基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧糧庫 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

宿 穎，張 剛，陳怡暄

（航天信息江蘇有限公司，江蘇南京 210031）

近年來，隨著數(shù)字孿生概念的普及和相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，各類生產(chǎn)制造、倉儲、運(yùn)維等相關(guān)行業(yè)也逐漸開始數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用探索和嘗試。數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型，該模型可通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而進(jìn)行實(shí)時演化，從而與物理對象的全生命周期保持一致?；跀?shù)字孿生可進(jìn)行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等（即仿真），并將仿真結(jié)果反饋給物理對象，從而有助于對物理對象進(jìn)行優(yōu)化和決策。物理對象、數(shù)字孿生以及基于數(shù)字孿生的仿真及反饋一起構(gòu)成一個信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical Systems）。面向數(shù)字孿生全生命周期（構(gòu)建、演化、評估、管理和使用）的技術(shù)稱為數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin Technology）[1]。

數(shù)字孿生技術(shù)為糧庫智能化建設(shè)及管理提供了全新的視角和技術(shù)理念參考，但如何將這一技術(shù)在糧食倉儲領(lǐng)域落地并與智慧糧庫建設(shè)有機(jī)結(jié)合，是一個亟待解決的復(fù)雜問題，需要做好規(guī)劃，穩(wěn)步推進(jìn)。本文介紹了國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)在糧食倉儲行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并探討了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧糧庫的應(yīng)用趨勢及方向。

1 國外數(shù)字孿生技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)及現(xiàn)狀

1.1 Consafe Logistics

Consafe Logistics（康薩菲物流）相關(guān)研究者推出了與Xcelgo合作開發(fā)的面向倉儲物流行業(yè)的Digital Twin概念。該工具將幫助倉庫和物流企業(yè)準(zhǔn)確重建他們自己的系統(tǒng)，并從根本上改善其管理和優(yōu)化流程的方式[2]?，F(xiàn)在，Consafe Logistics的客戶可以使用新的Digital Twin概念向其WMS系統(tǒng)添加更多創(chuàng)新功能。有了這個附加功能，就可以精確地以3D方式重新創(chuàng)建任何倉庫，甚至可以精確定位到庫存的位置和貨架單位的數(shù)量，這種可視化操作可以改善倉庫的管理方式。

1.2 Centaur Analytics

Centaur Analytics（半人馬咨詢）的相關(guān)研究者則提出了構(gòu)建全球化的收獲后糧食質(zhì)量控制鏈的概念，通過引入實(shí)時的、自動化的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和分析技術(shù)，積極干預(yù)糧食倉儲流程并避免損失[3]。使用傳感器跟蹤溫度、水分含量、空氣流量、二氧化碳濃度、干物質(zhì)損失以及其他與谷物存儲質(zhì)量有關(guān)的因素，由專有計算流體動力學(xué)提供支持的數(shù)字孿生模型，可以實(shí)時更新數(shù)據(jù)，從而快速偵測到可能的儲糧劣化關(guān)鍵區(qū)域，及時提醒工作人員采取措施，避免或降低損失。

1.3 國內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)智慧糧庫的相關(guān)建設(shè)起步較晚，各糧食儲備單位、研究所、高校和企業(yè)通過一段時間的積累，目前在糧庫的信息化和數(shù)字化方面取得了一定成果。呂宗旺等[4]在2013年提出了綜合利用RFID、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、車載網(wǎng)絡(luò)和自動檢測等現(xiàn)代技術(shù)作為構(gòu)建智慧糧庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)。羅山等[5]在2019年提出了針對海南省各地糧食儲備庫的信息化建設(shè)規(guī)劃，通過構(gòu)建智慧糧庫綜合管理系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)針對庫區(qū)糧食安全儲藏的現(xiàn)代化管理。系統(tǒng)核心功能包括糧倉糧情測控、糧倉設(shè)備控制和其他業(yè)務(wù)功能。其中糧倉糧情測控含有糧溫檢測、水分檢測、氣體濃體檢測、蟲害檢測、糧倉監(jiān)控視頻、倉內(nèi)糧食數(shù)量檢測和倉內(nèi)氣密性檢測7大功能模塊。糧倉控制含有智能通風(fēng)、智能空調(diào)控溫、倉內(nèi)環(huán)流均溫、氮?dú)鈿庹{(diào)、環(huán)流熏蒸、照明控制和其他設(shè)備控制7大功能模塊。其他業(yè)務(wù)功能含有出入庫系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、庫區(qū)安防巡更系統(tǒng)、品質(zhì)溯源系統(tǒng)及根據(jù)用戶需求定制的其他業(yè)務(wù)功能模塊。

