数字孪生在卷烟企业的应用场景研究

文/沈 刚，胡雨彤，吴永兴，张翅远，周晓龙 红塔烟草（集团）有限责任公司玉溪卷烟厂

随着大数据分析、云计算、物联网技术、人工智能等信息技术的发展与成熟应用，数字孪生在智慧城市、智能工厂、敏捷医疗、培训教学等领域得到了迅速的应用和发展。在生产制造领域，借助数字孪生技术，物理车间与虚拟信息世界得以有效融合，基于数据、模型、服务、决策的产品全生命周期管理形成闭环。

数字孪生技术在卷烟工业企业的应用研究由来已久，应用场景以宣传展示、培训教学、设备管理为主，为丰富行业内的应用场景，本文以实际案例为切入点，详细论述了案例场景的系统架构以及基于此架构所开发的三大业务场景：数字孪生镜像、三维动态云图、历史数据回溯，通过自定义配置方式，实现业务场景的快速开发和迭代，为数字孪生技术与业务场景的结合提供新思路、新方向。

1 数字孪生在卷烟企业的应用现状

数字孪生技术在烟草行业的应用，可以追溯到20世纪90年代。曲靖卷烟厂的3D可视化智能管理系统，通过调用自动化控制源码直接从设备内部采集实时生产数据，对厂区、车间、生产线、生产设备、设备零部件进行3D可视化建模，结合工艺现场的实时监管需求，研究开发3D可视化漫游平台，并与生产应用系统进行集成，基于3D模型库实现设备操作、故障预警、维保和标准化的应用培训。李军介绍了红塔辽宁烟草设备模型的功能、分类和关键技术，并针对卷烟行业生产加工特点，给出了设备模型相关描述和数据结构。许光玉通过数字孪生体的构建，将物理实体向虚拟数字化转换过程，建立卷烟企业数字孪生系统的架构和功能，通过对关键设备（整个车间）建立三维可视化展示界面，以及对中间数据采集层建立相应的数据模型，实现智能设备管理的数字化、三维可视化展示。刘国愈以消防设备运维管理为切入点，引入BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术，提出适用于烟草生产企业的三维可视化消防设施集成远程监控信息管理系统开发方案。杨学良将设备资料与设备器件资料融入到三维交互系统中，设计并提出了设备资料查询和仿真培训系统总体技术方案。深圳华龙讯达信息技术股份有限公司提出了一种基于数字孪生技术的包括信息采集端、信息处理端、三维虚拟显示端及人机交互端的包装机智能控制系统及方法。覃仕辉提出一种面向卷烟机组的智能设备管理壳，并给出了管理壳的功能设计、互操作性设计和技术实现框架。熊俊臻提出了利用AR技术实现的基于数字孪生技术的空压设备智能运维平台的功能设计，以解决厂区设备功能单一、交互不足等问题。系统中实现了对空压设备结构、内部元器件的模型仿真和基于增强现实（AR）的操作，同时，借助5G网络的低延时特性，在移动端实现了远程诊断和远程指导的辅助功能。

综上，数字孪生技术在卷烟加工企业的应用以三维虚拟场景的建立和相关数据的加载呈现为主，更进一步的虚实结合、以虚控实、生产仿真决策方面的研究较少。

2 应用实例

本文以玉溪卷烟厂数字孪生建设项目为实例，介绍部分虚拟场景的实现方式和效果。没有数据的数字化设备是没有生命的，以数据为主线，建立一个沟通数据翻译与数据应用的闭环平台，翻译的目的是把纯数据的数采内容，升级转换成各类可见性较强的图像图形表达，结合各种大数据分析技术手段，组织数据关系，围绕生产进行数据建模，实现对过程控制的进一步深化与优化，承载数据翻译和数据应用循环的数字化虚拟平台如图1所示。

图1 承载数据翻译和数据应用循环的数字化虚拟平台

项目所涉及车间已完成工业数据的统一采集和存储系统、制丝及卷包数采、云原生MES、基于工业大数据的制丝智能控制、基于标识解析的生产物料管理等应用。项目技术架构与行业确定的工业互联网体系架构相一致，所使用的MySQL、TDEngine、Redis、Docker、OpenEuler等主要运行环境及软件与行业工业互联网体系技术栈一致或完全兼容。在以上基础资源支撑下，数字孪生应用项目得以顺利实施。

