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粮仓数字孪生解决方案:粮库数字孪生三维可视化管理平台

发布时间:2023-12-25

编辑人:灵图互动

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粮仓数字孪生解决方案通过在虚拟空间中构建1:1真实还原物理粮库的三维可视化管理平台,实现了真实物理粮库与数字数字孪生粮库的动静态映射,并能将其运作过程中产生的业务数据进行迭代运行实现对物理粮库全方位、全过程、全要素的精准复刻,支持库区工作人员在任意时间、任意地点远程可视化监控和管理。

粮库数字孪生解决方案:粮仓数字孪生三维可视化管理平台

1.粮仓数字孪生三维可视化管理平台的架构

粮库数字孪生三维可视化管理平台主要由物理粮库、数字孪生粮库、数字孪生数据中心、信息服务中心四个部分组成。其中,物理粮库通过传感器等感知设备从其中采集关键温湿度、虫害等数据,并通过相应的通讯协议将数据传输至数字孪生数据中心,与业务数据融合后驱动数字孪生粮库运行,为信息服务中心提供支撑。

1.1 物理粮库

物理粮库是整个粮库数字孪生三维可视化管理平台的基础,是数字孪生粮库运行的动力来源。

物理粮库整合平房仓、浅圆仓、油罐等各类粮仓实体资源,完成粮库库区的粮食储存与调度任务。物理粮库包括传感器、可编程逻辑控制器、摄像头等感知设备,粮库、控制柜、风机等粮库设备以及外部环境和工作人员等要素。其中,各类感知设备从粮库设备中采集温度、湿度、能耗、气体、虫害、监控视频等数据,通过OPC UA、Websocket等通用通讯协议传输至数字孪生数据中心,为其他服务提供基础支撑。同时,物理粮库还接收来自上层信息服务中心的控制指令,并通过物理设备完成虚控实任务。

物理粮库实现了各生产要素的紧密连接及各设备间的相互配合,提升了生产要素之间的整体协作性,为数字数字孪生粮库的构建提供基础支撑。

1.2 数字孪生数据中心

数字孪生数据中心是整个粮库数字孪生三维可视化管理平台的核心枢纽,负责与物理粮库的数据连接与交互,是数字孪生粮库和信息服务中心的数据源。其基本原理是数字孪生数据中心感知并获取物理粮库设备采集的关键数据,并与业务系统中的粮食品种、等级性质、出入库量、库存量、总容量等进行数据融合后,将多源异构数据进行处理、储存及传输至信息服务中心。其中,由于物理粮库涉及多厂商、多接口、多通讯协议的设备,且采集到的数据包括文本、视频等结构化和非结构化数据,所以需要通过OPC UA技术对数据标准进行统一并形成对应粮温和工作状态的异常分析规则推理知识库以支持各类分析与应用。同时,数字孪生数据中心还将处理后需要虚控实的信息反馈到物理粮库,支持虚控实操作的完成。

数字孪生数据中心构建为一体化共享的数据平台,成为数据上下传输的桥梁,支持物理粮库、数字孪生粮库、信息服务中心之间的两两交互。

1.3 数字孪生粮库

数字孪生粮库是物理粮库的三维数字模型和粮库在虚拟环境下运行的载体,包括各类三维模型和数据的动静态映射,也是各类事件的执行主体。

首先通过三维建模软件对传感器、PLC设备、摄像头、仓房、控制柜、风机等实体设备进行精准三维模型构建,完成物理粮库的静态映射。然后基于数字孪生数据中心的粮库数据和业务数据,完成仓房中轴流风机、环流风机、仓窗等开关动作的双向动态映射。数字孪生粮库包含现实物理粮库的几何、行为和规则属性,可利用数字孪生数据对物理粮库的运作事件进行远程高精度同步和控制。数字孪生粮库还包含资源、人力、能耗、库存能力等业务信息,还可对库区进行多维度、多层次的分析,实现粮库三维可视化监控、异常预警和管理。

