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    數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在恩施煙草標(biāo)準化應(yīng)用

    2023-08-13 19:22:57池明鐘用楊天才廖成彭子忠
    品牌與標(biāo)準化 2023年4期

    池明 鐘用 楊天才 廖成 彭子忠

    【摘要】本文以數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在我國汽車制造、鋼鐵冶煉、水務(wù)水業(yè)、飲料、白酒釀制、煙草科研、煙草機械制造行業(yè)的構(gòu)建現(xiàn)狀為實例,探析數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在以恩施煙草復(fù)烤加工、卷煙生產(chǎn)、卷煙市場營銷、煙葉生產(chǎn)收購為構(gòu)成單元的標(biāo)準化應(yīng)用。

    【關(guān)鍵詞】基礎(chǔ)支撐層;數(shù)據(jù)互動層;模型構(gòu)建層與仿真分析層;共性應(yīng)用層;行業(yè)應(yīng)用層

    【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.047

    Application of Digital Twinning System Architecture Technology in Ensch Tobacco Standardization

    CHI Ming, ZHONG Yong, YANG Tiancai, LIAO Cheng, PENG Zizhong

    (Hubei Province Tobacco Company Enshi Zhou Company, Enshi 445000, China)

    Abstract: This paper takes the construction status of digital twin system architecture technology in Chinas automobile manufacturing, steel smelting, water industry, beverage, Baijiu brewing, tobacco scientific research, and tobacco machinery manufacturing industries as an example to explore the standardized application of digital twin system architecture technology in Enshi tobacco redrying processing, cigarette production, cigarette marketing, and tobacco production and purchase as the constituent units.

    Key words: foundation support layer;data interaction layer;model building layer and simulation analysis layer;common application layer;industry application layer

    1數(shù)字孿生系統(tǒng)簡介

    數(shù)字孿生——Digital Twin的雛形內(nèi)核為在虛擬空間構(gòu)建的數(shù)字模型與物理實體交互映射,如實地描述物理實體生命周期的運行軌跡。經(jīng)過多年的技術(shù)拓展以及與底層控制技術(shù)(OT)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IIOT)、人工智能技術(shù)(AI)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)、增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)、混合現(xiàn)實技術(shù)(MR)、大數(shù)據(jù)分析診斷技術(shù)等技術(shù)交匯融合,已形成了以基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構(gòu)建層與仿真分析層、共性應(yīng)用層、行業(yè)應(yīng)用層五個平臺技術(shù)為構(gòu)架的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)。

    數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)是在德國西門子自動化提出的德國工業(yè)制造4.0,美國羅克韋爾自動化提出的美國制造業(yè)數(shù)字生態(tài)圈,國家工業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)部提出的“中國制造2025”環(huán)境下催生發(fā)展的。在我國率先搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)的是汽車制造行業(yè),為快速響應(yīng)不斷變化的中國乘用車市場需求,縮短乘用車開發(fā)周期,中國一汽集團、北汽集團、上汽集團、廣汽集團、東風(fēng)集團、長安汽車、美國特斯拉汽車集團均聯(lián)合西門子自動化、羅克韋爾自動化、美國通用電氣、德國菲尼克斯電氣等自動化廠家對自身的汽車研發(fā)、制造平臺和工序進行汽車平臺設(shè)計3D仿真、汽車生產(chǎn)加工機械產(chǎn)前CAD建模、汽車發(fā)動機、電動車電池使用周期CAE診斷,特斯拉建立電動車行駛數(shù)據(jù)中心等,基本成功搭建了汽車制造數(shù)字孿生系統(tǒng)。在大幅縮短乘用車平臺設(shè)計開發(fā)周期的前提下,實現(xiàn)了從傳統(tǒng)制造到智慧制造的本質(zhì)性轉(zhuǎn)變。以寶武鋼鐵有限公司、鞍鋼集團有限公司為代表的鋼鐵冶煉行業(yè)在其高爐煉鐵工序、爍鋼工序、連鑄工序、冷熱軋工序、廢水廢氣處理工序均搭建自身的三維仿真平臺、MES鋼鐵車間級制造執(zhí)行系統(tǒng)、ERP企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、DSS企業(yè)間管理系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng),僅需積極構(gòu)建共性應(yīng)用層的鋼鐵生產(chǎn)周期描述系統(tǒng)、鋼鐵銷售決策風(fēng)險預(yù)測系統(tǒng)即全面可完成數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)第四個層級也就是共性應(yīng)用層的構(gòu)建。以中國水務(wù)集團有限公司和中國水業(yè)集團為代表的大型水務(wù)和水處理集團在其混合、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒、水資源治理工段搭建邊緣計算和水務(wù)能源3D仿真、水生物菌場景描述診斷系統(tǒng)?;就瓿闪藬?shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)五個層級的構(gòu)架。實現(xiàn)了傳統(tǒng)水資源利用向智慧水務(wù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在保證水資源高效利用的前提下,實現(xiàn)了水資源綠色環(huán)保、國民安全飲用自來水的國家安全戰(zhàn)略目標(biāo)。

