物流系統三維虛擬模擬

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　　物流模擬是針對物流系統進行系統建模，併在電子電腦上編製相應應用程式，模擬實際物流系統運行狀況，並統計和分析模擬結果，用以指導實際物流系統的規劃設計與運作管理。

　　模擬技術已經成為分析、研究各種複雜系統的重要工具，它廣泛用於工程領域和非工程領域。模擬可定義為：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。物流系統是企業生產的一個重要組成部分，物流合理化是提高企業生產率最重要的方法之一。因此對物流系統的設計和模擬的研究，也日益受到人們的重視。

　　物流系統的模擬是典型的離散事件系統模擬，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；系統的狀態變數往往是離散變化的。

　　1、模擬時鐘

　　模擬時鐘用於表示模擬時間的變化。在離散事件系統模擬中，由於系統狀態變化是不連續的，在相鄰兩個事件發生之前，系統狀態不發生變化，因而模擬鐘可以跨越這些“不活動”周期。從一個事件發生時刻，推進到下一個事件發生時刻。由於模擬實質上是對系統狀態在一定時間序列的動態描述。因此，模擬鐘一般是模擬的主要自變數。模擬鐘推進方法有三大類：事件調度法、固定增量推進法和主導時鐘推進法。

　　應指出，模擬時鐘所顯示的是系統模擬所花費的時間，而不是電腦運行模擬模型的時間。因此，模擬時間與真實時間成比例關係。象物流系統這樣複雜的機電系統，模擬時間可比真實時間短的多。真實系統實際運行若幹天，若幹月，用電腦模擬也只需要幾分鐘。

　　2、事件調度法

　　事件調度法是面向事件的方法，是通過定義事件，並按時間順序處理所發生的一系列事件。記錄每一事件發生時引起的系統狀態的變化來完成系統的整個動態過程的模擬。由於事件都是預定的，狀態變化發生在明確的預定的時刻，所以這種方法適合於活動持續時間比較確定的系統。

　　事件調度法中模擬鐘是按下一時間步長法來推進的。通過建立事件表，將預定的事件按時間發生的先後順序放入事件表中。模擬鐘始終推進到最早發生的時間時刻。然後處理該事件發生時的系統狀態的變化，進行用戶所需要的統計計算。這樣，模擬鐘不斷從一個事件發生時間推進到下一個最早發生的事件時間，指導模擬結束。

　　3、隨機數和隨機變數的產生

　　物流系統中工件的到達、運輸車輛的到達和運輸時間等一般都是隨機的。對於有隨機因素影響的系統進行模擬時，首先要建立隨機變數模型。即確定系統的隨機變數並確定這些隨機變數的分佈類型和參數。對於分佈類型是已知的或者是可以根據經驗確定的隨機變數，只要確定它們的參數就可以了。

　　建立了隨機變數模型後還必需能夠在電腦中產生一系列不同分佈的隨機變數的抽樣值來模擬系統中的各種隨機現象。隨機變數的抽樣值產生的實際做法通常是，首先產生一個[0，1]區間的、連續的、均勻分佈的隨機數，然後通過某種變換和運算產生其所需要的隨機變數。

　　得到[0，1]區間均勻分佈的、有良好的獨立性、周期長的隨機數後，下麵的問題是如何產生與實際系統相應的隨機變數。產生隨機變數的前提是根據實際系統隨機變數的觀測值確定隨機變數的分佈及其參數。

　　反變換法是最常用的方法，反變換法以概率積分反變換法則為基礎，設隨機變數X的分佈函數為F（X）；UI是[0，1]區間均勻分佈的隨機數，利用反分佈函數

　X=F-1(μ)

就可以得到所需要的隨機變數X。

　　三維虛擬模擬（3D Virtual Simulation）就是利用三維建模技術，構建現實世界的三維場景並通過一定的軟體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，併在三維環境中顯示出來。三維模擬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、立體顯示和感測器技術、應用系統開發工具、系統集成技術等。

