物流仓储码垛设备数字孪生系统通过对物流仓储全要素物理实体进行数字化建模，可以将物流仓储码垛设备的运行状态、性能参数等信息进行实时监测和分析，为设备的智能化提供有力支持。通过对设备的运行数据进行挖掘和分析，可以为设备的优化改进提供数据支撑，进一步提升设备的智能化水平。
1. 物流仓储码垛设备数字孪生系统架构
物流仓储码垛设备数字孪生系统架构主要包括机械子系统、电气子系统与控制子系统。
1.1 机械子系统
物流仓储码垛设备的机械子系统包括机构、行走机构、机械臂、载货台与提升机构，机械子系统主要功能为实现货物的搬卸。机架的组成有上横架、立柱与下横梁，下横梁作为基座，上方安装有行走机构，通过行走机构实现码垛设备的运行。同时，通过法兰连接立柱，在两侧均配置了导轨，以实现载货台的升降。立柱下方安装了垂直提升机构，利用钢丝绳驱动载货台的纵向运动。立柱上采用法兰上横梁的安装，并配备了靠轮组，从而辅助导向作用。载货台可以实现货物的纵向运输，采用法兰安装的方式在载货台上方安装机械臂，通过机械臂与载货台运动实现货物的抓取与码垛。
1.2 电气子系统
电气子系统包括物流仓储码垛设备的一系列电气设备，包括检测系统、驱动系统与安全保护，检测系统在物流仓储码垛设备中发挥着至关重要的作用，主要包括货物检测系统和位置检测系统，通过高精度的传感器和智能识别技术，检测系统能够准确地识别货物的状态和码垛设备的位置以及运行状态，为设备的正常运行提供可靠保障。驱动系统包括行走驱动系统与提升驱动系统，行走驱动系统确保了码垛设备能够在仓库内灵活移动，而提升驱动系统则使得设备能够轻松完成货物升降、码垛等任务。安全保护系统用于整个系统的安全保护，通过配置多种传感器和安全装置，安全保护系统能够实时监测码垛设备和仓库的环境变化，确保设备和人员的安全。
1.3 控制子系统
控制子系统主要包括PLC控制系统、HMI人机界面与上位机交互，控制子系统是实现物流仓储码垛设备功能的关键，上位机交互将真实码垛场景通过数据处理转换为数字孪生虚拟模型，真实码垛场景包括码垛设备、箱体实体等各类实体设备，通过数据集成与分类，将其转化为物料传输线位置、卡板放置点位置、箱体信息等，从而构建出码垛设备、物料输送机、托盘底座、箱体与托盘等虚拟仿真模型。HMI人机界面可通过可视化辅助服务，获取到虚拟模型驱动，从而实现虚拟码垛场景搭建，可通过观察视角切换、静态碰撞检测实时监测码垛作业情况。PLC控制系统可直接下达对码垛设备的智能化控制指令，通过通信设备将控制指令传输到执行机构。
2. 物流仓储码垛设备数字孪生系统功能
根据码垛设备的智能化作业需求，物流仓储码垛设备数字孪生系统功能主要涵盖数据集成、虚拟作业场景搭建、智能化码垛作业及可视化辅助服务等4部分。
2.1 数据集成功能
通过物联网等传感器设备实时获取各项作业数据，集中上传到数据集成模块。
数据集成模块需要将各项异构数据集成在统一模块中，码垛作业的物理场景信息通过码垛设备操作系统与TCP进行获取与传输，从而为搭建与物理场景映射出的虚拟作业场景提供准确的数据支撑。码垛作业的物理场景信息包括码垛设备（Palletising）、箱体（Box）、卡板（Card）、托盘（Tray），分别记录其模型与坐标位置数据。
2.2 虚拟作业场景搭建
虚拟作业场景搭建模块从数据集成模块中获取到需求数据，构建码垛设备作业的虚拟场景。
