基于數(shù)字孿生技術(shù)的煙草倉儲管理系統(tǒng)建設(shè)

文 / 邱龍波 何文婕

一、引言

目前采用的倉儲管理系統(tǒng)，通常采用二維圖、表的方式向用戶展示數(shù)據(jù)資源的信息價(jià)值，所表示的信息有限且較為抽象，物理世界與信息世界的交互與共融程度較低，存在頁面分散、信息不直觀、信息量小、操作不便捷的問題。

隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進(jìn)趨勢日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新模式、新業(yè)態(tài)，其中數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為了數(shù)字工廠、智能智造研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。美國最早提出了數(shù)字孿生技術(shù)并將其應(yīng)用于航空領(lǐng)域設(shè)備的健康監(jiān)測和維護(hù)過程中，并將其定義為一個(gè)多物理量、多維度、多概率的仿真過程[1-5]。GE、西門子等公司率先將數(shù)字孿生技術(shù)引入生產(chǎn)制造領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了物理信息與數(shù)字信息的全生命周期融合與交互[6-8]，相繼提出了全生命周期數(shù)字孿生、“數(shù)字化雙胞胎”的概念，并在生產(chǎn)制造領(lǐng)域陶飛等[9-13]系統(tǒng)性研究了數(shù)字孿生國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域等，提出了數(shù)字孿生的五維模型和標(biāo)準(zhǔn)體系，指出數(shù)字孿生車間將會(huì)是一種未來車間運(yùn)行的新模式，并研究了數(shù)字孿生車間的物流信息融合理論與技術(shù)，并闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在推動(dòng)智能制造發(fā)展方面的重要意義。劉大同[14]等歸納了面向復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)和復(fù)雜裝備的智能運(yùn)行和維護(hù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)體系、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢和技術(shù)挑戰(zhàn)等，分析了數(shù)字孿生與其支撐的工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等的相互支撐和相互促進(jìn)的關(guān)系。趙浩然[15]等研究了面向數(shù)字孿生車間的三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控方法，對基于實(shí)時(shí)信息的生產(chǎn)車間三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控方法4個(gè)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，即虛擬車間幾何建模、車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、車間多層次三維可視化監(jiān)控和車間狀態(tài)看板構(gòu)建方法等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。設(shè)計(jì)并開發(fā)了原型系統(tǒng)，通過實(shí)例驗(yàn)證了所提方法的有效性。

以上研究可以發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)的研究正處于起步階段，理論研究較多、落地應(yīng)用較少，主要研究集中在數(shù)字孿生技術(shù)在車間制造方面的應(yīng)用，在物流倉儲方面的研究和應(yīng)用較少。因此，本文在以上研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步聚焦數(shù)字化倉儲，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煙草倉儲管理，構(gòu)建煙草倉儲的數(shù)字孿生平臺，更加實(shí)時(shí)、直觀地呈現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的人員、設(shè)備、物料、環(huán)境及運(yùn)行等方面的信息，輔助管理人員進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和決策。在物流運(yùn)作的前端，運(yùn)用智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等智能技術(shù)和手段來提高物流系統(tǒng)的分析、決策和智能執(zhí)行，從而提高物流倉儲管理系統(tǒng)的智能和自動(dòng)化水平。

二、基于數(shù)字孿生技術(shù)智慧化物流倉儲總體思路

1.信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種“車間層”、“設(shè)備層”、“控制層”的三層信息化架構(gòu)，通過對車間層環(huán)境、設(shè)備層設(shè)備、控制層的PLC程序進(jìn)行等比例建模，采用智能傳感器獲取車間、設(shè)備以及PLC關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并建立數(shù)字孿生體與設(shè)備的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)物流倉儲的全流程、全時(shí)段、全方位的監(jiān)測與控制。其過程如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧化倉儲實(shí)施思路

