辅助自动化立体仓库设计的可视化物流仿真

1、刘金行：辅助自动化立体仓库设计的可视化物流仿真辅助自动化立体仓库设计的可视化物流仿真刘金行 交通运输规划与管理 20080390430101摘 要：探讨了基于虚拟现实的自动化立体仓库可视化仿真辅助设计问题。 建立 了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的模型， 重点论述了辅助自动 化立体仓库设计的可视化仿真的设计过程， 具体包括辅助自动化立体仓 库的设计流程，仿真模型中实体、属性、事件与策略等四要素的建立以 及仿真时钟推进机制的设计， 最后以某公司自动化立体仓库设计方案为 例，使用该仿真辅助设计对方案进行优化调整， 并从实际结果中得到了 有效性的验证。关键词 ：辅助设计；自动化立体仓库；可视化物

2、流仿真1 引言随着物流行业生产自动化水平的不断提高， 生产系统越来越复杂， 生产节奏 越来越快， 生产管理者对生产改进的每一决策都需谨慎考虑。 措施不当， 往往需 要付出高昂的代价。 而正是由于系统的复杂性、 快节奏和柔性， 要想预测每一个 决策给系统带来的后果， 已经是人的大脑无法完全胜任的了。 计算机仿真技术弥 补了这一不足， 成为自动化物流系统管理者的有用工具， 成为生产系统规划设计 人员的得力助手。目前，对自动化立体仓库的辅助设计方面的研究主要集中在参数优化选择方 面，关宏、苑韬等 (2004)以斯麦霍夫的模型为基础，采用以堆垛机使用效率为目 标函数提出了货架最佳高度和长度。周奇才 (

3、1999)、刘昌祺 (2004)等也以斯麦霍 夫的模型为基础做了若干改进， 但总体并没有脱离斯麦霍夫的连续函数模型。 对 库容设计则主要针对油库、 气库以及水库， 涉及自动化立体仓库较少。 在物流仿 真方面，可视化仿真技术目前已经成为主流趋势， 分为半物理实现和计算机仿真 两种。任浩、谭庆平 (2000)提出一种新型的 Web 环境下 3D 交互仿真结构，并使 用了 JAVA配合VRML语言工具，建立了虚拟装配的环境，这一方面的研究还有 高钦和、成曙 (2001)等。计算机可视化仿真的实现多为采取编程工具自行开发设 计，针对性较强，而通用性、代码重用性和功能上相比国外软件偏弱。2 自动化立体仓

4、库的辅助设计流程从库存风险管理的角度出发，改进德国弗劳恩霍夫物流研究院 Requirement Estimation Approach经验模型，引入定量方法，使设计流程适合中国的情况。图 1是设计流程。图1仓储库容能力设计流程流程从预测部分开始，首先通过对宏观经济因素的回归分析， 得到企业的年 存储需求量，然后从物流交换量角度，通过经验系数确定通过该仓库的年货物量。 通过对企业生产周转次数调研，并通过宽放比例的修正，得到自动化立体仓库库 容量大致范围，最后确定库存策略，将三类风险加以综合考虑，建立库容计算模 型，确定容量大小。采用自底向上的方式对自动化立体仓库设计流程加以改进， 整体流程为收集

5、 研究原始资料，定义物流需求特征，包括货物到来的时间特征、数量特征、质量 特征和其他特征，根据以上特征选择托盘材料和类型， 进而确定货位个数和货架 结构，选择配套的搬运机械设备，与机械设备适合的巷道形状和长宽度， 选择仓 库内的布局，最后模拟整个储存系统。如图 2所示。图2 自底向上的仓库设计流程仓库参数的确定在自动化立体仓库设计流程中起着至关重要的作用， 根据最 优参数设计出来的合理仓库布局可以使企业的生产物流更合理化， 避免空间的浪 费，满足仓库出入库能力要求，同时又降低了自动化立体仓库的造价。 由于仓库 有众多参数需要确定，同时参数之间又存在相互影响的关系，因此需要使用仿真 的方法来辅助

6、仓库的设计。3可视化仿真方法与软件3.1可视化仿真技术可视化仿真系统以数学建模方法为基础，配合使用仿真计算引擎，以三维动 态演示技术设计系统的输入输出界面，为模拟复杂系统提供了有力的计算与分析 工具。将仿真结果以图像形式输出，提供了更多的信息细节并得到直观结果， 是 可视化仿真的最大优势。从组成来看，可视化仿真技术包括两方面：一是将仿真 计算中产生的结果转换为图形或影像形式输出；二是仿真的人机交互界面可视 化。随着技术发展，对可视化仿真技术的实时性要求更加严格，要求不仅能够实时跟踪显示仿真计算结果，而且要求能够对仿真过程进行实时干预， 实现过程交 互中的可视化。目前国内外对可视化仿真技术在自动

