吳 梅，方彥軍

（武漢大學(xué) 自動(dòng)化系，武漢 430072）

作為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)AS/RS（automated storage and retrieval system）的一種替代，AVS/RS于2000年左右在歐洲已有小范圍應(yīng)用[1]?？刂茝?fù)雜度高是其尚未廣泛應(yīng)用的原因之一。研究其三維仿真平臺(tái)，直觀顯示并驗(yàn)證相關(guān)動(dòng)態(tài)模型理論研究結(jié)果，對(duì)于AVS/RS的進(jìn)一步推廣具有十分重要的意義。

關(guān)于AVS/RS國(guó)內(nèi)外已有的研究并不多，主要成果集中于Charles J.Malmborg[2-4]團(tuán)隊(duì)和羅鍵[5-8]教授團(tuán)隊(duì)。文獻(xiàn)[2]建立了AVS/RS性能與代價(jià)模型，用于AVS/RS設(shè)計(jì)階段的配置優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]利用狀態(tài)方程模型預(yù)測(cè)AVS/RS在交叉存取模型下的交叉任務(wù)比例，以此為基礎(chǔ)對(duì)不同配置的AVS/RS進(jìn)行性能評(píng)估。文獻(xiàn)[4]研究了采用隨機(jī)存取與隨機(jī)停靠策略的AVS/RS的性能評(píng)估模型。文獻(xiàn)[5]采用粒子群算法解決AVS/RS的貨位分配問(wèn)題，保證自動(dòng)小車(chē)在不發(fā)生死鎖的情況下存取時(shí)間最短。文獻(xiàn)[6]提出一種基于改進(jìn)遺傳算法的優(yōu)化調(diào)度方法，提高了自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)中升降機(jī)系統(tǒng)的接貨效率。文獻(xiàn)[7]提出一種基于Petri網(wǎng)和有向圖的死鎖控制方法，解決了AVS/RS中自動(dòng)小車(chē)的死鎖問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]針對(duì)AVS/RS提出一種死鎖預(yù)防的方法。文獻(xiàn)[9]采用改進(jìn)的人工魚(yú)群算法解決了AVS/RS的出入庫(kù)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題。上述研究主要停留在AVS/RS的概念模型階段，少量涉及其動(dòng)態(tài)模型的研究則都采用數(shù)值仿真方式，仿真結(jié)果不直觀，對(duì)AVS/RS的推廣作用不明顯。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文研究了AVS/RS的三維仿真平臺(tái)。通過(guò)平臺(tái)可搭建所需的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型，靈活配置小車(chē)數(shù)量、升降機(jī)數(shù)量等參數(shù)。平臺(tái)提供多種方式接收小車(chē)路徑序列，并以動(dòng)畫(huà)的形式直觀地顯示AVS/RS的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)輸出各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，可為已有的概念模型及動(dòng)態(tài)模型的理論研究結(jié)果提供驗(yàn)證與評(píng)估，有助于AVS/RS的進(jìn)一步推廣。

1 自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)（AVS/RS）

為適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)柔性生產(chǎn)的需求，AVS/RS系統(tǒng)逐步受到重視。在AVS/RS系統(tǒng)中，存取任務(wù)的執(zhí)行由任意數(shù)量的自動(dòng)小車(chē)完成。自動(dòng)小車(chē)可在水平方向自主運(yùn)動(dòng)，而其垂直方向的運(yùn)動(dòng)則依靠立體倉(cāng)庫(kù)中架設(shè)的升降機(jī)完成。由于每臺(tái)自動(dòng)小車(chē)都能訪問(wèn)任意貨位，某臺(tái)小車(chē)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)基本沒(méi)有影響，并且小車(chē)數(shù)量可隨意更改，從而適應(yīng)市場(chǎng)需求。因此，AVS/RS是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 AVS/RS系統(tǒng)仿真平臺(tái)架構(gòu)

