基于数字孪生的燃煤电厂智慧仓储架构设计研究

基于数字孪生的燃煤电厂智慧仓储架构设计研究

张巍 程诚 余昌 谢叔媚

（国家能源集团岳阳发电有限公司，湖南岳阳 414200）

摘要：本文从燃煤电厂仓储管理现状入手，分析仓储管理与实际生产关联程度较低、缺少虚实交互的数据模型、信息平台间数据不贯通的问题，并以此确定智慧仓储的相关需求，通过底层数据收集架构、数字孪生架构、虚实交互架构、JIT看板虚实交互架构四个方面的结构设计，构建基于数字孪生的燃煤电厂智慧仓储架构解决相关问题，并分析智慧仓储数字孪生系统在实践中的关键支撑技术、系统和硬件设备，最后结合案例情况提出未来燃煤电厂智慧仓储的对策与建议。

关键词：数字孪生；智慧仓储；虚实交互；架构设计

1引言

现阶段，燃煤电厂存在仓储管理与实际生产关联程度较低、缺少虚实交互的数据模型、管理平台间“数据烟囱”众多等问题，而数字孪生(Digital Twin)技术通过数字化虚拟模型的建立、虚实交互的信息反馈机制等手段，能够有效解决仓储管理问题。为此，引入数字孪生技术解决其管理的痛点、难点成为亟待研究的问题。

数字孪生2002年由美国教授Dr. Michael Grieves提出，他认为可以通过硬件设备（物理实体）收集相关数据构建三维模型，并通过数据的动态反馈反应产品的全寿命周期。

数字孪生是以数字化的方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力[1]。

2燃煤电厂仓储管理现状与智慧仓储需求分析

2.1 管理现状

（1）与实际生产关联程度较低

当前仓储管理主要依靠工作经验，批量性、阶段性采购造成物资大量冗余，库存物资大量闲置，直接影响企业运营成本。

（2）缺少虚实交互的数据模型

目前仓储管理基本不具有数字三维模型，在设计和基建等阶段构建的数字三维模型或实景三维模型只有基本的展示功能，无法满足电厂对智慧仓储和采购决策的要求。

（3）信息平台间数据不贯通

燃煤电厂生产相关业务信息管理系统缺乏跨专业统一规划和设计，存在较多“数据烟囱”、“信息孤岛”。分散控制系统（DCS）、企业资源计划系统（ERP）、供应商关系管理系统（SRM）系统数据标准不统一；ERP与仓储管理系统（WMS）贯通融合度不好。

2.2智慧仓储需求分析

（1）省时降库增效益的仓储管理需求

燃煤电厂智慧仓储实现无人化、少人化作业，能够有效减少人力成本和人力资源的浪费，减少库存的积压，确保物资的高效利用，从提增管理效益。

（2）仓配协同智能化的供应链管理需求

燃煤电厂智慧仓储需解决仓配信息共享的问题，通过采购方与供货方的协同作业，实现物流信息、物资信息、物资体积重量、物资参数规格性能等数据的数字化传递，提升企业端到端的整体流转效率。

（3）仓储共享可视化的库存管理需求

燃煤电厂智慧仓储可引入射频识别技术（RFID）、扫码设备、IoT等硬件设备，为物资库位定位、账实相符、批次管理、库龄分析等管理提供数据资源，运用数字孪生技术，形成虚拟的立体3D仓库，支持库存管理全程查询、统计、共享等可视化管理。

（4）信息管理系统的数据交互需求

燃煤电厂智慧仓储可通过WMS整合DCS、ERP、SRM等信息管理系统的数据接口，抓取仓储管理相关的物资需求、采购、设备运行状况等相关数据，实现数字交互验证，为科学库存管理提供决策依据。

3燃煤电厂智慧仓储方案的数字孪生架构设计

3.1 案例项目简介

某燃煤电厂新建项目规划建设4×1000MW超超临界发电机组，该项目计划建设基于数字孪生的燃煤电厂智慧仓储，以底层数据收集架构为基础，构建数字孪生架构，最终实现智慧仓储和JIT看板虚实交互虚实交互。

3.2底层数据收集架构设计

该燃煤电厂隶属的集团公司，以ERP为框架建设集团一体化集中管控系统，在ERP之外建设了如IBS（招标管理系统）、e购（电商管理系统）、法律系统、ICE（移动办公系统）、MDM（主数据管理系统）、BW（报表系统），此外，该电厂也自建DCS和WMS，这些系统为智慧仓储数字孪生提供了底层数据收集架构。

针对各平台间数据不贯通的问题，开发数据集成中台，该中台提供适应多种类型设计软件的集成接口，支持与各种系统的接口对接。基于创新的数据挖掘技术，重建各类软件系统的数据接口，实现信息管理系统的数据交互需求。

3.3数字孪生架构设计

智慧仓储数字孪生架构如图1所示。智慧仓储底层数据收集架构采集物理世界燃煤电厂仓储实体的相关支撑数据，并运用大数据算法采集集成中台的相关数据，数字孪生系统则通过对数据、图像进行分析处理以实现虚实交互，即由物理实体到虚拟镜像的映射，而后由虚拟镜像控制物理实体的精细管理，双向反馈，以达到管理可视化、精细化的目标。

图1  燃煤电厂智慧仓储数字孪生架构

3.4 虚实交互架构设计

燃煤电厂智慧仓储采用CAD与实时可视交互系统开放平台（RayData）作为底层3D可视化建模工具，首先实现仓储三维静态可视化功能，再结合

5G、AI、大数据、云计算等技术，融合呈现场景实时动态可视化，最后通过IoT控制设备，实现虚实交。

该燃煤电厂规划建立基于RayData智慧仓储虚实交互模型，主要实现仓库模块化管理、库房监测、货物载重、安全防护、货件查询五项功能。

3.5 JIT看板虚实交互架构设计

JIT（Just In Time）看板虚实交互架构从供应链角度出发，在数字孪生架构中提取相关计划数据等，以JIT看板为载体，所示实时反馈各项计划数据，根据JIT看板信息，燃煤电厂仓储管理人员、供应商、运输单位可根据实时反馈信息进行协同管理和决策。

4 燃煤电厂智慧仓储发展的对策建议

燃煤电厂智慧仓储数字孪生系统在架构设计、系统测试、实际应用、技术拓展等方面，仍存在以下问题亟待解决：

（1）统一制定燃煤电厂智慧仓储数字孪生架构。架构所涉及到的交叉学科较多、技术升级迭代速率较快，需统一制定开放的数字孪生层次架构，促进其敏捷迭代开发。

（2）建立燃煤电厂智慧仓储数字孪生应用行业标准。行业标准应包含设备设施要求、系统开发工具和平台、通信协议标准、虚实交互建模标准、系统管理要求、信息安全标准等。

（3）推广燃煤电厂智慧仓储数字孪生系统应用。发电企业可通过各类技术单位建设示范项目，验证项目经济效益，为后续项目的系统迭代升级提供更多的基础资料。

5结束语

数字孪生技术的发展与应用，为数字驱动的燃煤电厂智慧仓储提供了新的解决方案。本文根据需求分析结合具体案设计了数字孪生架构，总结了其所需的关键技术、系统和硬件设备，并对其未来的发展和研究提出对策建议。

参考文献 ：

[1]F.Caputo,A.Greco,M.Fera,R.Macchiaroli.Digital twins to enhance the integration of ergonomics in the workplace design[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2019.

作者简介：

张巍（1986-），男，湖北房县人，硕士研究生，工程师，从事项目管理、招投标管理和物资管理相关工作。