作者：吴庆祺李文杰蔡昌伟孙秀军

0引言

近年来，随着工业化和信息化的不断深度融合，制造业的网络化、智能化蓬勃发展，自动化物流系统在工业中得到广泛应用。仓储管理系统、智能物流输送系统、智能分拣系统等大大提升了制造业的运行效益。

自动化物流系统在提高效率的同时也给企业规划者带来新的挑战，如更庞大的物流系统、更复杂的物流规划、多系统集成等问题。传统的规划方式，在项目前期若需检验一个系统是否符合设计既定要求，只能依靠理论的设计计算，通过工程师计算出来的数值来衡量并基于过往的经验进行推断，但在庞大物流系统中往往涉及多目标优化等复杂规划问题，计算很复杂甚至可能无法计算，项目的验收需在系统实际运作一段时间来检验，这样的工作方式在实际项目中往往需要消耗大量的时间，风险成本高，这种企业一直以来应用的传统规划方式更加无法适应新时代的智能物流的要求。

本文借助计算机物流仿真技术来模拟复杂的现实物流系统，搭建虚实的映射数字化双胞胎模型，在项目前期利用虚拟样机模型来模拟现实系统运行，提前发现规划问题、物流瓶颈等，提前给予方案优化，在自动化物流系统中物流仿真技术可以解决多设备协同调度、多目标优化等复杂系统规划问题，验证智能设备调度策略的可靠性和工艺布局设计的合理性，辅助企业规划者更合理地完成物流系统的设计和规划。

1起重机设备模型建立

根据实际项目需求，对物流系统中涉及的物流输送设备进行仿真模型搭建，用于模拟实际设备运行。

1.1设备三维建模

根据设备机械设计参数，运用SolidWorks、Pro/E等计算机三维设计软件，对设备的零部件结构进行三维建模，通过虚拟装配完成设备整机的三维模型搭建。将三维模型转换成3ds、wrl、stl等主流三维外观格式，用作设备的数字化样机的三维外观，图1为搭建的电磁挂梁起重机模型三维外观。

图1电磁挂梁起重机模型三维外观

1.2设备动作运动学模拟

根据所仿真的对象设备的功能，分析设备的动作特性，将设备所包含的驱动机构进行动作分解，按照设备一个正常工作循环为周期进行运动学分析，例如，一台常规的桥式起重机有3台驱动机构，分别负责：1）大车整车沿厂房轨道方向行走，运动学中将其定义为x轴方向运动；2）小车在桥架轨道方向行走，运动学中将其定义为y轴方向运动；3）驱动卷筒通过钢丝绳带动吊具完成升降，运动学中将其定义为z轴方向运动。3个方向的运动各有其加速度、减速度和最大速度等运动学属性。在计算机中利用Flexsim仿真平台搭建设备数字化样机，并运用C＃计算机编程语言完成每个驱动机构的运动模拟。

但往往设备正常工作时设备内的机构并不是独立运行的，设备PLC中会编制各种控制逻辑和条件完成一些机构的动作联锁、动作协同和动作触发条件等，在所搭建的数字化样机中运用可编程语言控制机构运行逻辑，模拟实际PLC中的设备机构控制逻辑，例如起重机整车x轴行走和小车y轴方向行走的动作同步、吊具动作的联锁等，图2为起重机的运动分析：动作1～3为吊具上升运动曲线，动作4～8为桥架小车同步运动曲线，动作9～10为吊具下降运动曲线。根据起重机一个工作循环中所有机构的运动情况及运行参数在计算机中搭建仿真虚拟样机，使仿真模型与现实设备运行节拍一致，并替换上所搭建的设备三维外观，使虚拟样机可以对设备在现场的运行情况进行三维模拟，让虚拟样机最大程度接近现实设备运行状态。

图2起重机一个工作循环机构动作分析

2虚拟样机进行智能调度验证

利用所搭建的设备虚拟样机模型代替现实设备对智能设备的调度策略进行虚拟验证，虚拟样机模拟现实设备完成验证具有以下优势：1）快速性，在智能设备系统的调度算法开发阶段利用虚拟样机给予迅速算法验证；2）可靠性，利用仿真虚拟验证提高智能系统运行的可靠性；3）安全性，代替现实设备进行智能调度验证，避免系统调度算法错误导致设备损坏，保护设备安全；4）降本增效，在项目前期完成智能系统功能性验证，及时发现系统问题并进行完善，从而可大大缩短项目现场调试周期。

图3为虚拟样机进行同跨多台起重机无人协同运行的调度验证，智能系统调度完成设备协同工作，实现任务层级的防碰撞策略。图4为虚拟样机进行起重机路径规划的控制验证，智能系统调度完成起重机运行过程中进行危险区域避让的路径规划策略以及起重机行走路径最优策略。

