李奇穎，趙 陽，阿孜古麗·吾拉木，張 健，車常通，楊劍鋒，孔維熙，龍小昂

(1.北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司，北京 100043；2.北京科技大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院，北京 100083；3.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；4.中國煙草總公司，北京 100045；5.紅云紅河煙草(集團)有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655001；6.深圳華龍訊達信息技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著我國兩化融合的不斷推進，根據(jù)各自發(fā)展的優(yōu)勢、劣勢、挑戰(zhàn)和機遇等，各行業(yè)企業(yè)不斷建設(shè)形成互聯(lián)網(wǎng)時代的可持續(xù)發(fā)展競爭力，兩化融合在增強企業(yè)價值創(chuàng)造能力、提升行業(yè)綜合發(fā)展水平、助推經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展等方面的績效均已得到顯著發(fā)揮[1-2]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將兩化融合推向了一個新的階段，已成為新一輪工業(yè)革命的戰(zhàn)略制高點和制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的強力抓手。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心載體和關(guān)鍵技術(shù)支撐，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵，是未來制造業(yè)主導(dǎo)權(quán)的戰(zhàn)略必爭。美國、德國、日本、法國、英國等世界主要國家搶抓“再工業(yè)化”與信息化交匯的重要機遇，紛紛出臺工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)戰(zhàn)略[3-5]，著力形成多層次、全方位的政策推進機制，系統(tǒng)促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用推廣，加快推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，搶占新工業(yè)革命制高點。我國也高度重視發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，大力推動新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，加快制造強國和網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)，打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展“智能+”，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能[6]。

煙草行業(yè)作為國民經(jīng)濟的一個重要產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中具有相當(dāng)重要的地位，煙草制造在推動我國信息化和工業(yè)化建設(shè)的進程中具有不可忽視的作用。伴隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，以及消費碎片化、個性化需求的顯著增加，煙草行業(yè)迫切需要進行供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，加快對市場的快速柔性響應(yīng)。為貫徹國家政策、破解行業(yè)難題、促進行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，在工業(yè)和信息化部的指導(dǎo)下，國家煙草專賣局開展了煙草行業(yè)制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合試點工作，首次探索研究煙草行業(yè)基于信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System, CPS)的卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)及創(chuàng)新應(yīng)用，通過數(shù)采、建模、仿真實現(xiàn)工廠數(shù)字化、業(yè)務(wù)模型化、制造虛擬化，打造生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)決策智能化“四化”工廠，探索卷煙智能制造新模式，切實提升卷煙工業(yè)快速響應(yīng)市場、柔性生產(chǎn)制造、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、精益管理增效的能力，形成煙草企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展新優(yōu)勢。

1 卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺成為全球制造業(yè)競爭的新焦點和戰(zhàn)略布局的重要方向，發(fā)達國家行業(yè)龍頭企業(yè)和我國制造業(yè)龍頭企業(yè)、信息通信技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)主導(dǎo)企業(yè)基于各自優(yōu)勢和特點紛紛布局了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，如通用電氣-Predix、西門子-Mind Sphere、樹根互聯(lián)—根云、海爾-COSMOPlat、航天云網(wǎng)-INDICS等。文獻[7]對這些主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行了對比分析，并給出了突破工業(yè)know-how、平臺架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的建議。

在借鑒學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺參考架構(gòu)、功能和價值研究成果的基礎(chǔ)上[8-12]，結(jié)合煙草行業(yè)卷煙制造的實際應(yīng)用需求和已有的自動化和信息化現(xiàn)狀，卷煙廠基于CPS和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)了卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，其架構(gòu)如圖1所示。

該卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺依托智能設(shè)備、傳感器、工業(yè)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，面向設(shè)備、系統(tǒng)、產(chǎn)品、軟件等要素數(shù)據(jù)進行實時采集并上傳至云數(shù)據(jù)倉庫，然后進行模型調(diào)取與仿真，實現(xiàn)狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)，形成平臺級CPS。

1.1 邊緣層

邊緣層包括設(shè)備接入、協(xié)議解析、邊緣數(shù)據(jù)處理(邊緣計算)。其中設(shè)備接入涉及卷包車間、制絲車間、嘴棒車間、物流系統(tǒng)、能管系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的接入；協(xié)議解析采用不同協(xié)議(TCP/IP、Webservice、Opcservice、RS232、控制接口等)進行設(shè)備數(shù)據(jù)采集、交互及存儲；邊緣計算依托單機智能系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)模型自動識別、匹配等大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)單機自治和實時反饋，典型應(yīng)用為設(shè)備防護罩打開、質(zhì)量持續(xù)出現(xiàn)問題需立即自動停機，以及工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整等，實現(xiàn)單元級CPS，同時打通相關(guān)的業(yè)務(wù)流程，打通控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)級CPS。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層(Infrastructure as a Service, IaaS)主要涉及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)功能服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備虛擬化等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施?；隍v訊云私有云平臺實現(xiàn)了存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)等計算機資源的云化處理，根據(jù)需求進行彈性分配，確保資源使用的安全與隔離，為平臺的功能運行、能力構(gòu)建和服務(wù)供給提供完善的云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

