輔助自動化立體倉庫設計可視化物流仿真

1、輔助自動化立體倉庫設計的可視化物流仿真劉金行 交通運輸規(guī)劃與管理 201摘 要：探討了基于虛擬現(xiàn)實的自動化立體倉庫可視化仿真輔助設計問題。建立了輔助自動化立體倉庫設計的可視化仿真的模型，重點論述了輔助自動化立體倉庫設計的可視化仿真的設計過程，具體包括輔助自動化立體倉庫的設計流程，仿真模型中實體、屬性、事件與策略等四要素的建立以及仿真時鐘推進機制的設計，最后以某公司自動化立體倉庫設計方案為例，使用該仿真輔助設計對方案進行優(yōu)化調整，并從實際結果中得到了有效性的驗證。關鍵詞：輔助設計；自動化立體倉庫；可視化物流仿真1 引言隨著物流行業(yè)生產自動化水平的不斷提高，生產系統(tǒng)越來越復雜，生產節(jié)奏越來越快，生

2、產管理者對生產改進的每一決策都需謹慎考慮。措施不當，往往需要付出高昂的代價。而正是由于系統(tǒng)的復雜性、快節(jié)奏和柔性，要想預測每一個決策給系統(tǒng)帶來的后果，已經是人的大腦無法完全勝任的了。計算機仿真技術彌補了這一不足，成為自動化物流系統(tǒng)管理者的有用工具，成為生產系統(tǒng)規(guī)劃設計人員的得力助手。目前，對自動化立體倉庫的輔助設計方面的研究主要集中在參數(shù)優(yōu)化選擇方面，關宏、苑韜等(2004)以斯麥霍夫的模型為基礎，采用以堆垛機使用效率為目標函數(shù)提出了貨架最佳高度和長度。周奇才(1999)、劉昌祺(2004)等也以斯麥霍夫的模型為基礎做了若干改進，但總體并沒有脫離斯麥霍夫的連續(xù)函數(shù)模型。對庫容設計則主要針對油庫

3、、氣庫以及水庫，涉及自動化立體倉庫較少。在物流仿真方面，可視化仿真技術目前已經成為主流趨勢，分為半物理實現(xiàn)和計算機仿真兩種。任浩、譚慶平(2000)提出一種新型的Web環(huán)境下3D交互仿真結構，并使用了JAVA配合VRML語言工具，建立了虛擬裝配的環(huán)境，這一方面的研究還有高欽和、成曙(2001)等。計算機可視化仿真的實現(xiàn)多為采取編程工具自行開發(fā)設計，針對性較強，而通用性、代碼重用性和功能上相比國外軟件偏弱。2 自動化立體倉庫的輔助設計流程從庫存風險管理的角度出發(fā)，改進德國弗勞恩霍夫物流研究院Requirement Estimation Approach經驗模型，引入定量方法，使設計流程適合中國的

4、情況。圖1是設計流程。預測存儲需求量計算通過該倉庫的年貨物量確定產業(yè)貨物周轉次數(shù)選擇寬放比例確定庫存策略庫存風險計算總體倉儲庫容能力圖1 倉儲庫容能力設計流程流程從預測部分開始，首先通過對宏觀經濟因素的回歸分析，得到企業(yè)的年存儲需求量，然后從物流交換量角度，通過經驗系數(shù)確定通過該倉庫的年貨物量。通過對企業(yè)生產周轉次數(shù)調研，并通過寬放比例的修正，得到自動化立體倉庫庫容量大致范圍，最后確定庫存策略，將三類風險加以綜合考慮，建立庫容計算模型，確定容量大小。采用自底向上的方式對自動化立體倉庫設計流程加以改進，整體流程為收集研究原始資料，定義物流需求特征，包括貨物到來的時間特征、數(shù)量特征、質量特征和其他

5、特征，根據以上特征選擇托盤材料和類型，進而確定貨位個數(shù)和貨架結構，選擇配套的搬運機械設備，與機械設備適合的巷道形狀和長寬度，選擇倉庫內的布局，最后模擬整個儲存系統(tǒng)。如圖2所示。確定貨物特征確定托盤類型確定貨位數(shù)量搬運設備先型巷道 形狀設計整體布局設計 方案模擬圖2 自底向上的倉庫設計流程倉庫參數(shù)的確定在自動化立體倉庫設計流程中起著至關重要的作用，根據最優(yōu)參數(shù)設計出來的合理倉庫布局可以使企業(yè)的生產物流更合理化，避免空間的浪費，滿足倉庫出入庫能力要求，同時又降低了自動化立體倉庫的造價。由于倉庫有眾多參數(shù)需要確定，同時參數(shù)之間又存在相互影響的關系，因此需要使用仿真的方法來輔助倉庫的設計。3 可視化仿