2.1 系统架构

案例项目采用如图2所示的系统架构，系统由模型组件库、图表组件库、数据和数据通信四个部分组成。经过处理后的三维模型形成对应组件，与数据服务结合形成数字化的孪生设备，之后与对应的数据可视化组件结合，形成具体的业务场景，实现数据业务化，业务数据化的目标。基于此架构，设计并开发了数字孪生镜像、三维动态云图、回溯时光机等可视化应用。

图2 系统架构

2.2 数字孪生镜像

案例工厂通过三万多数采点位的采集，从多个层面描述设备的运行状况，数字化虚拟平台通过与现场数采系统的对接，将各类型数据接入孪生模型，驱动孪生体运转状态变化，实现虚实互动实时映射。

数字孪生镜像通过集成设备的外观模型、信息模型、状态驱动模型、数采模型，数字化虚拟平台实现了单体设备的数字孪生体构建，能够在接入数据的前提下镜像映射设备的各类状态，几何外观模型通过数字孪生技术的应用具备了能够映射设备全生命周期的能力，成为具有创新价值的数据资产。数字孪生镜像实现流程如图3所示。其关联模式与处理环节如下。

图3 数字孪生镜像流程设计图

1）对孪生体的设备类型进行结构化分类：例如振动输送机、链式输送机、润叶加料机等，筛选特定设备下的感兴趣数采点，形成设备关键数据点表，见表1。

表1 设备关键数据点

2）设备孪生体运行状态分类：对不同类型的设备孪生体，梳理运行状态并加以分类，以驱动不同的可视化效果，分类结果见表2。

表2 设备孪生体运行状态分类

3）设备孪生体运行状态接口定义：针对不同可视化数据驱动效果进行接口定义。

4）设备孪生体状态运行资源制作：根据设备及相关状态的可视化特征，制作对应的资源，并以接口定义规则进行相关可视化效果驱动设计，形成可加载特效或美术资源。

5）孪生体外观模型建设：根据孪生体外观建设标准制作外观模型，1∶1还原设备。

6）孪生模型仿真资源配置：根据孪生镜像中制定的孪生体状态映射规则，对不同分类设备的不同状态配置镜像仿真资源，如运行动画、物料特效、状态特效等。

7）查询可加载车间：启动客户端时查询当前可加载车间信息。

8）加载对应设备：从服务器获取可加载车间的相关设备孪生体信息，从系统资源中加载相关孪生体资源。

9）获取对应配置：从数据库中获取相关设备的对应而配置，例如位置信息、设备名称、所属产线工艺段信息、孪生驱动数据点等。

10）查询状态接口数据：根据状态接口定义，从实时数据中查询，状态接口数据。

11）驱动状态资源接口：通过对实时数据的解析，驱动状态资源的变化。

12）展示孪生镜像效果：在客户端界面实时刷新孪生镜像状态，实现对产线运行状态的实时跟踪，涵盖设备实时运行数采数据，设备启停等运行仿真，输送带物料流转仿真，水电气汽等能源动力仿真、故障报警镜像等。数字孪生镜像效果如图4所示。

图4 数字孪生镜像效果

2.3 基于LBS的三维动态云图

LBS（Location Based Services，基于位置信息的服务）。针对温度、湿度、虫情等与空间位置有映射关系的数据，采用三维数据云图的形式，进行孪生空间模拟，提升数据的可视可感性。数字孪生云图流程设计如图5所示。

图5 数字孪生云图流程设计图

1）车间编辑。①选择车间：选择需要编辑云图点位的车间。②添加云图数据点位：在编辑场景中添加云图数据点（如温度、湿度传感点、虫情收集点）。③选择实时数据源：在点位配置中输入OPC实时数据源的数据名称，完成数据自动关联。④编辑数据源空间位置：在孪生车间内，将该云图数据点位放置到传感器实际位置处，完成点位添加。

