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| 談三維虛擬仿真技術在物流系統仿真中的應用 |
更新時間：2007-4-17 15:02:55
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摘要：物流系統是企業生產和流通領域以及整個供應鏈的一個重要組成部分，物流合理化是提高供應鏈生產率最重要的方法之一。因此對物流系統的設計和仿真的研究，也日益受到人們的重視。本文主要介紹了物流系統仿真的核心技術和計算機多媒體技術在物流仿真中的應用及國際上主流的三維虛擬仿真軟件。
關鍵字：物流系統模擬，離散事件仿真，多媒體，3D，虛擬現實
1. 引言
1.1研究的意義
當前，仿真技術已經成為分析、研究各種復雜系統的重要工具，它廣泛用于工程領域和非工程領域。物流系統是企業生產和流通領域以及整個供應鏈的一個重要組成部分，物流合理化是提高供應鏈生產率最重要的方法之一。因此對物流系統的設計和仿真的研究，也日益受到人們的重視。
由于物流系統變得越來越復雜并且內部關聯性越來越強。仿真是公司檢驗其物流系統及決策是否真的高效的唯一可用技術了。在設計一個新的物流系統，對已由系統添加新設備或重新優化，仿真都是非常必要的。同時，三維虛擬仿真還用來提供直覺的和經驗的決策支持。在當市場和技術條件下，物流仿真可用使用專用軟件來虛擬實現。
1.2. 物流系統應用三維虛擬仿真技術的必要性
隨著物流行業生產自動化水平的不斷提高，生產系統越來越復雜，生產節奏越來越快，生產管理者對生產改進的每一決策，都需謹慎考慮。措施不當，往往需要付出高昂的代價。而正是由于系統的復雜性，快節奏和柔性，要想預測每一個決策給系統帶來的后果，已經是人的大腦無法勝任的了。計算機仿真技術正是彌補了這一不足，成為自動化物流系統管理者的有用工具，成為生產系統規劃設計人員的得力助手。
自動化物流系統應用計算機仿真技術，不僅可以避免建立物理試驗模擬系統的投資，減少設計成本，而且可以通過計算機技術進行精確計算和驗證分析，提高系統方案的可行性。根據物流中心的工藝設備參數和工藝流程建立起來的計算機仿真系統，可以形成直觀立體的三維仿真動畫，提供生產系統的生產量，確定瓶頸位置，報告資源利用率。還可以被用來支持投資決定，校驗物流系統設計的合理性，通過對不同的物流策略進行仿真實驗來找出最優解。仿真運行結束后可根據統計數據生成仿真報告，顯示各個物流設備的利用率、空閑率、阻塞率等數據�？筛鶕抡鎴蟾嫣峁┑臄祿䦟ξ锪飨到y的優缺點進行判斷，做出科學決策。
2．物流系統仿真的核心技術
仿真可定義為：在全部時間內，通過對系統的動態模型性能的觀測來求解問題的技術。計算機仿真就是利用計算機運算系統的數學模型來達到對被仿真系統的分析、研究、設計等目的。仿真技術是集計算機技術、多媒體技術、通訊技術、控制技術于一身的現代高科技，它能仿真出一個其實的環境，一種真實的感受，可應用于宇宙飛船、核電站、飛機、輪船等大中型高精密儀器操作者的仿真訓練，也可應用于我國正在興建的自動化物流系統的規劃、設計、模擬、演示和分析。
物流系統的仿真是典型的離散事件系統仿真，其核心是時鐘推進和事件調度的機制。離散事件系統是指系統狀態在某些隨機時間點上發生離散變化的系統。這種引起狀態變化的行為稱為“事件”，因而這類系統是由事件驅動的；而且，“事件”往往發生在隨機時間點上，亦稱為隨機事件，因而離散事件系統一般都具有隨機特性；系統的狀態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）對供應鏈仿真的研究主要是利用離散事件仿真(DES, Discrete event simulation)，并綜合利用運籌學、軟計算等優化及建模技術，重點解決供應鏈系統中供應鏈設計、位置決策、庫存管理決策等戰略決策問題；普遍采用可重用的模塊化設計，利用圖形過程建模方法建立系統模型，在增強系統柔性的同時，降低用戶使用仿真器的復雜度。
為了直觀地、現實地展現所設計的物流系統的運行效果，需要多媒體計算機仿真環境，最典型的是3D可視化圖形技術。除了高效的2D視圖外，還能在虛擬的現實 3D 環境中實現仿真可視化。借助仿真軟件的的資源庫或CAD數據，可以建立逼真的3D模型，該模型具有系統設計、事件驅動、演示、效果評價等多種用途。
