張 雨，王 新，施嘉敏

（鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

隨著數(shù)字經(jīng)濟時代的到來，區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)正在提升各個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。我國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃》要求開展“上云用數(shù)賦智”行動，構(gòu)建實體經(jīng)濟、科技創(chuàng)新、現(xiàn)代金融、人力資源協(xié)同發(fā)展的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系。電力企業(yè)是國家戰(zhàn)略實施的保障單位，正在“一體四翼”發(fā)展布局下，建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。江蘇省的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃》將智能電網(wǎng)列入“531”產(chǎn)業(yè)鏈目錄，要求優(yōu)化電網(wǎng)主網(wǎng)架和跨區(qū)域輸電通道，提高能源系統(tǒng)供應(yīng)可靠性和安全保障能力，進一步賦能我國新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)，助力推進著我國各行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。作為電力企業(yè)物資供應(yīng)重要環(huán)節(jié)的自動化立體倉庫，借助新技術(shù)進行物理信息融合，實現(xiàn)智能倉儲，這對于提升電力企業(yè)的安全供給和智能響應(yīng)水平而言至關(guān)重要。

1 數(shù)字孿生的產(chǎn)生與理解

數(shù)字孿生技術(shù)為立體倉庫的物理信息融合提供了實現(xiàn)的可能。孿生之詞起源自NASA的“阿波羅計劃”，數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念于2003年由美國密歇根大學的Grieves教授在產(chǎn)品生命周期課程中首次提出，并于2005年以“鏡像空間模型”的方式再次討論。2010年NASA將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于飛行器健康管控中，以延長其使用壽命。2014年，數(shù)字孿生白皮書問世，意味著數(shù)字孿生正走向成熟。2017年，中國科協(xié)智能制造學術(shù)聯(lián)合體在世界智能制造大會上將數(shù)字孿生列為世界智能制造十大科技進展之一。2018年，西門子與Bentley軟件公司共同為制造領(lǐng)域的工廠提供數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)在物理現(xiàn)實與工程數(shù)據(jù)之間的同步，從而提升其運營效率及可靠性。此后，數(shù)字孿生逐漸成為近些年的熱點詞，并廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星／空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫(yī)療、制造車間、智慧城市等領(lǐng)域。對于數(shù)字孿生的理解，Grieves等提出：數(shù)字孿生的實質(zhì)是實現(xiàn)數(shù)字信息系統(tǒng)與物理實體系統(tǒng)之間的相互映射關(guān)系；中國北航數(shù)字孿生技術(shù)團隊認為數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為規(guī)則等。

可見，數(shù)字孿生技術(shù)可以借助數(shù)據(jù)建立物理實物與虛擬模型之間的映射，并在數(shù)據(jù)的驅(qū)動下與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合，為各類使用者提供降本增效等的服務(wù)功能，特別是能幫助電力企業(yè)的自動化立體倉庫多維度提升“安全供給、智能響應(yīng)”的管理水平。

2 基于數(shù)字孿生五維模型的電力自動化立體倉庫系統(tǒng)模型

自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組織部分，集成了倉儲、精準控制、計算機信息管理等技術(shù)，利用十幾層乃至幾十層的貨架儲存貨物，實現(xiàn)高效率自動化存取的倉庫。采用數(shù)字孿生技術(shù)進行電力自動化立體倉庫的“設(shè)計規(guī)劃、建設(shè)、遠程運維、優(yōu)化改進、升級換代”可進一步提升電力企業(yè)系統(tǒng)的物資倉儲管理水平。

電力立體數(shù)字孿生倉庫落地與應(yīng)用的首要任務(wù)是創(chuàng)建自動化立體倉庫的數(shù)字孿生模型。2019年，陶飛教授的團隊結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的新趨勢與新需求，在Grieves教授最初定義的三維模型的基礎(chǔ)上，進行了擴展并增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個新維度，創(chuàng)新性的提出了“數(shù)字孿生五維模型”概念。將此模型運用于電力立體倉庫可得其數(shù)字孿生五維模型，即M=(PE,VE,Ss,DD,CN)，其中：PE表示電力立體倉庫的物理實體，VE表示電力立體倉庫的虛擬實體，Ss表示電力立體倉庫的服務(wù)，DD表示電力立體倉庫的孿生數(shù)據(jù)，CN表示電力立體倉庫各組成部分間的連接，具體的電力數(shù)字孿生倉庫系統(tǒng)五維模型如圖1所示。

