【原创】三维虚拟仿真技术在物流系统仿真中的应用研究

1. 引言

1.1研究的意义

当前，仿真技术已经成为分析、研究各种复杂系统的重要工具，它广泛用于工程领域和非工程领域。物流系统是企业生产和流通领域以及整个供应链的一个重要组成部分，物流合理化是提高供应链生产率最重要的方法之一。因此对物流系统的设计和仿真的研究，也日益受到人们的重视。

由于物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强。仿真是公司检验其物流系统及决策是否真的高效的唯一可用技术了。在设计一个新的物流系统，对已由系统添加新设备或重新优化，仿真都是非常必要的。同时，三维虚拟仿真还用来提供直觉的和经验的决策支持。在当市场和技术条件下，物流仿真可用使用专用软件来虚拟实现。

1.2. 物流系统应用三维虚拟仿真技术的必要性

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胜任的了。计算机仿真技术正是弥补了这一不足，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。

自动化物流系统应用计算机仿真技术，不仅可以避免建立物理试验模拟系统的投资，减少设计成本，而且可以通过计算机技术进行精确计算和验证分析，提高系统方案的可行性。根据物流中心的工艺设备参数和工艺流程建立起来的计算机仿真系统，可以形成直观立体的三维仿真动画，提供生产系统的生产量，确定瓶颈位置，报告资源利用率。还可以被用来支持投资决定，校验物流系统设计的合理性，通过对不同的物流策略进行仿真实验来找出最优解。仿真运行结束后可根据统计数据生成仿真报告，显示各个物流设备的利用率、空闲率、阻塞率等数据。可根据仿真报告提供的数据对物流系统的优缺点进行判断，做出科学决策。

2．物流系统仿真的核心技术

仿真可定义为：在全部时间内，通过对系统的动态模型性能的观测来求解问题的技术。计算机仿真就是利用计算机运算系统的数学模型来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。仿真技术是集计算机技术、多媒体技术、通讯技术、控制技术于一身的现代高科技，它能仿真出一个其实的环境，一种真实的感受，可应用于宇宙飞船、核电站、飞机、轮船等大中型高精密仪器操作者的仿真训练，也可应用于我国正在兴建的自动化物流系统的规划、设计、模拟、演示和分析。

物流系统的仿真是典型的离散事件系统仿真，其核心是时钟推进和事件调度的机制。离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。这种引起状态变化的行为称为“事件”，因而这类系统是由事件驱动的；而且，“事件”往往发生在随机时间点上，亦称为随机事件，因而离散事件系统一般都具有随机特性；系统的状态变量往往是离散变化的。

基于离散事件仿真的分析方法（Discrete Event Simulation based Modeling Methods）对供应链仿真的研究主要是利用离散事件仿真(DES, Discrete event simulation)，并综合利用运筹学、软计算等优化及建模技术，重点解决供应链系统中供应链设计、位置决策、库存管理决策等战略决策问题；普遍采用可重用的模块化设计，利用图形过程建模方法建立系统模型，在增强系统柔性的同时，降低用户使用仿真器的复杂度。

为了直观地、现实地展现所设计的物流系统的运行效果，需要多媒体计算机仿真环境，最典型的是3D可视化图形技术。除了高效的2D视图外，还能在虚拟的现实 3D 环境中实现仿真可视化。借助仿真软件的的资源库或CAD数据，可以建立逼真的3D模型，该模型具有系统设计、事件驱动、演示、效果评价等多种用途。

3 计算机仿真的基本步骤和方法

3.1 选择合适的计算机仿真软件

3.2 建立仿真模型

根据自动化物流系统的需求和工艺流程建立系统的计算机仿真模型，并确立系统基本设备的运行参数。

3.3 编写逻辑控制程序

根据系统的工艺流程和系统的逻辑控制关系，以及物料流动过程中，设备处理该物料所需的时间等编写逻辑控制程序。

3.4 运行仿真系统

根据物流系统的需求流量，计算出物料出现的时间频率，把这个频率值输入系统，即可运行此仿真系统。仿真运行时间可以根据实际物流系统的生产班次，也可按照最大物流量进行模拟。

3.5 仿真结果分析和优化

根据流程运行结果，进行分析，系统是否存在瓶颈，流程是否畅通，物流量能否满足需求。根据最后的数据统计结果，分析物流量能否满足需求。如果系统运行后，结果有不理想之处，要根据相应的原因，调整方案或者改变参数，直至满足物流系统的生产需求。生成三维动画输出结果及仿真报告，提交给自动化物流系统的管理者和设计者，进一步优化和完善。

4．物流系统三维虚拟仿真的计算机实现

三维虚拟仿真（3D Virtual Simulation）就是利用三维建模技术，构建现实世界的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。三维仿真的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等。

4．1 仿真平台的组成

仿真平台通常构建在基于Windows系统的PC机或图形工作站上。仿真平台主要有以下4个模块组成：特征造型数据类库、三维场景管理模块和交互接口模块。

4．2面向对象的仿真建模方法

计算机仿真主要包括仿真建模、程序实现、仿真结果的统计分析三大部分。建模阶段，主要根据研究目的、系统的先验知识及实验观察的数据，对系统进行分析，确定各组成要素以及表征这些要素的状态变量和参数之间的数学逻辑关系，建立被研究系统的数学逻辑模型。

