CN115712251A - 基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统及方法，包括传感装置、中间件、移动通信网络/Internet、数字孪生构建模块、动态仿真优化模块、促动装置以及数据库。其中，传感装置包含温湿度传感器、安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁以及近红外光谱仪；数字孪生构建模块基于本体物理设计模型和生鲜食品质量模型对所采集数据进行拟合，建立数字孪生模型；动态仿真优化模块根据数字孪生模型进行动态仿真，模拟应用场景、优化干预方案；促动装置根据干预方案智能控制可充气气泡壁调节阀以及温湿度控制器。本发明能够有效解决生鲜食品运输过程中与运输包装装置碰撞以及内部积堆呼吸热导致的食品腐坏等问题，进而提高社会经济效益。

Description

基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统及方法。主要涉及生鲜食品运输包装领域，利用近红外检测技术实现生鲜食品耗损数据实时采集，运用包含传感-虚拟实体构建-动态仿真优化-促动循环流程的数字孪生技术实现对生鲜食品运输包装装置的智能控制，为解决生鲜食品运输过程中与运输包装装置碰撞以及内部积堆呼吸热导致的食品腐坏等问题提供一种可行有效的技术支持。

背景技术

生鲜食品在人们生活中具有重要的地位，其中城市生鲜食品供应被称为“菜篮子”工程，其实施成效极大地影响着人们生活质量以及社会经济效益。生鲜食品具有鲜活易腐、不耐贮运的特点，其从产地到城市的运输过程中存在大量腐坏。究其原因，一方面，生鲜食品运输环境温度过高，造成腐坏。冷链物流的广泛应用在一定程度上解决了这一问题，但是生鲜食品积堆内部的呼吸热仍会引起腐坏。另一方面，生鲜食品在运输过程中和运输包装设备碰撞，此类机械损伤将引起耗损，这一问题仍未得到重视与解决。此外，不同品类生鲜食品的温湿度和防碰撞要求不同，现有运输包装设备仍不能满足智能控制这一需求。

本发明基于近红外检测和数字孪生技术设计生鲜食品运输包装装置并构建智能控制系统及方法。介于可见光和中红外光之间的电磁波谱被称为近红外光谱。近红外光谱技术测试校正集样本的近红外光谱，通过校正模型的建立实现对未知样本的定性或定量分析。近红外光谱技术可用于分析食品内部品质，具有无损检测、分析速度快、分析效率高等优点。数字孪生技术指的是将物理实体数字化、在计算机虚拟空间建立数字孪生体，继而通过交互映射，对物理实体进行诊断、预测和干预。数字孪生技术可实现实时感知、数字复现、动态仿真以及智能控制，将广泛应用于设备管理、智能制造、智慧城市等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装装置及其智能控制系统及方法。利用近红外检测技术实现生鲜食品耗损数据实时采集，运用数字孪生技术打造传感-虚拟实体构建-动态仿真优化-促动的循环，可实现运输包装装置的智能控制，进而有效解决生鲜食品运输过程中与运输包装装置碰撞以及内部积堆呼吸热导致的食品腐坏等问题。

所述基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装装置及其智能控制系统，包括传感装置、中间件、移动通信网络/Internet、数字孪生构建模块、动态仿真优化模块、促动装置以及数据库。

所述传感装置用于实时采集生鲜食品积堆内部温湿度数据、底部以及四壁的压力数据，以及耗损数据；所述传感装置将所采集数据通过移动通信网络/Internet 传送至中间件；所述中间件用于构建生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并基于数字孪生模型进行仿真验证和干预方案生成，然后将干预方案通过移动通信网络/Internet传送至促动装置，并存储至数据库；所述数字孪生构建模块基于本体物理设计模型以及生鲜食品质量模型，对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至所述中间件；所述动态仿真优化模块根据生鲜食品运输包装装置数字孪生模型进行动态仿真，模拟各种应用场景、优化干预方案，并返回至所述中间件；所述促动装置接收促动装置干预方案，根据干预方案智能控制所述传感装置。

进一步的：所述传感装置包含温湿度传感器、安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁以及近红外光谱仪；温湿度传感器通过吊挂杆管悬挂于生鲜食品运输包装装置中间，实时采集生鲜食品积堆内部温湿度数据；安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁分布于生鲜食品运输包装装置底部以及四壁，实时采集压力数据；近红外光谱仪安装于生鲜食品运输包装装置顶部，实时扫描生鲜食品并生成生鲜食品耗损数据。

