數(shù)字孿生技術(shù)在電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理中的應(yīng)用

趙 葉 李文院 涂瀟波 佘 帆 翁劍鋒

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司物資分公司，福建 福州 350003)

1 概述

《國(guó)家電網(wǎng)有限公司關(guān)于開展2022年實(shí)物資源管理再提升專項(xiàng)行動(dòng)的通知》提出，以“倉(cāng)儲(chǔ)資源一盤棋、物流配送一張網(wǎng)、實(shí)物資源一本賬”為目標(biāo)，進(jìn)一步統(tǒng)籌全量實(shí)物資源，推動(dòng)實(shí)物資源盤活利用，高效保障電網(wǎng)物資供應(yīng)。目前，電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理面臨著智慧調(diào)控能力不足、資源統(tǒng)籌能力尚有欠缺等挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)基于傳感網(wǎng)絡(luò)獲取海量狀態(tài)數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中構(gòu)建孿生模型，進(jìn)一步推演與預(yù)測(cè)，反作用于物理實(shí)體，能夠?yàn)殡娏ξ镔Y倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理提供有效支撐。本文在歸納總結(jié)電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入分析數(shù)字孿生技術(shù)的典型特征，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用于示范項(xiàng)目，為進(jìn)一步深化研究及推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理現(xiàn)狀

電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理是指對(duì)電力企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)所需的各類物資儲(chǔ)備過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)劃、組織和控制等管理行為[1]。利用預(yù)先儲(chǔ)備的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)建設(shè)物資，可有效提高企業(yè)效率，更好地保障電力供應(yīng)；但過(guò)量的儲(chǔ)備物資將帶來(lái)昂貴的經(jīng)濟(jì)成本和人力成本。電力儲(chǔ)備物資種類繁多，設(shè)備專業(yè)性強(qiáng)且關(guān)聯(lián)度高，物資需求具有較大的波動(dòng)性與突發(fā)性，這些因素都將加劇電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理的復(fù)雜度。本文將從倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)信息化兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)階段電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2.1 倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)耗時(shí)耗力

目前，絕大部分倉(cāng)庫(kù)仍存在倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備設(shè)施老舊、標(biāo)準(zhǔn)化管理水平滯后等問(wèn)題，導(dǎo)致倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作時(shí)間長(zhǎng)。在出入庫(kù)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，依賴倉(cāng)儲(chǔ)工作人員進(jìn)行半機(jī)械化的物資搬運(yùn)，并且物資驗(yàn)收與人工單據(jù)審核相互獨(dú)立，極大可能出現(xiàn)賬物不一致；在貨位分配及貨物倉(cāng)位關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)，需由倉(cāng)儲(chǔ)工作人員結(jié)合倉(cāng)庫(kù)實(shí)際人工分配，手動(dòng)記錄關(guān)聯(lián)；在定期盤點(diǎn)環(huán)節(jié)，依賴人工一一核對(duì)，倉(cāng)儲(chǔ)工作效率顯然不高。

2.2 倉(cāng)儲(chǔ)信息化水平不高

目前倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)電子化、業(yè)務(wù)流程云審批還未完全實(shí)現(xiàn)，部分倉(cāng)庫(kù)仍采用“手工賬”的方式進(jìn)行物資出入庫(kù)管理。同時(shí)由于倉(cāng)庫(kù)產(chǎn)權(quán)和管轄權(quán)的問(wèn)題，省物資部門難以構(gòu)建全省實(shí)物資源數(shù)據(jù)池，無(wú)法統(tǒng)籌管理調(diào)度，物資庫(kù)存一本賬管理實(shí)施難度大。

3 數(shù)字孿生技術(shù)典型特征

數(shù)字孿生的概念始于航天軍工領(lǐng)域。美國(guó)密歇根大學(xué)Michael Grieves教授在2003年首次提出數(shù)字孿生的概念，隨著美國(guó)航空航天局、通用電氣、西門子、ABB集團(tuán)等企業(yè)廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)已擴(kuò)展到了工業(yè)制造、城市規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域[2-5]。數(shù)字孿生技術(shù)是一種數(shù)字化理念和技術(shù)手段，通過(guò)采集物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字孿生模型，進(jìn)而在數(shù)字空間進(jìn)行推演預(yù)測(cè)，反作用于物理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。相比現(xiàn)有的數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字孿生具有以下四個(gè)典型特征[6]。

3.1 虛實(shí)映射

根據(jù)物理實(shí)體和行為邏輯，在數(shù)字空間構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字化表示，包括模型、行為邏輯、業(yè)務(wù)過(guò)程、狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字孿生體雙向映射、數(shù)據(jù)連接、狀態(tài)交互。

3.2 實(shí)時(shí)同步

數(shù)字孿生體匯集實(shí)時(shí)傳感多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，覆蓋了環(huán)境數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等，可動(dòng)態(tài)反映物理實(shí)體的狀態(tài)變化。

3.3 共進(jìn)演進(jìn)

數(shù)據(jù)孿生的核心是數(shù)據(jù)，并貫穿物理對(duì)象運(yùn)行的始終，數(shù)字孿生體隨著孿生對(duì)象生命周期進(jìn)程而不斷演進(jìn)更新。