圖1 電力自動化立體倉庫數(shù)字孿生五維模型

PE是電力數(shù)字孿生立體倉庫的構(gòu)成基礎(chǔ)，按功能及結(jié)構(gòu)可分為單元級PE、系統(tǒng)級PE、復雜系統(tǒng)級PE三個層次。單元級PE是電力立體倉庫中中最小的實物單元，如：立體貨架、AGV、堆垛機、行吊、無人叉車、車輛、各種類的電力倉儲物資等；系統(tǒng)級PE是根據(jù)電力物資的倉庫管理過程，由設(shè)備組織完成的特定的倉儲管理的工作任務(wù)，如：出入庫、移庫、自動裝卸、門戶管理、統(tǒng)計分析、現(xiàn)場管理等；復雜系統(tǒng)級PE是一個包括了電子立體倉庫物料流、能量流與信息流的綜合且復雜系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運作，如：安防、消防、出入庫系統(tǒng)等。

VE是電力數(shù)字孿生立體倉庫的核心，按其應(yīng)用范圍可分為建模模型VE與仿真模型VE兩類。建模模型VE描述了PE的“形狀、質(zhì)感、尺寸、位置、結(jié)構(gòu)、電磁場、與其他建模模型VE銜接關(guān)系等”三維實體特征（可使用unity3d之類的三維圖形引擎），通過對PE的行為描述（比如一臺PEAGV，行為包括：行走、取貨、放貨等，其行為的效率即操作的時間，時間可能會受到具體作業(yè)任務(wù)的影響有所波動，因設(shè)備老化可能會影響故障率、續(xù)航時間等）以及規(guī)則描述（即PE的現(xiàn)場作業(yè)流程，比如機器人集群揀選系統(tǒng)，由于是全自動電腦控制的系統(tǒng)，電腦可以利用機器學習對訂單進行分析，優(yōu)化貨位的分布，或者對路徑進行優(yōu)化，減少阻塞）。仿真模型VE是利用虛擬仿真軟件（如：Flexsim）中的虛擬仿真模型對電力立體倉進行整體規(guī)劃與布局、出入庫等作業(yè)流程設(shè)計，以便各個作業(yè)環(huán)節(jié)與設(shè)施設(shè)備的布置相匹配，全面提升立體倉庫設(shè)計的合理性與科學性。

Ss是電力數(shù)字孿生立體倉庫的靈魂，是電力立體倉庫數(shù)字孿生系統(tǒng)涉及到的模型展示、算法計算、仿真計算，硬件對接等，最終將代碼和所有文件進行封裝成為功能服務(wù)項目，對于用戶來說，只需要通過簡單操作就可以得到相要的結(jié)果，不需要其他復雜的操作和配置，面對各管理層次的用戶可提供如下Ss：規(guī)劃與優(yōu)化、遠程管控（多門戶登錄、業(yè)務(wù)管理、統(tǒng)計分析、現(xiàn)場管理、指標管控、項目管理、施工管理、庫存分析、BI領(lǐng)導桌面、結(jié)算分析、賬務(wù)分析、人員、消防、車輛、物資管理）等。

DD是電力數(shù)字孿生立體倉庫的驅(qū)動力，包括：PE的規(guī)格、性能等狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過各類傳感與數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取PE運行狀況、環(huán)境變化的動態(tài)數(shù)據(jù)；VE模型與PE對應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及VE模型與PE運行中產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)；Ss運行后進行PE、VE、Ss數(shù)據(jù)處理、融合、封裝后產(chǎn)生的新的PE、VE、Ss數(shù)據(jù)。如：電力倉庫物資數(shù)據(jù)、庫存地點數(shù)據(jù)、工廠屬性數(shù)據(jù)、項目單位數(shù)據(jù)、項目工程數(shù)據(jù)等。

