劉文斌 ,張貴宇 , ,庹先國(guó) *,王耀 ,唐宇欣
1. 四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院(宜賓 644000);2. 四川輕化工大學(xué)人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(宜賓 644000);3. 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院(綿陽(yáng) 621010)
隨著新一代信息技術(shù)在制造業(yè)的融合和應(yīng)用,各國(guó)相繼提出工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)型制造、云制造等制造戰(zhàn)略,推動(dòng)信息物理系統(tǒng)(CPS)、數(shù)字孿生技術(shù)[1]的快速發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界深度融合與交互[2]提供前提條件。數(shù)字孿生技術(shù)深受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注,各大公司相繼對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。此外,數(shù)字孿生技術(shù)被廣泛應(yīng)用于交通[3-5]、醫(yī)療[6]、制造業(yè)[7]、智慧城市[8]、服務(wù)[9]、航空航天[10-11]等領(lǐng)域。
車間是制造業(yè)生產(chǎn)過程中的基礎(chǔ)單元,要實(shí)現(xiàn)智能制造首先應(yīng)該滿足車間的智能化和數(shù)字化。數(shù)字孿生技術(shù)的提出及實(shí)現(xiàn)與制造業(yè)車間的融合,為車間生產(chǎn)過程的高效管理提供有效的理論和技術(shù)支撐。Grieves等[12]在2003年提出數(shù)字孿生體的概念,其實(shí)是物理實(shí)體在數(shù)字空間的映射模型。數(shù)字孿生體的本質(zhì)是在數(shù)字空間構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體當(dāng)前的狀態(tài)和行為,并能預(yù)測(cè)該物理實(shí)體未來(lái)的狀態(tài)和行為的模型,基于此虛擬模型對(duì)物理實(shí)體及其行為進(jìn)行仿真、分析、優(yōu)化[13]。數(shù)字孿生模型的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間智能管控、智能生產(chǎn)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。
國(guó)外的白酒釀造多采用液態(tài)釀造方式,容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化,而國(guó)內(nèi)白酒多采用固態(tài)釀酒工藝,機(jī)械化程度僅限于局部環(huán)節(jié),與全方位機(jī)械化還有很大差距,故實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化難度很大[14-15]。中國(guó)白酒的固態(tài)釀造工藝操作復(fù)雜、要求嚴(yán)苛、原料的連續(xù)性差,與液態(tài)、半固態(tài)發(fā)酵工藝相比更難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。近年來(lái),在“中國(guó)白酒158計(jì)劃”“中國(guó)白酒169計(jì)劃”等推動(dòng)下,白酒企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,對(duì)白酒釀造車間的管控問題將更加突出。因此,完善管控優(yōu)化、過程監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)、工藝優(yōu)化、增產(chǎn)降耗、質(zhì)量管控等要求將有利于提高白酒企業(yè)管理和科技含量水平,促進(jìn)白酒釀造向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展,促進(jìn)白酒企業(yè)向安全、可控、低成本、可循環(huán)的方向發(fā)展。
數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的白酒釀造車間架構(gòu)從層次分為應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、物理層、模型層、傳輸層。白酒釀造的工藝環(huán)節(jié)主要包括原糧粉碎、拌糧潤(rùn)糧、入窖發(fā)酵、上甑蒸餾、量質(zhì)摘酒、攤晾拌曲等步驟,對(duì)其完成人員孿生模型、設(shè)備孿生模型、物料孿生模型、環(huán)境孿生模型等設(shè)計(jì),并根據(jù)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與交互?;跀?shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的白酒釀造車間系統(tǒng)架構(gòu)。如圖1所示。