7、化立体仓库中的研究与应用 尚处于起步阶段，从实现层面来看，可视化仿真技术分为物理实现和计算机实现。 前者通过建立实际的物理模型，得到视觉直观的仿真结果，后者则通过计算机图 形工具和软件，建立虚拟平面图形或三维立体影象， 并通过仿真运算后，将结果 以影像形式输出。3.2各类可视化仿真软件的比较OR/MS Today在 August 2003发布的 SimulationSoftware Survey中，对以下在 中国物流行业普遍使用一些国外物流仿真软件作了性能比较。表1各类主流仿真软件性能比较软件名称优化代码重用性模型便利支持建模动画实时观测专家动画Any-LogicYYYNYYYAuto-Mod

8、YYYNYYYExtend IndustryYYYNYYNEM-PlantYYYYYYYFactory-ExplorerNYYYNNNExtend SuiteYYYNYYYFlex-simYYYNYYYPro-ModeYYYYYYNFlex-sim Software Products公司是仿真软件方面的资深公司，近年推出面向对象的仿真建模工具Flex-sim,在图形建模环境中集成了 C+IDE和编译器，不再需要动态链接库和用户定义变量的复杂链接Flex-sim主要用于建模、仿真以及实现业务流程可视化(1) 深层开发对象。对象代表活动和排序过程，可以创建、删除，而且可以 彼此嵌套移动，有自己的功

9、能或继承来自其他对象的功能，可以快速、轻易、高 效描述制造业、物料处理和业务流程的主要特征。(2) 层次结构。Flex-sim可以使模型构造更具有层次结构。在组建客户对象的 时候，每一组件都使用了继承的方法，可以节省开发时间。(3) 用户化。Flex-sim有更多的用户化设定。软件是开放式的，可以在对象中 根据需要改变已经存在的代码，创建全新的对象。(4) 可移植性。由于对象开放，对象可以在不同的用户、库和模型之间进行 交换，同时对象的高度可自定义性，大大提高了建模的速度。用户化和可移植性 扩展了对象和模型的生命周期。(5) 可视化。Flex-sim可以直接导入 3DS(3D Studio)

10、VRML、3D DXF和 STL等 类型文件，内置VR浏览窗口，可以添加光源、雾化等效果。 AVI文件可以通过 Flex-sim的AVI录制器快速生成。任何模型都能被录制、拷贝到 CD,以及实时查 看。4自动化立体仓库物流建模与仿真 4.1模型的实体与事件实体为自动化立体仓库辅助仿真中的主要组成部分， 分为临时实体和永久实 体。定义临时实体为自动化立体仓库的活动部分，它在某时刻到达并进入系统， 在系统中停留一段时间并与其它实体发生作用后离开系统，具有生命周期。定义永久实体为自动化立体仓库中固定的部分， 它永久停留在系统中。整个仿真系统 中临时实体的到达和离开及实体之间的相互作用促使系统的内部状

11、态发生变化。定义实体具有属性，在自动化立体仓库中事件的发生将导致实体属性的改 变。实体与实体属性列于表2。表2模型中的实体与实体属性实体实 体属 性出库站台3维坐标、最大容量、交货批次、上游实体、下游实体入库站台3维坐标、最大容量、交货批次、上游实体、下游实体堆垛机/叉车最大载货量、最大速度(水干行走)、加速度(水干行走)、减速度(水干行走)、卸 货时间、装货时间、垂直升降速度(设为均匀速度)、出入库一次的电力消耗、上游实体、下游 实体传送带传送速度、最大容量、传送节拍成批单个、长度、3维坐标、支撑腿数量、仰角、上游实体、下游实体货物货物种类、到货时间、到货数量、当前所属实体、未来所属实体消息

12、发出者、接收者、发出时间、有效时间、时滞、数据类型（字符、字符串、布尔）托盘最大容量、是否可用、源头、目的地、当前所属实体货架最大容量、单位货位最大容量、水平货位数目（货架列数卜垂直货位数目（货架行数）、货架高度、货架宽度、货架长度、货位高度、货位宽度、3维坐标、上游实体、下游实体订单到达时间、有效时间、订货种类、订货数量表3实体与实体事件对应关系实体实体的事件货架重置、接收消息、货物进入、货物离开、唤醒传送带重置、接收消息、货物进入、货物离开、货物的传送带末端站台重置、接收消息、货物进入、货物离开、货物收集结束（收集完一个批次的货物）货物入库（增加库存卜出库（减少库存）订单到来（订单队列增长

13、）、完成（订单队列缩短）、离去（订单队列缩短，有损失）堆垛机重置、装货、卸货、接收消息消息产生、发送、接受定义事件为引起自动化立体仓库状态发生变化的行为。只有在事件的作用 下，自动化立体仓库的状态才会发生变化。系统的状态定义为系统内实体的数目， 以及实体属性的变化。而当事件发生时，总会引起自动化立体仓库的状态发生变 化。4.2策略设计与仿真事件调度策略定义了事件优先发生、实体的优先服务和选择实体中使用的原 则，规定了事件发生的先后顺序。在自动化立体仓库中，具体设计有以下的公共 调度策略：（1）寻找下游实体中第一个空闲的实体，如果都不空闲，则寻找第一个实体。（2）只选第一个下游实体。（3）寻找离

