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| 談三維虛擬仿真技術(shù)在物流系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 |
更新時(shí)間：2007-4-17 15:02:55
�。� 編輯：映君 ）
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摘要：物流系統(tǒng)是企業(yè)生產(chǎn)和流通領(lǐng)域以及整個(gè)供應(yīng)鏈的一個(gè)重要組成部分，物流合理化是提高供應(yīng)鏈生產(chǎn)率最重要的方法之一。因此對(duì)物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真的研究，也日益受到人們的重視。本文主要介紹了物流系統(tǒng)仿真的核心技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)在物流仿真中的應(yīng)用及國(guó)際上主流的三維虛擬仿真軟件。
關(guān)鍵字：物流系統(tǒng)模擬，離散事件仿真，多媒體，3D，虛擬現(xiàn)實(shí)
1. 引言
1.1研究的意義
當(dāng)前，仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，它廣泛用于工程領(lǐng)域和非工程領(lǐng)域。物流系統(tǒng)是企業(yè)生產(chǎn)和流通領(lǐng)域以及整個(gè)供應(yīng)鏈的一個(gè)重要組成部分，物流合理化是提高供應(yīng)鏈生產(chǎn)率最重要的方法之一。因此對(duì)物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真的研究，也日益受到人們的重視。
由于物流系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜并且內(nèi)部關(guān)聯(lián)性越來(lái)越強(qiáng)。仿真是公司檢驗(yàn)其物流系統(tǒng)及決策是否真的高效的唯一可用技術(shù)了。在設(shè)計(jì)一個(gè)新的物流系統(tǒng)，對(duì)已由系統(tǒng)添加新設(shè)備或重新優(yōu)化，仿真都是非常必要的。同時(shí)，三維虛擬仿真還用來(lái)提供直覺(jué)的和經(jīng)驗(yàn)的決策支持。在當(dāng)市場(chǎng)和技術(shù)條件下，物流仿真可用使用專用軟件來(lái)虛擬實(shí)現(xiàn)。
1.2. 物流系統(tǒng)應(yīng)用三維虛擬仿真技術(shù)的必要性
隨著物流行業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提高，生產(chǎn)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，生產(chǎn)節(jié)奏越來(lái)越快，生產(chǎn)管理者對(duì)生產(chǎn)改進(jìn)的每一決策，都需謹(jǐn)慎考慮。措施不當(dāng)，往往需要付出高昂的代價(jià)。而正是由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，快節(jié)奏和柔性，要想預(yù)測(cè)每一個(gè)決策給系統(tǒng)帶來(lái)的后果，已經(jīng)是人的大腦無(wú)法勝任的了。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)正是彌補(bǔ)了這一不足，成為自動(dòng)化物流系統(tǒng)管理者的有用工具，成為生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的得力助手。
自動(dòng)化物流系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，不僅可以避免建立物理試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的投資，減少設(shè)計(jì)成本，而且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行精確計(jì)算和驗(yàn)證分析，提高系統(tǒng)方案的可行性。根據(jù)物流中心的工藝設(shè)備參數(shù)和工藝流程建立起來(lái)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以形成直觀立體的三維仿真動(dòng)畫(huà)，提供生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)量，確定瓶頸位置，報(bào)告資源利用率。還可以被用來(lái)支持投資決定，校驗(yàn)物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)對(duì)不同的物流策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)找出最優(yōu)解。仿真運(yùn)行結(jié)束后可根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)生成仿真報(bào)告，顯示各個(gè)物流設(shè)備的利用率、空閑率、阻塞率等數(shù)據(jù)。可根據(jù)仿真報(bào)告提供的數(shù)據(jù)對(duì)物流系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行判斷，做出科學(xué)決策。
2．物流系統(tǒng)仿真的核心技術(shù)
