基于FSS的自动化立体仓库系统建模及三维虚拟仿真

    摘要:针对现代生产物流系统具有离散性、随机性的特点,以及系统仿真模型场景复杂的问题,利用系统仿真模型参数的处理及实时交互控制的实现手段,以及虚拟现实支撑软件FSS的二次开发系统实现了参数化的自动化立体仓库系统建模和人机交互控制的仿真过程。

    关键词:自动化立体仓库系统;FSS;系统仿真;建模

 

    目前,仿真技术作为分析、研究各种复杂系统的重要工具,广泛用于工程领域和非工程领域。仿真可定义为:在全部时间内,通过对系统动态模型性能的观测来求解问题的技术。对复杂物流系统进行仿真,其目的是通过仿真了解物料运输、存储动态过程的各种统计、动态性能。如运输设备的利用率是否合理,运输路线是否通畅,物料流经系统的周期是否过长等。但由于现代生产物流系统具有突出的离散性、随机性的特点,因此人们希望通过对生产物流系统的计算机辅助设计及仿真的研究,将凭经验的猜测从物流系统设计中去除,能使物流合理化从而提高企业生产率。

 

    计算机辅助仿真是在系统结构得到足够定义,并存在描述系统预期表现的计算方法的情况下,由计算机推演的分析过程。但传统的计算机仿真技术存在许多不尽人意之处:一是复杂系统的数学模型往往涉及许多领域的专门知识,难以建立;二是仿真结果大多是对系统各种特性的统计数字,难于理解。由于用户不了解系统仿真的内部机理,因此仿真结果也难以赢得用户的信任。大量事实证明,人类对基于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。于是随着计算机硬件技术的发展,人们希望借助三维虚拟仿真软件建立物流系统的系统仿真模型。

 

    1三维虚拟仿真软件FSS

 

    FSS是目前市面上异军突起的三维物流仿真软件[1]。FSS仿真平台软件自带功能强大的物流系统特征模型库,该模型库主要包括5个模块:

 

    (1)FixedResource(固定设备)包括Source

 

    (物料入)、Queue(队列)、Processor(处理机)、Sink(物料出)、Combiner(组合器)、Separator(分发器)、Multiprocessor(多功能处理机)等。

 

    (2)Conveyor(传送装置)包括Conveyor(输送机)、Mergesort(合并排序式输送机)、FlowNode

 

    (流节点)等。可以设定系统的速度、加速度、宽度、斜坡等参数。

 

    (3)MobileResource(移动设备)包括Dispatcher(分配器)、Operator(操作员)、Transporter(叉车)、Elevator(升降机)、Robot(机器手)、

 

    Crane(起重机)、AsRsvehicle(AS/RS堆垛机)、

 

    NetworkNode(网络节点)等。通过选取货架的规格(巷道数目、排、层等),定义出入库的位置,设定存放货物的区域,以及设定堆垛机的参数(速度、加速度、取放货物时间等),来定义AS/RS系统。

 

    )22)5起重运输机械62005(7)

 

    (4)Storage(仓存设备)包括Rack(货架)、Reservoir(容器库)等。如果传递的物体形态是液体或气体,使用Reservoir。

 

    (5)Tools(工具)包括VisualTool(虚拟动画工具)、Recorder(统计、图表、文档输出)。用户使用VisualTool可产生二维、三维动画,可对摄像机进行移动、缩放、旋转。用户使用Recorder工具可以对输入数据进行分析,包括数据设置分析、最合适建议等,并可导入微软的Excel中的数据。可以对输出数据进行分析,包括输出队列曲线图、柱状图、饼状图等,动态图表显示,用户自定义图表格式,也可将数据输出到微软的Excel中。

 

    使用FSS仿真平台对生产物流过程进行仿真的流程[1](见图1):

 

    图1基于FSS平台仿真流程图

 

    (1)建立三维仿真模型应用系统仿真学理论,根据生产物流系统的需求和工艺流程建立系统的计算机仿真模型,并确立系统基本设备的运行参数。

 

    (2)编写逻辑控制程序根据系统的工艺流程和系统的逻辑控制关系,以及物料流动过程中设备处理该物料所需的时间等编写逻辑控制程序。

 

    (3)运行仿真系统根据物流系统的需求流量,计算出物料出现的时间频率,把这个频率值输入系统,即可运行此仿真系统。仿真运行时间可以根据实际物流系统的生产班次,也可按照最大物流量进行模拟。

 

    (4)对仿真结果进行分析和优化根据流程运行结果分析系统是否存在/瓶颈0,流程是否畅通。根据最后的数据统计结果,分析物流量能否满足需求。如果系统运行后,结果有不理想之处,要根据相应的原因,调整方案或者改变参数,直至满足物流系统的生产需求。生成三维动画输出结果及仿真报告,提交给生产物流系统的管理者和设计者,来进一步优化和完善。

 

    2基于FSS的自动化立体仓库仿真系统

 

