一种基于数字孪生与VR技术的烟草商业企业物流成套设备设计方法

朱小晓胡晓峰

四川省烟草专卖局物流处

摘要：卷烟仓储与分拣设备是烟草商业企业最重要的核心设备。多年以来，商业物流成套设备的升级换代一直是商业物流设备管理工作的核心。成套设备设计工作一直都依靠于CAD图纸与简单的三维动画呈现。而由于异型烟的销售迅猛发展，客观上各单位都有较强的设备升级换代需求。尤其是对于动则数百万上千万的技改项目，急需一种新的设计方法以取代原有基于CAD图纸或简单的三维动画演示方法，以便更好地呈现设计方案中的新设备功能和模拟运行情况，甚至还要求新设备的模拟操作以检验其工作效能。显然，这些要求早已超出了传统设计工具的能力范围，幸而近年来发展迅速的数字孪生与VR技术为我们提供了一种崭新思路，即用数字生态系统颠覆传统的烟草物流运作模式[1-2]。据此首先利用数字孪生技术创建一套基于设计的虚拟设备，对物理设备的组成、特征、功能和运行进行建模与模拟，构建出包含多物理属性的数字孪生体模型[3-4] ，然后采用VR技术在虚拟设备中根据实际操作情况设置相应的交互点，再利用虚拟现实技术高沉浸感以及可交互性的特点[5]，由真人穿戴交互设备在虚拟空间里操作设备交互点，模拟操作设备以最终检验设备的效能与效率，由此探索出一条物流成套设备设计选型的新方法。

关键字：数字孪生 VR技术操作交互点

一、烟草商业企业物流成套设备现状与需求变动

2000年初全国的烟草工业企业与商业企业分家，之后烟草商业企业主要做好行政范围内卷烟销售的工作。烟草商业企业的物流中心都建立在省属企业下面的各市、州公司，主要负责仓储、分拣、包装、配送本辖区内卷烟，保障卷烟销售的顺利开展。市级物流中心最重要的物流设备是卷烟仓储与分拣设备，都是根据各市、州的物流联合工房的位置、面积、布局以及当地卷烟销售的规模与策略，定制化设计、修建的。截止到十三五，四川全省21个市、州公司的物流中心全部建设完成，可以充分满足每年全省两百多万箱卷烟的分拣与配送工作。按照当时的市价，根据各单位规模与技术设计先进程度的不同，仓储与分拣成套设备的采购单价从数百万到数千万不等。但自2016年异型烟在全国销售占比异军突起以来，截止到2023年异型烟在省内各单位销售占比已经达到或超过30%，对现有的分拣系统造成了沉重的压力，结合正常的设备自然更替，各单位客观上具有很强的设备升级换代需求。

Fg ＼传统方法的局限与国家局对数字化物流转型的要求

现阶段工程投资类项目使用最多的CAD软件，客观上CAD软件生成的电子图纸可以呈现成套设备的全貌，但是考虑到观看的习惯、使用的便利以及最重要的对设计设备好的功能模拟等需求，较为偏工业设计风格的CAD都不能较好地满足这些需求，因此客观上四川省商业企业物流条线一直都有寻找一种替代甚至超越CAD作为大型成套设备项目设计工具的需求。在使用过其他一些工具对设备进行三维建模后，得到模型效果也略显简单，无法真正表征设备的特性与运行情况，因此还需另寻办法。

国家局也非常重视数字化转型，在刚刚印发的《烟草行业数字化转型三年行动计划（2023—2025 年）》中，明确提出了“加强物流设备数字管理，建立物流关键设备数字画像，提高关键设备的自主运维管理能力和科学化管理水平”，因此秉承国家局数字化转型的方向指引，通过多方思考与寻找，我们最终设计了一种结合数字孪生与VR技术的物流成套设备设计方法。

三、数字孪生与VR技术简介

现在各方对于数字孪生还没有完全统一的定义，根据查询，数字孪生是指综合运用多种技术，实现物理空间与数字空间的实时双向同步映射及虚实交互。这里的交互指的是广义上的交互操作，除了人机交互之外，还包括了物理世界利用传感器数据塑造数字世界、数字世界通过促动器对物理世界进行改造等交互类型。完整的数字孪生包括物理层、数据层、模型层、功能层和能力层，分别对应着数字孪生的5个要素——物理对象、对象数据、动态模型、功能模块和应用能力，其中的重点是对象数据、动态模型及功能模块这3部分。真正有据可查的“数字孪生”概念提出者，是美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity （CBM+SI） & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）”

VR技术（虚拟现实技术）是近年来快速发展的一项前沿科技，囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是以计算机技术为主，利用并综合三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果，借助计算机等设备通过模拟现实世界的场景和感觉，产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉，并且可以与虚拟世界中的事物进行互动[6-8]。VR技术不仅在游戏领域有着广泛应用，还在教育、医疗、建筑设计等各个领域产生了革命性的影响。

四、新方法的设计思路与实现路径

根据设计，新的设计方法分为以下步骤：

（1）调研现有设备运行情况，根据需求制定新的分拣线技术功能与效率指标；

（2）根据分拣线设计功能与指标，对照现有分拣线使用情况，筛选主要技术实现路径；

（3）根据选定的技术路线确定分拣线主要功能模块的工作效率与配置数量，比如通道机多少个，补货小车多少个，立式机仓配多少个，各部件的效率要达到多少；

（4）根据现有场地条件，设计并确定分拣线成套设备的现场布局与物流、人流线路规划，在此基础上初步完成分拣线图纸设计，并使用CAD完成制图。传统意义上的分拣线成套设备设计到这一步就完成了，接下来就是需求方根据图纸展开技术论证与实施方案设计。但在新的方法中，这仅完成了三分之一的工作。

（5）根据新方法，分拣线的CAD制图将交由专业的技术团队，在虚拟数字空间中对整套设备进行数字建模，并在虚拟设备中设定设备各功能模块的功能与运行效率，模拟整个生产过程，从而起到完善分拣线，优化方案布局，降低成本的效果；

通过查询，数字孪生体技术运用于烟草商业系统物流中心的管理中还非常少见，与VR技术相结合运用于烟草商业系统物流中心分拣新设备的设计尚数首次。四川烟草商业物流系统多年来一直坚持将先进技术积极投入现有作业现场，通过创新使用以最大限度提升管理水平与作业效率。

在价值不菲的成套设备采购之前，通过先建立成套设备数字孪生体模拟运行并辅以VR交互模拟操作，以验证新设备的功能功效，对于现今烟草商业系统物流设备创新，设计与采购应该是一种新质生产力。未来如果能在行业内获得大力推广，可在较大程度上规避现有设计中经常出现的成套设备之间效率不匹配、设备与配套设施和场地不匹配、设备操作与现有习惯不匹配等问题，进一步推进设备设计流程的科学化、智能化，提升设备设计的适应性与柔性，降低设备设计采购流程中的内耗，提高物流设备管理水平。