數(shù)字孿生在卷煙企業(yè)的應(yīng)用場景研究

文/沈 剛，胡雨彤，吳永興，張翅遠(yuǎn)，周曉龍 紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠

隨著大數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展與成熟應(yīng)用，數(shù)字孿生在智慧城市、智能工廠、敏捷醫(yī)療、培訓(xùn)教學(xué)等領(lǐng)域得到了迅速的應(yīng)用和發(fā)展。在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，借助數(shù)字孿生技術(shù)，物理車間與虛擬信息世界得以有效融合，基于數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)、決策的產(chǎn)品全生命周期管理形成閉環(huán)。

數(shù)字孿生技術(shù)在卷煙工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用研究由來已久，應(yīng)用場景以宣傳展示、培訓(xùn)教學(xué)、設(shè)備管理為主，為豐富行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用場景，本文以實(shí)際案例為切入點(diǎn)，詳細(xì)論述了案例場景的系統(tǒng)架構(gòu)以及基于此架構(gòu)所開發(fā)的三大業(yè)務(wù)場景：數(shù)字孿生鏡像、三維動態(tài)云圖、歷史數(shù)據(jù)回溯，通過自定義配置方式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)場景的快速開發(fā)和迭代，為數(shù)字孿生技術(shù)與業(yè)務(wù)場景的結(jié)合提供新思路、新方向。

1 數(shù)字孿生在卷煙企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用，可以追溯到20世紀(jì)90年代。曲靖卷煙廠的3D可視化智能管理系統(tǒng)，通過調(diào)用自動化控制源碼直接從設(shè)備內(nèi)部采集實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對廠區(qū)、車間、生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)備零部件進(jìn)行3D可視化建模，結(jié)合工藝現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)管需求，研究開發(fā)3D可視化漫游平臺，并與生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行集成，基于3D模型庫實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作、故障預(yù)警、維保和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用培訓(xùn)。李軍介紹了紅塔遼寧煙草設(shè)備模型的功能、分類和關(guān)鍵技術(shù)，并針對卷煙行業(yè)生產(chǎn)加工特點(diǎn)，給出了設(shè)備模型相關(guān)描述和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。許光玉通過數(shù)字孿生體的構(gòu)建，將物理實(shí)體向虛擬數(shù)字化轉(zhuǎn)換過程，建立卷煙企業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，通過對關(guān)鍵設(shè)備（整個車間）建立三維可視化展示界面，以及對中間數(shù)據(jù)采集層建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備管理的數(shù)字化、三維可視化展示。劉國愈以消防設(shè)備運(yùn)維管理為切入點(diǎn)，引入BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)，提出適用于煙草生產(chǎn)企業(yè)的三維可視化消防設(shè)施集成遠(yuǎn)程監(jiān)控信息管理系統(tǒng)開發(fā)方案。楊學(xué)良將設(shè)備資料與設(shè)備器件資料融入到三維交互系統(tǒng)中，設(shè)計并提出了設(shè)備資料查詢和仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體技術(shù)方案。深圳華龍訊達(dá)信息技術(shù)股份有限公司提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的包括信息采集端、信息處理端、三維虛擬顯示端及人機(jī)交互端的包裝機(jī)智能控制系統(tǒng)及方法。覃仕輝提出一種面向卷煙機(jī)組的智能設(shè)備管理殼，并給出了管理殼的功能設(shè)計、互操作性設(shè)計和技術(shù)實(shí)現(xiàn)框架。熊俊臻提出了利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于數(shù)字孿生技術(shù)的空壓設(shè)備智能運(yùn)維平臺的功能設(shè)計，以解決廠區(qū)設(shè)備功能單一、交互不足等問題。系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對空壓設(shè)備結(jié)構(gòu)、內(nèi)部元器件的模型仿真和基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的操作，同時，借助5G網(wǎng)絡(luò)的低延時特性，在移動端實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程指導(dǎo)的輔助功能。

綜上，數(shù)字孿生技術(shù)在卷煙加工企業(yè)的應(yīng)用以三維虛擬場景的建立和相關(guān)數(shù)據(jù)的加載呈現(xiàn)為主，更進(jìn)一步的虛實(shí)結(jié)合、以虛控實(shí)、生產(chǎn)仿真決策方面的研究較少。

