赵 叶 李文院 涂潇波 佘 帆 翁剑锋
(国网福建省电力有限公司物资分公司，福建 福州 350003)
《国家电网有限公司关于开展2022年实物资源管理再提升专项行动的通知》提出，以“仓储资源一盘棋、物流配送一张网、实物资源一本账”为目标，进一步统筹全量实物资源，推动实物资源盘活利用，高效保障电网物资供应。目前，电力物资仓储管理面临着智慧调控能力不足、资源统筹能力尚有欠缺等挑战。数字孪生技术基于传感网络获取海量状态数据，在数字空间中构建孪生模型，进一步推演与预测，反作用于物理实体，能够为电力物资仓储智慧管理提供有效支撑。本文在归纳总结电力物资仓储管理现状的基础上，深入分析数字孪生技术的典型特征，提出基于数字孪生技术的电力物资仓储智慧管理体系架构及其关键技术，并将其应用于示范项目，为进一步深化研究及推广应用提供参考和借鉴。
电力物资仓储管理是指对电力企业生产运营所需的各类物资储备过程进行相应的计划、组织和控制等管理行为[1]。利用预先储备的生产经营建设物资，可有效提高企业效率，更好地保障电力供应；
但过量的储备物资将带来昂贵的经济成本和人力成本。电力储备物资种类繁多，设备专业性强且关联度高，物资需求具有较大的波动性与突发性，这些因素都将加剧电力物资仓储管理的复杂度。本文将从仓储作业、仓储信息化两个方面对现阶段电力物资仓储管理现状进行阐述。
2.1 仓储作业耗时耗力
目前，绝大部分仓库仍存在仓储设备设施老旧、标准化管理水平滞后等问题，导致仓储作业劳动强度大、工作时间长。在出入库业务环节，依赖仓储工作人员进行半机械化的物资搬运，并且物资验收与人工单据审核相互独立，极大可能出现账物不一致；
在货位分配及货物仓位关联环节，需由仓储工作人员结合仓库实际人工分配，手动记录关联；
在定期盘点环节，依赖人工一一核对，仓储工作效率显然不高。
2.2 仓储信息化水平不高
目前仓储作业电子化、业务流程云审批还未完全实现，部分仓库仍采用“手工账”的方式进行物资出入库管理。同时由于仓库产权和管辖权的问题，省物资部门难以构建全省实物资源数据池，无法统筹管理调度，物资库存一本账管理实施难度大。
数字孪生的概念始于航天军工领域。美国密歇根大学Michael Grieves教授在2003年首次提出数字孪生的概念，随着美国航空航天局、通用电气、西门子、ABB集团等企业广泛应用，数字孪生技术已扩展到了工业制造、城市规划等各个领域[2-5]。数字孪生技术是一种数字化理念和技术手段，通过采集物理实体的实时状态数据，构建数字孪生模型，进而在数字空间进行推演预测，反作用于物理实体，实现智能决策的优化闭环。相比现有的数字化技术，数字孪生具有以下四个典型特征[6]。
3.1 虚实映射
根据物理实体和行为逻辑，在数字空间构建物理实体的数字化表示，包括模型、行为逻辑、业务过程、状态变化，实现物理实体与数字孪生体双向映射、数据连接、状态交互。
3.2 实时同步
数字孪生体汇集实时传感多源异构数据，覆盖了环境数据、维护数据、运行数据等，可动态反映物理实体的状态变化。
3.3 共进演进
数据孪生的核心是数据，并贯穿物理对象运行的始终，数字孪生体随着孪生对象生命周期进程而不断演进更新。
3.4 闭环优化
数字孪生利用大量的历史、实时数据，结合智能算法模型，通过在数字空间进行仿真预测与数据分析，为实体对象的指令下达、过程优化提供依据，从而实现物理实体决策优化的闭环[7-8]。
为解决现阶段电力物资仓储管理存在的问题，本文引入数字孪生技术，提出基于数字孪生技术的电力物资仓储智慧管理体系。围绕物资仓储运营全业务，整合系统内外业务数据资源，以信息化、自动化和互动化特征为目标，摸索物资仓储全业务状态跟踪及调度监控新模式，运用“互联网+”思维，共生更多综合性、跨专业的分析知识，优化仓储资源利用效率，节约人力成本。
4.1 体系架构
基于数字孪生技术的电力物资仓储智慧管理体系架构主要分为感知层、网络层和应用层三个层次，其体系架构如图1所示。
图1 电力物资仓储智慧管理体系架构
感知层是智慧管理体系的数据基础。应用智能传感模块实时监测仓库环境，获取库内各种机电设备的运行状态数据及人员、车辆的运动数据。感知层包括遍布整个库区的各种环境传感器、视频监控、RFID读写器、GPS接收器、智能移动终端等信息采集设备，实现对环境、市政基础设施、公共场所、车辆道路、建筑物、生产场地等信息的采集，为电力物资仓储智慧管理提供广泛而真实的数据基础。
网络层是智慧管理体系的数据通道。感知层各类智能化传感设备接入平台存在语言不通、操作系统不同、通信协议不同等问题。网络层需适应多语言、多操作系统不同终端设备的接入和数据通信需求，并保证通信安全性、实时性和稳定性，并提供感知数据的存储和处理功能。
