□ 靳建峰，王 琳

(1.河南高新環(huán)保科技有限公司，河南 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)字孿生作為實現(xiàn)虛實映射的信息技術(shù)，對推動全球制造業(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)鏈中可以實現(xiàn)在采購、倉儲、生產(chǎn)加工、運(yùn)輸、銷售等多個環(huán)節(jié)的虛實結(jié)合，農(nóng)產(chǎn)品實際運(yùn)作流程和虛擬場景的精準(zhǔn)映射方便了供應(yīng)鏈節(jié)點組織對農(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、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)提供巨大的價值。

1 文獻(xiàn)綜述

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，需要解決信息不對稱的問題[2-3]。汪毅等認(rèn)為消費者對農(nóng)產(chǎn)品安全問題不夠了解且意識淡薄，需要促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化，實現(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)字孿生可以實現(xiàn)實際場景與虛擬模型之間的虛實精準(zhǔn)映射與交互反饋，從而通過對數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)進(jìn)行分析，規(guī)劃對應(yīng)的方案，反饋到物理實體，按照規(guī)劃方案進(jìn)行運(yùn)作，形成一個閉環(huán)，實現(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)計并構(gòu)建了配送過程的數(shù)字孿生模型，以實例演示了數(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，并提出倉儲全生命周期的數(shù)字化孿生[9-10]。

2 基于數(shù)字孿生的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系構(gòu)建

2.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

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)主要由實體層、感知層、傳輸層、應(yīng)用支撐層和服務(wù)層五個層面構(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)點的倉庫、場地等。通過機(jī)器測量或者人工輸入物理實體的幾何尺寸、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)，同時物理實體對數(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)上對農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的物理實體的數(shù)據(jù)的獲取和感知。對于固定的數(shù)據(jù)，如物理實體的空間布局、尺寸大小、顏色、地理位置等信息，通過智能感應(yīng)器進(jìn)行測量獲取。對于隨著農(nóng)產(chǎn)品各階段流程運(yùn)作的變化而改變的動態(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)行實時的數(shù)據(jù)傳輸。對于復(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)備將物理實體的實時數(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、銷售信息等。根據(jù)細(xì)分的信息構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息的共享。通過對虛擬空間的不斷優(yōu)化，以及對實體空間物理實體的反饋，保證農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系的效率不斷提高。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系

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)集中采購或者通過零售商銷售到消費者手中。在整個供應(yīng)鏈運(yùn)作中，數(shù)字孿生供應(yīng)鏈管理平臺通過數(shù)字孿生體虛擬運(yùn)行可視化進(jìn)行同步實時監(jiān)控，對中間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、應(yīng)急預(yù)測、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

通過對物理實體進(jìn)行仿真模型設(shè)計，構(gòu)建數(shù)字孿生體，對實際流程進(jìn)行模擬，完成方案選擇。實際操作按模擬方案進(jìn)行，并且同步傳輸實際操作數(shù)據(jù)，更新數(shù)字孿生體運(yùn)行模型，與實際情況保持一致，進(jìn)行信息反饋，不斷迭代優(yōu)化方案。

3 基于數(shù)字孿生的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈各流程功能實現(xiàn)

3.1 采購階段數(shù)字孿生實現(xiàn)與功能分析

我國農(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，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，不能保證長期供應(yīng)，且價格波動較大。因此，企業(yè)在采購農(nóng)產(chǎn)品時要能夠?qū)Ξa(chǎn)地價格、物流成本、消費需求的變化及時作出反饋。在采購階段，數(shù)字孿生模型要從采購成本、地區(qū)特點、供應(yīng)周期、歷史采購數(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，做出可行性實驗?zāi)M，結(jié)合實際數(shù)據(jù)反饋，不斷進(jìn)行優(yōu)化，提供新的優(yōu)化采購方案。

