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基于北斗定位的虚实孪生仓储系统和方法研究

2024/2/12    来源:物流技术与应用    作者:彭小源景  贵飞      
关键字:北斗定位  物联网  虚实孪生  仓储系统  信息技术  
从企业生产的角度出发,应用基于北斗定位的虚实孪生仓储系统和方法,可满足现代产品的存储需求,从而使消费者更加信任产品的真实性,并为企业提供可信的产品仓储服务。本文运用文献研究和现场实验法,通过系统架构、北斗定位设备等方面对虚实孪生仓储系统进行设计,展示出数字化仓储技术与装备的功能特点,进而提出虚实孪生仓储系统实现路径的方法,最终虚实孪生仓储系统可实现产品从入库、出库的全流程的追踪监控,对货物仓储过程进行可信的数字化管理,解决产品在存储角度给消费者以更为可信的支撑,进一步推动企业发展。
       作为现代物流的重要环节,仓储的功能不仅仅是要储存货物,还要与企业的供应链上下游良好衔接。随着智能制造发展,数字仓储系统能够满足制造企业大规模定制生产的要求,提供高柔性的全流程数字化管理模式[1]。伴随物联网、机器人、仓储机器人、无人机等新技术的应用,数字仓储成为智能制造落地的优先行业[2]。此外,便携式终端的使用降低了成本,提高了点仓精度,也提升了工作效率[3]。对于食品安全监管的基石——供应链可追溯系统来说[4],虚实孪生仓储系统是其中核心的追溯环节。

       我国仓库总量庞大,而现有管理和技术水平存在参差不齐的现象,导致绝大部分仓库的资源利用率很低[5]。消费者对仓储的理解不够深入,缺乏可信的数据支撑,难以确定产品在仓储环节中是否被调包、移位或损坏。仓储在各行业广泛应用,如物流、冷链、医药和农业等,随着社会发展,其重要性变得越来越突出。物联网的仓储管控一体化系统,可以提高仓储系统的整体运作效率和安全性[6]。然而,由于仓库工作人员众多,而货物的状况又随时处于动态流动状态,现有的仓库仓储系统大多只能实现仓位的智能匹配或精准寻找货物所在仓位,或使用报警装置来防盗,难以实时监测货物在存储过程中是否被调包或整个仓库被移动等情况。现今,消费者普遍愿意为具有安全信息的可追溯产品支付额外费用[7],而其他产品若能提供更多的安全保障和信息,也能提升产品价值和销售价格[8]。因此,研究虚实孪生仓储系统的实现路径,对消费者来说是一个可信的支撑,能够提高其购买欲望,同时也能够提升企业的收益。

一、虚实孪生仓储系统组成

       虚实孪生仓储系统主要有三大部分组成(见图1),分别有虚实孪生实体仓储、服务器、远程监控终端。其中,虚实孪生实体仓储主要由北斗卫星定位编码器、物联网模块、货物信息模块、智能终端和货架五个部分组成。

图1虚实孪生仓储系统架构

       1.北斗卫星定位编码器

      该设备用于定位和确定虚实孪生实体仓储位置,北斗卫星定位编码器安装后需要设定使用范围(坐标)。如果北斗卫星定位编码器移动超出设定范围,它会发出警报并将当前坐标信息通过智能终端传输到远程监控终端(云服务)。

      2.物联网模块

      此模块与北斗卫星定位编码器绑定。当物联网模块发生移动时,北斗卫星定位编码器会接收并传输物联网模块的移动信息到远程监控终端。物联网模块包括密码门、显示屏、温湿度传感器、恒温恒湿一体机和全景摄像头。

       (1)密码门:密码门具备指纹锁或数字密码锁,通过指纹、密码或软件远程开门校验时,远程监控终端或智能终端会识别校验信息和北斗定位模块的状态,以控制是否开门。

       (2)显示屏:显示屏用于展示虚实孪生实体仓储内温湿度传感器数据、仓储内情况、基本信息以及北斗卫星定位编码器型号基本信息。

       (3)温湿度传感器:温湿度传感器用于实时监控仓内的温湿度数据,并将数据传输给远程监控终端或智能终端。根据需求,远程监控终端或智能终端可以调节恒温恒湿一体机的工作。