1.4 信息服务中心

信息服务中心是基于物理粮库、数字孪生粮库和数字孪生数据中心构建的用于服务各类用户需求的应用层,包括业务可视化管理、核心指标实时监控、粮温异常分析等应用。基于孪生数据实时驱动,结合虚拟三维空间和二维分析图表,用户可对仓温仓湿等核心指标、粮库异常情况、出入库量、物理现场进行实时监控,并能远程控制库区仓窗和风机。库区专家结合企业现有的ERP、WMS等系统可以进行资源调度管理、异常追溯分析、出入库流程优化等工作,提升库区整体工作效率。通过信息服务中心,可实现各类用户对粮库多方面、各层次的监控、管理、分析与决策。

粮仓数字孪生三维可视化管理平台的架构

2.粮库数字孪生三维可视化系统实现的关键技术

粮库数字孪生三维可视化管理平台的关键技术主要涵盖了数字孪生体建模与轻量化,数据采集、传输与处理,虚实粮库同步映射,以及可视化监控与管理等4个关键技术。

2.1 数字孪生体建模与轻量化

数字孪生模型作为粮仓数字孪生系统的基础,其主要功能是将物理粮库中的各实体要素进行多维度、多时空尺度的描述,对粮食存储过程中的全要素、全流程进行数字化表征,从而实现对物理粮库的高度静态映射。

粮库作为一个大尺度的宏观模型,涉及模型种类多、结构复杂,初步建立的数字孪生体三维模型的表面网格一般包含数量巨大的三角面片,这些庞大的数据量对网络传输以及基于WebGL的可视化等工作均会造成巨大压力。

为此,需要对构建的三维模型进行轻量化处理。首先,通过3DMAX软件将模型中不必要的细节进行处理,将模型中不可见的面、边以及顶点删除,并将重复的顶点和边进行合并,形成轻量化后的FBX模型。然后,将各项单体模型的FBX文件导入Unity 3D引擎平台搭建粮库场景,并采用视锥体剔除(FC)与多细节层次(LOD)技术进一步在系统运行时进行实时轻量化。FC技术通过判断模型是否在当前摄像机的视锥体内进行剔除操作,当模型不在视锥体内时则对其进行剔除,可以极大地节省渲染资源,提高系统运行流畅度,降低系统对硬件设备的依赖程度。而LOD技术则被认为是优化虚拟场景渲染速率最有效的手段之一。基于该技术,对场景中的同一个物体采用多种不同精度的模型进行展示,即在远处展示低精度模型,反之展示高精度模型。LOD技术不仅能节省高精度模型渲染的计算资源,同时能兼顾使用者的视觉效果。

2.2 数据采集、传输与处理

粮库数字孪生系统的数据集成与多源异构数据的融合是实现物理粮库与数字孪生粮库交互映射的连接渠道。粮库数字孪生物理信息融合系统的数据采集层由粮库中的感知设备组成如工作现场的PLC、温度传感器、湿度传感器、摄像头等数据采集和控制设备。OPC UA服务器可执行多个不同的协议驱动插件,现有感知设备若集成了OPC UA服务器,则通过OPC UA通信与OPC UA服务器连接;若未集成OPC UA服务器则通过中间件或路由器与OPC UA服务器实现通信。将内外建立的OPC UA服务器和客户端服务层中内置的OPC UA服务器连接,形成OPC UA服务器/客户端(OPC UA S/C)的数据传输结构。

底层设备采集的信息在服务器中进行逻辑运算后转换为能够支持OPC UA协议的数据,并储存到数据库中。将储存的数据上传到数字孪生数据中心实现各系统的数据交互融合。

数据处理的核心是对粮情、设备等数据进行分析处理,以支持各类预警处理应用,为此,粮仓数字孪生可视化系统构建了粮库状态异常分析故障树,根据该故障树的异常规则推理知识库进行推理,可实现通风状态、温度状态、库存状态、虫情状况等可视化预警。

