劉文斌 ，張貴宇 , ，庹先國 *，王耀 ，唐宇欣

1. 四川輕化工大學自動化與信息工程學院（宜賓 644000）；2. 四川輕化工大學人工智能四川省重點實驗室（宜賓 644000）；3. 西南科技大學信息工程學院（綿陽 621010）

隨著新一代信息技術在制造業(yè)的融合和應用，各國相繼提出工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、服務型制造、云制造等制造戰(zhàn)略，推動信息物理系統(tǒng)（CPS）、數(shù)字孿生技術[1]的快速發(fā)展，為實現(xiàn)物理世界與虛擬世界深度融合與交互[2]提供前提條件。數(shù)字孿生技術深受學術界和工業(yè)界關注，各大公司相繼對數(shù)字孿生技術進行應用研究。此外，數(shù)字孿生技術被廣泛應用于交通[3-5]、醫(yī)療[6]、制造業(yè)[7]、智慧城市[8]、服務[9]、航空航天[10-11]等領域。

車間是制造業(yè)生產(chǎn)過程中的基礎單元，要實現(xiàn)智能制造首先應該滿足車間的智能化和數(shù)字化。數(shù)字孿生技術的提出及實現(xiàn)與制造業(yè)車間的融合，為車間生產(chǎn)過程的高效管理提供有效的理論和技術支撐。Grieves等[12]在2003年提出數(shù)字孿生體的概念，其實是物理實體在數(shù)字空間的映射模型。數(shù)字孿生體的本質是在數(shù)字空間構建一個動態(tài)實時反映物理實體當前的狀態(tài)和行為，并能預測該物理實體未來的狀態(tài)和行為的模型，基于此虛擬模型對物理實體及其行為進行仿真、分析、優(yōu)化[13]。數(shù)字孿生模型的構建是實現(xiàn)生產(chǎn)車間智能管控、智能生產(chǎn)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

國外的白酒釀造多采用液態(tài)釀造方式，容易實現(xiàn)機械化、自動化，而國內白酒多采用固態(tài)釀酒工藝，機械化程度僅限于局部環(huán)節(jié)，與全方位機械化還有很大差距，故實現(xiàn)全自動化難度很大[14-15]。中國白酒的固態(tài)釀造工藝操作復雜、要求嚴苛、原料的連續(xù)性差，與液態(tài)、半固態(tài)發(fā)酵工藝相比更難實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。近年來，在“中國白酒158計劃”“中國白酒169計劃”等推動下，白酒企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，對白酒釀造車間的管控問題將更加突出。因此，完善管控優(yōu)化、過程監(jiān)控、設備維護、工藝優(yōu)化、增產(chǎn)降耗、質量管控等要求將有利于提高白酒企業(yè)管理和科技含量水平，促進白酒釀造向自動化和智能化方向發(fā)展，促進白酒企業(yè)向安全、可控、低成本、可循環(huán)的方向發(fā)展。

1 基于數(shù)字孿生的白酒釀造車間系統(tǒng)架構

數(shù)字孿生驅動的白酒釀造車間架構從層次分為應用層、服務層、數(shù)據(jù)層、物理層、模型層、傳輸層。白酒釀造的工藝環(huán)節(jié)主要包括原糧粉碎、拌糧潤糧、入窖發(fā)酵、上甑蒸餾、量質摘酒、攤晾拌曲等步驟，對其完成人員孿生模型、設備孿生模型、物料孿生模型、環(huán)境孿生模型等設計，并根據(jù)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合與交互。基于數(shù)字孿生驅動的白酒釀造車間系統(tǒng)架構。如圖1所示。

圖1 白酒釀造車間系統(tǒng)架構

2 基于數(shù)字孿生白酒釀造車間關鍵要素建模

2.1 基于數(shù)字孿生白酒釀造車間生產(chǎn)要素建模

在白酒釀造過程中，與生產(chǎn)相關的關鍵實體要素包括人員、設備、產(chǎn)品或物料。此外，釀造工藝方法指導生產(chǎn)，現(xiàn)場環(huán)境影響生產(chǎn)，有效監(jiān)控手段實時跟蹤優(yōu)化生產(chǎn)。其白酒釀造車間數(shù)字孿生模型統(tǒng)一描述為：

式中：DTpro為白酒釀造過程數(shù)字孿生模型；DTpe為人員數(shù)字孿生模型；DTeq為設備數(shù)字孿生模型；DTma為產(chǎn)品或物料數(shù)字孿生模型；DTme為釀造方法數(shù)字孿生模型；DTen為環(huán)境數(shù)字孿生模型；DTre為維修數(shù)字孿生模型。

