數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用

尚立新 李常非 桑騰 張新生

1．山東聊城煙草有限公司；2．機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司

本文首先對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)概念、價(jià)值簡(jiǎn)要分析，然后闡述煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)現(xiàn)狀和煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)功能，最后從物料分揀、物料運(yùn)輸、物料存放、存儲(chǔ)管理、安全管理闡述等方面探索數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)模塊中的應(yīng)用，并基于數(shù)字孿生模型闡述煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)、煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)建模、煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)工作流程建模、煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)、煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)AR可視化系統(tǒng)等方面的應(yīng)用前景，為智能倉(cāng)儲(chǔ)管理人員提供參考。

傳統(tǒng)煙草倉(cāng)儲(chǔ)管理容易出現(xiàn)蟲情和霉變等問題，為了保證煙草物料的醇化質(zhì)量，研究人員提出推動(dòng)煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的建設(shè)，引入煙草霉變預(yù)測(cè)模型等方法提高煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理質(zhì)量。其本質(zhì)是加強(qiáng)煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)資源利用率，減少煙草物料進(jìn)出庫(kù)的時(shí)間，以提高煙草物料的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。近年來數(shù)字孿生模型逐漸得到人們的重視，該模型對(duì)煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化具有積極作用，本文在此背景下對(duì)數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)的應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 數(shù)字孿生模型

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)概念

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。數(shù)字孿生是個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)價(jià)值

數(shù)字孿生技術(shù)是以物理實(shí)體真實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)為依托，以真實(shí)和仿真模型運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互優(yōu)化為機(jī)制，自運(yùn)行的虛擬空間映射模型，對(duì)大到城市、小到設(shè)備原件的實(shí)物均可虛擬化表示，因此完全可以根據(jù)虛擬模型對(duì)物理資產(chǎn)進(jìn)行管理。其主要價(jià)值體現(xiàn)在描述、分析、診斷、預(yù)測(cè)四個(gè)方面，描述價(jià)值指的是數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)物理資產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化描述，有利于對(duì)物理資產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；分析價(jià)值指的是虛擬化數(shù)字孿生模型可以直接根據(jù)物理資產(chǎn)數(shù)據(jù)分析其中的不足，有利于改進(jìn)物理資產(chǎn)的性能；診斷價(jià)值指的是虛擬化模型能夠?qū)v史數(shù)據(jù)中的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，有利于發(fā)現(xiàn)某些問題的真實(shí)原因；預(yù)測(cè)價(jià)值指的是虛擬化模型能夠在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下預(yù)測(cè)物理資產(chǎn)未來的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，有利于管理人員對(duì)管理策略進(jìn)行優(yōu)化。

2 煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理現(xiàn)狀

2.1 煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)現(xiàn)狀

目前煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)多采用四段式氣調(diào)法對(duì)煙草物料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，四段式氣調(diào)法存在溫度不均衡的缺點(diǎn)，溫度較高的季節(jié)倉(cāng)儲(chǔ)頂部溫度較高，容易導(dǎo)致煙草物料碳化。煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)在四段式氣調(diào)法對(duì)煙草物料參數(shù)的數(shù)據(jù)采集較少，不利于煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)信息化系統(tǒng)的建設(shè)，而且煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)在煙草物料進(jìn)出庫(kù)過程中多采用人工掃碼方式，對(duì)煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)人員的占用率比較高，影響了煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)的維護(hù)管理效果。因此，有些煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)提出建立信息化數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)、傳感器對(duì)煙草物料內(nèi)部溫濕度、煙草物料內(nèi)部氧氣濃度、空氣內(nèi)溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，以提高煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)的智能化管理水平，但是煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)必須對(duì)倉(cāng)間和倉(cāng)儲(chǔ)管理模式進(jìn)行改造，導(dǎo)致煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)并未得到廣泛應(yīng)用。

