基于Flexsim的子母穿梭車的運(yùn)動(dòng)仿真研究

孫 慧，于宏飛

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，青島 266590）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)物流效率的要求越來(lái)越高，制造型企業(yè)的物流倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化的發(fā)展也越來(lái)越快，高效的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)也用于各行各業(yè)。越來(lái)越多的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在貨物出入庫(kù)方面都是依靠穿梭車系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上，雙向子母穿梭車應(yīng)運(yùn)而生，它進(jìn)一步提高了倉(cāng)儲(chǔ)物流的效率[1]。

子母穿梭車自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是穿梭子車、穿梭母車、行走軌道、巷道貨架、托盤垂直提升機(jī)、托盤輸送系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)線倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)（RWCS）、倉(cāng)儲(chǔ)管理軟件（WMS）等組成的全自動(dòng)密集式倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在每層均配置子母穿梭車，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前層的出入庫(kù)作業(yè)，垂直方向通過(guò)提升機(jī)實(shí)現(xiàn)托盤貨物的垂直輸送。而其中的子母穿梭車，顧名思義，有一個(gè)子母的概念，就是母車承載著子車在倉(cāng)庫(kù)貨架間的軌道上行駛，當(dāng)取貨或者放貨時(shí)，母車釋放子車進(jìn)行貨物的存取。由此可見(jiàn)，子母穿梭車（如圖1所示）很好的適應(yīng)了現(xiàn)在的密集型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。這種倉(cāng)庫(kù)節(jié)約了存儲(chǔ)空間，子母穿梭車的加入使得出入庫(kù)存取貨物的效率提高，減少了作業(yè)等待時(shí)間，大大提高了工作效率[2]。

在智能物流規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)中，求解及優(yōu)化自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的貨位分配、出入庫(kù)效率、驗(yàn)證相應(yīng)的規(guī)劃算法及出入庫(kù)作業(yè)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備運(yùn)行情況等問(wèn)題時(shí)，采用三維仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，通過(guò)分析仿真過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以更為直接準(zhǔn)確地驗(yàn)證及優(yōu)化方案。而對(duì)于子母穿梭車來(lái)說(shuō)，在Flexsim物流仿真軟件的實(shí)體庫(kù)中并沒(méi)有與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)體對(duì)其進(jìn)行仿真模擬.本文以某物流配送中心多層穿梭車自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為基礎(chǔ)并基于Flexsim對(duì)雙向子母穿梭車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行研究。

圖1 工作中的子母穿梭車

1 思路概述

物流系統(tǒng)仿真是借助系統(tǒng)仿真技術(shù)研究物流系統(tǒng)行為，仿真模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)反映，并通過(guò)相應(yīng)技術(shù)得以在計(jì)算機(jī)上動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在物流工程領(lǐng)域的重要應(yīng)用。本文基于Flexsim仿真平臺(tái)構(gòu)建子母穿梭車自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。

Flexsim是由美國(guó)Flexsim Software Production公司開發(fā)的一款離散事件仿真程序軟件[3]，使用Flexsim可以建立一個(gè)真實(shí)物流系統(tǒng)的三維計(jì)算機(jī)模型。Flexsim實(shí)現(xiàn)的是離散系統(tǒng)的仿真，關(guān)注的是系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中各個(gè)參與者之間的變化和相互之間的關(guān)系。建模時(shí)，用模型庫(kù)里的某個(gè)對(duì)象，只需要用鼠標(biāo)把該對(duì)象從庫(kù)里拖出來(lái)放在模型視窗即可。其建模步驟如圖2所示。

圖2 Flexsim建模基本步驟

子母穿梭車在Flexism軟件中是一種任務(wù)執(zhí)行器（TE），任務(wù)執(zhí)行器可以從固定資源類實(shí)體中獲取并執(zhí)行包括裝載、卸載、行走，延遲在內(nèi)的各類任務(wù)，并且TE本身也可以向其他TE指派任務(wù)，強(qiáng)大而靈活的任務(wù)執(zhí)行器二次開發(fā)功能使得Flexsim仿真模型能最大程度地還原實(shí)際系統(tǒng)。