2.1.1 人員孿生建模

在白酒釀造過程中，各部分的操作都與人員有著密切的關系，對設備操作人員、維修人員、物料與產(chǎn)品運輸人員等進行建模是保障白酒正常生產(chǎn)的關鍵要素之一。通過對相關人員位置信息、動作進行監(jiān)控，獲取人員數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，其數(shù)字孿生模型為：

式中：Gper為人員幾何模型；Cloc為相關人員位置信息模型；Cop為人員操作行為模型。對相關人員監(jiān)控所得到視頻圖像信息，可以通過相應圖像識別的方法來獲取數(shù)字孿生空間中位置及行為數(shù)據(jù)。同時，每個人的操作經(jīng)驗、資歷、熟練程度、健康情況等都要考慮到人員孿生模型中，記為Cab，如式（3）所示。

式中：Cab-ex為人員操作經(jīng)驗孿生模型；Cab-qu為人員資質孿生模型；Cab-pro為人員熟練程度孿生模型；Cab-he為人員健康情況孿生模型。

2.1.2 設備孿生建模

在白酒釀造車間可以采集到數(shù)據(jù)的主要設備包括上甑機器人、蒸餾裝置、智能摘酒系統(tǒng)、攤晾機床等，為了更好地完成設備實體向虛擬空間的映射，在建立設備幾何模型時，需了解尺寸、外形、與其他設備的關系等。根據(jù)設備實際運動模式、約束、經(jīng)驗，總結為物理模型、行為模型、規(guī)則模型。因此設備孿生模型定義為式（4）。

式中：Geq為設備幾何模型；Cph為設備物理模型；Cbe為設備行為模型；Cru為設備規(guī)則模型。

2.1.3 產(chǎn)品或物料建模

對于白酒釀造車間白酒產(chǎn)量或酒醅主要關注的是酒醅的位置情況、狀態(tài)信息、白酒的品質情況。其數(shù)字孿生模型為：

式中：Gma為白酒和酒醅的幾何模型；Cpo為白酒運輸、酒醅補料的孿生模型；Cst為白酒產(chǎn)量和酒醅的狀態(tài)模型；Cqu為頭段酒、中段酒、尾酒分段模型。

2.1.4 釀造工藝方法建模

在白酒釀造車間中，釀造工藝方法直接影響白酒的品質。白酒釀造工藝主要有原料處理、出窖、配料和攪拌、蒸酒蒸糧、打量水、攤晾、撒曲、入窖、封窖發(fā)酵。發(fā)酵原酒的質量因地區(qū)、原料、窖池、工藝、技術等因素而相差甚遠[16]。如今，釀酒技術不斷進步，白酒的制造工藝也在不斷改善，但是在不同地區(qū)仍有一定的區(qū)別。其定義模型為式（6）。

式中：Crmt為原料處理方法模型；Cim為配料和攪拌的方法模型；Ctw為蒸酒蒸糧的方法模型；Ccw為打量水的溫度變化模型；Cso為攤晾方式數(shù)字模型；Cs為撒曲量的模型；Ccf為發(fā)酵方法模型。

2.1.5 環(huán)境孿生建模

白酒是經(jīng)過發(fā)酵而產(chǎn)生的，酒的品質會受釀造的氣候和環(huán)境的影響。白酒發(fā)酵使用的是微生物，窖池里面的主要微生物有酵母菌、根霉菌等，這些菌種最適合生長在溫度30～35 ℃之間，當發(fā)酵過程進行時會產(chǎn)生大量熱量，導致窖池溫度變高。如果發(fā)酵在夏季高溫的時候進行，入池發(fā)酵的起步溫度將達到30 ℃以上，最終發(fā)酵溫度會達到40 ℃左右，這樣會導致產(chǎn)生大量的酸，酒的產(chǎn)量就會大幅降低。其定義的數(shù)字孿生模型為式（7）。

式中：Cwe為外界天氣氣候情況模型；Chu為整個白酒釀造車間的濕度模型；Ct-h-a為窖池的溫度、濕度、酸度的數(shù)字孿生模型。

2.1.6 維修孿生建模

白酒釀造車間維修是保障整個生產(chǎn)流程順利進行的關鍵之一，釀造車間結構復雜，維修技術難度大，維修環(huán)境惡劣。維修效率低不僅會造成白酒產(chǎn)量的減少，還有可能導致安全事故的發(fā)生。其定義的孿生模型為式（8）。

式中：C3D為設備關鍵部位的3D模型；Cin為關鍵部位數(shù)據(jù)實時交互接口模型；Cda為維修數(shù)據(jù)模型，Cda= {Cha,Chis}，Cha為損傷數(shù)據(jù)模型，可以通過對設備在線運行監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)，Chis為部件的歷史維修信息模型，可以從維修報告中獲取。