    以可口可樂公司、百事可樂公司、貴州茅臺集團、五糧液集團公司為代表,涉及人們?nèi)松斫】蛋踩氖称凤嬃虾桶拙漆勚菩袠I(yè),載氣飲料配方、酒曲配方中打破人工主導(dǎo)配方調(diào)制的傳統(tǒng)工藝配方設(shè)計模式,建立以飲料配方、酒曲配方大數(shù)據(jù)建模、銷售市場云平臺反饋、配方加工車間VR仿真、酒曲發(fā)酵調(diào)配周期、不同年齡、性別飲用口感場景MR仿真的模型構(gòu)建層與仿真分析層,與之前構(gòu)建成熟的基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層相互作用,形成了傳統(tǒng)飲料配方和新興市場的個性化配方需求的開放式數(shù)字互動,為其在共性應(yīng)用層搭建飲料、白酒市場預(yù)測、新飲品決策系統(tǒng)打下了堅實基礎(chǔ)。

    以格力集團、海爾集團、創(chuàng)維集團為代表的白色家電行業(yè),加強基礎(chǔ)支撐層中組裝工位機械手、注塑機、電焊機器人、物流機械臂、工裝機械盤等智能生產(chǎn)組裝設(shè)備升級改造,在模型構(gòu)建層與仿真分析層聯(lián)合國家多家智能化、信息化研究機構(gòu),在家電個性化、碎片化AR建模、產(chǎn)品制造關(guān)鍵部件維護周期預(yù)測、新產(chǎn)品開發(fā)周期和市場占比預(yù)測MR仿真上徹底顛覆之前的扁平化產(chǎn)品制造模式,以不同市場需求為導(dǎo)向,迭代化家電生產(chǎn)、數(shù)字化多元化家電銷售的模式已經(jīng)形成,數(shù)字孿生構(gòu)架技術(shù)在我國家電生產(chǎn)行業(yè)發(fā)揮了巨大作用。

    以鄭州煙草研究院、上海煙草機械有限責(zé)任公司、秦皇島煙草機械廠、湖南常德煙草機械廠為代表,在數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)互動層上完成了煙草機械3D設(shè)計、仿真制造和成型煙草機械運行大數(shù)據(jù)的積累,與卷煙終端的遠程數(shù)據(jù)互動共享,在模型構(gòu)建層與仿真分析層構(gòu)建了卷接機組試驗產(chǎn)線CAD建模、卷煙機械磨損周期CAE仿真、卷煙機械零件故障MR診斷,與部分卷煙廠構(gòu)建了中式卷煙配方VR建模、新式配方CAE仿真。在共性應(yīng)用層與部分卷煙廠構(gòu)建了市場特色化配方需求場景描述,以上現(xiàn)狀表明煙草系統(tǒng)僅在行業(yè)煙草研究機構(gòu)和煙草機械制造生產(chǎn)廠家已完整構(gòu)建了基礎(chǔ)支撐層和數(shù)據(jù)互動層。尚未構(gòu)建完整煙草行業(yè)科研機構(gòu)和煙草機械生產(chǎn)廠家數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)的模型構(gòu)建層與仿真分析層,未觸及生態(tài)系統(tǒng)的共性應(yīng)用層和行業(yè)應(yīng)用層。

    國家煙草專賣局“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃提出全面推進數(shù)字煙草建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略。恩施煙草作為國家煙草發(fā)展戰(zhàn)略的單元,即將迎來數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級的重大機遇和挑戰(zhàn),為找準產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位,突破傳統(tǒng)行業(yè)技術(shù)數(shù)字孤島壁壘,本文根據(jù)行業(yè)發(fā)展要求,結(jié)合恩施煙草產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、信息化建設(shè)現(xiàn)狀,著力探析行業(yè)深度搭建數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)五個應(yīng)用平臺的解決方案和時間節(jié)點。

