基于数字孪生技术的粮库仓储智能化服务的分析和建议

宿 颖，周亚伟，王 飞，钱思宇

航天信息江苏有限公司 (南京 210031)

近年来，随着信息化相关技术的发展，我国对于包括智慧粮库在内的智慧粮食行业领域提出了明确的发展要求。国家粮食和物资储备局在2020年1月发布了《关于统筹推进粮食和物资储备信息化建设的指导意见》，意见中指出，到2025年，信息化将成为推进粮食和物资储备治理能力现代化和提升治理效能的创新动力，全面建成统一的标准规范、基础设施、数据资源、安全支撑、运行保障体系，显著提升粮食和物资储备大数据治理、智能决策支持和信息化服务水平。

传统的互联网厂商也开始布局智慧粮库领域。很多互联网厂商已经开始与各地市粮食行业的龙头企业开展战略合作，依托在数字仓储建设领域的解决方案,通过物联网、数字孪生、地理信息等技术服务,与企业共同打造数字仓储运营系统,助力其持续深化粮食储备机制改革。

基于数字孪生相关技术，构建依托于物联网的智慧粮库服务，对于减轻工作人员负担、提高客户满意度、降低运营成本、提升粮库核心竞争力具有重要意义。

1 智慧粮库服务相关应用前景广阔

1.1 政策支持

2016 年 12 月，国家粮食局印发《粮食行业信息化发展“十三五”规划》，提出全面推进“互联网+粮食”行动计划，实施粮食大数据战略，提出加快建成“技术先进、功能实用、操作简便、安全可靠、规范统一、互联互通、运行高效”的面向粮食行业的信息化体系。

1.2 数字孪生技术是智慧粮库的重要推动力

数字孪生技术的核心是与物理实体对应的数字孪生体。构建数字孪生体的过程是对物理实体进行精确建模的过程，利用同步映射、虚实融合等特性，实现对物理实体的监测、控制、诊断及预测。数字孪生技术的应用将改变传统粮库服务的粗放型的作业模式。基于全感知的数据汇集技术和超感知的数据分析技术，智慧粮库系统可以实现对历史数据的深度挖掘以及对未来趋势的模拟预测，全面替代传统的由人工主导的信息获取和经验分析模式。通过引入数字孪生技术，可以推动智慧粮库服务进入一个高质量的、可持续发展的新阶段。

1.3 构建基于数字孪生技术的粮库仓储智能化服务，为粮库智能化提升奠定基础

作为智能粮食仓储的新阶段，智慧粮库采用了更多的高新数据技术和数字装备，比如态势感知、精确定位、实时决策等方向的新成果。基于数字孪生技术的粮库仓储智能化服务系统，本质上是一个闭环控制系统，通过无缝衔接物理空间与数字空间进行实时交互，从而实现对粮食的仓储物流全生命周期的感知、分析和决策。构建数字孪生平台，可以有效支撑智慧粮库的感知、观测、分析和决策核心功能，为后续智能化、智慧化提升奠定基础。

2 数字孪生技术推广智慧粮库应用

2.1 基于物联网关技术提升数据感知效率

引入智能物联网关，实现现场总线到信息系统的数据收集、汇总、融合，在传统传感器的基础上引入更多种类的智能感知设备，提升数据感知的效率和覆盖范围。

2.2 基于数字孪生体提升数据可视化体验

开发多维度的数字孪生体，实现数字映射，基于孪生体构建多维度的数据可视化形式，借助三维场景、GIS等技术拓展传统数据可视化手段，提升用户的数据可视化体验。

2.3 多移动端平台接入能力拓展服务范畴

开发基于iOS、Android、微信小程序的移动端应用，基于云平台实现数字孪生体在移动端的可视化接入，拓展面向用户的服务范畴。

3 加快智慧粮库技术应用的建议

数字孪生技术的孪生可视化展现基础来自态势感知和重构，这是智慧粮库建设目前尚未大规模涉及的领域。基于已有粮库感知层建设基础，采用物联网网关与多源数据融合技术，实现异构数据接入和融合，为构建数字孪生提供数据基础。并构建不同维度的数字模型，形成粮库的数字孪生体，最终采用态势感知技术以及行业知识模型算法相结合，实现对感知数据的辨识、关联和整合，并且在时间上往前进行推断以判断它会怎样影响操作环境的未来，实现基于数字孪生体的反馈闭环，最终将反馈通过可视化形式展现给智慧粮库系统的用户，为其决策提供参考。基于数字孪生技术的智慧粮库仓储智能化服务平台框架示意见图1。

3.1 完善粮库信息感知层，多技术结合实现异构数据接入和融合

针对目前粮库的数据监测软硬件接口、通信协议各异的具体情况，引入物联网智能网关概念，在IT层实现数据格式的统一，同时，针对粮食仓储智能设备涉及的各类监测数据、态势数据、控制指令数据等多源异构异类数据，开展多源数据融合技术研究，以分布式信息共享、数据组织与存储、数据汇聚等技术为支撑，通过建立数据组织与存储模式和数据分布式汇聚机制，融合处理监测及控制的相关指标参数、环境条件参数、控制响应等数据，构建多源异构数据池，解决多源异构数据关联不足，传输协议不同，难以用标准及统一方式处理的问题，实现多源数据融合及关联，为构建数字孪生提供数据基础。

3.2 构建粮库多维度的数字孪生体，实现数字映射和可视化

针对粮库具体业务需求，构建不同维度的数字模型(如粮仓温湿度热环境模型、地理信息模型、BIM模型等)，形成粮库的数字孪生体，基于融合数据实现物理粮库到数字孪生粮库的映射，并以丰富的可视化形式进行展现。

图1 基于数字孪生技术的粮库仓储智能化服务平台框架图

3.3 引入智能控制策略，基于数字孪生体实现反馈闭环

丰富实时的感知数据、高效的数据传输网络及协议，在此基础上，应用虚实融合技术，通过将多维模型集合、态势感知和重构技术以及行业知识模型算法相结合。实现在数字映射和可视化的基础上，梳理粮库管理相关调节控制机制，基于规则推理和人工智能相关技术，构建智能控制策略，以取代传统的人工干预，实现基于数字孪生体的反馈闭环。不但实现粮食仓储自动化控制的预测、决策辅助，而且通过持续的训练积累，可实现自动化的反馈控制，从而真正构建智慧粮库，降低粮库的仓储保管成本，提高粮食仓储品质及效率。