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摘 要 ：基于烟草工业互联网,开展数字孪生工具集研究,分析数字孪生支撑技术,了解构建数字孪生体系。研究基于数 字孪生的卷烟信息物理系统时变动态多维模型构建与工具,卷烟信息物理系统多时空尺度模型融合与计算求解技术,孪生数据 驱动的动态生产任务自组织生产关键技术,面向个性化定制的卷烟制造管控的数字孪生关键技术,旨在为烟草工业数字化转型 提供借鉴和参考。
关键词 ：数字孪生 ；工具集 ；烟草工业互联网
Research on the Digital Twin Development Toolset
YU Zhongjiang, GAN Zhixiong, TAO Gang, LI Zhongtai, LIXinming, LUO Hui (China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming Yunnan 650224)
【Abstract】：Based on the Internet of the tobacco industry, carry out the research on the digital twin toolset, analyze the digital twin support technology, deconstruct the digital twin system. Research on the construction and tools of time-varying dynamic multidimensional models for cigarette information physics systems based on digital twins, multi spatiotemporal scale model fusion and computational solution technology for cigarette information physics system, key technologies for self-organizing production of dynamic production tasks driven by twin data, the digital twin key technology for personalized customization of cigarette manufacturing control, intended to provide reference and reference for the digital transformation of the tobacco industry.
【Key words】：digital twin;toolset;tobacco industry internet
0 引言
随着烟草工业互联网的迅速发展,数字孪生技术获 得了新的活力。烟草工业互联网延伸了数字孪生的价值 链和寿命,突显了数字孪生在模型、数据和服务方面的 优势和威力,这使得数字孪生的应用和演进路径得以畅 通。基于烟草工业互联网将物理世界与数字世界相结 合,融合物联网、大数据、云计算、人工智能等先进技 术,创建实时数字孪生模型来实现对卷烟制造的过程进 行预测、优化和监控,帮助烟草企业更好地管理生产过 程, 提高生产效率,改善客户体验,成为各烟草企业不断 探索和实践的内容。为帮助企业快速构建起数字孪生应用 体系,分析数字孪生支撑技术,研制建模、计算求解、 仿真工具集,满足烟草企业数字孪生应用的需求,建立 烟草行业互联网数字孪生工具集,利用数字孪生工具集优化生产流程、提高产品品质、降低维护成本、提高安 全性,将为烟草行业的可持续发展提供强有力的支持和 保障。
1 数字孪生工具集的构建
数字孪生工具集（Digital Twin Toolkit） 是一种 用于创建和管理数字孪生的软件工具集合。数字孪生指 的是将现实世界中的物理实体或系统通过数字模型进行 建模和仿真, 以实现实时监测、分析和优化的技术 [1]。 数字孪生工具集通常包括以下工具集,如图 1 所示。
1.1 建模工具集
（1）3D Max。采用 3D Max 及 MAYA 三维建模工 具根据所提供的设备照片、CAD 图纸、视频结合进行 3D 仿真建模。不仅可以直线拉伸,还可以画出路径, 沿路径拉伸,快速构建车间设备及环境的三维立体模型及渲染。
（2）ProE。P ro E 是一个用于三维产品设计、分析 和制造的计算机辅助设计（CAD）软件程序,工程师和 设计师使用 ProE 创建、修改和分析复杂的产品三维模 型。Pro E 的主要优势之一是其参数化建模功能,使用 户能够定义和控制驱动其模型尺寸和特征的参数。这允许 简单的设计迭代和更改,以及对产品变化的有效管理 [2]。
（3）AutoCAD。AutoCAD 是 计 算 机 辅 助 设 计 （CAD）软件程序,它被广泛用于创建二维和三维模型、 可视化设计和生成详图。AutoCAD 提供了一系列工具 和功能,使用户可以创建精确的图形。这些工具包括图 形和编辑命令、图层管理、标注工具以及各种对象创建 选项。
（4）Maya。Maya 集成了 Alias、Wavefront 最先进 的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果 制作的功能,而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、 毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya 可在 Windows NT 与 SGI IRIX 操作系统上运行。