3 計算機仿真的基本步驟和方法
3.1 選擇合適的計算機仿真軟件
3.2 建立仿真模型
根據自動化物流系統的需求和工藝流程建立系統的計算機仿真模型，并確立系統基本設備的運行參數。
3.3 編寫邏輯控制程序
根據系統的工藝流程和系統的邏輯控制關系，以及物料流動過程中，設備處理該物料所需的時間等編寫邏輯控制程序。
3.4 運行仿真系統
根據物流系統的需求流量，計算出物料出現的時間頻率，把這個頻率值輸入系統，即可運行此仿真系統。仿真運行時間可以根據實際物流系統的生產班次，也可按照最大物流量進行模擬。
3.5 仿真結果分析和優化
根據流程運行結果，進行分析，系統是否存在瓶頸，流程是否暢通，物流量能否滿足需求。根據最后的數據統計結果，分析物流量能否滿足需求。如果系統運行后，結果有不理想之處，要根據相應的原因，調整方案或者改變參數，直至滿足物流系統的生產需求。生成三維動畫輸出結果及仿真報告，提交給自動化物流系統的管理者和設計者，進一步優化和完善。
4．物流系統三維虛擬仿真的計算機實現
三維虛擬仿真（3D Virtual Simulation）就是利用三維建模技術，構建現實世界的三維場景并通過一定的軟件環境驅動整個三維場景，響應用戶的輸入，根據用戶的不同動作做出相應的反應，并在三維環境中顯示出來。三維仿真的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具、系統集成技術等。
4．1 仿真平臺的組成
仿真平臺通常構建在基于Windows系統的PC機或圖形工作站上。仿真平臺主要有以下4個模塊組成：特征造型數據類庫、三維場景管理模塊和交互接口模塊。
4．2面向對象的仿真建模方法
計算機仿真主要包括仿真建模、程序實現、仿真結果的統計分析三大部分。建模階段，主要根據研究目的、系統的先驗知識及實驗觀察的數據，對系統進行分析，確定各組成要素以及表征這些要素的狀態變量和參數之間的數學邏輯關系，建立被研究系統的數學邏輯模型。
在面向對象系統仿真建模時，對象是基本的運行時實體，既包括數據（屬性），又包括作用于數據的操作（行為），所以一個對象把屬性和行為封裝成一個整體。一個類定義了一組大體上相似的對象。一個類所包含的方法和數據描述一組對象的共同行為和屬性。對象之間進行通信的方式叫消息機制。不同層次類之間共享數據和操作的機制叫繼承。一切事物以對象為唯一模型，對象間除了互相傳送消息外，沒有別的聯系。
5 國際上典型的物流仿真軟件簡介
由于存在著如此多的仿真軟件，如何正確的選擇軟件至關重要。目前，用于物流系統、特別是制造業的仿真軟件多達十幾種，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。該軟件提供了真實的三維虛擬現實動畫，使得仿真模型非常用以理解；提供了高級的特征讓用戶可以仿真復雜的活動，如機器人、設備工具、生產線等的運動和轉動。該軟件還為用戶提供了一套基于專家系統的物料搬運系統，它是根據工業自動化的真實運行經驗開發的。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模塊來仿真現實世界中的物流自動化系統。主要包括輸送機模塊（輥道、鏈式），自動化存取系統（立體倉庫、堆垛機），基于路徑的移動設備（AGV等），起重機模塊等。AutoStat模塊為仿真項目提供增強的統計分析工具，由用戶定義測量和實驗的標準，自動在AutoMod的模型上執行統計分析。主要特點是：基于發展策略運算法則的最優化分析，用戶為得到更好的模型來定義輸出審核，多CPU并行計算等。AutoView可以允許用戶通過AutoMod模型定義場景和攝像機的移動，產生高質量的AVI格式的動畫。用戶可以縮放或者平移視圖，或使攝像機跟蹤一個物體的移動，如叉車或托盤的運動。AutoView可以提供動態的場景描述和靈活的顯示方式。
5.2 Flexsim
