基于烟草工业互联网的数字孪生工具集研究

陶刚 李欣明 于中江 杨帆 李忠态

摘要：文章针对传统生产制造过程中数据采集不全、设备运行状态难以实时监测、数据分析能力不足等问题，基于烟草工业互联网平台，提出了数字孪生工具集的构建方法，以实现设备实时监控、状态监测、故障预警、精准预测与故障诊断等功能。

关键词：工业互联网；数字孪生；烟草工业生产；工具集

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.009

中图分类号：TP 391.9          文献标志码：A            文章编码：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

烟草行业作为典型的传统制造业，是一个高度集成化的产业，具有设备种类多、数量大、分布广的特点。通过对企业的生产过程进行数字化、智能化改造，可将生产制造过程中涉及的物料运输、设备运行、质量检测等环节进行全生命周期的数字化管控。近年来，随着工业互联网技术的不断发展，数字孪生逐渐被应用到企业生产制造管理过程中，以帮助企业实现更高层次的数字化转型。

本文以烟草行业为研究对象，在对工业互联网平台及数字孪生技术相关研究进行梳理与总结的基础上，提出了基于工业互联网平台构建数字孪生工具集的方法。

1   烟草行业工业互聯网平台

烟草工业互联网平台是为了提高烟草工业信息化水平而建立的。烟草工业互联网平台集成了众多烟草工业企业的信息，可以方便地进行数据交互和处理。通过烟草工业互联网平台，可以实现烟草生产和销售的全过程信息化管理，提高生产效率和质量[1]。

按照国家局一体化平台总体架构要求，遵循《全国统一工业生产经营管理平台工作方案》，卷烟行业工业互联网体系的建设内容包括“一平台、两体系”，即行业工业互联网平台（以下简称平台）、行业标识解析体系和行业工业互联网平台标准体系。

行业工业互联网平台是支撑烟草工业数字化转型的“操作系统”，由运行在行业云平台主中心节点上的行业中心节点环境、运行在行业云平台省级节点的省级节点环境和工厂边缘侧环境、设备端侧环境组成，用于实现工业数据的全面采集，设备的全面连接，应用的统一管控，为行业一体化平台提供基础技术支撑[2]。

2   数字孪生应用场景及数字孪生工具集的架构

2.1 数字孪生应用场景

数字孪生技术在工业领域的应用可以划分为三个阶段：一是基于三维模型的仿真分析阶段；二是基于虚拟现实的仿真验证阶段；三是基于数据驱动的闭环控制和优化升级阶段。其中，基于虚拟现实的仿真分析阶段是数字孪生技术应用最为广泛的阶段，也是其发展最成熟的阶段[3]。本文研究数字孪生工具集的目的在于实现数字孪生技术在生产制造领域中的应用，为生产制造提供更高效、更安全、更可靠的管理服务。

在烟草行业，通过对制造设备和工艺过程进行数字化建模和仿真，实现对制造过程中设备运行状态及工艺参数等多维度信息的采集、存储、处理、分析和展示，可为企业优化生产提供重要支撑。通过对企业生产制造全过程信息进行数字化建模和仿真，可为企业提供实时监测、预测分析、健康管理、维护保养等支持，帮助企业降低设备故障率，提高设备利用率，减少能源消耗和环境污染[4]。在智能制造方面，基于数字孪生技术可以实现制造系统的设计、生产、维护等环节的全生命周期管理，帮助企业实现产品全生命周期的优化管理[5]。在智慧物流方面，基于数字孪生技术可以实现物流过程的精细化管理，帮助企业实现物流配送过程中的自动导航、路径规划、实时监控等，从而提升效率和降低成本。

2.2 数字孪生工具集架构

2.2.1 数字孪生工具集功能架构设计

为了实现数字孪生工具集的应用效果，需基于工业互联网平台对数字孪生工具集进行架构设计。该架构主要包括设备监控层、设备数据层、数字孪生服务层和应用展示层四个层次。

数字孪生服务是以设备数字孪生模型为基础，通过数字孪生场景编排工具进行数字孪生应用场景构建，构建完成的应用可通过数字孪生引擎支撑应用场景运行，并提供给云侧应用进行调用。