從功能上區(qū)分，本文搭建的AVS/RS三維仿真平臺(tái)由4個(gè)模塊組成，即人機(jī)交互模塊、模型模塊、動(dòng)畫(huà)模塊、輸出模塊，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AVS/RS三維仿真平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Frame of the 3D simulation platform for AVS/RS

其中模型模塊負(fù)責(zé)三維模型的創(chuàng)建與顯示；人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)處理操作人員輸入；動(dòng)畫(huà)模塊負(fù)責(zé)仿真場(chǎng)景的更新；輸出模塊負(fù)責(zé)AVS/RS仿真結(jié)果的輸出，包括升降機(jī)利用率、系統(tǒng)等待時(shí)間等。其中人機(jī)交互模型的輸入一部分將傳入模型模塊，一部分則傳入動(dòng)畫(huà)模塊。

3 人機(jī)交互模塊與模型模塊

3.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)處理操作人員的輸入。其中，有關(guān)倉(cāng)庫(kù)配置的輸入如自動(dòng)小車(chē)的數(shù)量、升降機(jī)數(shù)量、I/O口數(shù)量、升降機(jī)位置等將被送至模型模塊用于倉(cāng)庫(kù)模型的構(gòu)建，而有關(guān)動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行的參數(shù)如小車(chē)速度、小車(chē)路徑序列、場(chǎng)景透明度等則被送至動(dòng)畫(huà)模塊用于三維場(chǎng)景的更新。結(jié)合已有AVS/RS的倉(cāng)庫(kù)配置結(jié)構(gòu)，如升降機(jī)位置的配置只提供均勻分散或貨架邊沿2項(xiàng)選擇。而小車(chē)路徑序列的輸入方式有3種：（1）通過(guò)讀取xml路徑文件輸入；（2）加載指定函數(shù)名稱的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，用戶將路徑規(guī)劃算法按指定的函數(shù)形式寫(xiě)入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，平臺(tái)便可以用戶輸入的任務(wù)序列為輸入啟動(dòng)路徑規(guī)劃進(jìn)程，實(shí)時(shí)產(chǎn)生小車(chē)及升降機(jī)路徑并實(shí)時(shí)傳入動(dòng)畫(huà)模塊；（3）通過(guò)TCP/IP通信讀取，平臺(tái)可作為網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端向用戶的路徑規(guī)劃軟件發(fā)出連接請(qǐng)求，接收服務(wù)器端實(shí)時(shí)發(fā)送的路徑數(shù)據(jù)并傳入動(dòng)畫(huà)模塊。

部分人機(jī)交互界面如圖2所示。此界面可進(jìn)行的設(shè)置包括小車(chē)速度設(shè)置、小車(chē)轉(zhuǎn)向速度設(shè)置、場(chǎng)景透明設(shè)置。其中場(chǎng)景透明設(shè)置用于設(shè)置倉(cāng)庫(kù)的透明度，便于動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中觀察小車(chē)狀態(tài)。鏡頭追蹤與自動(dòng)小車(chē)選擇設(shè)置用于觀察具體某一輛小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。方案1至方案4則用于4個(gè)xml路徑節(jié)點(diǎn)文件的選擇。

圖2 部分人機(jī)交互界面Fig.2 Part of the user interface

3.2 模型模塊

AVS/RS系統(tǒng)的組成部件比較簡(jiǎn)單，主要包括立體倉(cāng)庫(kù)（由單個(gè)貨位組合而成）、自動(dòng)小車(chē)、升降機(jī)、I/O口。采用參數(shù)化建模方法，建立包含以上4種元件的模型庫(kù)。根據(jù)用戶輸入的配置參數(shù)如小車(chē)數(shù)量、升降機(jī)數(shù)量、貨位個(gè)數(shù)、貨位尺寸等系統(tǒng)可自動(dòng)組合出AVS/RS系統(tǒng)模型。也可通過(guò)從模型庫(kù)中拖動(dòng)的方式建立系統(tǒng)三維模型。如圖3所示為依據(jù)電力科學(xué)研究院智能計(jì)量設(shè)備自動(dòng)檢定流水線倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)中的自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)構(gòu)建的AVS/RS三維模型。其中右下側(cè)矩形塊部分為I/O口。