虚拟作业场景采用映射方法进行搭建，首先通过建模软件构建虚拟模型X，其为作业场景中的任意实体设备，之后确定不同设备在虚拟空间中的坐标位置，最终对各实体设备在虚拟空间中进行一一映射。这种虚拟作业场景的搭建方式可以更加真实地还原作业现场，使得用户能够感受到仿佛置身于实际的作业场景中，用户可以在虚拟空间中自由移动和操作，从而更加深入地理解和掌握作业流程和技能。
2.3 智能化码垛作业
通过PLC控制系统向码垛设备下达操作数据与特殊指令，驱动码垛设备运动与作业。智能化码垛作业流程如下。
（1）确定模型种类，通过使用先进的图像识别和深度学习技术识别动态数组中的物品信息，包括物品的形状、大小、重量等物理特性，利用分类算法帮助系统自动对物品进行分类，从而确定拿取的物品类型。
（2）物品模型映射，因为码放物品的尺寸信息差异，需要在识别模型基础上获取到箱体数据，系统会根据预设的映射规则对应缩放标准箱体模型，从而完成模型映射。
（3）码垛设备运动，在码垛作业中，码垛设备需要执行一系列运动动作，包括定位、抓取、运输、放置等。通过数字孪生模型和运动规划算法，可以实现对码垛设备运动轨迹和动作的规划和控制。具体来说，采用运动学求逆算法与码垛设备各关节上下阈值参数构建码垛设备物理模型的约束条件。
（4）货品抓取动作可视化，为了方便工作人员对码垛过程的监控，物流仓储码垛设备数字孪生系统会通过可视化界面将货品抓取的动作呈现给操作人员，包括货品的实时位置、抓取和放置的顺序、码放结构的形状等，具体操作为由机械臂模型对箱体模型进行抓取，通过读入Pf的值，系统开始驱动机械臂进行运动，通过货品抓取动作可视化可以帮助操作人员直观地了解码垛过程的状态和进度。
（5）输送与码放动作可视化，通过对夹具状态的定义获取到相关动作参数。在作业执行过程中，可以实时监测输送系统和码放设备的运行状态，并将其反馈到数字孪生模型中。通过可视化界面，操作人员可以清楚地了解输送和码放动作的执行情况，以及作业的进度和效果。
2.4 可视化辅助服务
将碰撞检测结果及其他信息实时反馈给物理空间，物理实体根据反馈信息对码垛设备进行相应控制。
可视化辅助服务主要包括视角切换与碰撞检测两大功能。视角切换是指通过调整虚拟模型的角度和位置，从不同的角度和视点观察码垛设备的运行状态和位置信息。视角切换可以满足不同用户对码垛设备不同码垛作业的观察需求，需要在虚拟作业场景中建造多个虚拟摄像机，通过虚拟摄像机对作业动作进行不同角度的抓取，从而使用户能够全方位地观察码垛设备的运行状态。通过视角切换功能，操作人员可以更直观地了解设备的运行情况，及时发现潜在问题，提高设备的运行效率。同时，视角切换功能还可以支持多用户同时在线观察，方便协同作业和远程维护。碰撞检测是指利用数字孪生技术对码垛设备的运行轨迹进行模拟和预测，及时发现可能发生的碰撞和冲突。碰撞检测功能主要识别码垛设备在虚拟作业场景中与其他物体模型间出现的碰撞现象，一旦检测到碰撞，则立即向物理实体反馈实际碰撞位置，以便控制码垛设备进行路线调整。通过碰撞检测功能，操作人员可以提前采取措施，避免设备损坏和货物损失。同时，碰撞检测功能还可以支持历史数据回溯和分析，帮助企业更好地了解设备运行状况和优化码垛流程。
物流仓储码垛设备数字孪生系统通过将真实作业环境映射得到虚拟作业场景中，可实现对实际作业进行监控及运行数据的分析，一旦发现异常状态及时进行反馈，从而提高设备的智能化作业水平，可以为智能制造提供决策支持，推动智能制造的发展。
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