摘要:針對現(xiàn)代生產(chǎn)物流系統(tǒng)具有離散性、隨機(jī)性的特點(diǎn),以及系統(tǒng)仿真模型場景復(fù)雜的問題,利用系統(tǒng)仿真模型參數(shù)的處理及實(shí)時交互控制的實(shí)現(xiàn)手段,以及虛擬現(xiàn)實(shí)支撐軟件FSS的二次開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化的自動化立體倉庫系統(tǒng)建模和人機(jī)交互控制的仿真過程。

    關(guān)鍵詞:自動化立體倉庫系統(tǒng);FSS;系統(tǒng)仿真;建模

 

    目前,仿真技術(shù)作為分析、研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具,廣泛用于工程領(lǐng)域和非工程領(lǐng)域。仿真可定義為:在全部時間內(nèi),通過對系統(tǒng)動態(tài)模型性能的觀測來求解問題的技術(shù)。對復(fù)雜物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真,其目的是通過仿真了解物料運(yùn)輸、存儲動態(tài)過程的各種統(tǒng)計、動態(tài)性能。如運(yùn)輸設(shè)備的利用率是否合理,運(yùn)輸路線是否通暢,物料流經(jīng)系統(tǒng)的周期是否過長等。但由于現(xiàn)代生產(chǎn)物流系統(tǒng)具有突出的離散性、隨機(jī)性的特點(diǎn),因此人們希望通過對生產(chǎn)物流系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計及仿真的研究,將憑經(jīng)驗的猜測從物流系統(tǒng)設(shè)計中去除,能使物流合理化從而提高企業(yè)生產(chǎn)率。

 

    計算機(jī)輔助仿真是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到足夠定義,并存在描述系統(tǒng)預(yù)期表現(xiàn)的計算方法的情況下,由計算機(jī)推演的分析過程。但傳統(tǒng)的計算機(jī)仿真技術(shù)存在許多不盡人意之處:一是復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型往往涉及許多領(lǐng)域的專門知識,難以建立;二是仿真結(jié)果大多是對系統(tǒng)各種特性的統(tǒng)計數(shù)字,難于理解。由于用戶不了解系統(tǒng)仿真的內(nèi)部機(jī)理,因此仿真結(jié)果也難以贏得用戶的信任。大量事實(shí)證明,人類對基于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。于是隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展,人們希望借助三維虛擬仿真軟件建立物流系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真模型。

 

    1三維虛擬仿真軟件FSS

 

    FSS是目前市面上異軍突起的三維物流仿真軟件[1]。FSS仿真平臺軟件自帶功能強(qiáng)大的物流系統(tǒng)特征模型庫,該模型庫主要包括5個模塊:

 

    (1)FixedResource(固定設(shè)備)包括Source

 

    (物料入)、Queue(隊列)、Processor(處理機(jī))、Sink(物料出)、Combiner(組合器)、Separator(分發(fā)器)、Multiprocessor(多功能處理機(jī))等。

 

    (2)Conveyor(傳送裝置)包括Conveyor(輸送機(jī))、Mergesort(合并排序式輸送機(jī))、FlowNode

 

    (流節(jié)點(diǎn))等。可以設(shè)定系統(tǒng)的速度、加速度、寬度、斜坡等參數(shù)。

 

    (3)MobileResource(移動設(shè)備)包括Dispatcher(分配器)、Operator(操作員)、Transporter(叉車)、Elevator(升降機(jī))、Robot(機(jī)器手)、

 

    Crane(起重機(jī))、AsRsvehicle(AS/RS堆垛機(jī))、

 

    NetworkNode(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))等。通過選取貨架的規(guī)格(巷道數(shù)目、排、層等),定義出入庫的位置,設(shè)定存放貨物的區(qū)域,以及設(shè)定堆垛機(jī)的參數(shù)(速度、加速度、取放貨物時間等),來定義AS/RS系統(tǒng)。

 

    )22)5起重運(yùn)輸機(jī)械62005(7)

 

    (4)Storage(倉存設(shè)備)包括Rack(貨架)、Reservoir(容器庫)等。如果傳遞的物體形態(tài)是液體或氣體,使用Reservoir。

 

