基于數(shù)字孿生技術(shù)的卷煙工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑研究

摘要：數(shù)字經(jīng)濟代表著新工業(yè)經(jīng)濟的生命力，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是新時期卷煙工廠升級的重要驅(qū)動力。文 章對數(shù)字孿生技術(shù)的概念、價值和應用場景進行了分析和研究，并對卷煙工業(yè)企業(yè)建立數(shù)字孿生工廠 的實施路徑和基礎(chǔ)工作進行了探討，旨在為推動卷煙工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供有價值的思路和對策。 關(guān)鍵詞：卷煙工廠;數(shù)字孿生;數(shù)字化轉(zhuǎn)型 中圖法分類號：TP399? 文獻標識碼：八

Research on digital transformation path of cigarette factory based ondigital twintechnology

WEI Qing

（Mcizhou Cigarette F'actory of Guangdong China Tobacco Industry Co. ？ Ltd. ？Mcizhou ？ Guangdong 5H000， China）

Abstract： Digital economy represents the vitality of the new industrial economy. Digital transformation is an important driving force for the upgrading and reform of cigarette factories in the new era. This paper aims to analyze and study the concept， value and application scenario of digital twin technology， and discuss the implementation path and basic work of establishing digital twin factory in cigarette industry enterprises， so as to provide useful ideas and Countermeasures for promoting the digital transformation of cigarette factory.

Key words： cigarette factory， digital twins？ digital transformation

1引言

繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和工業(yè)經(jīng)濟之后，數(shù)字經(jīng)濟隨著信息技術(shù)革命發(fā)展而成長起來，它代表著新工業(yè)經(jīng)濟的生命力，并已成為工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟增長的主要動力源泉和轉(zhuǎn)型升級的重要驅(qū)動力，也是全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。美國密歇根大學的MichaelGrieves教授在2003年首次提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念，該概念源于對裝置的信息和數(shù)據(jù)進行更清晰的表達的期望，希望能夠?qū)⑺行畔⒎旁谝黄疬M行更高層次的分析[1]。數(shù)字孿生（DigitalTwin，DT）即由此概念衍生而出并沿用至今。

構(gòu)建數(shù)字孿生工廠是未來卷煙工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要方向，數(shù)字孿生是一項利用數(shù)字化技術(shù)對制造業(yè)產(chǎn)品全生命周期管理的顛覆性技術(shù)，卷煙生產(chǎn)經(jīng)營活動都會因數(shù)字孿生技術(shù)而發(fā)生革命性變化。毫無疑問，數(shù)字孿生技術(shù)是一場卷煙工廠高質(zhì)量發(fā)展的新革命。

2數(shù)字孿生技術(shù)

2.1含義

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[2]。從信息技術(shù)應用的角度來看，數(shù)字孿生將人工智能（AI）和機器學習（ML）等智能技術(shù)集成起來，通過數(shù)據(jù)、算法和決策分析三者的有機結(jié)合，構(gòu)建一個存在于物理世界的數(shù)字模型。這個數(shù)字模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實的物理對象進行虛擬映射，對物理對象的變化情況進行實時監(jiān)控，并能夠基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復雜處理技術(shù)對異常情況開展診斷分析，實現(xiàn)對實體設(shè)備的管理優(yōu)化。

2.2數(shù)字孿生技術(shù)與仿真技術(shù)的區(qū)別

數(shù)字孿生技術(shù)和仿真技術(shù)是一個容易讓人混淆的概念，很多人單純地把這兩種技術(shù)等同看待，其實這是一個誤區(qū)，下文將從“仿真”和“數(shù)字孿生”的定義上區(qū)分這兩種技術(shù)。

仿真是一種模擬物理世界的技術(shù)，它是將包含確定性規(guī)律和完整機理的模型用軟件方式進行呈現(xiàn)和表達的一種虛擬技術(shù)。只要模型正確，并擁有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就基本能夠正確地反映物理世界的特性和參數(shù)[3]。相較于“仿真”，“數(shù)字孿生”的概念要更大、更寬。數(shù)字孿生不僅可以建立物理實體的數(shù)字模型，在建立模型的基礎(chǔ)上還通過實測、仿真以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)來實時感知、診斷、預測物理實體的運行狀態(tài)，并結(jié)合反饋數(shù)據(jù)來調(diào)控物理實體對象的行為。通過上述概念的對比分析可知：仿真技術(shù)只是創(chuàng)建和運行數(shù)字孿生體中的一項核心技術(shù)，數(shù)字孿生相對于仿真是一種包含關(guān)系。

3價值

數(shù)字孿生的應用將打破沿用了幾十年、上百年的基于個人經(jīng)驗的傳統(tǒng)設(shè)計和基于實體驗證的制造理念，這將極大地改變現(xiàn)有卷煙工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)管理模式。

