數字孿生系統構架技術在恩施煙草標準化應用

池明 鐘用 楊天才 廖成 彭子忠

【摘要】本文以數字孿生系統構架技術在我國汽車制造、鋼鐵冶煉、水務水業、飲料、白酒釀制、煙草科研、煙草機械制造行業的構建現狀為實例，探析數字孿生系統構架技術在以恩施煙草復烤加工、卷煙生產、卷煙市場營銷、煙葉生產收購為構成單元的標準化應用。

【關鍵詞】基礎支撐層；數據互動層；模型構建層與仿真分析層；共性應用層；行業應用層

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.047

Application of Digital Twinning System Architecture Technology in Ensch Tobacco Standardization

CHI Ming， ZHONG Yong， YANG Tiancai， LIAO Cheng， PENG Zizhong

（Hubei Province Tobacco Company Enshi Zhou Company， Enshi 445000， China）

Abstract： This paper takes the construction status of digital twin system architecture technology in Chinas automobile manufacturing， steel smelting， water industry， beverage， Baijiu brewing， tobacco scientific research， and tobacco machinery manufacturing industries as an example to explore the standardized application of digital twin system architecture technology in Enshi tobacco redrying processing， cigarette production， cigarette marketing， and tobacco production and purchase as the constituent units.

Key words： foundation support layer；data interaction layer；model building layer and simulation analysis layer；common application layer；industry application layer

1數字孿生系統簡介

數字孿生——Digital Twin的雛形內核為在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射，如實地描述物理實體生命周期的運行軌跡。經過多年的技術拓展以及與底層控制技術（OT）、工業物聯網技術（IIOT）、人工智能技術（AI）、虛擬現實技術（VR）、增強現實技術（AR）、混合現實技術（MR）、大數據分析診斷技術等技術交匯融合，已形成了以基礎支撐層、數據互動層、模型構建層與仿真分析層、共性應用層、行業應用層五個平臺技術為構架的數字孿生生態系統。

數字孿生生態系統是在德國西門子自動化提出的德國工業制造4.0，美國羅克韋爾自動化提出的美國制造業數字生態圈，國家工業信息化產業部提出的“中國制造2025”環境下催生發展的。在我國率先搭建數字孿生系統的是汽車制造行業，為快速響應不斷變化的中國乘用車市場需求，縮短乘用車開發周期，中國一汽集團、北汽集團、上汽集團、廣汽集團、東風集團、長安汽車、美國特斯拉汽車集團均聯合西門子自動化、羅克韋爾自動化、美國通用電氣、德國菲尼克斯電氣等自動化廠家對自身的汽車研發、制造平臺和工序進行汽車平臺設計3D仿真、汽車生產加工機械產前CAD建模、汽車發動機、電動車電池使用周期CAE診斷，特斯拉建立電動車行駛數據中心等，基本成功搭建了汽車制造數字孿生系統。在大幅縮短乘用車平臺設計開發周期的前提下，實現了從傳統制造到智慧制造的本質性轉變。以寶武鋼鐵有限公司、鞍鋼集團有限公司為代表的鋼鐵冶煉行業在其高爐煉鐵工序、爍鋼工序、連鑄工序、冷熱軋工序、廢水廢氣處理工序均搭建自身的三維仿真平臺、MES鋼鐵車間級制造執行系統、ERP企業資源計劃系統、DSS企業間管理系統及決策支持系統，僅需積極構建共性應用層的鋼鐵生產周期描述系統、鋼鐵銷售決策風險預測系統即全面可完成數字孿生生態系統第四個層級也就是共性應用層的構建。以中國水務集團有限公司和中國水業集團為代表的大型水務和水處理集團在其混合、反應、沉淀、過濾、消毒、水資源治理工段搭建邊緣計算和水務能源3D仿真、水生物菌場景描述診斷系統。基本完成了數字孿生生態系統五個層級的構架。實現了傳統水資源利用向智慧水務的數字化轉型。在保證水資源高效利用的前提下，實現了水資源綠色環保、國民安全飲用自來水的國家安全戰略目標。

以可口可樂公司、百事可樂公司、貴州茅臺集團、五糧液集團公司為代表，涉及人們人身健康安全的食品飲料和白酒釀制行業，載氣飲料配方、酒曲配方中打破人工主導配方調制的傳統工藝配方設計模式，建立以飲料配方、酒曲配方大數據建模、銷售市場云平臺反饋、配方加工車間VR仿真、酒曲發酵調配周期、不同年齡、性別飲用口感場景MR仿真的模型構建層與仿真分析層，與之前構建成熟的基礎支撐層、數據互動層相互作用，形成了傳統飲料配方和新興市場的個性化配方需求的開放式數字互動，為其在共性應用層搭建飲料、白酒市場預測、新飲品決策系統打下了堅實基礎。