2.3 虚实粮库同步映射

虚实粮库的同步映射是粮库可视化监控与管理系统的核心内容,它将感知设备从物理粮库采集到的数据及业务系统数据通过变量绑定关系驱动数字孪生粮库同步运行。虚实司步映射包括模型的尺寸规格和纹理特征等要素的静态映射,行为属性和规则属性等方面的动态映射。

虚控实是虚实同步映射中的重要任务之一,是物理粮库与数字孪生粮库信息传递、控制与反馈的闭环过程。首先根据库区作业要求在信息服务中心的三维交互界面发起控制请求,触发控制脚本使目标动作数据传输至数字孪生粮库。然后控制脚本在虚拟动作层进行解析后通过通讯协议将控制命令发送给物理粮库中的轴流风机、粮库仓窗等自动设备,并使其完成相应的通风开关动作,同时设备的控制器将其状态信号反馈至虚拟三维模型动作单元,设备状态数据驱动虚拟三维模型同步完成开关动作。

2.4 可视化监控与管理

可视化监控与管理是信息服务中心的核心内容,也是数字孪生系统构建的主要目的。基于孪生数据实时驱动,结合虚拟三维空间和二维分析图表,用户可对仓温仓湿等核心指标、粮库异常情况、出入库量、物理现场进行实时远程监控和管理。粮库数字孪生三维可视化管理平台主要包括系统可视化模块和系统管理模块。其中,系统管理模块由专家系统、WMS与ERP三部分组成,主要用于将粮库现有的WMS、ERP系统集成到孪生系统中进行业务的可视化分析应用,库区专家还能结合业务数据和粮库现场数据优化资源并进行调度管理等。系统可视化模块包括静态可视化和动态可视化,主要实现孪生场景构建、在线视频同步和各类基于数据驱动的控制和分析应用。

粮库数字孪生三维可视化管理平台功能

3.粮库数字孪生可视化管理平台功能

粮库数字孪生三维可视化管理平台基于孪生数据的实时驱动能实现粮库中环境要素、实体模型、现场粮情、仓房工作状态等的远程可视化漫游巡检,仓窗、风机等的控制,以及各类异常预警管理。最终达到对仓温仓湿等核心指标、粮库异常情况、出入库量、物理现场进行实时远程监控和管理的目标。

3.1粮情可视化监控

粮情可视化监控部分可实时可视化监控虫害、温度、湿度、气体、粮情、能耗、库存以及仓房信息等。

3.2粮情可视化预警

粮情可视化预警主要由仓房作业状态预警、通风预警、温度预警、大屏数据分析以及视频监控五大核心部分组成。通过这五大部分,粮库管理人员可实现对库区各类事件的实时可视化预警和远程控制。数字孪生体仓房不同颜色代表不同工作状态,其中红色代表预警;当仓房温湿度数据异常时仓窗颜色由蓝色变化成醒目的黄色,便于管理人员及时发现并迅速作出反应,同时可通过点击孪生体中指定窗户或风机控制其开关状态,从而实现物理粮库的通风操作;当仓内粮油点位温度超过闯值温度时,对应点位颜色变为红色警示异常发生。

3.3数据管理

集成粮库现有的ERP和WMS云服务平台到粮仓数字孪生系统,为用户提供一体化粮情数据统计分析,包括粮食的品种统计、年份统计、等级统计、性质统计、近日出入库统计以及容量库存等,数据分析效果直观、可视化程度高极大提高粮库管理工作效率。

粮库数字孪生三维可视化管理平台在三维虚拟数字空间中完成对物理粮库全方位、全要素、全流程的实时监控和管理;通过对实时数据的深度分析和融合处理,实现了对粮情、虫情、气体浓度、能耗、粮库通风、仓温、仓湿等的实时可视化预警和通风控制,实现了孪生系统虚映实,虚控实的双向映射。

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