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东北大学硕士学位论文摘要 自动化立体仓库出入库的决策与仿真 摘要 自动化立体仓库是现代物流技术、仓储技术、自动化技术发展的优秀产物， 它集存储、搬运、输送、分发于一体，作为工厂物流系统和c i m s 柔性加工系 统的重要环节，代表了当今物流发展的趋势。为了对自动化立体仓库更加有效 的管理，提高整体作业效率，要求对货位优化，对堆垛机运行路线进行优化， 以减少货物搬运和存储的成本，减少资金的积压，降低在存储过程及搬运过程 中所损耗的时间，从而降低物流成本，提高收益。 本文就是要构建一个立体仓库输入输出的决策仿真系统，并进行仿真实 验。通过分析实验结果对系统进行全面深入地评价，进而对系统提出改进方案， 提高系统整体的输入输出效率。 首先用u m l 统一建模语言对系统进行了建模。系统从整体上可分为管理决 策和监控仿真这两个层，管理决策层中共分为系统设置、入库管理、出库管理 和堆垛机调度四个子模块，监控仿真层由监控和分析两个子模块构成。 对于管理层的开发本文选用了v i s u a lb a s i c6 0 编程语言，管理层可实现对 系统参数的初始设置，记录和查询出入库信息，货位优化管理和堆垛机的优化 调度。监控仿真层的开发选用了组态软件组态王6 5 ，本层可实现对立体仓库 的输入输出作业过程的动态模拟，并对系统运行结果进行曲线分析。系统数据 库平台的构建选用的是a c c e s s2 0 0 0 数据库软件，该数据库平台为管理层和监 控层搭建了数据桥梁。 系统构建成功后，本文对系统进行了两组仿真试验，通过分析运行结果得 到了对系统进行优化管理的方案。进行货位优化管理时要综合考虑分布描述指 标、库存量指标、出库分发效率指标这三个指标；按照堆垛机作业路线的优先 级来安排堆垛机作业指令；综合考虑货位管理、堆垛机调度和输送机的运送管 理这三个问题。 关键词：立体仓库；货位优化管理；堆垛机优化调度；监控仿真 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t d e c i s i o na n ds i m u l a t i o no fi n p u t o u t p u t o fa u t o m a t e d s t o r a g ea n d r e t r i e v es y s t e m a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nl o g i s t i c ，i n v e n t o r ya n da u t o m a t i ct e c h n o l o g y ， a s r si sa na c t i v er e s e a r c ha r e an o w a d a y s i ti n t e g r a t e st h es t o r a g e ，t r a n s i t i o n ， d i s t r i b u t i o na saw h o l e m o r e o v e r ，a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei n d u s t r i a ll o g i s t i c a n dc i m ss y s t e m ，i tc a nm a s s i v e l yi n c r e a s et h em a n a g e m e n te f f i c i e n c y ，o p t i m i z e t h es t o c ka n dr e d u c et h ei n v e n t o r yc o s t an o v e la s r ss y s t e mi sp r o p o s e d ，s t u d i e da n ds i m u l a t e di nt h i sp a p e r c o n s e q u e n t l y ，t h es y s t e mi n p u ta n do u ts p e e do ft h en o v e ls y s t e mi sm u c hf a s t e r t h a nt h et r a d i t i o n a la s r s u m li ss e l e c t e dt os i m u l a t et h es y s t e m i tc o n s i s t so ft w os u b s y s t e m s ；t h e ya r e m a n a g e m e n ts y s t e m a n dm o n i t o rs i m u l a t i o ns y s t e m ，t h e m a n a g e m e n ts y s t e m c o n t a i n ss y s t e ms e t t i n gm o d u l e ，i n p u tm a n a g e m