CN是電力數(shù)字孿生立體倉庫各部分的連接，實現(xiàn)了M各組成部分的及時溝通與聯(lián)系，具體包括了PE、VE、Ss、DD四個電力數(shù)字孿生倉庫組成部分兩兩之間數(shù)據(jù)的迭代與連接。

3 電力自動化數(shù)字孿生立體倉庫的項目建設(shè)過程

基于電力企業(yè)的戰(zhàn)略使命和電力物資管理的特殊要求，電力自動化數(shù)字孿生立體倉庫項目建設(shè)過程共有八個相互銜接的步驟，具體包括：需求調(diào)研、數(shù)據(jù)分析、仿真規(guī)劃、數(shù)字孿生方案設(shè)計、項目施工建設(shè)、系統(tǒng)集成、調(diào)試與測試、運維與優(yōu)化改進等，如圖2所示。

圖2 電力自動化數(shù)字孿生立體倉庫的項目建設(shè)過程

需求調(diào)研階段的主要目標是確定倉庫建設(shè)要求，具體目標包括：①確定倉庫的定位，即未來自動化立體數(shù)字孿生倉庫中屬于電力物流系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)庫、配送中心和倉儲點；②調(diào)研倉庫庫存物資的狀況，包括：SKU、數(shù)量、體積、重量等信息；③調(diào)研倉庫業(yè)務(wù)流程，包括：電力物資的存取模式（整存整取、零存整取或其他模式）、存取策略要求等；根據(jù)五維模型，此階段的具體任務(wù)包括：調(diào)研Ss的業(yè)務(wù)流程、管理流程；調(diào)研庫存、SKU的相關(guān)DD根據(jù)調(diào)研的業(yè)務(wù)流程確定控制系統(tǒng)及系統(tǒng)CN之間的交互關(guān)系。

數(shù)據(jù)分析階段的主要目標是根據(jù)電力物資的類型、總量、庫存、出入庫峰值等數(shù)據(jù)，確定電力立體數(shù)字孿生倉庫的總體規(guī)劃思路與方案。根據(jù)五維模型，此階段的主要工作任務(wù)是分析電力倉庫的各類數(shù)據(jù)，確定未來自動化立體倉庫設(shè)備PE的相關(guān)需求，如：自動化立體倉庫的倉位、出入庫暫存區(qū)域的Ss要求，AGV小車、自動化叉車、龍門吊的運行速度等要求的DD。

仿真規(guī)劃階段的主要目標是對總體規(guī)劃思路與方案進行仿真模擬，論證其可行性，通過仿真軟件發(fā)掘規(guī)劃方案中存在的問題以及優(yōu)化方案等。根據(jù)五維模型，此階段的具體任務(wù)包括：將電力自動化立體倉庫分析數(shù)據(jù)錄入仿真軟件的DD；根據(jù)業(yè)務(wù)流程、動作流程分析，模擬運行Ss的結(jié)果。

孿生方案設(shè)計階段的主要目標是根據(jù)仿真規(guī)劃階段的方案，進行電力自動化立體倉庫的PE、VE、Ss、DD、CN五部分的整體規(guī)劃與設(shè)計，同時對各部分需要占用的人力、物力及財力等資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃，并列出M的整體規(guī)劃方案與實施細則。

施工建設(shè)階段的主要目標是根據(jù)電力自動化立體倉庫數(shù)字孿生建設(shè)方案，完成自動化立體倉庫的建筑土建工作、強弱電布置、電器設(shè)置、倉庫設(shè)備安裝調(diào)試等工作。根據(jù)五維模型，此階段的具體任務(wù)主要放在完成物理實體PE建設(shè)和安裝、根據(jù)建設(shè)的物理實體完成VE建模工作上。

系統(tǒng)集成階段的主要目標是對電力自動化立體倉庫已投入的設(shè)備進行聯(lián)調(diào)，同時開發(fā)管理平臺，對接目前電力自動化立體倉庫內(nèi)的各類系統(tǒng)：自動化立體倉庫管理系統(tǒng)、電力倉庫設(shè)備工控系統(tǒng)、安防管理系統(tǒng)、消防管理系統(tǒng)、人員門禁管理系統(tǒng)等。根據(jù)五維模型，此階段的具體任務(wù)主要放在完成物理實體和虛擬實體之間的數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)雙向可控CN連接。