    (5)Tools(工具)包括VisualTool(虛擬動畫工具)、Recorder(統(tǒng)計、圖表、文檔輸出)。用戶使用VisualTool可產(chǎn)生二維、三維動畫,可對攝像機(jī)進(jìn)行移動、縮放、旋轉(zhuǎn)。用戶使用Recorder工具可以對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,包括數(shù)據(jù)設(shè)置分析、最合適建議等,并可導(dǎo)入微軟的Excel中的數(shù)據(jù)。可以對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,包括輸出隊列曲線圖、柱狀圖、餅狀圖等,動態(tài)圖表顯示,用戶自定義圖表格式,也可將數(shù)據(jù)輸出到微軟的Excel中。

 

    使用FSS仿真平臺對生產(chǎn)物流過程進(jìn)行仿真的流程[1](見圖1):

 

    圖1基于FSS平臺仿真流程圖

 

    (1)建立三維仿真模型應(yīng)用系統(tǒng)仿真學(xué)理論,根據(jù)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的需求和工藝流程建立系統(tǒng)的計算機(jī)仿真模型,并確立系統(tǒng)基本設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

 

    (2)編寫邏輯控制程序根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程和系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系,以及物料流動過程中設(shè)備處理該物料所需的時間等編寫邏輯控制程序。

 

    (3)運(yùn)行仿真系統(tǒng)根據(jù)物流系統(tǒng)的需求流量,計算出物料出現(xiàn)的時間頻率,把這個頻率值輸入系統(tǒng),即可運(yùn)行此仿真系統(tǒng)。仿真運(yùn)行時間可以根據(jù)實(shí)際物流系統(tǒng)的生產(chǎn)班次,也可按照最大物流量進(jìn)行模擬。

 

    (4)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化根據(jù)流程運(yùn)行結(jié)果分析系統(tǒng)是否存在/瓶頸0,流程是否暢通。根據(jù)最后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,分析物流量能否滿足需求。如果系統(tǒng)運(yùn)行后,結(jié)果有不理想之處,要根據(jù)相應(yīng)的原因,調(diào)整方案或者改變參數(shù),直至滿足物流系統(tǒng)的生產(chǎn)需求。生成三維動畫輸出結(jié)果及仿真報告,提交給生產(chǎn)物流系統(tǒng)的管理者和設(shè)計者,來進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

 

    2基于FSS的自動化立體倉庫仿真系統(tǒng)

 

    211系統(tǒng)仿真建模對物流系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、管理和控制的常用理論和方法有數(shù)學(xué)規(guī)劃法、統(tǒng)籌法、系統(tǒng)優(yōu)化法、系統(tǒng)仿真法。其中系統(tǒng)仿真法因符合人們的思維習(xí)慣,有助于系統(tǒng)分析,對各種復(fù)雜的系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性,有利于解決隨機(jī)因素的影響,可以幫助系統(tǒng)優(yōu)化,近年來應(yīng)用最普遍。系統(tǒng)仿真學(xué)建模就是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、物理模型或數(shù)學(xué)-物理效應(yīng)模型,并在模型上進(jìn)行試驗。基于以上特點(diǎn),Flexsim公司將系統(tǒng)仿真的方法應(yīng)用到虛擬仿真軟件FSS中,用于解決隨機(jī)、離散性事件的仿真和處理。

 

    212自動化立體倉庫仿真系統(tǒng)模型

 

    自動化立體倉庫系統(tǒng)主要包括[5]AS/RS自動存取系統(tǒng)(高層貨架、堆垛機(jī)、出/入庫臺、緩沖站和倉庫周邊輸送設(shè)備),輸送車輛(如自動導(dǎo)引小車和空中單軌自動車),及各種緩沖站(緩沖站是臨時儲存物料,以便交接或移載的裝置)。立體倉庫系統(tǒng)模型見圖2,其中P1:貨箱在出貨臺等待去緩沖站;P2:貨架空,等待入庫,出庫臺空,等待出庫;P3:貨箱在入庫臺等待;P4:入庫臺貨箱被運(yùn)走,等待裝箱;P5:堆垛機(jī)執(zhí)行入庫操作;P6:堆垛機(jī)執(zhí)行出庫操作;P7:堆垛機(jī)空閑,等待執(zhí)行任務(wù);P8:貨箱在貨架中等待出庫。

 

