数字孪生模型在烟草智能仓储中的应用

2022-03-21尚立新李常非桑腾张新生

数字技术与应用 2022年2期

尚立新李常非桑腾张新生

1．山东聊城烟草有限公司；2．机械工业第六设计研究院有限公司

本文首先对数字孪生技术概念、价值简要分析，然后阐述烟草智能仓储现状和烟草智能仓储管理平台功能，最后从物料分拣、物料运输、物料存放、存储管理、安全管理阐述等方面探索数字孪生模型在烟草智能仓储模块中的应用，并基于数字孪生模型阐述烟草智能仓储管理平台设计、烟草智能仓储建模、烟草智能仓储工作流程建模、烟草智能仓储仿真系统、烟草智能仓储AR可视化系统等方面的应用前景，为智能仓储管理人员提供参考。

传统烟草仓储管理容易出现虫情和霉变等问题，为了保证烟草物料的醇化质量，研究人员提出推动烟草智能仓储系统的建设，引入烟草霉变预测模型等方法提高烟草智能仓储管理质量。其本质是加强烟草智能仓储资源利用率，减少烟草物料进出库的时间，以提高烟草物料的养护质量。近年来数字孪生模型逐渐得到人们的重视，该模型对烟草智能仓储系统进一步优化具有积极作用，本文在此背景下对数字孪生模型在烟草智能仓储的应用进行探索。

1 数字孪生模型

1.1 数字孪生技术概念

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

1.2 数字孪生技术价值

数字孪生技术是以物理实体真实场景数据为依托，以真实和仿真模型运行数据实时交互优化为机制，自运行的虚拟空间映射模型，对大到城市、小到设备原件的实物均可虚拟化表示，因此完全可以根据虚拟模型对物理资产进行管理。其主要价值体现在描述、分析、诊断、预测四个方面，描述价值指的是数字孪生技术可以对物理资产的数据进行虚拟化描述，有利于对物理资产进行实时监测；分析价值指的是虚拟化数字孪生模型可以直接根据物理资产数据分析其中的不足，有利于改进物理资产的性能；诊断价值指的是虚拟化模型能够对历史数据中的相关关系进行分析，有利于发现某些问题的真实原因；预测价值指的是虚拟化模型能够在数字孪生技术的支持下预测物理资产未来的发展状态，有利于管理人员对管理策略进行优化。

2 烟草智能仓储管理现状

2.1 烟草智能仓储现状

目前烟草智能仓储多采用四段式气调法对烟草物料进行养护，四段式气调法存在温度不均衡的缺点，温度较高的季节仓储顶部温度较高，容易导致烟草物料碳化。烟草智能仓储在四段式气调法对烟草物料参数的数据采集较少，不利于烟草智能仓储信息化系统的建设，而且烟草智能仓储在烟草物料进出库过程中多采用人工扫码方式，对烟草智能仓储人员的占用率比较高，影响了烟草智能仓储的维护管理效果。因此，有些烟草智能仓储提出建立信息化数据系统，通过物联网、传感器对烟草物料内部温湿度、烟草物料内部氧气浓度、空气内温湿度进行检测，以提高烟草智能仓储的智能化管理水平，但是烟草智能仓储必须对仓间和仓储管理模式进行改造，导致烟草智能仓储并未得到广泛应用。

2.2 烟草智能仓储管理平台功能

目前改造后的烟草智能仓储管理平台功能应该具备烟草物料包芯监控、烟草物料垛内监控、仓库监控、虫情监控、预警、数据整理、出入库管理等功能。其中烟草物料包芯监控可以监控各个烟草物料垛堆温度在不同时间段下的变化情况；烟草物料垛内监控可以监控各个烟草物料垛堆内部的温湿度、氧气浓度在不同时间段下的变化情况；仓库监控可以监控各个仓间内部和仓库外的温湿度在不同时间段下的变化情况；虫情监控可以监控各个烟草物料垛堆是否存在异常情况；预警功能可以在发现异常情况之后将温湿度、氧气浓度、虫情等信息发送至仓储管理人员手机端，以便于实时查看预警情况；数据整理可以整理出温湿度、氧气浓度、虫情信息随时间变化情况，有利于制定更加科学合理的烟草物料养护计划；出入库管理可以通过自动扫码功能赋予不同批次的烟草物料ID信息，每个ID信息与烟草物料的类型和数量等信息实时同步。

3 数字孪生模型在烟草智能仓储的应用探索

3.1 烟草智能仓储模块

(1)物料分拣。数字孪生模型在烟草智能仓储应用后物料分拣功能可以直接根据烟草物料ID信息将不同类型的烟草物料送往指定仓间存放，这样即可根据信息识别功能实现烟草物料自动分拣，有利于提高烟草智能仓储管理效率。物料分拣主要分为人工分拣和机器分拣两种情况，防止分拣系统出现故障或者机器分拣失败。但是无论采用那种分拣情况，信息识别成功后将仓间信息和物料信息匹配，分拣设备即会自动执行货物分拣指令，同时完成物料信息录入工作。物料分拣具体功能实现流程如图1所示：

图1 物料分拣具体功能实现流程Fig.1 The realization process of specific functions of material sorting

