数字孪生技术在WCS中的应用
致力于数字孪生体技术的研究与发展通过解决方案和工程化应用造福人类来源：物流技术与应用作者：梅林 曹奉来摘 要本文主要探讨了数字孪生技术在WCS系统中的应用。首先介绍了数字孪生技术在WCS系统中的应用前景，以及发挥的主要作用；分析了基于数字孪生技术的WCS系统的关键技术支撑，包括人工智能、虚拟现实，以及3D仿真技术等，并且展示了该系统的主要功能；最后，以某制药企业为实例，介绍数字孪生技术在WCS系统中的成功运用经验，说明数字孪生技术在WCS系统中的应用让WCS系统有更好的前景。关键词：数字孪生技术；WCS系统；数字传感；大数据；3D仿真技术；人工智能一、背 景如今，数字化技术正在不断改变每一个企业，未来全部企业都将迈入数字化时代，这不只是要求企业开发设计出具有数字化特点的产品，更要求通过数字化方式改变全部产品的设计、开发、制造和服务全过程，并根据数字化的方式连接企业的内部和外部因素。数字孪生技术是现有的或将有的物理实体对象的数字模型，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。数字孪生技术在各领域都有着很好的应用成果，例如：在制造领域，数字孪生技术的应用直接推动了工业4.0的发展，通过数字化建模，企业可以在虚拟环境中测试和优化产品设计、生产流程和供应链；制造过程中的问题可以在虚拟环境中得到解决，从而提高效率和质量。在交通运输领域，通过数字模型，交通运输系统可以更好地进行交通预测和拥堵管理，提高交通运输的效率和安全性。在医疗领域，数字孪生的应用正在改变传统的医疗模式，通过数字孪生模型，医生可以更准确地诊断疾病，并制定个性化的治疗方案。除了以上几个领域，数字孪生还在能源、农业、建筑等领域发挥重要作用。例如：在能源领域，通过数字化建模和模拟，可以优化能源系统的运行和管理，提高能源利用效率。在农业领域，数字孪生可以帮助农民优化种植方案，并实现精确的农业生产。在建筑领域，数字孪生可以用于建筑模型的设计和优化，提高建筑的可靠性和节能性。总的来说，数字孪生作为一种创新技术，正在引领未来发展。二、数字孪生技术在WCS系统中的应用与发展随着数字孪生技术的发展，其在WCS系统中也得到了很好的应用。首先，数字孪生技术可以为设备三维数字孪生提供更精准的模型建立和仿真分析能力。通过深度学习和智能算法，可以更精确地捕捉设备的运行状态和行为，提高数字孪生模型的准确性和可靠性。其次，大数据技术可以为设备三维数字孪生提供更多的实时数据支持。设备运行过程中产生大量的数据，利用大数据技术可以对这些数据进行处理和分析，从中提取有价值的信息和知识。通过与数字孪生模型的结合，可以进行更精细的设备状态监测和故障预警。最后，物联网技术可以实现设备的实时连接和智能化管理。通过与物联网的结合，设备可以实时上传运行数据和状态信息，与数字孪生模型进行交互和优化。同时，物联网技术还可以实现设备的远程监控和远程维修，提高设备的运维效率和可靠性。数字孪生技术在赋能WCS系统发展中起到关键作用，作为WCS系统的衍生应用，其具有高效、精准、智能和可视化等显著优势，可以大大提高工作效率和运营质量。随着信息技术与实体设备的加速融合，工业数字化、网络化、智能化演进趋势日益明显，将催生一批制造业数字化转型新模式、新业态。数字孪生技术日趋成为产业各界研究热点，未来发展前景广阔。1、监控与调度通过数字孪生技术创建实时的数字模型可以为WCS系统提供更智能、可视化的调度和监控功能，数字孪生技术在WCS系统中的可视化调度和监控作用如下： (1)实时可视化：数字孪生技术通过模拟仓库内部的操作、设备状态等，使得操作员可以通过系统界面对仓库内的运作情况进行实时监控。(2)模拟调度：操作员通过仿真来预测不同的调度效果进而优化仓库内部运作。(3)异常检测和预测：通过数字孪生技术进行实时的数据捕捉和分析来检测异常情况。(4)实时响应：WCS系统在仓库操作中快速而准确的响应变化。数字孪生的实时性使得系统可以更迅速地适应环境变化，实现动态的调度和资源分配。综合来说，数字孪生技术增强了WCS系统在可视化调度和监控方面的智能化和效率。WCS系统是自动化作业的组织调度核心。主要功能包括数据处理、设备管理、作业管理。其中，数据处理功能，可以调整任务优先级顺序、修改任务数据状态、手工处理数据；设备管理功能，可以实时监控设备状态，记录设备故障并给出提示；作业管理功能，可以分配作业到设备，调度设备完成作业，支持按订单作业、合并订单作业、波次管理。图1是应用数字孪生技术建立的WCS系统的四向车监控与调度界面。 图1 四向车监控与调度界面 2、仿真与优化仿真是数字孪生必不可少的一部分，数字孪生就是使用仿真模型来模拟现实系统的，仿真程度越高，数字孪生系统越能够精准预测一些状况，以更好地理解和优化实际系统的性能。