1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　2.北京中物匯智科技有限公司

　　物流及其所連接的各方，無不面臨多樣化、個性化、定制化的需求沖擊，無論生產(chǎn)制造還是商貿(mào)流通，都要面對近年來諸多不確定性的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，涌現(xiàn)出了眾多新技術(shù)與管理元素，橫貫物流自動化裝備、物流機(jī)器人、AI決策等新興技術(shù)，縱連物流倉儲、配送全環(huán)節(jié)，而數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步促使物流管理智慧化與物流系統(tǒng)智能化，基于物流系統(tǒng)關(guān)鍵要素的有機(jī)融合實(shí)現(xiàn)數(shù)字物流革命。

　　一、數(shù)字物流的發(fā)展動力

　　工業(yè)4.0的關(guān)鍵，是柔性的物流系統(tǒng)，在飽和、多變且個性化的市場需求下，現(xiàn)代工業(yè)要求其物流網(wǎng)絡(luò)更具柔性、更低成本的運(yùn)轉(zhuǎn)。粗放的增長即將結(jié)束，面向效率的整合即將開始，在這個背景下，從物流管理體系到物流裝備，如何提升智慧性和柔性，提升物流智慧化與智能化水平成為未來發(fā)展的趨勢。

　　1.物流產(chǎn)業(yè)要素缺乏協(xié)同載體

　　物流行業(yè)的產(chǎn)學(xué)研，全生態(tài)供應(yīng)鏈合作，已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展大勢。如果將物流產(chǎn)業(yè)，按照系統(tǒng)集成方、使用運(yùn)營方、研發(fā)應(yīng)用方、教育培訓(xùn)方進(jìn)行劃分，我們可以剖析目前行業(yè)存在的問題，如圖1所示。

圖1 物流產(chǎn)業(yè)各協(xié)同問題

　　系統(tǒng)集成方與使用運(yùn)營方之間，是最傳統(tǒng)的甲乙方關(guān)系，通過成功案例與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)等“老中醫(yī)”模式進(jìn)行營銷，看“資質(zhì)”對方案進(jìn)行選擇。但因其成本過高，無法在個性多變環(huán)境下，將提供給運(yùn)營方的方案進(jìn)行價值呈現(xiàn)與仿真展現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)集成方在規(guī)劃設(shè)計之前，缺乏價值協(xié)同的載體。

　　研發(fā)應(yīng)用方（裝備商與咨詢商）在研發(fā)新產(chǎn)品、對現(xiàn)有智慧物流裝備進(jìn)行優(yōu)化的過程中，缺乏新技術(shù)驗(yàn)證的有效環(huán)境，甚至使用運(yùn)營方提出相關(guān)咨詢需求時，雙方都無法得出系統(tǒng)改造與設(shè)備改造的關(guān)鍵驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

　　教育培訓(xùn)方在進(jìn)行物流人才培養(yǎng)與企業(yè)培訓(xùn)時，極度缺乏知識的展現(xiàn)條件。專業(yè)成績優(yōu)異，面試“一問三不知”；使用過時的教學(xué)裝備和技術(shù)，只能“看熱鬧”；價值和方法的呈現(xiàn)，猶如看不見的“天書”。這些問題極大地提升了企業(yè)人力成本。

　　總結(jié)來說，在智慧化的浪潮中，新工具、新方法、新業(yè)態(tài)、新人力等多要素對于最終成本與效率的影響模式越來越復(fù)雜，目前行業(yè)的各方，缺乏一個低成本的、快速有效的、協(xié)同的價值呈現(xiàn)，以及能夠?qū)崿F(xiàn)可視化管理運(yùn)營、仿真驗(yàn)證、知識傳遞的平臺。

　　2.物流系統(tǒng)體系化的通途是人機(jī)共智

　　物流系統(tǒng)要素，從上文中的幾個主體，可以總結(jié)為參與管理和生產(chǎn)的人，以及參與物流管理的自動化與智能化系統(tǒng)裝備，比如物流信息系統(tǒng)、多穿、立體庫、AMR等組成，其共同作用形成了一體化的智慧物流系統(tǒng)。通過人、智慧體系統(tǒng)、智能系統(tǒng)等全面融合，協(xié)同作業(yè)，共同構(gòu)建統(tǒng)一目標(biāo)的利益共同體，將物流成本與物流效率進(jìn)行完美結(jié)合，是數(shù)字物流革命的終極目標(biāo)。如何實(shí)現(xiàn)人機(jī)雙方的協(xié)同、聯(lián)動、共智，途徑就是打通人機(jī)認(rèn)知與決策體系，包含以下兩個方面：