       (4)全景摄像头:按照仓内分布情况进行安装,用于实时监控、拍照并将监控图像实时传输至远程监控终端或智能终端。

       3.货物信息模块

       该模块用于接收货物的入库、出库信息,包括货物的二维码和带定位信息的仓位二维码。完成入库信息的记录,操作员使用扫码枪扫描货物二维码,将货物的二维码与货物放置位置上带有定位信息的仓位二维码进行绑定,并将存放位置的信息发送至智能终端。在货物出库时,使用扫码枪扫描仓位二维码并取出货物。扫描货物二维码进行出库操作,并将扫描信息上传至智能终端。智能终端会将扫描信息与入库时记录的货物位置信息进行对比,通过算法判断货物在仓储过程中是否被移动或调换,并将出库信息上传到远程监控终端。

       4.远程监控终端与智能终端

      远程监控终端用于接收物联网模块的数据和北斗卫星定位编码器的定位信息,并向物联网模块和北斗卫星定位编码器发送指令。智能终端将物联网模块的数据、出入库信息以及北斗卫星定位编码器的定位信息进行集中收集、备份和处理。通过HTTPS协议,将物联网模块的数据、出入库信息以及北斗卫星定位编码器的定位信息上传至远程监控终端。设置应用程序定时对智能终端备份数据和远程监控终端的数据进行校验,以核对备份数据和上传至远程监控终端的数据是否一致。系统提供的智能终端数据、远程监控终端数据以及人工校验数据三种数据存储的方式,可确保数据的真实性。

       5.货架

       货架被安装于虚实孪生实体仓储内,每个货架每个仓位都包含一个带定位信息的仓位二维码和仓位编号。货物二维码与货物所放入的带定位信息的仓位二维码进行绑定,绑定信息包括货物位置和仓位空缺状态信息。能够实时监控货物的出入库状态,并通过物联网显示器和远程监控终端实时显示绑定信息,让仓库管理员实时掌握虚实孪生实体仓储内货物的储量和存储情况。对货物位置进行全流程监控,进一步确保货物存储的安全性。

二、虚实孪生仓储系统应用实施流程

       下面以中药材(金银花)为例,对虚实孪生仓储系统进行应用实施验证。

       1.虚实孪生实体仓储试验区和应用要求

       中药材是指用于制作中药的原材料,它们需要在适当的环境下存储才能保证药效和安全。金银花是一种对仓储条件要求较高的中药材,存储条件对其质量有着重要的影响。

      (1)温度控制:金银花的存储温度一般不宜过高,适宜在10℃~20℃左右,以防止金银花变质。

      (2)湿度控制:金银花的存储湿度也不宜过高,适宜在40%~60%左右,以防止金银花生霉变质。

       (3)维护空气流通:金银花需要良好的空气流通,防止湿气堆积造成变质,仓储试验区需要维护良好的空气流通环境。

       (4)光照控制:金银花敏感光照,仓储试验区需要通过遮光措施来控制光照,应该在阴暗干燥的环境中存储,避免长时间的紫外线照射。

       (5)维护清洁:金银花的存储环境需要保证清洁,以防止金银花被细菌污染变质。

       (6)数字认证:入仓前需要完成对金银花产品的数字认证,生成数字认证二维码。

       2.试验区应用实施

       (1)虚实孪生实体仓储检查

       进入虚实孪生实体仓储,通过远程监控终端或智能终端识别北斗卫星定位编码器状态。如果北斗卫星定位编码器在线且未移动超出使用范围,它会识别物联网模块未发生移动。因此,远程监控终端或智能终端可以控制门的开启。如果北斗卫星定位编码器识别到物联网模块和虚实孪生实体仓储发生移动,远程监控终端或智能终端会发送指令将密码门锁死。

       (2)金银花入仓操作

       进行金银花入库操作,操作流程见图2,首先使用扫描枪扫描金银花包装上的数字认证二维码,获取产品信息。对核对信息和产品是否相符进行检查,确认包装是否完好,密封是否完整。确认无误后,记录入库信息并将货物二维码与货物所放入带定位信息的仓位二维码进行绑定。上传绑定信息至智能终端,数据到达服务器后进行区块链上链。上链成功后,服务器会返回关联成功的信息,这表示入库已成功完成。

图2入仓流程图

       (3)虚实孪生实体仓储存储实时监控

       在金银花存储过程中,全景摄像头实时监控仓内外状态。北斗卫星定位编码器对仓库和物联网模块的位置移动进行监控,通过显示屏和远程监控终端实时查看监控内容和状态。温湿度传感器监测仓内温湿度数据(见图3),并将数据上传至远程监控终端或智能终端。远程监控终端或智能终端根据要求对比上传的温湿度数据,控制恒温恒湿一体机的运行。各种传感器数据上传到服务器后,将进行统一的区块链上链操作。如果有任何异常情况发生,系统将及时向仓库管理员和客户终端推送信息。