對農(nóng)產(chǎn)品、經(jīng)銷商、個體農(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，人工輸入等對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量進(jìn)行虛擬模型的仿真，評估農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及預(yù)測農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將農(nóng)產(chǎn)品實時消耗信息、配送中心及倉庫的儲存信息、消費者需求信息上傳到數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)庫，預(yù)測市場的需求量。最后結(jié)合預(yù)測量與實際數(shù)據(jù)選出可行的采購方案，同時本次錄入數(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)。

3.2 生產(chǎn)加工階段數(shù)字孿生實現(xiàn)與功能分析

對加工車間，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，實時傳輸車間數(shù)據(jù)，對農(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，對實際生產(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)驗及能力，管理存在智能化不足，人力、物力、資金損耗。面對這些問題，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工時，需要對生產(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、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。

3.3 倉儲階段數(shù)字孿生實現(xiàn)與功能分析

對倉儲貨位、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，攝像頭等保證實時數(shù)據(jù)的傳輸。通過倉庫全體資源的虛擬映射，對倉庫每個貨架、貨位、存儲的數(shù)量和儲存產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行全息的景象映射。對倉庫的溫度、濕度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證良好的環(huán)境。同時根據(jù)倉庫的出入庫數(shù)據(jù)、現(xiàn)有庫存的統(tǒng)計信息，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)，針對市場的波動做出自動補(bǔ)貨或出庫的決策模擬，提供倉儲方案優(yōu)化設(shè)計、倉庫設(shè)計規(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，因此需要提高倉儲的規(guī)范性以及加大倉儲質(zhì)量的監(jiān)管力度。同時，因為生鮮農(nóng)產(chǎn)品具有特殊性，在價格和經(jīng)濟(jì)上極易波動，因此供應(yīng)商要對農(nóng)產(chǎn)品的庫存做出比較合理的預(yù)測。數(shù)字孿生模型應(yīng)該能對農(nóng)產(chǎn)品的倉儲質(zhì)量做出監(jiān)管與評估，保證農(nóng)產(chǎn)品出庫質(zhì)量，對貨物倉庫貨位進(jìn)行管理便于盤點倉儲數(shù)量，以及通過將生鮮農(nóng)產(chǎn)品價格和市場需求等數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)相結(jié)合來模擬庫存數(shù)量，保障倉儲合理。

3.4 運(yùn)輸階段數(shù)字孿生實現(xiàn)與功能分析

對車輛信息、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、運(yùn)輸路線的規(guī)劃等，實際運(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)品配送車輛的動態(tài)信息，通過智能感控器、數(shù)據(jù)檢測設(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，虛擬與實際結(jié)合，不斷進(jìn)行反饋。

對于農(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)品對運(yùn)輸環(huán)境的要求各有不同，對溫度、濕度、空間具有比較高的要求。但是我國當(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，根據(jù)配送訂單對運(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)的實時傳輸，進(jìn)行智能決策，對產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管與對車輛的反饋，降低損耗。

3.5 銷售與售后階段數(shù)字孿生實現(xiàn)與功能分析

農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的實時傳輸可以使供應(yīng)鏈其他組織節(jié)點及時獲取信息，以便做出評估與決策，實現(xiàn)對整個供應(yīng)鏈的信息掌控。同時記錄本次數(shù)據(jù)，存儲到數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)進(jìn)行信息追溯，若消費者買到的農(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)品各個階段的流程提供可視化的服務(wù)，同時消費者還可了解產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)加工時間、運(yùn)輸時間等信息，實現(xiàn)透明化服務(wù)，增加消費者的信任度。

對于銷售階段，農(nóng)產(chǎn)品線下與線上渠道銷售量均逐年增長，消費者關(guān)心的是農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與品質(zhì)，因此消費者對農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)時間、加工時間等比較關(guān)心。對于售后階段，消費者擔(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)，對農(nóng)產(chǎn)品的追溯進(jìn)行管理優(yōu)化，保障銷售商與消費者權(quán)益。

4 結(jié)論

智慧供應(yīng)鏈?zhǔn)枪?yīng)鏈發(fā)展的大趨勢，而我國農(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。本文通過對國內(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、銷售商以及消費者提供巨大的價值，提升農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率與智能化水平。