數字孿生在卷煙企業的應用場景研究

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

隨著大數據分析、云計算、物聯網技術、人工智能等信息技術的發展與成熟應用，數字孿生在智慧城市、智能工廠、敏捷醫療、培訓教學等領域得到了迅速的應用和發展。在生產制造領域，借助數字孿生技術，物理車間與虛擬信息世界得以有效融合，基于數據、模型、服務、決策的產品全生命周期管理形成閉環。

數字孿生技術在卷煙工業企業的應用研究由來已久，應用場景以宣傳展示、培訓教學、設備管理為主，為豐富行業內的應用場景，本文以實際案例為切入點，詳細論述了案例場景的系統架構以及基于此架構所開發的三大業務場景：數字孿生鏡像、三維動態云圖、歷史數據回溯，通過自定義配置方式，實現業務場景的快速開發和迭代，為數字孿生技術與業務場景的結合提供新思路、新方向。

1 數字孿生在卷煙企業的應用現狀

數字孿生技術在煙草行業的應用，可以追溯到20世紀90年代。曲靖卷煙廠的3D可視化智能管理系統，通過調用自動化控制源碼直接從設備內部采集實時生產數據，對廠區、車間、生產線、生產設備、設備零部件進行3D可視化建模，結合工藝現場的實時監管需求，研究開發3D可視化漫游平臺，并與生產應用系統進行集成，基于3D模型庫實現設備操作、故障預警、維保和標準化的應用培訓。李軍介紹了紅塔遼寧煙草設備模型的功能、分類和關鍵技術，并針對卷煙行業生產加工特點，給出了設備模型相關描述和數據結構。許光玉通過數字孿生體的構建，將物理實體向虛擬數字化轉換過程，建立卷煙企業數字孿生系統的架構和功能，通過對關鍵設備（整個車間）建立三維可視化展示界面，以及對中間數據采集層建立相應的數據模型，實現智能設備管理的數字化、三維可視化展示。劉國愈以消防設備運維管理為切入點，引入BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術，提出適用于煙草生產企業的三維可視化消防設施集成遠程監控信息管理系統開發方案。楊學良將設備資料與設備器件資料融入到三維交互系統中，設計并提出了設備資料查詢和仿真培訓系統總體技術方案。深圳華龍訊達信息技術股份有限公司提出了一種基于數字孿生技術的包括信息采集端、信息處理端、三維虛擬顯示端及人機交互端的包裝機智能控制系統及方法。覃仕輝提出一種面向卷煙機組的智能設備管理殼，并給出了管理殼的功能設計、互操作性設計和技術實現框架。熊俊臻提出了利用AR技術實現的基于數字孿生技術的空壓設備智能運維平臺的功能設計，以解決廠區設備功能單一、交互不足等問題。系統中實現了對空壓設備結構、內部元器件的模型仿真和基于增強現實（AR）的操作，同時，借助5G網絡的低延時特性，在移動端實現了遠程診斷和遠程指導的輔助功能。

綜上，數字孿生技術在卷煙加工企業的應用以三維虛擬場景的建立和相關數據的加載呈現為主，更進一步的虛實結合、以虛控實、生產仿真決策方面的研究較少。

2 應用實例

本文以玉溪卷煙廠數字孿生建設項目為實例，介紹部分虛擬場景的實現方式和效果。沒有數據的數字化設備是沒有生命的，以數據為主線，建立一個溝通數據翻譯與數據應用的閉環平臺，翻譯的目的是把純數據的數采內容，升級轉換成各類可見性較強的圖像圖形表達，結合各種大數據分析技術手段，組織數據關系，圍繞生產進行數據建模，實現對過程控制的進一步深化與優化，承載數據翻譯和數據應用循環的數字化虛擬平臺如圖1所示。

圖1 承載數據翻譯和數據應用循環的數字化虛擬平臺

項目所涉及車間已完成工業數據的統一采集和存儲系統、制絲及卷包數采、云原生MES、基于工業大數據的制絲智能控制、基于標識解析的生產物料管理等應用。項目技術架構與行業確定的工業互聯網體系架構相一致，所使用的MySQL、TDEngine、Redis、Docker、OpenEuler等主要運行環境及軟件與行業工業互聯網體系技術棧一致或完全兼容。在以上基礎資源支撐下，數字孿生應用項目得以順利實施。