3.1適合創(chuàng)新

數(shù)字孿生通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復操作的數(shù)字鏡像[4]，讓很多此前由于物理條件限制，必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作方式（如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等）成為卷煙生產(chǎn)管理者觸手可及的工具。

3.2全面測量

在卷煙生產(chǎn)過程中，我們需要高精度的監(jiān)測煙機設(shè)備的各種屬性、參數(shù)和運行狀態(tài)，準確測量煙絲的寬度、濕度，煙支的圓周、克重等物理指標，從而實現(xiàn)精準控制和產(chǎn)品優(yōu)化的目標，保障產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。傳統(tǒng)的測量方法需要我們購置各種價格昂貴的物理檢測工具（如水分儀、電子秤、煙支檢測平臺等）才能夠達到滿意的測量結(jié)果。而數(shù)字孿生技術(shù)另辟蹊徑，通過采集有限的物理傳感器指標數(shù)據(jù)，應用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，借助大樣本統(tǒng)計分析、深度學習推測出更多原本無法直接測量的指標，為卷煙生產(chǎn)提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

3.3較高的分析和預測能力

數(shù)字孿生可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，以及實現(xiàn)對未來趨勢的預測，進而實現(xiàn)更全面的決策支持[5]。以卷接包包裝生產(chǎn)環(huán)節(jié)為例，在包裝機生產(chǎn)運行的過程中，時常會產(chǎn)生煙包破損、透明質(zhì)破、扎包的現(xiàn)象，如果這些煙包成品流入市場，會造成大量市場投訴。針對此問題，可以利用一元線性回歸分析算法，研究一種基于煙包破損剔除斜率范圍估計的方法，能夠有效預測剔除趨勢，判定設(shè)備的狀態(tài)并及時開展設(shè)備維護工作。

3.4經(jīng)驗成果的迭代和移植

傳統(tǒng)的煙機維修往往強烈依賴車間的少數(shù)“大師傅”，“大師傅”的經(jīng)驗的傳承需要依賴長時間的“名師帶徒”和實操培訓，而且很難保證經(jīng)驗成果在代際之間有效傳遞。相比之下，數(shù)字孿生的優(yōu)勢是高還原性和高移植性。通過數(shù)字化手段將此前無法保存的專家經(jīng)驗進行數(shù)字化、標準化，并根據(jù)卷煙生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備設(shè)施變化情況進行高效復制、修改和轉(zhuǎn)移。就卷接包設(shè)備維修業(yè)務而言，可以將卷接包設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的各種故障特征和設(shè)備傳感器的歷史數(shù)據(jù)進行建模分析，通過深度學習，訓練出針對不同煙機故障的特征模型，用于指導、輔助維修操作。針對不同的新形態(tài)的故障，故障模型還能夠通過數(shù)據(jù)積累和模擬訓練不斷豐富迭代特征庫，持續(xù)提高故障模型診斷的準確性。

4主要內(nèi)容

近年來，不少卷煙工廠大力推廣數(shù)字技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應用，在制絲生產(chǎn)、煙支卷制和工藝質(zhì)檢環(huán)節(jié)的實時數(shù)采、虛擬建模及生產(chǎn)仿真等方面獲得了快速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，將數(shù)字孿生技術(shù)引入卷煙生產(chǎn)車間，實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務與設(shè)備實體實時交互以及深度融合是卷煙工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點，總目標是將生產(chǎn)和數(shù)據(jù)有機融合，實現(xiàn)卷煙生產(chǎn)車間的各部分和功能的迭代運行與雙向優(yōu)化。

4.1數(shù)字孿生車間設(shè)備健康管理

數(shù)字孿生技術(shù)的應用能夠?qū)崿F(xiàn)對車間設(shè)備的健康管理：基于物理設(shè)備虛擬模型的狀態(tài)評估，能夠及時捕捉車間設(shè)備性能退化情況;基于信息物理融合數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷與預測，能夠準確定位設(shè)備故障的位置和原因;基于虛擬模型動態(tài)仿真的維修策略設(shè)計，能夠驗證維修策略的合理性。

4.2數(shù)字孿生車間能耗多維分析與優(yōu)化

在能耗優(yōu)化方面，虛擬模型的實時仿真能夠通過優(yōu)化設(shè)備參數(shù)、人員活動和工藝流程實現(xiàn)車間碳減排;在能耗分析方面，信息物理數(shù)據(jù)間的相互校準能夠支持全面的、多維度、多尺度的能耗分析;在能耗評估方面，大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應用可以對實際能耗進行分階段、多維度的動態(tài)評估。