　　（1）物流管理智慧化

　　物流管理智慧化，是在物流管理當(dāng)中，針對人員、裝備、貨物、時間、成本等元素，將進(jìn)行計劃、調(diào)控的有效經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)字化，從而將人和系統(tǒng)的知識經(jīng)驗(yàn)協(xié)同。這里包含了兩個層面的管理智慧數(shù)字化：第一個是明確機(jī)制的智能指標(biāo)庫，將行業(yè)中的通用指標(biāo)，比如周轉(zhuǎn)率、人效、坪效等指標(biāo)公式進(jìn)行抽取，形成物流管理智能指標(biāo)庫；第二個是不明確機(jī)制的智慧評價庫，也就是通過對管理人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)或?qū)v史數(shù)據(jù)的挖掘、行業(yè)公認(rèn)的、影響物流整體或局部系統(tǒng)目標(biāo)的關(guān)鍵因素總結(jié)。兩者一起奠定了物流管理智慧數(shù)字化的基礎(chǔ)。明確的預(yù)警線、不明確經(jīng)驗(yàn)都將通過系統(tǒng)能夠理解的方式進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)。

　　（2）物流系統(tǒng)智能化

　　物流系統(tǒng)智能化，在傳統(tǒng)物流智能執(zhí)行裝備與系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)從數(shù)字智慧化和智慧交互可視化兩個維度理解。數(shù)字智慧化是以系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化與數(shù)字化為基礎(chǔ)，通過可視化仿真體承載多維度數(shù)據(jù)，在近真環(huán)境下，與多個仿真體或業(yè)務(wù)系統(tǒng)、人員進(jìn)行呈現(xiàn)或推演；通過數(shù)據(jù)整合、清洗、挖掘、再生成的方式，提供未來不同情況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；并通過價值挖掘的方式，挖掘出影響目標(biāo)的更多未知要素，比如快遞上貨輸送系統(tǒng)效率與積放關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系等。與此同時，物流系統(tǒng)智慧交互可視化，則是將系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)與未來不同條件的可能狀態(tài)，以人最能理解的方式，進(jìn)行可視化、交互化以及時間空間多維度分層化的方式進(jìn)行快速呈現(xiàn)到管理者腦中，從而達(dá)到人機(jī)共智的最終目標(biāo)。

　　3.數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展

　　2020年11月，工信部從國家層面定義了數(shù)字孿生的基本概念，其源自近年來，數(shù)字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時，得益于物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的實(shí)施已逐漸成為可能。從2020年開始，物流行業(yè)也開始了自己的數(shù)字孿生之路，特別是針對物流場站與裝備，展開了大量的嘗試，從倉儲三維可視化項(xiàng)目，到配送中心三維管控SCADA項(xiàng)目，以及傳統(tǒng)仿真生成的exe，都穿上了數(shù)字孿生的“馬甲”。

　　針對物流行業(yè)鏈條長、環(huán)節(jié)多、鏈接領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，如果要構(gòu)建完整的物流數(shù)字孿生體系，需要包含以下必備點(diǎn)，簡稱3MF，如圖2所示。

圖2 3MF物流數(shù)字孿生必備點(diǎn)

　　Mod細(xì)顆粒度低成本建模能力：物流系統(tǒng)的數(shù)字化，需要比現(xiàn)有傳統(tǒng)仿真軟件更低成本，包含包括虛擬傳感器與執(zhí)行器、帶有執(zhí)行邏輯的裝備與人員系統(tǒng)，通過更多非傳統(tǒng)仿真技術(shù)人員參與，通過參數(shù)化建模，才能完整更細(xì)維度的數(shù)字孿生模型構(gòu)建；

　　Mass大規(guī)模系統(tǒng)仿真能力：借助云計算與最新的仿真技術(shù)以及圖形圖像技術(shù)，構(gòu)建滿足上萬平方米倉庫、上千貨物信息點(diǎn)與眾多人員智能體進(jìn)行混合仿真的能力。這都得益于近5年在3A游戲領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，讓大規(guī)模流程、數(shù)據(jù)交互、人機(jī)智能體仿真成為可能；