3自动化物流系统模型建立

在设备虚拟样机模型开发完成后，可进行项目实际物流系统的模型搭建，完成项目物流系统仿真，一般系统仿真模型的建立的步骤如图5所示。

图3同跨多台起重机智能防碰撞策略验证

图4起重机最优路径规划及避让策略验证

图5仿真建模步骤

根据项目情况进行系统工艺分析，设计完成可能满足用户需求的合理物流流程、工艺布局，这样的系统物流可能有多种可行方案，需要对每一种方案进行系统模型搭建，根据项目现场布局图纸对现场进行三维建模，运用C＃计算机编程语言完成多种生产线物流流程逻辑及物流设备调度逻辑，图6为某棒材自动下线项目建模。

图6棒材自动下线项目仿真建模

进行多种方案虚拟仿真运行，让项目在策划阶段提供直观的方案三维展示，通过对仿真模型的运行来分析现实系统。因所搭建的设备仿真模型和实际设备运行节拍、运行参数一致，通过仿真得到的数据可以直观放映现场真实情况，输出仿真数据将项目物流系统关键性指标进行多方案对比，决策出最优的物流方案，在项目策划阶段完成方案优选，并提供有力的数据支撑和验证。

4项目仿真分析实例

所述项目中运用仿真技术完成整体物流系统的搭建，通过仿真结果验证生产线预计产能并优化生产线切割机设备生产调度模式。物流仿真技术在本项目策划阶段中起到重要的验证和决策作用。

图7厂房布局图

4.1项目规划概述

图7为某工厂的板材智能切割线，厂房上下两侧为等离子切割机工作区域，有4个切割平台，每个平台有2个切割机，厂房中间区域为待加工的钢板缓存区域，智能起重机自动将钢板放置在切割平台上，等切割完成后，智能起重机进入切割平台将切割完成的钢板自动下线，输送至出口传送带，物料传递到下游工艺进行分拣，整个无人区由智能仓储管理系统（iWMS系统）完成整体物流管控调度和设备系统集成。该生产线计划生产目标常规工作为一个月完成张钢板切割，巅峰工作一个月完成张钢板切割，生产线常规加工钢板规格如表1所示，切割机月产能数据如表2所示。

4.2物流描述

根据工艺功能要求，整个切割线厂房切区划分为无人区和有人区两大区域。

1）无人区包含切割区和钢板缓存区，通过安全围栏、安全光幕等封闭，正常工作时智能起重机在无人区内运行，该区域内无人员通行。①切割区：8台等离子切割机（按等离子电源计算）分布于4个切割平台上位于无人区两侧，每个切割平台具有3个钢板存放位；②钢板缓存区：16个缓存垛位，分规格存放待切割钢板。

2）有人区包含手动卸车起重机、入库的卡车卸车停放位、3个卸车钢板临时缓存区和RGV入库装车区域。

作业流程包括卸车作业、入库作业、上料作业和下料作业。

卸车作业车辆运输钢板进入切割车间后，由车间内的工作人员利用手动起重机和吊具卸载钢板至卸货区域旁的临时缓存区，卡车在卸货完成后驶离。

入库作业车间工作人员利用手动起重机和吊具把钢板吊运至具有自动功能的电动平车，此时工作人员通过地面操作台（客户端）把吊运钢板的信息（尺寸、数量、材质等）输入到iWMS的人机界面内，以确保整个系统确认来料，便于统一管理。电动平车待钢板放置完成并确定手动起重机驶离后自动滚动，把钢板移送至自动化车间的上料区，电动平车配置定位功能和至少三张钢板对中功能，以确保钢板以高位置精度状态进入后道工序中。钢板到达自动上料区后反馈给iWMS系统，iWMS系统命令起重机吊运钢板至堆垛区，堆垛策略和起重机行驶路径等由iWMS统筹管理。

上料作业切割机的上料是由iWMS统筹管理，当iWMS接到切割机的上料请求后，iWMS使起重机从堆垛位置吊运钢板至切割机，钢板定位功能，行驶路线等也在iWMS的统一管理范围内，当系统确定钢板上料完成且起重机已经驶离时，切割机工作，开始切割。

下料作业切割机的下料功能由iWMS统筹管理，当iWMS接到切割机切割完成信号后，呼叫起重机下料，当系统确认分拣机构的连锁要求满足后（iWMS设置与分拣机构的通讯接口），起重机自行驶离。

4.3物流仿真基本设定

根据实际工厂尺寸、布局、生产流程等信息，采用物流仿真技术建立数字化双胞胎仿真模型，按设备运行实际速度、加速度、对位、寻边等所设定的设备运行节拍，根据实际生产节奏设定生产计划，并按照实际生产过程设定库位、设备等元素的调度模式，实现生产过程、生产节拍等与实际生产完全一致的动态物流仿真，获得库容利用率、设备利用率、生产节拍等信息进行物流验证。