数字孪生服务从功能上分为三大功能块（资源库管理、场景编排工具和数字孪生引擎），资源库管理具备资源上传、资源更新和资源预览的功能；场景编排工具具备单元级应用编排和系统级应用编排的功能；数字孪生引擎具备权限管理、应用管理和应用分享的功能[6]。

2.2.2 数字孪生工具集在工业互联网的服务部署架构

（1）数字孪生服务提供资源规范，依据资源规范制作资源并使用上传功能上传资源，为数字孪生应用提供基础服务。

（2）数据孪生服务提供数据规范，依据数据规范接入数据并为数字孪生应用提供数据服务。

（3）数字孪生服务提供资源管理、场景编排工具、数字孪生引擎三大功能模块，依据自身需求可自制模型资源、接入业务数据和实时数据、创建应用并分享。

（4）数字孪生服务提供大部分机型设备模型，原则上只需要提供新车间的布局模型资源即可快速搭建场景应用。

2.2.3 数字孪生工具集在工业互联网的服务部署架构

数字孪生的数据源分为模型数据、业务数据、实时数据三类。模型数据通过数字模型库开放接口获取模型，并接入数字孪生模型库进行管理；业务数据通过业务系统开发数据接口经过传输通道的API网关，数字孪生服务提供数据解析服务对数据进行解析，数据存储到相应数据库及开放接口给场景编排工具进行调用，场景编排工具将模型和数据进行加工后通过数字孪生引擎进行场景展示和对外提供API接口，第三方系统可进行数字孪生场景集成[7]。

在数字孪生工具集中，可以根据数字孪生的应用场景，为企业提供多种类型的数据采集和模型构建服务。针对烟草行业工业互联网平台，数据采集主要包括烟草工业设备数据、烟草行业业务系统数据、烟厂生产经营数据、设备运维数据和烟厂管控数据。其中，设备运维数据包括烟厂的工业控制系统、烟用能源管理系统和设备健康管理系统等；烟用能源管理数据包括烟用蒸汽管网系统、烟用燃气管网系统和烟厂通风管道系统等；设备运维数据包括烟厂的数控设备运行状态、故障报警信息等；设备健康管理数据包括烟厂的生产运行状态、设备健康检测信息和设备检修计划等[8]。

2.2.4 数字孪生工具集技术架构

数字孪生服务在技术上通过分层进行管理。首先，依赖基础环境提供的服务器等资源，数据来源主要由设备数采数据、模型数据和其他业务数据源等提供的接口，其中用到的数据库有TDengine、Mysql和Redis；其次，开发语言主要用到了后台开发语言Java、前端开发语言HTML5和Javascript、Web3D开发语言glsl，其中glsl是用来在OpenGL中着色编程的语言；开发框架包括Three.js、Springboot和Vue；最后，服务功能由以上基础技术进行构建，功能上分为模型库管理、场景编排工具和数字孪生引擎。

3   数字孪生工具集在烟草行业工业互联网平台中的应用

3.1 模型可视化

数字孪生工具集能够为企业提供各种类型的数字孪生模型，包括物理世界模型、虚拟世界模型和控制系统模型，不同类型的数字孪生模型具有不同的功能和特点。

（1）物理世界模型：用于描述物理实体，包括设备、仪器、生产要素、物料等。

（2）虚拟世界模型：用于描述虚拟实体，包括数字对象、虚拟人、虚拟机器等。

（3）控制系统模型：用于描述控制系统，包括控制器、执行器、传感器等。

（4）生产要素模型：用于描述生产要素，包括人员、物料、能源等。

（5）流程模型：用于描述流程，包括生产计划与调度、质量管理与追溯等。

根据上述数字孪生工具集，我们提出了烟草行业工业互联网平台数字孪生工具集的架构。数字孪生工具集提供了可视化建模、分析计算、仿真预测、运行监控等功能，是一种以数据为核心的新型工业互联网平台[9]。

3.2 设备状态检测

通过在烟草行业工业互联网平台中部署数字孪生工具集，能够实现对烟草行业工业互联网平台中设备运行状态、故障诊断、工艺模型等数据的全面监测，同时能够对设备运行状态进行仿真模拟，对生产过程中出现的异常情况进行分析并给出报警，为企业设备的维护管理提供有力的技术支持。