　　1、模擬平臺的組成

　　模擬平臺通常構建在基於Windows系統的PC機或圖形工作站上。模擬平臺主要有以下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介面模塊。

　　各模塊功能如下：

• 特征造型數據類庫：有各類設備的抽象類組成。設備類中封裝了各類設備的造型特征，以及設備的行為。
• 三維場景管理模塊：負責三維場景的構造、變換及顯示。
• 交互介面模塊：處理人機交互輸入。

　　2、面向對象的模擬建模方法

　　電腦模擬主要包括模擬建模、程式實現、模擬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徵這些要素的狀態變數和參數之間的數學邏輯關係，建立被研究系統的數學邏輯模型。

　　在面向對象系統模擬建模時，對象是基本的運行時實體，既包括數據（屬性），又包括作用於數據的操作（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。不同層次類之間共用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，沒有別的聯繫。

　　3、三維圖形模擬工具OpenGL

　　OpenGL最初是SGI公司為其圖形工作站開發的可以獨立於操作系統和硬體環境的圖形開發系統。目前，OpenGL已經成為高性能圖形和互動式圖像處理的工業標準，OpenGL已被多家大公司採用作為圖形標準，並能夠在多種平臺上應用。

　　OpenGL實際是一個3D的API(Application Programming Interface)，它獨立於硬體設備和操作系統，以它為基礎開發的應用程式可以十分方便地在各種平臺間移植。從程式員的角度來看，OpenGL是一組繪圖命令和函數的集合。在微機版本中，OpenGL提供了三個函數庫，它們是基本庫、實用庫和輔助庫。利用這些命令或函數能夠對二維和三維幾何形體進行數學描述，並控制這些形體以某種方式進行繪製。

　　OpenGL不僅能夠繪製整個三維模型，而且可以進行三維交互、動作模擬等。具體功能主要有：模型繪製、模型觀察、顏色模式的指定、光照應用、圖像效果增強、點陣圖和圖像處理、紋理映射、實時動畫。

　　4、三維模擬建模場景的構造和管理

　　1）運用OpenGL進行繪圖並且最終在電腦屏幕上顯示三維景物的基本步驟是：

• 建立物體模型，並對模型進行數學描述，通過用幾何圖元（點、線、多邊形、點陣圖）構造物體錶面而實現。
• 在三維空間中佈置物體，並且設置視點（viewpoint）以觀察場景。
• 計算模型中物體的顏色，在應用程式中可以直接定義，也可以由光照條件或紋理間接給出。
• 光柵化（rasterization），把物體的數學描述和顏色信息轉換成可在屏幕上顯示的象素信息。

　　2）幾何模型的變換：模擬模型所描述的現實世界中的物體都是三維的，而電腦輸出設備CRT只能顯示二維圖像。OpenGL通過一系列的變換實現以平面的形式來表示三維的形體。

　　3）碰撞檢測

　　碰撞檢測是互動式場景漫游需要解決的一個重要問題。每當接收到用戶漫游場景的輸入，系統都要進行檢測，判斷根據用戶的輸入而得到的新的視點是否會與場景中的物體發生碰撞或進入物體內部。由於模擬場景中的設備大多以較為規則的形體疊加而成，所以根據具體設備的形狀將設備簡化為儘可能貼近設備的長方體包圍盒或長方體包圍盒的集合，並且將視點轉化為一個點。這樣，碰撞檢測轉化為判斷一個點是否與長方體相交的問題。從而加快的實時響應速度，取得較好的漫游效果。

　　1、AUTOSIMULATION的AUTOMOD

　　AUTOMOD是目前市面上比較成熟的三維物流模擬軟體。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模擬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），基於路徑的移動設備（AGV等），起重機模塊等。AutoStat模塊為模擬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：基於發展策略運演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並行計算等。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。