    恩施煙草有以煙葉打葉復(fù)烤加工為主要職能的復(fù)烤加工單元,有以卷煙生產(chǎn)為主要職能的卷煙生產(chǎn)單元,有以成品卷煙營銷管理的卷煙市場營銷管理單元。有以煙葉生產(chǎn)加工、收購為主要職能的煙葉生產(chǎn)收購單元。各單元既有扁平數(shù)字化生產(chǎn)、營銷、市場管理的單一層級,又有網(wǎng)格化交叉網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),數(shù)據(jù)共享的密織化層級。數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在恩施煙草應(yīng)用各單元應(yīng)用維度和深度既有相同共通之處,也有不同之處。

    2數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在煙葉復(fù)烤、卷煙的應(yīng)用探析

    以復(fù)烤加工單元和以卷煙生產(chǎn)單元為主體的恩施復(fù)烤廠和恩施卷煙廠已基本完成數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架的構(gòu)建基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層,且OT層的工業(yè)電氣控制設(shè)備能與國際通用信息設(shè)備完成無縫通信組網(wǎng)。復(fù)烤廠和卷煙廠在數(shù)據(jù)互動層實現(xiàn)了打葉復(fù)烤實時數(shù)據(jù)共享。在模型構(gòu)建層與仿真分析層的卷煙、復(fù)烤配方大數(shù)據(jù)建模、品控仿真、生產(chǎn)車間、物流調(diào)度VR技術(shù)、AR技術(shù)上應(yīng)不斷深化應(yīng)用。在共性應(yīng)用層的場景描述、生產(chǎn)加工機械使用周期診斷預(yù)測、市場大數(shù)據(jù)分析決策技術(shù)應(yīng)用應(yīng)找準時機,及時切入。尤其在復(fù)烤工藝和卷煙配方工藝方面應(yīng)深度應(yīng)用描述個性化配方市場診斷技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析決策技術(shù),力爭早日全面搭建數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)的共性應(yīng)用層,在實現(xiàn)基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構(gòu)建層與仿真分析層、共性應(yīng)用層之后,運用頂層設(shè)計構(gòu)建即可實現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用頂層的智慧煙葉復(fù)烤及智慧卷煙生產(chǎn)。

    3數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在卷煙營銷管理的應(yīng)用探析

    以卷煙營銷管理單元為主體的煙草專賣局在OT層實現(xiàn)了卷煙營銷全流程管理、與公安系統(tǒng)實現(xiàn)了制售假煙聯(lián)動打擊物理層,物流基本實現(xiàn)了成品卷煙調(diào)度管理全程追溯物理層,因其卷煙專賣職能決定其營銷數(shù)據(jù)不能過于開放,致使其數(shù)據(jù)互動層的建設(shè)比較滯后。在模型構(gòu)建層與仿真分析層的營銷數(shù)據(jù)建模、營銷市場風(fēng)險仿真、卷煙零售客戶管控方面需適時介入。共性應(yīng)用層的卷煙銷售大數(shù)據(jù)描述、市場風(fēng)險診斷、預(yù)警,卷煙品牌銷售配比決策應(yīng)與模型構(gòu)建層與仿真分析層的CAE仿真應(yīng)用技術(shù)有機結(jié)合。共性應(yīng)用層的構(gòu)架設(shè)計應(yīng)著力共性應(yīng)用層的卷煙營銷個性化需求、碎片化市場需求描述預(yù)測技術(shù),營銷管理云數(shù)據(jù)決策技術(shù),遵照國家煙草專賣法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準完成頂層設(shè)計構(gòu)建即可實現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用頂層的智慧煙草市場營銷管理。

    4數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在煙葉生產(chǎn)收購的應(yīng)用探析

    以煙葉生產(chǎn)、收購為主要職能的生產(chǎn)營銷部承載著優(yōu)質(zhì)、山地特色煙葉生產(chǎn)、加工、收購的重大職能,是決定恩施煙草發(fā)展的源頭企業(yè)。在數(shù)字化煙葉生產(chǎn)和管理建設(shè)方面,與云南、貴州、四川煙葉產(chǎn)區(qū)數(shù)字化建設(shè)方面存在較大差異。對照2020年中國電子技術(shù)標(biāo)準化研究院和樹根互聯(lián)技術(shù)有限公司聯(lián)合主編的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》中的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)圖,恩施煙葉在基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層這兩個關(guān)鍵底層技術(shù)應(yīng)用上亟須更新底層技術(shù)應(yīng)用思維。

