基于Flexsim的子母穿梭車的運動仿真研究

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)濟的快速發(fā)展，人們對物流效率的要求越來越高，制造型企業(yè)的物流倉儲自動化的發(fā)展也越來越快，高效的自動化立體倉庫應(yīng)也用于各行各業(yè)。越來越多的自動化立體倉庫在貨物出入庫方面都是依靠穿梭車系統(tǒng)來實現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上，雙向子母穿梭車應(yīng)運而生，它進一步提高了倉儲物流的效率[1]。

子母穿梭車自動化立體倉庫是穿梭子車、穿梭母車、行走軌道、巷道貨架、托盤垂直提升機、托盤輸送系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、無線倉儲控制系統(tǒng)（RWCS）、倉儲管理軟件（WMS）等組成的全自動密集式倉儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)在每層均配置子母穿梭車，實現(xiàn)對當(dāng)前層的出入庫作業(yè)，垂直方向通過提升機實現(xiàn)托盤貨物的垂直輸送。而其中的子母穿梭車，顧名思義，有一個子母的概念，就是母車承載著子車在倉庫貨架間的軌道上行駛，當(dāng)取貨或者放貨時，母車釋放子車進行貨物的存取。由此可見，子母穿梭車（如圖1所示）很好的適應(yīng)了現(xiàn)在的密集型自動化立體倉庫。這種倉庫節(jié)約了存儲空間，子母穿梭車的加入使得出入庫存取貨物的效率提高，減少了作業(yè)等待時間，大大提高了工作效率[2]。

在智能物流規(guī)劃方案的設(shè)計中，求解及優(yōu)化自動化立體倉庫的貨位分配、出入庫效率、驗證相應(yīng)的規(guī)劃算法及出入庫作業(yè)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備運行情況等問題時，采用三維仿真技術(shù)進行模擬，通過分析仿真過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以更為直接準(zhǔn)確地驗證及優(yōu)化方案。而對于子母穿梭車來說，在Flexsim物流仿真軟件的實體庫中并沒有與之相對應(yīng)的實體對其進行仿真模擬.本文以某物流配送中心多層穿梭車自動化立體倉庫為基礎(chǔ)并基于Flexsim對雙向子母穿梭車進行運動仿真進行研究。

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，仿真模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)的真實反映，并通過相應(yīng)技術(shù)得以在計算機上動態(tài)展現(xiàn)，是計算機仿真技術(shù)在物流工程領(lǐng)域的重要應(yīng)用。本文基于Flexsim仿真平臺構(gòu)建子母穿梭車自動化立體倉庫。

Flexsim是由美國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可以建立一個真實物流系統(tǒng)的三維計算機模型。Flexsim實現(xiàn)的是離散系統(tǒng)的仿真，關(guān)注的是系統(tǒng)運作過程中各個參與者之間的變化和相互之間的關(guān)系。建模時，用模型庫里的某個對象，只需要用鼠標(biāo)把該對象從庫里拖出來放在模型視窗即可。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際系統(tǒng)。

子母穿梭車可以選用基本任務(wù)執(zhí)行器這個實體來進行二次開發(fā)，本文要解決的問題是其運動學(xué)的仿真與取放貨的功能實現(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，在實體的屬性中寫入Flexsim自帶的腳本語言所提供的運動學(xué)函數(shù)與其他函數(shù)，使穿梭車能夠根據(jù)設(shè)計要求進行功能仿真。

2 實現(xiàn)過程

2.1 模型布局建立

某公司多層穿梭車自動化立體倉庫有十層，通過穿梭車來對貨物進行入庫操作。該立庫有1個I/O站臺，貨物入庫后，通過提升機送到每層的貨物交接處，當(dāng)貨物到達交接處時向穿梭車發(fā)出請求，如果穿梭車空閑，則穿梭車將相應(yīng)貨物運送到當(dāng)前層的貨架中，完成放貨后，將會回到交接處等待區(qū)進行等待。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 穿梭車子車伸出進行存貨

2.2 作業(yè)流程

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

當(dāng)子母穿梭車立體倉庫入貨口收到貨物入庫任務(wù)請求時，先由提升機負責(zé)垂直方向的運輸，如此時提升機不為空閑狀態(tài)，則貨物將進行等待并加入提升機執(zhí)行的任務(wù)序列中，直至提升機完成上一次的任務(wù)，并向入庫位移動，此時進行貨物交接，由提升機垂直運動將貨物送到所在的水平層，到達水平層貨物交接處時請求穿梭車的調(diào)度服務(wù)，如果此時該層穿梭車空閑，則穿梭車水平方向運動至貨物交接處，子母穿梭車伸出子車進行貨物裝載，然后水平方向運動至貨物，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行等待，如有貨物，則進行下一任務(wù)的貨物取放與運動，從而完成該任務(wù)。

Flexsim實現(xiàn)的事件驅(qū)動的離散仿真，通過事件激發(fā)來實現(xiàn)計算機邏輯，如圖5所示。

3 運動代碼實現(xiàn)

3.1 模型視圖三維外觀實現(xiàn)

雖然Flexsim仿真軟件有自己的實體庫，但是默認實體庫中沒有子母穿梭車這一實體。對于子母穿梭車物流系統(tǒng)仿真，要想獲得“真實”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對模型進行調(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體進行建模開發(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 主要運動邏輯程序代碼

3.2.1 取放貨實現(xiàn)

穿梭車在裝載與卸載時分別設(shè)定標(biāo)簽值，方便在穿梭車在運動學(xué)的編程中進行邏輯狀態(tài)的判斷，在卸載時要判斷有沒有新的任務(wù)，沒有的話則直接返回原點等待下一個任務(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)時觸發(fā)，initkinematic命令的第一個參數(shù)必須指定一個空節(jié)點，在節(jié)點中將儲存運動學(xué)信息的位置。在執(zhí)行裝載任務(wù)時，首先穿梭車完成裝載后先將子車從貨物交接站臺上收回，然后在對應(yīng)的軌道進行運動，直到抵達卸載的貨架位進行卸載。Flexsim的運動學(xué)功能用來使一個實體執(zhí)行多個運動操作，每個運動都可根據(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是模型重置時需要寫入將運動學(xué)信息清空的代碼，否則就會出現(xiàn)重置時穿梭車出現(xiàn)在上次模型仿真停留的位置。使用運動學(xué)可以對任何實體進行系統(tǒng)之外的動畫自定義，使仿真模擬的三維效果接近實際。以上代碼在穿梭車收到相應(yīng)的裝載任務(wù)時觸發(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，看起來更加真實一些。

3.2.2 運動狀態(tài)判斷

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

3.3.3 運動視圖實現(xiàn)

調(diào)用upadatekinemastic（）命令，使穿梭車在執(zhí)行動作過程中刷新視圖，否則會出現(xiàn)穿梭車在開始運動時一直停在原處，在運動結(jié)束后突然出現(xiàn)在目標(biāo)位置的情況[4]。此命令計算實體的當(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，是倉儲密集存儲系統(tǒng)和自動化系統(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)備進行互相協(xié)作，完成更多耗時耗力的作業(yè)，比如穿梭車能與提升機或者AGV進行配合，實現(xiàn)全自動智能化的倉儲物流目標(biāo)。在Flexsim中通過建模邏輯與運動學(xué)的二次開發(fā)，通過用于某公司多層穿梭車自動化立體倉庫進行建模，實現(xiàn)了子母穿梭車在Flexsim中的運動與取放貨的功能，驗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。