數字孿生模型在煙草智能倉儲中的應用

尚立新 李常非 桑騰 張新生

1．山東聊城煙草有限公司；2．機械工業第六設計研究院有限公司

本文首先對數字孿生技術概念、價值簡要分析，然后闡述煙草智能倉儲現狀和煙草智能倉儲管理平臺功能，最后從物料分揀、物料運輸、物料存放、存儲管理、安全管理闡述等方面探索數字孿生模型在煙草智能倉儲模塊中的應用，并基于數字孿生模型闡述煙草智能倉儲管理平臺設計、煙草智能倉儲建模、煙草智能倉儲工作流程建模、煙草智能倉儲仿真系統、煙草智能倉儲AR可視化系統等方面的應用前景，為智能倉儲管理人員提供參考。

傳統煙草倉儲管理容易出現蟲情和霉變等問題，為了保證煙草物料的醇化質量，研究人員提出推動煙草智能倉儲系統的建設，引入煙草霉變預測模型等方法提高煙草智能倉儲管理質量。其本質是加強煙草智能倉儲資源利用率，減少煙草物料進出庫的時間，以提高煙草物料的養護質量。近年來數字孿生模型逐漸得到人們的重視，該模型對煙草智能倉儲系統進一步優化具有積極作用，本文在此背景下對數字孿生模型在煙草智能倉儲的應用進行探索。

1 數字孿生模型

1.1 數字孿生技術概念

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。數字孿生是個普遍適應的理論技術體系，可以在眾多領域應用，在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用較多。在國內應用最深入的是工程建設領域，關注度最高、研究最熱的是智能制造領域。

1.2 數字孿生技術價值

數字孿生技術是以物理實體真實場景數據為依托，以真實和仿真模型運行數據實時交互優化為機制，自運行的虛擬空間映射模型，對大到城市、小到設備原件的實物均可虛擬化表示，因此完全可以根據虛擬模型對物理資產進行管理。其主要價值體現在描述、分析、診斷、預測四個方面，描述價值指的是數字孿生技術可以對物理資產的數據進行虛擬化描述，有利于對物理資產進行實時監測；分析價值指的是虛擬化數字孿生模型可以直接根據物理資產數據分析其中的不足，有利于改進物理資產的性能；診斷價值指的是虛擬化模型能夠對歷史數據中的相關關系進行分析，有利于發現某些問題的真實原因；預測價值指的是虛擬化模型能夠在數字孿生技術的支持下預測物理資產未來的發展狀態，有利于管理人員對管理策略進行優化。

2 煙草智能倉儲管理現狀

2.1 煙草智能倉儲現狀

目前煙草智能倉儲多采用四段式氣調法對煙草物料進行養護，四段式氣調法存在溫度不均衡的缺點，溫度較高的季節倉儲頂部溫度較高，容易導致煙草物料碳化。煙草智能倉儲在四段式氣調法對煙草物料參數的數據采集較少，不利于煙草智能倉儲信息化系統的建設，而且煙草智能倉儲在煙草物料進出庫過程中多采用人工掃碼方式，對煙草智能倉儲人員的占用率比較高，影響了煙草智能倉儲的維護管理效果。因此，有些煙草智能倉儲提出建立信息化數據系統，通過物聯網、傳感器對煙草物料內部溫濕度、煙草物料內部氧氣濃度、空氣內溫濕度進行檢測，以提高煙草智能倉儲的智能化管理水平，但是煙草智能倉儲必須對倉間和倉儲管理模式進行改造，導致煙草智能倉儲并未得到廣泛應用。

2.2 煙草智能倉儲管理平臺功能

目前改造后的煙草智能倉儲管理平臺功能應該具備煙草物料包芯監控、煙草物料垛內監控、倉庫監控、蟲情監控、預警、數據整理、出入庫管理等功能。其中煙草物料包芯監控可以監控各個煙草物料垛堆溫度在不同時間段下的變化情況；煙草物料垛內監控可以監控各個煙草物料垛堆內部的溫濕度、氧氣濃度在不同時間段下的變化情況；倉庫監控可以監控各個倉間內部和倉庫外的溫濕度在不同時間段下的變化情況；蟲情監控可以監控各個煙草物料垛堆是否存在異常情況；預警功能可以在發現異常情況之后將溫濕度、氧氣濃度、蟲情等信息發送至倉儲管理人員手機端，以便于實時查看預警情況；數據整理可以整理出溫濕度、氧氣濃度、蟲情信息隨時間變化情況，有利于制定更加科學合理的煙草物料養護計劃；出入庫管理可以通過自動掃碼功能賦予不同批次的煙草物料ID信息，每個ID信息與煙草物料的類型和數量等信息實時同步。

3 數字孿生模型在煙草智能倉儲的應用探索

3.1 煙草智能倉儲模塊

(1)物料分揀。數字孿生模型在煙草智能倉儲應用后物料分揀功能可以直接根據煙草物料ID信息將不同類型的煙草物料送往指定倉間存放，這樣即可根據信息識別功能實現煙草物料自動分揀，有利于提高煙草智能倉儲管理效率。物料分揀主要分為人工分揀和機器分揀兩種情況，防止分揀系統出現故障或者機器分揀失敗。但是無論采用那種分揀情況，信息識別成功后將倉間信息和物料信息匹配，分揀設備即會自動執行貨物分揀指令，同時完成物料信息錄入工作。物料分揀具體功能實現流程如圖1所示：

圖1 物料分揀具體功能實現流程Fig.1 The realization process of specific functions of material sorting

