物流系统三维虚拟仿真

物流系统仿真的核心技术

物流系统的仿真是典型的离散事件系统仿真，其核心是时钟推动和事件调度的机制。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改变的系统。该种引起状态改变的举动称为“事件”，因此这类系统是由事件驱使的；而且，"事件"往往发生在随机时间点上，亦称为随机事件，因此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改变的。

1、仿真时钟

仿真时钟用于表明仿真时间的改变。在离散事件系统仿真中，受于系统状态改变是不接连的，在相邻两个事件发生以前，系统状态不发生改变，因此仿真钟可以逾越这些“不活动”周期。从一个事件发生时刻，推动到下一个事件发生时刻。受于仿真实质上是对系统状态在一定时间序列的动态描述。所以，仿真钟一般是仿真的首要自变量。仿真钟推动方法有三大类：事件调度法、固定增量推动法和主导时钟推动法。

应表示，仿真时钟所表明的是系统仿真所花费的时间，并非是计算机运行仿真模型的时间。所以，仿真时间与真实时间成比例关系。象物流系统如此复杂的机电系统，仿真时间可比真实时间短的多。真实系统事实运行若干天，若干月，用计算机仿真也只需要几分钟。

2、事件调度法

事件调度法是面向事件的方法，是通过定义事件，并按时间顺序处理所发生的一连串事件。记录每一事件发生时引起的系统状态的改变来完成系统的整个动态过程的仿真。受于事件均为预定的，状态改变发生在清晰的预定的时刻，所以该种方法适合于活动连续时间比较确定的系统。

事件调度法中仿真钟是按下一时间步长法来推动的。通过建立事件表，将预定的事件按时间发生的先后顺序放入事件表中。仿真钟始终推动到最早发生的时间时刻。然后处理该事件发生时的系统状态的改变，执行用户所需要的统计计算。如此，仿真钟持续从一个事件发生时间推动到下一个最早发生的事件时间，指导仿真终结。

3、随机数和随机变量的造成

物流系统中工件的到达、运输车辆的到达和运输时间等一般均为随机的。对于有随机原因影响的系统执行仿真时，首先要建立随机变量模型。即确定系统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。对于分布类型是已知的或者是值得依据经验确定的随机变量，只要确定它们的参数就可以了。

建立了随机变量模型后还必需能够在计算机中造成一连串不同分布的随机变量的抽样值来模拟系统中的各种随机现象。随机变量的抽样值造成的事实做法一般是，首先造成一个[0，1]区间的、接连的、均匀分布的随机数，然后通过某种变换和运算造成其所需要的随机变量。

得到[0，1]区间均匀分布的、有不错的独立性、周期长的随机数后，下面的困难是如何造成与事实系统相应的随机变量。造成随机变量的前提是依据事实系统随机变量的观测值确定随机变量的分布及其参数。

反变换法是最常用的方法，反变换法以几率积分反变换法则为基础，设随机变量X的分布函数为F（X）；UI是[0，1]区间均匀分布的随机数，利用反分布函数

X=F-1(μ)

就可以得到所需要的随机变量X。

物流系统三维虚拟仿真的计算机达到

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适当的软件环境驱使整个三维场景，响应用户的输入，依据用户的不同动作作出相应的反映，并在三维环境中表明出来。三维仿真的要害技术首要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体表明和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等。

1、仿真平台的构成

仿真平台一般构建在基于万得ows系统的PC机或图形工作立稳。仿真平台首要有下方4个模块构成：特质造型报告类库、三维场景治理模块和交互接口模块。

各模块功能如下：

特质造型报告类库：有各种设备的抽象类构成。设备类中封装了各种设备的造型特质，以及设备的举动。

三维场景治理模块：负责三维场景的构造、变换及表明。

交互接口模块：处理人机交互输入。

2、面向对象的仿真建模方法

计算机仿真首要包含仿真建模、程序达到、仿真结果的统计分析三多部分。建模阶段，首要依据研究目的、系统的先验知识及实验观察的报告，对系统执行分析，确定各构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，既包含报告（属性），又包含作用于报告的操作（举动），所以一个对象把属性和举动封装成一个整体。一个类定义了一组大体上类似的对象。一个类所包含的方法和报告描述一组对象的共同举动和属性。对象之间执行通信的方式叫消息机制。不同层次类之间共享报告和操作的机制叫继续。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。

3、三维图形仿真工具OpenGL

OpenGL最初是SGI公司为其图形工作站开发的可以独立于操作系统和硬件环境的图形开发系统。当前，OpenGL已经形成高性能图形和交互式图像处理的工业标准，OpenGL已被多家大公司采取作为图形标准，并能够在多种平台上应用。

OpenGL事实是一个3D的美国石油协会(Application Programming Interface)，它独立于硬件设备和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植。从程序员的角度来说，OpenGL是一组绘图命令和函数的集合。在微机版本中，OpenGL给予了三个函数库，它们是基本库、实用库和辅助库。利用这些命令或函数能够对二维和三维几何形体执行数学描述，并控制这些形体以某种方式执行绘制。

OpenGL不仅能够绘制整个三维模型，而且可以执行三维交互、动作模拟等。具体功能首要有：模型绘制、模型观察、颜色模式的指定、光照应用、图像效果加强、位图和图像处理、纹理映射、实时动画。

