【工业4.0案例分析之五九】大众具有系统集成功能的生产规划

规划结果的3D模型是数字化工厂的基石。在发动机和底盘生产领域的工厂规划中，3D模型用来确保已规划的布局在预备阶段得到充分演示和测试，从而避免规划失误和降低纠错成本。 奥迪是大众汽车公司的全资子公司。数字化模型在奥迪进一步创新进程中占据重要地位,它可被用于规划数字化工厂。早在生产系统或工厂模块的建立之前，数字化工厂就已利用CAD技术构建3D仿真模型，完成未来工厂的实际图景绘制，3D仿真模型中包括架构、生产系统与生产流程。在数字化工厂中，除了几何表述，逻辑与功能上的相关性也将被测试。数字化工厂规划系统（HLS）的作用在于：只有在

事先对生产参数进行仿真模拟并将其调准到最佳的情况下，才会建造实际的工厂。

奥迪寄希望于数字化工厂

在其“数字化工厂”项目下，奥迪已经启动了一系列子项目，涉及的方面包括冲压、车身建造、喷漆、总装、工具制造、工厂规划以及物流。其准则是“没有软件的确保就没有硬件”。这就是说：只有当一个生产场所在计算机中成功通过仿真、规划、集成的步骤，才能开始建造。奥迪在此基础上朝着目标更进一步，就是加速仿真-制造-销售的整条流程链上的数字化进程。

为此，在奥迪，数字化工厂与数字样机（DMU）紧密结合在一起。数字样机（DMU）的数据早在新车型的概念阶段就已经为数字化工厂提供了基本数据。奥迪的做法是为了应对以下挑战：不断增多的车型变型，越来越复杂的开发过程，以及缩短开发时间的需求。在如今市场上，一款新车型应该能够尽快地在一开始就大量地推出市场。

奥迪的3D仿真工厂规划

虚拟现实（VR）将观察者带入了数据世界。增强现实（AR）将现实与计算机中的信息相结合。在奥迪的很多领域中，VR与AR软件为其节省了大量时间与成本。现在，我们来参观位于德国英戈尔施塔特的奥迪3D仿真工厂。

现在，墨西哥与德国近在咫尺。假设参观者现在身处德国英戈尔施塔特，只要在平板上下个指令，就可以站在墨西哥圣何塞–齐亚帕的奥迪未来工厂大门前，开始一场虚拟之旅。在投影巨幕的虚拟现实影像中，整个建筑的物理细节被高精度还原。这使得观看者能够针对此建筑做出一个准确的评价。如果此时正是中午十二点，就连消防梯投下的阴影都和此时此刻在首府普埃布拉州的一样短。

回到现实，回到奥迪工厂规划室里宽6.0米、高2.4米的巨幕面前。投影仪分辨率为670万像素、光通量为3.2万流明。生成巨幕中虚拟现实影像的计算机群由11520个通过光纤联网的计算机内核组成。当这些计算机内核以毫秒为单位同时运行时，它们与对应冷却装置一起产生了约10千瓦的功率。

墨西哥奥迪未来工厂之旅继续：虚拟摄像机现在飞进了冲压车间。影像变得更具体，技术性更强了。在大厅里，参观者可看到工厂里的数字样机（DMU）。为了能更好地辨别部件，同一部件会被有意识地标记上特殊的颜色。红色管可通入加热后的进风，绿色管可以通入压缩气，蓝色管可以通入低压电缆。这样一来，工厂规划者便可以检测厂房像这样建造是否可行或者是否会有什么冲突。摄像机继续以高速飞向车身制造车间：浅蓝色的钢结构、橙色的机器人——专家可以快速准确地确定方向。

“我们已经在德国英戈尔施塔特和内卡苏尔姆、匈牙利的杰尔、比利时布鲁塞尔和墨西哥齐亚帕的工厂中完成完全数字化。”奥迪规划控制和信息处理部总工程师Oliver Riedel博士说。“在第一台挖土机启动之前，新工厂就已经以数字化模型的形式存在。因此，我们负责确保在之后的实施中所有的齿轮能够完美啮合。”数字化工厂规划系统（HLS）的方法开发人员Sabine Amthor解释：“在墨西哥的奥迪未来工厂中，工程师们设计了总共16 000个计算机辅助设计（CAD）文件，包括所有车型的变型与版本，来展示正在进行中的规划设计情况，并压缩成70~80GB大小的数据。”在高效的数字样机（DMU）软件的帮助下，工厂规划者能够在奥迪的每一台CAD计算机上对规划进展进行日常评估——无论是台式电脑、手提电脑或是平板电脑。

在数字化工厂中，奥迪的工厂规划者可随心所欲地工作。在车身制造车间，他们可以检查机器人的运动过程，操作焊钳。在制定虚拟安装计划时，他们可以着眼于工效学与过程安全性，仔细审查每一个工作岗位。在涂装车间，无论是模拟温度或是水流动力——数字化工厂在每个细节处都实行透明化管理，可供监督。

奥迪“虚拟空间”：在3D世界中工作

Katharina Kunz和Michael Günter是两位虚拟现实技术专家，他们现在身处于奥迪预量产中心（VSC）一个特殊的地方——“虚拟空间”（Cave）。他们看起来就好像在打电子游戏，他们戴着3D眼镜。Günter用来打手势的右手前臂上还绑着一个厚厚的黑带。“虚拟空间”由多个互联的投影界面组成。使用者将完全浸入在3D虚拟环境中。Kunz和Günter的任务便是尽早在开发周期中确保汽车的可制造性，这个尽早往往是指生产启动之前的三年时间内。