圖1 白酒釀造車間系統(tǒng)架構(gòu)
在白酒釀造過程中,與生產(chǎn)相關(guān)的關(guān)鍵實(shí)體要素包括人員、設(shè)備、產(chǎn)品或物料。此外,釀造工藝方法指導(dǎo)生產(chǎn),現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響生產(chǎn),有效監(jiān)控手段實(shí)時(shí)跟蹤優(yōu)化生產(chǎn)。其白酒釀造車間數(shù)字孿生模型統(tǒng)一描述為:
式中:DTpro為白酒釀造過程數(shù)字孿生模型;DTpe為人員數(shù)字孿生模型;DTeq為設(shè)備數(shù)字孿生模型;DTma為產(chǎn)品或物料數(shù)字孿生模型;DTme為釀造方法數(shù)字孿生模型;DTen為環(huán)境數(shù)字孿生模型;DTre為維修數(shù)字孿生模型。
2.1.1 人員孿生建模
在白酒釀造過程中,各部分的操作都與人員有著密切的關(guān)系,對(duì)設(shè)備操作人員、維修人員、物料與產(chǎn)品運(yùn)輸人員等進(jìn)行建模是保障白酒正常生產(chǎn)的關(guān)鍵要素之一。通過對(duì)相關(guān)人員位置信息、動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控,獲取人員數(shù)字孿生數(shù)據(jù),其數(shù)字孿生模型為:
式中:Gper為人員幾何模型;Cloc為相關(guān)人員位置信息模型;Cop為人員操作行為模型。對(duì)相關(guān)人員監(jiān)控所得到視頻圖像信息,可以通過相應(yīng)圖像識(shí)別的方法來(lái)獲取數(shù)字孿生空間中位置及行為數(shù)據(jù)。同時(shí),每個(gè)人的操作經(jīng)驗(yàn)、資歷、熟練程度、健康情況等都要考慮到人員孿生模型中,記為Cab,如式(3)所示。
式中:Cab-ex為人員操作經(jīng)驗(yàn)孿生模型;Cab-qu為人員資質(zhì)孿生模型;Cab-pro為人員熟練程度孿生模型;Cab-he為人員健康情況孿生模型。
2.1.2 設(shè)備孿生建模
在白酒釀造車間可以采集到數(shù)據(jù)的主要設(shè)備包括上甑機(jī)器人、蒸餾裝置、智能摘酒系統(tǒng)、攤晾機(jī)床等,為了更好地完成設(shè)備實(shí)體向虛擬空間的映射,在建立設(shè)備幾何模型時(shí),需了解尺寸、外形、與其他設(shè)備的關(guān)系等。根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)動(dòng)模式、約束、經(jīng)驗(yàn),總結(jié)為物理模型、行為模型、規(guī)則模型。因此設(shè)備孿生模型定義為式(4)。
式中:Geq為設(shè)備幾何模型;Cph為設(shè)備物理模型;Cbe為設(shè)備行為模型;Cru為設(shè)備規(guī)則模型。
2.1.3 產(chǎn)品或物料建模
對(duì)于白酒釀造車間白酒產(chǎn)量或酒醅主要關(guān)注的是酒醅的位置情況、狀態(tài)信息、白酒的品質(zhì)情況。其數(shù)字孿生模型為:
式中:Gma為白酒和酒醅的幾何模型;Cpo為白酒運(yùn)輸、酒醅補(bǔ)料的孿生模型;Cst為白酒產(chǎn)量和酒醅的狀態(tài)模型;Cqu為頭段酒、中段酒、尾酒分段模型。
2.1.4 釀造工藝方法建模
在白酒釀造車間中,釀造工藝方法直接影響白酒的品質(zhì)。白酒釀造工藝主要有原料處理、出窖、配料和攪拌、蒸酒蒸糧、打量水、攤晾、撒曲、入窖、封窖發(fā)酵。發(fā)酵原酒的質(zhì)量因地區(qū)、原料、窖池、工藝、技術(shù)等因素而相差甚遠(yuǎn)[16]。如今,釀酒技術(shù)不斷進(jìn)步,白酒的制造工藝也在不斷改善,但是在不同地區(qū)仍有一定的區(qū)別。其定義模型為式(6)。
式中:Crmt為原料處理方法模型;Cim為配料和攪拌的方法模型;Ctw為蒸酒蒸糧的方法模型;Ccw為打量水的溫度變化模型;Cso為攤晾方式數(shù)字模型;Cs為撒曲量的模型;Ccf為發(fā)酵方法模型。
2.1.5 環(huán)境孿生建模
白酒是經(jīng)過發(fā)酵而產(chǎn)生的,酒的品質(zhì)會(huì)受釀造的氣候和環(huán)境的影響。白酒發(fā)酵使用的是微生物,窖池里面的主要微生物有酵母菌、根霉菌等,這些菌種最適合生長(zhǎng)在溫度30~35 ℃之間,當(dāng)發(fā)酵過程進(jìn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致窖池溫度變高。如果發(fā)酵在夏季高溫的時(shí)候進(jìn)行,入池發(fā)酵的起步溫度將達(dá)到30 ℃以上,最終發(fā)酵溫度會(huì)達(dá)到40 ℃左右,這樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量的酸,酒的產(chǎn)量就會(huì)大幅降低。其定義的數(shù)字孿生模型為式(7)。
