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基于Flexsim的虚拟现实物流仿真应用
2010年9月8日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:刘中贺(北京邮电大学自动化学院)
    作者Email:liuzhonghe0717@hotmail.com

    摘要:虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术等技术的基础上发展起来的交叉技术。物流仿真技术是针对物流系统进行系统建模,在计算机上编制相应应用程序模拟物流系统实际运行状况,并统计和分析模拟结果。本文以Flexsim仿真软件为例,探讨虚拟现实在物流仿真的应用,对某立体仓库进行系统仿真并设计优化方案。

    1. 引言

    当前,仿真技术已经成为研究、分析各种复杂系统的重要手段,它广泛应用于工程领域和非工程领域。仿真可以这样定义:在一定时间内,通过对系统动态模型性能的分析以达到求解问题的目的。物流系统是企业生产的一个重要组成部分,物流运作合理化是提高企业效率和竞争力的重要方法之一。因此对物流系统模拟仿真的研究,也逐渐受到人们的重视。本文主要介绍虚拟现实技术和物流仿真技术,并以Flexsim仿真软件为例,说明虚拟现实技术在物流仿真的应用。

    2. 虚拟显示技术和物流仿真技术

    虚拟现实(Virtual Reality,简称VR),是一种采用以计算机技术为核心对基于可计算信息生成特定范围逼真的视、听、触觉一体化沉浸式虚拟交互环境。用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用,从而产生身临其境的感受和体验。从本质上讲,虚拟现实技术是对现实世界的再现和梦境的实现,从技术角度讲,它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面对对象的综合技术开发。虚拟现实也被称为人工现实、电脑空间、人工合成环境、灵境等,它将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式[1]。实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是虚拟现实技术的三个主要方面。

    物流仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学手段,采用虚拟现实方法,对物流系统进行实际模仿的一项应用技术,它需要借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与求解算法分析,通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的瞬间仿效记录,进而研究物流系统的性能和输出效果。物流仿真是指评估对象系统(配送中心、仓库存储系统、拣货系统、运输系统等)的整体能力的一种评价方法[2]。在系统仿真中,仿真的三项基本要素是:系统、模型和计算机。将三要素联系起来的三项基本活动是系统建模、仿真建模和仿真试验。应用于物流仿真中,系统建模就是要根据物流仿真的目的,系统试验知识和试验资料来确定系统数学模型的框架、结构和参数。模型的繁简程度应与仿真目的相匹配,确保模型的有效性和仿真的经济性。其次将数学模型转变成仿真模型,建立仿真试验框架,之后利用仿真软件将仿真模型输入计算机,设定试验条件,根据仿真目的在模型上进行试验。最后将试验结果进行分析、整理及文档化,根据分析的结果修正数学模型、仿真模型、仿真程序,以进行新的试验。

    3. 虚拟现实的应用——物流仿真软件

    随着物流的发展,物流系统已经变得越来越复杂,内部的关联性也随之变得越来越强。

    仿真就成了企业检测其物流系统及决策是否有效或高效的一个重要途径;此外,企业设计一个新的物流系统,或对已有的系统添加新技术、新装备,进行原有系统改造,都需要物流仿真技术和仿真软件的应用。下面以Flexsim仿真软件为例介绍物流仿真软件。

    Flexsim是美国的三维物流仿真软件,能应用于系统建模、仿真以及实现业务流程可视化。Flexsim中的对象参数可以表示基本上所有的存在的实物对象,如机器装备、操作人员、传送带、叉车、仓库、集装箱等,同时数据信息可以用Flexsim丰富的模型库表示出来。Flexsim具有层次结构,可以使用继承来节省开发时间。而且它还是面向对象的开放式软件。对象、视窗、图形用户界面、菜单列表、对象参数等都是非常直观的。由于Flexsim的对象是开放的,所以这些对象可以在不同的用户、库和模型之间进行交换,再结合对象的高度可自定义性,可以大大提高建模的速度[3]。Flexsim的用户性和可移植性扩展了对象和模型的生命周期。

