数字孪生五维模型在电力立体仓库建设中的运用

张 雨，王 新，施嘉敏

（镇江供电公司，江苏 镇江 212000）

0 引言

随着数字经济时代的到来，区块链、物联网、5G、云计算、大数据、人工智能等技术正在提升各个产业的发展水平。我国《国民经济和社会发展第十四个五年规划》要求开展“上云用数赋智”行动，构建实体经济、科技创新、现代金融、人力资源协同发展的现代产业体系。电力企业是国家战略实施的保障单位，正在“一体四翼”发展布局下，建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业。江苏省的《国民经济和社会发展第十四个五年规划》将智能电网列入“531”产业链目录，要求优化电网主网架和跨区域输电通道，提高能源系统供应可靠性和安全保障能力，进一步赋能我国新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化的建设，助力推进着我国各行业的高质量发展。作为电力企业物资供应重要环节的自动化立体仓库，借助新技术进行物理信息融合，实现智能仓储，这对于提升电力企业的安全供给和智能响应水平而言至关重要。

1 数字孪生的产生与理解

数字孪生技术为立体仓库的物理信息融合提供了实现的可能。孪生之词起源自NASA的“阿波罗计划”，数字孪生（Digital Twin）的概念于2003年由美国密歇根大学的Grieves教授在产品生命周期课程中首次提出，并于2005年以“镜像空间模型”的方式再次讨论。2010年NASA将数字孪生技术应用于飞行器健康管控中，以延长其使用寿命。2014年，数字孪生白皮书问世，意味着数字孪生正走向成熟。2017年，中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将数字孪生列为世界智能制造十大科技进展之一。2018年，西门子与Bentley软件公司共同为制造领域的工厂提供数字孪生模型，实现在物理现实与工程数据之间的同步，从而提升其运营效率及可靠性。此后，数字孪生逐渐成为近些年的热点词，并广泛应用于卫星／空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市等领域。对于数字孪生的理解，Grieves等提出：数字孪生的实质是实现数字信息系统与物理实体系统之间的相互映射关系；中国北航数字孪生技术团队认为数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为规则等。

可见，数字孪生技术可以借助数据建立物理实物与虚拟模型之间的映射，并在数据的驱动下与传统产业深度融合，为各类使用者提供降本增效等的服务功能，特别是能帮助电力企业的自动化立体仓库多维度提升“安全供给、智能响应”的管理水平。

2 基于数字孪生五维模型的电力自动化立体仓库系统模型

自动化立体仓库是现代物流系统的重要组织部分，集成了仓储、精准控制、计算机信息管理等技术，利用十几层乃至几十层的货架储存货物，实现高效率自动化存取的仓库。采用数字孪生技术进行电力自动化立体仓库的“设计规划、建设、远程运维、优化改进、升级换代”可进一步提升电力企业系统的物资仓储管理水平。

电力立体数字孪生仓库落地与应用的首要任务是创建自动化立体仓库的数字孪生模型。2019年，陶飞教授的团队结合数字孪生技术发展与应用的新趋势与新需求，在Grieves教授最初定义的三维模型的基础上，进行了扩展并增加了孪生数据和服务两个新维度，创新性的提出了“数字孪生五维模型”概念。将此模型运用于电力立体仓库可得其数字孪生五维模型，即M=(PE,VE,Ss,DD,CN)，其中：PE表示电力立体仓库的物理实体，VE表示电力立体仓库的虚拟实体，Ss表示电力立体仓库的服务，DD表示电力立体仓库的孪生数据，CN表示电力立体仓库各组成部分间的连接，具体的电力数字孪生仓库系统五维模型如图1所示。

