數(shù)字孿生車間智能物流配送系統(tǒng)運(yùn)用的思考

摘要：數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理與信息融合的有效途徑。它是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)生產(chǎn)伙伴計(jì)劃等先進(jìn)生產(chǎn)方式和戰(zhàn)略的重要工具之一。為了實(shí)現(xiàn)物流配送過程的操作和遠(yuǎn)程維護(hù)，實(shí)現(xiàn)物流配送的實(shí)時(shí)透明化，提出了一種基于數(shù)字孿生的物流配送系統(tǒng)（DT）?；跀?shù)字孿生的基本概念，構(gòu)建了數(shù)字孿生物流配送系統(tǒng)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好地物流配送。

關(guān)鍵詞：智能物流配送? 數(shù)字孿生? 車輛調(diào)度? 最優(yōu)路徑

中圖分類號(hào)： TP20? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：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(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動(dòng)下，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮中的生存趨勢(shì)，物流業(yè)也從傳統(tǒng)物流向智能物流發(fā)展。物流配送服務(wù)作為物流行業(yè)的核心業(yè)務(wù)，是物流企業(yè)客戶服務(wù)的最終環(huán)節(jié)，具有非常重要的地位。物流配送成本占據(jù)了整個(gè)物流系統(tǒng)的很大一部分，物流配送中的車輛規(guī)劃和道路優(yōu)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(dǎo)致配送復(fù)雜性和額外的配送成本。因此，越來越多的研究人員開始關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)配送過程的透明化，提出基于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)等技術(shù)的物流配送智能模型。數(shù)字孿生概念為智能物流配送系統(tǒng)提供了新的解決方案。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新興的智能技術(shù)，在制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究人員的研究，提出了一種智能物流配送系統(tǒng)[1]。工廠計(jì)劃以數(shù)字孿生技術(shù)為導(dǎo)向，基于數(shù)字孿生產(chǎn)品生命周期預(yù)測(cè)方法、總裝配生產(chǎn)線數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字孿生建筑信息模型、基于數(shù)字孿生的航班保障預(yù)警系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)物理的融合。

在此基礎(chǔ)上，引入數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)配送流程進(jìn)行高效管理，將配送流程從“黑箱”模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕渌蛙囕v狀態(tài)、配送人員狀態(tài)、配送路線等透明實(shí)時(shí)狀態(tài)，以達(dá)到物料配送的準(zhǔn)確性。

1 基于數(shù)字孿生的智能物流配送規(guī)劃總體框架

數(shù)字孿生的原理和性能基于物理實(shí)體和過程的數(shù)字化，通過集成數(shù)據(jù)孿生驅(qū)動(dòng)的物理信息顯示，利用仿真軟件模擬當(dāng)前運(yùn)行過程中物理實(shí)體的情況，從而提出孿生框架，數(shù)字化物流配送規(guī)劃系統(tǒng)。它主要由物理層、服務(wù)層和虛擬層三部分組成[2]。

（1）物理層。物理層要求物理實(shí)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(shè)備路況等信息和數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)。利用GPS系統(tǒng)采集車輛位置信息和實(shí)時(shí)運(yùn)輸軌跡，利用基于SAEJ1939/CAN總線協(xié)議的卡車OBDII接口采集車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)故障車輛進(jìn)行維修。提交過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將通過5G技術(shù)上傳到服務(wù)層。

（2）服務(wù)層。服務(wù)層的主要任務(wù)是為基于數(shù)字孿生的物流調(diào)度系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，并整合和分析物理層和決策數(shù)據(jù)孿生輸出層提供的實(shí)時(shí)參數(shù)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物理與雙層交互反應(yīng)為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行、精確控制和可靠運(yùn)行提供智能。

（3）虛擬層。虛擬層分布是數(shù)字驅(qū)動(dòng)雙層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最關(guān)鍵的框架之一。它基于來自底層物理層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，內(nèi)核算法用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整和迭代優(yōu)化，以完成車輛重新編程和道路優(yōu)化。 最后，優(yōu)化后的方案通過5G無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到車載終端，為實(shí)時(shí)調(diào)度決策提供支持。

2 智能物流配送系統(tǒng)原理

智能物流配送系統(tǒng)包括通用智能轉(zhuǎn)運(yùn)車平臺(tái)、總控配送系統(tǒng)、自主導(dǎo)航系統(tǒng)、安全防撞系統(tǒng)等[3]。

