趙 凱

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222000）

0 引言

數(shù)字孿生是基于物理系統(tǒng)的實時數(shù)字化模型，它充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(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，從而反映相對應(yīng)的實體物理設(shè)備的全生命周期過程。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庫管理控制系統(tǒng)不再是單純的實時數(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)，基于海量實時感知的倉庫空間數(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態(tài)模型，并模擬人員、設(shè)備的生產(chǎn)活動全過程?；跀?shù)字孿生的智慧倉庫管控平臺是將數(shù)字孿生技術(shù)與倉庫管理業(yè)務(wù)的全過程進(jìn)行緊密融合，基于三維可視化虛擬模型與物聯(lián)網(wǎng)端采集的倉庫生產(chǎn)管控數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)對倉庫生產(chǎn)過程實體空間的智能管控、在線監(jiān)測、智能倉儲、異常監(jiān)測、應(yīng)急管理等過程進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、分析優(yōu)化、反饋控制等[2]。基于自主研發(fā)的倉庫管控智能優(yōu)化算法、數(shù)字孿生虛實結(jié)合的管理方法、倉庫智慧管理專家知識庫等，從系統(tǒng)角度對倉儲系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，需要先進(jìn)的智能倉儲設(shè)計及管理優(yōu)化算法來提高整體的倉儲物流運作效率。

1 數(shù)字孿生技術(shù)簡介

近年來，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，通過建立現(xiàn)實世界與信息數(shù)字世界的連接，將實體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、行為和性能轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式[3]。數(shù)字孿生可以對實體系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真和實時監(jiān)控，實現(xiàn)對實體系統(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)制造過程壓縮和提前，并得以評估與檢驗，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化的時間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與成功率，能夠為制造企業(yè)帶來價值。數(shù)字孿生是數(shù)字化解決方案中一種新的概念，具體為物理實體或流程的準(zhǔn)實時數(shù)字化鏡像。

2 物聯(lián)智控平臺簡介

物聯(lián)智控平臺依托大數(shù)據(jù)分析、虛擬仿真、智能聯(lián)動等先進(jìn)技術(shù)，整合園區(qū)、工廠的生產(chǎn)、運營、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，實現(xiàn)區(qū)域管控整體智慧化，提升運營效率、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)智控平臺為基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生為核心，設(shè)計并實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)場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、建模、分析、決策和應(yīng)急等能力的現(xiàn)代化智能數(shù)字倉庫[5]。數(shù)字孿生倉庫基于物聯(lián)智控平臺，是倉庫管理的駕駛艙，是倉庫管理、設(shè)備自動化控制的重要決策和展示、管控平臺，是倉庫發(fā)展和不斷進(jìn)步的核心決策分析中心。

平臺整合倉庫、設(shè)備、人員、環(huán)境等資源，將倉庫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)，是一個集倉庫智能控制、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)字孿生倉庫。

3 基于物聯(lián)智控平臺的數(shù)字孿生倉庫

3.1 總體架構(gòu)

圖1 物聯(lián)智控平臺示意圖

數(shù)字孿生倉庫以自研物聯(lián)智控平臺為基礎(chǔ)框架，集成倉庫業(yè)務(wù)管控相關(guān)子系統(tǒng)，實現(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、信息實時可視化展示等功能。通過基于物聯(lián)智控平臺的數(shù)字孿生倉庫建設(shè)，為倉庫的安防、倉儲、巡檢等諸多要素提供一個集成、安全、高效的可視化綜合管控平臺，設(shè)計如圖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)開發(fā)層和應(yīng)用層。

圖2 總體架構(gòu)圖

（1）物理層。包含了倉庫相關(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，從而實現(xiàn)倉庫各主要設(shè)備、各物聯(lián)網(wǎng)感知終端的有效集成，為倉庫數(shù)字孿生提供實時的物理層數(shù)據(jù)支撐，使得倉庫中的相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)信息、業(yè)務(wù)管控數(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)品模型庫和環(huán)境模型庫，模型庫管理負(fù)責(zé)對虛擬產(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)開發(fā)層提供一個協(xié)同設(shè)計環(huán)境，包括系統(tǒng)集成框架，機械設(shè)計平臺接口、電氣設(shè)計平臺接口、自控設(shè)計平臺接口、軟件設(shè)計平臺接口和分析評估優(yōu)化設(shè)計平臺接口，倉庫數(shù)字孿生的構(gòu)建，機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，實現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的融合與場景虛擬建模。從真實倉庫和虛擬倉庫的驅(qū)動引擎中獲得的實時感知數(shù)據(jù)和仿仿真數(shù)據(jù)。

（3）應(yīng)用層。主要針對智慧倉庫相關(guān)項目需求進(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真實數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的智慧倉庫協(xié)同管控應(yīng)用。

3.2 數(shù)字孿生倉庫功能組成

3.2.1 數(shù)字孿生組態(tài)模塊

針對智慧倉庫場景開展數(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同步映射并對虛擬仿真進(jìn)行優(yōu)化，快速實現(xiàn)系統(tǒng)級數(shù)字孿生。

重點實現(xiàn)面向開發(fā)、實施工程師的組態(tài)化快速實施開發(fā)，實現(xiàn)對于各種應(yīng)用場景的模型搭建，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、設(shè)計合理性、發(fā)熱分析、性能測試等）、數(shù)據(jù)抽取、三維模型、激勵源管控通過HMI可視化編輯。