2）客户端加载。①查询可加载车间：启动客户端时查询当前可加载车间信息。②加载对应设备：从服务器获取可加载车间的相关设备孪生体信息，从系统资源中加载相关孪生体资源。③获取对应配置：从数据库中获取相关设备的对应而配置，例如位置信息、设备名称、所属产线工艺段信息、孪生驱动数据点等。

3）实时数据添加。①选择数字孪生体：在网页后台，数据中心选择数字孪生体新建数据实例合集。②选择实时数据源：为当前数据实例合集选择OPC实时数据服务器。③配置实时数据：为当前数据实例合集添加OPC点位数据，编辑点位名称、地址、数据上下限等内容。如图6所示，展示了车间温度动态云图的一个瞬间，通过实时的云图扰动状态，预判生产线整线的温度波动趋势，为产线相关参数的实时调整提供可视依据。

图6 数字孪生云图效果

2.4 数字孪生时光机

时光机，即历史的重演，依托完备的生产线历史数据以及低延时的数据读取策略，开发历史数据回溯功能，解决什么时间，什么地点，当前设备处于什么状态的历史问题。在高倍速下重现历史生产过程，为质量事故推演、最佳生产环境确定、人员技能培训提供虚拟沙盘。数字孪生时光机实现流程如图7所示。数字孪生时光机具体描述如下。

图7 数字孪生时光机实现流程

1）实时数据添加。①选择数字孪生体：在网页后台，数据中心选择数字孪生体新建数据实例合集。②选择实时数据源：为当前数据实例合集选择OPC实时数据服务器。③配置实时数据：为当前数据实例合集添加OPC点位数据，编辑点位名称、地址、数据上下限等内容。

2）客户端加载。①查询可加载车间：启动客户端时查询当前可加载车间信息。②加载对应设备：从服务器获取可加载车间的相关设备孪生体信息，从系统资源中加载相关孪生体资源。③获取对应配置：从数据库中获取相关设备的对应而配置，例如位置信息、设备名称、所属产线工艺段信息、孪生驱动数据点等。④展示孪生效果：获取当前场景内实时数据，驱动各孪生效果运行。⑤进入回溯模式：通过界面交互进入回溯模式，暂停实时数据获取。⑥选取工艺段：选取进入当前场景中的工艺段，作为查询对应工单检索条件。⑦选取日期：选择工单查询日期。⑧获取时间范围：选择查询日期中的工单，系统自动加载工单时间范围。⑨加载历史数据：触发回溯流程，启动时光机回溯功能。⑩播放历史数据：依据历史数据还原历史生产场景。

3）时光机回溯。①获取时间范围：当客户端启动加载历史数据，将为后台传输时间范围，以便进行历史数据查询。②判断缓存：判断当前查询条件是否有缓存数据，如果存在相同条件查询的缓存数据，则直接向客户端发送数据，返之启动查询路径。③获取OPC点位地址：依据客户端发来的请求消息，从数据库中获取需要查询的OPC地址，取末尾段作为查询依据。④TDengine数据查询：通过TDengine的interval方法查询历史数据。⑤发送历史数据：向客户端和后台缓存区域发送查询到的历史数据。

4）时光机数据缓存。①获取当日批次：获取当日批次起始时间数据。②获取OPC点位地址：依据场景配置获取OPC点位地址。③TDengine数据查询：通过TDengine的interval方法查询历史数据。④数据缓存：将查询到的批次数据进行缓存。

实例效果如图8所示，通过页面左上角选择感兴趣的历史生产批次信息（也可以通过扫描产品追溯二维码获取），等待历史数据加载完成后，即可开启回溯功能。左右两侧的折线图可实时切换不同的数据点位，三维页面内以气泡呈现快速变化的设备历史状态，设备运行状态同步被历史数据所驱动。通过页面下方的进度条可快速选择历史时间戳，同时可切换回溯速率。

图8 数字孪生时光机效果图

3 结论与展望

本文从实际案例出发，详细叙述了案例工厂在数字孪生工厂建设进程中对业务应用的思考与实践。孪生镜像功能在企业宣传、生产监控中得到广泛应用，动态云图功能在车间温湿度波动分析中效果显著，历史数据回溯功能在产品质量判定、故障原因排查、培训教学中成效明显。下一步，将以虚拟场景和实景摄像机联动融合为研究方向寻找业务结合点。