1.3 平臺層

平臺層(Platform as a Service, PaaS)包含工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、生產(chǎn)制造仿真系統(tǒng)、基礎(chǔ)硬/軟件管理系統(tǒng)，工業(yè)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)、工業(yè)微服務(wù)組件庫、IT微服務(wù)庫。其中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、生產(chǎn)制造仿真系統(tǒng)采用微服務(wù)的架構(gòu)，具備組件功能和系統(tǒng)功能，既可獨立運用，又能集成應(yīng)用。

1.3.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一方面實現(xiàn)IaaS基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一管理，按實際需求對基礎(chǔ)資源進行管理與調(diào)度，分配實時邊緣計算能力，消除延遲、成本和安全問題；另一方面基于邊緣計算和協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術(shù)接入并廣泛匯聚異布的制絲、卷包、成型、物流等卷煙生產(chǎn)設(shè)備，煙葉、煙絲、商標(biāo)、條盒、嘴棒、成品等原輔料和成品，制絲集控、成型集控、卷包機群、物流系統(tǒng)、能管集控等各類工業(yè)資源，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供經(jīng)過驗證的鏈接，以實時訪問制絲、卷包、成型生產(chǎn)過程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)、物耗數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)。

1.3.2 生產(chǎn)制造仿真系統(tǒng)

生產(chǎn)制造仿真子平臺將生產(chǎn)車間、設(shè)備的整機與零配件、工藝路線進行3D建模，形成數(shù)字孿生車間，物聯(lián)數(shù)據(jù)實時驅(qū)動數(shù)字孿生車間，開展生產(chǎn)前虛擬仿真、生產(chǎn)中實時仿真、生產(chǎn)后回溯仿真、產(chǎn)品全生命周期管理和設(shè)備全生命周期管理。同時，基于微服務(wù)框架和應(yīng)用開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)微服務(wù)組件及工業(yè)APP的發(fā)布、開發(fā)、調(diào)用運行、迭代優(yōu)化。

1.3.3 基礎(chǔ)硬、軟件管理系統(tǒng)

基礎(chǔ)硬、軟件管理系統(tǒng)實現(xiàn)基礎(chǔ)資源(存儲、計算、網(wǎng)絡(luò))的管理與調(diào)度，建立資源隔離機制，解決復(fù)雜系統(tǒng)的運維保障問題，實時監(jiān)控云端應(yīng)用的業(yè)務(wù)量狀態(tài)；基于調(diào)度算法為應(yīng)用程序分配相應(yīng)的底層資源，從而使云端應(yīng)用可以自動適應(yīng)業(yè)務(wù)量的變化。

1.3.4 工業(yè)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

工業(yè)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成分布式存儲、分布式文件系統(tǒng)、對象存儲、檢索查詢、語義標(biāo)注等多種數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)多源海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)注、整理、組織、分類、編碼、存儲、檢索、清洗、異常診斷與預(yù)警，以及可視化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型和查詢接口的一體化管理，保證平臺海量數(shù)據(jù)的獨立性與完整性，并形成數(shù)據(jù)共享與集成的服務(wù)接口，具備大數(shù)據(jù)量吞吐、高并行處理、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合等能力。

1.3.5 工業(yè)微服務(wù)組件庫

對行業(yè)共同需求、高可復(fù)制性的模型、算法等進行總結(jié)和抽象，封裝成具有規(guī)范輸入、輸出的組件，在平臺上匯聚面向工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品追溯、設(shè)備運維等場景的微服務(wù)，提供工業(yè)APP開發(fā)調(diào)用。知識庫主要存儲故障案例、模型知識、經(jīng)驗知識、文檔知識等非結(jié)構(gòu)化知識；算法庫主要存儲各種人工智能算法；標(biāo)準(zhǔn)庫主要存儲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范等；模型庫用來存儲人員模型、工藝模型、部件模型、物料模型，以及針對質(zhì)量、設(shè)備、物耗等方面基于機器學(xué)習(xí)的過程參數(shù)動態(tài)優(yōu)化模型、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)決策模型、煙支物理指標(biāo)統(tǒng)一評價模型等。