(2)物料運輸。數字孿生模型在煙草智能倉儲應用后物料運輸功能可以將分揀完成的煙草物料通過運輸設備傳送至倉儲區域，而倉儲區域的煙草物料也可以通過運輸設備運輸至分揀區域以便于后續出庫。倉間內部存儲的煙草物料信息和位置是固定的，每個倉間的貨物運輸路徑是固定的，只要確定煙草物料信息和運輸倉間的信息，即可直接通過系統查詢功能確定該物料的運輸路徑，運輸路徑確定后運輸設備（穿梭車、傳送帶、機器人等）即可根據目標定位進行自動化操作或者人工操作。物料運輸具體功能實現流程如圖2所示：

圖2 物料運輸具體功能實現流程Fig.2 The realization process of specific functions of material transportation

(3)物料存放。數字孿生模型在煙草智能倉儲應用后物料存放功能在煙草物料運輸過程中往往采取先進先出原則或者就近原則，若煙草物料能夠存在較長時間而不會出現蟲情或霉變，則采用先進先出原則或者就近原則均可。但是實際倉儲管理過程中在不考慮運輸效果的情況下往往采用先進先出原則，這樣可以將煙草物料霉變的幾率降至最低，有利于降低煙草物料養護風險。物料存放過程中可以將存放時間相近的煙草物料存放在同一垛位，然后根據垛位編號記錄存放的煙草物料入庫信息即可。

(4)存儲管理。數字孿生模型在煙草智能倉儲應用后存儲管理功能主要包括煙草物料定位查詢、庫存查詢、空位查詢三大功能。其中煙草物料定位查詢指的是對不同入庫時間的不同煙草物料進行查詢，查詢過程中輸入該批次煙草物料的ID編號即可；煙草物料庫存查詢同樣輸入對應ID編號進行查詢，存儲管理系統可以直接對該批次煙草物料的倉儲庫存量、出入庫量、出入庫頻率等信息進行查詢；煙草物料空位查詢可以根據煙草物料的出入庫量、物料類型查詢哪些倉間存在空余垛位，這樣可以提高倉庫的補貨效率。

(5)安全管理。數字孿生模型在煙草智能倉儲應用后安全管理功能主要包括溫濕度、氧氣濃度、蟲情監控、其他等。溫濕度、氧氣濃度、蟲情等因素對煙草物料質量的影響極大，安全管理系統可以通過傳感器和物聯網對各個倉間、各個垛位的煙草物料信息進行實時監控。而其他安全管理監控主要目標為煙草物料掉落、消防隱患等，這些因素也會對煙草智能倉儲管理安全性造成一定影響。

3.2 基于數字孿生模型的煙草智能倉儲管理平臺設計

數字孿生模型下煙草智能倉儲管理平臺主要分為倉儲規劃設計、智能作業、可視化安防、可視化物流等模塊。其中倉儲規劃設計模塊需要基于數字孿生模型、倉庫空間數據、設施數據構建倉庫立體虛擬模型，模擬物料、設備、人員的移動情況，為倉儲布局數據化提供數據基礎；智能作業模塊需要基于數字孿生模型搭建倉庫（包括設施設備、物資）的立體三維模型，通過立體仿真實現場景切換，提高作業效率和準確率；可視化安防模塊需要通過物聯網系統同步傳感器數據，并通過數字孿生模型分析倉儲管理風險；可視化物流模塊需要將設備狀態信息、物料信息轉換成更加直觀的可視化數據。

3.3 基于數字孿生模型的煙草智能倉儲工作流程建模

基于數字孿生模型的煙草智能倉儲工作流程分為入庫和出庫兩部分。入庫階段工作流程為入庫、分揀、運輸、存放，入庫后設備和機器人會對煙草物料進行分揀，將同批次煙草物料放入料箱，然后料箱由傳送帶送入緩沖區，最后緩沖區內穿梭車在信息系統的指令控制下將料箱送至各個倉間指定垛位；出庫階段工作流程為運輸、分揀、出庫，穿梭車在信息系統的指令控制下用料箱將煙草物料從垛位運出至緩沖區，緩沖區直接將料箱放置在傳送帶上到達分揀區，分揀區使用設備或機器人將煙草物料取出，最后煙草物料出庫完成。

3.4 基于數字孿生模型的煙草智能倉儲仿真系統

基于數字孿生模型的煙草智能倉儲仿真系統主要通過工藝規劃、工藝、數據驅動對煙草智能倉儲工作流程、煙草智能倉儲建模進行仿真，工藝數據、模型數據、仿真數據、運行數據全部存儲在數據庫，數據庫在各個系統的調用下分別實現溫濕度、氧氣濃度、蟲情監控、煙草物料掉落、消防隱患監控功能，仿真系統需要將倉庫數據實時傳輸同步仿真鎮客戶端，只要煙草智能倉儲系統數據采集、處理、連接與調度流程與孿生驅動流程完全一致。

3.5 基于數字孿生模型的煙草智能倉儲AR可視化系統

基于數字孿生模型的煙草智能倉儲AR可視化系統架構包括3D數字化生產系統模型、AR注冊/定位/顯示、VR顯示、MES及數采系統通信接口，AR輸出模塊的3D注冊、視點跟蹤和虛實融合功能，3D注冊指建立世界坐標系，通過AR識別方式建立起各個虛擬物體在世界坐標系中的位置，視點跟蹤主要指用戶使用便攜式AR背包時，跟蹤頭戴攝像頭的位置，實現正確的虛實疊加。

4 結語

綜上所述，數字孿生模型在煙草智能倉儲的應用能夠提高物料的管理質量和效率，數據化、信息化、虛擬化、可視化煙草智能倉儲系統能夠根據數據判斷煙草物料是否存在碳化情況，有利于提高煙草智能倉儲的智能化、精細化管理水平，對降低煙草智能倉儲人力成本和實現煙草物料進出庫自動化具有重要意義。