e n tm o d u l e ，o u t p u tm a n a g e m e n t m o d u l ea n dt h es t o c kr o c km o d u l e a n dt h em o n i t o rs i m u l a t i o ns y s t e mc o n s i s t so f m o n i t o ra n da n a l y s i sm o d u l e v i s u a lb a s i c6 0 i ss e l e c t e da st h ep r o g r a m m i n g l a n g r a g eo ft h em a n a g e m e n ts y s t e m t h em a n a g e m e n ts y s t e mf u n c t i o n st h es y s t e m s e t t i n g s ，r e c o r d i n gt h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l s ，o p t i m i z i n gt h ei n v e n t o r ya n d s t o c k k i n g v i e w6 5 i ss e l e c t e dt ob u i l dm o n i t o rs i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi su s e d f o rs y s t e md a t aa n a l y s i s a c c e s s2 0 0 0i ss e l e c t e da st h es y s t e md a t a b a s e a f t e rt h es y s t e mw a sb u i l ds u c c e s s f u l l y ，t w og r o u p so fs y s t e ms i m u l a t i o n s w e r ec a r r i e do u t t h u sb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h en o v e is y s t e mw a s o p t i m i z e d i n t h e o p t i m i z a t i o np r o c e s s ，t h ei n v e n t o r yd i s t r i b u t i o n ，s y s t e m e f f i c i e n c ya n dt r a n s i t i o n sa r ec o n s i d e r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h a v ei n d i c a t e d t h a tt h en o v e la s r ss y s t e mc a na c h i e v eam o r ee f f i c i e n ti n v e n t o r ym a n a g e m e n t a n dr e d u c et h ec o s t k e yw o r d s ：a s r s ；s t o c ko p t i m i z a t i o n ；r o c ko p t i m i z a t i o n ；s i m u l a t i o n 东北大学硕士学位论文声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：w 膏欠 日期：) 卅多，1 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文背景和意义 第一章绪论 1 1 1 问题的提出 自动化立体仓库是当代物流技术、仓储技术、自动化技术发展的优秀产物， 它集存储、搬运、输送、分发于一体，作为工厂物流系统和c i m s 柔性加工系 统的重要环节，代表了当今物流发展的趋势。现在自动化立体仓库应用己越来 越多。根据使用方式的不同，可分为周转库和供应库，周转库主要用来作为工 厂中间产品的缓冲存储库，以保证制造系统各个生产阶段的供需要求；供应库 作为整个工厂元器件的供应基地，提供快速的保障供应能力【8 】。本文所研究的 自动化立体仓库包括货物的自动存取系统( 高层固定货架，多层水平旋转货架 等) 、货物的自动分拣系统、货物的自动输送系统和多个出入库库台，属于供 应库。其中输送系统作为连接存取系统和分拣系统的桥梁部分，其运输效率和 顺序直接关系到整个仓库的出入库效率【9 】。因此，对于作为仓库瓶颈的输送系 统，在建模的基础上，进行系统的动态仿真，从其根本上进行研究，从而有效 的提高其运作效率，这是很有必要的。本课题就是通过实现自动化立体仓库输 入输出的决策问题的模拟仿真，对库存系统的设施安排、货位的优化管理、输 入输出的最优调度等三方面进行研究，从而有效的提高自动化立体仓库的输送 系统的效率。 