廣泛應用和增強功能。

MES成為數字線程中的重要要素。MES最擅長的是將操作數據用于整個企業和自動化系統。隨著越來越多的分布式數據進入，MES的作用將越來越大。

除了向前邁出幾步外，采用增強MES的公司會發現他們可以自信地向前發展。增強MES大大加快了公司邁向工業4.0的進程。

現在是開始的最佳時機。