（1）智能全能車輛轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，包括車體及車架、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和無線遙控系統(tǒng)。

（2）主控調(diào)度系統(tǒng)可以補(bǔ)充多車換乘調(diào)度功能和在線監(jiān)控。

（3）自主導(dǎo)航系統(tǒng)通過視覺傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量桿的角度和位移，并返回給車身控制器。

（4）自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)完成車體與站軌的精準(zhǔn)連接，零部件及產(chǎn)品順利通過。

（5）碰撞安全系統(tǒng)，可測(cè)量障礙物距離減速或停止。

全輪驅(qū)動(dòng)智能配送車綜合平臺(tái)原理，全輪驅(qū)動(dòng)智能配送車可實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)和原地旋轉(zhuǎn)。既可以完成小車和車間狹窄部位的運(yùn)輸，又可以完成物料的導(dǎo)航和獨(dú)立配送。要實(shí)現(xiàn)車身的全幅運(yùn)動(dòng)，必須進(jìn)行四個(gè)機(jī)械輪的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力系統(tǒng)通過48V200AH電池為舵輪提供220V逆變器。

3 自主導(dǎo)航系統(tǒng)

全輪驅(qū)動(dòng)智能配送車自主導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從倉(cāng)庫(kù)到車站的自動(dòng)運(yùn)輸。導(dǎo)航系統(tǒng)采用視覺導(dǎo)航原理。板載控制器上傳實(shí)時(shí)體位信息，根據(jù)姿勢(shì)調(diào)整實(shí)時(shí)體位[4]。

視覺導(dǎo)航傳感器安裝在車身中央O2位置。通過實(shí)時(shí)掃描下色帶，計(jì)算車身中心位置與色帶中心的相對(duì)偏差值D和偏差角α。導(dǎo)航傳感器每 40 ms將偏轉(zhuǎn)和角度返回給控制器。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，必須保證車身的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性?？刂凭仍礁?，調(diào)節(jié)頻率越高，車體易出現(xiàn)抖動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此在控制算法中加入了死區(qū)PID控制。

4 自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)

導(dǎo)航控制站的傳輸載體，上站的零件和產(chǎn)品必須自動(dòng)停在導(dǎo)軌上，將車輛和站轉(zhuǎn)移到下站，使零件和產(chǎn)品通過上站導(dǎo)軌。由于軌道連接的精度必須在±0.5 mm以內(nèi)，因此視覺導(dǎo)航系統(tǒng)必須在1 mm左右[5]。因此，需要一個(gè)輔助傳感器系統(tǒng)來完成自動(dòng)終端連接功能。

框架前部安裝了三個(gè)激光位移傳感器，測(cè)量范圍為（100±35）mm，測(cè)量精度為70 μm。圖1為自動(dòng)連接示意圖，其中D1為測(cè)得的傳感器1到框架前緣到工位的距離，D2為測(cè)得的傳感器2到框架前緣到工位的距離，D3為站側(cè)傳感器3測(cè)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(bǔ)償誤差值，D'為車架與工位的左右補(bǔ)償誤差值。根據(jù)測(cè)得的角度和左右補(bǔ)償誤差值，調(diào)整車身旋轉(zhuǎn)和橫向運(yùn)動(dòng)，完成自動(dòng)連接。

5 主控調(diào)度系統(tǒng)

主控調(diào)度員不僅可以為每輛中轉(zhuǎn)車輛設(shè)定路線，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的到達(dá)位置和下一站。路線設(shè)置界面會(huì)顯示當(dāng)前路線圖，紅燈表示當(dāng)前車站。單擊要設(shè)置為目的地的車站編號(hào)，激活導(dǎo)航按鈕，車輛開始向各個(gè)方向移動(dòng)。

6 碰撞安全系統(tǒng)

在運(yùn)輸過程中，多用途智能運(yùn)輸車的前后必須安裝防撞安全系統(tǒng)。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(zhǎng)度0.2～3 m可調(diào)。

（1）避障傳感器設(shè)置兩個(gè)信號(hào)輸出間隔：1.5×2 m為報(bào)警減速區(qū)，0.7×2 m為停止區(qū)。

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

（3）當(dāng)在停車區(qū)遇到障礙物時(shí)，車身立即停止報(bào)警，直到障礙物出來繼續(xù)導(dǎo)航。

7 交通監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)