式中:Cwe為外界天氣氣候情況模型;Chu為整個(gè)白酒釀造車間的濕度模型;Ct-h-a為窖池的溫度、濕度、酸度的數(shù)字孿生模型。
2.1.6 維修孿生建模
白酒釀造車間維修是保障整個(gè)生產(chǎn)流程順利進(jìn)行的關(guān)鍵之一,釀造車間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維修技術(shù)難度大,維修環(huán)境惡劣。維修效率低不僅會(huì)造成白酒產(chǎn)量的減少,還有可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。其定義的孿生模型為式(8)。
式中:C3D為設(shè)備關(guān)鍵部位的3D模型;Cin為關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互接口模型;Cda為維修數(shù)據(jù)模型,Cda= {Cha,Chis},Cha為損傷數(shù)據(jù)模型,可以通過對(duì)設(shè)備在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)獲取數(shù)據(jù),Chis為部件的歷史維修信息模型,可以從維修報(bào)告中獲取。
在白酒釀造車間通過獲取設(shè)備各個(gè)階段相關(guān)數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù),以實(shí)時(shí)檢測(cè)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況,從而對(duì)設(shè)備健康狀況進(jìn)行推斷。白酒釀酒整個(gè)工藝環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)可以分為4類:設(shè)備維修數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、白酒產(chǎn)量與酒醅數(shù)據(jù)。維修數(shù)據(jù)包括上甑機(jī)器人維修數(shù)據(jù)、攤晾機(jī)床維修數(shù)據(jù)、摘酒系統(tǒng)維修數(shù)據(jù)等,環(huán)境數(shù)據(jù)包括有天氣、濕度、窖池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包含設(shè)備本身記錄數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)行的軌跡路線。白酒產(chǎn)量與酒醅數(shù)據(jù)包含人工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)物料管理數(shù)據(jù)。如圖2所示。
圖2 白酒釀造車間工藝流程數(shù)據(jù)
為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、可視化仿真、白酒釀造工藝知識(shí)等功能,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、集成、處理與挖掘。數(shù)據(jù)集成是白酒釀造車間生產(chǎn)過程中收集到的相關(guān)數(shù)據(jù),如相關(guān)設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行的位置信息、溫度、性能指標(biāo)、維修數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、白酒產(chǎn)量與物料數(shù)據(jù)等。通過傳感器、窖池信息管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等方式實(shí)時(shí)收集,利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字測(cè)量。數(shù)據(jù)分析與處理是指白酒生產(chǎn)過程中對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、聚合、泛化、離散化、特征選擇等[17-18]操作,提取白酒釀造車間數(shù)字孿生模型所需要的數(shù)據(jù),利用Hadoop、Apache等軟件處理數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)流等軟件管理數(shù)據(jù)??梢暬抡媸菫榱藱z測(cè)設(shè)備故障、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)以及安全評(píng)估服務(wù)。白酒釀造工藝知識(shí)是為了在仿真過程中發(fā)生故障實(shí)時(shí)給生產(chǎn)操作員發(fā)送預(yù)警信息,提供安全性評(píng)估報(bào)告、維修報(bào)告、服務(wù)報(bào)告等。如圖3所示。