2.2 數(shù)據(jù)采集與獲取

在白酒釀造車間通過獲取設備各個階段相關數(shù)據(jù)以及相關參數(shù)數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以實時檢測相關設備運行情況，從而對設備健康狀況進行推斷。白酒釀酒整個工藝環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)可以分為4類：設備維修數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)、白酒產(chǎn)量與酒醅數(shù)據(jù)。維修數(shù)據(jù)包括上甑機器人維修數(shù)據(jù)、攤晾機床維修數(shù)據(jù)、摘酒系統(tǒng)維修數(shù)據(jù)等，環(huán)境數(shù)據(jù)包括有天氣、濕度、窖池管理系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。設備運行動態(tài)數(shù)據(jù)包含設備本身記錄數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)、運行的軌跡路線。白酒產(chǎn)量與酒醅數(shù)據(jù)包含人工統(tǒng)計數(shù)據(jù)、系統(tǒng)物料管理數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 白酒釀造車間工藝流程數(shù)據(jù)

為實現(xiàn)系統(tǒng)應具備數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、可視化仿真、白酒釀造工藝知識等功能，需要對數(shù)據(jù)進行采集、集成、處理與挖掘。數(shù)據(jù)集成是白酒釀造車間生產(chǎn)過程中收集到的相關數(shù)據(jù)，如相關設備姿態(tài)數(shù)據(jù)、運行的位置信息、溫度、性能指標、維修數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、白酒產(chǎn)量與物料數(shù)據(jù)等。通過傳感器、窖池信息管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等方式實時收集，利用數(shù)據(jù)轉換進行數(shù)字測量。數(shù)據(jù)分析與處理是指白酒生產(chǎn)過程中對實時采集到的數(shù)據(jù)進行清洗、聚合、泛化、離散化、特征選擇等[17-18]操作，提取白酒釀造車間數(shù)字孿生模型所需要的數(shù)據(jù)，利用Hadoop、Apache等軟件處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)流等軟件管理數(shù)據(jù)?？梢暬抡媸菫榱藱z測設備故障、運行狀態(tài)檢測以及安全評估服務。白酒釀造工藝知識是為了在仿真過程中發(fā)生故障實時給生產(chǎn)操作員發(fā)送預警信息，提供安全性評估報告、維修報告、服務報告等。如圖3所示。

圖3 白酒釀造車間數(shù)據(jù)融合與集成框圖

2.3 虛擬白酒釀造車間

數(shù)字空間對白酒釀造車間生產(chǎn)線進行映射，能從多維、多物理實時觀察車間運行情況。數(shù)字空間與實體空間的交互映射有幾個部分：（1）人員，實時映射出人員的身份、所在位置、人員對設備操作等信息，對人員實現(xiàn)可視化管理；（2）設備，釀造設備是整個車間重要的組成部分，任何一個設備出現(xiàn)問題，都會導致整個生產(chǎn)線癱瘓；（3）產(chǎn)品與物料，白酒的產(chǎn)量直接關系到生產(chǎn)效益問題，實時映射能了解生產(chǎn)情況，做出相應調整，獲得利益最大化；物料的輸送及時是關系到其他環(huán)節(jié)按時進行的先決條件，實時映射能保證生產(chǎn)線順利進行，保障生產(chǎn)效率；（4）釀造工藝方法，實時顯示釀造工藝方法能保障工藝穩(wěn)定，控制工況復雜多變等問題；（5）環(huán)境，實時顯示白酒釀造車間環(huán)境參數(shù)信息，了解環(huán)境變化情況，切實保障各工藝環(huán)節(jié)都在合適的環(huán)境下進行；（6）維修系統(tǒng)，通過實時映射對設備的故障部件及系統(tǒng)及時維修，為智能維修提供基礎。

通過物理空間收集到數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間虛擬化人員、設備、產(chǎn)品物料、釀造工藝方法、環(huán)境、維修系統(tǒng)等，對虛擬的模型進行分析，對白酒釀造車間進行智能監(jiān)控，從而達到順利調度、安全運行、智能維修等功能。從多個維度對模型進行初始化，使得數(shù)字孿生模型與車間物理實體相匹配。在數(shù)字空間實現(xiàn)同步初始化，利用數(shù)據(jù)驅動實現(xiàn)技術人員、設備、產(chǎn)品物料、釀造工藝方法、環(huán)境、維修系統(tǒng)進行多維度映射，對數(shù)字空間獲得數(shù)據(jù)進行分析，實時映射，從而實現(xiàn)智能維修、智能生產(chǎn)。數(shù)字空間結構如圖4所示。

