数字孪生系统构架技术在恩施烟草标准化应用

池明 钟用 杨天才 廖成 彭子忠

【摘要】本文以数字孪生系统构架技术在我国汽车制造、钢铁冶炼、水务水业、饮料、白酒酿制、烟草科研、烟草机械制造行业的构建现状为实例，探析数字孪生系统构架技术在以恩施烟草复烤加工、卷烟生产、卷烟市场营销、烟叶生产收购为构成单元的标准化应用。

【关键词】基础支撑层；数据互动层；模型构建层与仿真分析层；共性应用层；行业应用层

【DOI编码】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數字孪生系统简介

数字孪生——Digital Twin的雏形内核为在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，如实地描述物理实体生命周期的运行轨迹。经过多年的技术拓展以及与底层控制技术（OT）、工业物联网技术（IIOT）、人工智能技术（AI）、虚拟现实技术（VR）、增强现实技术（AR）、混合现实技术（MR）、大数据分析诊断技术等技术交汇融合，已形成了以基础支撑层、数据互动层、模型构建层与仿真分析层、共性应用层、行业应用层五个平台技术为构架的数字孪生生态系统。

数字孪生生态系统是在德国西门子自动化提出的德国工业制造4.0，美国罗克韦尔自动化提出的美国制造业数字生态圈，国家工业信息化产业部提出的“中国制造2025”环境下催生发展的。在我国率先搭建数字孪生系统的是汽车制造行业，为快速响应不断变化的中国乘用车市场需求，缩短乘用车开发周期，中国一汽集团、北汽集团、上汽集团、广汽集团、东风集团、长安汽车、美国特斯拉汽车集团均联合西门子自动化、罗克韦尔自动化、美国通用电气、德国菲尼克斯电气等自动化厂家对自身的汽车研发、制造平台和工序进行汽车平台设计3D仿真、汽车生产加工机械产前CAD建模、汽车发动机、电动车电池使用周期CAE诊断，特斯拉建立电动车行驶数据中心等，基本成功搭建了汽车制造数字孪生系统。在大幅缩短乘用车平台设计开发周期的前提下，实现了从传统制造到智慧制造的本质性转变。以宝武钢铁有限公司、鞍钢集团有限公司为代表的钢铁冶炼行业在其高炉炼铁工序、烁钢工序、连铸工序、冷热轧工序、废水废气处理工序均搭建自身的三维仿真平台、MES钢铁车间级制造执行系统、ERP企业资源计划系统、DSS企业间管理系统及决策支持系统，仅需积极构建共性应用层的钢铁生产周期描述系统、钢铁销售决策风险预测系统即全面可完成数字孪生生态系统第四个层级也就是共性应用层的构建。以中国水务集团有限公司和中国水业集团为代表的大型水务和水处理集团在其混合、反应、沉淀、过滤、消毒、水资源治理工段搭建边缘计算和水务能源3D仿真、水生物菌场景描述诊断系统。基本完成了数字孪生生态系统五个层级的构架。实现了传统水资源利用向智慧水务的数字化转型。在保证水资源高效利用的前提下，实现了水资源绿色环保、国民安全饮用自来水的国家安全战略目标。

以可口可乐公司、百事可乐公司、贵州茅台集团、五粮液集团公司为代表，涉及人们人身健康安全的食品饮料和白酒酿制行业，载气饮料配方、酒曲配方中打破人工主导配方调制的传统工艺配方设计模式，建立以饮料配方、酒曲配方大数据建模、销售市场云平台反馈、配方加工车间VR仿真、酒曲发酵调配周期、不同年龄、性别饮用口感场景MR仿真的模型构建层与仿真分析层，与之前构建成熟的基础支撑层、数据互动层相互作用，形成了传统饮料配方和新兴市场的个性化配方需求的开放式数字互动，为其在共性应用层搭建饮料、白酒市场预测、新饮品决策系统打下了坚实基础。

以格力集团、海尔集团、创维集团为代表的白色家电行业，加强基础支撑层中组装工位机械手、注塑机、电焊机器人、物流机械臂、工装机械盘等智能生产组装设备升级改造，在模型构建层与仿真分析层联合国家多家智能化、信息化研究机构，在家电个性化、碎片化AR建模、产品制造关键部件维护周期预测、新产品开发周期和市场占比预测MR仿真上彻底颠覆之前的扁平化产品制造模式，以不同市场需求为导向，迭代化家电生产、数字化多元化家电销售的模式已经形成，数字孪生构架技术在我国家电生产行业发挥了巨大作用。