图1 电力自动化立体仓库数字孪生五维模型

PE是电力数字孪生立体仓库的构成基础，按功能及结构可分为单元级PE、系统级PE、复杂系统级PE三个层次。单元级PE是电力立体仓库中中最小的实物单元，如：立体货架、AGV、堆垛机、行吊、无人叉车、车辆、各种类的电力仓储物资等；系统级PE是根据电力物资的仓库管理过程，由设备组织完成的特定的仓储管理的工作任务，如：出入库、移库、自动装卸、门户管理、统计分析、现场管理等；复杂系统级PE是一个包括了电子立体仓库物料流、能量流与信息流的综合且复杂系统，能够实现各子系统间协调运作，如：安防、消防、出入库系统等。

VE是电力数字孪生立体仓库的核心，按其应用范围可分为建模模型VE与仿真模型VE两类。建模模型VE描述了PE的“形状、质感、尺寸、位置、结构、电磁场、与其他建模模型VE衔接关系等”三维实体特征（可使用unity3d之类的三维图形引擎），通过对PE的行为描述（比如一台PEAGV，行为包括：行走、取货、放货等，其行为的效率即操作的时间，时间可能会受到具体作业任务的影响有所波动，因设备老化可能会影响故障率、续航时间等）以及规则描述（即PE的现场作业流程，比如机器人集群拣选系统，由于是全自动电脑控制的系统，电脑可以利用机器学习对订单进行分析，优化货位的分布，或者对路径进行优化，减少阻塞）。仿真模型VE是利用虚拟仿真软件（如：Flexsim）中的虚拟仿真模型对电力立体仓进行整体规划与布局、出入库等作业流程设计，以便各个作业环节与设施设备的布置相匹配，全面提升立体仓库设计的合理性与科学性。

Ss是电力数字孪生立体仓库的灵魂，是电力立体仓库数字孪生系统涉及到的模型展示、算法计算、仿真计算，硬件对接等，最终将代码和所有文件进行封装成为功能服务项目，对于用户来说，只需要通过简单操作就可以得到相要的结果，不需要其他复杂的操作和配置，面对各管理层次的用户可提供如下Ss：规划与优化、远程管控（多门户登录、业务管理、统计分析、现场管理、指标管控、项目管理、施工管理、库存分析、BI领导桌面、结算分析、账务分析、人员、消防、车辆、物资管理）等。

DD是电力数字孪生立体仓库的驱动力，包括：PE的规格、性能等状态数据，通过各类传感与数据采集设备获取PE运行状况、环境变化的动态数据；VE模型与PE对应的状态数据，以及VE模型与PE运行中产生的仿真数据；Ss运行后进行PE、VE、Ss数据处理、融合、封装后产生的新的PE、VE、Ss数据。如：电力仓库物资数据、库存地点数据、工厂属性数据、项目单位数据、项目工程数据等。

CN是电力数字孪生立体仓库各部分的连接，实现了M各组成部分的及时沟通与联系，具体包括了PE、VE、Ss、DD四个电力数字孪生仓库组成部分两两之间数据的迭代与连接。

3 电力自动化数字孪生立体仓库的项目建设过程

基于电力企业的战略使命和电力物资管理的特殊要求，电力自动化数字孪生立体仓库项目建设过程共有八个相互衔接的步骤，具体包括：需求调研、数据分析、仿真规划、数字孪生方案设计、项目施工建设、系统集成、调试与测试、运维与优化改进等，如图2所示。

图2 电力自动化数字孪生立体仓库的项目建设过程

需求调研阶段的主要目标是确定仓库建设要求，具体目标包括：①确定仓库的定位，即未来自动化立体数字孪生仓库中属于电力物流系统的周转库、配送中心和仓储点；②调研仓库库存物资的状况，包括：SKU、数量、体积、重量等信息；③调研仓库业务流程，包括：电力物资的存取模式（整存整取、零存整取或其他模式）、存取策略要求等；根据五维模型，此阶段的具体任务包括：调研Ss的业务流程、管理流程；调研库存、SKU的相关DD根据调研的业务流程确定控制系统及系统CN之间的交互关系。