2 應(yīng)用實(shí)例

本文以玉溪卷煙廠數(shù)字孿生建設(shè)項目為實(shí)例，介紹部分虛擬場景的實(shí)現(xiàn)方式和效果。沒有數(shù)據(jù)的數(shù)字化設(shè)備是沒有生命的，以數(shù)據(jù)為主線，建立一個溝通數(shù)據(jù)翻譯與數(shù)據(jù)應(yīng)用的閉環(huán)平臺，翻譯的目的是把純數(shù)據(jù)的數(shù)采內(nèi)容，升級轉(zhuǎn)換成各類可見性較強(qiáng)的圖像圖形表達(dá)，結(jié)合各種大數(shù)據(jù)分析技術(shù)手段，組織數(shù)據(jù)關(guān)系，圍繞生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，實(shí)現(xiàn)對過程控制的進(jìn)一步深化與優(yōu)化，承載數(shù)據(jù)翻譯和數(shù)據(jù)應(yīng)用循環(huán)的數(shù)字化虛擬平臺如圖1所示。

圖1 承載數(shù)據(jù)翻譯和數(shù)據(jù)應(yīng)用循環(huán)的數(shù)字化虛擬平臺

項目所涉及車間已完成工業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和存儲系統(tǒng)、制絲及卷包數(shù)采、云原生MES、基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的制絲智能控制、基于標(biāo)識解析的生產(chǎn)物料管理等應(yīng)用。項目技術(shù)架構(gòu)與行業(yè)確定的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)相一致，所使用的MySQL、TDEngine、Redis、Docker、OpenEuler等主要運(yùn)行環(huán)境及軟件與行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系技術(shù)棧一致或完全兼容。在以上基礎(chǔ)資源支撐下，數(shù)字孿生應(yīng)用項目得以順利實(shí)施。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

案例項目采用如圖2所示的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)由模型組件庫、圖表組件庫、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)通信四個部分組成。經(jīng)過處理后的三維模型形成對應(yīng)組件，與數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)合形成數(shù)字化的孿生設(shè)備，之后與對應(yīng)的數(shù)據(jù)可視化組件結(jié)合，形成具體的業(yè)務(wù)場景，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化的目標(biāo)?；诖思軜?gòu)，設(shè)計并開發(fā)了數(shù)字孿生鏡像、三維動態(tài)云圖、回溯時光機(jī)等可視化應(yīng)用。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 數(shù)字孿生鏡像

案例工廠通過三萬多數(shù)采點(diǎn)位的采集，從多個層面描述設(shè)備的運(yùn)行狀況，數(shù)字化虛擬平臺通過與現(xiàn)場數(shù)采系統(tǒng)的對接，將各類型數(shù)據(jù)接入孿生模型，驅(qū)動孿生體運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動實(shí)時映射。

數(shù)字孿生鏡像通過集成設(shè)備的外觀模型、信息模型、狀態(tài)驅(qū)動模型、數(shù)采模型，數(shù)字化虛擬平臺實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備的數(shù)字孿生體構(gòu)建，能夠在接入數(shù)據(jù)的前提下鏡像映射設(shè)備的各類狀態(tài)，幾何外觀模型通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用具備了能夠映射設(shè)備全生命周期的能力，成為具有創(chuàng)新價值的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。數(shù)字孿生鏡像實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。其關(guān)聯(lián)模式與處理環(huán)節(jié)如下。

圖3 數(shù)字孿生鏡像流程設(shè)計圖

1）對孿生體的設(shè)備類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分類：例如振動輸送機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、潤葉加料機(jī)等，篩選特定設(shè)備下的感興趣數(shù)采點(diǎn)，形成設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)表，見表1。

表1 設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)

2）設(shè)備孿生體運(yùn)行狀態(tài)分類：對不同類型的設(shè)備孿生體，梳理運(yùn)行狀態(tài)并加以分類，以驅(qū)動不同的可視化效果，分類結(jié)果見表2。

表2 設(shè)備孿生體運(yùn)行狀態(tài)分類

3）設(shè)備孿生體運(yùn)行狀態(tài)接口定義：針對不同可視化數(shù)據(jù)驅(qū)動效果進(jìn)行接口定義。

4）設(shè)備孿生體狀態(tài)運(yùn)行資源制作：根據(jù)設(shè)備及相關(guān)狀態(tài)的可視化特征，制作對應(yīng)的資源，并以接口定義規(guī)則進(jìn)行相關(guān)可視化效果驅(qū)動設(shè)計，形成可加載特效或美術(shù)資源。

5）孿生體外觀模型建設(shè)：根據(jù)孿生體外觀建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)制作外觀模型，1∶1還原設(shè)備。

6）孿生模型仿真資源配置：根據(jù)孿生鏡像中制定的孿生體狀態(tài)映射規(guī)則，對不同分類設(shè)備的不同狀態(tài)配置鏡像仿真資源，如運(yùn)行動畫、物料特效、狀態(tài)特效等。

7）查詢可加載車間：啟動客戶端時查詢當(dāng)前可加載車間信息。

8）加載對應(yīng)設(shè)備：從服務(wù)器獲取可加載車間的相關(guān)設(shè)備孿生體信息，從系統(tǒng)資源中加載相關(guān)孿生體資源。

