數字孿生車間智能物流配送系統運用的思考

摘要：數字孿生技術是實現物理與信息融合的有效途徑。它是實現工業4.0、中國制造2025、互聯網產業和先進生產伙伴計劃等先進生產方式和戰略的重要工具之一。為了實現物流配送過程的操作和遠程維護，實現物流配送的實時透明化，提出了一種基于數字孿生的物流配送系統（DT）。基于數字孿生的基本概念，構建了數字孿生物流配送系統的總體框架，可有效解決配送過程中車輛或車輛的影響道路擾動，實現更好地物流配送。

關鍵詞：智能物流配送? 數字孿生? 車輛調度? 最優路徑

中圖分類號： TP20? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

Thinking about the Application of Intelligent Logistics Distribution System in Digital Twin Workshop

XU Qingbing

（Gansu Construction Vocational and Technical College， Lanzhou， Gansu? Province， 730050 China）

Abstract： Digital twin technology is an effective way to realize the fusion of physics and information. It is one of the important tools to realize advanced production methods and strategies such as Industry 4.0， Made in China 2025， Internet industry and Advanced Production Partnership program. In order to realize the operation and remote maintenance of logistics distribution process and realize the real-time transparency of logistics distribution， a logistics distribution system （DT） based on digital twin was proposed. Based on the basic concept of digital twin， the overall framework of digital twin logistics distribution system is constructed. It can effectively solve the disturbance of vehicles or vehicles affecting the road in the process of distribution and achieve better logistics distribution.

Key Words： Intelligent logistics distribution; Digital twinning; Vehicle scheduling; The optimal path

在人工智能、物聯網等技術的推動下，產業轉型已成為產業發展浪潮中的生存趨勢，物流業也從傳統物流向智能物流發展。物流配送服務作為物流行業的核心業務，是物流企業客戶服務的最終環節，具有非常重要的地位。物流配送成本占據了整個物流系統的很大一部分，物流配送中的車輛規劃和道路優化將直接影響物流配送成本的高低。配送過程中的各種不確定性導致配送復雜性和額外的配送成本。因此，越來越多的研究人員開始關注如何實現配送過程的透明化，提出基于物聯網、工業互聯等技術的物流配送智能模型。數字孿生概念為智能物流配送系統提供了新的解決方案。近年來，數字孿生技術作為一種新興的智能技術，在制造業得到了廣泛的應用。根據國內外研究人員的研究，提出了一種智能物流配送系統[1]。工廠計劃以數字孿生技術為導向，基于數字孿生產品生命周期預測方法、總裝配生產線數字孿生技術、數字孿生建筑信息模型、基于數字孿生的航班保障預警系統等，實現了網絡物理的融合。

在此基礎上，引入數字孿生技術對配送流程進行高效管理，將配送流程從“黑箱”模式轉變為配送車輛狀態、配送人員狀態、配送路線等透明實時狀態，以達到物料配送的準確性。

1 基于數字孿生的智能物流配送規劃總體框架

數字孿生的原理和性能基于物理實體和過程的數字化，通過集成數據孿生驅動的物理信息顯示，利用仿真軟件模擬當前運行過程中物理實體的情況，從而提出孿生框架，數字化物流配送規劃系統。它主要由物理層、服務層和虛擬層三部分組成[2]。

（1）物理層。物理層要求物理實體即配送車輛具有決策和溝通能力，能夠采集物流配送的位置信息、車輛狀況、駕駛行為、設備路況等信息和數據。實時。利用GPS系統采集車輛位置信息和實時運輸軌跡，利用基于SAEJ1939/CAN總線協議的卡車OBDII接口采集車輛運行狀態數據，及時對故障車輛進行維修。提交過程的實時數據將通過5G技術上傳到服務層。

（2）服務層。服務層的主要任務是為基于數字孿生的物流調度系統提供數據支撐服務，并整合和分析物理層和決策數據孿生輸出層提供的實時參數信息數據，實現物理與雙層交互反應為整個系統的執行、精確控制和可靠運行提供智能。

（3）虛擬層。虛擬層分布是數字驅動雙層驅動系統最關鍵的框架之一。它基于來自底層物理層的實時數據，內核算法用于實時動態調整和迭代優化，以完成車輛重新編程和道路優化。 最后，優化后的方案通過5G無線網絡下發到車載終端，為實時調度決策提供支持。

2 智能物流配送系統原理

智能物流配送系統包括通用智能轉運車平臺、總控配送系統、自主導航系統、安全防撞系統等[3]。

（1）智能全能車輛轉運平臺，包括車體及車架、控制系統、伺服驅動系統和無線遙控系統。

（2）主控調度系統可以補充多車換乘調度功能和在線監控。

（3）自主導航系統通過視覺傳感器實時測量桿的角度和位移，并返回給車身控制器。

（4）自動對接系統完成車體與站軌的精準連接，零部件及產品順利通過。

（5）碰撞安全系統，可測量障礙物距離減速或停止。

全輪驅動智能配送車綜合平臺原理，全輪驅動智能配送車可實現前后運動、左右運動和原地旋轉。既可以完成小車和車間狹窄部位的運輸，又可以完成物料的導航和獨立配送。要實現車身的全幅運動，必須進行四個機械輪的聯合運動。動力系統通過48V200AH電池為舵輪提供220V逆變器。

