陶剛 李欣明 于中江 楊帆 李忠態(tài)

摘要：文章針對傳統(tǒng)生產(chǎn)制造過程中數(shù)據(jù)采集不全、設(shè)備運行狀態(tài)難以實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析能力不足等問題，基于煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，提出了數(shù)字孿生工具集的構(gòu)建方法，以實現(xiàn)設(shè)備實時監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警、精準(zhǔn)預(yù)測與故障診斷等功能。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字孿生；煙草工業(yè)生產(chǎn)；工具集

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.009

中圖分類號：TP 391.9? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）04-00-03

Research on Digital Twin Toolset Based on Tobacco Industry Internet

TAO Gang， LI Xinming， YU Zhongjiang， YANG Fan， LI Zhongtai

（Yunnan China Tobacco Industry Co.， Ltd.， Kunming 650224， China）

Abstract： This article addresses the problems of incomplete data collection， difficulty in real-time monitoring of equipment operation status， and insufficient data analysis capabilities in traditional production and manufacturing processes. Based on the tobacco industry internet platform， a method for constructing a digital twin toolset is proposed to achieve functions such as real-time monitoring of equipment， status monitoring， fault warning， accurate prediction， and fault diagnosis.

Keywords： industrial internet; digital twin; tobacco industry production; toolset

煙草行業(yè)作為典型的傳統(tǒng)制造業(yè)，是一個高度集成化的產(chǎn)業(yè)，具有設(shè)備種類多、數(shù)量大、分布廣的特點。通過對企業(yè)的生產(chǎn)過程進行數(shù)字化、智能化改造，可將生產(chǎn)制造過程中涉及的物料運輸、設(shè)備運行、質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)進行全生命周期的數(shù)字化管控。近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生逐漸被應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)制造管理過程中，以幫助企業(yè)實現(xiàn)更高層次的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

本文以煙草行業(yè)為研究對象，在對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺及數(shù)字孿生技術(shù)相關(guān)研究進行梳理與總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建數(shù)字孿生工具集的方法。

1? ?煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是為了提高煙草工業(yè)信息化水平而建立的。煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺集成了眾多煙草工業(yè)企業(yè)的信息，可以方便地進行數(shù)據(jù)交互和處理。通過煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可以實現(xiàn)煙草生產(chǎn)和銷售的全過程信息化管理，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[1]。

按照國家局一體化平臺總體架構(gòu)要求，遵循《全國統(tǒng)一工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理平臺工作方案》，卷煙行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)內(nèi)容包括“一平臺、兩體系”，即行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（以下簡稱平臺）、行業(yè)標(biāo)識解析體系和行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺標(biāo)準(zhǔn)體系。

行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是支撐煙草工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“操作系統(tǒng)”，由運行在行業(yè)云平臺主中心節(jié)點上的行業(yè)中心節(jié)點環(huán)境、運行在行業(yè)云平臺省級節(jié)點的省級節(jié)點環(huán)境和工廠邊緣側(cè)環(huán)境、設(shè)備端側(cè)環(huán)境組成，用于實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面采集，設(shè)備的全面連接，應(yīng)用的統(tǒng)一管控，為行業(yè)一體化平臺提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐[2]。

2? ?數(shù)字孿生應(yīng)用場景及數(shù)字孿生工具集的架構(gòu)

2.1 數(shù)字孿生應(yīng)用場景

數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用可以劃分為三個階段：一是基于三維模型的仿真分析階段；二是基于虛擬現(xiàn)實的仿真驗證階段；三是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的閉環(huán)控制和優(yōu)化升級階段。其中，基于虛擬現(xiàn)實的仿真分析階段是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的階段，也是其發(fā)展最成熟的階段[3]。本文研究數(shù)字孿生工具集的目的在于實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，為生產(chǎn)制造提供更高效、更安全、更可靠的管理服務(wù)。

在煙草行業(yè)，通過對制造設(shè)備和工藝過程進行數(shù)字化建模和仿真，實現(xiàn)對制造過程中設(shè)備運行狀態(tài)及工藝參數(shù)等多維度信息的采集、存儲、處理、分析和展示，可為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)提供重要支撐。通過對企業(yè)生產(chǎn)制造全過程信息進行數(shù)字化建模和仿真，可為企業(yè)提供實時監(jiān)測、預(yù)測分析、健康管理、維護保養(yǎng)等支持，幫助企業(yè)降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備利用率，減少能源消耗和環(huán)境污染[4]。在智能制造方面，基于數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)制造系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)、維護等環(huán)節(jié)的全生命周期管理，幫助企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的優(yōu)化管理[5]。在智慧物流方面，基于數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)物流過程的精細(xì)化管理，幫助企業(yè)實現(xiàn)物流配送過程中的自動導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、實時監(jiān)控等，從而提升效率和降低成本。