优化是通过调整设计或参数以达到最佳性能的过程，数字孪生通过监测和分析实际的系统性能，为优化提供实时反馈，可以实现实时的、基于数据驱动的优化，使得优化过程更加精准。反之，优化结果可用于调整数字孪生的模型和参数。总之，数字孪生技术与仿真和优化形成一个循环迭代的过程。通过不断收集、分析和优化，可以实现系统性能的持续改进。3、数据积累与深度应用数据积累是数字化建设的基础，在数据积累过程中，通过不断的数据采集和处理，数据优化过程中减少冗余数据的存在，提高数据的可靠性。通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系，建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置。数据积累的最终目的是将有效数据作用于管理和生产，为企业的数字化功能模块提供坚实保障。数据应用方面，数字孪生技术通过3D场景建模，将积累的数据进行分析，整合多设备实时数据，实时监控设备运行状态。多接口方式数据接入，大数据统计分析，实现设备安全检查，通过可视化数据分析，为实际业务提供决策依据，当前事务发展状态、诊断过去发生问题，并对未来趋势进行预测，从而为管理者的决策提供全面、精准的决策依据。4、应用支撑技术(1)数字化传感技术数字化传感技术是利用射频识别等各种信息传感设备，把所有物品的信息与互联网连接起来，实现智能化管理。传统的物流入库管理环节需要严格控制的信息：经手人、物品、记录。这个过程需要耗费大量的人力和时间，并且一般需要多层多次检查才能确保信息的准确性。数字化传感技术利用信息传感设备通过入库口通道处的阅读器(Reader)，识别物品的RFID标签，并在数据库中找到相应物品的信息并自动输入到RFID的库存管理系统中。系统记录入库信息并进行核实，若合格则录入库存信息，如有错误则提示错误信息，发出警报信号，自动禁止入库。在WCS系统中通过功能扩展，可直接控制叉车、堆垛机等设备上的射频终端，读取货物信息，确认并执行搬运任务，随即更新库存信息。物资入库完毕后，可以通过RFID系统打印机打印入库清单，责任人进行确认，方便工作人员进行管理。数字化传感技术是数字孪生体系架构中的底层基础，在一个完备的数字孪生系统中，对运行环境和数字孪生组成部件自身状态数据的获取，是实现物理对象与其数字孪生系统间全要素、全业务、全流程精准映射与实时交互的重要一环。(2)大数据大数据平台的建设为数字孪生技术提供了强大的数据存储和计算能力，保证数字孪生模型的运行。数字孪生可以从大数据中提取有价值的信息，在仓库管理中，仓内的各种物资如何完成高效的运转作业，其核心在于如何挖掘出仓储相关大数据的价值，并把它与仓内的各种设备和作业策略结合起来。WCS系统在仓库管理中的作用包括：自动化管理生产线、实时监控产线动态、自动分配WMS软件的生产任务，实现多线程处理及高效运行。实时监控设备的停止状态、运行状态、故障状态、禁用状态等信息。利用大数据可以突破现有仓库不同商品、不同作业模式的限制，大数据驱动的策略引擎可以根据当前的订单结构和仓库产能，自主地调控对不同订单、不同业务流程的作业模式，从而解决全领域、全业务形态、全品类商品的同仓生产问题。大数据为仓储物流的精细化作业、智能化作业提供了无限畅想的空间，同时有效收集、处理、分析指数级增长的分散数据以服务于仓储物流的现场运营和决策指引。(3)3D仿真技术数字孪生体的目的或本质是通过数字化和模型化，用信息换能量，以更少的能量消除各种物理实体、特别是复杂系统的不确定性。所以建立物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数字孪生体、实现数字孪生的源头和核心技术，也是“数化”阶段的核心。如果说建模是模型化人们对物理世界或问题的理解，那么仿真就是验证和确认这种理解的正确性和有效性。所以，数字化模型的仿真技术是创建和运行数字孪生体、保证数字孪生体与对应物理实体实现有效闭环的核心技术。图2为利用3D仿真技术构建的数字化模型。 图2 仓储管理系统 3D 仿真 WCS控制系统利用数字孪生技术结合3D仿真技术，对仓储和物料的流动过程包括原材料、半成品、返修品、合格品、报废品等的流转过程进行仿真分析。物料在流动过程中，要避免重复、冗余路线，降低库存，减少在制品数量，生产资源与人员需要合理匹配，瓶颈环节和关键路径必须优化，以解决生产过程中物料运输的经济性，时效性，缩短搬运时间、减少路径干涉等问题。 