       (4)金银花出仓操作

       进行金银花出库操作,操作流程见图4,先扫描该产品存储的仓位二维码和产品二维码,并记录出库信息。将出库的金银花产品所在仓位信息上传至智能终端。智能终端与入库时记录的货物存储仓位进行比对,若一致,则执行同仓位的解绑操作,出仓成功。若不一致,则智能终端传输该信息至远程监控终端,并突出显示,出仓失败。

       3.试验区应用效果

       《中药材贮存通则》团体标准T/CATCM 001-2018对金银花的储存和养护提出了严格要求。这些要求包括储存干燥、密封保存、避免阳光直射、防虫处理、避免潮湿环境以及定期检查和更换等六个方面。为了确保金银花的储存质量,一般建议将其储存在温度介于10℃至20℃的环境中,湿度则应控制在50%至60%的范围内。

       在云南潮湿环境,湿度控制尤为关键。若未使用北斗定位的虚实孪生仓储系统,企业需人工定期检查并调整温湿度参数,如控制进风量、使用除湿机或空调等,以确保温湿度等指标在标准范围内。否则,未能及时调整可能导致金银花的储存损耗高达10%以上。同时,无法保证高品质金银花的真实性,可能导致消费者对产品信任度下降。

       在使用北斗定位的虚实孪生仓储系统后,可以预设温湿度参数并符合存储标准。一旦环境参数异常,系统将自动调整并提醒仓管员进行监督查看,确保环境和质量的稳定性,将金银花的储存损耗降至1%以内。此举可降低企业的存储成本,同时确保高品质金银花的真实性,杜绝调包现象。这将增强消费者对企业的信任感,提高仓储效率,降低消费者的购买成本。

三、结语

       采用北斗卫星定位编码器技术生成虚实孪生实体仓储位置编码,可实时监控金银花是否发生移动,确保金银花储存的安全性。同时,将物联网模块与北斗卫星定位编码器进行绑定,监控物联网模块是否发生移动,防止物联网模块被调换,确保监控系统的稳定性和可靠性。

       此外,还采用货物信息模块监控金银花的储存情况,并通过金银花的二维码和带定位信息的仓位二维码生成金银花产品位置信息。在每次入库和出库操作完成后,将产品所放仓位的位置信息与入库时记录的位置信息进行对比,判断货物在存储过程中是否发生了移动或调包。这样就能够更加全面地监控货物的储存情况,提高存储安全性。

       使用智能终端接收和处理北斗卫星定位编码器、物联网模块和货物信息模块的信息,在发送数据到远程监控终端的同时,智能终端还会自动进行数据备份,并通过跑批程序校验备份数据和上传到远程监控终端的数据,以进一步确保数据真实性和增加货物存储的可靠性。

       基于北斗定位的虚实孪生仓储系统,保证了存储产品的存储质量和真实性,随时提供仓储过程数据,并结合区块链技术提供可信赖的支持,使消费者了解产品详细信息,包括生产日期、批号等,增加产品的透明度,提高品牌信任度,改善购物体验,进一步提升消费者购买欲望,增强企业效益和竞争力。

       基金项目:

       1.云南省科技计划项目《地理标志农产品关键技术研究与应用》(202102AE090051)

       2.昆明市国际(对外)科技合作基地项目《昆明市南亚东南亚北斗应用研发中心》(GHJD-2021019)

参考文献:

       [1] 姜大立,林萍,胡瑞鹤.面向智能制造的数字仓储系统设计[J].包装工程.2021,(5):255-260.

       [2] 徐寅初.基于物联网技术的仓储管理系统设计[J].新型工业化.2020,(1):110-113.

       [3] 张建辉,毛丽平.智能机器人仓储物流系统的设计与实现[J].中国航务周刊.2022,(39):51-53. 

       [4] 朱长宁.基于可追溯系统的生鲜农产品供应链协调机制研究[J].农村经济.2015,(6):106-109.

       [5] 刘军,赵东杰,徐燕.基于物联网的仓储管控一体化系统实现路径[J].中国流通经济.2018,(7):20-26.

       [6] 龚强,陈丰.供应链可追溯性对食品安全和上下游企业利润的影响[J].南开经济研究.2012,(6):30-48.

       [7] 王磊.智能物资仓储管理系统解决方案[J].中国设备工程.2022,(S2):101-104. 

       [8] 吴林海,王淑娴,徐玲玲.可追溯食品市场消费需求研究——以可追溯猪肉为例[J].公共管理学报.2013,(3):119-128.
责任编辑:李瑶嘉
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