    在煙葉生產(chǎn)加工的商品化育苗設(shè)施、集中化烘烤設(shè)施上,仍采用以電磁、單片機儀表控制技術(shù)核心的單機控制技術(shù),此技術(shù)在控制的可靠性、通信的高效性、組網(wǎng)能力方面,均落后于國際通行的可編程控制系統(tǒng)技術(shù)、IIOT技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)技術(shù),在煙葉生產(chǎn)的肥料配比上仍是傳統(tǒng)經(jīng)驗配比肥料,在煙葉收購上僅應(yīng)用煙葉包裝的掃碼技術(shù)。數(shù)據(jù)互動層上,僅實現(xiàn)煙葉收購數(shù)量、等級的數(shù)據(jù)實時傳輸,在煙區(qū)土壤肥力、墑情、氣候、病蟲害種類及發(fā)生范圍、不同燃料對土壤、空氣的污染指數(shù)等大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)建模方面尚處于起步階段。模型構(gòu)建層與仿真分析層上,因未積累起商品化煙苗培育數(shù)據(jù)、煙葉生長各階段水肥配比數(shù)據(jù)、煙葉調(diào)制階段溫濕度設(shè)定、調(diào)制時間、煙葉調(diào)制后醇化時間、煙葉外觀內(nèi)在質(zhì)量等精準有效數(shù)據(jù),無法與煙草研究機構(gòu)、煙草機電設(shè)備生產(chǎn)廠家實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,導(dǎo)致VR建模技術(shù)、AR建模技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析診斷技術(shù)應(yīng)用缺乏數(shù)據(jù)原型支撐,煙葉生產(chǎn)仿真系統(tǒng)、風(fēng)險控制預(yù)警系統(tǒng)難以構(gòu)建。共性應(yīng)用層上,因基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構(gòu)建層與仿真分析層三個層面的客觀要件均不同程度缺失,最終導(dǎo)致恩施煙葉還未實質(zhì)性觸及五個層級的最高層——共性應(yīng)用層。因此恩施煙葉生產(chǎn)、收購要實現(xiàn)智慧煙葉生產(chǎn)收購應(yīng)著力全面改造OT層的煙葉生產(chǎn)調(diào)制設(shè)施設(shè)備,夯實智能化、信息化基礎(chǔ),提高煙葉生產(chǎn)調(diào)制技術(shù)體系的可持續(xù)性、開放性、可拓展性和技術(shù)裝備的自主可控性。著力爭取中國移動、中國聯(lián)通、中國電信、阿里巴巴集團、美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)、達索等公有云、混合云平臺技術(shù)支持,聯(lián)合日本三菱電機自動化、德國西門子自動化、美國羅克韋爾自動化等和煙草復(fù)烤加工、卷煙生產(chǎn)單元關(guān)系密集,自動化控制技術(shù)背景深厚的企業(yè),盡快完成基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)控制兩個層級的構(gòu)架設(shè)計、搭建。在模型構(gòu)建層與仿真分析層的構(gòu)架設(shè)計時,在市場需求虛擬化建模時,重點關(guān)注全國各卷煙廠的個性化、碎片化需求,邊緣計算技術(shù)前移至煙葉生產(chǎn)調(diào)制基層一線,迅速將煙葉生產(chǎn)調(diào)制技術(shù)提檔升級。

    5結(jié)束語

    恩施煙草欲實現(xiàn)國家“十四五”信息化建設(shè)規(guī)劃、國家煙草專賣局“十四五”建設(shè)數(shù)字煙草戰(zhàn)略規(guī)劃,應(yīng)深析其他行業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn),結(jié)合本行業(yè)現(xiàn)狀,將行業(yè)技術(shù)同數(shù)字化先進技術(shù)跨界整合,在人員、制度、設(shè)備、流程、產(chǎn)業(yè)大腦等方面找到痛點、發(fā)掘亮點,同時積極同有著多年生產(chǎn)制造經(jīng)驗的工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)廠家、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集成廠家展開深度合作,最終才能成功應(yīng)用數(shù)字孿生構(gòu)架技術(shù)賦能恩施煙草產(chǎn)業(yè)高效、綠色、持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

    【參考文獻】

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    【作者簡介】

    池明,男,1973年出生,工程師,研究方向為煙葉烤房電氣設(shè)備維修、電氣自動化系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用。

    (編輯:謝飛燕)

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