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| 談三維虛擬仿真技術(shù)在物流系統(tǒng)仿真中的應用 |
更新時間：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(chǎn)率最重要的方法之一。因此對物流系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)仿真的核心技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)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(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
1. 引言
1.1研究的意義
當前，仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種復雜系統(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(chǎn)率最重要的方法之一。因此對物流系統(tǒng)的設(shè)計和仿真的研究，也日益受到人們的重視。
由于物流系統(tǒng)變得越來越復雜并且內(nèi)部關(guān)聯(lián)性越來越強。仿真是公司檢驗其物流系統(tǒng)及決策是否真的高效的唯一可用技術(shù)了。在設(shè)計一個新的物流系統(tǒng)，對已由系統(tǒng)添加新設(shè)備或重新優(yōu)化，仿真都是非常必要的。同時，三維虛擬仿真還用來提供直覺的和經(jīng)驗的決策支持。在當市場和技術(shù)條件下，物流仿真可用使用專用軟件來虛擬實現(xiàn)。
1.2. 物流系統(tǒng)應用三維虛擬仿真技術(shù)的必要性
隨著物流行業(yè)生產(chǎn)自動化水平的不斷提高，生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復雜，生產(chǎn)節(jié)奏越來越快，生產(chǎn)管理者對生產(chǎn)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(tǒng)的復雜性，快節(jié)奏和柔性，要想預測每一個決策給系統(tǒng)帶來的后果，已經(jīng)是人的大腦無法勝任的了。計算機仿真技術(shù)正是彌補了這一不足，成為自動化物流系統(tǒng)管理者的有用工具，成為生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計人員的得力助手。
自動化物流系統(tǒng)應用計算機仿真技術(shù)，不僅可以避免建立物理試驗模擬系統(tǒng)的投資，減少設(shè)計成本，而且可以通過計算機技術(shù)進行精確計算和驗證分析，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的計算機仿真系統(tǒng)，可以形成直觀立體的三維仿真動畫，提供生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)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(tǒng)設(shè)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(yōu)解。仿真運行結(jié)束后可根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)生成仿真報告，顯示各個物流設(shè)備的利用率、空閑率、阻塞率等數(shù)據(jù)。可根據(jù)仿真報告提供的數(shù)據(jù)對物流系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行判斷，做出科學決策。
2．物流系統(tǒng)仿真的核心技術(shù)
仿真可定義為：在全部時間內(nèi)，通過對系統(tǒng)的動態(tài)模型性能的觀測來求解問題的技術(shù)。計算機仿真就是利用計算機運算系統(tǒng)的數(shù)學模型來達到對被仿真系統(tǒng)的分析、研究、設(shè)計等目的。仿真技術(shù)是集計算機技術(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，它能仿真出一個其實的環(huán)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(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、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，其核心是時鐘推進和事件調(diào)度的機制。離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機時間點上發(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)動的；而且，“事件”往往發(fā)生在隨機時間點上，亦稱為隨機事件，因而離散事件系統(tǒng)一般都具有隨機特性；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(yōu)化及建模技術(shù)，重點解決供應鏈系統(tǒng)中供應鏈設(shè)計、位置決策、庫存管理決策等戰(zhàn)略決策問題；普遍采用可重用的模塊化設(shè)計，利用圖形過程建模方法建立系統(tǒng)模型，在增強系統(tǒng)柔性的同時，降低用戶使用仿真器的復雜度。
為了直觀地、現(xiàn)實地展現(xiàn)所設(shè)計的物流系統(tǒng)的運行效果，需要多媒體計算機仿真環(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 3D 環(huán)境中實現(xiàn)仿真可視化。借助仿真軟件的的資源庫或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、事件驅(qū)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(jù)自動化物流系統(tǒng)的需求和工藝流程建立系統(tǒng)的計算機仿真模型，并確立系統(tǒng)基本設(shè)備的運行參數(shù)。
3.3 編寫邏輯控制程序
根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程和系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系，以及物料流動過程中，設(shè)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(tǒng)
根據(jù)物流系統(tǒng)的需求流量，計算出物料出現(xiàn)的時間頻率，把這個頻率值輸入系統(tǒng)，即可運行此仿真系統(tǒng)。仿真運行時間可以根據(jù)實際物流系統(tǒng)的生產(chǎn)班次，也可按照最大物流量進行模擬。
3.5 仿真結(jié)果分析和優(yōu)化
根據(jù)流程運行結(jié)果，進行分析，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)計結(jié)果，分析物流量能否滿足需求。如果系統(tǒng)運行后，結(jié)果有不理想之處，要根據(jù)相應的原因，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。生成三維動畫輸出結(jié)果及仿真報告，提交給自動化物流系統(tǒng)的管理者和設(shè)計者，進一步優(yōu)化和完善。
4．物流系統(tǒng)三維虛擬仿真的計算機實現(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)實世界的三維場景并通過一定的軟件環(huán)境驅(qū)動整個三維場景，響應用戶的輸入，根據(jù)用戶的不同動作做出相應的反應，并在三維環(huán)境中顯示出來。三維仿真的關(guān)鍵技術(shù)主要有動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應用系統(tǒng)開發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術(shù)等。
