基于煙草工業互聯網的數字孿生工具集研究

陶剛 李欣明 于中江 楊帆 李忠態

摘要：文章針對傳統生產制造過程中數據采集不全、設備運行狀態難以實時監測、數據分析能力不足等問題，基于煙草工業互聯網平臺，提出了數字孿生工具集的構建方法，以實現設備實時監控、狀態監測、故障預警、精準預測與故障診斷等功能。

關鍵詞：工業互聯網；數字孿生；煙草工業生產；工具集

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.009

中圖分類號：TP 391.9? ? ? ? ? 文獻標志碼：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

煙草行業作為典型的傳統制造業，是一個高度集成化的產業，具有設備種類多、數量大、分布廣的特點。通過對企業的生產過程進行數字化、智能化改造，可將生產制造過程中涉及的物料運輸、設備運行、質量檢測等環節進行全生命周期的數字化管控。近年來，隨著工業互聯網技術的不斷發展，數字孿生逐漸被應用到企業生產制造管理過程中，以幫助企業實現更高層次的數字化轉型。

本文以煙草行業為研究對象，在對工業互聯網平臺及數字孿生技術相關研究進行梳理與總結的基礎上，提出了基于工業互聯網平臺構建數字孿生工具集的方法。

1? ?煙草行業工業互聯網平臺

煙草工業互聯網平臺是為了提高煙草工業信息化水平而建立的。煙草工業互聯網平臺集成了眾多煙草工業企業的信息，可以方便地進行數據交互和處理。通過煙草工業互聯網平臺，可以實現煙草生產和銷售的全過程信息化管理，提高生產效率和質量[1]。

按照國家局一體化平臺總體架構要求，遵循《全國統一工業生產經營管理平臺工作方案》，卷煙行業工業互聯網體系的建設內容包括“一平臺、兩體系”，即行業工業互聯網平臺（以下簡稱平臺）、行業標識解析體系和行業工業互聯網平臺標準體系。

行業工業互聯網平臺是支撐煙草工業數字化轉型的“操作系統”，由運行在行業云平臺主中心節點上的行業中心節點環境、運行在行業云平臺省級節點的省級節點環境和工廠邊緣側環境、設備端側環境組成，用于實現工業數據的全面采集，設備的全面連接，應用的統一管控，為行業一體化平臺提供基礎技術支撐[2]。

2? ?數字孿生應用場景及數字孿生工具集的架構

2.1 數字孿生應用場景

數字孿生技術在工業領域的應用可以劃分為三個階段：一是基于三維模型的仿真分析階段；二是基于虛擬現實的仿真驗證階段；三是基于數據驅動的閉環控制和優化升級階段。其中，基于虛擬現實的仿真分析階段是數字孿生技術應用最為廣泛的階段，也是其發展最成熟的階段[3]。本文研究數字孿生工具集的目的在于實現數字孿生技術在生產制造領域中的應用，為生產制造提供更高效、更安全、更可靠的管理服務。

在煙草行業，通過對制造設備和工藝過程進行數字化建模和仿真，實現對制造過程中設備運行狀態及工藝參數等多維度信息的采集、存儲、處理、分析和展示，可為企業優化生產提供重要支撐。通過對企業生產制造全過程信息進行數字化建模和仿真，可為企業提供實時監測、預測分析、健康管理、維護保養等支持，幫助企業降低設備故障率，提高設備利用率，減少能源消耗和環境污染[4]。在智能制造方面，基于數字孿生技術可以實現制造系統的設計、生產、維護等環節的全生命周期管理，幫助企業實現產品全生命周期的優化管理[5]。在智慧物流方面，基于數字孿生技術可以實現物流過程的精細化管理，幫助企業實現物流配送過程中的自動導航、路徑規劃、實時監控等，從而提升效率和降低成本。

2.2 數字孿生工具集架構

2.2.1 數字孿生工具集功能架構設計

為了實現數字孿生工具集的應用效果，需基于工業互聯網平臺對數字孿生工具集進行架構設計。該架構主要包括設備監控層、設備數據層、數字孿生服務層和應用展示層四個層次。

數字孿生服務是以設備數字孿生模型為基礎，通過數字孿生場景編排工具進行數字孿生應用場景構建，構建完成的應用可通過數字孿生引擎支撐應用場景運行，并提供給云側應用進行調用。

