趙 凱

（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222000）

0 引言

數(shù)字孿生是基于物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)字化模型，它充分利用物理模型、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(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體物理設(shè)備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生技術(shù)作為一種前沿科技，有廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前，建設(shè)數(shù)字化、信息化和智能化的倉(cāng)庫(kù)管理控制系統(tǒng)不再是單純的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、管理與二維可視化查詢，更重要的是利用數(shù)字孿生技術(shù)，基于海量實(shí)時(shí)感知的倉(cāng)庫(kù)空間數(shù)據(jù)和設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)建立三維虛擬可交互的動(dòng)態(tài)模型，并模擬人員、設(shè)備的生產(chǎn)活動(dòng)全過(guò)程?；跀?shù)字孿生的智慧倉(cāng)庫(kù)管控平臺(tái)是將數(shù)字孿生技術(shù)與倉(cāng)庫(kù)管理業(yè)務(wù)的全過(guò)程進(jìn)行緊密融合，基于三維可視化虛擬模型與物聯(lián)網(wǎng)端采集的倉(cāng)庫(kù)生產(chǎn)管控?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)體空間的智能管控、在線監(jiān)測(cè)、智能倉(cāng)儲(chǔ)、異常監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理等過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析優(yōu)化、反饋控制等[2]?；谧灾餮邪l(fā)的倉(cāng)庫(kù)管控智能優(yōu)化算法、數(shù)字孿生虛實(shí)結(jié)合的管理方法、倉(cāng)庫(kù)智慧管理專家知識(shí)庫(kù)等，從系統(tǒng)角度對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，需要先進(jìn)的智能倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)計(jì)及管理優(yōu)化算法來(lái)提高整體的倉(cāng)儲(chǔ)物流運(yùn)作效率。

1 數(shù)字孿生技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)的不斷成熟，信息技術(shù)應(yīng)用成本的大幅降低和相應(yīng)的生產(chǎn)能力的顯著提升引發(fā)了制造企業(yè)管理方式的巨大變化。數(shù)字孿生是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的虛擬仿真與控制分析方法，通過(guò)建立現(xiàn)實(shí)世界與信息數(shù)字世界的連接，將實(shí)體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、行為和性能轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式[3]。數(shù)字孿生可以對(duì)實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體系統(tǒng)的可視化、分析和優(yōu)化。數(shù)字化解決方案是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智能制造解決方案[4]。在虛擬環(huán)境下將生產(chǎn)制造過(guò)程壓縮和提前，并得以評(píng)估與檢驗(yàn)，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化的時(shí)間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與成功率，能夠?yàn)橹圃炱髽I(yè)帶來(lái)價(jià)值。數(shù)字孿生是數(shù)字化解決方案中一種新的概念，具體為物理實(shí)體或流程的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)字化鏡像。

2 物聯(lián)智控平臺(tái)簡(jiǎn)介

物聯(lián)智控平臺(tái)依托大數(shù)據(jù)分析、虛擬仿真、智能聯(lián)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，整合園區(qū)、工廠的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等資源，將綜合管控與三維可視化完美結(jié)合，為管理者提供直觀的決策依據(jù)，是一個(gè)面向智慧園區(qū)、數(shù)字化車間的集全方位管理與輔助決策分析的可視化、智能化、多維度綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域管控整體智慧化，提升運(yùn)營(yíng)效率、安防能力、管理能力，降低管理管理成本、維護(hù)成本。

通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，以物聯(lián)智控平臺(tái)為基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的三維可視化建模，打造一站式的數(shù)據(jù)采集、清洗、存儲(chǔ)、建模、分析、決策和應(yīng)急等能力的現(xiàn)代化智能數(shù)字倉(cāng)庫(kù)[5]。數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)基于物聯(lián)智控平臺(tái)，是倉(cāng)庫(kù)管理的駕駛艙，是倉(cāng)庫(kù)管理、設(shè)備自動(dòng)化控制的重要決策和展示、管控平臺(tái)，是倉(cāng)庫(kù)發(fā)展和不斷進(jìn)步的核心決策分析中心。

平臺(tái)整合倉(cāng)庫(kù)、設(shè)備、人員、環(huán)境等資源，將倉(cāng)庫(kù)管控與三維可視化完美結(jié)合，為管理者提供直觀的決策依據(jù)，是一個(gè)集倉(cāng)庫(kù)智能控制、人員安全管理、輔助決策分析等諸多功能于一體的可視化、智能化的數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)。

3 基于物聯(lián)智控平臺(tái)的數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)

3.1 總體架構(gòu)

圖1 物聯(lián)智控平臺(tái)示意圖

數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)以自研物聯(lián)智控平臺(tái)為基礎(chǔ)框架，集成倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)管控相關(guān)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、設(shè)施設(shè)備的統(tǒng)一接入、業(yè)務(wù)事件統(tǒng)一處理、信息實(shí)時(shí)可視化展示等功能。通過(guò)基于物聯(lián)智控平臺(tái)的數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)建設(shè)，為倉(cāng)庫(kù)的安防、倉(cāng)儲(chǔ)、巡檢等諸多要素提供一個(gè)集成、安全、高效的可視化綜合管控平臺(tái)，設(shè)計(jì)如圖2所示的系統(tǒng)總體架構(gòu)圖，該總體架構(gòu)圖分為物理層、數(shù)字孿生層、服務(wù)層、組態(tài)開(kāi)發(fā)層和應(yīng)用層。