3 自主導航系統

全輪驅動智能配送車自主導航系統可實現從倉庫到車站的自動運輸。導航系統采用視覺導航原理。板載控制器上傳實時體位信息，根據姿勢調整實時體位[4]。

視覺導航傳感器安裝在車身中央O2位置。通過實時掃描下色帶，計算車身中心位置與色帶中心的相對偏差值D和偏差角α。導航傳感器每 40 ms將偏轉和角度返回給控制器。

現場測試后，必須保證車身的穩定性和準確性。控制精度越高，調節頻率越高，車體易出現抖動不穩定現象。因此在控制算法中加入了死區PID控制。

4 自動對接系統

導航控制站的傳輸載體，上站的零件和產品必須自動停在導軌上，將車輛和站轉移到下站，使零件和產品通過上站導軌。由于軌道連接的精度必須在±0.5 mm以內，因此視覺導航系統必須在1 mm左右[5]。因此，需要一個輔助傳感器系統來完成自動終端連接功能。

框架前部安裝了三個激光位移傳感器，測量范圍為（100±35）mm，測量精度為70 μm。圖1為自動連接示意圖，其中D1為測得的傳感器1到框架前緣到工位的距離，D2為測得的傳感器2到框架前緣到工位的距離，D3為站側傳感器3測得的距框架的位移距離，可得：

D=D1-D2 （1）

D'=D3-100 （2）

其中D為車頭角度補償誤差值，D'為車架與工位的左右補償誤差值。根據測得的角度和左右補償誤差值，調整車身旋轉和橫向運動，完成自動連接。

5 主控調度系統

主控調度員不僅可以為每輛中轉車輛設定路線，還可以實時監控車輛的到達位置和下一站。路線設置界面會顯示當前路線圖，紅燈表示當前車站。單擊要設置為目的地的車站編號，激活導航按鈕，車輛開始向各個方向移動。

6 碰撞安全系統

在運輸過程中，多用途智能運輸車的前后必須安裝防撞安全系統。使用北陽PBS-03JN紅外光電紅外避讓傳感器。掃描角度180°，寬度2 m，長度0.2～3 m可調。

（1）避障傳感器設置兩個信號輸出間隔：1.5×2 m為報警減速區，0.7×2 m為停止區。

（2）導航過程中，如果前后邊緣有傳感器到達減速區，則車身開始減速，避開障礙物后繼續以導航速度行駛。

（3）當在停車區遇到障礙物時，車身立即停止報警，直到障礙物出來繼續導航。

7 交通監控與服務系統

目前，該系統對溫度、路線（位置）和交貨狀態進行可視化控制，并可配置溫度傳感器的數量（具體位置和裝載貨物數量應根據貨物監控的特點和要求確定）[6]。當當前物流通過RFID反饋完成每個客戶的交付時，每個客戶的任何雙模式的商品都會以任何雙模式配送。

監控交付狀態、行程和樣機應用服務。車輛運輸路線為0→13→18→20→0。顧客13對應的商品顏色為用黃色表示，顧客18對應的商品顏色用藍色表示，購物車內放置6個溫度監測器，顧客20對應的商品顏色用白色表示。配送狀態 1 表示卡車剛剛啟動，車輛溫度監控器中只有一個傳感器顯示為紅色。配送狀態2表示貨物已經運到特定地點，兩個溫度傳感器表示溫度上升，狀態為紅色。發貨狀態 3 表示只需要發貨一件商品。

同時，交互控制窗口可用于在3D可視化模型中搜索客戶的貨物，并在可視化模型中顯示突出顯示的結果，指導運輸人員快速準確地獲取貨物的數量和位置。避免漏送和出錯，提高交貨效率和質量[7]。當車輛內的貨物全部消失時，表示車輛已經完成了貨物的運送。

上述特點表明，與傳統的配送管理相比，基于數字孿生的配送管理系統可以基于模型的直接視覺交互進行調整，實時保證貨物配送、監控和視覺服務的運輸安全和質量[8]。提高配送的便捷性和效率，為未來智能裝備直營和無人配送奠定基礎。

8結語

數字孿生技術的本質仍然是仿真，它可以大大提高服務能力和應用范圍水平，是未來發展的趨勢，但在物流領域應用較少。該文結合數字孿生的優勢和進一步優化分布的需要，研究了基于數字孿生的分布式管理系統，擴大了數字孿生的應用范圍。基于數字孿生的配送管理，實現當前配送流程的數字化地圖，豐富了現有配送管理系統的功能，為配送，尤其是關鍵包裝優化提供了全新的直觀、可視化的管理和操作。不僅在于數學模型還可以以更直觀的方式進行調整和放置，并且可以提高穩定性和安全性，進一步提高包裝和交付過程的便利性、交付效率和服務水平，降低成本并提供智能化交付，為全面實施的進展奠定了基礎。

參考文獻

[1] 關輝.面向智能終端結構件加工的數字孿生車間關鍵技術研究及應用[D].武漢：華中科技大學，2019.

[2] 樊留群，丁凱，劉廣杰.智能制造中的數字孿生技術[J].制造技術與機床，2019（7）：61-66.

[3] 賈玉飛.城鄉一體化智慧物流配送系統的設計與實現[D].合把：安徽大學，2019.

[4] 季瑋，趙志峰，謝天，等.數字孿生智能交通系統的技術內涵與應用展望[C]//第十五屆中國智能交通年會科技論文集（2）.中國智能交通協會：中國智能交通協會，2020：11.

[5] 張蕾.面向路徑優化的智能物流管理系統設計與實現[D].長沙：湖南大學，2014.

[6] 陶飛，張連超，劉蔚然，等.一種數字孿生車間物料準時配送方法及系統：北京，CN111210184A[P].2020-05-29.

[7] 季瑋，趙志峰，謝天，等.數字孿生智能交通系統的技術內涵與應用展望[C]//第十五屆中國智能交通年會，2020：11.

[8] 廖家華.智能調度系統在整車物流配送中的應用研究[J].科技創新與應用，2017（22）：160-161.

作者簡介：許慶兵（1978—），男，本科，副教授，研究方向為學生管理、思想政治教育。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-6767