引 言

随着物联网技术的快速发展，工业制造智能化，仓储信息化，数字化不断发展，工业生产环境下实现大量设备连接与网络连接。对其进行分析处理并加以利用，可精准掌握工业生产、仓储、运输各个环节的情况，提高系统运行效率，减少故障造成的损失。本文基于云南H卷烟厂的技术升级改造项目计划，阐述其辅料库、成品库的技术升级改造过程中数字孪生系统的构建及在智能管理、自动化控制的解决方案，为今后智能仓储、数字孪生系统给出参考依据。

本次数字孪生系统采用Unity作为基础引擎，Oracle作为数据库，控制调度程序使用C#语言进行编写，服务端与客户端之间的通讯采用TCP协议利用Socket接口进行实现。Unity本质是一款成熟的跨平台游戏引擎，其在三维场景构建，虚拟现实、增强现实等方面有着良好的表现，且其社区资源丰富，具有较好的兼容性，在虚拟教学、工业控制等领域也得到了青睐。Oracle数据库是甲骨文（Oracle）公司开发的一款数据库系统，其功能和性能较好，并提供技术服务支持，能较好满足智能管理与数字孪生系统需求。

一、环境概述与分析

H卷烟厂的生产物流工序可简要概括为：卷烟辅料到场卸货后进行人工配盘，并通过物流设备自动存入辅料仓库，同步记录所有相关信息，库存辅料则按仓储需要进行摆放并生成各类统计报表。卷烟生产需要的辅料同样通过自动化设备运送至相关机组，卷接机组加工成为成品烟条后进行装封箱工序，成品烟件再通过自动化设备完成组盘并放入成品仓库存放，同时按照业务规则在指定时间出库至指定位置装车发货。

以辅料库为例，自动化设备的运作流程大致如下：卷烟辅料从入库区域开始，人工配盘完成的辅料托盘经由链式输送机、环形穿梭小车与堆垛机完成入库工序；出库工序则由堆垛机将货架上的物料托盘取出，交由直行穿梭车、输送机送往AGV装货站台，最后由AGV将辅料托盘送往车间内各卷接机组的指定站台。

辅料和成品均存放于高架库区域内，成品高架库共24排货架，每个货架由8层60列，辅料库有10排货架，每个货架14层48列，辅料库每两排货架、成品库每四排货架间配备一台双向堆垛机，由该堆垛机负责左右两排货架的货位。

运输过程中所用到的主要设备有:人工叉车，AGV小车，轨道输送小车(Electrified Monorail System，EMS)系统，分合流系统，传送带，提升机。人工叉车主要完成难以自动化完成的运输部分，如运输车辆装卸货，散托盘回收等。AGV小车、EMS系统、传送带和提升机主要负责在各固定站台之间运送货物，根据路线使用频率，运输速度要求进行分配。分合流系统主要用于将不同类型品种的成品进行分合流操作。

标识运输物品的方式主要有:射频识别技术(RFID)和条码技术。托盘上均贴有或内嵌RFID芯片，各出入站台和核心节点配备读写装置;条码主要用于标记成品，在输送节点处配有条码扫描设备。

二、数字孪生管理系统

H卷烟厂积极参与智能工厂的研究，曾作为用户参与了中国电子技术标准化研究院组织的《智能工厂建设导则标准》和《智能工厂评价指数标准》的研究制定，并参与了《信息物理系统建设指南(2020)》编写，其正在进行的易地技术改造项目中，“智慧物流”便是重要环节之一，使用数字孪生技术进行系统构建具备极高的必要性与可行性。

对于现在的各类物流系统，通常具备设备区域广、设备种类多、物料信息杂等特点，而通过构建数字孪生系统，将实际设备通过建模的方式搭建一可以将设备运行状况与真实物料信息紧密结合，使其高度可视化、透明化，整合各方数据并筛选处理，从而成生成可靠、精准的实时画面便于管理人员进行决策，也便于系统运维人员精确排查设备故障，从多个方面大幅提高物流系统的保障能力。

在H卷烟厂的物流系统调度软件中，我们将仓储控制系统(Ware-house Control System，WCS)与仓储管理系统(Ware-house Man-agement System，WMS)中的各项重要数据均进行专项存储，数字孪生系统则通过socket接口访问这一数据库。同时，在生产现场的各下位组件控制程序中，我们进行专门的设备数据采集，保存并回传各关键节点的设备状态信息，诸如传感器状态变量、电机编码器的当前数据等。使用Unity引擎构建等比例的设备模型，将设备的模型动作与采集的数据进行匹配，同时按照实际仓储业务的运行规则，将相应的物料信息与设备携带的工作指令对应，在虚拟场景中模拟真实的设备动作与物料输送情况，实现“现实工厂的虚拟化”。

根据本案例的需求和情况进行分析整理，需要进行数字孪生管理的重点内容是仓储情况，货品库内运输情况，各设备的运行情况。据此进行数字孪生管理系统的开发。前期工作主要包括:对每一个设备进行编号，完成其可编程逻辑控制器(PLC)模块或其他控制程序的编写，通过TCPSocket通讯实现数据传输;设计并实现用于管理的数据库系统;编写设备控制逻辑和设备控制方法，将其封装为应用程序编程接口(API)以便后续调用;规划并实施设备和用户认证、授权、加密方案。

前期工作完成的基础上即可进行数字孪生系统的搭建。数字孪生的虚拟部分包括场景，物体和用户界面(UI)。利用已有的设备三维扫描模型和设计图纸，使用三维绘图软件对场景和模型进行构建。