數字孿生服務從功能上分為三大功能塊（資源庫管理、場景編排工具和數字孿生引擎），資源庫管理具備資源上傳、資源更新和資源預覽的功能；場景編排工具具備單元級應用編排和系統級應用編排的功能；數字孿生引擎具備權限管理、應用管理和應用分享的功能[6]。

2.2.2 數字孿生工具集在工業互聯網的服務部署架構

（1）數字孿生服務提供資源規范，依據資源規范制作資源并使用上傳功能上傳資源，為數字孿生應用提供基礎服務。

（2）數據孿生服務提供數據規范，依據數據規范接入數據并為數字孿生應用提供數據服務。

（3）數字孿生服務提供資源管理、場景編排工具、數字孿生引擎三大功能模塊，依據自身需求可自制模型資源、接入業務數據和實時數據、創建應用并分享。

（4）數字孿生服務提供大部分機型設備模型，原則上只需要提供新車間的布局模型資源即可快速搭建場景應用。

2.2.3 數字孿生工具集在工業互聯網的服務部署架構

數字孿生的數據源分為模型數據、業務數據、實時數據三類。模型數據通過數字模型庫開放接口獲取模型，并接入數字孿生模型庫進行管理；業務數據通過業務系統開發數據接口經過傳輸通道的API網關，數字孿生服務提供數據解析服務對數據進行解析，數據存儲到相應數據庫及開放接口給場景編排工具進行調用，場景編排工具將模型和數據進行加工后通過數字孿生引擎進行場景展示和對外提供API接口，第三方系統可進行數字孿生場景集成[7]。

在數字孿生工具集中，可以根據數字孿生的應用場景，為企業提供多種類型的數據采集和模型構建服務。針對煙草行業工業互聯網平臺，數據采集主要包括煙草工業設備數據、煙草行業業務系統數據、煙廠生產經營數據、設備運維數據和煙廠管控數據。其中，設備運維數據包括煙廠的工業控制系統、煙用能源管理系統和設備健康管理系統等；煙用能源管理數據包括煙用蒸汽管網系統、煙用燃氣管網系統和煙廠通風管道系統等；設備運維數據包括煙廠的數控設備運行狀態、故障報警信息等；設備健康管理數據包括煙廠的生產運行狀態、設備健康檢測信息和設備檢修計劃等[8]。

2.2.4 數字孿生工具集技術架構

數字孿生服務在技術上通過分層進行管理。首先，依賴基礎環境提供的服務器等資源，數據來源主要由設備數采數據、模型數據和其他業務數據源等提供的接口，其中用到的數據庫有TDengine、Mysql和Redis；其次，開發語言主要用到了后臺開發語言Java、前端開發語言HTML5和Javascript、Web3D開發語言glsl，其中glsl是用來在OpenGL中著色編程的語言；開發框架包括Three.js、Springboot和Vue；最后，服務功能由以上基礎技術進行構建，功能上分為模型庫管理、場景編排工具和數字孿生引擎。

3? ?數字孿生工具集在煙草行業工業互聯網平臺中的應用

3.1 模型可視化

數字孿生工具集能夠為企業提供各種類型的數字孿生模型，包括物理世界模型、虛擬世界模型和控制系統模型，不同類型的數字孿生模型具有不同的功能和特點。

（1）物理世界模型：用于描述物理實體，包括設備、儀器、生產要素、物料等。

（2）虛擬世界模型：用于描述虛擬實體，包括數字對象、虛擬人、虛擬機器等。

（3）控制系統模型：用于描述控制系統，包括控制器、執行器、傳感器等。

（4）生產要素模型：用于描述生產要素，包括人員、物料、能源等。

（5）流程模型：用于描述流程，包括生產計劃與調度、質量管理與追溯等。

根據上述數字孿生工具集，我們提出了煙草行業工業互聯網平臺數字孿生工具集的架構。數字孿生工具集提供了可視化建模、分析計算、仿真預測、運行監控等功能，是一種以數據為核心的新型工業互聯網平臺[9]。

3.2 設備狀態檢測

通過在煙草行業工業互聯網平臺中部署數字孿生工具集，能夠實現對煙草行業工業互聯網平臺中設備運行狀態、故障診斷、工藝模型等數據的全面監測，同時能夠對設備運行狀態進行仿真模擬，對生產過程中出現的異常情況進行分析并給出報警，為企業設備的維護管理提供有力的技術支持。