圖2 總體架構(gòu)圖

（1）物理層。包含了倉(cāng)庫(kù)相關(guān)的設(shè)備、業(yè)務(wù)等接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、解析、清洗等，從而實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)各主要設(shè)備、各物聯(lián)網(wǎng)感知終端的有效集成，為倉(cāng)庫(kù)數(shù)字孿生提供實(shí)時(shí)的物理層數(shù)據(jù)支撐，使得倉(cāng)庫(kù)中的相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、業(yè)務(wù)管控?cái)?shù)據(jù)信息能夠有效的被收集、感知。

（2）數(shù)字孿生層。主要包括含標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品模型庫(kù)和環(huán)境模型庫(kù)，模型庫(kù)管理負(fù)責(zé)對(duì)虛擬產(chǎn)品的幾何物理、行為狀態(tài)、功能性能進(jìn)行建模以及各子模型的集成，仿真引擎包括對(duì)虛擬產(chǎn)品的幾何物理、行為狀態(tài)、功能性能及環(huán)境進(jìn)行模擬仿真；組態(tài)開(kāi)發(fā)層提供一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，包括系統(tǒng)集成框架，機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)接口、電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)接口、自控設(shè)計(jì)平臺(tái)接口、軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)接口和分析評(píng)估優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)接口，倉(cāng)庫(kù)數(shù)字孿生的構(gòu)建，機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的融合與場(chǎng)景虛擬建模。從真實(shí)倉(cāng)庫(kù)和虛擬倉(cāng)庫(kù)的驅(qū)動(dòng)引擎中獲得的實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)和仿仿真數(shù)據(jù)。

（3）應(yīng)用層。主要針對(duì)智慧倉(cāng)庫(kù)相關(guān)項(xiàng)目需求進(jìn)行數(shù)字孿生應(yīng)用展示的應(yīng)用模塊，融合數(shù)字孿生層中提供的虛擬仿真算法對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的智慧倉(cāng)庫(kù)協(xié)同管控應(yīng)用。

3.2 數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)功能組成

3.2.1 數(shù)字孿生組態(tài)模塊

針對(duì)智慧倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景開(kāi)展數(shù)字孿生快速組態(tài)引擎、復(fù)雜模型布局優(yōu)化算法、基于多源異構(gòu)信息融合的全要素虛擬仿真等技術(shù)研究，將物理空間與虛擬空間虛實(shí)同步映射并對(duì)虛擬仿真進(jìn)行優(yōu)化，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生。

重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)面向開(kāi)發(fā)、實(shí)施工程師的組態(tài)化快速實(shí)施開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種應(yīng)用場(chǎng)景的模型搭建，不同的模型和組件之間的控制關(guān)系、邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)展示關(guān)系的配置，從而滿足各種虛擬化應(yīng)用的功能，能夠合理的調(diào)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孿生模型、各種算法模型（壽命預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)合理性、發(fā)熱分析、性能測(cè)試等）、數(shù)據(jù)抽取、三維模型、激勵(lì)源管控通過(guò)HMI可視化編輯。

構(gòu)建虛擬模型，主要包括靜態(tài)實(shí)體和動(dòng)態(tài)實(shí)體兩類。靜態(tài)的場(chǎng)景數(shù)字模型根據(jù)場(chǎng)景采集的實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)，包含可復(fù)用的靜態(tài)物件實(shí)體等組件，形成完整的可視化的沉浸式環(huán)境；動(dòng)態(tài)的實(shí)體主要是人員和設(shè)備，如倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備根據(jù)深度學(xué)習(xí)模型等提取關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)塑造虛擬的任務(wù)關(guān)鍵模型。

3.2.2 數(shù)字孿生智能管控模塊

數(shù)字孿生智能管控模塊基于數(shù)字孿生模型庫(kù)，在開(kāi)源Three.js editor中實(shí)現(xiàn)對(duì)于可視化模型編輯器的封裝，基于WebGL技術(shù)的三維渲染引擎，OBJ導(dǎo)入、模型編輯和漫游等交互。形成數(shù)字孿生組件結(jié)構(gòu)化管理平臺(tái)，也是實(shí)現(xiàn)對(duì)于模型的定義、包裝、控制單元的創(chuàng)建工作以及所導(dǎo)入的第三方平臺(tái)組件的編輯創(chuàng)建，形成數(shù)字孿生組件模型庫(kù)的智能管控模塊。

重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)外模型組件的創(chuàng)建，通過(guò)對(duì)于模型內(nèi)部的單個(gè)部件的綁定，定義和控制規(guī)則的管理功能，從而定義生成完整的模型對(duì)象，供HMI平臺(tái)調(diào)用。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于部件、幾何面、控制節(jié)點(diǎn)的邏輯配置和定義，以及控制參數(shù)的定義等，為后期的控制參數(shù)值傳輸提供通道。搭建倉(cāng)庫(kù)智能管控模塊，基于物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)同步集成人員管理、設(shè)備管控、設(shè)施管理相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)三維虛擬模型、及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部各生產(chǎn)管控要素?cái)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與業(yè)務(wù)信息全過(guò)程管理。同時(shí)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)智能虛實(shí)管控等功能。

