基于煙草工業互聯網平臺的數據模型服務研究與設計*

李泓燊 彭世宇 吳波 李曉科

紅云紅河煙草（集團）昆明卷煙廠 云南 昆明 650231

引言

伴隨著新一輪科技革命和產業變革，以及消費者碎片化、個性化需求的顯著增加，煙草行業迫切需要進行供給側結構性改革，加快對市場的快速柔性響應。卷煙工廠需要解決個性化需求與規模化生產之間的矛盾，在基本機械化、自動化以及初步數字化、網絡化基礎上，實現協同制造、敏捷生產、個性化定制、供應鏈整合等方面的提升。建立煙草工業互聯網平臺，作為工業智能化發展的核心載體，能夠實現海量異構數據匯聚與建模分析、工業經驗知識軟件化與模塊化、各類創新應用開發與運行，從而支撐生產智能決策、業務模式創新、資源優化配置、產業生態培育、標準研制。平臺重點建立面向工業大數據存儲、集成、訪問、分析、管理的開發環境和應用環境，支撐工業技術、經驗、知識模型化、軟件化、復用化，開展數據采集服務、數據模型服務、虛擬制造服務的研發與應用，在此基礎上為企業提供大數據應用、微服務、運維管理、產品全過程生命周期、設備全過程生命周期等服務[1-2]。

1 數據模型的主要研究內容

在卷煙廠已建設的信息化、自動化建設的基礎上，通過數據建模將卷煙廠制絲、卷包、成型、物流等車間的物理設備、生產工藝、經驗、知識及方法，進行模型化、標準化、軟件化、復用化，形成可重復使用的工藝模型集、部件模型集、數據驅動模型集等，定義生產過程需遵守的標準；實現卷煙件、條、包碼的領取、分發、

下達和反饋模型服務。

數據模型主要包括以下內容：

表1 數據模型

2 總體設計

基于數據建模服務，卷煙廠不同的應用系統可從平臺提取各自所需的模型服務，從而實現基于平臺的集成應用。將卷煙廠的物理設備、生產工藝、流程邏輯等，進行規則化、模塊化設計，構建可移植、可復用的物理設備、生產工藝、人員活動、人員活動、數據分析以及產品物流等數字模型，滿足卷煙廠面向狀態感知、優化管理、工藝流程優化、生產制造協同、科學決策、精準執行、資源共享配置等需求，平臺應用層的煙草工業App可以快速、靈活的調用數字化模型中各類模型組件，實現煙草工業App快速開發部署和應用[3]。

圖1 煙草工業互聯網平臺數據建模設計思路

通過與數據采集服務對接，把海量數據匯入數字化模型中，結合模型集中的各種模型去分析處理，進行反復迭代、學習、分析、計算之后并將結果返回調用者，實現數據—信息—知識—決策的迭代，最終要把正確的數據、以正確的方式、在正確的時間傳遞給正確的人和機器，實現生產過程中自診斷與自決策、自適應，提高了優化制造資源配置效率。數據采集服務采集的實時數據，以及集成的外部應用系統業務數據，存儲在大數據中心，數據模型服務基于大數據分析服務，構建物理設備、生產工藝、流程邏輯等，使卷煙廠具備虛實聯動的能力，并通過微服務中心對外提供標準數據接口供其他App調用。

圖2 模型架構圖

3 部件模型集

以實體設備為基礎，結合設備基礎模型、設備零部件基礎模型，進行設備3D建模、零部件3D建模，形成具有感知、分析、決策能力的數字孿生體，同時構建的模型可與數據采集服務進行對接，實現設備三維模型與物理設備之間的交互聯動、虛實映射，作用于虛擬仿真，從而為提升資源優化配置效率打下基礎。設備模型集包含各型號設備分部套、套件、零備件等信息，所有的設備編碼及用語保證唯一性、統一性，主要參數包含：設備組裝信息、設備編碼、設備供應商信息、零備件供應商信息等。

基于卷煙廠生產數據數字透明系統中已有的零部件3D模型、設備三維模型，以及已有的設備分類原則和分類辦法，參考相應的國際標準和國家標準，對設備進行全局的功能層次分類，對現場設備進行規范的模型化設計，并形成設備及零部件模型庫。同時，生產廠可對自動化生產設備的故障停機率、OEE、剔除率、剔除總數、產能等指標體系進行柔性配置，使模型具備從規范、組織、績效、員工、信息、執行等多個角度進行設備管理工作評價的能力以及信息管理集成化能力。設備物理模型具備與數據采集服務數采數據對接能力，以實現對設備參數進行監控，捕捉設備的各種動態信息。實時獲取設備運行狀態（開機、停機）、產量、原料消耗等數據，以3D場景中設備的運行狀態來模擬設備的運行狀態，與真實設備運行狀態同步，從而形象的展示設備的運行信息。三維設備模型特點如下：數據同步：通過與數據采集服務的對接，實現實時數據3D圖像同步化；立體展現：采用3D動畫技術立體展現生產控制全過程；動態預警：通過與數據采集服務對接，結合設備指標庫及設備故障預警模型，模型具備全生命周期動態預警能力；數據實時：傳輸速度可自定義，默認為2秒鐘內刷新一次。