1 1 2 自动化立体仓库的国内外发展情况 现代自动化立体仓库，是在生产力和科学技术不断提高的情况下出现的一 种崭新的物流技术，也是一种处于发展中的技术。自动化立体仓库的优点有： 占地面积小、仓储容量大：采用立体货架存储方式提高保管质量；可方便、迅 速地进行货物的入出库作业，提高入出库作业率和仓库周转能力；能提高存 储的经济效益。 1 9 5 9 年世界上第一座自动化立体仓库在美国阿尔巴尔州建成。美国于1 9 6 3 年建成了世界上第一座计算机控制的自动化立体仓库。后来德国和日本也相继 开发了自动化立体仓库。现在，自动化物流技术和成套设备的开发研制己经发 展成了一个庞大的产业。美国h a l l m a r k 公司安装了多达1 2 0 个巷道的系统已 达到了顶峰，甚至1 0 2 0 个巷道的系统也经常不是首选的了1 2 。目前，应用最 东北大学硕士学位论文第一章绪论 多、发展速度最快的国家是日本，近年来每年约有上千个各种类型的自动化物 流系统投入使用，其中每年建成自动化立体仓库三百余座，累计已有四千余座， 堆垛机累计拥有七千余台，货位数近五百万个，拥有托盘几亿个；物料搬运产 业年产值超过2 0 0 亿美元，其中立体仓库和自动导引车a g v 等直接组成自动 化物流的产品，1 9 9 7 年达到了2 7 亿美元i l 。在德国，自9 2 年以来，自动化 物流系统的产品已经发展成为机械制造业中最大的专业分支，1 9 9 6 年产值为 1 7 5 亿马克 1 lj 。 随着现代工业生产的发展，柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ) 、计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 和工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 对自动化仓库提出更高的要求，搬运仓储 技术要具有更可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信 息流 1 “。射频数据通信、条形码技术、数据采集和扫描技术越来越多的应用于 仓库堆垛机、自动导引车和传送带等运输设备上，移动式机器人也作为柔性物 流工具在柔性生产、仓储和产品发送中日益发挥重要的作用。随着计算机技术 的不断发展，人工智能技术，特别是专家系统在工业中的应用日益增多。日本 对些搬运工具，如堆垛机等已采用智能系统【1 3 】。现今，世界自动化技术在仓 储领域的发展已经历了：人工仓储技术阶段：机械化仓储技术阶段：自动化仓 储阶段；集成自动化仓储阶段；智能自动化仓储技术阶段，正在向3 i ( i n t e l l i g e n t ， i n t e g r a t e d ，i n f o r m a t i o n ) 立体仓库系统阶段发展。 今天，现代物流的理论已进入世界各国经济生活的各个领域，自动化的物 流系统已成为现代化工厂不可缺少的重要部分。 我国自2 0 世纪7 0 年代开始进行立体仓库的开发研究工作，8 0 年代通过技 术引进及自主开发在全国建成了5 0 多座立体仓库，但技术水平较低。进入9 0 年代以后，自动化物流系统的开发和应用得到了很大发展。目前已有几十家企 业、科研院校和高等学府从事自动化物流系统的开发研究和工程应用【l “。1 9 9 2 年清华大学等单位建成了我国第一个c i m s 环境下的实验工程物流系统，中科 院沈阳自动化研究所开发研制了电磁导引自动车。从1 9 9 6 年起，昆明船舶设 备集团有限公司通过技术引进和集成创新在自动化物流系统方面进行了系统 的开发和研制工作。建成了如青岛颐中集团、青岛海尔集团、玉溪及红河卷烟 厂等大型自动化物流系统，这些都是我国高新技术含量最多自动化物流系统。 这些技术成果均达到了国内领先水平，并处于世界先进水平，同时填补了我国 自动化技术某些领域的空白。虽然通过对此项目的不断开发研制，已取得了喜 人的成绩，但目前我国不论从自动化物流系统的设备品种及技术水平上，还是 在应用广度及深度上与国际水平都还存在着相当大的差距。现在，我国自动化 仓库正处于不断发展和完善阶段，自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系 东北大学硕士学位论文第一章绪论 统的集成，正向智能化的方向发展 1 5 , 1 6 】。 1 1 3 国内外研究现状 国内外学者针对自动化立体仓库的管理和调度问题进行了大量的研究，田 国会等提出了影响仓库运行效益的若干优化调度问题，分别采用p e t r i 网、时 态逻辑、模拟退火、遗传算法、神经网络等方法，并结合计算机仿真技术进行 了研究，他们还针对自动化立体仓库中固定货架拣选作业要求速度快、效率高 的特点，分析和研究了一种新型改进l i nk e r n i n 曲a n ( l k ) 算法，并将其应用于固 定货架拣选优化问题1 17 - 1 9 ；常发亮等研究了一类物资配送中心的库存管理与 布局优化问题，讨论了库存量的确定方法，提出了货位的布局策略及其优化算 法，并对货位的再调整进行了阐述。