4、三维仿真建模场景的构造和治理

1）运用OpenGL执行绘图而且最终在计算机屏幕上表明三维景物的基本步骤是：

建立物体模型，并对模型执行数学描述，通过用几何图元（点、线、多边形、位图）构造物体表面而达到。

在三维空间中布置物体，而且设置视点（viewpoint）以观察场景。

计算模型中物体的颜色，在应用程序中可以直接定义，也可以由光照条件或纹理间接给出。

光栅化（rasterization），把物体的数学描述和颜色信息转换成可在屏幕上表明的象素信息。

2）几何模型的变换：仿真模型所描述的现实世界中的物体均为三维的，而计算机输出设备CRT只能表明二维图像。OpenGL通过一连串的变换达到以平面的形式来表明三维的形体。

3）碰撞检测

碰撞检测是交互式场景漫游需要处理的一个重要困难。每当接收到用户漫游场景的输入，系统都要执行检测，判定依据用户的输入而得到的新的视点能否会与场景中的物体发生碰撞或进入物体内部。受于仿真场景中的设备大多以较为规则的形体再加上而成，所以依据具体设备的外形将设备简化为尽或许贴近设备的长方体包围盒或长方体包围盒的集合，而且将视点转化为一个点。如此，碰撞检测转化为判定一个点能否与长方体相交的困难。进而加速的实时响应速度，获得较好的漫游效果。

国外的三维物流仿真软件

1、AUTOSIMULATION的AUTOMOD

AUTOMOD是当前市面上比较成熟的三维物流仿真软件。首要包含了三大模块：AutoMod、AutoStat和AutoView。AutoMod 模块供应给用户一连串的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统。首要包含输送机模块（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模块为仿真项目供应加强的统计分析工具，由用户定义测量和实验的标准，自动在AutoMod的模型上实施统计分析。

首要特点是：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可以同意用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，造成高质量的AVI格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机追踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。AutoView可以供应动态的场景描述和灵活的表明方式。

2、3i的SIMAnimation

SIMAnimation 是美国3i公司设计开发的集成化物流仿真软件。SIMAnimation运用的是先进的基于图像的仿真语言，该种语言可以简化仿真模型的创建。受于他OOP编程方法，仿真系统可以非常简单的创建模型。很多的先进软件工具都合形成一种语言，它包含布局编辑器，完全的二维和三维的动画，曲线拟合，路线优化软件，试验编辑器和完整的用户报表编辑器。同期仿真模型还包含丰富的交互特点，同意运用者去更改参数输入，其目的是通过模拟事实生产情形及市场波动对系统产生的打击，进而避免了在理想化状态下系统设计所无法预料的各种原因，对系统的堵塞有着形象和直观的处理方案。

SIMAnimation不同于其余的仿真系统，它可以处理系统物理元素和逻辑元素。SIMAnimation供应先进的特点去同意用户仿真复杂的运动，像活力学和速度，像机器人、车床、传输通道、非凡空间中表明，包含传输、旋转、有形物体、视角和持续运动视觉。在算法上，SIMAnimaiton在保证出库有限的情形下，按路径最短原则执行自动定位和设计路经，达到多回路运输。

SIMAnimation运用OpenGL三维建模技术，集三维实体光照、材质视点变换、漫游于一体，供应真正的三维动画和虚拟的现实世界，使仿真模型愈加轻易理解。同期使治理、生产、工程人士的意见交流愈加轻易。

SIMAnimation运用Petri网模型技术。它包含两个程序：建模部分是针对于物理和逻辑模型。在用户定义物理和逻辑模型之后，他就可以编辑形成一个可实施模型，在这个模型中仿真和动画同期运行，而且运行非常快，达到了完全交互化。而且它可以随时停止来观察统计和模型状态。

3、ShowFlow

ShowFlow仿真软件可为制造业和物流业供应建模、仿真、动画和统计分析工具。ShowFlow可以供应生产系统的生产能，确定短板位置，估测提早期和数据资源利用率。ShowFlow还可以被用来支持投资决定，校验制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策略执行仿真实验来找出最优解。

ShowFlow首要包含几大模块：建模、仿真、统计、分析、动画和文档输出。

建模：可以定义队列，缓冲器，等候区域，操作任务，运输工具，输送机，AGV,立体化仓库，自动存取设备，路径等基本元素的标准属性和非凡属性。

仿真：采取优化的仿真运算法则技术(OSAT)，固定的或改变的时间仿真运行，可对离散事件执行仿真。

统计：可对多种几率分布（均匀、正态、指数、爱尔朗、经验分布等）执行统计分析，并带有随机数生成器。

分析：输入报告分析，包含报告设置分析、最合适建议等，并可导入微软的Excel的报告。输出报告分析，包含可输出队列曲线图、柱状图、饼状图等，动态图表表明，用户自定义图表格式，并可将报告输出到微软的Excel中。

动画和文档：可造成二维、三维动画，可对摄像机执行移动，缩放，旋转。可按功能性或元素排序自动生成模型文档，造成仿真事件追踪数据，输入参数值列表等。

纵观国外三维物流仿真软件，都具有虚拟现实、动态反应物流现实情况的明显优势，应用表现形式灵活多样。但对比之下，美国3i公司的SIMAnimation具有多方面独特优势：

建模能力强，具有精确性较高的建模功能。

在仿真软件开发和终端用户实用方面，具有较高的灵活性。

参数化建模是SIMAnimation较之其余软件的独特优势，它可以通过多元非线性参数设置，建立精确度较高的三维实体。

SIMAnimation仿真运行终结后可依据数据统计生成仿真数据，仿真数据以表格、直方图、饼状图等形式表明，表明了各个物流设备的利用率、空闲率、阻塞率等报告。用户可依据仿真数据供应的报告对物流系统的优缺点执行判定，作出科学决策。