数字孪生车间智能物流配送系统运用的思考

摘要：数字孪生技术是实现物理与信息融合的有效途径。它是实现工业4.0、中国制造2025、互联网产业和先进生产伙伴计划等先进生产方式和战略的重要工具之一。为了实现物流配送过程的操作和远程维护，实现物流配送的实时透明化，提出了一种基于数字孪生的物流配送系统（DT）。基于数字孪生的基本概念，构建了数字孪生物流配送系统的总体框架，可有效解决配送过程中车辆或车辆的影响道路扰动，实现更好地物流配送。

關键词：智能物流配送  数字孪生  车辆调度  最优路径

中图分类号： TP20  文献标识码：A   文章编号：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、物联网等技术的推动下，产业转型已成为产业发展浪潮中的生存趋势，物流业也从传统物流向智能物流发展。物流配送服务作为物流行业的核心业务，是物流企业客户服务的最终环节，具有非常重要的地位。物流配送成本占据了整个物流系统的很大一部分，物流配送中的车辆规划和道路优化将直接影响物流配送成本的高低。配送过程中的各种不确定性导致配送复杂性和额外的配送成本。因此，越来越多的研究人员开始关注如何实现配送过程的透明化，提出基于物联网、工业互联等技术的物流配送智能模型。数字孪生概念为智能物流配送系统提供了新的解决方案。近年来，数字孪生技术作为一种新兴的智能技术，在制造业得到了广泛的应用。根据国内外研究人员的研究，提出了一种智能物流配送系统[1]。工厂计划以数字孪生技术为导向，基于数字孪生产品生命周期预测方法、总装配生产线数字孪生技术、数字孪生建筑信息模型、基于数字孪生的航班保障预警系统等，实现了网络物理的融合。

在此基础上，引入数字孪生技术对配送流程进行高效管理，将配送流程从“黑箱”模式转变为配送车辆状态、配送人员状态、配送路线等透明实时状态，以达到物料配送的准确性。

1 基于数字孪生的智能物流配送规划总体框架

数字孪生的原理和性能基于物理实体和过程的数字化，通过集成数据孪生驱动的物理信息显示，利用仿真软件模拟当前运行过程中物理实体的情况，从而提出孪生框架，数字化物流配送规划系统。它主要由物理层、服务层和虚拟层三部分组成[2]。

（1）物理层。物理层要求物理实体即配送车辆具有决策和沟通能力，能够采集物流配送的位置信息、车辆状况、驾驶行为、设备路况等信息和数据。实时。利用GPS系统采集车辆位置信息和实时运输轨迹，利用基于SAEJ1939/CAN总线协议的卡车OBDII接口采集车辆运行状态数据，及时对故障车辆进行维修。提交过程的实时数据将通过5G技术上传到服务层。

（2）服务层。服务层的主要任务是为基于数字孪生的物流调度系统提供数据支撑服务，并整合和分析物理层和决策数据孪生输出层提供的实时参数信息数据，实现物理与双层交互反应为整个系统的执行、精确控制和可靠运行提供智能。

（3）虚拟层。虚拟层分布是数字驱动双层驱动系统最关键的框架之一。它基于来自底层物理层的实时数据，内核算法用于实时动态调整和迭代优化，以完成车辆重新编程和道路优化。 最后，优化后的方案通过5G无线网络下发到车载终端，为实时调度决策提供支持。

2 智能物流配送系统原理

智能物流配送系统包括通用智能转运车平台、总控配送系统、自主导航系统、安全防撞系统等[3]。

（1）智能全能车辆转运平台，包括车体及车架、控制系统、伺服驱动系统和无线遥控系统。

（2）主控调度系统可以补充多车换乘调度功能和在线监控。

（3）自主导航系统通过视觉传感器实时测量杆的角度和位移，并返回给车身控制器。

（4）自动对接系统完成车体与站轨的精准连接，零部件及产品顺利通过。

（5）碰撞安全系统，可测量障碍物距离减速或停止。

全轮驱动智能配送车综合平台原理，全轮驱动智能配送车可实现前后运动、左右运动和原地旋转。既可以完成小车和车间狭窄部位的运输，又可以完成物料的导航和独立配送。要实现车身的全幅运动，必须进行四个机械轮的联合运动。动力系统通过48V200AH电池为舵轮提供220V逆变器。

3 自主导航系统

全轮驱动智能配送车自主导航系统可实现从仓库到车站的自动运输。导航系统采用视觉导航原理。板载控制器上传实时体位信息，根据姿势调整实时体位[4]。

视觉导航传感器安装在车身中央O2位置。通过实时扫描下色带，计算车身中心位置与色带中心的相对偏差值D和偏差角α。导航传感器每 40 ms将偏转和角度返回给控制器。

现场测试后，必须保证车身的稳定性和准确性。控制精度越高，调节频率越高，车体易出现抖动不稳定现象。因此在控制算法中加入了死区PID控制。

4 自动对接系统

导航控制站的传输载体，上站的零件和产品必须自动停在导轨上，将车辆和站转移到下站，使零件和产品通过上站导轨。由于轨道连接的精度必须在±0.5 mm以内，因此视觉导航系统必须在1 mm左右[5]。因此，需要一个辅助传感器系统来完成自动终端连接功能。