3.1 設備零部件模型

基于設備BOM結構，構建三維設備零部件模型，展示設備組成，為設備零部件管理提供支持。模型功能特點有：三維設備組成零部件清晰；可視零部件之間相互裝配關系；三維零部件模型庫；零部件更換，易于操作和直觀效果呈現。

圖3 三維零部件模型示意圖

3.2 設備3D模型

根據通用設備、專用設備和特種設備的制作標準規則規范，構建不同型號設備三維設備模型，按照設計圖紙與現場采集照片要求，實現設備三維模型從外觀上形態統一，內部結構上裝配一致。模型功能特點有：三維設備立體直觀展現；設備外觀形態、材質、色彩直接明了；設備內部結構構成透視化處理；設備調整和修改，易于操作和直觀效果呈現；避免主觀臆斷和錯誤假想。

圖4 設備三維透視示意圖

卷煙廠通過煙草工業互聯網平臺，獲取數據建模服務后，通過工藝建模結合實際生產工藝，設計三維模型庫。

4 BOM模型集

BOM模型集包括產品BOM模型、設備零件BOM模型。產品BOM模型用于工藝設計和生產制造管理，用以實現卷煙、原輔料之間的關聯；設備零件BOM建模用于建立設備、部件、零件、傳感器的關聯關系，使設備結構化、透明化。

4.1 設備BOM模型

根據設備內部結構及管理，將卷煙廠各型號物理設備基于零部件模型集，按照不同階層分為設備、部套、零件等，并對不同階層的零配件屬性、零件、部件、傳感器的連接關系、功能等進行描述，建立單階零件結構樹、多階零件結構、等結構樹模型，以構建出標準化和可復用的設備數據模型，為企業基于數據模型對物理設備的管、控、學、改、優等擴展應用提供數據基礎，并作用于設備模型集。

4.2 產品BOM模型

以產品為核心，依據卷煙廠不同系列卷煙牌號，結合生產現場工藝復雜性、設備差異性、輔料多樣性等特點，建立符合煙草行業的產品物料清單，形成產品物料結構模型，基于產品生產路線模型，動態配置不同工藝環節所需的煙絲、嘴棒及輔料的理論耗用系數、實際耗用系數、單位、自制、外購等固有屬性進行量化。作為物耗成本結構及成本控制的依據； 物料需求計劃和生產排程的依據[4]；配套和領料的依據；加工過程的消耗跟蹤及物料追溯的依據。

5 生產工藝模型

基于工藝基礎模型，建立生產線、工藝段、工序、工藝參數等制造要素關系庫，結合卷煙廠實際工藝路線的差異，進行個性化調整，從而快速、便捷、高效地完成生產工藝建模。當工藝路線發生變化時只需對模型元素進行相應配置，即完成新工藝路線調整，實現建模柔性化。基于構建的工藝模型結合數據服務集成的生產過程數據，可直觀反映生產廠工藝段、生產線、工序的具體生產狀況，從而形成一個有序、完整的數據鏈接通道，使卷煙廠具備產品路線柔性建模能力，以宏觀角度了解到各項生產數據、設備狀態等信息的能力。

工藝模型集包括制絲、成型、卷包標準生產工藝路線，并可對模型中的業務屬性進行自定義配置。 其中，業務屬性是基于數據采集標準制定，貫穿了產、質、耗、停等生產業務環節。 同時，各生產環節由于管理內容不同，對應的業務屬性也不同，比如：建模規范中的生產線的業務屬性分別由出絲率、物料消耗、停機時長、停機次等指標組成；生產工藝段的業務屬性由批次號、牌號、生產日期、班次、班組、投入產出比、產量等組成。

模型元素包括以下內容：①車間級：包括制絲車間、卷包車間、成型車間；②生產線級：是各牌號生產過程的生產路線；③生產工藝段級：由各工序，依照生產加工的先后順序組成。例：制絲A線由回潮一加段、二級加料段和切烘絲加香段工序組成；卷包軟包生產線由卷接段、包裝段、條煙輸送和裝封箱段工序組成；④工序級：由各項連續的最小生產單元的組成，例如：制造A線回潮一加段由切片、松散回潮、煙片風選、激光除雜、一級加料等組成；⑤參數級：是生產工藝標準中規定的技術要求，包括加工參數、質量指標等。例：松散回潮工序的加工參數有：工藝熱風溫度、工藝流量等，質量參數有：出料含水率（%）、出料溫度（°C）等。

7 結束語

將廠內制絲、卷包、成型、物流等車間的物理設備、生產工藝、流程邏輯等要素，進行數據建模，定義生產過程需遵守的標準，實現工藝模型集、部件模型集、數據驅動模型集等服務，并將這些服務封裝為可復用和靈活調用的組件，發布至煙草工業互聯網平臺。集團下屬卷煙廠可從煙草工業互聯網平臺獲取數據模型服務，將使卷煙廠具備虛實聯動的能力、模型驅動生產的能力，為虛擬與現實融合打下基礎，具體實現功能總結如表2。同時數據建模服務還能對外提供標準的數據接口，以供其他App進行調用。集團下屬卷煙廠基于工業互聯網平臺，調用數據建模提供的數據接口，可將其所屬業務領域的知識經驗，創新微服務應用，從而形成多方參與、協同演進的煙草制造生態環境。