3.4 閉環(huán)優(yōu)化

數(shù)字孿生利用大量的歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合智能算法模型，通過(guò)在數(shù)字空間進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，為實(shí)體對(duì)象的指令下達(dá)、過(guò)程優(yōu)化提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體決策優(yōu)化的閉環(huán)[7-8]。

4 基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系

為解決現(xiàn)階段電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理存在的問(wèn)題，本文引入數(shù)字孿生技術(shù)，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系。圍繞物資倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)全業(yè)務(wù)，整合系統(tǒng)內(nèi)外業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源，以信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化特征為目標(biāo)，摸索物資倉(cāng)儲(chǔ)全業(yè)務(wù)狀態(tài)跟蹤及調(diào)度監(jiān)控新模式，運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，共生更多綜合性、跨專業(yè)的分析知識(shí)，優(yōu)化倉(cāng)儲(chǔ)資源利用效率，節(jié)約人力成本。

4.1 體系架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系架構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層次，其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系架構(gòu)

感知層是智慧管理體系的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。應(yīng)用智能傳感模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，獲取庫(kù)內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及人員、車輛的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。感知層包括遍布整個(gè)庫(kù)區(qū)的各種環(huán)境傳感器、視頻監(jiān)控、RFID讀寫器、GPS接收器、智能移動(dòng)終端等信息采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境、市政基礎(chǔ)設(shè)施、公共場(chǎng)所、車輛道路、建筑物、生產(chǎn)場(chǎng)地等信息的采集，為電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理提供廣泛而真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)層是智慧管理體系的數(shù)據(jù)通道。感知層各類智能化傳感設(shè)備接入平臺(tái)存在語(yǔ)言不通、操作系統(tǒng)不同、通信協(xié)議不同等問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)層需適應(yīng)多語(yǔ)言、多操作系統(tǒng)不同終端設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)通信需求，并保證通信安全性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，并提供感知數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理功能。

應(yīng)用層是智慧管理體系的智慧大腦。通過(guò)元數(shù)據(jù)規(guī)范和統(tǒng)一轉(zhuǎn)換格式，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，打破異構(gòu)數(shù)據(jù)和跨專業(yè)數(shù)據(jù)的壁壘，實(shí)現(xiàn)橫向跨專業(yè)、縱向不同層級(jí)間的數(shù)據(jù)共享、分析挖掘和融通需求。對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行“通盤考慮、優(yōu)化統(tǒng)籌”，實(shí)現(xiàn)物資需求預(yù)測(cè)、物資調(diào)撥、物流協(xié)同調(diào)度、配送路徑優(yōu)化等復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字化智能決策，通過(guò)智能量化決策和精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，提升倉(cāng)儲(chǔ)管理決策水平。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 倉(cāng)儲(chǔ)全域感知

對(duì)設(shè)備進(jìn)行全域全量數(shù)字化標(biāo)識(shí)，開展規(guī)范的編碼設(shè)計(jì)和建立規(guī)范的數(shù)字化標(biāo)識(shí)體系是在數(shù)字空間中區(qū)分實(shí)體身份的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)與設(shè)備作業(yè)一一映射的基礎(chǔ)。匯聚各類物聯(lián)感知設(shè)備數(shù)據(jù)，融合物聯(lián)網(wǎng)智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)人員、車輛、事件、設(shè)備、環(huán)境等全要素狀態(tài)的全面采集、精準(zhǔn)反應(yīng)和智能感知，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)資源智能監(jiān)測(cè)、全域感知。

4.2.2 物理數(shù)字融合建模

匯集倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，融合視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等，統(tǒng)計(jì)實(shí)物資源及各區(qū)域分布情況。利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行3D建模，對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境進(jìn)行等比例還原，創(chuàng)建數(shù)字孿生三維倉(cāng)庫(kù)(虛擬庫(kù)房)集群，直觀映射庫(kù)區(qū)、人員、設(shè)備等元素的詳細(xì)信息，生動(dòng)形象展現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)及內(nèi)含實(shí)體資源的空間分布、狀態(tài)信息。將倉(cāng)庫(kù)、倉(cāng)位存儲(chǔ)的物資對(duì)應(yīng)到數(shù)字孿生模型并實(shí)時(shí)加載展示，實(shí)現(xiàn)物料編碼與物料位置之間的快速精準(zhǔn)定位。支持可視化的業(yè)務(wù)操作，可在虛擬倉(cāng)庫(kù)界面通過(guò)便捷直觀的點(diǎn)擊拖拽功能，完成庫(kù)內(nèi)物資上下架、移庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、項(xiàng)目物資出庫(kù)配送等各項(xiàng)業(yè)務(wù)操作，提升集中調(diào)度的操作便捷性。