3.2.3 數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)管理模塊基于數(shù)字孿生智慧倉(cāng)庫(kù)對(duì)智慧倉(cāng)庫(kù)物理實(shí)體的三維虛擬化呈現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與感知能力，用于構(gòu)建能夠反映智慧倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)管控全流程的三維虛擬模型。在智能倉(cāng)儲(chǔ)模塊三維虛擬模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)全過(guò)程基于時(shí)間維度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并生成倉(cāng)儲(chǔ)物流任務(wù)的業(yè)務(wù)清單列表。路徑規(guī)劃部分為混合環(huán)境下時(shí)間可控的AGV無(wú)碰路徑規(guī)劃方法的邏輯實(shí)現(xiàn)。

3.2.4 數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)智能預(yù)測(cè)模塊

數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)預(yù)測(cè)模塊包括對(duì)任務(wù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)重構(gòu)、智能預(yù)測(cè)等應(yīng)用。通過(guò)對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部主要設(shè)備的物理實(shí)體設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)主要設(shè)備實(shí)體與三維虛擬模型實(shí)時(shí)映射，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)設(shè)備全維度狀態(tài)感知與三維可視化監(jiān)測(cè)，輔助管控平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)分析與決策；針對(duì)軟件定義設(shè)備、人員中系統(tǒng)重構(gòu)的需求，借助與設(shè)備、人員的物理實(shí)體映射的三維虛擬模型和數(shù)字孿生管控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，以保證系統(tǒng)的有效性、準(zhǔn)確性以及可靠性；智能預(yù)測(cè)，借助倉(cāng)庫(kù)設(shè)備等物理實(shí)體的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和三維虛擬模型的映射仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維模型驅(qū)動(dòng)引擎與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同的設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)與識(shí)別，形成數(shù)字孿生智慧倉(cāng)庫(kù)故障預(yù)測(cè)模塊。

3.3 基于數(shù)字孿生的智慧倉(cāng)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于數(shù)字孿生及仿真優(yōu)化的倉(cāng)庫(kù)閉環(huán)迭代調(diào)優(yōu)管控技術(shù)。提出基于數(shù)字孿生的智慧倉(cāng)庫(kù)精益管控模式，基于車間和倉(cāng)庫(kù)級(jí)的數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間中的虛實(shí)同步，在與現(xiàn)狀同步的模型中對(duì)未來(lái)進(jìn)行推演和預(yù)測(cè)，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)判可能出現(xiàn)的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，然后，通過(guò)不同解決策略在數(shù)字空間中的預(yù)演與效果評(píng)估，基于知識(shí)推理和優(yōu)化調(diào)度算法，能夠找到更加可靠和高效的資源調(diào)控和重構(gòu)策略，讓車間和倉(cāng)庫(kù)在動(dòng)態(tài)變化的情況下能夠更好的保持高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)，提升對(duì)日益增長(zhǎng)的定制化需求的響應(yīng)能力。

（2）基于數(shù)字孿生的倉(cāng)庫(kù)應(yīng)急事件處理技術(shù)。在智能倉(cāng)庫(kù)信息集成、數(shù)據(jù)融合與模型構(gòu)建技術(shù)，以及數(shù)字孿生及仿真優(yōu)化的倉(cāng)庫(kù)閉環(huán)迭代調(diào)優(yōu)管控的基礎(chǔ)上，研究基于數(shù)字孿生的應(yīng)急處理技術(shù)?；谌斯ぶ悄艿膽?yīng)急處理技術(shù)，在出現(xiàn)異常事件時(shí)，基于DRL的虛擬仿真系統(tǒng)能及時(shí)做出相應(yīng)措施，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不斷進(jìn)行自我完善和優(yōu)化。有利于在后續(xù)的工作中，排查故障隱患，提高倉(cāng)庫(kù)的安全性，通過(guò)在虛擬倉(cāng)庫(kù)中模擬應(yīng)急事件的處理過(guò)程可以降低倉(cāng)庫(kù)應(yīng)急事件處理效率和成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案通過(guò)研究基于物理智控平臺(tái)的數(shù)字孿生倉(cāng)庫(kù)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，將數(shù)字孿生技術(shù)與智慧倉(cāng)庫(kù)管控業(yè)務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場(chǎng)景、關(guān)鍵對(duì)象緊密結(jié)合，借助三維建模、虛擬仿真、智能管控算法等，實(shí)現(xiàn)空間維度上對(duì)倉(cāng)庫(kù)各場(chǎng)景及對(duì)象的虛實(shí)結(jié)合管控應(yīng)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間維度上的預(yù)測(cè)、預(yù)防控制，該解決方案可廣泛應(yīng)用于智能工廠領(lǐng)域各類智能倉(cāng)庫(kù)管理業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)智慧倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)全維度數(shù)字孿生管控?！?/p>