数据分析阶段的主要目标是根据电力物资的类型、总量、库存、出入库峰值等数据，确定电力立体数字孪生仓库的总体规划思路与方案。根据五维模型，此阶段的主要工作任务是分析电力仓库的各类数据，确定未来自动化立体仓库设备PE的相关需求，如：自动化立体仓库的仓位、出入库暂存区域的Ss要求，AGV小车、自动化叉车、龙门吊的运行速度等要求的DD。

仿真规划阶段的主要目标是对总体规划思路与方案进行仿真模拟，论证其可行性，通过仿真软件发掘规划方案中存在的问题以及优化方案等。根据五维模型，此阶段的具体任务包括：将电力自动化立体仓库分析数据录入仿真软件的DD；根据业务流程、动作流程分析，模拟运行Ss的结果。

孪生方案设计阶段的主要目标是根据仿真规划阶段的方案，进行电力自动化立体仓库的PE、VE、Ss、DD、CN五部分的整体规划与设计，同时对各部分需要占用的人力、物力及财力等资源进行统筹规划，并列出M的整体规划方案与实施细则。

施工建设阶段的主要目标是根据电力自动化立体仓库数字孪生建设方案，完成自动化立体仓库的建筑土建工作、强弱电布置、电器设置、仓库设备安装调试等工作。根据五维模型，此阶段的具体任务主要放在完成物理实体PE建设和安装、根据建设的物理实体完成VE建模工作上。

系统集成阶段的主要目标是对电力自动化立体仓库已投入的设备进行联调，同时开发管理平台，对接目前电力自动化立体仓库内的各类系统：自动化立体仓库管理系统、电力仓库设备工控系统、安防管理系统、消防管理系统、人员门禁管理系统等。根据五维模型，此阶段的具体任务主要放在完成物理实体和虚拟实体之间的数据对接，实现双向可控CN连接。

调试测试阶段的主要目标是对各子系统及数字孪生系统进行调试，以确保电力自动化立体仓库整体的稳定运行。此阶段最艰巨的任务是在进行系统压力测试时将M整体的五个组成部分的运行匹配到位。

优化改进阶段的主要目标是根据电力自动化数字孪生仓库日常运维状态，对系统进行优化和改进，同时搜集日常运行中各层次的使用者的体验与新的需求，为下一轮的需求调研打下基础。此阶段可通过CN提供整个电力自动化数字孪生系统的运行数据，为下一步的系统改进与提升提供支持。

4 电力自动化立体仓库数字孪生五维模型在项目建设中的实践

4.1 项目建设过程中五维模型的应用

以电力企业XX自动化立体仓库项目为例：XX仓定位为电力企业省级区域配送中心（以备品备件物资为目标），近年来随着业务量的不断扩大，原有的设备与设施已无法满足仓库的物资吞吐量的需求，为进一步提升XX仓库的智能化与自动化运维水平，启动了以数字孪生五维模型为基础的自动化仓库数字化升级与改造项目。

在项目建设过程中：首先，进行需求调研与分析。明确XX仓库作为区域配送中心的物料管理要求（由于存储物资主要分为10kV变压器、架空绝缘导线、低压电力电缆三大类物资，分别收集其SKU、数量、体积、重量等DD信息），明确物资所需Ss的存取模式（整存整取、零存整取或其他模式）、存取策略；收集与分析存储物资的类型、总量、库存、出入库峰值等DD数据，并确定未来自动化立体仓库设备的相关Ss需求。

然后，通过DD仿真模拟仓库的运行，寻求可行的规划方案，对仿真模拟中出现的问题进行不断优化；再根据优化后的模拟结果设计整体的GZ自动化仓库M的孪生方案。

同时根据数字孪生设计方案建设自动化立体仓库（由于方案经过事先的仿真测试，所以整个改造与建设周期仅为150天）；建设完成后重点从Ss方面进行仓库各自动化设备与各类系统进行联调，完成数字孪生系统的PE、VE的系统集成（与各系统联系建立后对运行中出现的问题如CN连接不顺畅、数据传输丢失等进行调试更新，确保系统稳定运行）。