以郑州烟草研究院、上海烟草机械有限责任公司、秦皇岛烟草机械厂、湖南常德烟草机械厂为代表，在数字孪生生态系统数据互动层上完成了烟草机械3D设计、仿真制造和成型烟草机械运行大数据的积累，与卷烟终端的远程数据互动共享，在模型构建层与仿真分析层构建了卷接机组试验产线CAD建模、卷烟机械磨损周期CAE仿真、卷烟机械零件故障MR诊断，与部分卷烟厂构建了中式卷烟配方VR建模、新式配方CAE仿真。在共性应用层与部分卷烟厂构建了市场特色化配方需求场景描述，以上现状表明烟草系统仅在行业烟草研究机构和烟草机械制造生产厂家已完整构建了基础支撑层和数据互动层。尚未构建完整烟草行业科研机构和烟草机械生产厂家数字孪生生态系统的模型构建层与仿真分析层，未触及生态系统的共性应用层和行业应用层。

国家烟草专卖局“十四五”战略规划提出全面推进数字烟草建设发展战略。恩施烟草作为国家烟草发展战略的单元，即将迎来数字化转型和升级的重大机遇和挑战，为找准产业发展定位，突破传统行业技术数字孤岛壁垒，本文根据行业发展要求，结合恩施烟草产业数字化、信息化建设现状，着力探析行业深度搭建数字孪生生态系统五个应用平台的解决方案和时间节点。

恩施烟草有以烟叶打叶复烤加工为主要职能的复烤加工单元，有以卷烟生产为主要职能的卷烟生产单元，有以成品卷烟营销管理的卷烟市场营销管理单元。有以烟叶生产加工、收购为主要职能的烟叶生产收购单元。各单元既有扁平数字化生产、营销、市场管理的单一层级，又有网格化交叉网络互联，数据共享的密织化层级。数字孪生系统构架技术在恩施烟草应用各单元应用维度和深度既有相同共通之处，也有不同之处。

2数字孪生系统构架技术在烟叶复烤、卷烟的应用探析

以复烤加工单元和以卷烟生产单元为主体的恩施复烤厂和恩施卷烟厂已基本完成数字孪生系统构架的构建基础支撑层、数据互动层，且OT层的工业电气控制设备能与国际通用信息设备完成无缝通信组网。复烤厂和卷烟厂在数据互动层实现了打叶复烤实时数据共享。在模型构建层与仿真分析层的卷烟、复烤配方大数据建模、品控仿真、生产车间、物流调度VR技术、AR技术上应不断深化应用。在共性应用层的场景描述、生产加工机械使用周期诊断预测、市场大数据分析决策技术应用应找准时机，及时切入。尤其在复烤工艺和卷烟配方工艺方面应深度应用描述个性化配方市场诊断技术、大数据分析决策技术，力争早日全面搭建数字孪生生态系统的共性应用层，在实现基础支撑层、数据互动层、模型构建层与仿真分析层、共性应用层之后，运用顶层设计构建即可实现行业应用顶层的智慧烟叶复烤及智慧卷烟生产。

3数字孪生系统构架技术在卷烟营销管理的应用探析

以卷烟营销管理单元为主体的烟草专卖局在OT层实现了卷烟营销全流程管理、与公安系统实现了制售假烟联动打击物理层，物流基本实现了成品卷烟调度管理全程追溯物理层，因其卷烟专卖职能决定其营销数据不能过于开放，致使其数据互动层的建设比较滞后。在模型构建层与仿真分析层的营销数据建模、营销市场风险仿真、卷烟零售客户管控方面需适时介入。共性应用层的卷烟销售大数据描述、市场风险诊断、预警，卷烟品牌销售配比决策应与模型构建层与仿真分析层的CAE仿真应用技术有机结合。共性应用层的構架设计应着力共性应用层的卷烟营销个性化需求、碎片化市场需求描述预测技术，营销管理云数据决策技术，遵照国家烟草专卖法律法规和行业标准完成顶层设计构建即可实现行业应用顶层的智慧烟草市场营销管理。