2.2 數(shù)字孿生工具集架構(gòu)

2.2.1 數(shù)字孿生工具集功能架構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)數(shù)字孿生工具集的應(yīng)用效果，需基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對數(shù)字孿生工具集進行架構(gòu)設(shè)計。該架構(gòu)主要包括設(shè)備監(jiān)控層、設(shè)備數(shù)據(jù)層、數(shù)字孿生服務(wù)層和應(yīng)用展示層四個層次。

數(shù)字孿生服務(wù)是以設(shè)備數(shù)字孿生模型為基礎(chǔ)，通過數(shù)字孿生場景編排工具進行數(shù)字孿生應(yīng)用場景構(gòu)建，構(gòu)建完成的應(yīng)用可通過數(shù)字孿生引擎支撐應(yīng)用場景運行，并提供給云側(cè)應(yīng)用進行調(diào)用。

數(shù)字孿生服務(wù)從功能上分為三大功能塊（資源庫管理、場景編排工具和數(shù)字孿生引擎），資源庫管理具備資源上傳、資源更新和資源預(yù)覽的功能；場景編排工具具備單元級應(yīng)用編排和系統(tǒng)級應(yīng)用編排的功能；數(shù)字孿生引擎具備權(quán)限管理、應(yīng)用管理和應(yīng)用分享的功能[6]。

2.2.2 數(shù)字孿生工具集在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)部署架構(gòu)

（1）數(shù)字孿生服務(wù)提供資源規(guī)范，依據(jù)資源規(guī)范制作資源并使用上傳功能上傳資源，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供基礎(chǔ)服務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)孿生服務(wù)提供數(shù)據(jù)規(guī)范，依據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范接入數(shù)據(jù)并為數(shù)字孿生應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）數(shù)字孿生服務(wù)提供資源管理、場景編排工具、數(shù)字孿生引擎三大功能模塊，依據(jù)自身需求可自制模型資源、接入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)、創(chuàng)建應(yīng)用并分享。

（4）數(shù)字孿生服務(wù)提供大部分機型設(shè)備模型，原則上只需要提供新車間的布局模型資源即可快速搭建場景應(yīng)用。

2.2.3 數(shù)字孿生工具集在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)部署架構(gòu)

數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)源分為模型數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)三類。模型數(shù)據(jù)通過數(shù)字模型庫開放接口獲取模型，并接入數(shù)字孿生模型庫進行管理；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)接口經(jīng)過傳輸通道的API網(wǎng)關(guān)，數(shù)字孿生服務(wù)提供數(shù)據(jù)解析服務(wù)對數(shù)據(jù)進行解析，數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫及開放接口給場景編排工具進行調(diào)用，場景編排工具將模型和數(shù)據(jù)進行加工后通過數(shù)字孿生引擎進行場景展示和對外提供API接口，第三方系統(tǒng)可進行數(shù)字孿生場景集成[7]。

在數(shù)字孿生工具集中，可以根據(jù)數(shù)字孿生的應(yīng)用場景，為企業(yè)提供多種類型的數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建服務(wù)。針對煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)采集主要包括煙草工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)、煙草行業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、煙廠生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、設(shè)備運維數(shù)據(jù)和煙廠管控數(shù)據(jù)。其中，設(shè)備運維數(shù)據(jù)包括煙廠的工業(yè)控制系統(tǒng)、煙用能源管理系統(tǒng)和設(shè)備健康管理系統(tǒng)等；煙用能源管理數(shù)據(jù)包括煙用蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)、煙用燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)和煙廠通風(fēng)管道系統(tǒng)等；設(shè)備運維數(shù)據(jù)包括煙廠的數(shù)控設(shè)備運行狀態(tài)、故障報警信息等；設(shè)備健康管理數(shù)據(jù)包括煙廠的生產(chǎn)運行狀態(tài)、設(shè)備健康檢測信息和設(shè)備檢修計劃等[8]。

2.2.4 數(shù)字孿生工具集技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生服務(wù)在技術(shù)上通過分層進行管理。首先，依賴基礎(chǔ)環(huán)境提供的服務(wù)器等資源，數(shù)據(jù)來源主要由設(shè)備數(shù)采數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源等提供的接口，其中用到的數(shù)據(jù)庫有TDengine、Mysql和Redis；其次，開發(fā)語言主要用到了后臺開發(fā)語言Java、前端開發(fā)語言HTML5和Javascript、Web3D開發(fā)語言glsl，其中g(shù)lsl是用來在OpenGL中著色編程的語言；開發(fā)框架包括Three.js、Springboot和Vue；最后，服務(wù)功能由以上基礎(chǔ)技術(shù)進行構(gòu)建，功能上分為模型庫管理、場景編排工具和數(shù)字孿生引擎。