目前，Günter在进行仿真的“关键时期”，即动力机组和车身的组装。为此，他利用了加拿大初创游戏公司Thalmic Labs生产的Myo腕带（即手势控制臂环）。该腕带能够测量前臂肌肉束状组织的电流变化，并借此判断佩戴者手与手指的运动。同时，天花板上还有一台红外线摄像机，用于定位Günter的位置。这台摄像机也是出自消费电子产品——Kinect的电子游戏机。

这些传感器的数据会汇集到一台计算机上；这台计算机与一个配有高速显卡的可视化装置交换信息。四台激光投影仪将车体、动力机组与安装滑架的3D影像投影在“虚拟空间”里。当Günter以某种方式转动手臂，同时抬起手的时候，系统会根据之前程序中编好的方式做出相应反应：承载动力机组的滑架在关键时期滑向上方。

Katharina Kunz说。“游戏领域的技术对于我们来说魅力如此之大，因为它成本低，且能在应用过程中继续开发。”Günter解释：“如今‘虚拟空间’还被当作沟通工具。来自技术开发、规划、质量保障与生产部门的同事们经常来找我们，讨论在3D演示中发现的复杂问题。未来我们还可以带着Myo腕带、Kinect摄像机、高速的计算机以及3D显示器上门找他们。”

奥迪“世界之窗”：增强现实技术（AR）

奥迪预量产中心（VSC）里除了有“虚拟空间”，还有“世界之窗”（Window to the world）——奥迪的高科技分析工具。Andreas Gräfenstein身后的三脚架装有一台计算机，两个控制监视器和两个摄像机。其中一个摄像机被固定住，另一个为手持型。“我们在此运用了增强现实技术。”Gräfenstein解释，“如果我们想要分析汽车，那我们就可以将真实世界的图像与计算机中的虚拟信息结合,比如设计数据。”

自2014年年初起，奥迪成为首个开始使用该操作方法的汽车制造商:设有19台均匀分布红外线摄像机的追踪系统可获取房间内奥迪车模型与固定摄像机的准确位置。计算机程序利用汽车图像生成精确度颇高的CAD数据。Gräfenstein说:“有时候，我们还会使用设计检查时的真实摄像数据。”

若是现在Gräfenstein和他的上司Daniel Spindeldreher想要知道某个冷却管是否安装到了正确的位置，他们可以用手持式摄像机从上方进行拍摄。计算机程序会将实际位置和CAD数据中的目标位置进行对比。一旦两者存在差异，其差别会在显示器上看得一清二楚。Gräfenstein说：“显示图像最大的好处就是每个人都可以迅速理解。”Spindeldreher补充：“这个系统很灵活，也很用户友好。跟过去的方式相比较，我们获得结果的速度提高了五倍，并能在显示器上实时观测结果。”

此外，“世界之窗”凭借其毫米级的准确度成为同一类型中最精准的软件，它还是一个功能众多的软件。其最主要的任务就是帮助技术人员查验试制样品车或者预量产车上是否所有组件都正确组装。此处发现的错误都会被快速分析，早早消除。其他的应用领域包括传统的质量检测与不同设计变型可制造性的保障，比如保险杆。

奥迪生产实验室：未来技术

奥迪生产实验室对合作伙伴开放，比如来自于合作企业、大学、研究所、创新型公司的其他专家。Dehlke在奥迪生产规划部门工作，并牵头了于2012年成立的奥迪生产实验室的多个项目。Dehlke指出奥迪生产实验室的重点研究领域：“领域一，研究自动化质量检测的新途径；领域二，研究如何使得汽车更易组装，如何使其因此变成一种工具；领域三，研究怎样掌控和利用物联网中海量的数据，也就是所谓的大数据；领域四，研究如何借助增强现实和虚拟现实的新运用，实现人机交互。”

娱乐游戏行业中存在大量有关AR技术应用的方案。Dehlke指出了三类奥迪感兴趣的产品与技术的开发：用于检测与安装过程的平板电脑与数据眼镜以及起初由微软开发的掌上投影。由于产品多样性的增强，检测与安装工作的要求变得越来越高，而掌上投影无疑能够帮助到相关工作的工作人员。

现阶段，实现掌上投影技术需要在双肩背包中放一部笔记本电脑，并在一条肩带上安装一个装置。该装置集成了一个微型红外传感器和一个小型激光投影仪。后者能够将简单的信息投射在使用者的手心上，例如“检查油位”指示。传感器需要测量手掌与自身的距离，以便对投影做出相应调整。投射的影像始终保持清晰。使用者一闭合手掌，影像就会随之消失，不会干扰作业。

今年，奥迪生产实验室将会将掌上投影的原理移用到数据眼镜上。首次试验应在匈牙利的杰尔工厂进行，在那里，发动机装配被多次拆分为单次装配。目前尚不能确定这项新技术是否会用于批量生产。“我们确实是有一定的目标导向。”Jens Dehlke说，“但是，并不是所有的项目都能成功。这种情况在实验室里很正常。”