6、真方法與軟件3.1 可視化仿真技術可視化仿真系統(tǒng)以數(shù)學建模方法為基礎，配合使用仿真計算引擎，以三維動態(tài)演示技術設計系統(tǒng)的輸入輸出界面，為模擬復雜系統(tǒng)提供了有力的計算與分析工具。將仿真結果以圖像形式輸出，提供了更多的信息細節(jié)并得到直觀結果，是可視化仿真的最大優(yōu)勢。從組成來看，可視化仿真技術包括兩方面：一是將仿真計算中產生的結果轉換為圖形或影像形式輸出；二是仿真的人機交互界面可視化。隨著技術發(fā)展，對可視化仿真技術的實時性要求更加嚴格，要求不僅能夠實時跟蹤顯示仿真計算結果，而且要求能夠對仿真過程進行實時干預，實現(xiàn)過程交互中的可視化。目前國內外對可視化仿真技術在自動化立體倉庫中的研究與應用尚處于起步階

7、段，從實現(xiàn)層面來看，可視化仿真技術分為物理實現(xiàn)和計算機實現(xiàn)。前者通過建立實際的物理模型，得到視覺直觀的仿真結果，后者則通過計算機圖形工具和軟件，建立虛擬平面圖形或三維立體影象，并通過仿真運算后，將結果以影像形式輸出。3.2 各類可視化仿真軟件的比較OR/MS Today在August 2003發(fā)布的SimulationSoftware Survey中，對以下在中國物流行業(yè)普遍使用一些國外物流仿真軟件作了性能比較。表1 各類主流仿真軟件性能比較軟件名稱優(yōu)化代碼重用性模型便利支持建模動畫實時觀測專家動畫Any-LogicYYYNYYYAuto-ModYYYNYYYExtend IndustryYY

8、YNYYNEM-PlantYYYYYYYFactory-ExplorerNYYYNNNExtend SuiteYYYNYYYFlex-simYYYNYYYPro-ModeYYYYYYNFlex-sim Software Products公司是仿真軟件方面的資深公司，近年推出面向對象的仿真建模工具Flex-sim，在圖形建模環(huán)境中集成了C+IDE和編譯器，不再需要動態(tài)鏈接庫和用戶定義變量的復雜鏈接。Flex-sim主要用于建模、仿真以及實現(xiàn)業(yè)務流程可視化。(1)深層開發(fā)對象。對象代表活動和排序過程，可以創(chuàng)建、刪除，而且可以彼此嵌套移動，有自己的功能或繼承來自其他對象的功能，可以快速、輕易、高效描

9、述制造業(yè)、物料處理和業(yè)務流程的主要特征。(2)層次結構。Flex-sim可以使模型構造更具有層次結構。在組建客戶對象的時候，每一組件都使用了繼承的方法，可以節(jié)省開發(fā)時間。(3)用戶化。Flex-sim有更多的用戶化設定。軟件是開放式的，可以在對象中根據需要改變已經存在的代碼，創(chuàng)建全新的對象。(4)可移植性。由于對象開放，對象可以在不同的用戶、庫和模型之間進行交換，同時對象的高度可自定義性，大大提高了建模的速度。用戶化和可移植性擴展了對象和模型的生命周期。(5)可視化。Flex-sim可以直接導入3DS(3D Studio)、VRML、3D DXF和STL等類型文件，內置VR瀏覽窗口，可以添加光

10、源、霧化等效果。AVI文件可以通過Flex-sim的AVI錄制器快速生成。任何模型都能被錄制、拷貝到CD，以及實時查看。4 自動化立體倉庫物流建模與仿真4.1 模型的實體與事件實體為自動化立體倉庫輔助仿真中的主要組成部分，分為臨時實體和永久實體。定義臨時實體為自動化立體倉庫的活動部分，它在某時刻到達并進入系統(tǒng)，在系統(tǒng)中停留一段時間并與其它實體發(fā)生作用后離開系統(tǒng)，具有生命周期。定義永久實體為自動化立體倉庫中固定的部分，它永久停留在系統(tǒng)中。整個仿真系統(tǒng)中臨時實體的到達和離開及實體之間的相互作用促使系統(tǒng)的內部狀態(tài)發(fā)生變化。定義實體具有屬性，在自動化立體倉庫中事件的發(fā)生將導致實體屬性的改變。實體與實體

