虚拟工厂解决什么问题

　　汽车生产过程中的生产线调整是个不小的工程，但虚拟工厂系统可以让这个过程变得高效一些，同时节省成本。在未来，也可以对设计环节产生影响。

　　文｜CBN记者 宁华 郜艺

　　制图｜项凯

　　把整个汽车工厂用激光“扫描”一遍听起来是件麻烦事，但相比这么做之后所能解决的问题，它就是小事一桩了。

　　如何降低成本、提高生产效率，一直是各汽车制造商之间互相较劲的永恒主题。多年来它们想了很多改进办法，但汽车的生产流程在技术层面没有发生什么本质变化：设计、修改、试制、测试、改进，再试制、测试、修改……每款新车型从规划到量产，都要在工厂的生产线上经历这样的循环，耗费3年到4年时间。

　　不过现在沃尔沃虚拟工厂技术专家Magnus Rannang对此有了一些新的心得。他对《第一财经周刊》说，十年之前，一辆新车的研发时间需要5年，现在缩短到了3年至4年，“借助虚拟工厂技术，预计在5年至10年后，研发一款车型只需2年时间”。

　　虚拟工厂系统已经在沃尔沃位于比利时根特市的工厂里部署完成，它可以将汽车的生产流程、生产线上的不同工具、以及工人的操作动作都模拟出来。一款新车型在投入生产前，不必造出实物样车，只需用该车型的3D模型在电脑中模拟生产一遍，就能够提早发现问题，获得所需的技术参数。

　　这意味着一件事：工程师和生产人员在电脑前就可以知道未来的生产中会发生什么，比如哪个工位的设置不合理、哪个零部件不匹配、甚至可能机械手不够长。他们可以在生产正式开始之前解决这些问题，而不是等到问题发生之后才调整生产线。

　　对于整个汽车工业来说，这可能都是一种全新的设计和生产产品的方式，它使设计和生产之间变得更“无缝”了。现代汽车工业在产品设计和生产上已经结合得越来越紧密，但总体上仍旧是相互独立的，一般都是等产品设计出来之后，再围绕着产品去解决生产上的技术问题。而虚拟工厂技术的终极目标，是可以将生产上的问题也提早放入产品设计中。比如通过虚拟工厂可以计算出哪些生产站是最容易改变、哪些是最好不要变动的，如果能够增加这些先决条件再做产品设计，可以实现更有效率的设计。从这些角度看，虚拟工厂技术也将会引发制造行业内其它公司的兴趣。

　　现在沃尔沃的汽车虚拟工厂正在逐步实施自己的目标。在未来几个星期，根特工厂的工程师和供应商将可以通过网络直接查看到虚拟工厂，工程师可以看到系统中生产流程的每一个节点的情况，随时从系统中调取数据；供应商则能够进行零部件上线测量和生产演示，对于它们来说，这也是一项能够帮助它们更精确地做出库存预测的技术。今后虚拟工厂还会向沃尔沃所有一线的生产员工开放，当开会讨论工作站的重新设计时，他们可以在线表达看法和修改意见。

　　但虚拟工厂要达到最理想的状态，还首先需要突破数据管理的瓶颈。要理解这个问题，可以先来看看虚拟工厂包含了一些什么样的数据。

　　沃尔沃虚拟工厂采用了三维激光扫描技术，这种技术可以直接得出真实物体表面的空间采样点—含有三维坐标的“点云”(Point Cloud)数据。工程师事先将激光扫描枪安装在可以360度旋转的支架上，然后安置在厂房内。设备3分钟可以完成一次扫描，扫描范围将近100平方米，生成2000万个空间采样点。然后，扫描设备被移动到下一个位置，继续进行扫描，制造出新的点云。在计算机中把所有的点云组合在一起，就能一步一步地建立起虚拟工厂，与现实工厂相比其精确度误差仅在1毫米至3毫米之间。

　　这种信息采集和处理方式类似于谷歌[微博]街景中采用的技术，不同的是谷歌街景呈现出来的是平面照片，而虚拟工厂系统的图像构成的空间是三维立体的，物体间的距离可以测量出来，这样就可以把厂房布局、所有的设备和每一个零部件所处的位置都精确显示出来。

　　据Rannang透露，一个虚拟工厂大概需要生成800亿个点云数据，按照沃尔沃要建立8家至10家虚拟工厂的计划看，点云数据量极为庞大。沃尔沃还没有现成的流媒体解决方案，如果想看虚拟工厂中某一个区域，就要下载5GB至6GB的数据，这会瞬间导致公司网络的拥堵；另外，如果把数据放在“云”端，当需要更新部分区域的数据时，就要找到如何将更新的那部分数据加入到原有的数据中，这需要一些智能运算和一个更好的数据管理系统。眼下沃尔沃正和西门子公司、达索系统公司商洽，寻找解决数据管理问题的办法—如果未来有越来越多的制造公司采取虚拟工厂技术，它们的数据存储和管理业务恐怕也会成为一门大生意。

　　在Rannang的设想中，虚拟工厂系统将来会变得更智能化。比如将来如果要在生产线上生产不同款式的车型，不仅可以在系统中模拟出最优生产方案，明确设备的位置、工位的变化、所有零部件的摆放位置，还不必用人工进行调整，而是由电脑自动移动到最佳位置上；扫描过程也变得更简便，目前的扫描工作需要人工移动扫描设备，将来的设想是将扫描摄像枪安置在可以自主移动的拖车上，进行自动扫描；今后工厂各个区域都可以安装全自动扫描器，只要布置发生了变化，将会自动扫描、更新工厂的布局。Rannang预计还需要花费两到三年的时间进行研发，才能够做到自动布局。