（1）設備運行狀態實時監控。通過設備數字孿生工具集，對關鍵設備的運行狀態進行實時監控，包括在線監測、離線監測和歷史數據回放等功能，有效監測設備運行狀態，實現對設備故障的智能預警。

（2）狀態監測與故障預警。通過對關鍵設備的實時運行狀態進行監測，并結合歷史數據進行分析和預測，當出現異常情況時及時發出預警信息。

（3）故障預警與精準預測。基于多維數據融合、深度神經網絡等技術，通過構建智能模型對關鍵設備進行實時預測和精準預測，并對設備的健康狀況進行評估，從而為維護人員提供決策支持。

（4）故障診斷與優化管理。通過對關鍵設備的實時運行狀態進行分析和診斷，根據實時運行數據進行智能分析和優化管理，從而為維修人員提供決策支持和優化管理建議。

3.3 生產過程優化

數字孿生工具集可以基于不同的數據類型，對生產過程進行仿真模擬，包括設備故障分析、故障預測、設備性能評估等，從而對生產過程進行優化。通過數字孿生工具集的應用，能夠實現對煙草生產過程中的溫度、壓力、流量等參數的實時監測，并根據監測結果對設備故障進行診斷，為企業制定科學合理的維護計劃提供參考依據。

3.4 產品質量提升

數字孿生工具集可以將煙草行業工業互聯網平臺中的工藝模型與進行仿真模擬，對生產過程中出現的異常情況進行分析并給出報警，從而幫助企業解決在生產過程中出現的異常情況。煙草行業工業互聯網平臺中的工藝模型是一個離散的、靜態的過程，無法對煙草行業實際生產過程進行仿真模擬，因此可以通過數字孿生工具集對煙草行業工業互聯網平臺中的工藝模型進行仿真模擬，以得到更符合煙草行業實際生產特征的工藝模型[10]。

在卷煙產品生產過程中，質量問題往往是由于各種原因造成的，可以利用數字孿生工具集對卷煙產品進行質量分析和優化。在數字孿生工具集中，可以對卷煙產品生產過程進行仿真模擬，并結合質量分析模型得到的質量數據，對卷煙產品進行質量分析和優化。在生產過程中，如有異常情況出現，可以及時發現問題并給出報警信息。

4? ?結束語

本文在工業互聯網平臺架構基礎上，結合數字孿生技術，提出了煙草工業互聯網平臺下數字孿生工具集的功能及實現方法。所設計的數字孿生工具集在實際生產中得到了有效應用，并取得了良好的效果。未來，可將所設計的數字孿生工具集作為數據分析平臺應用到其他制造場景中，為煙草工業企業提供更加高效、安全、可靠的管理服務，進一步推動煙草工業企業數字化轉型升級。■

參考文獻

[1] 楊光．工業數字孿生來了[N]．中國信息化周報，2022-12-12（8）.

[2] 曹家明．5G網絡數字孿生模型若干關鍵技術研究[D]．南京：南京郵電大學，2022.

[3] 李婉，巫濱．數字孿生城市建設中核心數據可視化研究[J]．現代信息科技，2022（17）：128-131.

[4] 張恒．面向機加產線的數字孿生建模方法研究[D]．西安：西安電子科技大學，2022.

[5] 郎為民，田尚保，李宇鴿，等．數字孿生技術架構研究[J]．電信快報，2022（8）：1-6.

[6] 劉然，劉虎沉．基于數字孿生的產品制造過程質量管理研究[J]．現代制造工程，2022（7）：50-56.

[7]楊一帆，鄒軍，石明明，等．數字孿生技術的研究現狀分析[J]．應用技 術學報，2022（2）：176-184，188.

[8] 楊溢．基于數字孿生技術的數控加工過程監測平臺開發[D]．西安：西安理工大學，2022.

[9] 王路路．基于改進遺傳算法的孿生工廠AGV路徑規劃方法[J]．軟件，2023（5）：76-81，106.

[10] 韓瀚．基于等級保護標準的煙草商業企業工控系統網絡安全自評估方法研究[J]．軟件，2021（11）：90-92.