数字孪生技术在物流仓储码垛设备中的应用.pdf

-71-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期两星推荐物流仓储码垛设备在现代物流业中扮演着重要角色，承担着货物的存储、搬运和码垛等任务，对于提高物流效率、降低成本、保障安全等方面具有重要意义。然而，传统的物流仓储码垛设备在设计、制造和使用过程中存在着一些问题，如：设备结构复杂、维护成本高、操作难度大、自动化程度低等。随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，数字孪生技术为物流仓储码垛设备的智能化、自动化和高效化提供了新的解决方案。数字孪生技术是一种基于数字模型的虚拟仿真技术，通过对现实世界中的物理实体进行数字化建模，实现对其运行状态、性能参数等信息的实时监控和分析。数字孪生技术可以将物流仓储码垛设备的运行状态、性能参数等信息进行实时监测和分析，为设备的智能化提供有力支持。通过对设备的运行数据进行挖掘和分析，可以为设备的优化改进提供数据支撑，进一步提升设备的智能化水平。同时，数字孪生技术可以为仓储码垛设备提供智能化的管理手段，提高设备的智能化水平。通过对设备运行数据的分析，可以为智能制造提供决策支持，推动智能制造的发展。近两年，关于数字孪生技术在工业设备中的应用研究开始增多。崔亚飞等（2022 年）利用数字孪生系统的虚拟环境对工业机器人运动仿真进行模拟，以提高碰撞检测的精度。李颖等（2023 年）提出了智能制造场景下的机器人数字孪生建模，并通过外部虚拟 PLC 控制加工工位对机器人进行协同控制。轩亮等（2023 年）针对工业 4.0 的制造业发展要求，采用博图软件构建智能制造产线的数字孪生体，实现生产、制造、加工、运输的全流程无人化处理。李燕等（2023年）针对码垛机器人工作站的基本工艺流程构建了数字孪生模型，通过数字孪生模型对码垛机器人工作站进行在线监测。陈玉娇等（2023 年）将数字孪生技术与机器人码垛作业流程相结合，设计了工业机器人码垛数字孪生系统。为提高物流仓储码垛设备的工作效率，本研究提出了将数字孪生技术应用在物流仓储码垛设备中，实现数字孪生技术在物流仓储自动码垛作业场景下的应用，促进物流仓储的智慧化发展。物流仓储码垛设备数字孪生系统架构伴随现代化物流仓储的大力发展，自动化立体仓库在物流仓储行业的应用愈发广泛，自动化立体仓库的构成包括高层货架、码垛设备、地面输送系统与仓储管理系统等，其中，码垛设备是核心设备，可以在接收到控制指令后，通过高层行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度数字孪生技术在物流仓储码垛设备中的应用李 扬李 扬无锡中鼎集成技术有限公司李扬（1994），山西左权，本科，研究方向：物流设备机械自动化。中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-72-两星推荐货架巷道内运行到货物装卸点，完成货物在出入库站台与指定货位间的运输，最终配合配套的输送与分拣系统，实现货物的自动出入库。根据物流仓储码垛设备的运行需求，本研究构建了物流仓储码垛设备数字孪生系统架构，具体包括机械子系统、电气子系统与控制子系统，具体示意图如图1所示。物流仓储码垛设备的机械子系统包括机构、行走机构、机械臂、载货台与提升机构，机械子系统主要功能为实现货物的搬卸。机架的组成有上横架、立柱与下横梁，下横梁作为基座，上方安装有行走机构，通过行走机构实现码垛设备的运行。同时，通过法兰连接立柱，在两侧均配置了导轨，以实现载货台的升降。立柱下方安装了垂直提升机构，利用钢丝绳驱动载货台的纵向运动。立柱上采用法兰上横梁的安装，并配备了靠轮组，从而辅助导向作用。载货台可以实现货物的纵向运输，采用法兰安装的方式在载货台上方安装机械臂，通过机械臂与载货台运动实现货物的抓取与码垛。电气子系统包括物流仓储码垛设备的一系列电气设备，包括检测系统、驱动系统与安全保护，检测系统在物流仓储码垛设备中发挥着至关重要的作用，主要包括货物检测系统和位置检测系统，通过高精度的传感器和智能识别技术，检测系统能够准确地识别货物的状态和码垛设备的位置以及运行状态，为设备的正常运行提供可靠保障。