調(diào)試測試階段的主要目標是對各子系統(tǒng)及數(shù)字孿生系統(tǒng)進行調(diào)試，以確保電力自動化立體倉庫整體的穩(wěn)定運行。此階段最艱巨的任務(wù)是在進行系統(tǒng)壓力測試時將M整體的五個組成部分的運行匹配到位。

優(yōu)化改進階段的主要目標是根據(jù)電力自動化數(shù)字孿生倉庫日常運維狀態(tài)，對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，同時搜集日常運行中各層次的使用者的體驗與新的需求，為下一輪的需求調(diào)研打下基礎(chǔ)。此階段可通過CN提供整個電力自動化數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，為下一步的系統(tǒng)改進與提升提供支持。

4 電力自動化立體倉庫數(shù)字孿生五維模型在項目建設(shè)中的實踐

4.1 項目建設(shè)過程中五維模型的應(yīng)用

以電力企業(yè)XX自動化立體倉庫項目為例：XX倉定位為電力企業(yè)省級區(qū)域配送中心（以備品備件物資為目標），近年來隨著業(yè)務(wù)量的不斷擴大，原有的設(shè)備與設(shè)施已無法滿足倉庫的物資吞吐量的需求，為進一步提升XX倉庫的智能化與自動化運維水平，啟動了以數(shù)字孿生五維模型為基礎(chǔ)的自動化倉庫數(shù)字化升級與改造項目。

在項目建設(shè)過程中：首先，進行需求調(diào)研與分析。明確XX倉庫作為區(qū)域配送中心的物料管理要求（由于存儲物資主要分為10kV變壓器、架空絕緣導線、低壓電力電纜三大類物資，分別收集其SKU、數(shù)量、體積、重量等DD信息），明確物資所需Ss的存取模式（整存整取、零存整取或其他模式）、存取策略；收集與分析存儲物資的類型、總量、庫存、出入庫峰值等DD數(shù)據(jù)，并確定未來自動化立體倉庫設(shè)備的相關(guān)Ss需求。

然后，通過DD仿真模擬倉庫的運行，尋求可行的規(guī)劃方案，對仿真模擬中出現(xiàn)的問題進行不斷優(yōu)化；再根據(jù)優(yōu)化后的模擬結(jié)果設(shè)計整體的GZ自動化倉庫M的孿生方案。

同時根據(jù)數(shù)字孿生設(shè)計方案建設(shè)自動化立體倉庫（由于方案經(jīng)過事先的仿真測試，所以整個改造與建設(shè)周期僅為150天）；建設(shè)完成后重點從Ss方面進行倉庫各自動化設(shè)備與各類系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)，完成數(shù)字孿生系統(tǒng)的PE、VE的系統(tǒng)集成（與各系統(tǒng)聯(lián)系建立后對運行中出現(xiàn)的問題如CN連接不順暢、數(shù)據(jù)傳輸丟失等進行調(diào)試更新，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行）。

最后在日常運行中隨時發(fā)現(xiàn)問題并使用VE仿真模型動態(tài)優(yōu)化問題，不斷對系統(tǒng)和設(shè)備進行優(yōu)化與改進，同時搜集最終用戶使用Ss體驗與新需求，為未來進一步的改造打下基礎(chǔ)。整個項目建設(shè)后總占地面積約28 000m，主體建筑面積12 000m；建成室內(nèi)庫區(qū)與室外庫區(qū)域，室內(nèi)庫區(qū)包括：高層立體貨架區(qū)、智能設(shè)備充電區(qū)、抽檢作業(yè)區(qū)、自動化線纜存儲區(qū)及理貨區(qū)，其中高層立體貨架區(qū)3 300m，共有：3t貨位1 500余個、1.5t貨位3 450個、50kg周轉(zhuǎn)箱貨位4 500個，室外庫區(qū)包括：室外露天堆場、室外料棚；配套設(shè)施有：辦公室、生活配套區(qū)、門衛(wèi)室、消防水池等。