除此之外，他还在输送系统的调度方面深 有研究，他分析了自动化立体仓库输送系统的若干调度问题，给出了启发式调 度规则和优化算法，建立了该离散系统的仿真p e t r i 网模型，在此基础上，对系统 进行了动态的优化仿真，试验效果很好1 2 0 2 3 1 ：徐菱，介绍了在网络环境下将自 动化立体仓库管理机的货位管理与监控机的动态模拟联接起来的工作原理及 方法【2 4 】：周奇才提出立体仓库运行控制的优化准则，分析确定仓库系统控制的 优化控制数学模型，并运用有关原理，提出仓库巷道堆垛机及出入库系统货箱 运行的优化控制程序等 2 5 - 2 7 ；赵炯提出了一种新颖的利用网络技术和触摸屏 进行载人巷道堆垛机上的可视化拣选操作方案，配合存储货位分配策略和执行 批量拣选作业的优化顺序方式，可以提高自动化立体仓库中载人拣选作业方式 的工作效率，增加拣选操作的吞吐率。在概述了这种新方案的实现框架之后， 给出了这种方案的性能模型，并对具有动态作业插入时的系统性能进行了分析 2 8 , 2 9 。美国学者l i n n r 在研究自动化立体仓库的过程中于1 9 9 0 年提出将专家 系统的思想应用到立体仓库的控制中，引起了人们的极大关注，并且经过十多 年的发展，专家系统已在自动化立体仓库的控制方面有了成功的应用i lj 。 从2 0 世纪6 0 年代开始，国外就已着手研制仿真语言，比较著名的仿真语 言有g p s s 、g a s p 、s l a m 和s i m a n 等。近2 0 年来，由于建模方法、可视化 编程和虚拟现实技术的长足进展，开发出了一些功能强大、建模直观方便的仿 真软件。我国的仿真研究和应用开始于2 0 世纪5 0 年代，近年来在供应链管理、 企业生产作业控制、物流系统分析等方面得到了成功应用。 比较分析现有的仿真软件，总结仿真软件基本功能如下 3 , 7 1 ： 良好的人机界面，提供基本的程序管理功能和输入功能； 系统模型的建立，单元属性参数和逻辑定义，并保存为模型文件： 随机变量的输入存储、产生和调用； 仿真算法核心，包括仿真钟推进和子事件处理； 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 模型的图形显示，建模过程即建即所得； 数据分析和统计； 仿真结果输出。 近期，仿真软件( 包括仿真语言) 充分吸收了仿真方法学、计算机、系统 工程、自动控制、人工智能等技术的新成果，从而得到很大的发展。在运行速 度、存储容量、面向对象的设计( o o d ) 、可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 与图形界面、 开放数据结构( o d b c ) 以及对象连接与嵌入( o l e ) 等方面皆取得了巨大进 展，对系统仿真技术亦相应地产生了广泛与深刻的影响，旨在解决模块可重用 性、计算机辅助建模、可视化仿真、图形界面以及与其它系统的集成性等问题 的面向对象的可视化仿真技术与系统便随之产生1 3 。 1 2 自动化立体仓库运作与管理 自动化立体仓库又称自动仓储a s r s ( a u t o m a t i cs t o r a g e & r e t r i e v a l s y s t e m ) 。它是一种用高层立体货架储存物资，用电子计算机控制管理和用自 动控制堆垛运输车进行存储作业的仓库。仓库的功能从单纯的进行物资的储存 保管，发展到担负物资的接受、分类、计量、包装、分拣、配送、存档等多种 功能。有助于实现高效率物流和大容量储藏，能适应现代化生产和商品流通的 需要。 从供应货车到仓库的码头，确认货品“进货”作业的开始，便依序将货品 “存储”入库。为了较好的管理在库品，将定期或不定期的进行“盘点”检查。 当收到用户订单后，首先将订单按其性质进行“订单处理”，之后根据处理后 的订单信息，进行从仓库中取出用户所需货品的“拣选”作业。拣选时一旦发 现拣选区所剩余的存货量过低时，则必须有储存区进行“补货”作业。如果储 存区的存货量低于规定标准时，便向供应商采购订货。从仓库拣选出的货品经 过整理后即可准备“发货”，等到一切发货准备就绪，司机便可将货品装在配 送车上，向个用户进行“配送”交货作业p “。 自动化立体仓库管理系统是一个小型数据库管理系统，其工作围绕着库存 数据库进行，实现接受生产任务、入库操作、出库操作、库存统计等管理工作， 同时，还要根据入库、出库要求，通过计算机网络向监控计算机发出入库、出 库操作任务，及时接收监控计算机返回任务完成报告l j 2 1 。 1 3 本文的主要内容及方法 ( 1 ) 研究目标 东北大学硕士擘住论文第一章绪论 本课题通过实现自动化立体仓库输入输出的模拟仿真，对立体仓库内部运 作的实际情况进行全面分析研究，分别实现货位优化管理和堆垛机优化调度。 最终实现自动化立体仓库输送系统的高效率管理。 ( 2 ) 研究内容 为了更全面的研究问题，在分析研究国内外学者的文献基础上，拟定出初 步的货位优化管理方法和输入输出优化控制策略。然后，用u m l 统一建模软 件构建自动化立体仓库输入输出的决策仿真软件系统模型，用v i s u a lb a s i c6 0 开发系统的管理决策层，用组态软件组态王6 5 开发系统的监控仿真层，用 a c c e s s 2 0 0 0 开发数据库平台。