基于虛實(shí)結(jié)合的物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

□ 曹小華，楊 陽

(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

現(xiàn)代物流業(yè)是一種包括運(yùn)輸、貨代、倉(cāng)儲(chǔ)、信息的混合型行業(yè)，物流業(yè)滲透于十分廣闊的領(lǐng)域，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)物流相關(guān)人才的需求也在不斷增大，對(duì)于物流實(shí)驗(yàn)的需求也在相應(yīng)的增大，在對(duì)相關(guān)人才的培育過程中，物流實(shí)驗(yàn)所占的地位也越來越大[1]。通過開展相應(yīng)的物流實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，來提高對(duì)物流活動(dòng)的了解，熟悉的掌握相關(guān)的物流專業(yè)知識(shí)，從中也可以結(jié)合實(shí)際了解相關(guān)理論的運(yùn)用方向，體會(huì)到物流專業(yè)知識(shí)至關(guān)重要的作用[2]。當(dāng)前的物流教學(xué)方法還是偏重于以往的理論教學(xué)，教學(xué)形式還是以教師傳授、理論考試為主，教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新，國(guó)家物流師資格證書也主要采用當(dāng)前的傳統(tǒng)教學(xué)模式[3]。

隨著時(shí)代的發(fā)展，許多高校的物流類專業(yè)都在不斷地加大對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力度，但是由于資金缺乏、師資實(shí)力不足等各種原因的影響，實(shí)驗(yàn)室的效果還是有很大的不足之處，例如，在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于資金、場(chǎng)地等原因，高校不能夠完全的還原出完整倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程。由于我國(guó)物流業(yè)起步較晚，因此，加大對(duì)物流教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)力度，提高學(xué)生的物流實(shí)踐能力，可以使當(dāng)今的物流教學(xué)更加完善，也可以更加全面的對(duì)物流相關(guān)人才進(jìn)行培養(yǎng)[4]。

1 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

從理論的角度來說，仿真平臺(tái)就是指利用虛擬的技術(shù)，利用該技術(shù)在虛擬環(huán)境中模擬出現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)驗(yàn)所在的環(huán)境。學(xué)生可以不在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)，而是通過仿真平臺(tái)完成相應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，還能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。通過仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬具有非常高的真實(shí)度，仿真平臺(tái)通過對(duì)各種研究對(duì)象進(jìn)行模擬，可以使相關(guān)人員更加直觀地了解相應(yīng)的設(shè)備，以此來提升相關(guān)人員的專業(yè)水平。但是，使用仿真設(shè)備也有很大的不足之處，相關(guān)人員并不能通過仿真提高操作技能的訓(xùn)練效果，為此運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行更加真實(shí)的模擬。在這個(gè)仿真模擬過程中，需要人工來搭建相應(yīng)的控制系統(tǒng)，并且編寫對(duì)應(yīng)代碼，讓電腦軟件中的機(jī)械設(shè)備做出動(dòng)作，不僅可以減少建設(shè)實(shí)驗(yàn)室所需的費(fèi)用，而且還能提升實(shí)訓(xùn)的效果[5]。

對(duì)于當(dāng)前的倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于資金、場(chǎng)地等原因的影響，學(xué)校所建立的倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是通過構(gòu)建簡(jiǎn)單的倉(cāng)庫來讓學(xué)生了解倉(cāng)庫中的各個(gè)設(shè)備，但是不能很好的了解倉(cāng)儲(chǔ)過程中完整的作業(yè)流程，而且也不能通過實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，因此，虛實(shí)結(jié)合的倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則被提出。

本文“虛”是指通過對(duì)三維仿真軟件Flexsim的使用，結(jié)合實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)，來建立起自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)的仿真模型，然后，利用WinCC組態(tài)與Excel表來搭建數(shù)據(jù)接口?！皩?shí)”是指將Flexsim建立的仿真模型與實(shí)際中的PLC等硬件設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，組建虛實(shí)結(jié)合的物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)的構(gòu)成框架圖見圖1。

圖1 平臺(tái)構(gòu)成框圖

2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

2.1 Flexsim建模

Flexsim是一個(gè)建模十分方便的軟件，而且它的顯示功能也是十分的強(qiáng)大，該軟件還可以進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的擬合[6]，它可以擬合成各種分布，而且也可以導(dǎo)入實(shí)體，模擬現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備，運(yùn)行模型進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，可以通過對(duì)結(jié)果的分析對(duì)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，而且它能生成3D動(dòng)畫圖像，還可以與許多大眾軟件進(jìn)行接口[7]。

結(jié)合對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究，所建立的仿真模型應(yīng)該包括：仿真模型的建立、數(shù)據(jù)交換。在仿真模型的構(gòu)建方面，以某倉(cāng)庫為參考，通過對(duì)該倉(cāng)庫的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程進(jìn)行分析，確定出入庫流程的各個(gè)設(shè)備數(shù)量，編寫流程圖，完成模型的布局，然后，將各個(gè)實(shí)體的端口連接起來，最后，根據(jù)從該倉(cāng)庫的調(diào)查結(jié)果，對(duì)實(shí)體進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。構(gòu)建的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程模型如圖2和圖3所示，圖2為入庫作業(yè)模型(簡(jiǎn)化了出庫部分)，圖3為出庫作業(yè)模型(簡(jiǎn)化了入庫部分)。

