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摘要：结合四川中烟工业有限责任公司绵阳卷烟厂的具体实践情况，本文主要介绍了通过数字孪生等技术的运用，在现有物流高架库管理系统（WMS）基础上，从物流管理系统、设备使用管理、数字孪生监控三个方面进行升级改造，从而构建出一套功能完善、数据信息完整、各子系统实现互联互通的智能辅助物流系统。通过成功运用新技术，使原有物流高架库系统焕发新的活力，因此本项目可作为传统物流高架库系统数字化转型的成功案例在业内推广。关键词：卷烟工厂、数字孪生、物流高架库管理系统作者：王立春 张宝四川中烟工业有限责任公司绵阳卷烟厂引言随着卷烟工厂提质增效需求增强,以及信息化建设推进、生产制造系统智能化改革发展，各生产单元逐步升级完善数字化，最终实现智能制造成为必然趋势。四川中烟工业有限责任公司绵阳卷烟厂运用数字孪生技术，在物理实体、虚拟实体、互联、数据和应用服务五个维度上，对现用的仓储物流管理系统（WMS）进行升级，实现物流高架库关键设备信息数字化，并提供设备状态预测、预警与决策辅助，使物流高架库的状态维护、生产调度、运行管理方面得到数字化升级，全面提升了工厂物流系统的管理水平。一项目背景及目标1.项目建设背景四川中烟工业有限责任公司绵阳卷烟厂物流高架库系统于2010年投入使用，可满足年产50万箱卷烟生产，按照卷烟生产工艺布局需要系统分为以下四个部分：配方物流系统、辅料物流系统、成品物流系统和物流中央控制系统。随着生产需要不断更新，受制于当时开发技术限制，系统在使用过程中的一些局限性和弊端日益突出，表现在以下方面： （1）受生产布局影响，物流中控室远离现场，无法及时掌握实时状态，业务联系不直观；（2）客户端界面缺乏通用性，业务界面操作繁琐，数据展示不直观；（3）监控系统数据单一，对设备故障、运行状态、故障定位不直观；（4）故障报警、提示功能不健全，导致故障处理不及时影响生产。（5）系统缺乏设备故障、运行等信号的统计、分析、预测等业务功能，设备未实现信息化管理，设备相关数据无法查询、统计、分析。（6）系统更新程序后安装部署困难，不易扩展。2.项目建设目标随着近年软件构造技术的发展和更新，现有软件技术已经可实现原复杂专用软件才能实现的功能，且成熟可靠，已在多领域应用。通过数字孪生等技术运用，在现有物流高架库管理系统（WMS）的基础上，从物流管理系统、设备使用管理、数字孪生监控三个方面进行升级改造，构建一套功能完善、数据信息完整、各子系统实现互联互通的智能辅助物流系统，着力提升物流系统在数字孪生、批次管理、设备状态管理方面的智慧决策程度。二系统设计1.技术原理（1）数字孪生技术数字孪生可以实现物理实体对象和数字世界模型对象之间的映射，实现在数字世界对物理实体的状态和行为进行全面呈现、精准表达和动态监测。该项目通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，可加速操作人员对物理实体的了解，让很多原来因物理条件限制、必须依赖于真实物理实体而无法完成的操作，如模拟仿真、批量复制等成为触手可及的工具，使原有系统不断焕发新的活力，进一步提升物流高架库系统的管理效率。简单来说，数字孪生不仅仅是现实世界中的实体对象镜像，也能在数字化世界中构建完全一致的对应模型，通过数字化的手段对实体对象进行动态仿真、监测、分析和控制。（2）虚拟仿真平台构建技术在虚拟系统建立时，首先收集货物样本的资料、照片、设备尺寸、现场布局等原始数据，采用三维虚拟技术、3D max建模软件，结合真实仓库现状，建立一个仓库虚拟三维场景，并对所建三维模型进行压缩、贴图、渲染等优化，结合C#语言编写脚本程序，实现信息交互。（3）数据接口技术对设备状态、故障、运行、定位、控制等数据重新定义规则实现数据压缩，采取线程池的多线程技术、插件技术，对不同PLC采用单独线程定时或事件触发获取数据，对不同类物流设备有机整合和快速集成，并实现同类设备的快速定义，参数化配置完成设备及数据的定义。对采集的设备数据按不同类别进行封装、压缩，形成可供多平台多终端数字孪生系统同时接收、发送的设备数据接口，实现多平台多终端实时信息、控制指令下发秒级响应。（4）Browser/Server这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用，浏览器通过Web Server 同数据库进行数据交互。B/S架构有三层：第一层表现层，主要完成用户和后台的交互及最终查询结果的输出功能；第二层逻辑层，主要是利用服务器完成客户端的应用逻辑功能；第三层数据层，主要是接受客户端请求后独立进行各种运算。 2.软件体系结构本文所述项目的计算机信息系统主要由WMS（包含接口系统），WCS（包含数字孪生监控），数据采集组成，系统间既相互独立，又相互配合形成一个完整的计算机信息应用系统。系统间通过数据共享，实时通讯，以及后台共同的数据库方式进行数据共享，信息交换，实现任务协作。