3? ?數(shù)字孿生工具集在煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的應(yīng)用

3.1 模型可視化

數(shù)字孿生工具集能夠為企業(yè)提供各種類型的數(shù)字孿生模型，包括物理世界模型、虛擬世界模型和控制系統(tǒng)模型，不同類型的數(shù)字孿生模型具有不同的功能和特點。

（1）物理世界模型：用于描述物理實體，包括設(shè)備、儀器、生產(chǎn)要素、物料等。

（2）虛擬世界模型：用于描述虛擬實體，包括數(shù)字對象、虛擬人、虛擬機器等。

（3）控制系統(tǒng)模型：用于描述控制系統(tǒng)，包括控制器、執(zhí)行器、傳感器等。

（4）生產(chǎn)要素模型：用于描述生產(chǎn)要素，包括人員、物料、能源等。

（5）流程模型：用于描述流程，包括生產(chǎn)計劃與調(diào)度、質(zhì)量管理與追溯等。

根據(jù)上述數(shù)字孿生工具集，我們提出了煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)字孿生工具集的架構(gòu)。數(shù)字孿生工具集提供了可視化建模、分析計算、仿真預(yù)測、運行監(jiān)控等功能，是一種以數(shù)據(jù)為核心的新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺[9]。

3.2 設(shè)備狀態(tài)檢測

通過在煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中部署數(shù)字孿生工具集，能夠?qū)崿F(xiàn)對煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中設(shè)備運行狀態(tài)、故障診斷、工藝模型等數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測，同時能夠?qū)υO(shè)備運行狀態(tài)進行仿真模擬，對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況進行分析并給出報警，為企業(yè)設(shè)備的維護管理提供有力的技術(shù)支持。

（1）設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)控。通過設(shè)備數(shù)字孿生工具集，對關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，包括在線監(jiān)測、離線監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，有效監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備故障的智能預(yù)警。

（2）狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警。通過對關(guān)鍵設(shè)備的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)測，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時及時發(fā)出預(yù)警信息。

（3）故障預(yù)警與精準(zhǔn)預(yù)測?；诙嗑S數(shù)據(jù)融合、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過構(gòu)建智能模型對關(guān)鍵設(shè)備進行實時預(yù)測和精準(zhǔn)預(yù)測，并對設(shè)備的健康狀況進行評估，從而為維護人員提供決策支持。

（4）故障診斷與優(yōu)化管理。通過對關(guān)鍵設(shè)備的實時運行狀態(tài)進行分析和診斷，根據(jù)實時運行數(shù)據(jù)進行智能分析和優(yōu)化管理，從而為維修人員提供決策支持和優(yōu)化管理建議。

3.3 生產(chǎn)過程優(yōu)化

數(shù)字孿生工具集可以基于不同的數(shù)據(jù)類型，對生產(chǎn)過程進行仿真模擬，包括設(shè)備故障分析、故障預(yù)測、設(shè)備性能評估等，從而對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化。通過數(shù)字孿生工具集的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對煙草生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)的實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對設(shè)備故障進行診斷，為企業(yè)制定科學(xué)合理的維護計劃提供參考依據(jù)。

3.4 產(chǎn)品質(zhì)量提升

數(shù)字孿生工具集可以將煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的工藝模型與進行仿真模擬，對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況進行分析并給出報警，從而幫助企業(yè)解決在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況。煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的工藝模型是一個離散的、靜態(tài)的過程，無法對煙草行業(yè)實際生產(chǎn)過程進行仿真模擬，因此可以通過數(shù)字孿生工具集對煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的工藝模型進行仿真模擬，以得到更符合煙草行業(yè)實際生產(chǎn)特征的工藝模型[10]。

在卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，質(zhì)量問題往往是由于各種原因造成的，可以利用數(shù)字孿生工具集對卷煙產(chǎn)品進行質(zhì)量分析和優(yōu)化。在數(shù)字孿生工具集中，可以對卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行仿真模擬，并結(jié)合質(zhì)量分析模型得到的質(zhì)量數(shù)據(jù)，對卷煙產(chǎn)品進行質(zhì)量分析和優(yōu)化。在生產(chǎn)過程中，如有異常情況出現(xiàn)，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并給出報警信息。

4? ?結(jié)束語

本文在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，提出了煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺下數(shù)字孿生工具集的功能及實現(xiàn)方法。所設(shè)計的數(shù)字孿生工具集在實際生產(chǎn)中得到了有效應(yīng)用，并取得了良好的效果。未來，可將所設(shè)計的數(shù)字孿生工具集作為數(shù)據(jù)分析平臺應(yīng)用到其他制造場景中，為煙草工業(yè)企業(yè)提供更加高效、安全、可靠的管理服務(wù)，進一步推動煙草工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級?！?/p>

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