1.2 计算求解工具集
（1）数据资源池。通过感知层抓取实时监测数据, 基于全数字测量、大数据、云计算、三维虚拟模型、人 工智能、区块链等技术,整合卷烟各项基础数据,以卷 烟制造时空数据为重点对象,聚焦于卷烟数据的管理、 展示与分析,对卷烟制造空间进行精细、全面、动态的 模拟,构建卷烟业务横向共享、纵向联动,以此实现各 级卷烟制造部门及各车间信息联通 ；建设基础数据统 一、监测数据汇集、二三维一体化、三级协同贯通的数 字底板,提供卷烟数据场景的高保真、高稳定、高质量 模拟仿真,构建标准一致的卷烟数据资源池。
（2）大数据分析。通过调用大数据分析服务, 以工 厂在生产前虚拟制造、生产中虚拟制造、生产后虚拟制 造的人员、设备、物料、工艺、环境等生产要素数据为 基础,以数理模型为手段,实现对指标数据的预警与优 化、数据模型的迭代优化 [3]。
（3）虚拟仿真引擎。数字孪生引擎是数字孪生技术 的核心组成部分。其主要功能是通过物理学模型、数学 模型、算法模型等技术手段模拟实体的行为和性能。通 过将实体的参数转化为数值化的数据,并进行仿真计 算,数字孪生引擎可以实现对实体的全方位、高精度的 模拟。它提供了可视化的、便捷的仿真应用开发工具, 可以加载场景、进行分层级浏览、访问和搜索对象,并 提供多种控制方式和展示效果,还可以通过事件绑定实 现各种交互操作。除此之外,数字孪生引擎还提供了摄 像机视角控制、点线面效果、界面数据展示、模型属性 设置、数据绑定等可视化功能。该平台采用组件化的开 发模式,用于设计、仿真、验证和监控生产线的各个环 节和过程 [4]。
（4）数据模型组件库。基于烟草工业互联网, 将卷 烟制造的制丝、卷接、包装等车间的物理设备、生产工 艺、流程逻辑等要素,进行数据建模,定义生产过程需 遵循的标准,实现数据模型组件库为数字孪生提供数据 服务,数据模型组件有 ：实体、关系、属性、域。大多 数数据模型都包含基本相同的组件。
1.3 仿真工具集
（1）工艺过程三维仿真。3D 建模与自控技术相结 合,对工艺过程进行三维建模,构建三维数字车间。在 数字化虚拟工厂实时仿真工厂的生产过程、设备布局、 设备运行、产品物料、质量物耗等,实现虚实映射、动 态联动。以全要素、全流程、全业务角度对生产过程进 行实时监视、诊断、控制、迭代到生产过程最优 [5]。
（2）基于 Lod 的海量模型仿真。Lod(Level of Detail) 是一种在计算机图形学中用来表示物体多个不同精细度 的技术,基于 Lod 的海量模型库包含大量使用 Lod 技 术建模的模型集合。模型库包含了各种类型的物体模 型,用于建模和渲染各种场景,比如虚拟现实应用和特 效制作等。模型通常以不同精细度的细节层次存在,可 以根据需要动态地切换模型的精细度,以在不同的视角 和距离下提供逼真的渲染效果。基于 Lod 的海量模型库对于需要大量模型资源的应用非常有用,可以大大减 少建模和渲染的时间和工作量,同时也可以提高渲染效 果的逼真度和性能。
（3）车间三维仿真监控。通过实体车间与虚拟车间 的双向真实映射与实时交互,实现实体车间、虚拟车间 的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合。在数据 模型的驱动下,实现车间生产要素管理、生产活动计 划、生产过程控制等在实体车间、虚拟车间的镜像运 行,从而在满足特定目标和约束的前提下达到车间生产 和管控最优的一种生产运行模式。
通过仿真虚拟生产过 程,对制造能力、生产过程、绩效考核等进行模拟评 价,以历史数据模拟生产实时数据、业务数据,结合相 关规范标准,引入仿真指标,建立虚拟仿真数据评价分 析,为实际生产综合评价分析进行预演决策。围绕生 产、设备效率、质量、物耗等核心主线进行,构建仿真 评价预演结果。
2 数字孪生工具集在烟草行业中的价值
数字孪生技术在烟草行业中的价值主要表现在以下 几个方面 ：
（1）提高生产效率 ：通过数字孪生技术可以优化生 产流程,提高生产效率,降低生产成本。
（2）提高产品 品质 ：数字孪生技术可以帮助设计出更加精准、符合市 场需求的产品,提高产品品质和市场竞争力。
（3）降低 维护成本 ：数字孪生技术可以对设备运行状态进行监测和预测,及时发现故障并进行维护,降低设备维护成本。
（4）提高安全性 ：数字孪生技术可以识别潜在的安全风 险,并制定相应的措施,保障员工安全和生产稳定 [6]。
3 结语
总之,数字孪生技术是一种新兴的数字化技术,其 在烟草行业中的应用前景较为广阔。建立烟草行业互联 网数字孪生工具集,利用数字孪生技术优化生产流程、 提高产品品质、降低维护成本、提高安全性,将为烟草 行业的可持续发展提供强有力的支撑和保障。
参考文献
[1] 杜云鹏,王志强,胡煜,等.基于数字孪生的卷烟制丝生产线设 计的研究[J].软件,2023,44(1):153-156.
[2] 王爱民.面向智能生产管控的数字孪生技术[J].人工智能, 2021(02):12-20.
[3] 周宝昌,邱伟源,谢智阳.基于Teamcenter Process Simulate 数字化智能生产线仿真设计[J].软件,2023,44(1):11-15.
[4] 熊瑶,费敏锐.虚拟制造+数字孪生发展及应用实践[J].自动 化仪表,2023,44(8):1-6+14.
[5] 张颖伟,高鸿瑞,张鼎森,等.基于多智能体的数字孪生及其在 工业中应用的综述[J].控制与决策,2023,38(8):2168-2182.
[6] 房峰,袁逸萍,王波等.基于Unity3D的纺机制造车间数字孪 生系统开发与实现[J].工业控制计算机,2023,36(8):143-144.
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