一、现状及问题
2021年3月，国务院发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中，明确提出推动产业链数字化转型，包括“实施“上云用数赋智”行动，推动数据赋能全产业链协同转型”。烟草行业作为实体经济的重要组成部分，通过先进的智能制造技术赋能烟草业信息化高质量发展，已成为促进烟草业数字化转型的重要驱动力。
工厂是数字化转型的重要载体，对于保障数字化建设的协同性、一致性及有效性具有重要意义，因此，卷烟厂的厂级数字化转型迫在眉睫。当前，中国烟草制造行业迈向全新的市场经济时代，整个行业对卷烟生产的高速度与高品质有极其严苛的要求，如何保证从烟叶、制丝、卷接、包装、装箱、运输的整个生产过程中各个环节保持透明、可控与连续，是某卷烟厂面临的重大挑战。
二、厂级数字孪生
为解决上述问题，实现整个生产运输过程的透明可控，亟需将大数据、数字孪生等技术引入烟叶、制丝、卷接、包装、成品入库、运输的全过程管理，将现场作业真实数据与仿真数据进行同步，并以3D模型实现动态联动，便于对现场运行情况进行实时监控、预测和调度。针对某卷烟厂的生产特点，构建一套基于数字孪生的厂级生产管理系统，通过以虚拟工厂控制实体工厂，帮助企业及时发现和排除故障，提升设备有效作业率，实现生产信息的全程可追溯，促进生产资源的优化配置，降低生产成本。
（1）采集生产数据：以需求为导向，以数字化转型为驱动，充分利用传感器、摄像头等物联网技术，实时采集卷包车间、制丝车间生产过程中产生的数据。
（2）通过与车间MES、ESB系统，业务系统数据融合，逐步构建一张完整的数据视图，推进卷烟厂信息化向数字化转型。
构建厂级数字孪生平台
2.1工厂层面
构建覆盖生产、运营、能耗、设备、工艺等多个维度的领导驾驶舱。整合基础空间数据和业务系统数据，利用先进的人机交互方式，建立数据展示、分析、监测等多功能的数字孪生三维可视化驾驶舱，对设备运维、能效管理、经营情况等关键指标分析呈现，实时掌握工厂整体运行态势，辅助全工厂管理决策，实现监测指挥、分析研判、展示汇报等场景应用。
生产运营驾驶舱：针对厂级领导、车间领导的驾驶舱。对整个工厂进行数字孪生仿真，方便领导对车间生产及效益进行了解，主要包括计划、产量、质量、设备、人员等相关数据的分析，以及产能、效益、订单量、客户、成本、销售、渠道等数据。帮助领导“一目了然”制丝车间智能产线的情况，支持领导的快速决策，辅助产线智能化落地，推动卷烟厂的高质量发展。
能耗管理驾驶舱：对卷烟厂能耗系统进行仿真。针对变配电、照明、空调、给排水、热水机组和重点设备能耗和运行信息进行全面展示，对设备的CO2排放量进行监测，帮助烟厂全面掌握电、水、天然气、热力等能源介质的能源消耗状况，将各种能耗报表、数据曲线、分析结果等展现给企业管理者，帮助企业建立更有依据、更有效的节能体系。
设备管理驾驶舱：对卷烟厂重要生产设备进行仿真。提供设备指标分析看板，实时反映设备的运行状态，将设备数据形象化、直观化、具体化，打破设备业务数据隔离，实现指标分析及决策场景落地。
工艺管理驾驶舱：对卷烟厂工艺流程进行仿真。对产线上的批次质量、批次质量标准偏差、近 30 批的质量 CPK 和质量帕拉图等分析进行展示，让质量管理人员直观、快捷的了解产线、工段和工序的质量情况，及时解决质量问题。
2.2车间层面
引入图层概念，把不同的业务内容归类到不同的图层中，可以自由的显示和隐藏不同的业务图层，实现分门别类的呈现和操控。做到门类清晰，便于管理。本次建设的主要图层包含生产状态图层，物料流转图层、生产监控图层、虚拟巡检图层、智能排产图层。通过对车间各个产线、各个工段、重要设备、运转流程等管理要素进行全方位还原，对产品生产流程、生产进度等进行可视化监测，完成厂区工序流转的全方面监控管理。
数字孪生车间：数字孪生客户端选择生产状态图层。视角拉远，能够看到整个产线车间数字孪生的全貌。
功能指标：重要节点的状态提示信息
统计图表：各种生产信息的汇总整理，以直观可视化的方式呈现。
功能指标：产量趋势统计、质量趋势统计、生产批次统计、产出信息统计、物料统计
物料流转模拟：动画示意物料在设备间的流转状态。
功能指标：烟包、烟叶、烟丝流动效果；堵料警示效果；缺料警示效果
生产过程监控：实时反馈各生产环节的指标数据，能及时预警异常信息。
功能指标：显示各单元的批次和牌号；显示各节点的通讯状态；显示各类型的异常告警；
生产数据推送：可以实时查阅各种生产运行数据、运维数据，在数据产生的具体位置显示相关信息。
功能指标：批次生产工单、配方 BOM、投料、产出信息；批次生产过程 SOP 作业状态；
产线虚拟巡检：按正常人工巡检的路线自动或手动的完成产线虚拟巡视，沿路展示各个生产节点的信息，如果有异常告警则高亮显示在具体的位置上。
功能指标：包括各单元的批次、牌号，各节点的在线状态，健康状态等信息；
高级排产生产仿真对接：和排产仿真对接，根据不同的资源规划方案，建立多个仿真模型评估各种方案。
功能指标：排产数据
2.3关键设备层面
在数字孪生工厂可视化平台中重点设备管理模块围绕设备监控、设备预警等能力进行专项支撑，通过数字孪生，实现设备作业状态、运行指标的实时监控，进行设备运行状态指标预警、故障监测、健康度评价、数字图纸、备件地图等功能。
| 功能 | 功能描述 |
| 作业状态实时监控 | 实现与实体设备的一对一虚拟映射，实现设备状态远程监控，提升设备管理效能。 |
| 设备运行指标监控 | 通过数字孪生监控系统智能观测工艺质量，实时跟踪流量、水分、热风温度等关键参数的监控。 |
| 设备运行情况及时预警 | 通过数字孪生监控系统智能观测设备，第一时间发现设备故障位置和原因，缩短设备维修时间。 |
| 设备故障预测 | 通过分析设备过去的故障记录、设备状态和运行数据，使用数据挖掘和机器学习技术，对未来可能出现的故障进行预测。 |
| 设备健康度评价 | 通过分析生产设备的性能、可靠性、可用性和维护情况等因素来确定其健康度。采用数据分析、机器学习、特征提取、模型预测等技术，提高生产设备的效率和稳定性。 |
| 数字图纸 | 将集成单机设备和产线设备的二维、三维电子图纸、设备维修保养过程中的运维文档，实现线上查看，提供运维过程中的技术支持。 |
| 备件地图 | 通过系统记录备件信息，系统中的备件信息可以进行检索查看。备件地图中可以对备件信息进行管理，包括备件名称、备件型号、备件类型、备件所在库位、备件替代品等信息。 |
