基于烟草工业互联网平台的数据模型服务研究与设计*

李泓燊 彭世宇 吴波 李晓科

红云红河烟草（集团）昆明卷烟厂 云南 昆明 650231

引言

伴随着新一轮科技革命和产业变革，以及消费者碎片化、个性化需求的显著增加，烟草行业迫切需要进行供给侧结构性改革，加快对市场的快速柔性响应。卷烟工厂需要解决个性化需求与规模化生产之间的矛盾，在基本机械化、自动化以及初步数字化、网络化基础上，实现协同制造、敏捷生产、个性化定制、供应链整合等方面的提升。建立烟草工业互联网平台，作为工业智能化发展的核心载体，能够实现海量异构数据汇聚与建模分析、工业经验知识软件化与模块化、各类创新应用开发与运行，从而支撑生产智能决策、业务模式创新、资源优化配置、产业生态培育、标准研制。平台重点建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境和应用环境，支撑工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化，开展数据采集服务、数据模型服务、虚拟制造服务的研发与应用，在此基础上为企业提供大数据应用、微服务、运维管理、产品全过程生命周期、设备全过程生命周期等服务[1-2]。

1 数据模型的主要研究内容

在卷烟厂已建设的信息化、自动化建设的基础上，通过数据建模将卷烟厂制丝、卷包、成型、物流等车间的物理设备、生产工艺、经验、知识及方法，进行模型化、标准化、软件化、复用化，形成可重复使用的工艺模型集、部件模型集、数据驱动模型集等，定义生产过程需遵守的标准；实现卷烟件、条、包码的领取、分发、

下达和反馈模型服务。

数据模型主要包括以下内容：

表1 数据模型

2 总体设计

基于数据建模服务，卷烟厂不同的应用系统可从平台提取各自所需的模型服务，从而实现基于平台的集成应用。将卷烟厂的物理设备、生产工艺、流程逻辑等，进行规则化、模块化设计，构建可移植、可复用的物理设备、生产工艺、人员活动、人员活动、数据分析以及产品物流等数字模型，满足卷烟厂面向状态感知、优化管理、工艺流程优化、生产制造协同、科学决策、精准执行、资源共享配置等需求，平台应用层的烟草工业App可以快速、灵活的调用数字化模型中各类模型组件，实现烟草工业App快速开发部署和应用[3]。

图1 烟草工业互联网平台数据建模设计思路

通过与数据采集服务对接，把海量数据汇入数字化模型中，结合模型集中的各种模型去分析处理，进行反复迭代、学习、分析、计算之后并将结果返回调用者，实现数据—信息—知识—决策的迭代，最终要把正确的数据、以正确的方式、在正确的时间传递给正确的人和机器，实现生产过程中自诊断与自决策、自适应，提高了优化制造资源配置效率。数据采集服务采集的实时数据，以及集成的外部应用系统业务数据，存储在大数据中心，数据模型服务基于大数据分析服务，构建物理设备、生产工艺、流程逻辑等，使卷烟厂具备虚实联动的能力，并通过微服务中心对外提供标准数据接口供其他App调用。

图2 模型架构图

3 部件模型集

以实体设备为基础，结合设备基础模型、设备零部件基础模型，进行设备3D建模、零部件3D建模，形成具有感知、分析、决策能力的数字孪生体，同时构建的模型可与数据采集服务进行对接，实现设备三维模型与物理设备之间的交互联动、虚实映射，作用于虚拟仿真，从而为提升资源优化配置效率打下基础。设备模型集包含各型号设备分部套、套件、零备件等信息，所有的设备编码及用语保证唯一性、统一性，主要参数包含：设备组装信息、设备编码、设备供应商信息、零备件供应商信息等。

基于卷烟厂生产数据数字透明系统中已有的零部件3D模型、设备三维模型，以及已有的设备分类原则和分类办法，参考相应的国际标准和国家标准，对设备进行全局的功能层次分类，对现场设备进行规范的模型化设计，并形成设备及零部件模型库。同时，生产厂可对自动化生产设备的故障停机率、OEE、剔除率、剔除总数、产能等指标体系进行柔性配置，使模型具备从规范、组织、绩效、员工、信息、执行等多个角度进行设备管理工作评价的能力以及信息管理集成化能力。设备物理模型具备与数据采集服务数采数据对接能力，以实现对设备参数进行监控，捕捉设备的各种动态信息。实时获取设备运行状态（开机、停机）、产量、原料消耗等数据，以3D场景中设备的运行状态来模拟设备的运行状态，与真实设备运行状态同步，从而形象的展示设备的运行信息。三维设备模型特点如下：数据同步：通过与数据采集服务的对接，实现实时数据3D图像同步化；立体展现：采用3D动画技术立体展现生产控制全过程；动态预警：通过与数据采集服务对接，结合设备指标库及设备故障预警模型，模型具备全生命周期动态预警能力；数据实时：传输速度可自定义，默认为2秒钟内刷新一次。