4．1 仿真平臺的組成
仿真平臺通常構(gòu)建在基于Windows系統(tǒng)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(shù)據(jù)類庫、三維場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>
計算機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)的先驗知識及實驗觀察的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行分析，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)學邏輯關(guān)系，建立被研究系統(tǒng)的數(shù)學邏輯模型。
在面向?qū)ο笙到y(tǒng)仿真建模時，對象是基本的運行時實體，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(lián)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(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。該軟件提供了真實的三維虛擬現(xiàn)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(shè)備工具、生產(chǎn)線等的運動和轉(zhuǎn)動。該軟件還為用戶提供了一套基于專家系統(tǒng)的物料搬運系統(tǒng)，它是根據(jù)工業(yè)自動化的真實運行經(jīng)驗開發(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)模塊來仿真現(xiàn)實世界中的物流自動化系統(tǒng)。主要包括輸送機模塊（輥道、鏈式），自動化存取系統(tǒng)（立體倉庫、堆垛機），基于路徑的移動設(shè)備（AGV等），起重機模塊等。AutoStat模塊為仿真項目提供增強的統(tǒng)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(zhí)行統(tǒng)計分析。主要特點是：基于發(fā)展策略運算法則的最優(yōu)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(chǎn)生高質(zhì)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(tài)的場景描述和靈活的顯示方式。
5.2 Flexsim
Flexsim的前身是Taylor II，F(xiàn)lexsim應用深層開發(fā)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(zhuǎn)以及一個動態(tài)行為（時間）。對象可以創(chuàng)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(shù)可以把任何制造業(yè)、物料處理和業(yè)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(nèi)置了虛擬現(xiàn)實瀏覽窗口，可以讓用戶添加光源、霧以及虛擬現(xiàn)實立體技術(shù)，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(fā)，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(shè)計，對各個對象物體的形狀和規(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^且簡單的建模。由于仿真結(jié)果以動作日志形式排出，所以可以自由進行分析。用戶獨創(chuàng)性機器設(shè)備可以與模型整合。人工作業(yè)功能的作業(yè)管理器也可以說是杰作，如，對于“分揀、驗貨、包裝、搬運” 等一系列作業(yè)，用戶既可以讓多數(shù)人來分擔，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)菜單選項即可簡單完成這些復雜的作業(yè)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(shù)據(jù)和分揀指令，作業(yè)員就會走向指令產(chǎn)品的放置位置去揀貨。即使貨位數(shù)據(jù)當場發(fā)生變化，作業(yè)員也能立即去適應，當布局和貨位每發(fā)生變化時，行走路徑的設(shè)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(shè)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(chǎn)品，是平面離散系統(tǒng)生產(chǎn)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(chǎn)線仿真器的老字號，其齊備的基本仿真功能和處理優(yōu)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(shè)計開始依次建構(gòu)下去的動態(tài)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(tǒng)進行仿真非常容易。周轉(zhuǎn)時間、損壞模式和定時，調(diào)整模式和定時，緩沖設(shè)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(yōu)化，虛擬現(xiàn)實功能。有效地物流流動可以最小化設(shè)備間物料和產(chǎn)品流動的費用。
6 未來的發(fā)展趨勢和研究方向
隨著計算機技術(shù)及自動化技術(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，將得到更廣泛的應用和發(fā)展。
6.1 多維仿真進入物流系統(tǒng)的設(shè)計與布局規(guī)劃
要實現(xiàn)對設(shè)備和物流工藝更加有效的布局規(guī)劃，一個重要的工具無疑是仿真。仿真軟件將憑經(jīng)驗的猜測從物流系統(tǒng)設(shè)計中去除，對設(shè)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(chǎn)能力對各種物流方案進行評價，并可以假設(shè)一些條件，比如一個子系統(tǒng)暫時停止工作后，觀察可能發(fā)生的情況。
仿真軟件的開發(fā)者們也繼續(xù)在提高軟件的水平，最新的軟件通過四維(x、y、z、時間)設(shè)計，使得系統(tǒng)更加接近現(xiàn)實世界。更加復雜的軟件傾向于軟件不但在設(shè)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(tǒng)的復雜性和開發(fā)、應用的不斷深入，以下應該是三維虛擬物流模擬仿真系統(tǒng)進一步的研究方向：
有開放的二次開發(fā)接口，以便實現(xiàn)不同層次和不同行業(yè)的專業(yè)化物流模擬坊真需求；
用戶可以加入復雜的流程邏輯和動作規(guī)則，可以進行仿真的動態(tài)優(yōu)化；
進一步向多媒體方向發(fā)展，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不但可以進行AUTOCAD和3D仿真，而且可以模擬現(xiàn)場聲、光、震動等多媒體環(huán)境,進行人員的培訓；
隨機離散事件模擬與隨時間連續(xù)變化事件模擬有機結(jié)合的仿真系統(tǒng)。
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文章來源：中國物流學會
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