圖4 釀造車間數(shù)字空間結構圖

3 基于數(shù)字孿生釀造車間關鍵技術分析

3.1 建模與仿真技術

建模是數(shù)字孿生體進行上層操作的必要條件，是創(chuàng)建數(shù)字孿生模型的核心技術。建模不僅包括對物理實體的幾何結構進行三維建模，也包括對物理實體中設備運行機理、環(huán)境、人員姿態(tài)、設備維修等信息進行數(shù)字孿生建模。數(shù)字孿生模型具有獨特性，不同物理實體將建立不同的數(shù)字孿生模型。對于白酒行業(yè)的數(shù)字孿生模型，主要依靠CAD、Matlab、SOLIDWORKS等建模工具。仿真是驗證數(shù)字孿生模型的一種方法，檢驗模型的正確性和有效性。仿真是將具備確定性規(guī)律和完整機理的模型以軟件的方式來模擬物理實體的一種技術。在建模正確和感知數(shù)據(jù)完整的前提下，仿真可以基本反映物理實體一定時間段的狀態(tài)。

與傳統(tǒng)計算機輔助設計/計算機輔助制造（CAD/CAM）技術相比，多維度的建模需要融合環(huán)境等更多因素，以及溫度、濕度、酸度等多種屬性，保證最大限度地實現(xiàn)模擬現(xiàn)實狀態(tài)。Leu等[19]提出從3D表面獲取數(shù)據(jù)，構建CAD模型，同時與增強現(xiàn)實（AR）技術相結合，提供運動捕捉、力學建模和多動態(tài)渲染等操作，集成了生產(chǎn)系統(tǒng)的設計、規(guī)劃、評估、測試等功能。

3.2 多源數(shù)據(jù)融合技術

數(shù)字孿生驅動白酒釀造車間過程中會產(chǎn)生大量的多源數(shù)據(jù)，為了剔除其中的噪聲數(shù)據(jù)，需將其中各類數(shù)據(jù)進行融合和轉換，如圖5所示。利用數(shù)據(jù)將物理運行生產(chǎn)狀態(tài)映射到數(shù)字空間中，是實現(xiàn)白酒釀造車間安全與控制的基礎。對于白酒釀造車間產(chǎn)生的不同生產(chǎn)數(shù)據(jù)，應該采用不同的融合技術，如機器學習、深度學習處理其中的文本數(shù)據(jù)，利用VAE、零膨脹模型處理小樣本數(shù)據(jù)。處理后的文本數(shù)據(jù)、小樣本數(shù)據(jù)、不平衡數(shù)據(jù)形成多模態(tài)數(shù)據(jù)，將其融合反映生產(chǎn)車間設備運行安全性的多維數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘方式判定車間設備運行的安全性。

圖5 車間設備運行安全性數(shù)據(jù)融合技術

3.3 可視化平臺處理技術

統(tǒng)一平臺有機地融合多維物理建模仿真、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、模型與數(shù)據(jù)融合、動態(tài)數(shù)據(jù)驅動決策等多個模塊，并通過可視化的形式展現(xiàn)出來，可使操作者進行統(tǒng)一處理[20-22]。達索公司[22]依據(jù)數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)驅動、虛實融合等技術建立3D EXPE-RIENCE體驗平臺，此平臺利用知識和專業(yè)技術將所有技術和功能集成到一個統(tǒng)一的數(shù)字化創(chuàng)新環(huán)境中，以實現(xiàn)設計的創(chuàng)新、產(chǎn)品的開發(fā)、仿真、制造、服務等環(huán)節(jié)。

根據(jù)用戶不同的可視化顯示需求，監(jiān)控視角模塊提供不同的視角切換功能，保證系統(tǒng)全面、有效地進行可視化監(jiān)控。通過虛擬相機切換不同角度來獲取不同的觀察角度和圖像，從而實現(xiàn)白酒釀造車間運行狀態(tài)的360°監(jiān)控。白酒釀造車間監(jiān)控效果如圖6所示。

圖6 監(jiān)控效果圖

4 結語

目前，白酒釀造車間對數(shù)字孿生技術體系下的相關技術應用還處于初步探索階段，尚未普及應用。但隨著數(shù)字孿生技術在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、運維等方面運用優(yōu)勢顯著增加，把數(shù)字孿生技術引入白酒行業(yè)指日可待，對增強白酒釀造車間各要素之間的融合，對物理空間和數(shù)字空間、人員孿生體、設備孿生體、物料和產(chǎn)品孿生體、環(huán)境孿生體等之間的交互有著重要意義。數(shù)字孿生的應用十分廣泛，不但充分融合現(xiàn)有的各科學知識來建立模型、數(shù)據(jù)分析，更利用虛擬環(huán)境的仿真來預測未知的場景，不斷推進科技進步，探索更優(yōu)方法，追求創(chuàng)新技術。試驗從對數(shù)字孿生技術的理解及其在白酒釀造車間的應用場景展開闡述，嘗試設計白酒釀造車間的體系架構，并對數(shù)字孿生的關鍵技術展開討論，以引起白酒行業(yè)對數(shù)字孿生技術的關注和思考。