9）獲取對應(yīng)配置：從數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)設(shè)備的對應(yīng)而配置，例如位置信息、設(shè)備名稱、所屬產(chǎn)線工藝段信息、孿生驅(qū)動數(shù)據(jù)點(diǎn)等。

10）查詢狀態(tài)接口數(shù)據(jù)：根據(jù)狀態(tài)接口定義，從實(shí)時數(shù)據(jù)中查詢，狀態(tài)接口數(shù)據(jù)。

11）驅(qū)動狀態(tài)資源接口：通過對實(shí)時數(shù)據(jù)的解析，驅(qū)動狀態(tài)資源的變化。

12）展示孿生鏡像效果：在客戶端界面實(shí)時刷新孿生鏡像狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時跟蹤，涵蓋設(shè)備實(shí)時運(yùn)行數(shù)采數(shù)據(jù)，設(shè)備啟停等運(yùn)行仿真，輸送帶物料流轉(zhuǎn)仿真，水電氣汽等能源動力仿真、故障報警鏡像等。數(shù)字孿生鏡像效果如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生鏡像效果

2.3 基于LBS的三維動態(tài)云圖

LBS（Location Based Services，基于位置信息的服務(wù)）。針對溫度、濕度、蟲情等與空間位置有映射關(guān)系的數(shù)據(jù)，采用三維數(shù)據(jù)云圖的形式，進(jìn)行孿生空間模擬，提升數(shù)據(jù)的可視可感性。數(shù)字孿生云圖流程設(shè)計如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生云圖流程設(shè)計圖

1）車間編輯。①選擇車間：選擇需要編輯云圖點(diǎn)位的車間。②添加云圖數(shù)據(jù)點(diǎn)位：在編輯場景中添加云圖數(shù)據(jù)點(diǎn)（如溫度、濕度傳感點(diǎn)、蟲情收集點(diǎn)）。③選擇實(shí)時數(shù)據(jù)源：在點(diǎn)位配置中輸入OPC實(shí)時數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)名稱，完成數(shù)據(jù)自動關(guān)聯(lián)。④編輯數(shù)據(jù)源空間位置：在孿生車間內(nèi)，將該云圖數(shù)據(jù)點(diǎn)位放置到傳感器實(shí)際位置處，完成點(diǎn)位添加。

2）客戶端加載。①查詢可加載車間：啟動客戶端時查詢當(dāng)前可加載車間信息。②加載對應(yīng)設(shè)備：從服務(wù)器獲取可加載車間的相關(guān)設(shè)備孿生體信息，從系統(tǒng)資源中加載相關(guān)孿生體資源。③獲取對應(yīng)配置：從數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)設(shè)備的對應(yīng)而配置，例如位置信息、設(shè)備名稱、所屬產(chǎn)線工藝段信息、孿生驅(qū)動數(shù)據(jù)點(diǎn)等。

3）實(shí)時數(shù)據(jù)添加。①選擇數(shù)字孿生體：在網(wǎng)頁后臺，數(shù)據(jù)中心選擇數(shù)字孿生體新建數(shù)據(jù)實(shí)例合集。②選擇實(shí)時數(shù)據(jù)源：為當(dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)例合集選擇OPC實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器。③配置實(shí)時數(shù)據(jù)：為當(dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)例合集添加OPC點(diǎn)位數(shù)據(jù)，編輯點(diǎn)位名稱、地址、數(shù)據(jù)上下限等內(nèi)容。如圖6所示，展示了車間溫度動態(tài)云圖的一個瞬間，通過實(shí)時的云圖擾動狀態(tài)，預(yù)判生產(chǎn)線整線的溫度波動趨勢，為產(chǎn)線相關(guān)參數(shù)的實(shí)時調(diào)整提供可視依據(jù)。

圖6 數(shù)字孿生云圖效果

2.4 數(shù)字孿生時光機(jī)

時光機(jī)，即歷史的重演，依托完備的生產(chǎn)線歷史數(shù)據(jù)以及低延時的數(shù)據(jù)讀取策略，開發(fā)歷史數(shù)據(jù)回溯功能，解決什么時間，什么地點(diǎn)，當(dāng)前設(shè)備處于什么狀態(tài)的歷史問題。在高倍速下重現(xiàn)歷史生產(chǎn)過程，為質(zhì)量事故推演、最佳生產(chǎn)環(huán)境確定、人員技能培訓(xùn)提供虛擬沙盤。數(shù)字孿生時光機(jī)實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。數(shù)字孿生時光機(jī)具體描述如下。