11、屬性列于表2。表2 模型中的實體與實體屬性實體實 體 屬 性出庫站臺3維坐標、最大容量、交貨批次、上游實體、下游實體入庫站臺3維坐標、最大容量、交貨批次、上游實體、下游實體堆垛機/叉車最大載貨量、最大速度(水平行走)、加速度(水平行走)、減速度(水平行走)、卸貨時間、裝貨時間、垂直升降速度(設為均勻速度)、出入庫一次的電力消耗、上游實體、下游實體傳送帶傳送速度、最大容量、傳送節(jié)拍成批單個、長度、3維坐標、支撐腿數(shù)量、仰角、上游實體、下游實體貨物貨物種類、到貨時間、到貨數(shù)量、當前所屬實體、未來所屬實體消息發(fā)出者、接收者、發(fā)出時間、有效時間、時滯、數(shù)據類型(字符、字符串、布爾)托盤最大容量、是否可

12、用、源頭、目的地、當前所屬實體貨架最大容量、單位貨位最大容量、水平貨位數(shù)目(貨架列數(shù))、垂直貨位數(shù)目(貨架行數(shù))、貨架高度、貨架寬度、貨架長度、貨位高度、貨位寬度、3維坐標、上游實體、下游實體訂單到達時間、有效時間、訂貨種類、訂貨數(shù)量表3 實體與實體事件對應關系實體實 體 的 事 件貨架重置、接收消息、貨物進入、貨物離開、喚醒傳送帶重置、接收消息、貨物進入、貨物離開、貨物的傳送帶末端站臺重置、接收消息、貨物進入、貨物離開、貨物收集結束(收集完一個批次的貨物)貨物入庫(增加庫存)、出庫(減少庫存)訂單到來(訂單隊列增長)、完成(訂單隊列縮短)、離去(訂單隊列縮短，有損失)堆垛機重置、裝貨、卸貨、

13、接收消息消息產生、發(fā)送、接受定義事件為引起自動化立體倉庫狀態(tài)發(fā)生變化的行為。只有在事件的作用下，自動化立體倉庫的狀態(tài)才會發(fā)生變化。系統(tǒng)的狀態(tài)定義為系統(tǒng)內實體的數(shù)目，以及實體屬性的變化。而當事件發(fā)生時，總會引起自動化立體倉庫的狀態(tài)發(fā)生變化。4.2 策略設計與仿真事件調度策略定義了事件優(yōu)先發(fā)生、實體的優(yōu)先服務和選擇實體中使用的原則，規(guī)定了事件發(fā)生的先后順序。在自動化立體倉庫中，具體設計有以下的公共調度策略：(1)尋找下游實體中第一個空閑的實體，如果都不空閑，則尋找第一個實體。(2)只選第一個下游實體。(3)尋找離目標實體最近的下游實體。(4)尋找任務隊列最短的實體。(5)任務以隨機形式統(tǒng)一分配給下

14、游實體。4.3業(yè)務流程出入庫作業(yè)是流通流域在倉庫內的主要活動，由進貨、驗收、拆包、上架、下架、揀貨、檢查、打包等作業(yè)環(huán)節(jié)組成。從公司經營角度考慮，出入庫作業(yè)向前與采購、加工等活動銜接，向后與分揀、配送等業(yè)務關聯(lián)，是流通加工中不可缺少的流程。對于出入庫作業(yè)頻繁的自動化立體倉庫，出庫流程與入庫流程相互分離，不共用物流通道以免引起流程之間沖突。4.4 仿真時鐘仿真時鐘用于設置系統(tǒng)仿真的時間變量。仿真計算的過程就是由當前仿真時刻系統(tǒng)的狀態(tài)推算出下一仿真時刻系統(tǒng)的狀態(tài)。定義仿真步長為仿真時鐘推進的時間間隔。在自動化立體倉庫的輔助仿真設計當中，兩個相鄰發(fā)生的事件之間系統(tǒng)狀態(tài)不會發(fā)生任何變化，因而仿真時鐘可