框架前部安装了三个激光位移传感器，测量范围为（100±35）mm，测量精度为70 μm。图1为自动连接示意图，其中D1为测得的传感器1到框架前缘到工位的距离，D2为测得的传感器2到框架前缘到工位的距离，D3为站侧传感器3测得的距框架的位移距离，可得：

D=D1-D2 （1）

D'=D3-100 （2）

其中D为车头角度补偿误差值，D'为车架与工位的左右补偿误差值。根据测得的角度和左右补偿误差值，调整车身旋转和横向运动，完成自动连接。

5 主控调度系统

主控调度员不仅可以为每辆中转车辆设定路线，还可以实时监控车辆的到达位置和下一站。路线设置界面会显示当前路线图，红灯表示当前车站。单击要设置为目的地的车站编号，激活导航按钮，车辆开始向各个方向移动。

6 碰撞安全系统

在运输过程中，多用途智能运输车的前后必须安装防撞安全系统。使用北阳PBS-03JN红外光电红外避让传感器。扫描角度180°，宽度2 m，长度0.2～3 m可调。

（1）避障传感器设置两个信号输出间隔：1.5×2 m为报警减速区，0.7×2 m为停止区。

（2）导航过程中，如果前后边缘有传感器到达减速区，则车身开始减速，避开障碍物后继续以导航速度行驶。

（3）当在停车区遇到障碍物时，车身立即停止报警，直到障碍物出来继续导航。

7 交通监控与服务系统

目前，该系统对温度、路线（位置）和交货状态进行可视化控制，并可配置温度传感器的数量（具体位置和装载货物数量应根据货物监控的特点和要求确定）[6]。当当前物流通过RFID反馈完成每个客户的交付时，每个客户的任何双模式的商品都会以任何双模式配送。

监控交付状态、行程和样机应用服务。车辆运输路线为0→13→18→20→0。顾客13对应的商品颜色为用黄色表示，顾客18对应的商品颜色用蓝色表示，购物车内放置6个温度监测器，顾客20对应的商品颜色用白色表示。配送状态 1 表示卡车刚刚启动，车辆温度监控器中只有一个传感器显示为红色。配送状态2表示货物已经运到特定地点，两个温度传感器表示温度上升，状态为红色。发货状态 3 表示只需要发货一件商品。

同时，交互控制窗口可用于在3D可视化模型中搜索客户的货物，并在可视化模型中显示突出显示的结果，指导运输人员快速准确地获取货物的数量和位置。避免漏送和出错，提高交货效率和质量[7]。当车辆内的货物全部消失时，表示车辆已经完成了货物的运送。

上述特点表明，与传统的配送管理相比，基于数字孪生的配送管理系统可以基于模型的直接视觉交互进行调整，实时保证货物配送、监控和视觉服务的运输安全和质量[8]。提高配送的便捷性和效率，为未来智能装备直营和无人配送奠定基础。

8结语

数字孪生技术的本质仍然是仿真，它可以大大提高服务能力和应用范围水平，是未来发展的趋势，但在物流领域应用较少。该文结合数字孪生的优势和进一步优化分布的需要，研究了基于數字孪生的分布式管理系统，扩大了数字孪生的应用范围。基于数字孪生的配送管理，实现当前配送流程的数字化地图，丰富了现有配送管理系统的功能，为配送，尤其是关键包装优化提供了全新的直观、可视化的管理和操作。不仅在于数学模型还可以以更直观的方式进行调整和放置，并且可以提高稳定性和安全性，进一步提高包装和交付过程的便利性、交付效率和服务水平，降低成本并提供智能化交付，为全面实施的进展奠定了基础。

参考文献

[1] 关辉.面向智能终端结构件加工的数字孪生车间关键技术研究及应用[D].武汉：华中科技大学，2019.

[2] 樊留群，丁凯，刘广杰.智能制造中的数字孪生技术[J].制造技术与机床，2019（7）：61-66.

[3] 贾玉飞.城乡一体化智慧物流配送系统的设计与实现[D].合把：安徽大学，2019.

[4] 季玮，赵志峰，谢天，等.数字孪生智能交通系统的技术内涵与应用展望[C]//第十五届中国智能交通年会科技论文集（2）.中国智能交通协会：中国智能交通协会，2020：11.

[5] 张蕾.面向路径优化的智能物流管理系统设计与实现[D].长沙：湖南大学，2014.

[6] 陶飞，张连超，刘蔚然，等.一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统：北京，CN111210184A[P].2020-05-29.

[7] 季玮，赵志峰，谢天，等.数字孪生智能交通系统的技术内涵与应用展望[C]//第十五届中国智能交通年会，2020：11.

[8] 廖家华.智能调度系统在整车物流配送中的应用研究[J].科技创新与应用，2017（22）：160-161.

作者简介：许庆兵（1978—），男，本科，副教授，研究方向为学生管理、思想政治教育。

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