驱动系统包括行走驱动系统与提升驱动系统，行走驱动系统确保了码垛设备能够在仓库内灵活移动，而提升驱动系统则使得设备能够轻松完成货物升降、码垛等任务。安全保护系统用于整个系统的安全保护，通过配置多种传感器和安全装置，安全保护系统能够实时监测码垛设备和仓库的环境变化，确保设备和人员的安全。控制子系统主要包括 PLC 控制系统、HMI 人机界面与上位机交互，控制子系统是实现物流仓储码垛设备功能的关键，上位机交互将真实码垛场景通过数据处理转换为数字孪生虚拟模型，真实码垛场景包括码垛设备、箱体实体等各类实体设备，通过数据集成与分类，将其转化为物料传输线位置、卡板放置点位置、箱体信息等，从而构建出码垛设备、物料输送机、托盘底座、箱体与托盘等虚拟模型。HMI 人机界面可通过可视化辅助服务，获取到虚拟模型驱动，从而实现虚拟码垛场景搭建，可通过观察视角切换、静态碰撞检测实时监测码垛作业情况。PLC 控制系统可直接下达对码垛设备的智能化控制指令，通过通信设备将控制指令传输到执行机构。物流仓储码垛设备数字孪生系统功能模块实现功能分析码垛设备作为立体仓库的核心设备，其核心需求是在高层货架中实现货物的自动化出入库作业，根据这一功能目标，可进一步对其进行拆分：（1）码垛设备需要在巷道内运行到指定货物位置；（2）码垛设备在指定货物位置可以自行抓取或放置货物；（3）码垛设备需要配备位置检测元件，用于实时反馈码垛设备位置。同时，从用户使用与设备运行角度，还衍生出了作业控制需求、货物检测需求、可视化辅助、不合格货物警告需求、限速保护需求与行程限制保护需求等。在明确上述需求的基础上，需要设计码垛设备的功能行为模型，以实现码垛设备的自动化作业功能。需求与功能之间具有映射连接关系，因此根据需求在 Teamcenter 中构建功能模型，且系统工程导航器可以直接以 XML 数据的形式将功能模型导入到 MCD 平台中。码垛设备的功能分解过程如下。（1）确定总功能：在分析码垛设备实际需求基础上，通过对同类设备的功能结构分析，抽象并总结出码垛设备的总功能，在立体仓库的高层货架中可以实现货物的自动出入库作业。（2）分解子功能：根据码垛设备的智能化作业需求，将总功能分解为 4 个子功能，包括：1）数据集成功能，通过物联网等传感器设备实时获取各项作业数据，集中上传到数据集成模块；2）虚拟作业场景搭建，虚拟作业场景搭建模块从数据集成模块中获取到需求数据，构建码垛设备作业的虚拟场景；3）智能化码垛作业，通过 PLC 控制系统向码垛设备下达操作数据与特殊指令，驱动码垛设备运动与作业；4）可视化辅助服务，将碰撞检测结果及其他信息实时反馈给物理空间，物理实体根据反馈信息对码垛设备进行相应控制。（3）分解功能元：根据子功能确定相应的运动行为，并进一步将其分解成可以直接进行求解的功能元。（4）功能元求解：对可以直接进行求解的功能元进行求解，并完成从功能到结构的映射。从而构建出完整的系统功能模块，具体可见图 2。数字孪生通信构建与码垛设备实体实时映射的数字孪生模型时，必图 2 系统功能模块图 1 物流仓储码垛设备数字孪生系统架构图-73-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期两星推荐须实现数据的实时交互，采用数字孪生技术对码垛设备进行实时控制，不仅需要建立孪生模型，还需要实时采集各项设备运行数据。因此，构建数字孪生通信技术非常重要。本研究采用通信协议 TCP 与码垛设备操作系统（ROS）共同进行数据的采集与传输，ROS 的构成包括节点、节点管理器、参数服务器、消息与话题，节点间可通过订阅与发布话题实现数据传输。ROS 具有节点管理的功能，可以实现对码垛设备中各个节点的管理。在码垛设备数字孪生模型中，可以通过 ROS 节点管理功能实现数字孪生体之间的通信和协调。在数字孪生模型中，可以通过在模型中添加 TCP 客户端和服务器端节点建立 TCP 连接，TCP 通过发送和接收数据包的方式实现数据传输，将码垛设备的状态信息、传感器数据等关键数据上传至数据集成模块。