Flexsim的前身是Taylor II，Flexsim應用深層開發對象，這些對象代表著一定的活動和排序過程。要想利用模板 里的某個對象，只需要用鼠標把該對象從庫里拖出來放在模型視窗即可。每一個對象都有一個坐標（x,y,z）、速度（x,y,z），旋轉以及一個動態行為（時間）。對象可以創建、刪除，而且可以彼此嵌套移動，它們都有自己的功能或繼承來自其他對象的功能。這些對象的參數可以把任何制造業、物料處理和業務流程的快速、輕易、高效建模的主要特征描述出來。不過其宣稱的Flexsim內置了虛擬現實瀏覽窗口，可以讓用戶添加光源、霧以及虛擬現實立體技術，個人感覺僅是個噱頭而已。
5.3 RaLC（樂龍）
樂龍軟件由日本人工智能服務有限公司開發，完全中文化界面，點擊按鈕即可在三維立體畫面上顯示出的對象物體，通過對這些對象物體的配置來進行設計，對各個對象物體的形狀和規格，即使在仿真執行中也很容易可設置其屬性�？梢苑浅Ｖ庇^且簡單的建模。由于仿真結果以動作日志形式排出，所以可以自由進行分析。用戶獨創性機器設備可以與模型整合。人工作業功能的作業管理器也可以說是杰作，如，對于“分揀、驗貨、包裝、搬運” 等一系列作業，用戶既可以讓多數人來分擔，又可以使工人互相協助；或設定作業優先度等。僅僅在選用內設菜單選項即可簡單完成這些復雜的作業運行，不需要任何復雜編程，且附帶有能自動生成最短行進路徑的智能化功能，比如，只要給出存貨位置數據和分揀指令，作業員就會走向指令產品的放置位置去揀貨。即使貨位數據當場發生變化，作業員也能立即去適應，當布局和貨位每發生變化時，行走路徑的設置上不必花費太多時間就能極其簡單地進行多方面的驗證。基于此功能，也可以在沒有傳送帶和自動立體倉庫等機器設備的平置型倉庫的人員模擬操作中靈活使用，其效果極好。
5.4 Witness
Witness是英國Lanner Group的產品，是平面離散系統生產線仿真器，操作簡單，在低配置計算機上也完全可以靈活使用，是生產線仿真器的老字號，其齊備的基本仿真功能和處理優勢，一直是大家所公認的。作為可選項，還具備了三維立體顯示功能（VR)，擴大了其適用范圍，不過三維立體顯示功能是后來添加的可選項，所以不適合模型從大致輪廓的概念設計開始依次建構下去的動態過程中使用。
該軟件提供離散事件仿真。該軟件具備的多種工具使得對自動化制造系統進行仿真非常容易。周轉時間、損壞模式和定時，調整模式和定時，緩沖設備容量和保存時間，機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優化，虛擬現實功能。有效地物流流動可以最小化設備間物料和產品流動的費用。
6 未來的發展趨勢和研究方向
隨著計算機技術及自動化技術的迅速發展，虛擬企業、虛擬制造技術不斷深入，物流仿真系統軟件已經成為虛擬制造系統和物流企業的重要組成部分，將得到更廣泛的應用和發展。
6.1 多維仿真進入物流系統的設計與布局規劃
要實現對設備和物流工藝更加有效的布局規劃，一個重要的工具無疑是仿真。仿真軟件將憑經驗的猜測從物流系統設計中去除，對設計一個復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景，通過不同的生產能力對各種物流方案進行評價，并可以假設一些條件，比如一個子系統暫時停止工作后，觀察可能發生的情況。
仿真軟件的開發者們也繼續在提高軟件的水平，最新的軟件通過四維(x、y、z、時間)設計，使得系統更加接近現實世界。更加復雜的軟件傾向于軟件不但在設計時是一個很好的幫助，也成為一個操作控制工具。
6.2未來的研究方向
隨著物流系統的復雜性和開發、應用的不斷深入，以下應該是三維虛擬物流模擬仿真系統進一步的研究方向：
有開放的二次開發接口，以便實現不同層次和不同行業的專業化物流模擬坊真需求；
用戶可以加入復雜的流程邏輯和動作規則，可以進行仿真的動態優化；
進一步向多媒體方向發展，引入虛擬現實技術，不但可以進行AUTOCAD和3D仿真，而且可以模擬現場聲、光、震動等多媒體環境,進行人員的培訓；
隨機離散事件模擬與隨時間連續變化事件模擬有機結合的仿真系統。
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文章來源：中國物流學會
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