　　Mixed多維度的業(yè)務(wù)與IoT數(shù)據(jù)混合對接能力：通過5G技術(shù)提供的通訊通路，以及數(shù)據(jù)總線技術(shù)，建立數(shù)據(jù)高速標(biāo)準(zhǔn)體系，融合包括物聯(lián)網(wǎng)、WMS、ERP、WCS、多維仿真體數(shù)據(jù)，AVR人員交互與數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字建模的真實(shí)可信度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

　　Feedback大數(shù)據(jù)挖掘與反饋學(xué)習(xí)技術(shù)：通過歷史數(shù)據(jù)與多變量調(diào)節(jié)的仿真數(shù)據(jù)，具備雙工通訊能力，產(chǎn)生虛實(shí)交互學(xué)習(xí)的方式，提供人機(jī)共智的基礎(chǔ)機(jī)制。

　　二、數(shù)字孿生技術(shù)將全面推進(jìn)數(shù)字物流發(fā)展

　　1.系統(tǒng)數(shù)字化——物流系統(tǒng)數(shù)字建模

　　物流數(shù)字系統(tǒng)軀體構(gòu)建，簡單來說就是構(gòu)建三維物流裝備與系統(tǒng)的數(shù)字化、可視化模型。不僅僅包括狹義上的輸送機(jī)、立體庫、人員，也需要包括近幾年新興的各種物聯(lián)網(wǎng)裝備等。傳統(tǒng)仿真的重要成本，往往就是仿真建模部分，目前有三種可行的解決辦法，第一通過外部3d MAX等建模軟件建模進(jìn)行導(dǎo)入；第二是通過軟件本身的類似或接近的模型進(jìn)行代替或簡單變形；最后一種則為基于工業(yè)小顆粒組件，進(jìn)行全新設(shè)備與系統(tǒng)的拼接構(gòu)建，在更細(xì)顆粒維度的軟件內(nèi)建模，目前行業(yè)更加推崇最后一種即建即用的建模功能，極大地降低構(gòu)建成本與周期，如圖3所示。

圖3 物流系統(tǒng)基于組件的即建即用數(shù)字建模

　　2.價值互動——價值可視交互傳遞

　　提升孿生仿真體應(yīng)用價值的鑰匙是可信度，如何達(dá)成物流系統(tǒng)“所見即所得”是價值互動的關(guān)鍵。價值互動在于為物流數(shù)字系統(tǒng)提供神經(jīng)系統(tǒng)與傳感系統(tǒng)，讓其具備能夠模擬系統(tǒng)邏輯、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的能力。不同于傳統(tǒng)仿真，物流數(shù)字孿生需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)總線，來交互物聯(lián)網(wǎng)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以及交互仿真體的虛擬物聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)。其整體目標(biāo)為：構(gòu)建盡可能逼真的還原關(guān)鍵裝備系統(tǒng)的物理交互與控制邏輯，例如堆垛機(jī)的二段加減速與電控延遲時間，大幅提升仿真的逼真度；構(gòu)建融合IoT數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，具備信息通路與整合能力的信息傳遞網(wǎng)絡(luò)，類似脊椎動物的誕生，只有高速、準(zhǔn)確的信息傳遞，才能進(jìn)化出足夠高級和智慧的生命體；構(gòu)建虛擬物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)，檢測比如輸送流速、擁擠度等一系列數(shù)據(jù)，正是因?yàn)樘摂MIoT系統(tǒng)的引入，才使得我們能夠以更加全面的角度，掌握了解。

　　通過三方面的構(gòu)建，最終形成可人機(jī)互動，快速理解，集成仿真展現(xiàn)一體化功能的系統(tǒng)，從而進(jìn)行投標(biāo)展示，宣傳展示，實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的低成本、高可信度的展示，提升多方的價值傳遞效率。

　　3.問題先知——物流系統(tǒng)智能化

　　物流系統(tǒng)智能化類比為掌管邏輯的左腦，也可以理解為應(yīng)用智慧管理的過程，將明確機(jī)制的檢測與自動控制的指標(biāo)和算法融入系統(tǒng)的智能判斷，進(jìn)行實(shí)時檢測或仿真的技術(shù)。通過以明確的指標(biāo)庫為基礎(chǔ)，構(gòu)建仿真環(huán)境進(jìn)行仿真的過程。以運(yùn)營角度為出發(fā)點(diǎn)，在通常的數(shù)值計算和工程算法之外，加入經(jīng)驗(yàn)公式與計算程序。在工程實(shí)踐中，形成一套實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動的人機(jī)交互界面，以及通過類LOD的方式，降低仿真資源消耗，提升仿真的實(shí)時性仿真系統(tǒng)。這樣管理者既可以看到觸發(fā)既定規(guī)則的問題，又可以通過快速的仿真得到明確發(fā)生的未來問題信息，比如分揀系統(tǒng)的擁堵信息、PHM信息等都通過數(shù)字化方式，固化到智能系統(tǒng)流程中，降低管理者精力消耗，并通過可視化方式進(jìn)行快速的人機(jī)呈現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 典型的多穿指標(biāo)庫