2.2 煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)功能

目前改造后的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)功能應(yīng)該具備煙草物料包芯監(jiān)控、煙草物料垛內(nèi)監(jiān)控、倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控、蟲情監(jiān)控、預(yù)警、數(shù)據(jù)整理、出入庫(kù)管理等功能。其中煙草物料包芯監(jiān)控可以監(jiān)控各個(gè)煙草物料垛堆溫度在不同時(shí)間段下的變化情況；煙草物料垛內(nèi)監(jiān)控可以監(jiān)控各個(gè)煙草物料垛堆內(nèi)部的溫濕度、氧氣濃度在不同時(shí)間段下的變化情況；倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控可以監(jiān)控各個(gè)倉(cāng)間內(nèi)部和倉(cāng)庫(kù)外的溫濕度在不同時(shí)間段下的變化情況；蟲情監(jiān)控可以監(jiān)控各個(gè)煙草物料垛堆是否存在異常情況；預(yù)警功能可以在發(fā)現(xiàn)異常情況之后將溫濕度、氧氣濃度、蟲情等信息發(fā)送至倉(cāng)儲(chǔ)管理人員手機(jī)端，以便于實(shí)時(shí)查看預(yù)警情況；數(shù)據(jù)整理可以整理出溫濕度、氧氣濃度、蟲情信息隨時(shí)間變化情況，有利于制定更加科學(xué)合理的煙草物料養(yǎng)護(hù)計(jì)劃；出入庫(kù)管理可以通過自動(dòng)掃碼功能賦予不同批次的煙草物料ID信息，每個(gè)ID信息與煙草物料的類型和數(shù)量等信息實(shí)時(shí)同步。

3 數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)的應(yīng)用探索

3.1 煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)模塊

(1)物料分揀。數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用后物料分揀功能可以直接根據(jù)煙草物料ID信息將不同類型的煙草物料送往指定倉(cāng)間存放，這樣即可根據(jù)信息識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)煙草物料自動(dòng)分揀，有利于提高煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理效率。物料分揀主要分為人工分揀和機(jī)器分揀兩種情況，防止分揀系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者機(jī)器分揀失敗。但是無論采用那種分揀情況，信息識(shí)別成功后將倉(cāng)間信息和物料信息匹配，分揀設(shè)備即會(huì)自動(dòng)執(zhí)行貨物分揀指令，同時(shí)完成物料信息錄入工作。物料分揀具體功能實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示：

圖1 物料分揀具體功能實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 The realization process of specific functions of material sorting

(2)物料運(yùn)輸。數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用后物料運(yùn)輸功能可以將分揀完成的煙草物料通過運(yùn)輸設(shè)備傳送至倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域，而倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域的煙草物料也可以通過運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸至分揀區(qū)域以便于后續(xù)出庫(kù)。倉(cāng)間內(nèi)部存儲(chǔ)的煙草物料信息和位置是固定的，每個(gè)倉(cāng)間的貨物運(yùn)輸路徑是固定的，只要確定煙草物料信息和運(yùn)輸倉(cāng)間的信息，即可直接通過系統(tǒng)查詢功能確定該物料的運(yùn)輸路徑，運(yùn)輸路徑確定后運(yùn)輸設(shè)備（穿梭車、傳送帶、機(jī)器人等）即可根據(jù)目標(biāo)定位進(jìn)行自動(dòng)化操作或者人工操作。物料運(yùn)輸具體功能實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示：

圖2 物料運(yùn)輸具體功能實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 The realization process of specific functions of material transportation

(3)物料存放。數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用后物料存放功能在煙草物料運(yùn)輸過程中往往采取先進(jìn)先出原則或者就近原則，若煙草物料能夠存在較長(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)出現(xiàn)蟲情或霉變，則采用先進(jìn)先出原則或者就近原則均可。但是實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)管理過程中在不考慮運(yùn)輸效果的情況下往往采用先進(jìn)先出原則，這樣可以將煙草物料霉變的幾率降至最低，有利于降低煙草物料養(yǎng)護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。物料存放過程中可以將存放時(shí)間相近的煙草物料存放在同一垛位，然后根據(jù)垛位編號(hào)記錄存放的煙草物料入庫(kù)信息即可。

(4)存儲(chǔ)管理。數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用后存儲(chǔ)管理功能主要包括煙草物料定位查詢、庫(kù)存查詢、空位查詢?nèi)蠊δ堋Ｆ渲袩煵菸锪隙ㄎ徊樵冎傅氖菍?duì)不同入庫(kù)時(shí)間的不同煙草物料進(jìn)行查詢，查詢過程中輸入該批次煙草物料的ID編號(hào)即可；煙草物料庫(kù)存查詢同樣輸入對(duì)應(yīng)ID編號(hào)進(jìn)行查詢，存儲(chǔ)管理系統(tǒng)可以直接對(duì)該批次煙草物料的倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)存量、出入庫(kù)量、出入庫(kù)頻率等信息進(jìn)行查詢；煙草物料空位查詢可以根據(jù)煙草物料的出入庫(kù)量、物料類型查詢哪些倉(cāng)間存在空余垛位，這樣可以提高倉(cāng)庫(kù)的補(bǔ)貨效率。