4.3數(shù)字孿生車間動態(tài)生產(chǎn)仿真和調(diào)度

（1）生產(chǎn)前模擬仿真

根據(jù)訂單，預演生產(chǎn)，對從原輔料的出入庫到成品卷煙產(chǎn)出的制造全過程進行模擬仿真，根據(jù)預演結(jié)果向各環(huán)節(jié)下達批次生產(chǎn)工單，組織實際生產(chǎn)，進行生產(chǎn)預演，提升資源配置能力。

（2）生產(chǎn)中實時仿真

從全要素、全流程、全業(yè)務的角度將實際運行數(shù)據(jù)與生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)進行實時對比和在線診斷，并通過調(diào)控指令的形式優(yōu)化卷煙生產(chǎn)經(jīng)營活動，持續(xù)提高生產(chǎn)過程管控能力。

（3）生產(chǎn)后回溯仿真

基于實際生產(chǎn)過程中所采集的數(shù)據(jù)進行回溯仿真，與生產(chǎn)前仿真預演的結(jié)果進行指標比對，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行差異評估，尋求改進方法，優(yōu)化生產(chǎn)模型，進行評估優(yōu)化，提升制造創(chuàng)新能力。

5數(shù)字孿生建設(shè)的基礎(chǔ)—構(gòu)建全量的數(shù)據(jù)感知能力

作為數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)據(jù)的全量感知能力、準確獲取卷煙生產(chǎn)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就是構(gòu)建煙草工業(yè)數(shù)字孿生體系首先需要解決的問題。在傳統(tǒng)的信息化時代構(gòu)建的IT系統(tǒng)，基本上是煙囪化、封閉式的，大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)依靠人工錄入，不僅是效率低下，實時數(shù)據(jù)缺失嚴重，而且容易出錯?，F(xiàn)在開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點就是提高效率和降低成本，從源頭上解決效率和成本問題，加強數(shù)據(jù)的可獲得性是數(shù)字化轉(zhuǎn)型要從根本上解決的問題。因此，卷煙工廠開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型首先無法繞過的問題就是需要構(gòu)建新時代的數(shù)據(jù)感知能力，采用現(xiàn)代化手段采集和獲取數(shù)據(jù)，減少人工錄入。按照感知方式的不同，數(shù)據(jù)感知可分為“硬感知”和“軟感知”。兩種感知方式并無本質(zhì)上的優(yōu)劣之分，可根據(jù)應用場景靈活配置，兩種感知方式的主要區(qū)別如表1所列。

根據(jù)兩種感知方式的不同特點，在卷煙工業(yè)企業(yè)中，針對制絲生產(chǎn)線、卷接包設(shè)備、動力能源實時數(shù)據(jù)、安防監(jiān)控視頻和倉儲物流信息等數(shù)據(jù)可通過部署硬件設(shè)備和裝置，利用“硬感知”手段收集生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)和物流數(shù)據(jù)。而針對信息系統(tǒng)日志、用戶系統(tǒng)操作行為或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站數(shù)據(jù)等存儲在數(shù)字世界中的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，則可以通過軟件或技術(shù)，利用“軟感知”手段進行數(shù)據(jù)收集。

卷煙工廠作為非數(shù)字原生企業(yè)，構(gòu)建數(shù)字孿生體系的過程難以一蹴而就，生產(chǎn)過程感知能力的建設(shè)往往都是從單一節(jié)點出發(fā)，并逐漸擴展到生產(chǎn)經(jīng)營業(yè)務全過程，最終形成完整的數(shù)字孿生體系。基于此，構(gòu)建孿生體系的成本可能會相當驚人，難度也很大。所以，卷煙工廠在構(gòu)建全量感知的過程中應當把握一個度，不可能也沒有必要構(gòu)建物理對象100%的鏡像數(shù)字孿生。要避免盲目追求數(shù)字孿生模型的“高保真”。拔高保真度意味著構(gòu)建數(shù)字孿生模型的難度和成本大幅度增加，對數(shù)字孿生模型進行剖析的復雜程度和耗時也會快速攀升，越復雜的數(shù)字孿生模型也越難以實現(xiàn)虛實映射的實時性。每個數(shù)字孿生應當只是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的最有價值的一個或幾個方面的數(shù)字模型，用最小代價的感知數(shù)據(jù)實現(xiàn)特定的業(yè)務目標，最大限度地降低成本。針對這個度的把握，需要我們在構(gòu)建感知系統(tǒng)時一定要面向需求、面向應用，由業(yè)務價值驅(qū)動。

卷煙工廠等非數(shù)字原生企業(yè)在推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中面臨的問題和難點往往比數(shù)字原生企業(yè)要大得多、難得多。卷煙工廠構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)將會是一個長期而艱巨的過程，很難做到一蹴而就，需要朝著全面感知、貼合業(yè)務、算法賦能、不斷迭代的方向持續(xù)推進。

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作者簡介：

韋清（1981—），本科，工程師，研究方向：智慧工廠建設(shè)、網(wǎng)絡安全。