4数字孪生系统构架技术在烟叶生产收购的应用探析

以烟叶生产、收购为主要职能的生产营销部承载着优质、山地特色烟叶生产、加工、收购的重大职能，是决定恩施烟草发展的源头企业。在数字化烟叶生产和管理建设方面，与云南、贵州、四川烟叶产区数字化建设方面存在较大差异。对照2020年中国电子技术标准化研究院和树根互联技术有限公司联合主编的《数字孪生应用白皮书》中的数字孪生生态系统架构图，恩施烟叶在基础支撑层、数据互动层这两个关键底层技术应用上亟须更新底层技术应用思维。

在烟叶生产加工的商品化育苗设施、集中化烘烤设施上，仍采用以电磁、单片机仪表控制技术核心的单机控制技术，此技术在控制的可靠性、通信的高效性、组网能力方面，均落后于国际通行的可编程控制系统技术、IIOT技术、数据采集与监视控制系统技术，在烟叶生产的肥料配比上仍是传统经验配比肥料，在烟叶收购上仅应用烟叶包装的扫码技术。数据互动层上，仅实现烟叶收购数量、等级的数据实时传输，在烟区土壤肥力、墒情、气候、病虫害种类及发生范围、不同燃料对土壤、空气的污染指数等大数据的数据集成、数据建模方面尚处于起步阶段。模型构建层与仿真分析层上，因未积累起商品化烟苗培育数据、烟叶生长各阶段水肥配比数据、烟叶调制阶段温湿度设定、调制时间、烟叶调制后醇化时间、烟叶外观内在质量等精准有效数据，无法与烟草研究机构、烟草机电设备生产厂家实现数据共享，导致VR建模技术、AR建模技术、大数据分析诊断技术应用缺乏数据原型支撑，烟叶生产仿真系统、风险控制预警系统难以构建。共性应用层上，因基础支撑层、数据互动层、模型构建层与仿真分析层三个层面的客观要件均不同程度缺失，最终导致恩施烟叶还未实质性触及五个层级的最高层——共性应用层。因此恩施烟叶生产、收购要实现智慧烟叶生产收购应着力全面改造OT层的烟叶生产调制设施设备，夯实智能化、信息化基础，提高烟叶生产调制技术体系的可持续性、开放性、可拓展性和技术装备的自主可控性。着力争取中国移动、中国联通、中国电信、阿里巴巴集团、美国参数技术公司（PTC）、达索等公有云、混合云平台技术支持，联合日本三菱电机自动化、德国西门子自动化、美国罗克韦尔自动化等和烟草复烤加工、卷烟生产单元关系密集，自动化控制技术背景深厚的企业，尽快完成基础支撑层、数据控制两个层级的构架设计、搭建。在模型构建层与仿真分析层的构架设计时，在市场需求虚拟化建模时，重点关注全国各卷烟厂的个性化、碎片化需求，边缘计算技术前移至烟叶生产调制基层一线，迅速将烟叶生产调制技术提档升级。

5结束语

恩施烟草欲实现国家“十四五”信息化建设规划、国家烟草专卖局“十四五”建设数字烟草战略规划，应深析其他行业在数字化转型过程中的成功经验和失败教训，结合本行业现状，将行业技术同数字化先进技术跨界整合，在人员、制度、设备、流程、产业大脑等方面找到痛点、发掘亮点，同时积极同有着多年生产制造经验的工业电气自动化生产厂家、工业物联网集成厂家展开深度合作，最终才能成功应用数字孪生构架技术赋能恩施烟草产业高效、绿色、持续稳定发展。

【参考文献】

[1]工业数字孪生白皮书发布[J].工业控制计算机，2021，34（12）：19.

[2]刘大同，郭凯，王本宽，等.数字孪生技术综述与展望[J].仪器仪表学报，2018，39（11）：1-10.

[3]杨林瑶，陈思远，王晓，等.数字孪生与平行系统发展现状、对比与展望[J].自动化学报，2019，45（11）：2001-2031.

【作者简介】

池明，男，1973年出生，工程师，研究方向为烟叶烤房电气设备维修、电气自动化系统开发和应用。

（编辑：谢飞燕）