图1 软件体系结构图本项目软件体系结构如图1所示，上层系统是企业的MES、ERP、批次管理、基础数据平台等企业的其他信息系统，它们或给系统下达更高层次的任务（例如生产令），或实现和其他系统的信息共享（例如批次管理系统），或事项基础数据的同步与更新（例如基础数据平台共享基础数据代码）。PDA主要负责人工异常处理及条码数据读写、校验业务。下层系统是电控输送系统、堆垛机子系统、AGV、机器手等，它们是物流单元运输的执行系统，从调度监控层接收人工的（来自监控系统）或自动的（来自调度控制系统）控制命令，通过控制机械系统的运转，从而实现每个物流单元的准确输送；同时及时上报系统运行状况，以供使用者查看和控制系统做出调度决策。系统工作流程，如图2所示。
图2 系统工作流程图3.数字孪生仿真平台的构建（1）利用数字孪生技术、虚拟仿真平台构建技术、数据接口技术、最新WEB技术，设计、编写、测试各模块的功能软件。（2）利用3D建模技术，实现物流设备（输送设备、AGV、堆垛机、穿梭车、机器手、夹包机、货架），物料的3D建模及贴图设计及制作。（3）设计数采数据接口，通过PLC程序编写，实现设备信号采集、控制逻辑重新构建。（4）设计数据处理模块，利用数据接口技术，系统完成物流设备运行、故障等数据的采集、过滤、处理、存储。（5）设计、编写设备监控模块，实时获取物流设备数据，实现设备层的实时监控。（6）设计、编写智能调度模块，实时获取物流设备数据及任务数据，并对数据综合分析处理，实现智能调度控制。（7）设计、编写数字孪生仿真模块，实时获取设备数据及任务数据，利用数字孪生技术，路径或节点运行模拟，实现设备实时模拟输送。（8）设计、编写设备管理模块，利用物流设备数据、参数数据、维修数据等，实现设备的信息管理。（9）设计、编写故障诊断模块，利用实时故障获取、人工经验库、控制逻辑模拟、系统故障搜集等，实现故障的智能诊断。（10）设计、编写管理系统业务模块，利用HTML5,VUE3等新WEB技术，实现管理系统业务功能WEB化。三系统功能1.数字孪生监控实现物流管理控制系统数字孪生监控，对运行设备进行3D图形化建模，在操作界面可实时监控设备运行情况，整体物流系统实现3D界面可视化；图3至图5是生产过程中对应系统的工作界面展示。
图3 生产管理功能界面
图4 实时监控功能界面
图5 货位管理功能界面
左右滑动查看>>>2.设备管理功能通过运用无线通信、传感器、OPC等技术拓展物流系统数据采集功能，与底层设备通信实时采集设备参数、运行状态、故障信息，建立不同类别的设备信息定义、描述，实现设备状态感知、数据分析、故障提示和决策维修策略。图6、图7为设备管理功能工作界面截图。
图6 设备管理功能界面
图7 设备故障管理功能界面
左右滑动查看>>>3.浏览器/服务器模式升级原有WMS为三层WEB架构，使用HTML5技术，结合当前主流的前端框架和界面库，通过多种维度直观地展现数据以满足不同岗位的需求，定制统计图表化界面、报表定制功能，使物流管理系统实现浏览器/服务器模式，操作终端脱离专用软件限制，操作便捷，极大提高了用户体验。界面截图，如图8。
图8 WMS操作浏览器/服务器界面四应用效果
图9 升级后物流管控系统在工厂中控室的生产监控升级后的物流高架库管控系统接入工厂中控室（图9），生产全过程实现仿真，其效益提升主要在以下方面：1.升级改造原有调度模式，提升了物流系统的整体出入库配送效率。其中，配方高架库设备利用率最低的步进式连续输送线，由63%提升至75%；辅料高架库的库内货位得到优化，实现了纸箱包装材料入库。2.故障智能预警，加快了故障响应及处理时间，解决了原系统监控环节故障难以发现、维修响应滞后、无法快速辅助分析等一系列痛点和难题。3.设备管理全过程信息化，实现无纸化；设备故障维修响应时间平均下降10分钟；保养更精准，预防性维修成效得到提升，高架库内设备应急维修事件平均降低30%。 4.系统设计了友好的界面，人性化的便捷操作，完善的校错机制，提高操作人员的工作效率，减少误操作。5.完善了统计及报表信息，让操作人员统计更高效，数据纠错更快捷。五结论通过成功运用新技术，使原有物流高架库系统焕发新的活力，实现了工厂中控对物流高架库设备、生产、运行的全过程高清展示、细节查询和分析，简化了使用端事务逻辑，为生产运行提供必要的辅助决策信息，提升了工厂物流高架库系统精益管理水平。本项目可作为传统物流高架库系统数字化转型的成功案例推广。 在实际应用过程中，本系统仍然存在需要改进和完善的地方。因主要关注在设备层及调度层，导致信息业务层功能改进较少，目前信息业务中仍有较多复杂业务是由人工来完成，在复杂信息业务、综合智能化、决策化的提升方面尚有欠缺，下一步拟通过数学建模，并以系统算法的形式探索解决。编辑、排版：罗丹本文源自《物流技术与应用》2023年06期本文版权归《物流技术与应用》所有，欢迎文末分享、点赞、在看！转载请联系后台。宣传
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