□ 靳建峰,王 琳
(1.河南高新環(huán)??萍加邢薰荆幽?鄭州 450001;2.河南工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,河南 鄭州 450001)
近年來,農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展越來越迅速,大眾對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的服務(wù)要求也越來越高,因此必須對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈進(jìn)行創(chuàng)新來提升農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)水平。數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射的信息技術(shù),對(duì)推動(dòng)全球制造業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展具有重要的意義。把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中可以實(shí)現(xiàn)在采購(gòu)、倉儲(chǔ)、生產(chǎn)加工、運(yùn)輸、銷售等多個(gè)環(huán)節(jié)的虛實(shí)結(jié)合,農(nóng)產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)作流程和虛擬場(chǎng)景的精準(zhǔn)映射方便了供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)組織對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,提供方案規(guī)劃、智能預(yù)測(cè)、輔助決策等功能,提高農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的智能化、信息化水平,使農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率不斷提高,各組織間的協(xié)同配合大大增強(qiáng),從而為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈企業(yè)提供巨大的價(jià)值。
目前,農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展已經(jīng)成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向,將新一代的信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈必將帶來巨大發(fā)展,農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈各級(jí)組織借助信息技術(shù)可以更好地管理農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈產(chǎn)品質(zhì)量隱患表達(dá)是信息共享的關(guān)鍵,需要解決信息不對(duì)稱的問題[2-3]。汪毅等認(rèn)為消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全問題不夠了解且意識(shí)淡薄,需要促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理,完善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督管理體系[4]。同時(shí)需要依靠智慧信息技術(shù),構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)物流協(xié)同模式,實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品物流的集成化,將分散的農(nóng)戶集約化[5]。
數(shù)字孿生技術(shù)隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的信息進(jìn)行整合以及分析處理,為供應(yīng)鏈組織提供供應(yīng)鏈各流程可視化服務(wù)[6]。數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)景與虛擬模型之間的虛實(shí)精準(zhǔn)映射與交互反饋,從而通過對(duì)數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)進(jìn)行分析,規(guī)劃對(duì)應(yīng)的方案,反饋到物理實(shí)體,按照規(guī)劃方案進(jìn)行運(yùn)作,形成一個(gè)閉環(huán),實(shí)現(xiàn)迭代優(yōu)化[7]。鄧建新等將數(shù)字孿生理念融入配送管理系統(tǒng),設(shè)計(jì)并構(gòu)建了配送過程的數(shù)字孿生模型,以實(shí)例演示了數(shù)字孿生配送管理的功能[8]。李思明等認(rèn)為供應(yīng)鏈的優(yōu)化就是流程數(shù)字化的過程,并提出倉儲(chǔ)全生命周期的數(shù)字化孿生[9-10]。
為了保證數(shù)字孿生技術(shù)在該供應(yīng)鏈體系中的應(yīng)用,本文主要對(duì)數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期應(yīng)用的研究進(jìn)行了借鑒,并在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建出了數(shù)字孿生的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)層次架構(gòu)。該架構(gòu)主要由實(shí)體層、感知層、傳輸層、應(yīng)用支撐層和服務(wù)層五個(gè)層面構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
實(shí)體層是農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈過程涉及的所有要素的集合,包括農(nóng)產(chǎn)品、物流車輛、機(jī)器設(shè)備、人力資源、原材料和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的所有組織節(jié)點(diǎn)的倉庫、場(chǎng)地等。通過機(jī)器測(cè)量或者人工輸入物理實(shí)體的幾何尺寸、顏色信息、空間占用、人力資源消耗、運(yùn)行的規(guī)則與狀態(tài)等數(shù)據(jù)可作為構(gòu)建數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)物理實(shí)體對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)出的指令決策等要快速響應(yīng),保持在虛擬空間的同步映射。