目前，該系統(tǒng)對(duì)溫度、路線（位置）和交貨狀態(tài)進(jìn)行可視化控制，并可配置溫度傳感器的數(shù)量（具體位置和裝載貨物數(shù)量應(yīng)根據(jù)貨物監(jiān)控的特點(diǎn)和要求確定）[6]。當(dāng)當(dāng)前物流通過RFID反饋完成每個(gè)客戶的交付時(shí)，每個(gè)客戶的任何雙模式的商品都會(huì)以任何雙模式配送。

監(jiān)控交付狀態(tài)、行程和樣機(jī)應(yīng)用服務(wù)。車輛運(yùn)輸路線為0→13→18→20→0。顧客13對(duì)應(yīng)的商品顏色為用黃色表示，顧客18對(duì)應(yīng)的商品顏色用藍(lán)色表示，購(gòu)物車內(nèi)放置6個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器，顧客20對(duì)應(yīng)的商品顏色用白色表示。配送狀態(tài) 1 表示卡車剛剛啟動(dòng)，車輛溫度監(jiān)控器中只有一個(gè)傳感器顯示為紅色。配送狀態(tài)2表示貨物已經(jīng)運(yùn)到特定地點(diǎn)，兩個(gè)溫度傳感器表示溫度上升，狀態(tài)為紅色。發(fā)貨狀態(tài) 3 表示只需要發(fā)貨一件商品。

同時(shí)，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(jié)果，指導(dǎo)運(yùn)輸人員快速準(zhǔn)確地獲取貨物的數(shù)量和位置。避免漏送和出錯(cuò)，提高交貨效率和質(zhì)量[7]。當(dāng)車輛內(nèi)的貨物全部消失時(shí)，表示車輛已經(jīng)完成了貨物的運(yùn)送。

上述特點(diǎn)表明，與傳統(tǒng)的配送管理相比，基于數(shù)字孿生的配送管理系統(tǒng)可以基于模型的直接視覺交互進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)保證貨物配送、監(jiān)控和視覺服務(wù)的運(yùn)輸安全和質(zhì)量[8]。提高配送的便捷性和效率，為未來智能裝備直營(yíng)和無人配送奠定基礎(chǔ)。

8結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)的本質(zhì)仍然是仿真，它可以大大提高服務(wù)能力和應(yīng)用范圍水平，是未來發(fā)展的趨勢(shì)，但在物流領(lǐng)域應(yīng)用較少。該文結(jié)合數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)和進(jìn)一步優(yōu)化分布的需要，研究了基于數(shù)字孿生的分布式管理系統(tǒng)，擴(kuò)大了數(shù)字孿生的應(yīng)用范圍?；跀?shù)字孿生的配送管理，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前配送流程的數(shù)字化地圖，豐富了現(xiàn)有配送管理系統(tǒng)的功能，為配送，尤其是關(guān)鍵包裝優(yōu)化提供了全新的直觀、可視化的管理和操作。不僅在于數(shù)學(xué)模型還可以以更直觀的方式進(jìn)行調(diào)整和放置，并且可以提高穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)一步提高包裝和交付過程的便利性、交付效率和服務(wù)水平，降低成本并提供智能化交付，為全面實(shí)施的進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)輝.面向智能終端結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)字孿生車間關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

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

[3] 賈玉飛.城鄉(xiāng)一體化智慧物流配送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合把：安徽大學(xué)，2019.

[4] 季瑋，趙志峰，謝天，等.數(shù)字孿生智能交通系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)涵與應(yīng)用展望[C]//第十五屆中國(guó)智能交通年會(huì)科技論文集（2）.中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)：中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)，2020：11.

[5] 張蕾.面向路徑優(yōu)化的智能物流管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

[6] 陶飛，張連超，劉蔚然，等.一種數(shù)字孿生車間物料準(zhǔn)時(shí)配送方法及系統(tǒng)：北京，CN111210184A[P].2020-05-29.

[7] 季瑋，趙志峰，謝天，等.數(shù)字孿生智能交通系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)涵與應(yīng)用展望[C]//第十五屆中國(guó)智能交通年會(huì)，2020：11.

[8] 廖家華.智能調(diào)度系統(tǒng)在整車物流配送中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（22）：160-161.

作者簡(jiǎn)介：許慶兵（1978—），男，本科，副教授，研究方向?yàn)閷W(xué)生管理、思想政治教育。

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