(5)安全管理。數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用后安全管理功能主要包括溫濕度、氧氣濃度、蟲情監(jiān)控、其他等。溫濕度、氧氣濃度、蟲情等因素對(duì)煙草物料質(zhì)量的影響極大，安全管理系統(tǒng)可以通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)各個(gè)倉(cāng)間、各個(gè)垛位的煙草物料信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而其他安全管理監(jiān)控主要目標(biāo)為煙草物料掉落、消防隱患等，這些因素也會(huì)對(duì)煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理安全性造成一定影響。

3.2 基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生模型下煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)主要分為倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)劃設(shè)計(jì)、智能作業(yè)、可視化安防、可視化物流等模塊。其中倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊需要基于數(shù)字孿生模型、倉(cāng)庫(kù)空間數(shù)據(jù)、設(shè)施數(shù)據(jù)構(gòu)建倉(cāng)庫(kù)立體虛擬模型，模擬物料、設(shè)備、人員的移動(dòng)情況，為倉(cāng)儲(chǔ)布局?jǐn)?shù)據(jù)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；智能作業(yè)模塊需要基于數(shù)字孿生模型搭建倉(cāng)庫(kù)（包括設(shè)施設(shè)備、物資）的立體三維模型，通過立體仿真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換，提高作業(yè)效率和準(zhǔn)確率；可視化安防模塊需要通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同步傳感器數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字孿生模型分析倉(cāng)儲(chǔ)管理風(fēng)險(xiǎn)；可視化物流模塊需要將設(shè)備狀態(tài)信息、物料信息轉(zhuǎn)換成更加直觀的可視化數(shù)據(jù)。

3.3 基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)工作流程建模

基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)工作流程分為入庫(kù)和出庫(kù)兩部分。入庫(kù)階段工作流程為入庫(kù)、分揀、運(yùn)輸、存放，入庫(kù)后設(shè)備和機(jī)器人會(huì)對(duì)煙草物料進(jìn)行分揀，將同批次煙草物料放入料箱，然后料箱由傳送帶送入緩沖區(qū)，最后緩沖區(qū)內(nèi)穿梭車在信息系統(tǒng)的指令控制下將料箱送至各個(gè)倉(cāng)間指定垛位；出庫(kù)階段工作流程為運(yùn)輸、分揀、出庫(kù)，穿梭車在信息系統(tǒng)的指令控制下用料箱將煙草物料從垛位運(yùn)出至緩沖區(qū)，緩沖區(qū)直接將料箱放置在傳送帶上到達(dá)分揀區(qū)，分揀區(qū)使用設(shè)備或機(jī)器人將煙草物料取出，最后煙草物料出庫(kù)完成。

3.4 基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)

基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)主要通過工藝規(guī)劃、工藝、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)工作流程、煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)建模進(jìn)行仿真，工藝數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)在各個(gè)系統(tǒng)的調(diào)用下分別實(shí)現(xiàn)溫濕度、氧氣濃度、蟲情監(jiān)控、煙草物料掉落、消防隱患監(jiān)控功能，仿真系統(tǒng)需要將倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸同步仿真鎮(zhèn)客戶端，只要煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、連接與調(diào)度流程與孿生驅(qū)動(dòng)流程完全一致。

3.5 基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)AR可視化系統(tǒng)

基于數(shù)字孿生模型的煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)AR可視化系統(tǒng)架構(gòu)包括3D數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)模型、AR注冊(cè)/定位/顯示、VR顯示、MES及數(shù)采系統(tǒng)通信接口，AR輸出模塊的3D注冊(cè)、視點(diǎn)跟蹤和虛實(shí)融合功能，3D注冊(cè)指建立世界坐標(biāo)系，通過AR識(shí)別方式建立起各個(gè)虛擬物體在世界坐標(biāo)系中的位置，視點(diǎn)跟蹤主要指用戶使用便攜式AR背包時(shí)，跟蹤頭戴攝像頭的位置，實(shí)現(xiàn)正確的虛實(shí)疊加。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字孿生模型在煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)的應(yīng)用能夠提高物料的管理質(zhì)量和效率，數(shù)據(jù)化、信息化、虛擬化、可視化煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)判斷煙草物料是否存在碳化情況，有利于提高煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)的智能化、精細(xì)化管理水平，對(duì)降低煙草智能倉(cāng)儲(chǔ)人力成本和實(shí)現(xiàn)煙草物料進(jìn)出庫(kù)自動(dòng)化具有重要意義。