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧糧庫應(yīng)用趨勢

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧糧庫的應(yīng)用依賴于數(shù)字化糧庫的建設(shè)基礎(chǔ)，即豐富實(shí)時的感知數(shù)據(jù)、高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，通過將高精確度的多維模型集合、態(tài)勢感知和重構(gòu)技術(shù)以及行業(yè)知識模型算法相結(jié)合，不但可以實(shí)現(xiàn)糧食倉儲自動化控制的預(yù)測和決策輔助，而且通過持續(xù)的訓(xùn)練積累，可實(shí)現(xiàn)自動化的反饋控制，從而真正構(gòu)建智慧糧庫，降低糧庫的倉儲保管成本，提高糧食倉儲品質(zhì)及效率。一個典型的數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)圖

2.1 感知層

數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是豐富的實(shí)時數(shù)據(jù)來源，智慧糧庫建設(shè)逐步構(gòu)建了傳感器網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)的溫濕度傳感器基礎(chǔ)上，逐步引入了視頻監(jiān)控、光電檢測、氣體檢測等更為先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)。同時，伴隨采用氣調(diào)儲糧技術(shù)替代傳統(tǒng)熏蒸技術(shù)等技術(shù)革新，原有監(jiān)測傳感設(shè)備也面臨著技術(shù)升級和更新。智慧糧庫建設(shè)的趨勢是部署更多種類和數(shù)量的傳感器以實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆蓋面，從而采集更豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建更立體的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.2 傳輸層

數(shù)字孿生技術(shù)的孿生映射基礎(chǔ)是高實(shí)時性的數(shù)據(jù)同步。目前，智慧糧庫建設(shè)逐步普及了現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時采用了傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議和新興的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。常見協(xié)議包括Modbus、OPC、MQTT，為數(shù)字孿生技術(shù)所需的高實(shí)時性數(shù)據(jù)同步提供廣泛且可靠的數(shù)據(jù)來源。

2.3 模型層

數(shù)字孿生技術(shù)的孿生體構(gòu)建基礎(chǔ)是高精確度的多維模型集合，其中既包含傳統(tǒng)的三維可視化模型（CAD），仿真模型（CAE），又包括預(yù)測控制模型（Model Predictive Control）。CAD模型技術(shù)主要用于構(gòu)建智慧糧庫的三維可視化場景，CAE模型技術(shù)主要用于構(gòu)建糧倉內(nèi)的溫度場及流場可視化模型，預(yù)測控制模型技術(shù)主要用于根據(jù)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，預(yù)測后續(xù)可能出現(xiàn)的問題，并有針對性地提供輔助決策，幫助工作人員降低故障出現(xiàn)概率。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包括基于感知數(shù)據(jù)和孿生模型實(shí)現(xiàn)的具體應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)展示、分析預(yù)測、輔助決策、自動反饋控制等，這些都屬于態(tài)勢感知及重構(gòu)技術(shù)的范疇。數(shù)字孿生技術(shù)的孿生可視化展現(xiàn)基礎(chǔ)來自態(tài)勢感知和重構(gòu)，這是智慧糧庫建設(shè)目前尚未大規(guī)模涉及的領(lǐng)域。采用態(tài)勢感知技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的辨識、關(guān)聯(lián)和整合，并且在時間上進(jìn)行推斷，以判斷其會怎樣影響未來的操作環(huán)境，最終將這些可能性信息通過可視化形式展現(xiàn)給智慧糧庫系統(tǒng)的用戶，為其決策提供參考。

3 結(jié)語

國家的糧食安全戰(zhàn)略的實(shí)施與糧食倉儲智慧化建設(shè)的技術(shù)手段及其實(shí)行程度成正相關(guān)?？傮w來說，目前國外的糧食倉儲智慧化建設(shè)都是集科學(xué)論證、技術(shù)設(shè)備試驗(yàn)、方法研究、標(biāo)準(zhǔn)制定等多功能于一身，其發(fā)展趨勢多是由單一功能向多功能轉(zhuǎn)變，且為大型糧食倉儲企業(yè)提供系統(tǒng)和裝備支持。而國內(nèi)糧食倉儲智慧化建設(shè)共同的特點(diǎn)是建設(shè)規(guī)模相對較小、設(shè)備和功能比較單一、場址相對分散、數(shù)據(jù)信息共享程度低，而且大部分糧庫缺乏業(yè)務(wù)協(xié)同化運(yùn)行的能力，與國外差距較大?；跀?shù)字孿生技術(shù)的智慧糧庫應(yīng)用研究將極大程度地解決我國糧食倉儲智慧化建設(shè)的迫切需求，為智慧糧庫及相關(guān)裝備技術(shù)的研發(fā)、測試、評價等提供科學(xué)有效的試驗(yàn)和驗(yàn)證，對提升我國糧食倉儲智能化、智慧化水平，確保糧食安全戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要意義。