最后在日常运行中随时发现问题并使用VE仿真模型动态优化问题，不断对系统和设备进行优化与改进，同时搜集最终用户使用Ss体验与新需求，为未来进一步的改造打下基础。整个项目建设后总占地面积约28 000m，主体建筑面积12 000m；建成室内库区与室外库区域，室内库区包括：高层立体货架区、智能设备充电区、抽检作业区、自动化线缆存储区及理货区，其中高层立体货架区3 300m，共有：3t货位1 500余个、1.5t货位3 450个、50kg周转箱货位4 500个，室外库区包括：室外露天堆场、室外料棚；配套设施有：办公室、生活配套区、门卫室、消防水池等。

4.2 基于五维模型的项目建设中实践创新

作为省级区域配送中心库，XX仓库需合理规划并改造新的功能分区和设施设备，因此在进行VE建模时，通过收集相关的DD信息（状态数据、动态数据、仿真数据等），将原立体货架区及平置区针对寄存物资运作模式进行了改造提升，运用其对自动化设备的行为及规则进行学习，再建立VE仿真模型对整个XX仓库布局及作业流程等进行设计。同时引进多项视屏识别系统、位置信息采集系统，设施设备控制引导系统等与WCS、TMS等管理系统进行调试融合，协同配合，共同完成库区内自动作业设备的控制引导作用。保证工作人员可通过WCS系统及TMS系统对仓库内自动化设备进行操作，并与ERP系统相连接，实时监控数字孪生系统的运行情况，使工作人员在运用数字孪生系统时对业务流程的掌握度更高、更流畅。实现集成自动堆垛机、智能装卸机器人控制系统、线缆自动装卸的行吊系统、“数字孪生”系统、视频监控等子系统，形成完整的仓储配送业务管理系统，并通过与省公司运营中心的数据对接，实现仓储配送全程信息化管理，可以对机器作业、业务流程、安保门禁等都进行统筹控制。

在数字孪生系统建立过程中，对GZ仓库PE中的电力物资的实地勘测和DD分析，制定了契合业务需求的托盘、周转箱、货架尺寸，并创新设计JP柜仓储托盘、高稳定液压托盘等一批新装备，这为电力物资装载容器的标准化建设做出了有益尝试。

4.3 基于五维模型的数字孪生系统的成效

室内仓库实现无人作业后，通过运用数字孪生系统完成无人装卸作业、车辆到库扫码等任务，实现运行管理智能化、设备作业自动化、货位管控精益化，有效提高了作业效率。自动化货架区相较于改造前AGV作业方式效率提高1倍；平置区则通过智能精定位行吊，实现了平置区线缆类物资的自动化作业，效率相较于传统人工叉车效率提高10%，确保做到物资出入库准确率100%，大幅降低作业安全隐患，最终实现仓库库内作业无人化。通过视频信息采集技术及位置信息采集、定位技术，实现仓库货位、车辆货位划分计算的精益化管理，实现了仓库物资的货位化管理以及车板—货位之间的无人作业；同时对在库物资进行快速高效盘点，规避了高层货架人工盘点的安全隐患，提高了盘点准确率和效率，保证了物资出入库准确率和在库物资的“帐卡物”100%一致，实现了仓库精益货位化管理。

5 结语

借助数字孪生技术进行自动化立体仓库智能化升级与改造，可以实现电力仓库的物理信息融合。本文在陶飞教授团队研究的基础上，结合研究对象的实际情况提出了电力立体仓库数字孪生五维模型，即M=(PE,VE,Ss,DD,CN)，该模型在GZ立体仓的升级改造的“需求调研、数据分析、仿真规划、数字孪生方案设计、项目施工建设、系统集成、调试与测试、运维与优化改进”等步骤中得以检验与运用，其降本增效、精益货位化管理等成效明显。