感知層是在智能傳感器設(shè)備,數(shù)據(jù)采集設(shè)備,圖片、視頻采集設(shè)備,位置信息設(shè)備,智能終端設(shè)備,人工輸入等的基礎(chǔ)上對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的物理實(shí)體的數(shù)據(jù)的獲取和感知。對(duì)于固定的數(shù)據(jù),如物理實(shí)體的空間布局、尺寸大小、顏色、地理位置等信息,通過智能感應(yīng)器進(jìn)行測(cè)量獲取。對(duì)于隨著農(nóng)產(chǎn)品各階段流程運(yùn)作的變化而改變的動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù),如運(yùn)輸車輛的位置狀態(tài)、運(yùn)行路線、環(huán)境和溫度的數(shù)據(jù)等,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過傳感器設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù),如信息流、資金流、物流的變化則是通過數(shù)字孿生系統(tǒng)及各種軟件進(jìn)行分析搜集進(jìn)行獲取。
傳輸層又叫網(wǎng)絡(luò)層,指利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中,以及將虛擬空間的模擬狀態(tài)傳輸?shù)椒?wù)層。
應(yīng)用支撐層是基于數(shù)字孿生的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐,大致分為數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)以及地理信息服務(wù)系統(tǒng)。應(yīng)用支撐層是數(shù)字孿生數(shù)據(jù)處理的核心,通過各種軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,再反饋到其他需求層,需求層根據(jù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行指令下達(dá)、方案優(yōu)化、智能決策等服務(wù)。
服務(wù)層是于實(shí)體狀態(tài)和虛擬空間,集數(shù)據(jù)整理、模型轉(zhuǎn)化、交互連接等于一體,立足于政府、企業(yè)和消費(fèi)者的角度,遵循農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系的一般流程,細(xì)分供應(yīng)鏈上的各種流通信息,如生產(chǎn)、加工、物流、采購(gòu)、銷售信息等。根據(jù)細(xì)分的信息構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)信息的共享。通過對(duì)虛擬空間的不斷優(yōu)化,以及對(duì)實(shí)體空間物理實(shí)體的反饋,保證農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系的效率不斷提高。
農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地收獲后經(jīng)過農(nóng)戶、合作社、中間商或者直接運(yùn)往批發(fā)商進(jìn)行集中加工處理后,企業(yè)集中采購(gòu)或者通過零售商銷售到消費(fèi)者手中。在整個(gè)供應(yīng)鏈運(yùn)作中,數(shù)字孿生供應(yīng)鏈管理平臺(tái)通過數(shù)字孿生體虛擬運(yùn)行可視化進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)中間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、應(yīng)急預(yù)測(cè)、調(diào)度規(guī)劃、決策仿真或流程模擬來分析優(yōu)化供應(yīng)鏈。
圖2 基于數(shù)字孿生的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系
圖3 基于數(shù)字孿生的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈運(yùn)作機(jī)制
通過對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行仿真模型設(shè)計(jì),構(gòu)建數(shù)字孿生體,對(duì)實(shí)際流程進(jìn)行模擬,完成方案選擇。實(shí)際操作按模擬方案進(jìn)行,并且同步傳輸實(shí)際操作數(shù)據(jù),更新數(shù)字孿生體運(yùn)行模型,與實(shí)際情況保持一致,進(jìn)行信息反饋,不斷迭代優(yōu)化方案。
我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品主要是小農(nóng)生產(chǎn),規(guī)模較小且分散,保鮮處理能力欠缺,在加工、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)容易發(fā)生腐敗,損耗較高。同時(shí),由于農(nóng)產(chǎn)品具有季節(jié)性、周期性、地域性等特征,受自然條件的影響,不能保證長(zhǎng)期供應(yīng),且價(jià)格波動(dòng)較大。因此,企業(yè)在采購(gòu)農(nóng)產(chǎn)品時(shí)要能夠?qū)Ξa(chǎn)地價(jià)格、物流成本、消費(fèi)需求的變化及時(shí)作出反饋。在采購(gòu)階段,數(shù)字孿生模型要從采購(gòu)成本、地區(qū)特點(diǎn)、供應(yīng)周期、歷史采購(gòu)數(shù)據(jù)、物流能力等方面多源數(shù)據(jù)集成共享,進(jìn)行模擬優(yōu)化,做出可行性實(shí)驗(yàn)?zāi)M,結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)反饋,不斷進(jìn)行優(yōu)化,提供新的優(yōu)化采購(gòu)方案。