子母穿梭車可以選用基本任務(wù)執(zhí)行器這個(gè)實(shí)體來(lái)進(jìn)行二次開發(fā)，本文要解決的問(wèn)題是其運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真與取放貨的功能實(shí)現(xiàn)。在基本任務(wù)執(zhí)行器（BTE）中導(dǎo)入穿梭母車與穿梭子車的三維模型，在實(shí)體的屬性中寫入Flexsim自帶的腳本語(yǔ)言所提供的運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)與其他函數(shù)，使穿梭車能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行功能仿真。

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 模型布局建立

某公司多層穿梭車自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)有十層，通過(guò)穿梭車來(lái)對(duì)貨物進(jìn)行入庫(kù)操作。該立庫(kù)有1個(gè)I/O站臺(tái)，貨物入庫(kù)后，通過(guò)提升機(jī)送到每層的貨物交接處，當(dāng)貨物到達(dá)交接處時(shí)向穿梭車發(fā)出請(qǐng)求，如果穿梭車空閑，則穿梭車將相應(yīng)貨物運(yùn)送到當(dāng)前層的貨架中，完成放貨后，將會(huì)回到交接處等待區(qū)進(jìn)行等待。總體布局如圖3所示，子母穿梭車存貨如圖4所示。

圖3 總體建模布局

圖4 穿梭車子車伸出進(jìn)行存貨

2.2 作業(yè)流程

本文以多層穿梭車系統(tǒng)入庫(kù)作業(yè)為例，事件驅(qū)動(dòng)的作業(yè)流程描述如下：

當(dāng)子母穿梭車立體倉(cāng)庫(kù)入貨口收到貨物入庫(kù)任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，先由提升機(jī)負(fù)責(zé)垂直方向的運(yùn)輸，如此時(shí)提升機(jī)不為空閑狀態(tài)，則貨物將進(jìn)行等待并加入提升機(jī)執(zhí)行的任務(wù)序列中，直至提升機(jī)完成上一次的任務(wù)，并向入庫(kù)位移動(dòng)，此時(shí)進(jìn)行貨物交接，由提升機(jī)垂直運(yùn)動(dòng)將貨物送到所在的水平層，到達(dá)水平層貨物交接處時(shí)請(qǐng)求穿梭車的調(diào)度服務(wù)，如果此時(shí)該層穿梭車空閑，則穿梭車水平方向運(yùn)動(dòng)至貨物交接處，子母穿梭車伸出子車進(jìn)行貨物裝載，然后水平方向運(yùn)動(dòng)至貨物，由子車將貨物放置在貨位上，完成貨物放置后，返回至貨物交接處進(jìn)行等待，如有貨物，則進(jìn)行下一任務(wù)的貨物取放與運(yùn)動(dòng)，從而完成該任務(wù)。

Flexsim實(shí)現(xiàn)的事件驅(qū)動(dòng)的離散仿真，通過(guò)事件激發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)邏輯，如圖5所示。

3 運(yùn)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 模型視圖三維外觀實(shí)現(xiàn)

雖然Flexsim仿真軟件有自己的實(shí)體庫(kù)，但是默認(rèn)實(shí)體庫(kù)中沒(méi)有子母穿梭車這一實(shí)體。對(duì)于子母穿梭車物流系統(tǒng)仿真，要想獲得“真實(shí)”的效果，需要根據(jù)子母穿梭車的尺寸及比例，開發(fā)三維視圖。首先基于SoildWorks軟件進(jìn)行子母穿梭車的三維模型的開發(fā)，將子母穿梭車的“子車”與“母車”用SoildWorks對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，之后在Flexsim中按比例恢復(fù)模型的形狀，模型導(dǎo)入Flexsim后，使用Edit 3Dshape Factors修正模型（如圖6所示）。選用基本任務(wù)執(zhí)行器（BTE）作為可視化工具及邏輯實(shí)體進(jìn)行建模開發(fā)，BTE是為二次開發(fā)準(zhǔn)備的，它具有任務(wù)執(zhí)行器的可繼承性的功能，便于開發(fā)。