(2)物料运输。数字孪生模型在烟草智能仓储应用后物料运输功能可以将分拣完成的烟草物料通过运输设备传送至仓储区域，而仓储区域的烟草物料也可以通过运输设备运输至分拣区域以便于后续出库。仓间内部存储的烟草物料信息和位置是固定的，每个仓间的货物运输路径是固定的，只要确定烟草物料信息和运输仓间的信息，即可直接通过系统查询功能确定该物料的运输路径，运输路径确定后运输设备（穿梭车、传送带、机器人等）即可根据目标定位进行自动化操作或者人工操作。物料运输具体功能实现流程如图2所示：

图2 物料运输具体功能实现流程Fig.2 The realization process of specific functions of material transportation

(3)物料存放。数字孪生模型在烟草智能仓储应用后物料存放功能在烟草物料运输过程中往往采取先进先出原则或者就近原则，若烟草物料能够存在较长时间而不会出现虫情或霉变，则采用先进先出原则或者就近原则均可。但是实际仓储管理过程中在不考虑运输效果的情况下往往采用先进先出原则，这样可以将烟草物料霉变的几率降至最低，有利于降低烟草物料养护风险。物料存放过程中可以将存放时间相近的烟草物料存放在同一垛位，然后根据垛位编号记录存放的烟草物料入库信息即可。

(4)存储管理。数字孪生模型在烟草智能仓储应用后存储管理功能主要包括烟草物料定位查询、库存查询、空位查询三大功能。其中烟草物料定位查询指的是对不同入库时间的不同烟草物料进行查询，查询过程中输入该批次烟草物料的ID编号即可；烟草物料库存查询同样输入对应ID编号进行查询，存储管理系统可以直接对该批次烟草物料的仓储库存量、出入库量、出入库频率等信息进行查询；烟草物料空位查询可以根据烟草物料的出入库量、物料类型查询哪些仓间存在空余垛位，这样可以提高仓库的补货效率。

(5)安全管理。数字孪生模型在烟草智能仓储应用后安全管理功能主要包括温湿度、氧气浓度、虫情监控、其他等。温湿度、氧气浓度、虫情等因素对烟草物料质量的影响极大，安全管理系统可以通过传感器和物联网对各个仓间、各个垛位的烟草物料信息进行实时监控。而其他安全管理监控主要目标为烟草物料掉落、消防隐患等，这些因素也会对烟草智能仓储管理安全性造成一定影响。

3.2 基于数字孪生模型的烟草智能仓储管理平台设计

数字孪生模型下烟草智能仓储管理平台主要分为仓储规划设计、智能作业、可视化安防、可视化物流等模块。其中仓储规划设计模块需要基于数字孪生模型、仓库空间数据、设施数据构建仓库立体虚拟模型，模拟物料、设备、人员的移动情况，为仓储布局数据化提供数据基础；智能作业模块需要基于数字孪生模型搭建仓库（包括设施设备、物资）的立体三维模型，通过立体仿真实现场景切换，提高作业效率和准确率；可视化安防模块需要通过物联网系统同步传感器数据，并通过数字孪生模型分析仓储管理风险；可视化物流模块需要将设备状态信息、物料信息转换成更加直观的可视化数据。

3.3 基于数字孪生模型的烟草智能仓储工作流程建模

基于数字孪生模型的烟草智能仓储工作流程分为入库和出库两部分。入库阶段工作流程为入库、分拣、运输、存放，入库后设备和机器人会对烟草物料进行分拣，将同批次烟草物料放入料箱，然后料箱由传送带送入缓冲区，最后缓冲区内穿梭车在信息系统的指令控制下将料箱送至各个仓间指定垛位；出库阶段工作流程为运输、分拣、出库，穿梭车在信息系统的指令控制下用料箱将烟草物料从垛位运出至缓冲区，缓冲区直接将料箱放置在传送带上到达分拣区，分拣区使用设备或机器人将烟草物料取出，最后烟草物料出库完成。

3.4 基于数字孪生模型的烟草智能仓储仿真系统

基于数字孪生模型的烟草智能仓储仿真系统主要通过工艺规划、工艺、数据驱动对烟草智能仓储工作流程、烟草智能仓储建模进行仿真，工艺数据、模型数据、仿真数据、运行数据全部存储在数据库，数据库在各个系统的调用下分别实现温湿度、氧气浓度、虫情监控、烟草物料掉落、消防隐患监控功能，仿真系统需要将仓库数据实时传输同步仿真镇客户端，只要烟草智能仓储系统数据采集、处理、连接与调度流程与孪生驱动流程完全一致。

3.5 基于数字孪生模型的烟草智能仓储AR可视化系统

基于数字孪生模型的烟草智能仓储AR可视化系统架构包括3D数字化生产系统模型、AR注册/定位/显示、VR显示、MES及数采系统通信接口，AR输出模块的3D注册、视点跟踪和虚实融合功能，3D注册指建立世界坐标系，通过AR识别方式建立起各个虚拟物体在世界坐标系中的位置，视点跟踪主要指用户使用便携式AR背包时，跟踪头戴摄像头的位置，实现正确的虚实叠加。