對(duì)農(nóng)產(chǎn)品、經(jīng)銷商、個(gè)體農(nóng)戶、供需數(shù)據(jù)、產(chǎn)地來源等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,通過智能傳感器設(shè)備,數(shù)據(jù)采集設(shè)備,圖片、視頻采集設(shè)備,智能終端設(shè)備,人工輸入等對(duì)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量進(jìn)行虛擬模型的仿真,評(píng)估農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及預(yù)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將農(nóng)產(chǎn)品實(shí)時(shí)消耗信息、配送中心及倉庫的儲(chǔ)存信息、消費(fèi)者需求信息上傳到數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)庫,預(yù)測(cè)市場(chǎng)的需求量。最后結(jié)合預(yù)測(cè)量與實(shí)際數(shù)據(jù)選出可行的采購(gòu)方案,同時(shí)本次錄入數(shù)據(jù)庫的孿生數(shù)據(jù)可作為后續(xù)迭代優(yōu)化的數(shù)據(jù)。
對(duì)加工車間,生產(chǎn)線設(shè)備,空間布局,人力、物力資源等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,構(gòu)建生產(chǎn)加工流程的數(shù)字孿生體,進(jìn)行流程模擬。車間布置傳感器、攝像頭,實(shí)時(shí)傳輸車間數(shù)據(jù),對(duì)農(nóng)產(chǎn)品貼標(biāo)簽或二維碼化,通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行產(chǎn)品的追蹤,保證生產(chǎn)加工的質(zhì)量。以產(chǎn)成品數(shù)字孿生體為基礎(chǔ),使生產(chǎn)流程在虛擬孿生體上先行模擬,根據(jù)模擬的結(jié)果,對(duì)生產(chǎn)流程或生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),再進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn),數(shù)字孿生體進(jìn)行同步模擬,結(jié)合車間數(shù)據(jù),優(yōu)化生產(chǎn)的流程,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)反饋指令。
農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工階段工作量大,需要大量人員、物資及資金。在生產(chǎn)加工階段比較依賴生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)及能力,管理存在智能化不足,人力、物力、資金損耗。面對(duì)這些問題,農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工時(shí),需要對(duì)生產(chǎn)方案進(jìn)行改進(jìn),使資源調(diào)度管理更合理。因此,在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工階段,數(shù)字孿生模型應(yīng)該具備數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、制定生產(chǎn)方案、流程優(yōu)化的能力。以實(shí)際空間的人力資源、機(jī)器設(shè)備、農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量、生產(chǎn)加工方法數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)系統(tǒng),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,提前模擬生產(chǎn)加工過程,選擇合適的生產(chǎn)方案,使整個(gè)過程不斷迭代,直至最后制訂出資源配置最佳的生產(chǎn)方案,所有數(shù)據(jù)形成數(shù)字孿生數(shù)據(jù),為后續(xù)的迭代優(yōu)化提供參考。
對(duì)倉儲(chǔ)貨位、倉庫空間結(jié)構(gòu)、倉庫設(shè)施設(shè)備等進(jìn)行精確的孿生模擬,同時(shí)倉庫內(nèi)布置溫度、濕度、氣味等智能傳感器,數(shù)據(jù)采集設(shè)備,攝像頭等保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。通過倉庫全體資源的虛擬映射,對(duì)倉庫每個(gè)貨架、貨位、存儲(chǔ)的數(shù)量和儲(chǔ)存產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行全息的景象映射。對(duì)倉庫的溫度、濕度等進(jìn)行調(diào)節(jié),保證良好的環(huán)境。同時(shí)根據(jù)倉庫的出入庫數(shù)據(jù)、現(xiàn)有庫存的統(tǒng)計(jì)信息,結(jié)合以往庫存數(shù)據(jù)以及其他供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)數(shù)據(jù),針對(duì)市場(chǎng)的波動(dòng)做出自動(dòng)補(bǔ)貨或出庫的決策模擬,提供倉儲(chǔ)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、倉庫設(shè)計(jì)規(guī)劃布局等服務(wù)。
生鮮農(nóng)產(chǎn)品由于自身的特性,在倉儲(chǔ)過程中,極易受到倉庫中環(huán)境和微生物等因素的影響,因此需要提高倉儲(chǔ)的規(guī)范性以及加大倉儲(chǔ)質(zhì)量的監(jiān)管力度。同時(shí),因?yàn)樯r農(nóng)產(chǎn)品具有特殊性,在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)上極易波動(dòng),因此供應(yīng)商要對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的庫存做出比較合理的預(yù)測(cè)。數(shù)字孿生模型應(yīng)該能對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的倉儲(chǔ)質(zhì)量做出監(jiān)管與評(píng)估,保證農(nóng)產(chǎn)品出庫質(zhì)量,對(duì)貨物倉庫貨位進(jìn)行管理便于盤點(diǎn)倉儲(chǔ)數(shù)量,以及通過將生鮮農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格和市場(chǎng)需求等數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)相結(jié)合來模擬庫存數(shù)量,保障倉儲(chǔ)合理。
