卷煙企業數字孿生系統應用研究

許光玉 金永俊 朱江 羅賽 朱金華

1.吉林煙草工業有限責任公司 吉林 延吉 133000；2.中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016；3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院 遼寧 沈陽 110016

概述

通過建設數字孿生系統，建立完成工廠的數字模型，讓員工在計算機虛擬環境中，對設備裝置的整體結構和運行進行可視化的管理、仿真和優化[1]。軟件系統的主要功能包括設備裝置基礎信息管理、設備裝置運行監控管理、設備裝置運維管理等。同時集成了與DCS/FCS系統、MES系統、EAM等系統、安全監控系統的數據接口后，可以更加及時全面地獲取工廠的運行狀況信息和歷史維護信息。

1 系統架構

數字孿生系統的具體內容包括：數據資源建設：建立和完善系統正常運行所需要的模型庫、資料庫、基礎數據庫、設備資產庫、特征測點庫等，這些數據資源是系統運行的基礎。服務與組件：用于支持常規應用的服務和組件，包括圖形引擎、數據服務組件、WEB服務組件、可視化組件、報警引擎。應用模塊：各種應用包括基礎信息管理、運行監控管理、運維管理、各種接口等。系統的組成結構圖如下圖所示：

圖1 功能結構圖

2 系統功能

2.1 數據資源結構

數據資源是系統存儲的各類邏輯概念上的數據源，包括設備模型庫、設備資料庫、設備資產庫、特征測點、處置記錄庫等。

設備模型庫存儲設備模型的三維數據，用于三維模型的空間快速檢索、存儲以及修改等操作。設備資產庫管理設備資產的庫存、消耗、設備型號等信息，同時關聯到revmod產生的三維模型中，根據三維模型接口將設備的信息補充到設備資產庫中。設備資料庫用來存儲設備的各種資料，并對資料進行整理分類。設備資料庫通過權限控制限制用戶訪問的權限。特征測點庫管理設備的特征測點以及測點閾值信息，特征測點庫使用讀寫分離技術，保證測點以及閾值檢查的快速性和實時性。處置記錄管理設備等在運行過程中產生的報警處置過程。處置記錄庫中設備特征標識來自于revmod模型。處置步驟以工作流的方式進行處理，工作流過程由工作流引擎庫進行設置。其中設備模型庫結構示意圖如圖2所示。

2.2 服務與組件

服務與組件包括圖形引擎、數據服務組件（視頻數據服務組件、DCS數據服務、分布式控制系統數據服務組件、文檔數據服務組件等等）、可視化組件、WEB服務組件、報警引擎。

2.3 可視化資產管理

基于三維模型和流程圖，為采選廠的領導、各級主管和操作人員，提供可視化的資產管理系統圖。使用者可以在廠區資產的三維可視化場景中任意瀏覽、漫游、縮放、旋轉，任意選擇對象查看其資產屬性信息，并調閱其相關的文檔信息，如操作手冊等。其中資產管理系統圖如圖3所示。

圖2 設備模型庫結構示意圖

圖3 設資產管理系統圖

3 基礎環境

數字孿生系統需要完善的網絡及存儲設施，包括各種服務器、存儲設備、網絡設備、安全設備等設備設施。服務器用來進行三維模型的存取、文檔資料的存取，生產運行數據存取使用和對外提供服務。

4 系統效果

通過建設數字孿生系統，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。借助于物聯網和大數據技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據，并借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標，可以實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持[2]。