構(gòu)建虛擬模型，主要包括靜態(tài)實體和動態(tài)實體兩類。靜態(tài)的場景數(shù)字模型根據(jù)場景采集的實際尺寸數(shù)據(jù)，包含可復(fù)用的靜態(tài)物件實體等組件，形成完整的可視化的沉浸式環(huán)境；動態(tài)的實體主要是人員和設(shè)備，如倉儲設(shè)備根據(jù)深度學(xué)習(xí)模型等提取關(guān)鍵點來塑造虛擬的任務(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，在開源Three.js editor中實現(xiàn)對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，也是實現(xiàn)對于模型的定義、包裝、控制單元的創(chuàng)建工作以及所導(dǎo)入的第三方平臺組件的編輯創(chuàng)建，形成數(shù)字孿生組件模型庫的智能管控模塊。

重點實現(xiàn)對外模型組件的創(chuàng)建，通過對于模型內(nèi)部的單個部件的綁定，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象，供HMI平臺調(diào)用。能夠?qū)崿F(xiàn)對于部件、幾何面、控制節(jié)點的邏輯配置和定義，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。搭建倉庫智能管控模塊，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)，實現(xiàn)對倉庫內(nèi)部各生產(chǎn)管控要素數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集與業(yè)務(wù)信息全過程管理。同時實現(xiàn)倉庫業(yè)務(wù)系統(tǒng)智能虛實管控等功能。

3.2.3 數(shù)字孿生倉庫管理模塊基于數(shù)字孿生智慧倉庫對智慧倉庫物理實體的三維虛擬化呈現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)端強大的數(shù)據(jù)采集與感知能力，用于構(gòu)建能夠反映智慧倉庫倉儲管控全流程的三維虛擬模型。在智能倉儲模塊三維虛擬模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對倉庫業(yè)務(wù)全過程基于時間維度的實時預(yù)測，并生成倉儲物流任務(wù)的業(yè)務(wù)清單列表。路徑規(guī)劃部分為混合環(huán)境下時間可控的AGV無碰路徑規(guī)劃方法的邏輯實現(xiàn)。

3.2.4 數(shù)字孿生倉庫智能預(yù)測模塊

數(shù)字孿生倉庫預(yù)測模塊包括對任務(wù)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)重構(gòu)、智能預(yù)測等應(yīng)用。通過對倉庫內(nèi)部主要設(shè)備的物理實體設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)主要設(shè)備實體與三維虛擬模型實時映射，實現(xiàn)倉庫設(shè)備全維度狀態(tài)感知與三維可視化監(jiān)測，輔助管控平臺進(jìn)行相關(guān)分析與決策；針對軟件定義設(shè)備、人員中系統(tǒng)重構(gòu)的需求，借助與設(shè)備、人員的物理實體映射的三維虛擬模型和數(shù)字孿生管控數(shù)據(jù)，對物理實體進(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，借助倉庫設(shè)備等物理實體的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集和三維虛擬模型的映射仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維模型驅(qū)動引擎與數(shù)據(jù)驅(qū)動協(xié)同的設(shè)備故障預(yù)測與健康管理，對故障進(jìn)行預(yù)測與識別，形成數(shù)字孿生智慧倉庫故障預(yù)測模塊。

3.3 基于數(shù)字孿生的智慧倉庫關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于數(shù)字孿生及仿真優(yōu)化的倉庫閉環(huán)迭代調(diào)優(yōu)管控技術(shù)。提出基于數(shù)字孿生的智慧倉庫精益管控模式，基于車間和倉庫級的數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字空間中的虛實同步，在與現(xiàn)狀同步的模型中對未來進(jìn)行推演和預(yù)測，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)判可能出現(xiàn)的問題和風(fēng)險點，然后，通過不同解決策略在數(shù)字空間中的預(yù)演與效果評估，基于知識推理和優(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，讓車間和倉庫在動態(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)，提升對日益增長的定制化需求的響應(yīng)能力。

（2）基于數(shù)字孿生的倉庫應(yīng)急事件處理技術(shù)。在智能倉庫信息集成、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)化的倉庫閉環(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，基于DRL的虛擬仿真系統(tǒng)能及時做出相應(yīng)措施，并根據(jù)經(jīng)驗，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，提高倉庫的安全性，通過在虛擬倉庫中模擬應(yīng)急事件的處理過程可以降低倉庫應(yīng)急事件處理效率和成本。

4 結(jié)束語

本方案通過研究基于物理智控平臺的數(shù)字孿生倉庫相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，將數(shù)字孿生技術(shù)與智慧倉庫管控業(yè)務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場景、關(guān)鍵對象緊密結(jié)合，借助三維建模、虛擬仿真、智能管控算法等，實現(xiàn)空間維度上對倉庫各場景及對象的虛實結(jié)合管控應(yīng)用，同時實現(xiàn)時間維度上的預(yù)測、預(yù)防控制，該解決方案可廣泛應(yīng)用于智能工廠領(lǐng)域各類智能倉庫管理業(yè)務(wù)場景，實現(xiàn)智慧倉庫業(yè)務(wù)全維度數(shù)字孿生管控?！?/p>