    圖2立體倉庫系統(tǒng)對象模型

 

    如表1所示,自動化立體倉庫仿真系統(tǒng)的基本操作有4種:T1、T2、T3和T4,其中T1:堆垛機(jī)載貨去出貨臺卸貨,T2:堆垛機(jī)去入貨臺取貨,T3:堆垛機(jī)載貨去貨格取貨,T4:堆垛機(jī)從貨格取貨去出貨臺。表2為立體庫系統(tǒng)動態(tài)事件,立體倉庫系統(tǒng)動態(tài)模型見圖3。

 

    213三維實(shí)時交互式虛擬仿真

 

    5起重運(yùn)輸機(jī)械62005(7))23)

 

    由于Flexsim公司的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件FSS提供了與C++軟件的接口,故以C++為支持環(huán)境進(jìn)行二次開發(fā)。根據(jù)自動化立體倉庫中的設(shè)備型號、性能參數(shù),在FSS顯示窗口中建立三維數(shù)據(jù)庫的幾何模型、運(yùn)動學(xué)模型、場景模型。對于我國典型的自動化立體倉庫流程,即基于高層貨架、堆垛機(jī)、輸

 

    表1立體庫對象關(guān)系表

 

    出庫臺入庫臺堆垛機(jī)貨位

 

    出庫臺0

 

    入庫臺0

 

    堆垛機(jī)T1T20T3

 

    貨位T40

 

    表2立體庫系統(tǒng)動態(tài)事件發(fā)生表

 

    前提條件后繼結(jié)果

 

    T1P6P7,P1

 

    T2P3,P7P5

 

    T3P5P4,P7,P8

 

    T4P2,P7,P8P6

 

    圖3立體倉庫系統(tǒng)動態(tài)模型

 

    送系統(tǒng)、叉車的自動化立體倉庫系統(tǒng)工藝方案,通過三維動畫仿真,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化,同時通過人機(jī)交互的控制,可演示整個生產(chǎn)流程以及一些局部工作情況,如某個托盤物流過程是否流暢、車輛數(shù)目及調(diào)度、機(jī)械設(shè)備工作是否協(xié)調(diào)以及統(tǒng)計裝卸一個托盤的真實(shí)時間等等。用C++進(jìn)行二次開發(fā)的自動化立體倉庫仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制,并可對設(shè)備的參數(shù)如機(jī)構(gòu)工作速度進(jìn)行改變,以觀察對貨物流程的影響。通過改變設(shè)備的工作速度,分析對生產(chǎn)率的影響,找出某個工藝流程的瓶頸所在。

 

    在用戶界面窗內(nèi)的參數(shù)控制區(qū)中,可輸入堆垛機(jī)及叉車的工作速度。在控制項目中,可選擇作業(yè)類型,例如相應(yīng)的立體庫作業(yè)過程(如出貨、入貨、裝車等)。

 

    在仿真顯示模式中,FSS軟件平臺可人為控制仿真輸出,實(shí)現(xiàn)實(shí)時、超實(shí)時及欠實(shí)時的仿真顯示。視點(diǎn)控制用于用戶根據(jù)需要在多個范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭以獲得仿真場景的不同部分的視景。該軟件己應(yīng)用于我校工業(yè)工程實(shí)驗室,成為學(xué)生仿真試驗課程的一部分。

 

    3結(jié)論及需進(jìn)一步研究的內(nèi)容

 

    以FSS為平臺的自動化立體庫仿真系統(tǒng)為立體庫的設(shè)計者提供了虛擬設(shè)計工具,可評價其規(guī)劃方案,減少設(shè)計風(fēng)險同時虛擬立體庫的運(yùn)作流程,為管理者提供決策參考依據(jù)。隨著計算機(jī)技術(shù)及自動化技術(shù)的迅速發(fā)展,虛擬企業(yè)、虛擬制造技術(shù)不斷深入,物流仿真系統(tǒng)軟件已經(jīng)成為虛擬制造系統(tǒng)的重要組成部分,以FSS為代表的物流系統(tǒng)仿真軟件將得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

 

    參考文獻(xiàn)

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    3朱衛(wèi)鋒,費(fèi)奇.復(fù)雜物流系統(tǒng)仿真及其研究現(xiàn)狀[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2003,15(3):353)356

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