辅料库和成品库的虚拟场景建设参照建筑施工图纸和实地测量结果，按比例进行初步构建。为获得较好的使用体验和展示效果，还对墙壁、光照进行了调整。除辅料库和成品库之外，还有一个规模较小用于查看单个设备模型的演示场景，该场景现实中并不存在，其设计的目的在于方便查看、展示物料和设备，也可以在员工培训时提供支持。

设备、物料和产品根据具体情况需要分情况准备模型。对于大部分设备，虽然其内部结构复杂，但无需通过数字孪生系统对其内部工作原理进行展示，则可以忽略大部分内部构造，仅针对维修所需操作部分零件进行精细建模即可。作为生产原材料的物料包装和形状取决于当期采购情况，无需和实际完全一致，作为补充，通过在UI界面显示在每一盘物料入库时拍摄的照片，如图1所示。成品由于包装和形状固定，需要精细模型。在导出模型时，导出不同精度的模型，以备性能优化使用。在构建模型的同时，对模型材质和贴图进行处理，并提前将其导入Unity软件中，在Unity中进行着色器的编写和检查确认。

图1 物料信息用户界面

用户界面是系统与用户交互的窗口，几乎所有的数字孪生系统管理功能均通过用户界面实现，用户界面主要功能包括调整视角、库房管理、设备管理、任务控制、用户管理及大部分，通过对其进行设计实现，满足其所需的功能。在数字孪生系统对物理仓储系统进行控制过程中，大部分操作都直接与前期工作完成后端管理系统进行通讯，调用对应API进行操作。对于未配备API的操作，数字孪生虚拟系统在向管理系统申请授权后直接向物理设备发送指令进行读写控制等操作，并在操作完成后向管理系统上报运行结果。为方便操作，对设备、物料、托盘等设置点击事件，便捷地打开各项功能面板，还增加了通过用户界面还可以直接查看厂区监控画面的功能，如图2所示。

图2 辅料库(左)和成品库（右）场景

除可清晰显示仓储情况外，故障报警响应、设备健康管理、系统运行状态监测这是数字孪生系统具备的另一方面优势。数字孪生智能管理系统通过对设备状态，运行情况进行分析，可及时识别异常，对发生的错误和故障进行告警，对需要进行维护的设备进行标注，合理调度设备工作，在一定程度上提高了设备维护效率，减少了由于维护不及时导致的设备故障。

三、实施效果及系统优化

系统构建完成后，虚拟模型与实际设备的动作状态完全匹配，其携带的物料信息准确无误。考虑到实际数据回传与系统的匹配处理，存在约800ms的延迟，但不影响正常使用操作，如图3所示。

图3 数字孪生场景（左）和实际场景（右）

可以在数字孪生系统中访问设备当前的运行情况与所携带物料的基本信息，根据实际需求，写入相应的工作指令或编辑携带的物料信息，信息内容符合业务运行规则时，调度系统会自动执行运输、RFID读写或是下一子系统的任务生成。

系统在实时监控并反馈设备故障信息的同时，可以记录各类故障信息的出现频次并分类统计、分析，便于维护人员排查设备隐患，针对性地开展检维修工作。

在本案例中，数字孪生系统无法读取成品库分拣设备中烟件的精确位置，但分拣线对烟件的读码数据会回传至分拣调度服务器，我们通过在调度系统中增加相应的进程，使服务器将该烟件条码解析出的物料信息与精确的读码时间回传至系统，Unity引擎结合设备的当前运行速度，通过对坐标进行矫正与匹配计算，便可实现烟件在分拣线上的精确显示，如图4所示。

图4 分拣线动作优化

在系统测试运行过程中，当货架上货物较多并进行了加载处理的情况下，显示刷新率出现明显下降情况。在游戏中，出现数万物体同时显示并处理的情况非常罕见，但对于仓储管理则是经常面临的问题，在这一方面上的优化要求更为严苛。针对这一情况，我们使用了目前常见的解决方案遮挡剔除（OcclusionCulling，简称OC）和多细节层次（LevelsofDetail，简称LOD）。经过测试和验证，多细节层次方法能起到较好的效果，遮挡剔除带来的提升不高，并且部分本不应该被剔除的物体未能显示。通过对渲染时间的分析，我们认为，由于货物摆放较为规律，且数万货物都需要进行遮挡剔除，处理是否剔除的函数占用了过多的计算时间，从而未能带来较好的性能提升。另一方面，遮挡剔除利用通过摄像头随机产生的射线进行碰撞检测，由于货物摆放密集，每帧需要生成的检测线数量会增加，会占用一部分计算资源，且对于移动视角，容易出现远方的物块为被检测到而不予显示的情况。同时我们通过测试表明，材质和着色器的选择也在很大程度上影响了这一部分性能。

对于网络的优化主要在于大量传输数据过程中通过压缩方法减少数据传输量，在网络条件较差的情况下降低刷新数据的频率，避免并发调用请求几个方面。同时，数据库设计质量、管理端和物理设备的处理响应时间也会对系统产生一定的影响，与数字孪生系统关系不大，此处不进行深入讨论。

四、结论

本文通过对云南H卷烟厂的智能仓储和数字孪生管理系统需求进行分析，在Oracle数据库作为数据库，采用TCPSocket通讯连接物理设备的管理平台的基础上，采用Unity引擎作为数字孪生平台，构建设备、物料模型并与现实数据状态进行映射，实现了仓储和厂区内运输的可视化管理。同时提供了设备健康监测，故障报警预警的功能，降低了人工管理成本，提升了仓储系统可靠性。促进了工厂仓库的数字化、信息化、智能化发展并为员工培训、后续数据分析提供了环境和模拟平台。

作者:云南省弥勒市星田工业园区红河卷烟厂黄慧鸿/李梅/谭道桓/李恒毅/鲁毅/张睿锋

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