（1）设备运行状态实时监控。通过设备数字孪生工具集，对关键设备的运行状态进行实时监控，包括在线监测、离线监测和历史数据回放等功能，有效监测设备运行状态，实现对设备故障的智能预警。

（2）状态监测与故障预警。通过对关键设备的实时运行状态进行监测，并结合历史数据进行分析和预测，当出现异常情况时及时发出预警信息。

（3）故障预警与精准预测。基于多维数据融合、深度神经网络等技术，通过构建智能模型对关键设备进行实时预测和精准预测，并对设备的健康状况进行评估，从而为维护人员提供决策支持。

（4）故障诊断与优化管理。通过对关键设备的实时运行状态进行分析和诊断，根据实时运行数据进行智能分析和优化管理，从而为维修人员提供决策支持和优化管理建议。

3.3 生产过程优化

数字孪生工具集可以基于不同的数据类型，对生产过程进行仿真模拟，包括设备故障分析、故障预测、设备性能评估等，从而对生产过程进行优化。通过数字孪生工具集的应用，能够实现对烟草生产过程中的温度、压力、流量等参数的实时监测，并根据监测结果对设备故障进行诊断，为企业制定科学合理的维护计划提供参考依据。

3.4 产品质量提升

数字孪生工具集可以将烟草行业工业互联网平台中的工艺模型与进行仿真模拟，对生产过程中出现的异常情况进行分析并给出报警，从而帮助企业解决在生产过程中出现的异常情况。烟草行业工业互联网平台中的工艺模型是一个离散的、静态的过程，无法对烟草行业实际生产过程进行仿真模拟，因此可以通过数字孪生工具集对烟草行业工业互联网平台中的工艺模型进行仿真模拟，以得到更符合烟草行业实际生产特征的工艺模型[10]。

在卷烟产品生产过程中，质量问题往往是由于各种原因造成的，可以利用数字孪生工具集对卷烟产品进行质量分析和优化。在数字孪生工具集中，可以对卷烟产品生产过程进行仿真模拟，并结合质量分析模型得到的质量数据，对卷烟产品进行质量分析和优化。在生产过程中，如有异常情况出现，可以及时发现问题并给出报警信息。

4   结束语

本文在工业互联网平台架构基础上，结合数字孪生技术，提出了烟草工业互联网平台下数字孪生工具集的功能及实现方法。所设计的数字孪生工具集在实际生产中得到了有效应用，并取得了良好的效果。未来，可将所设计的数字孪生工具集作为数据分析平台应用到其他制造场景中，为烟草工业企业提供更加高效、安全、可靠的管理服务，进一步推动烟草工业企业数字化转型升级。■

参考文献

[1] 杨光．工业数字孪生来了[N]．中国信息化周报，2022-12-12（8）.

[2] 曹家明．5G网络数字孪生模型若干关键技术研究[D]．南京：南京邮电大学，2022.

[3] 李婉，巫滨．数字孪生城市建设中核心数据可视化研究[J]．现代信息科技，2022（17）：128-131.

[4] 张恒．面向机加产线的数字孪生建模方法研究[D]．西安：西安电子科技大学，2022.

[5] 郎为民，田尚保，李宇鸽，等．数字孪生技术架构研究[J]．电信快报，2022（8）：1-6.

[6] 刘然，刘虎沉．基于数字孪生的产品制造过程質量管理研究[J]．现代制造工程，2022（7）：50-56.

[7]杨一帆，邹军，石明明，等．数字孪生技术的研究现状分析[J]．应用技 术学报，2022（2）：176-184，188.

[8] 杨溢．基于数字孪生技术的数控加工过程监测平台开发[D]．西安：西安理工大学，2022.

[9] 王路路．基于改进遗传算法的孪生工厂AGV路径规划方法[J]．软件，2023（5）：76-81，106.

[10] 韩瀚．基于等级保护标准的烟草商业企业工控系统网络安全自评估方法研究[J]．软件，2021（11）：90-92.