圖5 穿梭車系統(tǒng)入庫(kù)作業(yè)邏輯流程

根據(jù)以上步驟，完成三維外觀導(dǎo)入，如圖7所示。

圖6 基于SoildWorks的子母穿梭車建模

3.2 主要運(yùn)動(dòng)邏輯程序代碼

3.2.1 取放貨實(shí)現(xiàn)

穿梭車在裝載與卸載時(shí)分別設(shè)定標(biāo)簽值，方便在穿梭車在運(yùn)動(dòng)學(xué)的編程中進(jìn)行邏輯狀態(tài)的判斷，在卸載時(shí)要判斷有沒(méi)有新的任務(wù)，沒(méi)有的話則直接返回原點(diǎn)等待下一個(gè)任務(wù)。

圖7 子母穿梭車導(dǎo)入BTE步驟

以上代碼在穿梭車收到裝載任務(wù)時(shí)觸發(fā)，initkinematic命令的第一個(gè)參數(shù)必須指定一個(gè)空節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)中將儲(chǔ)存運(yùn)動(dòng)學(xué)信息的位置。在執(zhí)行裝載任務(wù)時(shí)，首先穿梭車完成裝載后先將子車從貨物交接站臺(tái)上收回，然后在對(duì)應(yīng)的軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直到抵達(dá)卸載的貨架位進(jìn)行卸載。Flexsim的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能用來(lái)使一個(gè)實(shí)體執(zhí)行多個(gè)運(yùn)動(dòng)操作，每個(gè)運(yùn)動(dòng)都可根據(jù)需要設(shè)定速度，旋轉(zhuǎn)參數(shù)等，在此模型中需要注意的一點(diǎn)是模型重置時(shí)需要寫入將運(yùn)動(dòng)學(xué)信息清空的代碼，否則就會(huì)出現(xiàn)重置時(shí)穿梭車出現(xiàn)在上次模型仿真停留的位置。使用運(yùn)動(dòng)學(xué)可以對(duì)任何實(shí)體進(jìn)行系統(tǒng)之外的動(dòng)畫自定義，使仿真模擬的三維效果接近實(shí)際。以上代碼在穿梭車收到相應(yīng)的裝載任務(wù)時(shí)觸發(fā)， y-ysize（current）值的設(shè)定為軌道偏移量，使穿梭車能夠正好行走在貨架軌道處，看起來(lái)更加真實(shí)一些。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷

以上代碼在穿梭車收到相應(yīng)的卸載任務(wù)時(shí)觸發(fā)，在完成卸載任務(wù)時(shí)將返回貨物交接處，如果貨物交接處有貨物，則伸出子車進(jìn)行裝載，繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

3.3.3 運(yùn)動(dòng)視圖實(shí)現(xiàn)

調(diào)用upadatekinemastic（）命令，使穿梭車在執(zhí)行動(dòng)作過(guò)程中刷新視圖，否則會(huì)出現(xiàn)穿梭車在開始運(yùn)動(dòng)時(shí)一直停在原處，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后突然出現(xiàn)在目標(biāo)位置的情況[4]。此命令計(jì)算實(shí)體的當(dāng)前位置與轉(zhuǎn)角，在自定義繪圖代碼（customer draw）觸發(fā)器中觸發(fā)。

4 結(jié)論

貨架用子母穿梭車，是倉(cāng)儲(chǔ)密集存儲(chǔ)系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)完美結(jié)合，除了貨物的取放與分配之外，穿梭車還能夠與其他設(shè)備進(jìn)行互相協(xié)作，完成更多耗時(shí)耗力的作業(yè)，比如穿梭車能與提升機(jī)或者AGV進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能化的倉(cāng)儲(chǔ)物流目標(biāo)。在Flexsim中通過(guò)建模邏輯與運(yùn)動(dòng)學(xué)的二次開發(fā)，通過(guò)用于某公司多層穿梭車自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了子母穿梭車在Flexsim中的運(yùn)動(dòng)與取放貨的功能，驗(yàn)證了該研究方法的可行性，也為以后更深層次復(fù)雜的二次開發(fā)的仿真研究提供了思路。