以格力集團、海爾集團、創維集團為代表的白色家電行業，加強基礎支撐層中組裝工位機械手、注塑機、電焊機器人、物流機械臂、工裝機械盤等智能生產組裝設備升級改造，在模型構建層與仿真分析層聯合國家多家智能化、信息化研究機構，在家電個性化、碎片化AR建模、產品制造關鍵部件維護周期預測、新產品開發周期和市場占比預測MR仿真上徹底顛覆之前的扁平化產品制造模式，以不同市場需求為導向，迭代化家電生產、數字化多元化家電銷售的模式已經形成，數字孿生構架技術在我國家電生產行業發揮了巨大作用。

以鄭州煙草研究院、上海煙草機械有限責任公司、秦皇島煙草機械廠、湖南常德煙草機械廠為代表，在數字孿生生態系統數據互動層上完成了煙草機械3D設計、仿真制造和成型煙草機械運行大數據的積累，與卷煙終端的遠程數據互動共享，在模型構建層與仿真分析層構建了卷接機組試驗產線CAD建模、卷煙機械磨損周期CAE仿真、卷煙機械零件故障MR診斷，與部分卷煙廠構建了中式卷煙配方VR建模、新式配方CAE仿真。在共性應用層與部分卷煙廠構建了市場特色化配方需求場景描述，以上現狀表明煙草系統僅在行業煙草研究機構和煙草機械制造生產廠家已完整構建了基礎支撐層和數據互動層。尚未構建完整煙草行業科研機構和煙草機械生產廠家數字孿生生態系統的模型構建層與仿真分析層，未觸及生態系統的共性應用層和行業應用層。

國家煙草專賣局“十四五”戰略規劃提出全面推進數字煙草建設發展戰略。恩施煙草作為國家煙草發展戰略的單元，即將迎來數字化轉型和升級的重大機遇和挑戰，為找準產業發展定位，突破傳統行業技術數字孤島壁壘，本文根據行業發展要求，結合恩施煙草產業數字化、信息化建設現狀，著力探析行業深度搭建數字孿生生態系統五個應用平臺的解決方案和時間節點。

恩施煙草有以煙葉打葉復烤加工為主要職能的復烤加工單元，有以卷煙生產為主要職能的卷煙生產單元，有以成品卷煙營銷管理的卷煙市場營銷管理單元。有以煙葉生產加工、收購為主要職能的煙葉生產收購單元。各單元既有扁平數字化生產、營銷、市場管理的單一層級，又有網格化交叉網絡互聯，數據共享的密織化層級。數字孿生系統構架技術在恩施煙草應用各單元應用維度和深度既有相同共通之處，也有不同之處。

2數字孿生系統構架技術在煙葉復烤、卷煙的應用探析

以復烤加工單元和以卷煙生產單元為主體的恩施復烤廠和恩施卷煙廠已基本完成數字孿生系統構架的構建基礎支撐層、數據互動層，且OT層的工業電氣控制設備能與國際通用信息設備完成無縫通信組網。復烤廠和卷煙廠在數據互動層實現了打葉復烤實時數據共享。在模型構建層與仿真分析層的卷煙、復烤配方大數據建模、品控仿真、生產車間、物流調度VR技術、AR技術上應不斷深化應用。在共性應用層的場景描述、生產加工機械使用周期診斷預測、市場大數據分析決策技術應用應找準時機，及時切入。尤其在復烤工藝和卷煙配方工藝方面應深度應用描述個性化配方市場診斷技術、大數據分析決策技術，力爭早日全面搭建數字孿生生態系統的共性應用層，在實現基礎支撐層、數據互動層、模型構建層與仿真分析層、共性應用層之后，運用頂層設計構建即可實現行業應用頂層的智慧煙葉復烤及智慧卷煙生產。