數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對卷煙制造設(shè)備和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)企業(yè)人、機、料、法、環(huán)等數(shù)據(jù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上的匯集、分類與共享。在制絲、卷接、包裝、成型設(shè)備數(shù)據(jù)采集方面，平臺內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)接口和通訊協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸功能。在信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方面采用標(biāo)準(zhǔn)接口，實現(xiàn)與企業(yè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接。

數(shù)據(jù)建模將卷煙工廠制絲、卷接、包裝、成型等制造環(huán)節(jié)的人員、設(shè)備、物料、工藝、環(huán)境等要素進行數(shù)據(jù)建模，形成可復(fù)用的人員模型集、工藝模型集、部件模型集、物料模型集等數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)組件，使卷煙廠具備虛實聯(lián)動、模型驅(qū)動生產(chǎn)的能力，為實現(xiàn)企業(yè)的虛擬仿真運行提供技術(shù)支撐。

虛擬仿真在數(shù)據(jù)模型的驅(qū)動下實現(xiàn)包括生產(chǎn)要素、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在內(nèi)的實體車間與虛擬車間的雙向真實映射、同步運行和實時交互，從而在滿足特定目標(biāo)和約束的前提下達到車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)的一種生產(chǎn)運行模式。

1.3.6 應(yīng)用開發(fā)

應(yīng)用開發(fā)工具備模塊化調(diào)用能力，支持模型—視圖—控制器(Model-View-Controller, MVC)模式開發(fā)，且易于配置和發(fā)布成應(yīng)用，提升應(yīng)用開發(fā)效率，避免重復(fù)工作，考慮到工業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜性，開發(fā)工具部分面向底層硬件，部分面向工業(yè)業(yè)務(wù)交互。SpringCloud、Kubernetes、Dubbo等是首要選擇的微服務(wù)框架。

1.3.7 IT微服務(wù)

IT微服務(wù)主要部署了騰訊大數(shù)據(jù)、政務(wù)微信等中間件以及高可用Mysql數(shù)據(jù)庫集群、支持每秒20萬數(shù)據(jù)點并發(fā)存儲的數(shù)據(jù)庫。

1.4 服務(wù)層

服務(wù)層(Software as a Service, SaaS)依托應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和工具，面向卷煙制造全過程、產(chǎn)品全生命周期、設(shè)備全生命周期等應(yīng)用場景，形成仿真、產(chǎn)品追溯、設(shè)備管理等應(yīng)用APP，加速卷煙制造相關(guān)經(jīng)驗、知識的復(fù)用和創(chuàng)新。同時，基于移動架構(gòu)開發(fā)移動應(yīng)用，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備和企業(yè)數(shù)據(jù)域之間數(shù)據(jù)同步，移動后臺服務(wù)與智能設(shè)備配套使用，通過設(shè)計用于支持標(biāo)準(zhǔn)云連接模式的模板，提供與企業(yè)數(shù)據(jù)域的集成，作為管理型微服務(wù)。

1.5 安全管理體系

安全管理體系成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺重要保障，主要包括數(shù)據(jù)安全、平臺安全、訪問安全。運用邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)出口通過工業(yè)防火墻技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)閘技術(shù)等保障數(shù)據(jù)源的安全。在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用加密隧道傳輸技術(shù)，防止數(shù)據(jù)泄漏、被偵聽或篡改。通過平臺入侵實時檢測、網(wǎng)絡(luò)安全防御系統(tǒng)、惡意代碼防護、網(wǎng)站威脅防護、網(wǎng)頁防篡改等技術(shù)實現(xiàn)代碼安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)站安全和訪問安全。

2 卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用

作為資產(chǎn)優(yōu)化平臺，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是制造業(yè)綠色化、服務(wù)化、高端化、智能化升級的重要支撐[13]，直接獲取產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、原輔料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝參數(shù)等，通過對海量歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)、實時運行數(shù)據(jù)的集成、建模、仿真，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測與預(yù)警、生產(chǎn)過程優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維修、產(chǎn)品全生命周期管理等智能化服務(wù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低設(shè)備故障率、降低能耗、拓展價值空間。

卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺匯聚卷煙生產(chǎn)的數(shù)據(jù)、知識、模型、工具、標(biāo)準(zhǔn)、模式、經(jīng)驗，提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模、虛擬仿真、3D可視化、安全保障等方面的微服務(wù)和應(yīng)用開發(fā)、應(yīng)用部署、系統(tǒng)運行的環(huán)境，面向卷煙制造全過程、產(chǎn)品全生命周期、設(shè)備全生命周期，構(gòu)建虛擬化數(shù)字工廠，實現(xiàn)生產(chǎn)前虛擬仿真、生產(chǎn)中實時仿真、生產(chǎn)后回溯仿真，提升資源配置、制造管控、制造創(chuàng)新能力；加強設(shè)備生命周期管理，打通零配件采購、倉儲及設(shè)備運行、維修、培訓(xùn)等全鏈條，實現(xiàn)由定期、應(yīng)急維修轉(zhuǎn)向基于設(shè)備狀態(tài)的預(yù)防性維修，提高設(shè)備使用效率；加強面向產(chǎn)品生命周期的管理和服務(wù)，推進盒、條、件二維碼打碼及標(biāo)識關(guān)聯(lián)，開展卷煙產(chǎn)品追溯應(yīng)用，拓展產(chǎn)品價值空間。

2.1 生產(chǎn)前虛擬仿真

生產(chǎn)前虛擬仿真以優(yōu)化目標(biāo)為導(dǎo)向，通過資源調(diào)整和虛擬仿真優(yōu)化，根據(jù)生產(chǎn)訂單、交貨期、生產(chǎn)工藝、原材料供應(yīng)、安全庫存、設(shè)備產(chǎn)能、物料清單、工作日歷等仿真要素，對人員活動、設(shè)備計劃、物料供應(yīng)能力、工藝流程走向、生產(chǎn)成本等進行仿真測算，輸出預(yù)生產(chǎn)實施方案，解決交貨、成本、產(chǎn)能、庫存、供應(yīng)等仿真要素之間的矛盾，如圖2所示。

圖2為生產(chǎn)前虛擬仿真的運行暫停截圖，圖左側(cè)為生產(chǎn)計劃(分品牌)、生產(chǎn)日歷、設(shè)備檢修輪保安排等，圖右側(cè)為工藝線路和設(shè)備狀態(tài)(按顏色區(qū)分開動、停修、生產(chǎn)品規(guī)等)。

利用生產(chǎn)前虛擬仿真，預(yù)演從原輔料的出入庫到成品產(chǎn)出的制造全過程，優(yōu)化工藝流程、設(shè)備維保計劃、物料供應(yīng)計劃、排產(chǎn)計劃、人員配置計劃、能源計劃等，提升資源配置能力。

利用生產(chǎn)前虛擬仿真實現(xiàn)的工藝線路規(guī)劃，模擬實際生產(chǎn)過程中煙絲輸送路徑及設(shè)備搭配安排，依據(jù)卷包智能排產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)及安排，實現(xiàn)對制絲煙絲輸送設(shè)備與卷包車間設(shè)備之間的煙絲風(fēng)送的自動合理規(guī)劃。

利用生產(chǎn)前虛擬仿真實現(xiàn)的排產(chǎn)計劃，依據(jù)智能排產(chǎn)數(shù)據(jù)規(guī)劃進行產(chǎn)前生產(chǎn)預(yù)演，模擬實際生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中制造短板的搜尋并進行優(yōu)化，形成智能排產(chǎn)→仿真預(yù)演→優(yōu)化反饋→再次智能排產(chǎn)→再次仿真預(yù)演→再次優(yōu)化反饋的循環(huán)，從而使排產(chǎn)計劃更加科學(xué)合理，滿足生產(chǎn)實際。

2.2 生產(chǎn)中實時仿真

通過對生產(chǎn)調(diào)度、工藝質(zhì)量、設(shè)備運轉(zhuǎn)、能源供應(yīng)等方面全方位的感知，運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將實際運行數(shù)據(jù)與預(yù)定義生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史最優(yōu)數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的實時在線監(jiān)控、在線診斷、預(yù)警、預(yù)測，優(yōu)化生產(chǎn)過程，在個別典型生產(chǎn)場景中以實時指令方式對優(yōu)化生產(chǎn)進行探索、驗證，提升生產(chǎn)制造管控能力，如圖3所示。

圖3為卷包車間的實時仿真運行截圖，基于虛擬仿真模型，實時對生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)調(diào)度、工藝質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備運轉(zhuǎn)、能源供給等方面全方位感知，以適時數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真，并對生產(chǎn)過程進行在線診斷、適時控制。提升生產(chǎn)整個現(xiàn)場的管理能力，實現(xiàn)虛擬化管控。