进一步的：所述中间件包含任务管理器、数据接口、建模模块接口以及仿真模块接口；任务管理器调动数字孪生构建模块，利用传感装置所采集数据，构建生鲜食品运输包装装置数字孪生模型；并基于数字孪生模型进行仿真验证和干预方案生成；通过数据接口，传感装置将所采集数据传送至任务管理器，任务管理器将干预方案传送至促动装置，并存储至数据库；建模模块接口为任务管理器和数字孪生构建模块提供接口；仿真模块接口为任务管理器和动态仿真优化模块提供接口。

进一步的：所述数字孪生构建模块基于本体物理设计模型以及生鲜食品质量模型，对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至任务管理器；本体物理设计模型指的是生鲜食品运输包装装置的外部形状、内部结构、物理性质的形式化表达方式；生鲜食品质量模型为各类生鲜食品的耗损程度与环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力之间关系的形式化表达方式。

进一步的：所述动态仿真优化模块根据生鲜食品运输包装装置数字孪生模型进行动态仿真，模拟各种应用场景、优化干预方案，并返回至任务管理器；应用场景模拟指的是通过调整温湿度以及压力参数测试干预方案的实施效果；优化干预方案指的是以生鲜食品耗损程度最小化为目标，确定温湿度以及压力参数的最佳组合，并生成促动装置干预方案。

进一步的：所述促动装置通过移动通信网络/Internet接收促动装置干预方案。

本发明提供一种生鲜食品运输包装方法，包括如下步骤：

(1)进行运输预准备；运输方将特定品类生鲜食品装入运输包装装置，根据特定摆放规则将多个运输包装装置堆叠于冷链集装箱内部。

(2)开始运输，进入运输状态；

(3)启动传感装置，进入传感状态；温湿度传感器和柔性薄膜压力传感器实时采集温湿度以及压力数据，近红外光谱仪实时扫描并生成生鲜食品耗损数据，以上数据无线传输至任务管理器；

(4)任务管理器调动数字孪生构建模块；基于运输包装装置的本体物理设计模型以及所运输生鲜食品所对应的生鲜食品质量模型，并对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至任务管理器；

(5)任务管理器调动动态仿真优化模块；根据所生成的数字孪生模型，输入不同的环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力的参数组合，进行动态仿真；比较该最优参数组合与生鲜食品运输包装装置的当前环境温湿度、接触面压力数据，生成促动装置干预方案，并返回至任务管理器；

(6)启动促动装置，实施干预方案，进入智能控制状态；任务管理器无线传输干预方案至促动装置，根据干预方案智能控制可充气气泡壁调节阀以及温湿度控制器；

(7)判断运输是否结束；若运输未结束，进入步骤(3)，进行循环；若运输结束，终止生鲜食品运输包装装置智能控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

基于近红外检测和数字孪生技术，设计具有实时传感和精准促动功能的生鲜食品运输包装装置，构建包含传感-虚拟实体构建-动态仿真优化-促动循环流程的生鲜食品运输包装装置智能控制系统，有效解决生鲜食品运输过程中与运输包装装置碰撞以及内部积堆呼吸热导致的食品腐坏等问题，减少生鲜食品耗损、提升消费者购买体验，进而提高社会经济效益。

附图说明

图1为基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统的功能结构图；

图2为基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统示意图；

图3为基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统的运作流程图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统包括传感装置、中间件、移动通信网络/Internet、数字孪生构建模块、动态仿真优化模块、促动装置以及数据库。

a)所述传感装置包含温湿度传感器、安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁以及近红外光谱仪。温湿度传感器通过吊挂杆管悬挂于生鲜食品运输包装装置中间，实时采集生鲜食品积堆内部温湿度数据。安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁分布于生鲜食品运输包装装置底部以及四壁，实时采集压力数据。近红外光谱仪安装于生鲜食品运输包装装置顶部，实时扫描生鲜食品并生成生鲜食品耗损数据。传感装置将所采集数据通过移动通信网络/Internet传送至中间件。

b)所述中间件包含任务管理器、数据接口、建模模块接口以及仿真模块接口。任务管理器调动数字孪生构建模块，利用传感装置所采集数据，构建生鲜食品运输包装装置数字孪生模型；并基于数字孪生模型进行应用场景模拟和干预方案生成。通过数据接口，传感装置将所采集数据传送至任务管理器，任务管理器将干预方案传送至促动装置，并存储至数据库。建模模块接口为任务管理器和数字孪生构建模块提供接口。仿真模块接口为任务管理器和动态仿真优化模块提供接口。