3D建模仿真技术与虚拟现实结合可以为WCS系统创建高度逼真的工厂布局模型，这种可视化可以优化工厂布局，提高订单的拣货速度和准确度；利用虚拟现实，操作人员可以模拟真实仓库的操作，提高熟练度，减少人为错误，并且管理人员可以远程监控和操作WCS系统。(4)人工智能人工智能在物流中大致分为两种，一是以AI技术赋能的，如：无人叉车、无人配送车、码垛机器人等智能设备代替部分人工；二是通过计算机视觉、机器学习、运筹优化等技术或算法驱动的，如：仓储现场管理、设备调度系统、订单分配系统等提高管理效率。WCS控制系统调度自动化仓储设备代替人类工作，将会更高效，更快捷，更可靠地完成任务。通过数字孪生技术创建实时的仓库模型，结合AI技术，WCS可以分析这些模型中的数据，进行实时决策，并且实现对设备状态的预测。这使得WCS能够进行预测性维护，提前发现潜在的设备故障，以便于采取适当的措施，减少停机时间。利用AI可以实现更智能的路径规划，通过分析仓库内的货物流动、设备状态等信息，动态调整货物路径，提高路径规划的灵活性和效率。除此之外，结合AI的图像识别和机器学习能力，使得WCS系统可以自动识别不同类型的货物，优化分拣和装卸任务，更加智能的进行货物分拣和装卸。三、基于数字孪生技术的WCS系统功能与架构WCS是介于WMS系统和PLC系统之间的一层管理控制系统。是实现信息化的基础，实现对各种设备系统接口的集成，对各设备系统进行统一调度、管理，完成作业任务需求，并通过实时收集设备层反馈，做到对设备的实时监控及对任务执行状况的实时跟踪。WCS在调度时遵循均衡负载、最短路径、优先级任务、堵塞就近等原则，并对出入库任务组合实行优化，实现最佳的出入库双循环作业。为了方便用户的操作，WCS界面上能形象地反映各设备的实时状态及任务执行情况，用户可以根据自身权限进行直观地操作。另外WCS还提供了用户操作权限分组管理、操作日志、任务执行记录及设备故障记录及报警等功能。如图3所示。 图3 各层级系统集成 WCS是上层系统WMS和物流设备之间的桥梁，负责协调、调度底层的各种物流设备。WCS接收WMS系统下发作业指令，制定出合理的分配策略、执行策略、控制策略，对整个系统运行的效率、安全性和稳定性都起着关键作用。在WCS引入数字孪生技术后，我们需要在设备层的每个关键节点装备必要的传感器，完善WCS对关键节点的关键数据（例如，位移数据、速度数据），并进行采集、整理、加工。之后在数字孪生的表现层，利用算法进行实施展示，并利用建模技术还原出现实环境中的场景，随着关键节点的关键数据的实时变化，我们就能使表现层能尽量完美的还原出实时的现实场景。从而实现虚拟与现实的联动，便于观察者在不方便实时现场观察时，通过计算机屏幕，“观察”到与实际场景孪生的另一个虚拟场景。同时，我们也可以对相应的传感器进行命令回写，达到对相应设备的关键动作的必要控制。在保证安全的前提下，此种反向控制可实现远程诊断、远程排故、远程教学等应用。四、应用实例某龙头制药企业为了实施全产业链数字化管理，针对中药产业链条长、管理范围广、上下游关联性大的特点，开发了覆盖药材、制造、质量、仓储、物流等全环节的数字化系统，利用工业互联网实现了系统的互通互联，形成了全产业链闭环管理。运用现代物联网、云计算等手段，构建产品全过程质量追溯体系。开发了智慧生产管理系统，融合MES系统的管理功能，在实现生产过程信息化管理的同时，精准满足GMP监管对质量管理的严格要求。并通过数字孪生技术实现WCS系统在企业数字化管理全过程控制的可视化管理及数据分析。如图4所示。 图4 某制药企业应用案例 基于数字孪生技术在仓储控制管理中的应用，大幅提高了作业效率，通过移动端和工作站保持的实时可视化和数据共享，使得管理人员更清晰地得到数据，减少了员工和管理者的工作量。自动化和智能化的工作方式，减少了劳动量，为企业减少人力成本。五、结 语数字孪生技术在WCS系统中的应用逐渐广泛，数字孪生技术可以实现对仓库的实时优化与智能调度，使得WCS系统通过模拟和实时的反馈，不断地持续优化自身。AI使得WCS系统能够做出更智能的决策，运用互联网设备提供了更全面的运营信息，使得管理人员更好的监控和管理仓库的各个方面，虚拟现实技术使得的工作人员能够模拟操作，更好的适应实际操作。数字孪生技术扩展了WCS系统应用的范围，将原来设计优化的部分内容扩展到过程应用里，对过程进行优化控制，通过不断地分析和优化实现系统性能的持续改进。数字孪生技术在WCS中的应用，不是要让虚拟世界做现在我们已经做到的事情，而是要发现系统潜在问题、激发创新思维、不断追求优化进步。数字孪生不但持续发生在物理孪生体全生命周期中，而且数字孪生体会超越物理孪生体生命周期，在数字空间持久存续。充分利用数字孪生可在WCS仓储控制管理中孕育出大量新技术和新模式。来源：数字孪生体实验室