3數字孿生系統構架技術在卷煙營銷管理的應用探析

以卷煙營銷管理單元為主體的煙草專賣局在OT層實現了卷煙營銷全流程管理、與公安系統實現了制售假煙聯動打擊物理層，物流基本實現了成品卷煙調度管理全程追溯物理層，因其卷煙專賣職能決定其營銷數據不能過于開放，致使其數據互動層的建設比較滯后。在模型構建層與仿真分析層的營銷數據建模、營銷市場風險仿真、卷煙零售客戶管控方面需適時介入。共性應用層的卷煙銷售大數據描述、市場風險診斷、預警，卷煙品牌銷售配比決策應與模型構建層與仿真分析層的CAE仿真應用技術有機結合。共性應用層的構架設計應著力共性應用層的卷煙營銷個性化需求、碎片化市場需求描述預測技術，營銷管理云數據決策技術，遵照國家煙草專賣法律法規和行業標準完成頂層設計構建即可實現行業應用頂層的智慧煙草市場營銷管理。

4數字孿生系統構架技術在煙葉生產收購的應用探析

以煙葉生產、收購為主要職能的生產營銷部承載著優質、山地特色煙葉生產、加工、收購的重大職能，是決定恩施煙草發展的源頭企業。在數字化煙葉生產和管理建設方面，與云南、貴州、四川煙葉產區數字化建設方面存在較大差異。對照2020年中國電子技術標準化研究院和樹根互聯技術有限公司聯合主編的《數字孿生應用白皮書》中的數字孿生生態系統架構圖，恩施煙葉在基礎支撐層、數據互動層這兩個關鍵底層技術應用上亟須更新底層技術應用思維。

在煙葉生產加工的商品化育苗設施、集中化烘烤設施上，仍采用以電磁、單片機儀表控制技術核心的單機控制技術，此技術在控制的可靠性、通信的高效性、組網能力方面，均落后于國際通行的可編程控制系統技術、IIOT技術、數據采集與監視控制系統技術，在煙葉生產的肥料配比上仍是傳統經驗配比肥料，在煙葉收購上僅應用煙葉包裝的掃碼技術。數據互動層上，僅實現煙葉收購數量、等級的數據實時傳輸，在煙區土壤肥力、墑情、氣候、病蟲害種類及發生范圍、不同燃料對土壤、空氣的污染指數等大數據的數據集成、數據建模方面尚處于起步階段。模型構建層與仿真分析層上，因未積累起商品化煙苗培育數據、煙葉生長各階段水肥配比數據、煙葉調制階段溫濕度設定、調制時間、煙葉調制后醇化時間、煙葉外觀內在質量等精準有效數據，無法與煙草研究機構、煙草機電設備生產廠家實現數據共享，導致VR建模技術、AR建模技術、大數據分析診斷技術應用缺乏數據原型支撐，煙葉生產仿真系統、風險控制預警系統難以構建。共性應用層上，因基礎支撐層、數據互動層、模型構建層與仿真分析層三個層面的客觀要件均不同程度缺失，最終導致恩施煙葉還未實質性觸及五個層級的最高層——共性應用層。因此恩施煙葉生產、收購要實現智慧煙葉生產收購應著力全面改造OT層的煙葉生產調制設施設備，夯實智能化、信息化基礎，提高煙葉生產調制技術體系的可持續性、開放性、可拓展性和技術裝備的自主可控性。著力爭取中國移動、中國聯通、中國電信、阿里巴巴集團、美國參數技術公司（PTC）、達索等公有云、混合云平臺技術支持，聯合日本三菱電機自動化、德國西門子自動化、美國羅克韋爾自動化等和煙草復烤加工、卷煙生產單元關系密集，自動化控制技術背景深厚的企業，盡快完成基礎支撐層、數據控制兩個層級的構架設計、搭建。在模型構建層與仿真分析層的構架設計時，在市場需求虛擬化建模時，重點關注全國各卷煙廠的個性化、碎片化需求，邊緣計算技術前移至煙葉生產調制基層一線，迅速將煙葉生產調制技術提檔升級。

5結束語

恩施煙草欲實現國家“十四五”信息化建設規劃、國家煙草專賣局“十四五”建設數字煙草戰略規劃，應深析其他行業在數字化轉型過程中的成功經驗和失敗教訓，結合本行業現狀，將行業技術同數字化先進技術跨界整合，在人員、制度、設備、流程、產業大腦等方面找到痛點、發掘亮點，同時積極同有著多年生產制造經驗的工業電氣自動化生產廠家、工業物聯網集成廠家展開深度合作，最終才能成功應用數字孿生構架技術賦能恩施煙草產業高效、綠色、持續穩定發展。

【參考文獻】

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【作者簡介】

池明，男，1973年出生，工程師，研究方向為煙葉烤房電氣設備維修、電氣自動化系統開發和應用。

（編輯：謝飛燕）