卷煙企業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用研究

許光玉 金永俊 朱江 羅賽 朱金華

1.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 吉林 延吉 133000；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院 遼寧 沈陽(yáng) 110016

概述

通過(guò)建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，建立完成工廠的數(shù)字模型，讓員工在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)設(shè)備裝置的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行進(jìn)行可視化的管理、仿真和優(yōu)化[1]。軟件系統(tǒng)的主要功能包括設(shè)備裝置基礎(chǔ)信息管理、設(shè)備裝置運(yùn)行監(jiān)控管理、設(shè)備裝置運(yùn)維管理等。同時(shí)集成了與DCS/FCS系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、EAM等系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口后，可以更加及時(shí)全面地獲取工廠的運(yùn)行狀況信息和歷史維護(hù)信息。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生系統(tǒng)的具體內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)資源建設(shè)：建立和完善系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的模型庫(kù)、資料庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備資產(chǎn)庫(kù)、特征測(cè)點(diǎn)庫(kù)等，這些數(shù)據(jù)資源是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。服務(wù)與組件：用于支持常規(guī)應(yīng)用的服務(wù)和組件，包括圖形引擎、數(shù)據(jù)服務(wù)組件、WEB服務(wù)組件、可視化組件、報(bào)警引擎。應(yīng)用模塊：各種應(yīng)用包括基礎(chǔ)信息管理、運(yùn)行監(jiān)控管理、運(yùn)維管理、各種接口等。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)據(jù)資源結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)資源是系統(tǒng)存儲(chǔ)的各類(lèi)邏輯概念上的數(shù)據(jù)源，包括設(shè)備模型庫(kù)、設(shè)備資料庫(kù)、設(shè)備資產(chǎn)庫(kù)、特征測(cè)點(diǎn)、處置記錄庫(kù)等。

設(shè)備模型庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)備模型的三維數(shù)據(jù)，用于三維模型的空間快速檢索、存儲(chǔ)以及修改等操作。設(shè)備資產(chǎn)庫(kù)管理設(shè)備資產(chǎn)的庫(kù)存、消耗、設(shè)備型號(hào)等信息，同時(shí)關(guān)聯(lián)到revmod產(chǎn)生的三維模型中，根據(jù)三維模型接口將設(shè)備的信息補(bǔ)充到設(shè)備資產(chǎn)庫(kù)中。設(shè)備資料庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備的各種資料，并對(duì)資料進(jìn)行整理分類(lèi)。設(shè)備資料庫(kù)通過(guò)權(quán)限控制限制用戶訪問(wèn)的權(quán)限。特征測(cè)點(diǎn)庫(kù)管理設(shè)備的特征測(cè)點(diǎn)以及測(cè)點(diǎn)閾值信息，特征測(cè)點(diǎn)庫(kù)使用讀寫(xiě)分離技術(shù)，保證測(cè)點(diǎn)以及閾值檢查的快速性和實(shí)時(shí)性。處置記錄管理設(shè)備等在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的報(bào)警處置過(guò)程。處置記錄庫(kù)中設(shè)備特征標(biāo)識(shí)來(lái)自于revmod模型。處置步驟以工作流的方式進(jìn)行處理，工作流過(guò)程由工作流引擎庫(kù)進(jìn)行設(shè)置。其中設(shè)備模型庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 服務(wù)與組件

服務(wù)與組件包括圖形引擎、數(shù)據(jù)服務(wù)組件（視頻數(shù)據(jù)服務(wù)組件、DCS數(shù)據(jù)服務(wù)、分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)組件、文檔數(shù)據(jù)服務(wù)組件等等）、可視化組件、WEB服務(wù)組件、報(bào)警引擎。

2.3 可視化資產(chǎn)管理

基于三維模型和流程圖，為采選廠的領(lǐng)導(dǎo)、各級(jí)主管和操作人員，提供可視化的資產(chǎn)管理系統(tǒng)圖。使用者可以在廠區(qū)資產(chǎn)的三維可視化場(chǎng)景中任意瀏覽、漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)，任意選擇對(duì)象查看其資產(chǎn)屬性信息，并調(diào)閱其相關(guān)的文檔信息，如操作手冊(cè)等。其中資產(chǎn)管理系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2 設(shè)備模型庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 設(shè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)圖

3 基礎(chǔ)環(huán)境

數(shù)字孿生系統(tǒng)需要完善的網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)設(shè)施，包括各種服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等設(shè)備設(shè)施。服務(wù)器用來(lái)進(jìn)行三維模型的存取、文檔資料的存取，生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)存取使用和對(duì)外提供服務(wù)。

4 系統(tǒng)效果

通過(guò)建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。借助于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)采集有限的物理傳感器指標(biāo)的直接數(shù)據(jù)，并借助大樣本庫(kù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)推測(cè)出一些原本無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)過(guò)去發(fā)生問(wèn)題的診斷，以及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持[2]。