“車間層”指車間設(shè)備的數(shù)字孿生體及車間設(shè)備數(shù)字孿生體的參數(shù)信息，包括煙絲庫、成品庫、輔料庫高架庫的數(shù)字孿生體及貨位的數(shù)字孿生體，其中貨位的數(shù)字孿生體采用規(guī)定的編碼標(biāo)識坐標(biāo)信息。

“設(shè)備層”指生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字孿生體及生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字孿生體的參數(shù)信息，包括但不限于穿梭車數(shù)字孿生體、機(jī)器人數(shù)字孿生體、AGV數(shù)字孿生體、堆垛機(jī)數(shù)字孿生體及相應(yīng)設(shè)備數(shù)字孿生體的參數(shù)信息。

“控制層”指根據(jù)實(shí)際車間內(nèi)傳輸?shù)男盘柨刂栖囬g層和設(shè)備層中的數(shù)字孿生體產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，并選擇查看相應(yīng)3D模型的參數(shù)信息，如通過鼠標(biāo)移動(dòng)以第一人稱視角漫游整個(gè)倉儲的模擬景象和分布，查看所對應(yīng)設(shè)備的參數(shù)信息等。

同時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要布置了智能傳感器，通過PLC將智能傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至上位系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)車間層、設(shè)備層的數(shù)字孿生體產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

2.智慧化解決方案

圍繞數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用和倉儲管理需要，提出了集“數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警”功能于一體的智慧化倉儲管理解決方案。

“集中管控”是將三個(gè)自動(dòng)化庫的運(yùn)維管理、計(jì)劃管理、作業(yè)管理、庫存管理、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備啟停等集中在一個(gè)數(shù)字管控中心，遠(yuǎn)程進(jìn)行貨位管理、入庫管理、在庫管理、出庫管理、作業(yè)分析等，通過計(jì)算機(jī)指令調(diào)度車間設(shè)備工作。

“數(shù)字驅(qū)動(dòng)”是指對底層設(shè)備采集的數(shù)據(jù)清洗、處理、分析，并以電子看板的形式在物流管控中心上進(jìn)行展示，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)卷煙成品、卷煙材料以及煙絲的庫存以及貨位分布、計(jì)劃生產(chǎn)等信息，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃和庫存狀況，自動(dòng)制定需求計(jì)劃、配盤計(jì)劃、移庫計(jì)劃等，使倉庫始終處于一個(gè)良好的庫存狀態(tài)。

“智能盤點(diǎn)”是指直接在物流集控中心上進(jìn)行盤點(diǎn)，采用不同的顏色對存放物品的類別、規(guī)格、牌號等信息加以區(qū)分，車間統(tǒng)計(jì)可以輕松地了解在庫物品的存放狀態(tài)，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊要盤點(diǎn)的區(qū)域、貨位，查看相應(yīng)的規(guī)格、牌號、數(shù)量、質(zhì)量等信息，完成精細(xì)化盤點(diǎn)。

“故障預(yù)警”是指生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障情況通過交換機(jī)實(shí)時(shí)傳送至所映射的數(shù)字孿生體中，以閃爍或鳴笛的形式進(jìn)行預(yù)警，中控操作工通過移動(dòng)鼠標(biāo)位置確認(rèn)故障發(fā)生的真實(shí)物理位置、故障初步原因等信息，以語音的方式通知維修工進(jìn)行維修，提高設(shè)備維修的效率。

“防差防錯(cuò)”是指物流集控中心在上位系統(tǒng)完成與MES對接，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)分解、下達(dá)煙絲和輔料配送計(jì)劃以及成品入庫計(jì)劃，與人工制作的工單在數(shù)量邏輯關(guān)系上進(jìn)行自動(dòng)比對，判斷數(shù)量關(guān)系是否匹配，實(shí)現(xiàn)物流工單防差錯(cuò)管理，同時(shí)增加二次防差錯(cuò)確認(rèn)功能，確保物流工單精準(zhǔn)、無誤下達(dá)。