c)所述移动通信网络/Internet用于传感装置向任务管理器传送所采集数据，也用于任务管理器向促动装置传送干预方案。

d)所述数字孪生构建模块基于本体物理设计模型(综合生鲜食品运输包装装置的外部形状、内部结构、物理性质等特征的多维可视化表达)以及生鲜食品质量模型(各类生鲜食品的耗损程度与环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力之间关系的数学表达式)，对生鲜食品运输包装装置实测内外部尺寸数据和所采集环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力数据进行拟合，建立包含物理实体、虚拟实体和实体间链接的生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，最终返回至任务管理器。

e)所述动态仿真优化模块根据各种实际运输场景，确定其所运输产品的温湿度、运输时长等运输要求；在计算机端调整环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力等参数的组合，代入生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，模拟实际运输效果；构建以生鲜食品耗损程度最小化为目标以及以环境温湿度、接触面压力参数的可调整范围为约束条件的数学规划模型，通过模型求解确定温湿度以及压力参数的最优组合；比较该最优参数组合与生鲜食品运输包装装置的当前环境温湿度、接触面压力数据，生成促动装置干预方案(若某参数高于最优值，则进行下调干预；若低于最优值，则进行上调干预)；最终返回至任务管理器。

f)所述促动装置通过移动通信网络/Internet接收促动装置干预方案，根据干预方案智能控制可充气气泡壁调节阀以及温湿度控制器(若某参数高于干预方案中的最优值，则进行下调干预；若低于最优值，则进行上调干预)；可充气气泡壁调节阀无线接收任务管理器输出的控制信号，实现不同位置的可充气气泡壁内气压的精准控制；温湿度控制器通过吊挂杆管与外界环境进行气体连接，并无线接收任务管理器输出的控制信号，精准控制生鲜食品运输包装装置中间的温湿度，避免堆积引起的呼吸热对生鲜食品质量造成负面影响。

g)所述数据库用于存储传感装置所采集数据以及促动装置干预方案。

所述基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装装置的外部形状、内部结构以及组成部件包括：

1)生鲜食品运输包装装置外形为长方体，可堆叠摆放于冷链集装箱中。

2)生鲜食品运输包装装置底部及四壁分布着安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁。柔性薄膜压力传感器实时采集压力数据。可充气气泡壁包含调节阀阀体，通过无线接收任务管理器输出的控制信号，可实现不同位置的可充气气泡壁内气压的精准控制。

3)生鲜食品运输包装装置顶部正中心安装近红外光谱仪以及吊挂杆管固定装置。近红外光谱仪实时扫描生鲜食品并生成生鲜食品耗损数据。吊挂杆管固定装置用于安装吊挂杆管。

4)生鲜食品运输包装装置中间通过吊挂杆管悬挂温湿度传感器和温湿度控制器。温湿度传感器实时采集生鲜食品积堆内部温湿度数据。温湿度控制器通过吊挂杆管与外界环境进行气体连接，并无线接收任务管理器输出的控制信号，精准控制生鲜食品运输包装装置中间的温湿度，避免堆积引起的呼吸热对生鲜食品质量造成负面影响。

下面结合附图对本发明的实施作如下详述，如图3基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统的运作流程图所示：

(1)进行运输预准备。运输方将特定品类生鲜食品(例如水蜜桃)装入运输包装装置，根据特定摆放规则(例如堆叠)将多个运输包装装置放置于冷链集装箱内部。

(2)开始运输，进入运输状态。

(3)启动传感装置，进入传感状态。温湿度传感器和柔性薄膜压力传感器实时采集温湿度以及压力数据，近红外光谱仪实时扫描并生成生鲜食品耗损数据，以上数据无线传输至任务管理器。

(4)任务管理器调动数字孪生构建模块。基于运输包装装置的本体物理设计模型以及所运输生鲜食品所对应的生鲜食品质量模型，并对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至任务管理器。

(5)任务管理器调动动态仿真优化模块。根据所生成的数字孪生模型，输入不同的环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力的参数组合，进行动态仿真；比较该最优参数组合与生鲜食品运输包装装置的当前环境温湿度、接触面压力数据，生成促动装置干预方案(若某参数高于最优值，则进行下调干预；若低于最优值，则进行上调干预)，并返回至任务管理器。

(6)启动促动装置，实施干预方案，进入智能控制状态。任务管理器无线传输干预方案至促动装置，根据干预方案智能控制可充气气泡壁调节阀以及温湿度控制器。

(7)判断运输是否结束。若运输未结束，进入第三步骤，进行循环；若运输结束，终止生鲜食品运输包装装置智能控制。

(8)结束。

Claims (7)

