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(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。

Flex-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)、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。