　　除了数据管理，虚拟工厂系统现在还不能完全实现一辆汽车所有生产过程的模拟，比如传送带现在还无法模拟。Rannang解释说，沃尔沃之前将设计这一系统的主要精力放在了机械部分，因此还没有来得及完成所有环节。现在比较困难的是如何对流水线、起重机、流水站等过程进行虚拟，它涉及到一系列新的问题。

　　但虚拟工厂至少在沃尔沃开了一个头，这家公司正在全球的工厂中逐步复制根特工厂的作法。工程师会将整个工厂的布局、生产线的顺序及所有的零件都扫描进电脑，据此建立虚拟工厂系统。沃尔沃位于哥德堡的托斯兰达工厂的数字化扫描工作已经完成了一半，成都工厂的扫描工作也已经开始，预计在一个月内可以完成。扫描技术比用传统的计算机辅助设计(CAD)来建模节省了最多二十倍的时间。根特工厂的面积约有30万平方米，全部扫描完毕花了一个月时间，如果让几位高级工程师用CAD来制图，至少要耗时两年半。

　　利用激光扫描技术建立虚拟工厂，是现代汽车制造业在生产管理技术上的又一次进步。最早的时候，汽车制造商都会用2D图片加文字说明的方式来管理生产车间，生产人员可以在图片上看到生产线的样子、零部件的装配方式，通过图文来理解各种设备的功能以及生产顺序。不过这种方式不够直观，没有受过培训的人仅通过图文说明很难理解某类设备或工具的使用方法。

　　后来汽车厂商开始运用CAD技术来绘制生产设备的三维模型，在电脑上模拟生产过程。比如在焊接环节，计算机模拟系统可以模拟所有机械手的运行情况，包括同一岗位的机械手之间、或者两个不同工作岗位的机械手之间是否会发生碰撞，以及机械手能否准确伸到车身每一个需要焊接的位置上。通过这种事先模拟，减少新车上线生产时的错误。

　　CAD技术有用，但也逐渐遇到了越来越明显的瓶颈。随着车型种类增加，汽车制造商为降低成本，通常采取柔性化生产，即在同一条生产线上制造不同类型的车型，生产线时常会进行调整，也就是说市场需要使用CAD建立新的模型，以事先模拟生产过程。由于CAD绘制建模需要花费大量时间，一套3D系统构建好之后很难做到随时更新，在生产系统频繁变动的情况下所能发挥的效用就被削弱了。

　　这在沃尔沃也不例外。2012年沃尔沃的工厂几乎每个星期都会有调整，因为沃尔沃工厂不多，产能很紧张，不同的车型都在同一条生产线上生产。很多时候这种生产线的调整方案并不是当时最优的，只是一种被动的调整，比如油价上涨了，就要多生产小车型。

　　另一个典型例子是，在试生产的时候，常常发现一些零部件无法与现有的机械设备相匹配，甚至无法通过货运电梯运送。解决这些问题的办法是在零部件尺寸上反复进行修改，有时候甚至需要重新改造生产线，既耗费时间，又增加了成本。沃尔沃一直希望能有一种更好的可以及时管理、与生产变化同步的技术。

　　虚拟工厂的研发开始于2010年。当时沃尔沃了解到英国Pointools建筑设计公司利用激光扫描仪建立虚拟仿真系统，可以简化设计流程，缩短设计时间，而且方便随时修改，于是找到了对方开始合作研发虚拟工厂系统。但两年后Pointools公司被美国Bentley软件公司收购，沃尔沃转为自行进行研发，此后陆续投入了150万欧元(约合1200万元人民币)。

　　“沃尔沃的工厂很小，它比别的公司更加迫切的需要这样一个技术。”Rannang说，有了虚拟工厂系统，就可以设置不同的情景提早对生产线进行调整，找到最有效率的方案，从被动的计划改成主动的计划调整。沃尔沃根特工厂正在生产一款插入式混合动力车型V60，利用的是原来的一条普通生产线。如果是之前，需要重新设计整条生产线，通过虚拟工厂的分析，最后只要重新设计其中两个生产站就行，节约了成本。

　　如果全部工厂都部署了这套系统，工程师的培训将是一个不短的过程。沃尔沃预计到2014年年底会有500名工程师得到培训，将全部5000名工程师全部培训完毕则还需要花几年时间。

　　在沃尔沃之后，虚拟工厂引起了多家汽车制造商的关注。丰田汽车新加坡公司已经提出希望能学习这项技术，戴姆勒公司将在5月份前往沃尔沃根特工厂参观考察。Rannang还透露了另外一点：这项技术的后续开发还需要投入大量资金，沃尔沃希望有其他的资金来源，所以愿意有其他汽车制造商加入进行共同研发。

　　看起来，要想从根本上解决生产和设计效率的问题，不仅是汽车制造商们，制造行业中的很多公司都还需要做好一次在资金上“大出血”的准备。到了某个阶段，这或许也会成为一个考验它们是否敢于对新技术“下注”的问题。