圖3 AVS/RS示例模型Fig.3 Example model for AVS/RS

4 動(dòng)畫(huà)模塊與輸出模塊

4.1 動(dòng)畫(huà)模塊

動(dòng)畫(huà)模塊是AVS/RS三維仿真平臺(tái)的核心部分。其主要功能實(shí)時(shí)仿真顯示自動(dòng)小車(chē)執(zhí)行存取任務(wù)的運(yùn)行過(guò)程，其中包括小車(chē)空跑、小車(chē)載貨運(yùn)行、小車(chē)等待、升降機(jī)空跑、升降機(jī)載小車(chē)運(yùn)行、升降機(jī)等待等場(chǎng)景。

動(dòng)畫(huà)模塊的工作通過(guò)動(dòng)畫(huà)主循環(huán)完成，而動(dòng)畫(huà)主循環(huán)則通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建定時(shí)時(shí)間為1/60s的定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到后觸發(fā)場(chǎng)景更新過(guò)程，該更新過(guò)程完成下一幀畫(huà)面的計(jì)算與繪制，主要更改的是小車(chē)的位置與狀態(tài)，更新完成后，顯示新場(chǎng)景。此后，重新啟動(dòng)定時(shí)器。通過(guò)這種方式，大概每隔1/60 s更新一次畫(huà)面。

4.1.1 具體流程

采用改進(jìn)的基于可變的畫(huà)面更新速度來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)主循環(huán)，場(chǎng)景狀態(tài)會(huì)根據(jù)每一顯示幀消耗的時(shí)間來(lái)進(jìn)行更新。

用1/60 s的定時(shí)器保證在高性能的硬件平臺(tái)上，其更新速度不超過(guò)60幀/s，在場(chǎng)景更新過(guò)程中，又會(huì)根據(jù)前后2幀的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算，避免了在性能較差的機(jī)器上，會(huì)出現(xiàn)時(shí)間尺度與畫(huà)面更新速度不匹配的問(wèn)題。其具體流程圖如圖4所示。

創(chuàng)建定時(shí)器后，隨即記錄當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其保存為上一幀更新時(shí)間。定時(shí)時(shí)間到后，再次獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其保存為當(dāng)前時(shí)間，通過(guò)當(dāng)前時(shí)間與上一幀更新時(shí)間作差得到前后2幀的時(shí)間間隔，并賦值給delta，同時(shí)，將當(dāng)前時(shí)間保存為上一幀時(shí)間。此后根據(jù)delta值更新場(chǎng)景，主要更新的內(nèi)容為小車(chē)的狀態(tài)。更新完成后，顯示場(chǎng)景，并重啟計(jì)時(shí)器。如此循環(huán)下去，場(chǎng)景的更新周期為（1/60 s+1幀的更新顯示時(shí)間）。

圖4 動(dòng)畫(huà)模塊的具體流程Fig.4 Specific flow for the animation model

4.1.2 場(chǎng)景更新

動(dòng)畫(huà)主循環(huán)的關(guān)鍵在于更新三維場(chǎng)景，在本文搭建的AVS/RS系統(tǒng)三維仿真平臺(tái)中，主要更新的內(nèi)容為小車(chē)的狀態(tài)，包括小車(chē)朝向及小車(chē)位置。而小車(chē)狀態(tài)的更新則取決于各小車(chē)的任務(wù)路徑。

平臺(tái)將輸入的小車(chē)路徑保存為路徑指令和等待指令，分別對(duì)應(yīng)小車(chē)的行駛狀態(tài)和等待狀態(tài)。路徑指令包含指令標(biāo)識(shí)和起始路徑點(diǎn)坐標(biāo)、終止路徑點(diǎn)坐標(biāo)。等待指令包含指令標(biāo)識(shí)和等待時(shí)間。