3.1 设备零部件模型

基于设备BOM结构，构建三维设备零部件模型，展示设备组成，为设备零部件管理提供支持。模型功能特点有：三维设备组成零部件清晰；可视零部件之间相互装配关系；三维零部件模型库；零部件更换，易于操作和直观效果呈现。

图3 三维零部件模型示意图

3.2 设备3D模型

根据通用设备、专用设备和特种设备的制作标准规则规范，构建不同型号设备三维设备模型，按照设计图纸与现场采集照片要求，实现设备三维模型从外观上形态统一，内部结构上装配一致。模型功能特点有：三维设备立体直观展现；设备外观形态、材质、色彩直接明了；设备内部结构构成透视化处理；设备调整和修改，易于操作和直观效果呈现；避免主观臆断和错误假想。

图4 设备三维透视示意图

卷烟厂通过烟草工业互联网平台，获取数据建模服务后，通过工艺建模结合实际生产工艺，设计三维模型库。

4 BOM模型集

BOM模型集包括产品BOM模型、设备零件BOM模型。产品BOM模型用于工艺设计和生产制造管理，用以实现卷烟、原辅料之间的关联；设备零件BOM建模用于建立设备、部件、零件、传感器的关联关系，使设备结构化、透明化。

4.1 设备BOM模型

根据设备内部结构及管理，将卷烟厂各型号物理设备基于零部件模型集，按照不同阶层分为设备、部套、零件等，并对不同阶层的零配件属性、零件、部件、传感器的连接关系、功能等进行描述，建立单阶零件结构树、多阶零件结构、等结构树模型，以构建出标准化和可复用的设备数据模型，为企业基于数据模型对物理设备的管、控、学、改、优等扩展应用提供数据基础，并作用于设备模型集。

4.2 产品BOM模型

以产品为核心，依据卷烟厂不同系列卷烟牌号，结合生产现场工艺复杂性、设备差异性、辅料多样性等特点，建立符合烟草行业的产品物料清单，形成产品物料结构模型，基于产品生产路线模型，动态配置不同工艺环节所需的烟丝、嘴棒及辅料的理论耗用系数、实际耗用系数、单位、自制、外购等固有属性进行量化。作为物耗成本结构及成本控制的依据； 物料需求计划和生产排程的依据[4]；配套和领料的依据；加工过程的消耗跟踪及物料追溯的依据。

5 生产工艺模型

基于工艺基础模型，建立生产线、工艺段、工序、工艺参数等制造要素关系库，结合卷烟厂实际工艺路线的差异，进行个性化调整，从而快速、便捷、高效地完成生产工艺建模。当工艺路线发生变化时只需对模型元素进行相应配置，即完成新工艺路线调整，实现建模柔性化。基于构建的工艺模型结合数据服务集成的生产过程数据，可直观反映生产厂工艺段、生产线、工序的具体生产状况，从而形成一个有序、完整的数据链接通道，使卷烟厂具备产品路线柔性建模能力，以宏观角度了解到各项生产数据、设备状态等信息的能力。

工艺模型集包括制丝、成型、卷包标准生产工艺路线，并可对模型中的业务属性进行自定义配置。 其中，业务属性是基于数据采集标准制定，贯穿了产、质、耗、停等生产业务环节。 同时，各生产环节由于管理内容不同，对应的业务属性也不同，比如：建模规范中的生产线的业务属性分别由出丝率、物料消耗、停机时长、停机次等指标组成；生产工艺段的业务属性由批次号、牌号、生产日期、班次、班组、投入产出比、产量等组成。

模型元素包括以下内容：①车间级：包括制丝车间、卷包车间、成型车间；②生产线级：是各牌号生产过程的生产路线；③生产工艺段级：由各工序，依照生产加工的先后顺序组成。例：制丝A线由回潮一加段、二级加料段和切烘丝加香段工序组成；卷包软包生产线由卷接段、包装段、条烟输送和装封箱段工序组成；④工序级：由各项连续的最小生产单元的组成，例如：制造A线回潮一加段由切片、松散回潮、烟片风选、激光除杂、一级加料等组成；⑤参数级：是生产工艺标准中规定的技术要求，包括加工参数、质量指标等。例：松散回潮工序的加工参数有：工艺热风温度、工艺流量等，质量参数有：出料含水率（%）、出料温度（°C）等。

7 结束语

将厂内制丝、卷包、成型、物流等车间的物理设备、生产工艺、流程逻辑等要素，进行数据建模，定义生产过程需遵守的标准，实现工艺模型集、部件模型集、数据驱动模型集等服务，并将这些服务封装为可复用和灵活调用的组件，发布至烟草工业互联网平台。集团下属卷烟厂可从烟草工业互联网平台获取数据模型服务，将使卷烟厂具备虚实联动的能力、模型驱动生产的能力，为虚拟与现实融合打下基础，具体实现功能总结如表2。同时数据建模服务还能对外提供标准的数据接口，以供其他App进行调用。集团下属卷烟厂基于工业互联网平台，调用数据建模提供的数据接口，可将其所属业务领域的知识经验，创新微服务应用，从而形成多方参与、协同演进的烟草制造生态环境。