圖7 數(shù)字孿生時光機(jī)實(shí)現(xiàn)流程

1）實(shí)時數(shù)據(jù)添加。①選擇數(shù)字孿生體：在網(wǎng)頁后臺，數(shù)據(jù)中心選擇數(shù)字孿生體新建數(shù)據(jù)實(shí)例合集。②選擇實(shí)時數(shù)據(jù)源：為當(dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)例合集選擇OPC實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器。③配置實(shí)時數(shù)據(jù)：為當(dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)例合集添加OPC點(diǎn)位數(shù)據(jù)，編輯點(diǎn)位名稱、地址、數(shù)據(jù)上下限等內(nèi)容。

2）客戶端加載。①查詢可加載車間：啟動客戶端時查詢當(dāng)前可加載車間信息。②加載對應(yīng)設(shè)備：從服務(wù)器獲取可加載車間的相關(guān)設(shè)備孿生體信息，從系統(tǒng)資源中加載相關(guān)孿生體資源。③獲取對應(yīng)配置：從數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)設(shè)備的對應(yīng)而配置，例如位置信息、設(shè)備名稱、所屬產(chǎn)線工藝段信息、孿生驅(qū)動數(shù)據(jù)點(diǎn)等。④展示孿生效果：獲取當(dāng)前場景內(nèi)實(shí)時數(shù)據(jù)，驅(qū)動各孿生效果運(yùn)行。⑤進(jìn)入回溯模式：通過界面交互進(jìn)入回溯模式，暫停實(shí)時數(shù)據(jù)獲取。⑥選取工藝段：選取進(jìn)入當(dāng)前場景中的工藝段，作為查詢對應(yīng)工單檢索條件。⑦選取日期：選擇工單查詢?nèi)掌?。⑧獲取時間范圍：選擇查詢?nèi)掌谥械墓危到y(tǒng)自動加載工單時間范圍。⑨加載歷史數(shù)據(jù)：觸發(fā)回溯流程，啟動時光機(jī)回溯功能。⑩播放歷史數(shù)據(jù)：依據(jù)歷史數(shù)據(jù)還原歷史生產(chǎn)場景。

3）時光機(jī)回溯。①獲取時間范圍：當(dāng)客戶端啟動加載歷史數(shù)據(jù)，將為后臺傳輸時間范圍，以便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。②判斷緩存：判斷當(dāng)前查詢條件是否有緩存數(shù)據(jù)，如果存在相同條件查詢的緩存數(shù)據(jù)，則直接向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，返之啟動查詢路徑。③獲取OPC點(diǎn)位地址：依據(jù)客戶端發(fā)來的請求消息，從數(shù)據(jù)庫中獲取需要查詢的OPC地址，取末尾段作為查詢依據(jù)。④TDengine數(shù)據(jù)查詢：通過TDengine的interval方法查詢歷史數(shù)據(jù)。⑤發(fā)送歷史數(shù)據(jù)：向客戶端和后臺緩存區(qū)域發(fā)送查詢到的歷史數(shù)據(jù)。

4）時光機(jī)數(shù)據(jù)緩存。①獲取當(dāng)日批次：獲取當(dāng)日批次起始時間數(shù)據(jù)。②獲取OPC點(diǎn)位地址：依據(jù)場景配置獲取OPC點(diǎn)位地址。③TDengine數(shù)據(jù)查詢：通過TDengine的interval方法查詢歷史數(shù)據(jù)。④數(shù)據(jù)緩存：將查詢到的批次數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

實(shí)例效果如圖8所示，通過頁面左上角選擇感興趣的歷史生產(chǎn)批次信息（也可以通過掃描產(chǎn)品追溯二維碼獲?。却龤v史數(shù)據(jù)加載完成后，即可開啟回溯功能。左右兩側(cè)的折線圖可實(shí)時切換不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)位，三維頁面內(nèi)以氣泡呈現(xiàn)快速變化的設(shè)備歷史狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)同步被歷史數(shù)據(jù)所驅(qū)動。通過頁面下方的進(jìn)度條可快速選擇歷史時間戳，同時可切換回溯速率。

圖8 數(shù)字孿生時光機(jī)效果圖

3 結(jié)論與展望

本文從實(shí)際案例出發(fā)，詳細(xì)敘述了案例工廠在數(shù)字孿生工廠建設(shè)進(jìn)程中對業(yè)務(wù)應(yīng)用的思考與實(shí)踐。孿生鏡像功能在企業(yè)宣傳、生產(chǎn)監(jiān)控中得到廣泛應(yīng)用，動態(tài)云圖功能在車間溫濕度波動分析中效果顯著，歷史數(shù)據(jù)回溯功能在產(chǎn)品質(zhì)量判定、故障原因排查、培訓(xùn)教學(xué)中成效明顯。下一步，將以虛擬場景和實(shí)景攝像機(jī)聯(lián)動融合為研究方向?qū)ふ覙I(yè)務(wù)結(jié)合點(diǎn)。