2.1 系統架構

案例項目采用如圖2所示的系統架構，系統由模型組件庫、圖表組件庫、數據和數據通信四個部分組成。經過處理后的三維模型形成對應組件，與數據服務結合形成數字化的孿生設備，之后與對應的數據可視化組件結合，形成具體的業務場景，實現數據業務化，業務數據化的目標。基于此架構，設計并開發了數字孿生鏡像、三維動態云圖、回溯時光機等可視化應用。

圖2 系統架構

2.2 數字孿生鏡像

案例工廠通過三萬多數采點位的采集，從多個層面描述設備的運行狀況，數字化虛擬平臺通過與現場數采系統的對接，將各類型數據接入孿生模型，驅動孿生體運轉狀態變化，實現虛實互動實時映射。

數字孿生鏡像通過集成設備的外觀模型、信息模型、狀態驅動模型、數采模型，數字化虛擬平臺實現了單體設備的數字孿生體構建，能夠在接入數據的前提下鏡像映射設備的各類狀態，幾何外觀模型通過數字孿生技術的應用具備了能夠映射設備全生命周期的能力，成為具有創新價值的數據資產。數字孿生鏡像實現流程如圖3所示。其關聯模式與處理環節如下。

圖3 數字孿生鏡像流程設計圖

1）對孿生體的設備類型進行結構化分類：例如振動輸送機、鏈式輸送機、潤葉加料機等，篩選特定設備下的感興趣數采點，形成設備關鍵數據點表，見表1。

表1 設備關鍵數據點

2）設備孿生體運行狀態分類：對不同類型的設備孿生體，梳理運行狀態并加以分類，以驅動不同的可視化效果，分類結果見表2。

表2 設備孿生體運行狀態分類

3）設備孿生體運行狀態接口定義：針對不同可視化數據驅動效果進行接口定義。

4）設備孿生體狀態運行資源制作：根據設備及相關狀態的可視化特征，制作對應的資源，并以接口定義規則進行相關可視化效果驅動設計，形成可加載特效或美術資源。

5）孿生體外觀模型建設：根據孿生體外觀建設標準制作外觀模型，1∶1還原設備。

6）孿生模型仿真資源配置：根據孿生鏡像中制定的孿生體狀態映射規則，對不同分類設備的不同狀態配置鏡像仿真資源，如運行動畫、物料特效、狀態特效等。

7）查詢可加載車間：啟動客戶端時查詢當前可加載車間信息。

8）加載對應設備：從服務器獲取可加載車間的相關設備孿生體信息，從系統資源中加載相關孿生體資源。

9）獲取對應配置：從數據庫中獲取相關設備的對應而配置，例如位置信息、設備名稱、所屬產線工藝段信息、孿生驅動數據點等。

10）查詢狀態接口數據：根據狀態接口定義，從實時數據中查詢，狀態接口數據。

11）驅動狀態資源接口：通過對實時數據的解析，驅動狀態資源的變化。

12）展示孿生鏡像效果：在客戶端界面實時刷新孿生鏡像狀態，實現對產線運行狀態的實時跟蹤，涵蓋設備實時運行數采數據，設備啟停等運行仿真，輸送帶物料流轉仿真，水電氣汽等能源動力仿真、故障報警鏡像等。數字孿生鏡像效果如圖4所示。

圖4 數字孿生鏡像效果

2.3 基于LBS的三維動態云圖

LBS（Location Based Services，基于位置信息的服務）。針對溫度、濕度、蟲情等與空間位置有映射關系的數據，采用三維數據云圖的形式，進行孿生空間模擬，提升數據的可視可感性。數字孿生云圖流程設計如圖5所示。

圖5 數字孿生云圖流程設計圖

1）車間編輯。①選擇車間：選擇需要編輯云圖點位的車間。②添加云圖數據點位：在編輯場景中添加云圖數據點（如溫度、濕度傳感點、蟲情收集點）。③選擇實時數據源：在點位配置中輸入OPC實時數據源的數據名稱，完成數據自動關聯。④編輯數據源空間位置：在孿生車間內，將該云圖數據點位放置到傳感器實際位置處，完成點位添加。