　　物流系統(tǒng)智能化，是數(shù)字物流革命當(dāng)前的最重要步驟，如何將運(yùn)營主體經(jīng)驗(yàn)、物流行業(yè)典型經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化，最終形成的指標(biāo)庫和經(jīng)驗(yàn)庫，是決定能否實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)預(yù)測先知性的基礎(chǔ)條件。

　　4.要素先覺——物流系統(tǒng)管理智慧化

　　物流管理智慧化類似掌管直覺的右腦，是產(chǎn)生智慧的過程，是數(shù)字孿生的重要目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)判、預(yù)測和分析功能，來提升實(shí)際系統(tǒng)的效率。要想精準(zhǔn)的、全面的、物理的可信仿真，產(chǎn)生多維度、跨傳統(tǒng)業(yè)務(wù)層的未知大數(shù)據(jù)，是物流系統(tǒng)管理智慧化的關(guān)鍵，有助于建構(gòu)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的隱含層。

　　行業(yè)中常說的人工智能與物流的應(yīng)用領(lǐng)域，除了諸如貨物等圖像識別等技術(shù)點(diǎn)之外，通過數(shù)字孿生結(jié)合物流體系整合的大數(shù)據(jù)分析與挖掘，成為物流系統(tǒng)柔性與價值最大化挖掘的“金礦”。

　　5.智慧體協(xié)同——供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)智慧化

　　當(dāng)物流網(wǎng)絡(luò)中的細(xì)胞、組織、結(jié)構(gòu)、器官被逐級深入構(gòu)建，那么形成特定供應(yīng)鏈數(shù)字孿生就不遠(yuǎn)了。當(dāng)智慧體通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行信息傳遞與相互影響，從下到上的物流系統(tǒng)到供應(yīng)鏈的構(gòu)建過程中，需要通過對供應(yīng)鏈的可視化、互動協(xié)同共智、預(yù)測化、推演化，能夠整合需求主體，制造、倉儲、人力、信息、管理、運(yùn)力等諸多信息，將降低物流資源匹配成本，提升經(jīng)營主體甚至全社會的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)柔性與服務(wù)能力。

　　三、面向數(shù)字孿生的物流平臺關(guān)鍵技術(shù)

　　如何讓數(shù)字孿生技術(shù)，助力實(shí)現(xiàn)數(shù)字物流革命，需要突破數(shù)個關(guān)鍵問題：

　　1.構(gòu)建技術(shù)（Build）

　　突破低成本物流三維仿真構(gòu)建與設(shè)計技術(shù)。面對仿真與數(shù)字孿生應(yīng)用瓶頸點(diǎn)，將聚焦物流行業(yè)，進(jìn)行三維仿真展現(xiàn)，包含通用物流服務(wù)資源工程組件庫開發(fā)，倉儲搬運(yùn)類、分揀類、顯示反饋類、先進(jìn)制造裝備類、空港物流類、冷鏈生鮮物流類、危化物流類、貨物類、建筑園區(qū)類等物流服務(wù)資源的建模開發(fā)，可視化零代碼邏輯編程系統(tǒng)開發(fā)，如圖5所示，最終實(shí)現(xiàn)覆蓋主流物流服務(wù)資源，突破建模成本高、技術(shù)要求高、時間花費(fèi)高的無法落地的“三高”關(guān)鍵難題。

圖5 快速仿真展現(xiàn)一體化設(shè)計工具Builder系統(tǒng)

　　2.孿生仿真技術(shù)（Simulation）

　　（1）解決物流資源網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)孿生智能體仿真與組網(wǎng)推演分析問題，突破細(xì)顆粒度零件級物流資源孿生仿真技術(shù)。