软件运行后，对货位管理和仓库输入输出的实况 进行分析，并对软件加以改进，使自动化立体仓库的输入输出的效率达到最优。 最后，要对课题的整个进行过程中出现的问题加以总结，使更多的人受益。 ( 3 ) 研究方法 本文所研究的立体仓库中的所有设施的型号、尺寸、数量都是确定的，并 事先拟定好。为使所研究的系统适用的范围更广泛，各种参数的选择要以同类 型的自动化立体仓库为依据。 立体仓库将采用3 级管理及控制结构，这种管理与控制系统是由管理级、 监控级和控制级组成的计算机系统。利用网络、数据库等软件平台，通过t c p i p 与仓库计算机系统和工厂或物流系统相连接。管理级计算机主要完成物资的相 关信息管理及货架货位的管理。监控级计算机主要完成状态图显示( 包括静态 设备显示和动态设备显示) 和控制立体仓库的出入库作业。其中监控级计算机 上的货位状态图、堆垛机跟踪图与管理级计算机上的货架货位信息应动态连 接。3 级管理及控制结构主要用于容量较大、设备种类较多的物资仓库。正好 适用于本仓库的管理控制系统口”。 管理系统中的货位管理和堆垛机调度策略，我们将采用一些优化算法。货 位的分配需要同时考虑货架稳定性和存取效率，这是一个组合多目标优化问 题。对多目标优化问题来说，许多情况下各目标是相互冲突的，一般不存在唯 一的全局最优解，而是存在一个最优解的集合，最优解集中的元素就所有目标 而言是不可比较的 3 4 j 。使某一目标达到最优性能的解很可能意味着其他目标的 性能很差，单纯追求其中某一个目标最优化并没有太大的实际意义，寻求使各 维目标函数均较好的满意解( 这个解可能对某一目标来说并不是最优的) 具有 重要的实际意义。所以我打算通过分析一些专家的理论和研究观点，研究出一 种货位优化分配方法。对于堆垛机的调度策略也是类似的问题，也要考虑多方 面的因素，因此我将分析一些专家的理论和研究观点，研究出一种堆垛机优化 调度方法 35 1 。将这两种优化方法应用于本决策仿真系统，通过仿真实验来分析 系统，并进一步改进系统。 东北大擘硕士学位论文第二章出入库的决策与仿真系统的u m l 建摸 第二章出入库的决策仿真系统的u m l 建模 2 1 0 m i 建模语言 2 1 1u m l 语言的特点 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) 是一种用于描述、 视化和构架软件系统以及商业建模的语言。它代表了在大型、复杂系统的建模 领域得到认可的“优秀的软件工程方法”。u m l 是用来对软件密集系统进行描 述、构造、可视化和文档编制的种语言。 u m l 并没有从根本上脱离b o o c h 、o m t 或o o s e 方法，而是对这些方法 的有批判的继承及对这些方法的延续。对于其他方法的使用者来说，u m l 同 样很容易被接受。与b o o c h 、o m t 、o o s e 等方法相比，u m l 有表达力更强、 更清晰和一致的优点，它可以使工程在更广泛的范围内建模。 相对于其他可视化建模语言，例如基于实体和关系的模型化方法、b p r 流 图、状态驱动的建模语言、使用实例图u s ec a s em a p s 等，u m l 更富有表达力， 机能更完善。 但u m l 与针对实时系统的建模语言r o o m 相比，其对实时系统的支持是 其不足之处。 2 1 2t i m l _ 语言的模型结构 u m l 模型以强调系统的静态和动态信息为特征。主要由两部分组成：静态 模型和动态模型。静态模型描述结构的特性，动态模型描述系统的行为特性。 在建立静态结构模型时主要建立：建立活动图；定义系统对象及用户界面 类；建立类图；建立数据库模型( 系统一般采用关系数据库存储和管理数 据。在分析和设计系统的静态结构模型时需要进行数据分析和数据库设计。) 。 动态行为模型主要通过建立交互作用图和状态图来实现。 ( 1 ) 用例图 用例模型描述的是外部执行者( a c t o r ) 所理解的系统功能。用例模型用于需 求分析阶段，它的建立是系统开发者和用户反复讨论的结果，表明了开发者和 用户对需求规格达成的共识。首先，它描述了待开发系统的功能需求；其次， 它将系统看作黑盒，从外部执行者的角度来理解系统；第三，它驱动了需求分 析之后各阶段的开发工作，不仅在开发过程中保证了系统所有功能的实现，而 6 东北大学硕士学位论文 第二章出八库的决蓑与仿真系统的u m l 建模 且被用于验证和检测所开发的系统，从而影响到开发工作的各个阶段和u m l 的各个模型。在u m l 中，一个用例模型由若干个用例图描述，用例图主要元 素是用例和执行者。用例是系统中的一个功能单元，可以被描述为参与者与系 统之间的一次交互作用。用例模型的用途是列出系统中的用例和参与者，并显 示哪个参与者参与了哪个用例的执行。 图2 1 表述了一个电话目录销售的用例视图。此例是实际系统简化后的例 子。 _ 多 知r 核对身掰、 j 、 二必吵，吠：y 餐 图2 1 用例图 f i g 2 1u s ec a s ed i a g r a m ( 2 ) 类图 类是用来代表现实事务或者功能的构造块。