圖3 白酒釀造車間數(shù)據(jù)融合與集成框圖
數(shù)字空間對(duì)白酒釀造車間生產(chǎn)線進(jìn)行映射,能從多維、多物理實(shí)時(shí)觀察車間運(yùn)行情況。數(shù)字空間與實(shí)體空間的交互映射有幾個(gè)部分:(1)人員,實(shí)時(shí)映射出人員的身份、所在位置、人員對(duì)設(shè)備操作等信息,對(duì)人員實(shí)現(xiàn)可視化管理;(2)設(shè)備,釀造設(shè)備是整個(gè)車間重要的組成部分,任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題,都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線癱瘓;(3)產(chǎn)品與物料,白酒的產(chǎn)量直接關(guān)系到生產(chǎn)效益問題,實(shí)時(shí)映射能了解生產(chǎn)情況,做出相應(yīng)調(diào)整,獲得利益最大化;物料的輸送及時(shí)是關(guān)系到其他環(huán)節(jié)按時(shí)進(jìn)行的先決條件,實(shí)時(shí)映射能保證生產(chǎn)線順利進(jìn)行,保障生產(chǎn)效率;(4)釀造工藝方法,實(shí)時(shí)顯示釀造工藝方法能保障工藝穩(wěn)定,控制工況復(fù)雜多變等問題;(5)環(huán)境,實(shí)時(shí)顯示白酒釀造車間環(huán)境參數(shù)信息,了解環(huán)境變化情況,切實(shí)保障各工藝環(huán)節(jié)都在合適的環(huán)境下進(jìn)行;(6)維修系統(tǒng),通過實(shí)時(shí)映射對(duì)設(shè)備的故障部件及系統(tǒng)及時(shí)維修,為智能維修提供基礎(chǔ)。
通過物理空間收集到數(shù)據(jù),在數(shù)字空間虛擬化人員、設(shè)備、產(chǎn)品物料、釀造工藝方法、環(huán)境、維修系統(tǒng)等,對(duì)虛擬的模型進(jìn)行分析,對(duì)白酒釀造車間進(jìn)行智能監(jiān)控,從而達(dá)到順利調(diào)度、安全運(yùn)行、智能維修等功能。從多個(gè)維度對(duì)模型進(jìn)行初始化,使得數(shù)字孿生模型與車間物理實(shí)體相匹配。在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)同步初始化,利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員、設(shè)備、產(chǎn)品物料、釀造工藝方法、環(huán)境、維修系統(tǒng)進(jìn)行多維度映射,對(duì)數(shù)字空間獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)時(shí)映射,從而實(shí)現(xiàn)智能維修、智能生產(chǎn)。數(shù)字空間結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 釀造車間數(shù)字空間結(jié)構(gòu)圖
建模是數(shù)字孿生體進(jìn)行上層操作的必要條件,是創(chuàng)建數(shù)字孿生模型的核心技術(shù)。建模不僅包括對(duì)物理實(shí)體的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模,也包括對(duì)物理實(shí)體中設(shè)備運(yùn)行機(jī)理、環(huán)境、人員姿態(tài)、設(shè)備維修等信息進(jìn)行數(shù)字孿生建模。數(shù)字孿生模型具有獨(dú)特性,不同物理實(shí)體將建立不同的數(shù)字孿生模型。對(duì)于白酒行業(yè)的數(shù)字孿生模型,主要依靠CAD、Matlab、SOLIDWORKS等建模工具。仿真是驗(yàn)證數(shù)字孿生模型的一種方法,檢驗(yàn)?zāi)P偷恼_性和有效性。仿真是將具備確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型以軟件的方式來(lái)模擬物理實(shí)體的一種技術(shù)。在建模正確和感知數(shù)據(jù)完整的前提下,仿真可以基本反映物理實(shí)體一定時(shí)間段的狀態(tài)。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)技術(shù)相比,多維度的建模需要融合環(huán)境等更多因素,以及溫度、濕度、酸度等多種屬性,保證最大限度地實(shí)現(xiàn)模擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)。Leu等[19]提出從3D表面獲取數(shù)據(jù),構(gòu)建CAD模型,同時(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)相結(jié)合,提供運(yùn)動(dòng)捕捉、力學(xué)建模和多動(dòng)態(tài)渲染等操作,集成了生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、評(píng)估、測(cè)試等功能。