2）客戶端加載。①查詢可加載車間：啟動客戶端時查詢當前可加載車間信息。②加載對應設備：從服務器獲取可加載車間的相關設備孿生體信息，從系統資源中加載相關孿生體資源。③獲取對應配置：從數據庫中獲取相關設備的對應而配置，例如位置信息、設備名稱、所屬產線工藝段信息、孿生驅動數據點等。

3）實時數據添加。①選擇數字孿生體：在網頁后臺，數據中心選擇數字孿生體新建數據實例合集。②選擇實時數據源：為當前數據實例合集選擇OPC實時數據服務器。③配置實時數據：為當前數據實例合集添加OPC點位數據，編輯點位名稱、地址、數據上下限等內容。如圖6所示，展示了車間溫度動態云圖的一個瞬間，通過實時的云圖擾動狀態，預判生產線整線的溫度波動趨勢，為產線相關參數的實時調整提供可視依據。

圖6 數字孿生云圖效果

2.4 數字孿生時光機

時光機，即歷史的重演，依托完備的生產線歷史數據以及低延時的數據讀取策略，開發歷史數據回溯功能，解決什么時間，什么地點，當前設備處于什么狀態的歷史問題。在高倍速下重現歷史生產過程，為質量事故推演、最佳生產環境確定、人員技能培訓提供虛擬沙盤。數字孿生時光機實現流程如圖7所示。數字孿生時光機具體描述如下。

圖7 數字孿生時光機實現流程

1）實時數據添加。①選擇數字孿生體：在網頁后臺，數據中心選擇數字孿生體新建數據實例合集。②選擇實時數據源：為當前數據實例合集選擇OPC實時數據服務器。③配置實時數據：為當前數據實例合集添加OPC點位數據，編輯點位名稱、地址、數據上下限等內容。

2）客戶端加載。①查詢可加載車間：啟動客戶端時查詢當前可加載車間信息。②加載對應設備：從服務器獲取可加載車間的相關設備孿生體信息，從系統資源中加載相關孿生體資源。③獲取對應配置：從數據庫中獲取相關設備的對應而配置，例如位置信息、設備名稱、所屬產線工藝段信息、孿生驅動數據點等。④展示孿生效果：獲取當前場景內實時數據，驅動各孿生效果運行。⑤進入回溯模式：通過界面交互進入回溯模式，暫停實時數據獲取。⑥選取工藝段：選取進入當前場景中的工藝段，作為查詢對應工單檢索條件。⑦選取日期：選擇工單查詢日期。⑧獲取時間范圍：選擇查詢日期中的工單，系統自動加載工單時間范圍。⑨加載歷史數據：觸發回溯流程，啟動時光機回溯功能。⑩播放歷史數據：依據歷史數據還原歷史生產場景。

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

4）時光機數據緩存。①獲取當日批次：獲取當日批次起始時間數據。②獲取OPC點位地址：依據場景配置獲取OPC點位地址。③TDengine數據查詢：通過TDengine的interval方法查詢歷史數據。④數據緩存：將查詢到的批次數據進行緩存。

實例效果如圖8所示，通過頁面左上角選擇感興趣的歷史生產批次信息（也可以通過掃描產品追溯二維碼獲取），等待歷史數據加載完成后，即可開啟回溯功能。左右兩側的折線圖可實時切換不同的數據點位，三維頁面內以氣泡呈現快速變化的設備歷史狀態，設備運行狀態同步被歷史數據所驅動。通過頁面下方的進度條可快速選擇歷史時間戳，同時可切換回溯速率。

圖8 數字孿生時光機效果圖

3 結論與展望

本文從實際案例出發，詳細敘述了案例工廠在數字孿生工廠建設進程中對業務應用的思考與實踐。孿生鏡像功能在企業宣傳、生產監控中得到廣泛應用，動態云圖功能在車間溫濕度波動分析中效果顯著，歷史數據回溯功能在產品質量判定、故障原因排查、培訓教學中成效明顯。下一步，將以虛擬場景和實景攝像機聯動融合為研究方向尋找業務結合點。