类图是由组成系统或者子系统 的构造块构成的静态图。类图的建模贯穿工程的分析和设计阶段的始终，通常 从商务伙伴能够理解的类开始建模，最终往往成为只有开发小组才能够完全理 解的类。 ( 3 ) 活动图 活动图既可用来描述操作( 类的方法) 的行为，也可以描述用例和对象内 部的工作过程。活动图是由状态图变化而来的，他们各自用于不同的目的。活 动图依据对象状态的变化来捕获动作( 将要执行的工作或活动) 与动作的结果。 活动图中一个活动结束后将立即进入下一个活动( 在状态图中状态的变迁可能 需要事件的触发) 。 ( 4 ) 顺序图 顺序图用来描述对象之间动态的交互关系，着重体现对象间消息传递的时 间顺序。顺序图存在两个轴：水平轴表示不同的对象，垂直轴表示时间。顺序 东北大学硕士学位论文第二章出八库的决策与仿真系统的u m l 建模 图中的对象用一个带有垂直虚线的矩形框表示，并标有对象名和类名。垂直虚 线是对象的生命线，用于表示在某段时间内对象是存在的。对象间的通信通过 在对象的生命线间画消息来表示。 ( 5 ) 协作图 协作图可以看成是类图和顺序图的交集。协作图建模对象或者角色，以及 它们彼此之间的顺序的通信。 ( 6 ) 状态图 用来描述一个特定对象的所有可能状态及其引起状态转移的事件。大多数 面向对象技术都用状态图表示单个对象在其生命周期中的行为。一个状态图包 括一系列的状态以及状态之间的转移。 2 1 3u n l 建模过程 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 仅仅是一种语言。它不 是一种系统设计方法，而是一种系统建模方法。我们利用它的思想和方法来建 立系统模型，建模的过程主要步骤如下： ( 1 ) 系统需求 信息系统外发的目的是满足用户需求，为了达到这个目的，设计人员必须 充分理解系统的商业总体目标和用户的工作方式。无论是开发简单的应用程序 还是开发商业性的大规模软件系统，首先要做的事都是确定系统需求，即确定 系统的功能。 ( 2 ) 需求分析 要对系统需求从各个方面进行分析，要确定系统范围和系统边界。系统范 围是指系统的职责范围，系统边界是指该系统与其他系统的相关边界。然后依 次确定以下几个内容： ( a ) 定义参与者：参与者用于表示使用系统的对象； ( b ) 定义用例：根据系统需求，找用例，并从活动者的角度给出事件流。当 用例执行时系统应提供给活动者服务。对每一个用例应该说明的基本内容：u s e c a s e 怎样开始和结束，正常的事件流，变通的事件流，意外情况的事件流等。 ( c ) 用例的事件流描述； ( d ) 绘制用例图； ( e ) 绘制主要交互图( 顺序图) 。 ( 3 ) 静态结构模型 进一步分析系统需求，识别出类以及类之间的关系，确定它们的静态结构 和动态行为，是面形对象分析的基本任务。系统的静态结构模型主要用类图或 对象图描述。下面就是建立系统静态结构模型的步骤。 8 东北大学硕士学位论文第二章出入库的决策与仿真系统的u m l 建模 ( a ) 建立对象类图( 定义对象类、定义用户接口、定义联系、绘制对象类图) ； ( b ) 建立数据库模型( 系统一般采用关系数据库存储和管理数据。在分析和 设计系统的静态结构模型时需要进行数据分析和数据库设计。) ； ( c ) 建立包图。 ( 4 ) 动态行为模型 系统的动态行为模型可以用顺序图、协作图、状态图和活动图在描述。在 u m l 的四个动态模型中，对象间的交互是通过对象闽消息的传递来完成的。 通常，当一个对象调用另一个对象中的操作时，即完成了一次消息传递。当操 作执行后，控制便返回到调用者。对象通过相互间的通信( 消息传递) 进行合 作，并在其生命周期中根据通信的结果不断改变自身的状态。 这四个模型都可用于系统的动态建模，但他们各自的侧重点不同，分别用 于不同的目的。状态图描述跨越多个用例的单个对象的行为，而不适合描述多 个对象间的行为合作。为此，常将状态图与其它技术( 顺序图、协作图和活动 图) 组合使用。顺序图和协作图适合描述单个用例中几个对象的行为。其中顺 序图突出对象问交互的顺序，而协作图的布局方法能更清楚地表示出对象之间 静态的连接关系。顺序图和协作图适合描述对象之间的合作关系，状态图是于 描述跨越多个用例的单个对象的行为；活动图适用于显示跨越多用例或多线程 的复杂行为。 ( 5 ) 物理模型 ( a ) 建立组件图； ( b ) 建立配置图。 2 2 决策仿真系统的需求分析 2 2 1 系统需求 研究的最终研究目的是实现对自动化立体仓库货位的优化管理和对库内 堆垛机的调度的优化控制，为了达到这个目标将设计开发一个自动化立体仓库 出入库的决策仿真系统。运用一些优化算法对系统进行管理，通过对立体仓库 出入库运作情况的模拟仿真，来分析管理策略的优点及不足，并有效地加以完 善。根据对系统的最终目标提出的要求，对系统的功能进行了以下设定： ( 1 ) 系统可对所研究的立体仓库的初始参数进行设定； ( 2 ) 系统可记录入库信息，并对信息进行处理； ( 3 ) 系统可记录出库信息，并对信息进行处理： ( 4 ) 系统可对货位进行优化管理； 东北大学硕士擘位论文 第二章出八库的决策与仿真系统的u m l 建模 ( 5 ) 系统可对堆垛机的运行线路进行优化管理： ( 6 ) 系统可对立体仓库出入库的作业现场进行监控； ( 7 ) 系统可对仿真数据进行分析。 