在面向对象系统仿真建模时，对象是基本的运行时实体，既包括数据（属性），又包括作用于数据的操作（行为），所以一个对象把属性和行为封装成一个整体。一个类定义了一组大体上相似的对象。一个类所包含的方法和数据描述一组对象的共同行为和属性。对象之间进行通信的方式叫消息机制。不同层次类之间共享数据和操作的机制叫继承。一切事物以对象为唯一模型，对象间除了互相传送消息外，没有别的联系。

5 国际上典型的物流仿真软件简介

由于存在着如此多的仿真软件，如何正确的选择软件至关重要。目前，用于物流系统、特别是制造业的仿真软件多达十几种，由于篇幅所限，不能一一介绍，下面列举出典型的适用于物流系统三维虚拟仿真软件。

5．1 Automod

Automod是目前市面上比较成熟的三维物流仿真软件。该软件提供了真实的三维虚拟现实动画，使得仿真模型非常用以理解；提供了高级的特征让用户可以仿真复杂的活动，如机器人、设备工具、生产线等的运动和转动。该软件还为用户提供了一套基于专家系统的物料搬运系统，它是根据工业自动化的真实运行经验开发的。主要包括了三大模块：AutoMod、AutoStat和AutoView。AutoMod模块提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统。主要包括输送机模块（辊道、链式），自动化存取系统（立体仓库、堆垛机），基于路径的移动设备（AGV等），起重机模块等。AutoStat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具，由用户定义测量和实验的标准，自动在AutoMod的模型上执行统计分析。主要特点是：基于发展策略运算法则的最优化分析，用户为得到更好的模型来定义输出审核，多CPU并行计算等。AutoView可以允许用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的AVI格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。AutoView可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。

5.2 Flexsim

Flexsim的前身是Taylor II，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（x,y,z）、速度（x,y,z），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制造业、物料处理和业务流程的快速、轻易、高效建模的主要特征描述出来。不过其宣称的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，个人感觉仅是个噱头而已。

5.3 RaLC（乐龙）

乐龙软件由日本人工智能服务有限公司开发，完全中文化界面，点击按钮即可在三维立体画面上显示出的对象物体，通过对这些对象物体的配置来进行设计，对各个对象物体的形状和规格，即使在仿真执行中也很容易可设置其属性。可以非常直观且简单的建模。由于仿真结果以动作日志形式排出，所以可以自由进行分析。用户独创性机器设备可以与模型整合。人工作业功能的作业管理器也可以说是杰作，如，对于“分拣、验货、包装、搬运” 等一系列作业，用户既可以让多数人来分担，又可以使工人互相协助；或设定作业优先度等。仅仅在选用内设菜单选项即可简单完成这些复杂的作业运行，不需要任何复杂编程，且附带有能自动生成最短行进路径的智能化功能，比如，只要给出存货位置数据和分拣指令，作业员就会走向指令产品的放置位置去拣货。即使货位数据当场发生变化，作业员也能立即去适应，当布局和货位每发生变化时，行走路径的设置上不必花费太多时间就能极其简单地进行多方面的验证。基于此功能，也可以在没有传送带和自动立体仓库等机器设备的平置型仓库的人员模拟操作中灵活使用，其效果极好。

5.4 Witness

Witness是英国Lanner Group的产品，是平面离散系统生产线仿真器，操作简单，在低配置计算机上也完全可以灵活使用，是生产线仿真器的老字号，其齐备的基本仿真功能和处理优势，一直是大家所公认的。作为可选项，还具备了三维立体显示功能（VR)，扩大了其适用范围，不过三维立体显示功能是后来添加的可选项，所以不适合模型从大致轮廓的概念设计开始依次建构下去的动态过程中使用。

该软件提供离散事件仿真。该软件具备的多种工具使得对自动化制造系统进行仿真非常容易。周转时间、损坏模式和定时，调整模式和定时，缓冲设备容量和保存时间，机器类型等连同路径信息都为仿真提供了方便性。该软件还包括物料流动优化，虚拟现实功能。有效地物流流动可以最小化设备间物料和产品流动的费用。

6 未来的发展趋势和研究方向

随着计算机技术及自动化技术的迅速发展，虚拟企业、虚拟制造技术不断深入，物流仿真系统软件已经成为虚拟制造系统和物流企业的重要组成部分，将得到更广泛的应用和发展。

6.1 多维仿真进入物流系统的设计与布局规划

要实现对设备和物流工艺更加有效的布局规划，一个重要的工具无疑是仿真。仿真软件将凭经验的猜测从物流系统设计中去除，对设计一个复杂的工艺流程特别有效。在屏幕上，操作者可以观察不同的场景，通过不同的生产能力对各种物流方案进行评价，并可以假设一些条件，比如一个子系统暂时停止工作后，观察可能发生的情况。

仿真软件的开发者们也继续在提高软件的水平，最新的软件通过四维(x、y、z、时间)设计，使得系统更加接近现实世界。更加复杂的软件倾向于软件不但在设计时是一个很好的帮助，也成为一个操作控制工具。

6.2未来的研究方向

随着物流系统的复杂性和开发、应用的不断深入，以下应该是三维虚拟物流模拟仿真系统进一步的研究方向：
 有开放的二次开发接口，以便实现不同层次和不同行业的专业化物流模拟坊真需求；
 用户可以加入复杂的流程逻辑和动作规则，可以进行仿真的动态优化；
 进一步向多媒体方向发展，引入虚拟现实技术，不但可以进行AUTOCAD和3D仿真，而且可以模拟现场声、光、震动等多媒体环境,进行人员的培训；
 随机离散事件模拟与随时间连续变化事件模拟有机结合的仿真系统。

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