對(duì)車輛信息、運(yùn)輸路線、貨物信息進(jìn)行采集構(gòu)建車輛運(yùn)輸?shù)臄?shù)字孿生體模型,由模型虛擬運(yùn)行進(jìn)行裝車方案的設(shè)計(jì)、運(yùn)輸路線的規(guī)劃等,實(shí)際運(yùn)輸按照模擬方案進(jìn)行運(yùn)輸。在運(yùn)輸過程中通過多種技術(shù)定位地理信息位置,跟蹤農(nóng)產(chǎn)品配送車輛的動(dòng)態(tài)信息,通過智能感控器、數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備等傳輸車輛與農(nóng)產(chǎn)品的信息數(shù)據(jù),保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的有效監(jiān)控,監(jiān)控后的信息傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中。數(shù)字孿生體與車輛同步運(yùn)行,虛擬與實(shí)際結(jié)合,不斷進(jìn)行反饋。
對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品,特別是生鮮農(nóng)產(chǎn)品要求質(zhì)量有保障。不同農(nóng)產(chǎn)品對(duì)運(yùn)輸環(huán)境的要求各有不同,對(duì)溫度、濕度、空間具有比較高的要求。但是我國(guó)當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流體系資源配置不均衡,特別是冷鏈車輛的缺少,影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中損耗高,進(jìn)而導(dǎo)致供應(yīng)商成本增加。因此要求數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)自動(dòng)模擬農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸中可能發(fā)生的情況,做出合理的裝車方案設(shè)計(jì),根據(jù)配送訂單對(duì)運(yùn)輸路線做出規(guī)劃,而且能通過傳感器設(shè)備、視頻圖像采集設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,進(jìn)行智能決策,對(duì)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管與對(duì)車輛的反饋,降低損耗。
農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸可以使供應(yīng)鏈其他組織節(jié)點(diǎn)及時(shí)獲取信息,以便做出評(píng)估與決策,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的信息掌控。同時(shí)記錄本次數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫,以便后續(xù)進(jìn)行信息追溯,若消費(fèi)者買到的農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題,可以追究責(zé)任。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù),把前期采集的數(shù)據(jù)以及圖像信息經(jīng)過數(shù)字孿生處理,為農(nóng)產(chǎn)品各個(gè)階段的流程提供可視化的服務(wù),同時(shí)消費(fèi)者還可了解產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)加工時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間等信息,實(shí)現(xiàn)透明化服務(wù),增加消費(fèi)者的信任度。
對(duì)于銷售階段,農(nóng)產(chǎn)品線下與線上渠道銷售量均逐年增長(zhǎng),消費(fèi)者關(guān)心的是農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與品質(zhì),因此消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)時(shí)間、加工時(shí)間等比較關(guān)心。對(duì)于售后階段,消費(fèi)者擔(dān)心買到的農(nóng)產(chǎn)品存在質(zhì)量差、有損健康安全等問題,同時(shí)又找不到理賠途徑,白白造成損失。因此,數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)應(yīng)能夠通過物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的追溯進(jìn)行管理優(yōu)化,保障銷售商與消費(fèi)者權(quán)益。
智慧供應(yīng)鏈?zhǔn)枪?yīng)鏈發(fā)展的大趨勢(shì),而我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈發(fā)展存在許多問題,如產(chǎn)業(yè)化水平低、信息化智能化水平低、管理方法落后、農(nóng)產(chǎn)品組織分散等,我國(guó)需要引用創(chuàng)新技術(shù),構(gòu)建新的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系來解決這些問題。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的一系列研究和考察,認(rèn)為數(shù)字孿生可以覆蓋農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的各個(gè)流程,因此將數(shù)字孿生
技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈可以為農(nóng)戶、供應(yīng)商、銷售商以及消費(fèi)者提供巨大的價(jià)值,提升農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率與智能化水平。