4.2.3 人機(jī)協(xié)同交互

以往物資倉(cāng)儲(chǔ)管理人員對(duì)物資管理調(diào)度配送主要取決于自身的經(jīng)驗(yàn)積累和線下臺(tái)賬，而隨著儲(chǔ)存物資種類、數(shù)量的增長(zhǎng)及對(duì)物資供應(yīng)時(shí)效的要求不斷提高，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理人員的響應(yīng)速度有了更高的要求。借助數(shù)字孿生技術(shù)，整合倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)有多源、異構(gòu)、海量倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提供豐富的可視化分析手段，結(jié)合專業(yè)分析算法和數(shù)據(jù)模型，按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行多維度并行分析；支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、態(tài)勢(shì)歷史回溯等數(shù)據(jù)分析，輔助倉(cāng)儲(chǔ)管理人員對(duì)電力物資儲(chǔ)備、配送等場(chǎng)景進(jìn)行分析與判斷。

4.3 示范應(yīng)用

福建電力福州中心庫(kù)著眼于實(shí)際并考慮未來(lái)業(yè)務(wù)接入，應(yīng)用本文所提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系方法，在庫(kù)區(qū)5G信號(hào)全覆蓋的情況下，打造基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)及配套現(xiàn)代物流設(shè)備設(shè)施，結(jié)合物資流、實(shí)物流、車流、人流等綜合信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、雙向互動(dòng)，內(nèi)部庫(kù)容利用率實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、出入庫(kù)貨位智能動(dòng)態(tài)分配、物資智能調(diào)度、精準(zhǔn)定位。

4.3.1 倉(cāng)儲(chǔ)三維虛擬建模

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建模以物理模型為主，基于物理場(chǎng)建模仿真，以“假設(shè)—建?！O(shè)置參數(shù)—仿真—驗(yàn)證”為步驟，通過(guò)物理機(jī)理和運(yùn)行過(guò)程反映設(shè)備信息，但難以將設(shè)備作業(yè)、人員操作歷史數(shù)據(jù)納入物理模型的仿真過(guò)程。福州中心庫(kù)通過(guò)遍布全庫(kù)的各類傳感器、感應(yīng)裝置、智能物流設(shè)備等，采取模型驅(qū)動(dòng)建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)由實(shí)向虛的全要素完整映射。

初始化建模綜合利用實(shí)際感知測(cè)量、設(shè)備三維建模、數(shù)字建模等手段獲取原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合處理，疊加系統(tǒng)建模及動(dòng)態(tài)建模，從而生成三維數(shù)字孿生倉(cāng)儲(chǔ)模型，如圖2所示。

圖2 福州中心庫(kù)三維數(shù)字孿生倉(cāng)儲(chǔ)模型

將物理實(shí)體物流園區(qū)的傳感器數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)派生數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中臺(tái)，并輸入數(shù)字鏡像模型，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、仿真計(jì)算對(duì)模型進(jìn)行迭代更新，實(shí)時(shí)顯示更新的物流園區(qū)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體物流園區(qū)實(shí)時(shí)可視化。

4.3.2 數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備遠(yuǎn)程集中管控

通過(guò)與倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)(Warehouse Control System，WCS)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)視。同時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可在虛擬倉(cāng)庫(kù)界面控制現(xiàn)場(chǎng)智能倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，如堆垛機(jī)、輸送機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(Automated Guided Vehicle，AGV)等，完成物資上下架、物資盤點(diǎn)等業(yè)務(wù)操作。倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)回傳虛擬端發(fā)起的各項(xiàng)業(yè)務(wù)指令，從而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體倉(cāng)庫(kù)和數(shù)字虛擬倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)雙向?qū)\生互動(dòng)。

4.3.3 數(shù)字孿生技術(shù)助力倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)務(wù)輔助決策

利用倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)，分析倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在庫(kù)物資分析、庫(kù)房庫(kù)位分析、實(shí)物庫(kù)存類型分析、物資出入庫(kù)動(dòng)態(tài)分析、庫(kù)存庫(kù)齡分析、物資周轉(zhuǎn)率、結(jié)余退庫(kù)入庫(kù)進(jìn)度、堆場(chǎng)庫(kù)容使用率、退庫(kù)率等指標(biāo)分析及圖形化展示，助力倉(cāng)儲(chǔ)管理人員對(duì)電力物資管理輔助分析與決策。

4.3.4 應(yīng)用成效

采用數(shù)字孿生可視化管理對(duì)倉(cāng)庫(kù)人員、設(shè)備、貨物等進(jìn)行監(jiān)控和管理，改變了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理模式，無(wú)需人工過(guò)多參與，降低人工成本。相比于傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)務(wù)流程，數(shù)字孿生的應(yīng)用可使各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)銜接得更加緊密，顯著提高作業(yè)效率。

5 結(jié)論

本文對(duì)電力物資倉(cāng)儲(chǔ)管理現(xiàn)狀進(jìn)行歸納梳理，分析數(shù)字孿生的典型特征，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力物資倉(cāng)儲(chǔ)智慧管理體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用于示范項(xiàng)目。倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)智能分析涉及業(yè)務(wù)分析、智能算法等多方面，后續(xù)可結(jié)合倉(cāng)儲(chǔ)管理業(yè)務(wù)需求和先進(jìn)的智能算法，持續(xù)挖掘分析倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升電力物資管理智能決策水平。