　　2、3i的SIMAnimation

　　SIMAnimation 是美國3i公司設計開發的集成化物流模擬軟體。SIMAnimation使用的是先進的基於圖像的模擬語言，這種語言可以簡化模擬模型的創建。由於他OOP編程方法，模擬系統可以非常簡單的創建模型。許多的先進軟體工具都合成為一種語言，它包括佈局編輯器，完全的二維和三維的動畫，曲線擬合，路線優化軟體，試驗編輯器和完整的用戶報表編輯器。同時模擬模型還包括豐富的交互特點，允許使用者去改變參數輸入，其目的是通過模擬實際生產情況及市場波動對系統造成的衝擊，從而避免了在理想化狀態下系統設計所無法預料的各種因素，對系統的堵塞有著形象和直觀的解決方案。

　　SIMAnimation不同於其他的模擬系統，它可以處理系統物理元素和邏輯元素。SIMAnimation提供先進的特點去允許用戶模擬複雜的運動，像動力學和速度，像機器人、車床、傳輸通道、特殊空間中顯示，包括傳輸、旋轉、有形物體、視角和不斷運動視覺。在演算法上，SIMAnimaiton在保證出庫有限的情況下，按路徑最短原則進行自動定位和設計路經，實現多迴路運輸。

　　SIMAnimation使用OpenGL三維建模技術，集三維實體光照、材質視點變換、漫游於一體，提供真正的三維動畫和虛擬的現實世界，使模擬模型更加容易理解。同時使管理、生產、工程人員的意見交流更加容易。

　　SIMAnimation使用Petri網模型技術。它包含兩個程式：建模部分是針對於物理和邏輯模型。在用戶定義物理和邏輯模型之後，他就可以編輯成為一個可執行模型，在這個模型中模擬和動畫同時運行，並且運行非常快，實現了完全交互化。而且它可以隨時停止來觀察統計和模型狀態。

　　3、ShowFlow

　　ShowFlow模擬軟體可為製造業和物流業提供建模、模擬、動畫和統計分析工具。ShowFlow可以提供生產系統的生產量，確定瓶頸位置，估測提前期和報告資源利用率。ShowFlow還可以被用來支持投資決定，校驗製造系統設計的合理性，通過對不同的製造策略進行模擬實驗來找出最優解。

　　ShowFlow主要包括幾大模塊：建模、模擬、統計、分析、動畫和文檔輸出。 建模：可以定義隊列，緩衝器，等待區域，操作任務，運輸工具，輸送機，AGV,立體化倉庫，自動存取設備，路徑等基本元素的標準屬性和特殊屬性。

• 模擬：採用優化的模擬運演算法則技術(OSAT)，固定的或變化的時間模擬運行，可對離散事件進行模擬。
• 統計：可對多種概率分佈（均勻、正態、指數、愛爾朗、經驗分佈等）進行統計分析，並帶有隨機數生成器。
• 分析：輸入數據分析，包括數據設置分析、最合適建議等，並可導入微軟的Excel的數據。輸出數據分析，包括可輸出隊列曲線圖、柱狀圖、餅狀圖等，動態圖表顯示，用戶自定義圖表格式，並可將數據輸出到微軟的Excel中。
• 動畫和文檔：可產生二維、三維動畫，可對攝像機進行移動，縮放，旋轉。可按功能性或元素排序自動生成模型文檔，產生模擬事件跟蹤報告，輸入參數值列表等。

　　縱觀國外三維物流模擬軟體，都具有虛擬現實、動態反映物流現實狀況的顯著優勢，應用表現形式靈活多樣。但相比之下，美國3i公司的SIMAnimation具有多方面獨特優勢：

• 建模能力強，具有精確性較高的建模功能。
• 在模擬軟體開發和終端用戶實用方面，具有較高的靈活性。
• 參數化建模是SIMAnimation較之其他軟體的獨特優勢，它可以通過多元非線性參數設置，建立精確度較高的三維實體。
• SIMAnimation模擬運行結束後可根據統計數據生成模擬報告，模擬報告以表格、直方圖、餅狀圖等形式表示，顯示了各個物流設備的利用率、空閑率、阻塞率等數據。用戶可根據模擬報告提供的數據對物流系統的優缺點進行判斷，做出科學決策。