數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)白酒釀造車間過程中會(huì)產(chǎn)生大量的多源數(shù)據(jù),為了剔除其中的噪聲數(shù)據(jù),需將其中各類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和轉(zhuǎn)換,如圖5所示。利用數(shù)據(jù)將物理運(yùn)行生產(chǎn)狀態(tài)映射到數(shù)字空間中,是實(shí)現(xiàn)白酒釀造車間安全與控制的基礎(chǔ)。對(duì)于白酒釀造車間產(chǎn)生的不同生產(chǎn)數(shù)據(jù),應(yīng)該采用不同的融合技術(shù),如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)處理其中的文本數(shù)據(jù),利用VAE、零膨脹模型處理小樣本數(shù)據(jù)。處理后的文本數(shù)據(jù)、小樣本數(shù)據(jù)、不平衡數(shù)據(jù)形成多模態(tài)數(shù)據(jù),將其融合反映生產(chǎn)車間設(shè)備運(yùn)行安全性的多維數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)挖掘方式判定車間設(shè)備運(yùn)行的安全性。
圖5 車間設(shè)備運(yùn)行安全性數(shù)據(jù)融合技術(shù)
統(tǒng)一平臺(tái)有機(jī)地融合多維物理建模仿真、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、模型與數(shù)據(jù)融合、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策等多個(gè)模塊,并通過可視化的形式展現(xiàn)出來(lái),可使操作者進(jìn)行統(tǒng)一處理[20-22]。達(dá)索公司[22]依據(jù)數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)融合等技術(shù)建立3D EXPE-RIENCE體驗(yàn)平臺(tái),此平臺(tái)利用知識(shí)和專業(yè)技術(shù)將所有技術(shù)和功能集成到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化創(chuàng)新環(huán)境中,以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新、產(chǎn)品的開發(fā)、仿真、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)。
根據(jù)用戶不同的可視化顯示需求,監(jiān)控視角模塊提供不同的視角切換功能,保證系統(tǒng)全面、有效地進(jìn)行可視化監(jiān)控。通過虛擬相機(jī)切換不同角度來(lái)獲取不同的觀察角度和圖像,從而實(shí)現(xiàn)白酒釀造車間運(yùn)行狀態(tài)的360°監(jiān)控。白酒釀造車間監(jiān)控效果如圖6所示。
圖6 監(jiān)控效果圖
目前,白酒釀造車間對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)體系下的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用還處于初步探索階段,尚未普及應(yīng)用。但隨著數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維等方面運(yùn)用優(yōu)勢(shì)顯著增加,把數(shù)字孿生技術(shù)引入白酒行業(yè)指日可待,對(duì)增強(qiáng)白酒釀造車間各要素之間的融合,對(duì)物理空間和數(shù)字空間、人員孿生體、設(shè)備孿生體、物料和產(chǎn)品孿生體、環(huán)境孿生體等之間的交互有著重要意義。數(shù)字孿生的應(yīng)用十分廣泛,不但充分融合現(xiàn)有的各科學(xué)知識(shí)來(lái)建立模型、數(shù)據(jù)分析,更利用虛擬環(huán)境的仿真來(lái)預(yù)測(cè)未知的場(chǎng)景,不斷推進(jìn)科技進(jìn)步,探索更優(yōu)方法,追求創(chuàng)新技術(shù)。試驗(yàn)從對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的理解及其在白酒釀造車間的應(yīng)用場(chǎng)景展開闡述,嘗試設(shè)計(jì)白酒釀造車間的體系架構(gòu),并對(duì)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)展開討論,以引起白酒行業(yè)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)注和思考。