    211系统仿真建模对物流系统进行规划、管理和控制的常用理论和方法有数学规划法、统筹法、系统优化法、系统仿真法。其中系统仿真法因符合人们的思维习惯,有助于系统分析,对各种复杂的系统具有较好的适应性,有利于解决随机因素的影响,可以帮助系统优化,近年来应用最普遍。系统仿真学建模就是建立系统的数学模型、物理模型或数学-物理效应模型,并在模型上进行试验。基于以上特点,Flexsim公司将系统仿真的方法应用到虚拟仿真软件FSS中,用于解决随机、离散性事件的仿真和处理。

 

    212自动化立体仓库仿真系统模型

 

    自动化立体仓库系统主要包括[5]AS/RS自动存取系统(高层货架、堆垛机、出/入库台、缓冲站和仓库周边输送设备),输送车辆(如自动导引小车和空中单轨自动车),及各种缓冲站(缓冲站是临时储存物料,以便交接或移载的装置)。立体仓库系统模型见图2,其中P1:货箱在出货台等待去缓冲站;P2:货架空,等待入库,出库台空,等待出库;P3:货箱在入库台等待;P4:入库台货箱被运走,等待装箱;P5:堆垛机执行入库操作;P6:堆垛机执行出库操作;P7:堆垛机空闲,等待执行任务;P8:货箱在货架中等待出库。

 

    图2立体仓库系统对象模型

 

    如表1所示,自动化立体仓库仿真系统的基本操作有4种:T1、T2、T3和T4,其中T1:堆垛机载货去出货台卸货,T2:堆垛机去入货台取货,T3:堆垛机载货去货格取货,T4:堆垛机从货格取货去出货台。表2为立体库系统动态事件,立体仓库系统动态模型见图3。

 

    213三维实时交互式虚拟仿真

 

    5起重运输机械62005(7))23)

 

    由于Flexsim公司的虚拟现实软件FSS提供了与C++软件的接口,故以C++为支持环境进行二次开发。根据自动化立体仓库中的设备型号、性能参数,在FSS显示窗口中建立三维数据库的几何模型、运动学模型、场景模型。对于我国典型的自动化立体仓库流程,即基于高层货架、堆垛机、输

 

    表1立体库对象关系表

 

    出库台入库台堆垛机货位

 

    出库台0

 

    入库台0

 

    堆垛机T1T20T3

 

    货位T40

 

    表2立体库系统动态事件发生表

 

    前提条件后继结果

 

    T1P6P7,P1

 

    T2P3,P7P5

 

    T3P5P4,P7,P8

 

    T4P2,P7,P8P6

 

    图3立体仓库系统动态模型

 

    送系统、叉车的自动化立体仓库系统工艺方案,通过三维动画仿真,实现生产过程的可视化,同时通过人机交互的控制,可演示整个生产流程以及一些局部工作情况,如某个托盘物流过程是否流畅、车辆数目及调度、机械设备工作是否协调以及统计装卸一个托盘的真实时间等等。用C++进行二次开发的自动化立体仓库仿真系统可实现人机交互控制,并可对设备的参数如机构工作速度进行改变,以观察对货物流程的影响。通过改变设备的工作速度,分析对生产率的影响,找出某个工艺流程的瓶颈所在。

 

    在用户界面窗内的参数控制区中,可输入堆垛机及叉车的工作速度。在控制项目中,可选择作业类型,例如相应的立体库作业过程(如出货、入货、装车等)。

 

    在仿真显示模式中,FSS软件平台可人为控制仿真输出,实现实时、超实时及欠实时的仿真显示。视点控制用于用户根据需要在多个范围内调整镜头以获得仿真场景的不同部分的视景。该软件己应用于我校工业工程实验室,成为学生仿真试验课程的一部分。

 

    3结论及需进一步研究的内容

 

    以FSS为平台的自动化立体库仿真系统为立体库的设计者提供了虚拟设计工具,可评价其规划方案,减少设计风险同时虚拟立体库的运作流程,为管理者提供决策参考依据。随着计算机技术及自动化技术的迅速发展,虚拟企业、虚拟制造技术不断深入,物流仿真系统软件已经成为虚拟制造系统的重要组成部分,以FSS为代表的物流系统仿真软件将得到更广泛的应用和发展。

 

    参考文献

    1WilliamB.Nordgren.FlexsimSimulationEnvironment[J].Proceedingsofthe2003WinterSimulationConference

    2RyanFritz,StephenHorvath,CarlosOrellana,JonathanWohlers.Real-TimeControlofaDiscrete-eventSimulationUsinganExternalController:aFeasibilityStudyWithAppl-icationtoMailDistributionSystems[J].2002IEEESystemsandInformationDesignSymposium.UniversityofVirginia

    3朱卫锋,费奇.复杂物流系统仿真及其研究现状[J].系统仿真学报,2003,15(3):353)356

    4吴耀华,王莹,肖际伟,高洪峰.现代物流系统技术的研究现状及发展趋势[J].机械工程学报,2001,3(5):67)70

    5康小波.自动化立体仓库计算机辅助设计软件研[M]:[学位论文].西北工业大学

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