2.3 生產(chǎn)后回溯仿真

基于實際生產(chǎn)過程中所采集的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)模型，以歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用大數(shù)據(jù)診斷、自適應(yīng)優(yōu)化的分析方法，從過程參數(shù)診斷分析、工辦差異性診斷分析、設(shè)備保障性診斷分析、來料準(zhǔn)時性診斷分析、環(huán)境條件變化診斷分析、工藝在線儀器測量系統(tǒng)實時診斷分析等方面挖掘?qū)е庐惓５母驹颍⑴c生產(chǎn)前仿真預(yù)演的結(jié)果進行指標(biāo)比對，對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進行差異評估，尋求改進方法，優(yōu)化生產(chǎn)模型，如圖4所示。

圖4為卷包車間回溯仿真運行截圖，生產(chǎn)結(jié)束后從質(zhì)量、產(chǎn)量、效率等多維度對生產(chǎn)過程建立分析模型并進行仿真，尋找生產(chǎn)過程中的短板、設(shè)備問題、質(zhì)量管控不足之處，從而進行生產(chǎn)過程的優(yōu)化管控。

2.4 產(chǎn)品全生命周期管理

基于標(biāo)簽化的人、機、料、法、環(huán)、測等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)過程中通過實時掃描煙包二維碼，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中制絲、卷包、成型等生產(chǎn)環(huán)節(jié)各個工序段的相關(guān)工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、煙絲來料、批次以及所涉及的人員、設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建卷煙產(chǎn)品全生命周期管理跟蹤服務(wù)，如圖5所示。

通過掃描煙包二維碼實現(xiàn)產(chǎn)品從投料到成品產(chǎn)出的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)還原，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的追溯。

2.5 設(shè)備全生命周期管理

設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)準(zhǔn)確登記設(shè)備及輔備件在生產(chǎn)及更換過程中的詳細(xì)信息，并依據(jù)生產(chǎn)歷史經(jīng)驗建立全生命周期模型，通過三維系統(tǒng)實時顯示和監(jiān)控全生命周期設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備及配件全生命周期的自動化、主動化管理和預(yù)警，如圖6所示。圖6展示了包裝機以及備件的3D模型，同時給出了包裝機以及備件的信息、換件歷史以及紅色預(yù)警、黃色預(yù)警等狀態(tài)信息。

3 應(yīng)用成效

卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用在提質(zhì)增效和降耗節(jié)能方面取得了顯著成效(如圖7)。相比2017年，2018年的設(shè)備綜合利用率和產(chǎn)能利用率分別提高了4.47%和0.5%，庫存資金周轉(zhuǎn)由0.45次/年提升到0.7次/每年，輔料庫存金額同比下降1.13%。相比應(yīng)用平臺前，應(yīng)用平臺后的萬元產(chǎn)值綜合能耗降低30%，平均訂單交貨周期縮短了0.12天。其中：

設(shè)備綜合利用率=設(shè)備效率×設(shè)備利用率×成品率；

產(chǎn)能利用率=實際產(chǎn)能/設(shè)計產(chǎn)能；

庫存資金周轉(zhuǎn)率=一年內(nèi)倉庫發(fā)出物資價值總額/年平均庫存占用的金額；

萬元產(chǎn)值綜合能耗=能源消耗總量(噸標(biāo)準(zhǔn)煤)/工業(yè)產(chǎn)值(萬元)；

平均訂單交貨周期=從接到訂單到完成交付的平均周期。

4 結(jié)束語

本文研究了煙草行業(yè)基于CPS的卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)和應(yīng)用場景，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對制絲、卷接、包裝、成型等生產(chǎn)過程中人員、設(shè)備、物料、方法、環(huán)境(簡稱人、機、料、法、環(huán))等要素進行數(shù)據(jù)采集、建模和仿真，卷煙廠開展了產(chǎn)前資源配置優(yōu)化、產(chǎn)中過程實時監(jiān)控、產(chǎn)后生產(chǎn)優(yōu)化、設(shè)備在線監(jiān)測與預(yù)測性維修、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤與追溯，提高了均質(zhì)生產(chǎn)能力、設(shè)備效率，降低了能耗和故障率。另外，本文實現(xiàn)的生產(chǎn)前虛擬仿真、生產(chǎn)中實時仿真、生產(chǎn)后回溯仿真也是目前其他行業(yè)未實現(xiàn)的，對其他行業(yè)具有借鑒參考意義。在后續(xù)工作中將進一步利用數(shù)據(jù)打通產(chǎn)銷計劃、原輔料供應(yīng)、生產(chǎn)能力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)協(xié)同，提高工藝柔性、設(shè)備生產(chǎn)適應(yīng)能力、在線協(xié)同生產(chǎn)能力，實現(xiàn)個性化定制生產(chǎn)。卷煙制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)與應(yīng)用，對推動卷煙制造轉(zhuǎn)型升級、重塑卷煙制造競爭優(yōu)勢具有重要意義。