TCP 可以进行数据重传与数据校验，确保数据传输无遗漏、无错误与无重复。二者间相结合，通过调用节点、订阅话题的方式与 TCP 通信共同完成通信工作，ROS 可以实时获取各项作业数据，并及时将数据进行上传，可以有效降低数据传输过程中的时延。功能实现数据集成数据集成模块需要将各项异构数据集成在统一模块中，码垛作业的物理场景信息通过 ROS 与 TCP 进行获取与传输，从而为搭建与物理场景映射出的虚拟作业场景提供准确的数据支撑。码垛作业的物理场景信息包括码垛设备（Palletising）、箱体（Box）、卡板（Card）、托盘（Tray），分别记录其模型与坐标位置数据，构建数学模型如下：（1）式中，下角标 m 表示虚拟模型，下角标 t、w、h 分别表示长宽高信息，Px表示码垛设备末端点位信息；Pf表示夹具状态。虚拟作业场景搭建虚拟作业场景采用映射方法进行搭建，首先通过建模软件构建虚拟模型 X，其为作业场景中的任意实体设备，之后确定不同设备在虚拟空间中的坐标位置，最终对各实体设备在虚拟空间中进行一一映射。这种虚拟作业场景的搭建方式可以更加真实地还原作业现场，使得用户能够感受到仿佛置身于实际的作业场景中，用户可以在虚拟空间中自由移动和操作，从而更加深入地理解和掌握作业流程和技能。智能化码垛作业智能化码垛作业流程如下。（1）确定模型种类，通过使用先进的图像识别和深度学习技术识别动态数组中的物品信息，包括物品的形状、大小、重量等物理特性，利用分类算法帮助系统自动对物品进行分类，从而确定拿取的物品类型。（2）物品模型映射，因为码放物品的尺寸信息差异，需要在识别模型基础上获取到箱体数据，系统会根据预设的映射规则对应缩放标准箱体模型，从而完成模型映射。（3）码垛设备运动，在码垛作业中，码垛设备需要执行一系列运动动作，包括定位、抓取、运输、放置等。通过数字孪生模型和运动规划算法，可以实现对码垛设备运动轨迹和动作的规划和控制。具体来说，采用运动学求逆算法与码垛设备各关节上下阈值参数构建码垛设备物理模型的约束条件。（4）货品抓取动作可视化，为了方便工作人员对码垛过程的监控，系统会通过可视化界面将货品抓取的动作呈现给操作人员，包括货品的实时位置、抓取和放置的顺序、码放结构的形状等，具体操作为由机械臂模型对箱体模型进行抓取，通过读入 Pf的值，系统开始驱动机械臂进行运动，通过货品抓取动作可视化可以帮助操作人员直观地了解码垛过程的状态和进度。（5）输送与码放动作可视化，通过对夹具状态的定义获取到相关动作参数。在作业执行过程中，可以实时监测输送系统和码放设备的运行状态，并将其反馈到数字孪生模型中。通过可视化界面，操作人员可以清楚地了解输送和码放动作的执行情况，以及作业的进度和效果。可视化辅助服务可视化辅助服务主要包括视角切换与碰撞检测两大功能。视角切换是指通过调整虚拟模型的角度和位置，从不同的角度和视点观察码垛设备的运行状态和位置信息。视角切换可以满足不同用户对码垛设备不同码垛作业的观察需求，需要在虚拟作业场景中建造多个虚拟摄像机，通过虚拟摄像机对作业动作进行不同角度的抓取，从而使用户能够全方位地观察码垛设备的运行状态。通过视角切换功能，操作人员可以更直观地了解设备的运行情况，及时发现潜在问题，提高设备的运行效率。同时，视角切换功能还可以支持多用户同时在线观察，方便协同作业和远程维护。碰撞检测是指利用数字孪生技术对码垛设备的运行轨迹进行模拟和预测，及时发现可能发生的碰撞和冲突。碰撞检测功能主要识别码垛设备在虚拟作业场景中与其他物体模型间出现的碰撞现象，一旦检测到碰撞，则立即向物理实体反馈实际碰撞位置，以便控制码垛设备进行路线调整。通过碰撞检测功能，操作人员可以提前采取措施，避免设备损坏和货物损失。同时，碰撞检测功能还可以支持历史数据回溯和分析，帮助企业更好地了解设备运行状况和优化码垛流程。结语本研究提出了将数字孪生技术在物流仓储码垛设备中的应用方案，将物理异构数据集成到数据集成模块，从而为构建高保真可视化码垛设备数字孪生系统，映射得到虚拟作业场景，通过虚拟作业场景对实际作业进行监控，一旦发现异常状态及时进行反馈，从而实现码垛设备的智能化作业。