通过对以上主要功能的实现，系统对立体仓库现场情况进行仿真分析，最 终提高立体仓库的运作效率。 下面对系统各服务功能的实现进行详细介绍： ( 1 ) 在对所研究的立体仓库的初始参数进行设定这方面的服务，系统将实现 以下几个功能。 ( a ) 设定各货架上各种货物的初始库存量：系统将根据在实际中经验库存 量，随机生成各货架上各种货物的初始库存量。 ( b ) 为初始存货安排货位：系统将根据货位优化管理的一些原则( 如：按各 种货物的出入库频率划分存货区，货物尽量存放在离出库口进的地方，先入先 出等) ，随机的为货物分配货位。 ( 2 ) 在对记录入库信息，并对信息进行处理这方面的服务，系统将实现以下 几个功能。 ( a ) 入库信息登记：仓库保管员按要求输入入库信息后，系统将会把入库信 息存入系统数据库，系统数据库会将入库信息按照入库时间的先后顺序进行排 序。 ( b ) 入库信息查询：各入库单的详细信息将会显示在屏幕上，仓库保管员可 按照入库的时间先后顺序查询信息，也可按入库品目查询。 ( 3 ) 在对记录出库信息，并对信息进行处理这方面的服务，系统将实现以下 几个功能。 ( a ) 出库信息登记：仓库保管员按要求输入出库信息后，系统将会把出库信 息存入系统数据库，系统数据库会将订单信息按照出库时间的先后顺序进行排 序。 ( b ) 出库信息查询：各订单的详细信息将会显示在屏幕上，仓库保管员可按 照出库的时阀先后顺序查询信息，也可按出库品目查询。 ( 4 ) 在对货位进行优化管理方面的服务，系统将会按照已经编制好的货位优 化管理算法，对入库和出库的货物进行统一安排。 ( 5 ) 在对堆垛机的运行线路进行优化管理方面的服务，系统将实现以下几个 功能。 ( a ) 堆垛机任务的安排：系统拟定了几种优化的堆垛机运行路线，并将这些 运行路线都设定了优先级别，当出入库信息调入后，系统将会按照堆垛机运行 路线的优先级别从整体上安排堆垛机的送货顺序。系统主要按着时间段来划分 任务，并完成管理工作。 东北大学硕士学位论文第二章出入库的决策与仿真系统的u m l 建模 ( b ) 堆垛机任务查询：仓库管理员可通过输入所需要的堆垛机的编号，查取 堆垛机运动路线的详细情况。 ( 6 ) 在对立体仓库出入库的作业现场进行监控方面的服务，系统可对立体仓 库的输入输出进行实时监控，系统可通过仓库的俯视图和左试图向监控人员动 画演示仓库输入输出系统的运作情况，为监控人员提供了方便。 ( 7 ) 在对仿真数据进行分析方面，系统将根据采集到的货位管理和堆垛机运 动的实际运行数据，对管理决策系统的策略及性能进行分析，并作出仿真曲线， 为系统改进做好理论依据。 2 2 2 分析问题领域 通过对系统需求的分析，已经确定了系统主要完成的功能。为了使系统实 现这些功能，把整个系统划分为四个子系统，它们分别是系统设置子系统、入 库子系统、出库予系统和监控子系统。在系统设置子系统中将设置我们所要研 究的立体仓库的基础参数，并对参数进行分析和处理。入库子系统是由入库信 息录入和入库信息处理两个模块构成的。入库信息录入模块会对管理人员输入 的入库信息进行处理，并将处理结果存入数据库。入库信息处理模块会将入库 信息从数据库调取出来，并调用货位管理模块，由货位管理模块处理得到货物 货位安排信息，入库信息处理模块会将该信息传送到堆垛机管理模块，由堆 垛机管理模块进行总处理。出库子系统是由出库信息录入和出库信息处理两个 模块构成的。出库信息录入模块会对管理人员输入的订单信息进行处理，并将 处理结果存入数据库。出库信息处理模块会将出库信息从数据库调取出来，并 调用货位管理模块，由货位管理模块处理得到出库货位安排信息，出库信息处 理模块会将该信息传送到堆垛机管理模块，由堆垛机管理模块进行总处理。 堆垛机管理模块将由入库和出库子系统传来的信息进行汇总，将任务均匀分配 给各堆垛机，经过综合处理得到各堆垛机的执行指令顺序表。堆垛机管理模块 会将该指令表直接存入数据库，等待监控系统的调用。监控子系统对立体仓库 的输入输出运作现场进行动画演示，并对仿真数据进行分析。系统整体结构如 图2 2 所示。 所以根据前面的系统结构分析，可绘制系统用例图，如图2 3 所示。 根据各功能模块的要求，找出用例，并从参与者的角度给出事件流，当用 例执行时系统应提供给参与者服务。下面对用例进行详细描述。 用例“入库信息处理模块”： 东北大学硕士学位论文 第二章出入库的决策与仿真系统的u m l 建模 天 销售员 图2 2 系统整体结构图 f i 9 2 2s c h e m a t i co ft h es y s t e m 监控仿真系统 仓库管理员 图2 3 系统用例图 f i g 2 3u s ec a s ed i a g r a mo ft h es y s t e m f 1 ) 简要描述：本用例描述了仓库管理人员向系统提供入库编号，系统从数 据库调取信息，并调用货位管理模块。经货位管理模块处理得到货位安排信息， 系统将信息传入堆垛机调度模块的过程。 ( 2 ) 前置条件：设计者登录到系统。 东北大学硕士学位论文第二章出入库的决蓑与仿真系统的u m l 建模 ( 3 ) 事件流； ( 4 ) 基本流程： ( a ) 当仓库管理人员进入入库信息处理界面时，用例开始。 ( b ) 提供入库货单编号。 ( c ) 系统检查信息是否输入正确( e 1 ) 。 ( d ) 系统显示入库信息。 ( e ) 仓库管理员根据验货后实际可入库情况，更改入库文件。 ( f ) 存储更改记录。 ( g ) 系统将入库文件传入货位安排子系统。 ( h ) 货位安排子系统接收更改信息。 ( i ) 货位安排子系统将货位安排信息传入入库子系统。 ( j ) 入库子系统将货位安排信息传入堆垛机调度模块，堆垛机调度 模块给反馈，用例结束。 ( 5 ) 替代流：e 1 信息输入错误，系统提示重新输入 ( 6 ) 后置条件：入库子系统将信息传入堆垛机调度模块，否则 堆垛机调度模块无反应。 该用例可以用如图2 4 所示的活动图描述，首先系统提示用户输入用户名 和密码，然后输入上述信息后提交，系统验证用户名和密码是否正确，如若正 确，则启动系统，否则，显示错误提示信息，并提示用户重新输入用户名和密 码。 用例“货位管理模块”： ( 1 ) 简要描述：本用例描述了入库信息处理模块将入库信息传入货位管理模 块后，货位管理模块 ( 2 ) 前置条件：入库信息处理模块调用货位管理模块。 f 3 1 事件流： ( 4 ) 基本流程： ( a ) 入库信息传入，模块自动启动。 ( b ) 系统根据货物及编号信息判断货物是否已经存在。 ( c ) 如果所有货物不存在则是新货物入库，则转入新货物入库处理 程序。 ( d ) 如果所有货物存在则是货物补充入库，则转入补充入库处理程 序。 ( 5 ) 分支流：新货入库 ( a ) 为新货物建立档案( 货物编码人为定) 。 ( b ) 根据其货物种类，先选定其可分布区域。 东北欠学硕士学位论文 第二章出入库妁决采与仿真系统的u m l 建模 专 厂1 蠡 、输a 用户名：骂四 、厂 f 严麓黼、里o l 纠 j 正确 釜陆错误 儡暇鼹磊f 一一 七i 一f 夺，豳 正确一 门羁瓦荤j 、。 蛙 、 日 i 两一 、门积孺蓓，i 器、 ；厂丽町 蛙 位管理攫块 、。_ 厂蒋蒜 、堡壁 广巴 厂翱霭愿茬、， 返回接收信号 础、 w 结柬 图2 4 “入库信息处理”的活动图 f i g 2 4a c t i v ed i a g r a mo ft h el o a d i n gc a r g o i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ( c ) 确定货位个数。 ( d ) 确定排数。 ( e ) 选定排号。 ( f ) 选定列号和层号。 补充入库： ( a ) 计算原分配的p n 个货位中可再入货物的数量a v 。 ( b ) 比较入库货物总量o a 和a v 。如果o a 大( e - 1 ) 。 ( c ) 开辟( 0 a a v ) 个货位，并扩充该货物档案。 ( d ) 在原有h 区和s 区范围内选货位，调用新货入库中的( d ) 、( e ) 、 ( f ) 进行选位。 ( 6 ) 替代流：e 1 如果o a 小，则调用新货入库中的( d ) 、( e ) 、( f ) 进行选位。 ( 7 ) 后置条件：这个用例成功，将结果传入入库处理模块。 该用例可以用如图2 5 所示的活动图描述，当入库信息处理模块将信息传 入货位管理模块后，货位管理模块启动。 2 3 决策仿真系统的u m l 建模 2 - 3 - 1 静态结构模型 ( i ) 定义系统对象粪 ( 2 ) 定义用户界面类 娜 图即 黝的薛 ” m理咖 管e雌 孙吨 图州觚 东北大学硕士学位论文 g _ - 章出入库的决策与仿真乐统的u m l 建模 用户与系统需要交互，一个用户友好的系统通常都采用直观的图形化界 面，因此需要定义系统的用户界面类。通过对系统的不断分析和细化，可识别 出如下界面类以及的操作和属性。 ( a ) 类“登陆”：“登陆”是系统的主登陆界面，该界面是身份验证对话框， 在该界面上设有两个按钮。 公共方法： 在姓名和密码对话框中填写相应信息； 当按下“确定”按钮后，系统调用身份验证子程序，验证通过将进入“系 统”界面； 当按下“退出”按钮后，程序退出，所有界面关闭。 ( b ) 类“系统”：“系统”是系统的主界面，系统的主界面含有一个菜单栏， 菜单栏里一共有六个选项，点击每个选项都会出现对应的菜单。每个菜单上都 设有几个功能菜单项，当选择不同菜单项时，系统可以进入不同的子系统界面。 公共方法： 点击菜单栏的“系统设置”项，将出现对应菜单，菜单上有“系统参数” 菜单项，点击该项将进入“系统参数设置”子系统的主界面。 点击菜单栏的“入库管理”项，将出现对应菜单，菜单上有“通常入库”、 “备用入库”和“空托盘入库”三个菜单项，点击各项将分别对应进入“通常 入库”、“备用入库”和“空托盘入库”子系统的主界面。 点击菜单栏的“出库管理”项，将出现对应菜单，菜单上有“货格号托 盘号指定出库”、“品目指定出库”和“空托盘出库”三个菜单项，点击各项将 分别对应进入“