三、技術(shù)應(yīng)用

1.基于webgl技術(shù)的建模過程

本文采用webgl技術(shù)對物流倉儲進(jìn)行建原，webgl技術(shù)的操作使用方便、全程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)三維可視化監(jiān)控，方便發(fā)生異常時(shí)調(diào)閱及追溯，有助于提高故障排錯(cuò)率、提高生產(chǎn)效率，建模過程如圖2所示。

圖2 基于webgl技術(shù)的建模過程

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)層

將數(shù)據(jù)分為業(yè)務(wù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和控制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，其中業(yè)務(wù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括“決策分析、績效評價(jià)、資料管理、計(jì)劃管理、倉儲管理、費(fèi)用管理”六大類數(shù)據(jù)，通過對底層設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上鉆、下鉆、切片，清洗、整理，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)接口上傳至云平臺。控制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括“智能調(diào)度、故障預(yù)警、防差預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)防性維修、溫濕度管控”六大類數(shù)據(jù)，通過智能傳感設(shè)備、邊端設(shè)備采集，包括不限于設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、溫濕度參數(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、控制閾值等數(shù)據(jù)，通過智能傳感設(shè)備和邊端設(shè)備的預(yù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，上傳至云平臺。

（2）應(yīng)用服務(wù)層

云平臺將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分發(fā)、處理，利用圖形軟件制作與車間環(huán)境、設(shè)施、設(shè)備以及關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)字孿生體模型，并賦予相應(yīng)的數(shù)字孿生體模型與物理實(shí)體相同的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體所表現(xiàn)的形狀、結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及空間位置等信息與物理實(shí)體一致。同時(shí)建立數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的映射關(guān)系，驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生體產(chǎn)生物理實(shí)體同步的動(dòng)作，真實(shí)還原物流倉儲現(xiàn)實(shí)作業(yè)場景。

（3）三維交互層

通過鼠標(biāo)切換不同倉儲的不同場景，以第一人稱視角漫游整個(gè)物流倉儲，查看數(shù)字孿生體所對應(yīng)的物理實(shí)體的參數(shù)信息、工作狀態(tài)以及歷史運(yùn)行狀況等信息。通過圖形化管理工具，可以實(shí)現(xiàn)三維模型向橫切面、縱切面二維畫面的轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崟r(shí)展示每一層貨架的貨位信息、商品信息，在線盤點(diǎn)立體庫、密集庫商品存放規(guī)格數(shù)量，并采用抽盤的方式確保數(shù)字孿生體所展示商品的數(shù)量與物理實(shí)體數(shù)量一致，保證帳卡物相符。不同用戶設(shè)置權(quán)限管理，可以有效區(qū)分系統(tǒng)運(yùn)維人員和使用人員的工作職能，為系統(tǒng)運(yùn)維人員提供PLC可視化監(jiān)測界面，實(shí)現(xiàn)物流設(shè)備故障的預(yù)警。

2.查詢效率優(yōu)化提升技術(shù)

數(shù)字孿生場景的應(yīng)用后，工控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量大幅提升，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)頁卡頓、刷新慢等問題，目前服務(wù)器的容量和算力達(dá)不到數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的要求。

通過對西門子PLC查詢效率的研究，現(xiàn)有技術(shù)采用單線程的方式進(jìn)行輪詢，即先將所有待查詢的IP地址放在一個(gè)集合中，然后遍歷這個(gè)集合。當(dāng)查詢IP地址多時(shí)，這種技術(shù)查詢效率較慢。以西門子PLC查詢?yōu)槔?，查詢效率?0個(gè)/秒～200個(gè)/秒，當(dāng)數(shù)據(jù)查詢地址超過100個(gè)時(shí)，這種技術(shù)的查詢效率已經(jīng)非常低。