4.2 基于五維模型的項目建設(shè)中實踐創(chuàng)新

作為省級區(qū)域配送中心庫，XX倉庫需合理規(guī)劃并改造新的功能分區(qū)和設(shè)施設(shè)備，因此在進行VE建模時，通過收集相關(guān)的DD信息（狀態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等），將原立體貨架區(qū)及平置區(qū)針對寄存物資運作模式進行了改造提升，運用其對自動化設(shè)備的行為及規(guī)則進行學習，再建立VE仿真模型對整個XX倉庫布局及作業(yè)流程等進行設(shè)計。同時引進多項視屏識別系統(tǒng)、位置信息采集系統(tǒng)，設(shè)施設(shè)備控制引導系統(tǒng)等與WCS、TMS等管理系統(tǒng)進行調(diào)試融合，協(xié)同配合，共同完成庫區(qū)內(nèi)自動作業(yè)設(shè)備的控制引導作用。保證工作人員可通過WCS系統(tǒng)及TMS系統(tǒng)對倉庫內(nèi)自動化設(shè)備進行操作，并與ERP系統(tǒng)相連接，實時監(jiān)控數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行情況，使工作人員在運用數(shù)字孿生系統(tǒng)時對業(yè)務(wù)流程的掌握度更高、更流暢。實現(xiàn)集成自動堆垛機、智能裝卸機器人控制系統(tǒng)、線纜自動裝卸的行吊系統(tǒng)、“數(shù)字孿生”系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，形成完整的倉儲配送業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，并通過與省公司運營中心的數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)倉儲配送全程信息化管理，可以對機器作業(yè)、業(yè)務(wù)流程、安保門禁等都進行統(tǒng)籌控制。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)建立過程中，對GZ倉庫PE中的電力物資的實地勘測和DD分析，制定了契合業(yè)務(wù)需求的托盤、周轉(zhuǎn)箱、貨架尺寸，并創(chuàng)新設(shè)計JP柜倉儲托盤、高穩(wěn)定液壓托盤等一批新裝備，這為電力物資裝載容器的標準化建設(shè)做出了有益嘗試。

4.3 基于五維模型的數(shù)字孿生系統(tǒng)的成效

室內(nèi)倉庫實現(xiàn)無人作業(yè)后，通過運用數(shù)字孿生系統(tǒng)完成無人裝卸作業(yè)、車輛到庫掃碼等任務(wù)，實現(xiàn)運行管理智能化、設(shè)備作業(yè)自動化、貨位管控精益化，有效提高了作業(yè)效率。自動化貨架區(qū)相較于改造前AGV作業(yè)方式效率提高1倍；平置區(qū)則通過智能精定位行吊，實現(xiàn)了平置區(qū)線纜類物資的自動化作業(yè)，效率相較于傳統(tǒng)人工叉車效率提高10%，確保做到物資出入庫準確率100%，大幅降低作業(yè)安全隱患，最終實現(xiàn)倉庫庫內(nèi)作業(yè)無人化。通過視頻信息采集技術(shù)及位置信息采集、定位技術(shù)，實現(xiàn)倉庫貨位、車輛貨位劃分計算的精益化管理，實現(xiàn)了倉庫物資的貨位化管理以及車板—貨位之間的無人作業(yè)；同時對在庫物資進行快速高效盤點，規(guī)避了高層貨架人工盤點的安全隱患，提高了盤點準確率和效率，保證了物資出入庫準確率和在庫物資的“帳卡物”100%一致，實現(xiàn)了倉庫精益貨位化管理。

5 結(jié)語

借助數(shù)字孿生技術(shù)進行自動化立體倉庫智能化升級與改造，可以實現(xiàn)電力倉庫的物理信息融合。本文在陶飛教授團隊研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究對象的實際情況提出了電力立體倉庫數(shù)字孿生五維模型，即M=(PE,VE,Ss,DD,CN)，該模型在GZ立體倉的升級改造的“需求調(diào)研、數(shù)據(jù)分析、仿真規(guī)劃、數(shù)字孿生方案設(shè)計、項目施工建設(shè)、系統(tǒng)集成、調(diào)試與測試、運維與優(yōu)化改進”等步驟中得以檢驗與運用，其降本增效、精益貨位化管理等成效明顯。