仿真可定義為：在全部時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型性能的觀測(cè)來(lái)求解問(wèn)題的技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真就是利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)達(dá)到對(duì)被仿真系統(tǒng)的分析、研究、設(shè)計(jì)等目的。仿真技術(shù)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)于一身的現(xiàn)代高科技，它能仿真出一個(gè)其實(shí)的環(huán)境，一種真實(shí)的感受，可應(yīng)用于宇宙飛船、核電站、飛機(jī)、輪船等大中型高精密儀器操作者的仿真訓(xùn)練，也可應(yīng)用于我國(guó)正在興建的自動(dòng)化物流系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、模擬、演示和分析。
物流系統(tǒng)的仿真是典型的離散事件系統(tǒng)仿真，其核心是時(shí)鐘推進(jìn)和事件調(diào)度的機(jī)制。離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的；而且，“事件”往往發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上，亦稱為隨機(jī)事件，因而離散事件系統(tǒng)一般都具有隨機(jī)特性；系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化的。
基于離散事件仿真的分析方法（Discrete Event Simulation based Modeling Methods）對(duì)供應(yīng)鏈仿真的研究主要是利用離散事件仿真(DES, Discrete event simulation)，并綜合利用運(yùn)籌學(xué)、軟計(jì)算等優(yōu)化及建模技術(shù)，重點(diǎn)解決供應(yīng)鏈系統(tǒng)中供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)、位置決策、庫(kù)存管理決策等戰(zhàn)略決策問(wèn)題；普遍采用可重用的模塊化設(shè)計(jì)，利用圖形過(guò)程建模方法建立系統(tǒng)模型，在增強(qiáng)系統(tǒng)柔性的同時(shí)，降低用戶使用仿真器的復(fù)雜度。
為了直觀地、現(xiàn)實(shí)地展現(xiàn)所設(shè)計(jì)的物流系統(tǒng)的運(yùn)行效果，需要多媒體計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境，最典型的是3D可視化圖形技術(shù)。除了高效的2D視圖外，還能在虛擬的現(xiàn)實(shí) 3D 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)仿真可視化。借助仿真軟件的的資源庫(kù)或CAD數(shù)據(jù)，可以建立逼真的3D模型，該模型具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)、事件驅(qū)動(dòng)、演示、效果評(píng)價(jià)等多種用途。
3 計(jì)算機(jī)仿真的基本步驟和方法
3.1 選擇合適的計(jì)算機(jī)仿真軟件
3.2 建立仿真模型
根據(jù)自動(dòng)化物流系統(tǒng)的需求和工藝流程建立系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，并確立系統(tǒng)基本設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。
3.3 編寫(xiě)邏輯控制程序
根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程和系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系，以及物料流動(dòng)過(guò)程中，設(shè)備處理該物料所需的時(shí)間等編寫(xiě)邏輯控制程序。
3.4 運(yùn)行仿真系統(tǒng)
根據(jù)物流系統(tǒng)的需求流量，計(jì)算出物料出現(xiàn)的時(shí)間頻率，把這個(gè)頻率值輸入系統(tǒng)，即可運(yùn)行此仿真系統(tǒng)。仿真運(yùn)行時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際物流系統(tǒng)的生產(chǎn)班次，也可按照最大物流量進(jìn)行模擬。
3.5 仿真結(jié)果分析和優(yōu)化
根據(jù)流程運(yùn)行結(jié)果，進(jìn)行分析，系統(tǒng)是否存在瓶頸，流程是否暢通，物流量能否滿足需求。根據(jù)最后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析物流量能否滿足需求。如果系統(tǒng)運(yùn)行后，結(jié)果有不理想之處，要根據(jù)相應(yīng)的原因，調(diào)整方案或者改變參數(shù)，直至滿足物流系統(tǒng)的生產(chǎn)需求。生成三維動(dòng)畫(huà)輸出結(jié)果及仿真報(bào)告，提交給自動(dòng)化物流系統(tǒng)的管理者和設(shè)計(jì)者，進(jìn)一步優(yōu)化和完善。
4．物流系統(tǒng)三維虛擬仿真的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)
三維虛擬仿真（3D Virtual Simulation）就是利用三維建模技術(shù)，構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界的三維場(chǎng)景并通過(guò)一定的軟件環(huán)境驅(qū)動(dòng)整個(gè)三維場(chǎng)景，響應(yīng)用戶的輸入，根據(jù)用戶的不同動(dòng)作做出相應(yīng)的反應(yīng)，并在三維環(huán)境中顯示出來(lái)。三維仿真的關(guān)鍵技術(shù)主要有動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術(shù)等。
4．1 仿真平臺(tái)的組成
仿真平臺(tái)通常構(gòu)建在基于Windows系統(tǒng)的PC機(jī)或圖形工作站上。仿真平臺(tái)主要有以下4個(gè)模塊組成：特征造型數(shù)據(jù)類庫(kù)、三維場(chǎng)景管理模塊和交互接口模塊。