14、目标实体最近的下游实体。（4）寻找任务队列最短的实体。（5）任务以随机形式统一分配给下游实体。4.3 业务流程出入库作业是流通流域在仓库内的主要活动，由进货、验收、拆包、上架、 下架、拣货、检查、打包等作业环节组成。从公司经营角度考虑，出入库作业向 前与采购、加工等活动衔接，向后与分拣、配送等业务关联，是流通加工中不可 缺少的流程。 对于出入库作业频繁的自动化立体仓库， 出库流程与入库流程相互 分离，不共用物流通道以免引起流程之间冲突。4.4 仿真时钟仿真时钟用于设置系统仿真的时间变量。 仿真计算的过程就是由当前仿真时 刻系统的状态推算出下一仿真时刻系统的状态。 定义仿真步长为仿真时钟推进的

15、时间间隔。 在自动化立体仓库的辅助仿真设计当中， 两个相邻发生的事件之间系 统状态不会发生任何变化， 因而仿真时钟可以跳过这段时间， 从上一事件发生时 刻推进到下一事件发生时刻，因此仿真时钟的推进步长是随机的。4.5 仿真过程的设计自动化立体仓库的工作流程为， 模型初始化后检查库存是否满足需求， 满足 则开始创建定单并进行出库操作，出库作业的流程为堆垛机从货架上取出货物， 放在站台上， 由传送带取走货物并将多个货物流合并为一个货物流， 最后在出库 站台中集合并发送装车。 当检查库存满足最低订货点的时候， 自动化立体仓库对 外发送消息要求定货， 入库操作为到来的货物卸在入库站台上并等候处理， 然

16、后 由入库站台发送给分选系统， 将不同的货物分到指定的堆垛机站台上， 并由堆垛 机取走放进货架的指定位置。仿真程序分为参数输入和仿真流程控制两大部分。 参数输入包括模型参数和 仿真参数输入，分别是：初始库存水平、最大需求量、平均需求时间、需求的分 布函数值、每件订货费用、保管费、缺货损失费、订货附加费及仿真运行长度和 策略数等。 仿真流程控制部分与单服务排队系统仿真流程控制基本相同。 顶层的 仿真流程可表示如图 3。图3自动化立体仓库的物流仿真过程初始化子程序除了要将模型中的所有变量进行必要的初始化操作外，还具有仿真启动的功能。按照订货策略，将第 4类事件（订货事件）安排为系统的第一个 事件（

17、置该事件发生时间等于初始仿真时钟），并将第1类事件（货物入库事件）的 发生时间安排为无穷大。这是因为月初应进行库存计算，以决定本月是否需要订 货。而货物入库事件不可能发生在尚未确定是否订货的开始时间。5仿真结论建立了自动化立体仓库的仿真辅助设计模型，在给定物流需求函数的特征前 提下，假定不允许缺货情况的出现，设计了以服务水平、物流设施设备利用率最 大化和自动化立体仓库总费用最小等目标函数， 采用仿真设计的方法，以自动化 立体仓库中的设施设备数量，操作规则为控制变量，建立了自动化立体仓库物流 仿真模型，开发了相应的仿真软件，经过多次仿真检验后得到最优控制变量， 并 得到相应布局方案。6结论本文探

18、讨了基于虚拟现实的自动化立体仓库可视化仿真辅助设计，建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的模型， 重点论述了辅助自动化立体仓库设 计的可视化仿真的设计过程，具体包括辅助自动化立体仓库的设计流程，仿真模 型中实体、属性、事件与策略四大要素的建立以及仿真时钟的设计，最后以某公司自动化立体仓库设计方案为例，使用该仿真辅助设计软件对方案进行优化调 整，并从实际结果中得到了有效性的验证。参考文献：1 斯麦霍夫。自动化仓库 M 。北京：机械工业出版社， 1984。2 关宏，苑韬。立体仓库规划设计方法研究J。物流技术，2004, (5)。3 刘昌祺。自动化立体仓库设计 M 。北京：机械工业出版社，2004。4 周奇才。自动化立体仓库主要参数优化确定J。上海铁道大学学报，1999，(12)。 舒萍，樊晓东，刘启。大庆油区地下储气库建设设计研究J。天然气工业，2001，。6 张红梅，赵建虎。水库库容和淤积量精密测量及计算方法研究J。武汉大学学报，2003，5 。7 朱正强等。基于 VRML2Java 的虚拟现实技术在可视化装配中的应用J。Journal ofSoutheast University(NaturalScience Editi