　　面向物流資源自動化、智慧化趨勢，展開針對孿生物聯(lián)網(wǎng)類，機(jī)器人與自動化裝備類，人員與車輛智能代理類的研發(fā)，研究大規(guī)模物流服務(wù)資源孿生化的標(biāo)準(zhǔn)與突破關(guān)鍵裝備仿真技術(shù)。如RFID與條碼識別孿生系統(tǒng)，工業(yè)光電等孿生傳感系統(tǒng)，WSN與5G孿生系統(tǒng)的研發(fā)，為后續(xù)物流服務(wù)資源快速構(gòu)建提供全面參數(shù)化通道，沉淀工業(yè)巨頭的傳感器參數(shù)與孿生鏡像，從而為后續(xù)的物流服務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)孿生化構(gòu)建，提供高可信度的仿真基礎(chǔ)。

　　（2）解決行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用適配問題。

　　面向從物流教育、先進(jìn)制造業(yè)到電子商務(wù)物流、冷鏈物流等多個行業(yè)，展開企業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證，降低資源的適配成本，提升整體物流網(wǎng)絡(luò)的柔性與服務(wù)能力。突破VR/PC 3D混合仿真形式，既能夠?qū)崿F(xiàn)人因與物流其他要素的適配測試，又能夠?qū)崿F(xiàn)跨時空低成本的3D物流仿真適配測試，擴(kuò)大研究行業(yè)對于物流服務(wù)資源的適用面，提供更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)適配分析支撐。

　　在物流教育方面，北京科技大學(xué)與北京中物匯智科技有限公司合作，通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，應(yīng)用VR/3D混合人機(jī)交互技術(shù)、低難度低成本建模技術(shù)等新興技術(shù)，開發(fā)了“基于虛擬現(xiàn)實(shí)的倉儲配送綜合實(shí)訓(xùn)課程”等（如圖6所示）可支撐教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、科研、創(chuàng)新、競賽的綜合性教學(xué)仿真模擬平臺，并入選“校企合作 雙百計劃”典型案例，擴(kuò)大了系統(tǒng)對專業(yè)課的適用面，提升了物流人才的培養(yǎng)效率。

圖6 實(shí)訓(xùn)課程與“校企合作 雙百計劃”典型案例獲獎?wù)掌?/p>

　　3.數(shù)據(jù)總線技術(shù)（Information）

　　解決基于數(shù)據(jù)總線的物流服務(wù)資源虛實(shí)連接與組網(wǎng)系統(tǒng)研究。物流服務(wù)資源中，存在大量的數(shù)據(jù)與信息異構(gòu)性，物流服務(wù)資源網(wǎng)絡(luò)的CPS系統(tǒng)復(fù)雜，融合多個行業(yè)的硬件、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、自動化裝備等，研發(fā)物流InforBus數(shù)字孿生總線，研發(fā)InforBus總線控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。最終實(shí)現(xiàn)物流服務(wù)資源虛實(shí)、軟硬、人裝、信息與業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)融合與組網(wǎng)，從而提供精準(zhǔn)適配的數(shù)據(jù)通路與聯(lián)合測試仿真通路。

　　4.數(shù)據(jù)分析與價值挖掘技術(shù)（Mine）

　　通過數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)突破，針對IoT數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，融合模糊分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等分析與挖掘技術(shù)，架設(shè)行業(yè)指標(biāo)庫、算法庫、評價庫、經(jīng)驗(yàn)庫為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)智能化與管理智慧化為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)柔性化。

　　我們可以總結(jié)上述內(nèi)容為：Build—Simulation—Information—Mine，BSIM的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)框架。

　　四、結(jié)語

　　數(shù)字孿生作為智力協(xié)同的新基建，將會有效解決教育培訓(xùn)、集成與設(shè)計、運(yùn)營主體與裝備研發(fā)各方的矛盾。有效地讓企業(yè)經(jīng)營個體，更好地應(yīng)對多樣化、個性化、定制化的需求沖擊，通過物流管理智慧化與物流系統(tǒng)智能化兩個方向，打通人機(jī)共智，智慧體協(xié)同共智，最終降低物流網(wǎng)絡(luò)與供應(yīng)鏈的資源適配成本。同時也從需求端，加速5G/AI/云計算等技術(shù)的真正價值落地。

　　相信行業(yè)將不斷樹立數(shù)字孿生結(jié)合物流系統(tǒng)的應(yīng)用燈塔和研發(fā)基地，提供低成本物流系統(tǒng)設(shè)計與再造平臺，構(gòu)建物流數(shù)字孿生仿真資產(chǎn)，鋪設(shè)數(shù)據(jù)高速公路，幫助物流產(chǎn)業(yè)各方降低協(xié)同成本，一同迎接數(shù)字物流革命。