1.一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统，其特征是：包括传感装置、中间件、移动通信网络/Internet、数字孪生构建模块、动态仿真优化模块、促动装置以及数据库；

所述传感装置用于实时采集生鲜食品积堆内部温湿度数据、底部以及四壁的压力数据，以及耗损数据；所述传感装置将所采集数据通过移动通信网络/Internet传送至中间件；所述中间件用于构建生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并基于数字孪生模型进行仿真验证和干预方案生成，然后将干预方案通过移动通信网络/Internet传送至促动装置，并存储至数据库；所述数字孪生构建模块基于本体物理设计模型以及生鲜食品质量模型，对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至所述中间件；所述动态仿真优化模块根据生鲜食品运输包装装置数字孪生模型进行动态仿真，模拟各种应用场景、优化干预方案，并返回至所述中间件；所述促动装置接收促动装置干预方案，根据干预方案智能控制所述传感装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统，其特征是：所述传感装置包含温湿度传感器、安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁以及近红外光谱仪；温湿度传感器通过吊挂杆管悬挂于生鲜食品运输包装装置中间，实时采集生鲜食品积堆内部温湿度数据；安装柔性薄膜压力传感器的可充气气泡壁分布于生鲜食品运输包装装置底部以及四壁，实时采集压力数据；近红外光谱仪安装于生鲜食品运输包装装置顶部，实时扫描生鲜食品并生成生鲜食品耗损数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统，其特征是：所述中间件包含任务管理器、数据接口、建模模块接口以及仿真模块接口；任务管理器调动数字孪生构建模块，利用传感装置所采集数据，构建生鲜食品运输包装装置数字孪生模型；并基于数字孪生模型进行仿真验证和干预方案生成；通过数据接口，传感装置将所采集数据传送至任务管理器，任务管理器将干预方案传送至促动装置，并存储至数据库；建模模块接口为任务管理器和数字孪生构建模块提供接口；仿真模块接口为任务管理器和动态仿真优化模块提供接口。

4.根据权利要求3所述的一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统，其特征是：所述数字孪生构建模块基于本体物理设计模型以及生鲜食品质量模型，对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至任务管理器；本体物理设计模型指的是生鲜食品运输包装装置的外部形状、内部结构、物理性质的形式化表达方式；生鲜食品质量模型为各类生鲜食品的耗损程度与环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力之间关系的形式化表达方式。

5.根据权利要求3所述的一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统，其特征是：所述动态仿真优化模块根据生鲜食品运输包装装置数字孪生模型进行动态仿真，模拟各种应用场景、优化干预方案，并返回至任务管理器；应用场景模拟指的是通过调整温湿度以及压力参数测试干预方案的实施效果；优化干预方案指的是以生鲜食品耗损程度最小化为目标，确定温湿度以及压力参数的最佳组合，并生成促动装置干预方案。

6.根据权利要求1所述的一种基于近红外检测和数字孪生技术的生鲜食品运输包装系统，其特征是：所述促动装置通过移动通信网络/Internet接收促动装置干预方案。

7.基于权利要求1-6任一所述生鲜食品运输包装系统的生鲜食品运输包装方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)进行运输预准备；运输方将特定品类生鲜食品装入运输包装装置，根据特定摆放规则将多个运输包装装置堆叠于冷链集装箱内部；

(2)开始运输，进入运输状态；

(3)启动传感装置，进入传感状态；温湿度传感器和柔性薄膜压力传感器实时采集温湿度以及压力数据，近红外光谱仪实时扫描并生成生鲜食品耗损数据，以上数据无线传输至任务管理器；

(4)任务管理器调动数字孪生构建模块；基于运输包装装置的本体物理设计模型以及所运输生鲜食品所对应的生鲜食品质量模型，并对所采集数据进行拟合，建立生鲜食品运输包装装置数字孪生模型，并返回至任务管理器；

(5)任务管理器调动动态仿真优化模块；根据所生成的数字孪生模型，输入不同的环境温湿度、接触面支撑力以及撞击力的参数组合，进行动态仿真；比较该最优参数组合与生鲜食品运输包装装置的当前环境温湿度、接触面压力数据，生成促动装置干预方案，并返回至任务管理器；

(6)启动促动装置，实施干预方案，进入智能控制状态；任务管理器无线传输干预方案至促动装置，根据干预方案智能控制可充气气泡壁调节阀以及温湿度控制器；

(7)判断运输是否结束；若运输未结束，进入步骤(3)，进行循环；若运输结束，终止生鲜食品运输包装装置智能控制。

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