4．2面向?qū)ο蟮姆抡娼７椒?br>
計(jì)算機(jī)仿真主要包括仿真建模、程序?qū)崿F(xiàn)、仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析三大部分。建模階段，主要根據(jù)研究目的、系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)觀察的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定各組成要素以及表征這些要素的狀態(tài)變量和參數(shù)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，建立被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)邏輯模型。
在面向?qū)ο笙到y(tǒng)仿真建模時(shí)，對(duì)象是基本的運(yùn)行時(shí)實(shí)體，既包括數(shù)據(jù)（屬性），又包括作用于數(shù)據(jù)的操作（行為），所以一個(gè)對(duì)象把屬性和行為封裝成一個(gè)整體。一個(gè)類定義了一組大體上相似的對(duì)象。一個(gè)類所包含的方法和數(shù)據(jù)描述一組對(duì)象的共同行為和屬性。對(duì)象之間進(jìn)行通信的方式叫消息機(jī)制。不同層次類之間共享數(shù)據(jù)和操作的機(jī)制叫繼承。一切事物以對(duì)象為唯一模型，對(duì)象間除了互相傳送消息外，沒(méi)有別的聯(lián)系。
5 國(guó)際上典型的物流仿真軟件簡(jiǎn)介
由于存在著如此多的仿真軟件，如何正確的選擇軟件至關(guān)重要。目前，用于物流系統(tǒng)、特別是制造業(yè)的仿真軟件多達(dá)十幾種，由于篇幅所限，不能一一介紹，下面列舉出典型的適用于物流系統(tǒng)三維虛擬仿真軟件。
5．1 Automod
Automod是目前市面上比較成熟的三維物流仿真軟件。該軟件提供了真實(shí)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)，使得仿真模型非常用以理解；提供了高級(jí)的特征讓用戶可以仿真復(fù)雜的活動(dòng)，如機(jī)器人、設(shè)備工具、生產(chǎn)線等的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。該軟件還為用戶提供了一套基于專家系統(tǒng)的物料搬運(yùn)系統(tǒng)，它是根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化的真實(shí)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的。主要包括了三大模塊：AutoMod、AutoStat和AutoView。AutoMod模塊提供給用戶一系列的物流系統(tǒng)模塊來(lái)仿真現(xiàn)實(shí)世界中的物流自動(dòng)化系統(tǒng)。主要包括輸送機(jī)模塊（輥道、鏈?zhǔn)剑�，自�?dòng)化存取系統(tǒng)（立體倉(cāng)庫(kù)、堆垛機(jī)），基于路徑的移動(dòng)設(shè)備（AGV等），起重機(jī)模塊等。AutoStat模塊為仿真項(xiàng)目提供增強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析工具，由用戶定義測(cè)量和實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)在AutoMod的模型上執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析。主要特點(diǎn)是：基于發(fā)展策略運(yùn)算法則的最優(yōu)化分析，用戶為得到更好的模型來(lái)定義輸出審核，多CPU并行計(jì)算等。AutoView可以允許用戶通過(guò)AutoMod模型定義場(chǎng)景和攝像機(jī)的移動(dòng)，產(chǎn)生高質(zhì)量的AVI格式的動(dòng)畫(huà)。用戶可以縮放或者平移視圖，或使攝像機(jī)跟蹤一個(gè)物體的移動(dòng)，如叉車或托盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。AutoView可以提供動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景描述和靈活的顯示方式。
5.2 Flexsim
Flexsim的前身是Taylor II，F(xiàn)lexsim應(yīng)用深層開(kāi)發(fā)對(duì)象，這些對(duì)象代表著一定的活動(dòng)和排序過(guò)程。要想利用模板 里的某個(gè)對(duì)象，只需要用鼠標(biāo)把該對(duì)象從庫(kù)里拖出來(lái)放在模型視窗即可。每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)坐標(biāo)（x,y,z）、速度（x,y,z），旋轉(zhuǎn)以及一個(gè)動(dòng)態(tài)行為（時(shí)間）。對(duì)象可以創(chuàng)建、刪除，而且可以彼此嵌套移動(dòng)，它們都有自己的功能或繼承來(lái)自其他對(duì)象的功能。這些對(duì)象的參數(shù)可以把任何制造業(yè)、物料處理和業(yè)務(wù)流程的快速、輕易、高效建模的主要特征描述出來(lái)。不過(guò)其宣稱的Flexsim內(nèi)置了虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽窗口，可以讓用戶添加光源、霧以及虛擬現(xiàn)實(shí)立體技術(shù)，個(gè)人感覺(jué)僅是個(gè)噱頭而已。
5.3 RaLC（樂(lè)龍）