因此，創(chuàng)新了一種IP組的地址查詢方式。即將所有待查詢的數(shù)據(jù)放置于一個(gè)集合中，然后根據(jù)IP進(jìn)行分組，分成不同的小集合，再對每一個(gè)小集合設(shè)置一個(gè)獨(dú)立線程，每隔一段時(shí)間進(jìn)行遍歷查詢，在上位機(jī)與PLC通訊中，使用TCP 進(jìn)行通訊，最后將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，如圖3所示。這種方式可以大幅提升IP地址的查詢速度，延時(shí)速度達(dá)到10ms以下，相比單線程查詢技術(shù)，效率提高了500%，提高數(shù)字孿生界面加載、渲染速度，提升數(shù)字孿生平臺的流暢性。

圖3 基于IP分組的多線程PLC查詢優(yōu)化

3.虛擬工廠分層設(shè)計(jì)方法

將物流中PLC設(shè)備數(shù)據(jù)在三維場景中進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)化映射，讓三維料箱依照數(shù)據(jù)去一比一對應(yīng)現(xiàn)場的料箱，同步驅(qū)動(dòng)三維作業(yè)流水線，讓全場景細(xì)粒度設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。同時(shí)將立體貨架按照物理實(shí)體進(jìn)行分層，展示每一層貨物的存儲信息，實(shí)現(xiàn)遮擋信息、隱蔽信息的直觀展示。將立體倉庫通過構(gòu)建關(guān)鍵設(shè)備的故障預(yù)警、故障預(yù)測模型，采用紅色標(biāo)記、閃爍報(bào)警和語音報(bào)警的方式，向平臺推送故障發(fā)生的位置、故障原因以及建議解決方案，幫助維修人員快速鎖定設(shè)備故障位置，大幅提升設(shè)備故障的維修效率。

該方法解決了因視覺遮擋造成的信息交互困難，可以直觀地獲取內(nèi)部料箱的數(shù)據(jù)情況，根據(jù)料箱的位置分層處理，單獨(dú)顯示每一層料箱狀況，完成自動(dòng)盤點(diǎn)作業(yè)，確保帳卡物相符。

四、取得成效

項(xiàng)目建設(shè)開始于2020年11月，2022年3月建設(shè)完成。分兩期進(jìn)行建設(shè)，一期主要為監(jiān)控環(huán)境、硬件設(shè)施以及基礎(chǔ)3D可視化的界面建模，二期主要是軟件環(huán)境、數(shù)字孿生監(jiān)控界面以及故障預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)與升級。項(xiàng)目在河南中煙洛陽卷煙廠應(yīng)用。主要成效如下：

一是設(shè)備故障率穩(wěn)步降低。項(xiàng)目完成后，物流設(shè)備故障停機(jī)率由原來的3.94%降低為0.49%，極大提高了自動(dòng)化倉儲的運(yùn)行效率，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

二是質(zhì)量管理能力有效提升。通過與MES系統(tǒng)對接，自動(dòng)分解生產(chǎn)工單下達(dá)物流工單指令，建立煙絲RFID二次防差錯(cuò)機(jī)制等，實(shí)現(xiàn)了全過程的防差錯(cuò)管理，提高了物流倉儲的運(yùn)行質(zhì)量。

三是實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維保障智能化。通過對物流設(shè)備加裝智能傳感器，自動(dòng)采集、分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，研究設(shè)備劣化規(guī)律，構(gòu)建預(yù)測性維修模型等，實(shí)現(xiàn)了事后維修向預(yù)測性維修的轉(zhuǎn)變，大幅提升了設(shè)備的運(yùn)維保障水平，降低了生產(chǎn)時(shí)段設(shè)備故障發(fā)生時(shí)間。

五、結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)物流倉儲管理系統(tǒng)的不足，提出了采用數(shù)字孿生技術(shù)對現(xiàn)有的倉儲管理系統(tǒng)進(jìn)行迭代升級，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)倉儲管理系統(tǒng)界面分散、信息量小、操作不便捷等問題，提升了物流倉儲的信息化、智能化、智慧化水平，構(gòu)建了“集中管控、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能盤點(diǎn)、故障預(yù)警、防差防錯(cuò)”五位一體的智慧化倉儲解決方案，有效促進(jìn)了物流倉儲運(yùn)行效率的提升。