每輛小車(chē)執(zhí)行指令的流程如圖5所示。循環(huán)開(kāi)始后，根據(jù)當(dāng)前指令索引是否大于指令總數(shù)判斷是否還有未執(zhí)行指令，若沒(méi)有則結(jié)束幀循環(huán)，小車(chē)狀態(tài)不變。若還有未執(zhí)行的指令，則執(zhí)行指令，并更新剩余時(shí)間delta。若delta大于0，即執(zhí)行完當(dāng)前指令時(shí)，還未到下一幀的顯示時(shí)間，則移至下一條指令并初始化指令環(huán)境，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令，直至執(zhí)行完所有指令或剩余時(shí)間為0。

圖5 小車(chē)的指令過(guò)程Fig.5 Execution process of the vehicle

小車(chē)在執(zhí)行指令前，先對(duì)指令類(lèi)型進(jìn)行判斷，并按照指令類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖6為路徑指令的執(zhí)行流程，圖7為等待指令的執(zhí)行流程。

圖6 路徑指令執(zhí)行過(guò)程Fig.6 Execution process of path demand

圖7 等待指令執(zhí)行過(guò)程Fig.7 Execution process of waiting demand

路徑指令中小車(chē)轉(zhuǎn)向角度angle的計(jì)算過(guò)程如下：

由式（1）、（2）求出目標(biāo)朝向的單位向量，其中：dest為目標(biāo)路徑點(diǎn)；cur為小車(chē)當(dāng)前位置。由目標(biāo)朝向與當(dāng)前朝向可得到theta的正余弦值，其計(jì)算過(guò)程如下：

其中：delta為剩余時(shí)間，其初始值為下一幀與上一幀之間的時(shí)間間隔；rotateSpeed為小車(chē)的轉(zhuǎn)向速度。根據(jù)轉(zhuǎn)向角度angle，可以更改小車(chē)朝向。

等待指令的處理流程較為簡(jiǎn)單。等待指令開(kāi)始后，比較等待時(shí)間delta與等待時(shí)間wait-time之間的大小，記錄較小者的值tm，隨后以delta-tm作為 delta的新取值，waittime-tm作為waittime的新取值，并返回剩余時(shí)間delta。

4.2 信息輸出模塊

信息輸出模塊負(fù)責(zé)仿真結(jié)果的輸出，

包括升降機(jī)空載率、小車(chē)空載率、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、出入庫(kù)任務(wù)總量等。升降機(jī)空載率與小車(chē)空載率分別等于升降機(jī)空載的幀數(shù)、小車(chē)空載的幀數(shù)與總幀數(shù)的比例。

5 結(jié)語(yǔ)

本文搭建了AVS/RS三維仿真平臺(tái)。包括用于處理用戶輸入的人機(jī)交互模塊、用于創(chuàng)建三維模型的模型模塊、用于仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況的動(dòng)畫(huà)模塊和用于輸出系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出模塊。平臺(tái)可根據(jù)用戶輸入的配置參數(shù)生成系統(tǒng)的三維模型也可由模型庫(kù)拖動(dòng)的方式創(chuàng)建系統(tǒng)模型。提供3種接口用于接收自動(dòng)小車(chē)執(zhí)行任務(wù)的路徑點(diǎn)序列。動(dòng)畫(huà)模塊根據(jù)路徑點(diǎn)序列實(shí)時(shí)更新小車(chē)位置、升降機(jī)位置，從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真。依據(jù)電力科學(xué)研究院智能計(jì)量設(shè)備自動(dòng)檢定流水線倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)中的自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)構(gòu)建具體仿真平臺(tái)，該平臺(tái)接收相關(guān)路徑規(guī)劃研究的結(jié)果并展示了AVS/RS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)已有的相關(guān)理論研究結(jié)果的驗(yàn)證。該應(yīng)用表明，本文提出的自動(dòng)小車(chē)存取系統(tǒng)三維仿真平臺(tái)仿真效果直觀形象，對(duì)于AVS/RS的推廣具有重要意義。

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