应用层是智慧管理体系的智慧大脑。通过元数据规范和统一转换格式，统一的数据服务接口，打破异构数据和跨专业数据的壁垒，实现横向跨专业、纵向不同层级间的数据共享、分析挖掘和融通需求。对大规模数据进行“通盘考虑、优化统筹”，实现物资需求预测、物资调拨、物流协同调度、配送路径优化等复杂系统数字化智能决策，通过智能量化决策和精细化运营，提升仓储管理决策水平。
4.2 关键技术
4.2.1 仓储全域感知
对设备进行全域全量数字化标识，开展规范的编码设计和建立规范的数字化标识体系是在数字空间中区分实体身份的基础，也是实现虚拟现实与设备作业一一映射的基础。汇聚各类物联感知设备数据，融合物联网智能识别技术应用，实现仓库人员、车辆、事件、设备、环境等全要素状态的全面采集、精准反应和智能感知，实现仓储资源智能监测、全域感知。
4.2.2 物理数字融合建模
汇集仓库现有信息系统的数据，融合视频监控数据、传感器数据等，统计实物资源及各区域分布情况。利用数字孪生技术进行3D建模，对仓库环境进行等比例还原，创建数字孪生三维仓库(虚拟库房)集群，直观映射库区、人员、设备等元素的详细信息，生动形象展现仓库及内含实体资源的空间分布、状态信息。将仓库、仓位存储的物资对应到数字孪生模型并实时加载展示，实现物料编码与物料位置之间的快速精准定位。支持可视化的业务操作，可在虚拟仓库界面通过便捷直观的点击拖拽功能，完成库内物资上下架、移库转储、项目物资出库配送等各项业务操作，提升集中调度的操作便捷性。
4.2.3 人机协同交互
以往物资仓储管理人员对物资管理调度配送主要取决于自身的经验积累和线下台账，而随着储存物资种类、数量的增长及对物资供应时效的要求不断提高，对仓储管理人员的响应速度有了更高的要求。借助数字孪生技术，整合仓库现有多源、异构、海量仓储数据，提供丰富的可视化分析手段，结合专业分析算法和数据模型，按照业务需求进行多维度并行分析；
支持数据实时显示、态势历史回溯等数据分析，辅助仓储管理人员对电力物资储备、配送等场景进行分析与判断。
4.3 示范应用
福建电力福州中心库着眼于实际并考虑未来业务接入，应用本文所提出的基于数字孪生技术的电力物资仓储智慧管理体系方法，在库区5G信号全覆盖的情况下，打造基于数字孪生技术的智能仓储管理平台及配套现代物流设备设施，结合物资流、实物流、车流、人流等综合信息，实现远程监控、双向互动，内部库容利用率实时统计、出入库货位智能动态分配、物资智能调度、精准定位。
4.3.1 仓储三维虚拟建模
传统电力系统建模以物理模型为主，基于物理场建模仿真，以“假设—建模—设置参数—仿真—验证”为步骤，通过物理机理和运行过程反映设备信息，但难以将设备作业、人员操作历史数据纳入物理模型的仿真过程。福州中心库通过遍布全库的各类传感器、感应装置、智能物流设备等，采取模型驱动建模和数据驱动建模相结合的方式，实现仓库由实向虚的全要素完整映射。
初始化建模综合利用实际感知测量、设备三维建模、数字建模等手段获取原始数据，通过数据融合处理，叠加系统建模及动态建模，从而生成三维数字孪生仓储模型，如图2所示。
图2 福州中心库三维数字孪生仓储模型
将物理实体物流园区的传感器数据、历史数据及相关派生数据上传到数据中台，并输入数字镜像模型，通过数据分析、仿真计算对模型进行迭代更新，实时显示更新的物流园区信息，从而实现对物理实体物流园区实时可视化。
4.3.2 数字孪生技术实现仓储设备远程集中管控
通过与仓库控制系统(Warehouse Control System，WCS)进行对接，实时获取设备运行状态信息，实现设备的智能监视。同时，数字孪生系统可在虚拟仓库界面控制现场智能仓储设备，如堆垛机、输送机、自动导引运输车(Automated Guided Vehicle，AGV)等，完成物资上下架、物资盘点等业务操作。仓库控制系统实时精准回传虚拟端发起的各项业务指令，从而实现物理实体仓库和数字虚拟仓库实时双向孪生互动。
4.3.3 数字孪生技术助力仓储业务辅助决策
利用仓储数字孪生仓库，分析仓储业务数据，实现在库物资分析、库房库位分析、实物库存类型分析、物资出入库动态分析、库存库龄分析、物资周转率、结余退库入库进度、堆场库容使用率、退库率等指标分析及图形化展示，助力仓储管理人员对电力物资管理辅助分析与决策。
4.3.4 应用成效
采用数字孪生可视化管理对仓库人员、设备、货物等进行监控和管理，改变了传统仓储管理模式，无需人工过多参与，降低人工成本。相比于传统的仓储业务流程，数字孪生的应用可使各业务环节衔接得更加紧密，显著提高作业效率。
本文对电力物资仓储管理现状进行归纳梳理，分析数字孪生的典型特征，提出基于数字孪生技术的电力物资仓储智慧管理体系架构及其关键技术，并将其应用于示范项目。仓储数据智能分析涉及业务分析、智能算法等多方面，后续可结合仓储管理业务需求和先进的智能算法，持续挖掘分析仓储数据，进一步提升电力物资管理智能决策水平。
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