许光玉 金永俊 朱江 罗赛 朱金华

1.吉林烟草工业有限责任公司 吉林 延吉 133000；2.中国科学院沈阳自动化研究所 辽宁 沈阳 110016；3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院 辽宁 沈阳 110016

概述

通过建设数字孪生系统，建立完成工厂的数字模型，让员工在计算机虚拟环境中，对设备装置的整体结构和运行进行可视化的管理、仿真和优化[1]。软件系统的主要功能包括设备装置基础信息管理、设备装置运行监控管理、设备装置运维管理等。同时集成了与DCS/FCS系统、MES系统、EAM等系统、安全监控系统的数据接口后，可以更加及时全面地获取工厂的运行状况信息和历史维护信息。

1 系统架构

数字孪生系统的具体内容包括：数据资源建设：建立和完善系统正常运行所需要的模型库、资料库、基础数据库、设备资产库、特征测点库等，这些数据资源是系统运行的基础。服务与组件：用于支持常规应用的服务和组件，包括图形引擎、数据服务组件、WEB服务组件、可视化组件、报警引擎。应用模块：各种应用包括基础信息管理、运行监控管理、运维管理、各种接口等。系统的组成结构图如下图所示：

图1 功能结构图

2 系统功能

2.1 数据资源结构

数据资源是系统存储的各类逻辑概念上的数据源，包括设备模型库、设备资料库、设备资产库、特征测点、处置记录库等。

设备模型库存储设备模型的三维数据，用于三维模型的空间快速检索、存储以及修改等操作。设备资产库管理设备资产的库存、消耗、设备型号等信息，同时关联到revmod产生的三维模型中，根据三维模型接口将设备的信息补充到设备资产库中。设备资料库用来存储设备的各种资料，并对资料进行整理分类。设备资料库通过权限控制限制用户访问的权限。特征测点库管理设备的特征测点以及测点阈值信息，特征测点库使用读写分离技术，保证测点以及阈值检查的快速性和实时性。处置记录管理设备等在运行过程中产生的报警处置过程。处置记录库中设备特征标识来自于revmod模型。处置步骤以工作流的方式进行处理，工作流过程由工作流引擎库进行设置。其中设备模型库结构示意图如图2所示。

2.2 服务与组件

服务与组件包括图形引擎、数据服务组件（视频数据服务组件、DCS数据服务、分布式控制系统数据服务组件、文档数据服务组件等等）、可视化组件、WEB服务组件、报警引擎。

2.3 可视化资产管理

基于三维模型和流程图，为采选厂的领导、各级主管和操作人员，提供可视化的资产管理系统图。使用者可以在厂区资产的三维可视化场景中任意浏览、漫游、缩放、旋转，任意选择对象查看其资产属性信息，并调阅其相关的文档信息，如操作手册等。其中资产管理系统图如图3所示。

图2 设备模型库结构示意图

图3 设资产管理系统图

3 基础环境

数字孪生系统需要完善的网络及存储设施，包括各种服务器、存储设备、网络设备、安全设备等设备设施。服务器用来进行三维模型的存取、文档资料的存取，生产运行数据存取使用和对外提供服务。

4 系统效果

通过建设数字孪生系统，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。借助于物联网和大数据技术，通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标，可以实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持[2]。