4.3.1物流输送设备运行节拍

根据生产作业需求，初步设定智能起重机、RGV等设备运行速度，如表3所示。

4.3.2入库工单模拟

根据每月计划产量、每日入库车辆按24h均布到达，根据车辆载荷随机生成入库工单。

4.3.3切割机加工节拍

根据加工钢板规格，调整切割速度，考虑空行程、自动找正等时间因素，模拟不同规格钢板加工时间。模拟切割机加工状态，设置检修维护时间表：每天工作20h、每月工作26天；8台切割切割机轮流检修。

4.4仿真模拟系统调度策略

4.4.1两级调度管理

宏观iWMS管理级：根据库存实时监控数据控制涨库、亏库，从而控制电动平车送料节拍；微观算法级：库内作业任务调度。多任务时，通过路径最短、时间最短等多目标优化调度模式，实现调度最优。

4.4.2入库策略

入库卸平板车，平板车上只入库同种规格钢板，最大载重10t，智能起重机卸车一次起吊1张钢板;入库按照钢板规格选择入库库位，库位钢板堆放高度上限1.5m，钢板入库时若目标库位已经堆放至高度上限，系统自主选择空闲库位暂时摆放;入库卸车时，已经被系统占用的入库库位不可进行钢板加工上切割机任务;切割机任务和入库卸车任务并行，采用切割机任务优先原则;每个垛位只能摆放一种规格的钢板。

4.4.3切割上料卸料策略

8台切割机工位空闲时对库位钢板资源抢占，被锁定库位的钢板只可上一台切割机；库内钢板按先入先出顺序加工，先入库先加工；切割机不可选择正在进行入库的库位进行生产任务。

4.4.4切割机双机三工位（A/B/C）调度方案

针对双机三工位，策划两个调度方案。

1）独立作业调度一个割炬负责A工位，另一个割炬负责B、C两个工位。

2）协同作业调度两个切割机各自独立负责外侧A、C工位（称为本位），中间工位B由切割机协同作业，先占先得。B工位被占后，若另一台切割机完成作业，则移动到待机位等待本位卸料→上料后在本位上继续作业。两台切割机均作业时，空闲工位在相临切割机完成作业前上料，以尽可能保证切割机连续作业，如此循环。

4.4.5起重机智能路径规划

基于设备安全原则，起重机不可在切割机上方运行。在起重机进入切割机区域前，按照智能路径规划模块指定的路径进行区域避让。

4.5创建仿真模型

按照厂房布局创建仿真模型，见图8，按所设定的相关设备参数，并根据设备实际运行状态设定行程、加减速、对位时长等，并按照相应的编制调度算法、智能路径规划等，完成仿真模型的创建与设定。

4.6仿真数据

通过计算机时间加速分别完成方案一、方案二约h等效时长物流仿真，结果见图9和表4。

图8FlexSim生产节拍仿真模型

图9常规作业生产节拍仿真过程示意图

1)钢板入库策略

上述仿真中，卡车送料集中在白天8h、电动平车入库24h作业。若电动平车集中在白天8~10h入库，则影响到智能起重机为切割机上料、卸料，最终影响切割任务：峰值产能降低到张，降低21%。

2）切割机利用率

按产能数据设定并考虑维护保养工况，切割机能够达到的最高设备利用率分别为常规作业72.2%、峰值86.6%。按现有的调度算法进行仿真，可得到切割机最大利用率常规作业70.6%、峰值作业81.8%的结果。考虑只设置一台起重机，多任务并行时存在切割机完成任务后等待起重机卸料、等待分拣输出传送带等现象，当前的调度算法已较好地利用了切割机的产能。

3）切割机双机三工位（A/B/C）调度方案的比较协同作业调度比独立作业调度切割机平均利用率提高2.5%，且设备利用更均衡。切割机协同作业调度模式优于独立作业调度模式。峰值作业情况：独立作业调度，两台切割机利用率分别为78.5%和80.9%；协同作业调度，两台切割机利用率分别为82.1%和82.3%。

5结束语

仿真是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行实验研究的过程，本文通过项目案例展示仿真在实际应用中的价值，不仅可以带来项目前期更直观的方案展示，更可以对方案优化，提前发现物流瓶颈问题给予优化，验证智能物流系统的管控策略，为客户提供最优物流方案的同时也保证了智能管控系统的可靠性。

离散型物流系统涉及工业工程、物流工程、自动化、交通运输、冶金采矿、汽车制造、航空管理、港口等诸多领域，随着社会智能化的推进系统物流仿真技术在各领域中具有相当广阔的应用前景，可以说物流仿真技术是现代自动化物流系统设计的先进手段，是实现“中国制造”提升工业物流系统自动化和智能化水平的有力武器。

参考文献

[1]隋姗姗.单元生产方式生产线布局设计与仿真研究[D].哈尔滨：东北林业大学,.

[2]王秋华，杨剑锋.系统仿真在自动化物流系统总体设计中的作用[J].现代制造，.

[3]于绍政，陈靖.Flexsim仿真建模与分析[M].沈阳：东北大学出版社,.

END