基于煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生工具集研究

陶剛 李欣明 于中江 楊帆 李忠態(tài)

摘要：文章針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)制造過(guò)程中數(shù)據(jù)采集不全、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析能力不足等問(wèn)題，基于煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提出了數(shù)字孿生工具集的構(gòu)建方法，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)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(lèi)號(hào)：TP 391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)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(gè)高度集成化的產(chǎn)業(yè)，具有設(shè)備種類(lèi)多、數(shù)量大、分布廣的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化、智能化改造，可將生產(chǎn)制造過(guò)程中涉及的物料運(yùn)輸、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)進(jìn)行全生命周期的數(shù)字化管控。近年來(lái)，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(guò)程中，以幫助企業(yè)實(shí)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(duì)象，在對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及數(shù)字孿生技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)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(tái)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(tái)

煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(tái)集成了眾多煙草工業(yè)企業(yè)的信息，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和處理。通過(guò)煙草工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)煙草生產(chǎn)和銷(xiāo)售的全過(guò)程信息化管理，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[1]。

按照國(guó)家局一體化平臺(tái)總體架構(gòu)要求，遵循《全國(guó)統(tǒng)一工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理平臺(tái)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(tái)、兩體系”，即行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái)）、行業(yè)標(biāo)識(shí)解析體系和行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)體系。

行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是支撐煙草工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“操作系統(tǒng)”，由運(yùn)行在行業(yè)云平臺(tái)主中心節(jié)點(diǎn)上的行業(yè)中心節(jié)點(diǎn)環(huán)境、運(yùn)行在行業(yè)云平臺(tái)省級(jí)節(jié)點(diǎn)的省級(jí)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(tái)提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐[2]。

2? ?數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(gè)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(shí)的仿真驗(yàn)證階段；三是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制和優(yōu)化升級(jí)階段。其中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(guò)對(duì)制造設(shè)備和工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化建模和仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工藝參數(shù)等多維度信息的采集、存儲(chǔ)、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(guò)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)制造全過(guò)程信息進(jìn)行數(shù)字化建模和仿真，可為企業(yè)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)分析、健康管理、維護(hù)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(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)等環(huán)節(jié)的全生命周期管理，幫助企業(yè)實(shí)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(shí)現(xiàn)物流過(guò)程的精細(xì)化管理，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)物流配送過(guò)程中的自動(dòng)導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)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(jì)

為了實(shí)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(tái)對(duì)數(shù)字孿生工具集進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。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(gè)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(guò)數(shù)字孿生場(chǎng)景編排工具進(jìn)行數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建，構(gòu)建完成的應(yīng)用可通過(guò)數(shù)字孿生引擎支撐應(yīng)用場(chǎng)景運(yùn)行，并提供給云側(cè)應(yīng)用進(jìn)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(kù)管理、場(chǎng)景編排工具和數(shù)字孿生引擎），資源庫(kù)管理具備資源上傳、資源更新和資源預(yù)覽的功能；場(chǎng)景編排工具具備單元級(jí)應(yīng)用編排和系統(tǒng)級(jí)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(chǎng)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(shí)時(shí)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(jī)型設(shè)備模型，原則上只需要提供新車(chē)間的布局模型資源即可快速搭建場(chǎng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)三類(lèi)。模型數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字模型庫(kù)開(kāi)放接口獲取模型，并接入數(shù)字孿生模型庫(kù)進(jìn)行管理；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)接口經(jīng)過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)及開(kāi)放接口給場(chǎng)景編排工具進(jìn)行調(diào)用，場(chǎng)景編排工具將模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行加工后通過(guò)數(shù)字孿生引擎進(jìn)行場(chǎng)景展示和對(duì)外提供API接口，第三方系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)字孿生場(chǎng)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(chǎng)景，為企業(yè)提供多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建服務(wù)。針對(duì)煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，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(yíng)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)和煙廠管控?cái)?shù)據(jù)。其中，設(shè)備運(yùn)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(yùn)維數(shù)據(jù)包括煙廠的數(shù)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信息等；設(shè)備健康管理數(shù)據(jù)包括煙廠的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備健康檢測(cè)信息和設(shè)備檢修計(jì)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(guò)分層進(jìn)行管理。首先，依賴(lài)基礎(chǔ)環(huán)境提供的服務(wù)器等資源，數(shù)據(jù)來(lái)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(kù)有TDengine、Mysql和Redis；其次，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言主要用到了后臺(tái)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Java、前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言HTML5和Javascript、Web3D開(kāi)發(fā)語(yǔ)言glsl，其中g(shù)lsl是用來(lái)在OpenGL中著色編程的語(yǔ)言；開(kāi)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(jìn)行構(gòu)建，功能上分為模型庫(kù)管理、場(chǎng)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(tái)中的應(yīng)用

3.1 模型可視化

數(shù)字孿生工具集能夠?yàn)槠髽I(yè)提供各種類(lèi)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(lèi)型的數(shù)字孿生模型具有不同的功能和特點(diǎn)。

（1）物理世界模型：用于描述物理實(shí)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(shí)體，包括數(shù)字對(duì)象、虛擬人、虛擬機(jī)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(jì)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(tái)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(jì)算、仿真預(yù)測(cè)、運(yùn)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(tái)[9]。

3.2 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)

通過(guò)在煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中部署數(shù)字孿生工具集，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷、工藝模型等數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測(cè)，同時(shí)能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析并給出報(bào)警，為企業(yè)設(shè)備的維護(hù)管理提供有力的技術(shù)支持。

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)設(shè)備數(shù)字孿生工具集，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括在線監(jiān)測(cè)、離線監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，有效監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的智能預(yù)警。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。

（3）故障預(yù)警與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)?；诙嗑S數(shù)據(jù)融合、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建智能模型對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并對(duì)設(shè)備的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，從而為維護(hù)人員提供決策支持。

（4）故障診斷與優(yōu)化管理。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和診斷，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)程優(yōu)化

數(shù)字孿生工具集可以基于不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，包括設(shè)備故障分析、故障預(yù)測(cè)、設(shè)備性能評(píng)估等，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)數(shù)字孿生工具集的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙草生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，為企業(yè)制定科學(xué)合理的維護(hù)計(jì)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(tái)中的工藝模型與進(jìn)行仿真模擬，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析并給出報(bào)警，從而幫助企業(yè)解決在生產(chǎn)過(guò)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(tái)中的工藝模型是一個(gè)離散的、靜態(tài)的過(guò)程，無(wú)法對(duì)煙草行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，因此可以通過(guò)數(shù)字孿生工具集對(duì)煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中的工藝模型進(jìn)行仿真模擬，以得到更符合煙草行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)特征的工藝模型[10]。

在卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)量問(wèn)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(duì)卷煙產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析和優(yōu)化。在數(shù)字孿生工具集中，可以對(duì)卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)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(duì)卷煙產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析和優(yōu)化。在生產(chǎn)過(guò)程中，如有異常情況出現(xiàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并給出報(bào)警信息。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(tái)下數(shù)字孿生工具集的功能及實(shí)現(xiàn)方法。所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生工具集在實(shí)際生產(chǎn)中得到了有效應(yīng)用，并取得了良好的效果。未來(lái)，可將所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生工具集作為數(shù)據(jù)分析平臺(tái)應(yīng)用到其他制造場(chǎng)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(jìn)一步推動(dòng)煙草工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)?！?/p>

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