15、以跳過這段時間，從上一事件發(fā)生時刻推進到下一事件發(fā)生時刻，因此仿真時鐘的推進步長是隨機的。4.5 仿真過程的設計自動化立體倉庫的工作流程為，模型初始化后檢查庫存是否滿足需求，滿足則開始創(chuàng)建定單并進行出庫操作，出庫作業(yè)的流程為堆垛機從貨架上取出貨物，放在站臺上，由傳送帶取走貨物并將多個貨物流合并為一個貨物流，最后在出庫站臺中集合并發(fā)送裝車。當檢查庫存滿足最低訂貨點的時候，自動化立體倉庫對外發(fā)送消息要求定貨，入庫操作為到來的貨物卸在入庫站臺上并等候處理，然后由入庫站臺發(fā)送給分選系統(tǒng)，將不同的貨物分到指定的堆垛機站臺上，并由堆垛機取走放進貨架的指定位置。仿真程序分為參數(shù)輸入和仿真流程控制兩大部分。參

16、數(shù)輸入包括模型參數(shù)和仿真參數(shù)輸入，分別是：初始庫存水平、最大需求量、平均需求時間、需求的分布函數(shù)值、每件訂貨費用、保管費、缺貨損失費、訂貨附加費及仿真運行長度和策略數(shù)等。仿真流程控制部分與單服務排隊系統(tǒng)仿真流程控制基本相同。頂層的仿真流程可表示如圖3。貨物到來排隊搜索叉車搜索貨位搜索路徑路徑先擇策略貨位優(yōu)化策略叉車調度策略排隊策略先后順序指定叉車指定貨位指定路徑圖3 自動化立體倉庫的物流仿真過程初始化子程序除了要將模型中的所有變量進行必要的初始化操作外，還具有仿真啟動的功能。按照訂貨策略，將第4類事件(訂貨事件)安排為系統(tǒng)的第一個事件(置該事件發(fā)生時間等于初始仿真時鐘)，并將第1類事件(貨物入

17、庫事件)的發(fā)生時間安排為無窮大。這是因為月初應進行庫存計算，以決定本月是否需要訂貨。而貨物入庫事件不可能發(fā)生在尚未確定是否訂貨的開始時間。5 仿真結論建立了自動化立體倉庫的仿真輔助設計模型，在給定物流需求函數(shù)的特征前提下，假定不允許缺貨情況的出現(xiàn)，設計了以服務水平、物流設施設備利用率最大化和自動化立體倉庫總費用最小等目標函數(shù)，采用仿真設計的方法，以自動化立體倉庫中的設施設備數(shù)量，操作規(guī)則為控制變量，建立了自動化立體倉庫物流仿真模型，開發(fā)了相應的仿真軟件，經過多次仿真檢驗后得到最優(yōu)控制變量，并得到相應布局方案。6 結論本文探討了基于虛擬現(xiàn)實的自動化立體倉庫可視化仿真輔助設計，建立了輔助自動化立體

18、倉庫設計的可視化仿真的模型，重點論述了輔助自動化立體倉庫設計的可視化仿真的設計過程，具體包括輔助自動化立體倉庫的設計流程，仿真模型中實體、屬性、事件與策略四大要素的建立以及仿真時鐘的設計，最后以某公司自動化立體倉庫設計方案為例，使用該仿真輔助設計軟件對方案進行優(yōu)化調整，并從實際結果中得到了有效性的驗證。參考文獻：1 斯麥霍夫。自動化倉庫M。北京：機械工業(yè)出版社，1984。2 關宏，苑韜。立體倉庫規(guī)劃設計方法研究J。物流技術，2004，(5)。3 劉昌祺。自動化立體倉庫設計M。北京：機械工業(yè)出版社，2004。4 周奇才。自動化立體倉庫主要參數(shù)優(yōu)化確定J。上海鐵道大學學報，1999，(12)。5 舒萍，樊曉東，劉啟。大慶油區(qū)地下儲氣庫建設設計研究J。天然氣工業(yè)，2001，(4)。6 張紅梅，趙建虎。水庫庫容和淤積量精密測量及計算方法研究J。武漢大學學報，2003，(5)。7 朱正強等?；赩RML2Java的虛擬現(xiàn)實技術在可視化裝配中的應用J。 Journal of Southeast University(NaturalScience Edition)，2002