樂(lè)龍軟件由日本人工智能服務(wù)有限公司開(kāi)發(fā)，完全中文化界面，點(diǎn)擊按鈕即可在三維立體畫(huà)面上顯示出的對(duì)象物體，通過(guò)對(duì)這些對(duì)象物體的配置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)對(duì)象物體的形狀和規(guī)格，即使在仿真執(zhí)行中也很容易可設(shè)置其屬性�？梢苑浅Ｖ庇^且簡(jiǎn)單的建模。由于仿真結(jié)果以動(dòng)作日志形式排出，所以可以自由進(jìn)行分析。用戶獨(dú)創(chuàng)性機(jī)器設(shè)備可以與模型整合。人工作業(yè)功能的作業(yè)管理器也可以說(shuō)是杰作，如，對(duì)于“分揀、驗(yàn)貨、包裝、搬運(yùn)” 等一系列作業(yè)，用戶既可以讓多數(shù)人來(lái)分擔(dān)，又可以使工人互相協(xié)助；或設(shè)定作業(yè)優(yōu)先度等。僅僅在選用內(nèi)設(shè)菜單選項(xiàng)即可簡(jiǎn)單完成這些復(fù)雜的作業(yè)運(yùn)行，不需要任何復(fù)雜編程，且附帶有能自動(dòng)生成最短行進(jìn)路徑的智能化功能，比如，只要給出存貨位置數(shù)據(jù)和分揀指令，作業(yè)員就會(huì)走向指令產(chǎn)品的放置位置去揀貨。即使貨位數(shù)據(jù)當(dāng)場(chǎng)發(fā)生變化，作業(yè)員也能立即去適應(yīng)，當(dāng)布局和貨位每發(fā)生變化時(shí)，行走路徑的設(shè)置上不必花費(fèi)太多時(shí)間就能極其簡(jiǎn)單地進(jìn)行多方面的驗(yàn)證�；诖斯δ埽部梢栽跊](méi)有傳送帶和自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)等機(jī)器設(shè)備的平置型倉(cāng)庫(kù)的人員模擬操作中靈活使用，其效果極好。
5.4 Witness
Witness是英國(guó)Lanner Group的產(chǎn)品，是平面離散系統(tǒng)生產(chǎn)線仿真器，操作簡(jiǎn)單，在低配置計(jì)算機(jī)上也完全可以靈活使用，是生產(chǎn)線仿真器的老字號(hào)，其齊備的基本仿真功能和處理優(yōu)勢(shì)，一直是大家所公認(rèn)的。作為可選項(xiàng)，還具備了三維立體顯示功能（VR)，擴(kuò)大了其適用范圍，不過(guò)三維立體顯示功能是后來(lái)添加的可選項(xiàng)，所以不適合模型從大致輪廓的概念設(shè)計(jì)開(kāi)始依次建構(gòu)下去的動(dòng)態(tài)過(guò)程中使用。
該軟件提供離散事件仿真。該軟件具備的多種工具使得對(duì)自動(dòng)化制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真非常容易。周轉(zhuǎn)時(shí)間、損壞模式和定時(shí)，調(diào)整模式和定時(shí)，緩沖設(shè)備容量和保存時(shí)間，機(jī)器類型等連同路徑信息都為仿真提供了方便性。該軟件還包括物料流動(dòng)優(yōu)化，虛擬現(xiàn)實(shí)功能。有效地物流流動(dòng)可以最小化設(shè)備間物料和產(chǎn)品流動(dòng)的費(fèi)用。
6 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬企業(yè)、虛擬制造技術(shù)不斷深入，物流仿真系統(tǒng)軟件已經(jīng)成為虛擬制造系統(tǒng)和物流企業(yè)的重要組成部分，將得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
6.1 多維仿真進(jìn)入物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布局規(guī)劃
要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和物流工藝更加有效的布局規(guī)劃，一個(gè)重要的工具無(wú)疑是仿真。仿真軟件將憑經(jīng)驗(yàn)的猜測(cè)從物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去除，對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的工藝流程特別有效。在屏幕上，操作者可以觀察不同的場(chǎng)景，通過(guò)不同的生產(chǎn)能力對(duì)各種物流方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，并可以假設(shè)一些條件，比如一個(gè)子系統(tǒng)暫時(shí)停止工作后，觀察可能發(fā)生的情況。
仿真軟件的開(kāi)發(fā)者們也繼續(xù)在提高軟件的水平，最新的軟件通過(guò)四維(x、y、z、時(shí)間)設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)更加接近現(xiàn)實(shí)世界。更加復(fù)雜的軟件傾向于軟件不但在設(shè)計(jì)時(shí)是一個(gè)很好的幫助，也成為一個(gè)操作控制工具。
6.2未來(lái)的研究方向
隨著物流系統(tǒng)的復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的不斷深入，以下應(yīng)該是三維虛擬物流模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)一步的研究方向：
有開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)接口，以便實(shí)現(xiàn)不同層次和不同行業(yè)的專業(yè)化物流模擬坊真需求；
用戶可以加入復(fù)雜的流程邏輯和動(dòng)作規(guī)則，可以進(jìn)行仿真的動(dòng)態(tài)優(yōu)化；
進(jìn)一步向多媒體方向發(fā)展，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不但可以進(jìn)行AUTOCAD和3D仿真，而且可以模擬現(xiàn)場(chǎng)聲、光、震動(dòng)等多媒體環(huán)境,進(jìn)行人員的培訓(xùn)；
隨機(jī)離散事件模擬與隨時(shí)間連續(xù)變化事件模擬有機(jī)結(jié)合的仿真系統(tǒng)。
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