    Flexsim仿真软件在物流系统的应用过程主要分系统建模、仿真模拟、仿真结果输出三个阶段。

    3.1 系统建模

    Flexsim应用深层开发对象,这些对象代表着一定的活动和排序过程。要想利用Flexsim软件模板里的某个对象,只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。每一个对象都有一个坐标、速度、旋转以及一个动态行为(时间)。对象可以创建、删除,而且可以彼此嵌套移动,它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能。这些对象的参数可以把任何物流系统的处理和业务流程快速、高效地予以特征描述。Flexsim中的对象参数可以表示几乎所有存在的实物对象。像机器、操作员、传送带、叉车、仓库、交通灯、储罐、箱子、货盘、集装箱等等都可以用Flexsim中的模型表示,同时数据信息也可以轻松地用Flexsim丰富的模型库表示出来。

    3.2 系统仿真模拟

    Flexsim中有一个仿真引擎,该引擎可同时运行仿真和模型视窗(可视化),Flexsim还可以用试验的形式来仿真假定的情节,而且它可以自动运行并把结果存在报告、图表中。可以利用预定义和自定义的行为指示器,像用处、生产量、研制周期、费用等来分析每一个情节。而且也可以将结果导入到别的应用程序像Microsoft Word和Excel等,利用ODBC(开放式数据库连接)和DDEC(动态数据交换连接)可以直接输入仿真数据。

    3.3 仿真结果的可视化输出

    Flexsim把所有最新的虚拟现实博弈图形整合在个人计算机上。Flexsim中有可以直接导入3DS(3D Studio),VRML、3D DXF and STL等类型文件的选项。Flexsim内置了虚拟现实浏览窗口,可以让用户添加光源、雾以及虚拟现实立体技术。用户定义的“Fly-Throughs”可以被定义为艺术模型状态显示出来。AVI文件可以通过Flexsim的AVI录制器快速生成。任何模型都能被录制、拷贝到CD,以及发送到任何人的实时查看器中。

    4. 应用举例

    下面以某自动化立体仓库为例,通过Flexsim系统仿真运行模型并分析结果[4]。图1是基于Flexsim建立的系统模型:

图1 基于Flexsim建立的自动化立体仓库模型
图1 基于Flexsim建立的自动化立体仓库模型
(a)整体结构     (b)理货区     (c)出库区

    图2是立体仓库模型的作业流程,货物运送到仓库后,首先在理货区进行验收、理货,并按照码盘工艺要求将成件货物码放在托盘上。托盘货物由分类输送机传送到入库站台,由巷道堆垛机沿巷道运行到货架的指定货位放置货物,完成货物的入库过程。出库时,巷道堆垛机行驶到指定的货位处,取出托盘货物放在输送机上,由输送机将货物送到出库站台由叉车运送到出库口。    

图2 自动化立体仓库作业流程
图2 自动化立体仓库作业流程

    立体仓库的主要参数:输送机的速度为1m/s,自动分拣和码托盘的处理时间是10 s,堆垛机水平速度为2 m/s,叉车运行速度为2 m/s。货架有4排,每排有9×80个货位。在仓库正常运行情况下,用Flexsim软件模拟仿真,得到各设备利用率如表1所示:

表1 仿真模型设备效率
表1 仿真模型设备效率

    由表1可以看出理货区叉车和出库区叉车的效率较高,运行正常。堆垛机和入库区叉车的运行效率较低,存在设备闲置的状况,理货区货物暂存区利用率偏高,可能影响下游设备的工作,有待改进。基于以上结果,提出改进策略:立体仓库巷道减少一条,堆垛机减少为2个,减少1辆入库叉车,节约成本,协调设备运行速度和效率。改进后经过Flexsim系统仿真后得到各设备利用率如表2所示:

表2 优化后模型设备效率
表2 优化后模型设备效率

    系统改进后,满负荷运转情况得到改善,设备闲置和低效率的情况也得到缓解,设备利用率明显更加合理,优化后的方案较之前方案整体效率有显著提高。

    5. 总结

    基于虚拟现实技术的仿真方法应用主要集中在对真实的复杂物流系统的建模研究和总体优化上。虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统,成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

    参考文献:
 
    [1] 李湘德,彭斌.虚拟现实技术发展综述.[J]创新论坛,2004,25(6),10-14.
 
    [2] 方庆琯,王转.现代物流设施与规划.[M],北京:机械工业出版社,2004.

    [3] 张卫德,严洪森,徐成.基于Flexsim的生产线仿真和应用.[J],工业控制计算机,2005,18(9):46-47.

    [4] 刘利军,阮建敏,谭莲,等.基于仿真的自动化立体仓库运行效率的研究.[J],煤矿机械,2006,27(10):66-68.

 

标签:物流Flexsim
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