圖2 入庫作業(yè)模型

圖3 出庫作業(yè)模型

在數(shù)據(jù)交換方面，眾所周知，仿真就是為了模擬實(shí)際系統(tǒng)，所以，要實(shí)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真模型的對(duì)接接口，只有這樣才能更好地模擬出實(shí)際系統(tǒng)。Flexsim仿真軟件提供了與外部軟件的接口，可以通過ODBC與外部數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相連，通過socket接口可以與外部硬件設(shè)備相連，與Excel、Visio等軟件配合使用[6]。本文利用Excel表格作為數(shù)據(jù)庫結(jié)合ODBC的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，我們就要運(yùn)用到Excel導(dǎo)入，從中我們可以看出我們可以導(dǎo)入合成清單表格、傳送帶布局表格、全局表、管道布局表、到達(dá)時(shí)間表、時(shí)間表、交通控制表等，可以看到我們可以導(dǎo)入想要的數(shù)據(jù)，只要設(shè)置起始行、起始列以及總行數(shù)和總列數(shù)就行。

2.2 PLC控制硬件

本文采用PLC控制硬件作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制核心，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)室中的操作手柄、按鈕與PLC進(jìn)行連接，將它們構(gòu)成輸入設(shè)備，通過輸入設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)Flexsim所建立的仿真模型的控制，這很好的彰顯了本文的虛實(shí)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)定義好相關(guān)的I/O接口，以便于與WinCC以及Flexsim進(jìn)行有效的對(duì)接，方便學(xué)生使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3 WinCC組態(tài)

WinCC是一個(gè)功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件，它不僅提供PLC的通信通道，而且它能夠連接所有的西門子S5和西門子S7控制器，還提供許多非特定控制器的通信通道，如DDE和OPC的通信通道。

如圖1所示，本文通過WinCC與Excel將PLC與仿真模型連接到一起，WinCC具有十分強(qiáng)大的組態(tài)功能，而且它能夠訪問外部的數(shù)據(jù)庫，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC特定變量的修改、對(duì)Excel進(jìn)行讀寫等功能。通過WinCC組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)與PLC的組態(tài)，而且也可以實(shí)現(xiàn)與Excel之間的通訊，最終能夠?qū)崿F(xiàn)PLC與Flexsim軟件之間的數(shù)據(jù)調(diào)用，調(diào)用的流程見圖4[8]。

圖4 WinCC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用的流程

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)用

本文所建立的基于虛實(shí)結(jié)合的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以供學(xué)生進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的教學(xué)，也可以進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行以PLC控制硬件控制倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)。

在用現(xiàn)實(shí)物流設(shè)備進(jìn)行倉(cāng)庫作業(yè)模擬時(shí)，只能夠模擬出部分的倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)容，不易于學(xué)生對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的了解，而且由于教學(xué)中沒有足夠的貨物，所以，不能夠準(zhǔn)確的模擬出貨物的運(yùn)輸，而且學(xué)生也不能很好的觀察出不同時(shí)間到達(dá)的貨物在運(yùn)輸線中產(chǎn)生的問題。通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以更加直觀的了解到倉(cāng)庫的整個(gè)作業(yè)流程。

由于倉(cāng)庫不同，作業(yè)流程與設(shè)備數(shù)量也會(huì)存在一定的差異，學(xué)生就可以以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的仿真模型為基礎(chǔ)，然后通過對(duì)各個(gè)設(shè)備的數(shù)量以及設(shè)備的各種參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，能夠準(zhǔn)確的模擬出實(shí)驗(yàn)中的某一倉(cāng)庫，然后再根據(jù)到達(dá)該倉(cāng)庫的貨物信息，來實(shí)現(xiàn)Excel與Flexsim模型的接口，通過改變Excel表里面的貨物到達(dá)信息，來實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)它們之間的動(dòng)態(tài)連接，然后通過對(duì)仿真的運(yùn)行，學(xué)生可以直觀的觀察貨物的出入庫，而且還可以通過生成的報(bào)告來發(fā)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)系統(tǒng)中的“瓶頸”，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并通過圖5所示的流程，找出最優(yōu)的方案，以此達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

學(xué)生除了可以用仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，本平臺(tái)還提供了PLC硬件控制，因此，學(xué)生還能夠通過PLC硬件控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以通過本文所搭建的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)中的設(shè)備的控制，通過操作相關(guān)按鈕，來觀察仿真畫面上的動(dòng)作，以此提高學(xué)生的動(dòng)手能力以及實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生不僅能夠加深對(duì)物流中倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程的認(rèn)識(shí)，而且還能加強(qiáng)對(duì)各個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的認(rèn)識(shí)，除此之外，學(xué)生通過對(duì)該平臺(tái)的使用，不僅能夠提高對(duì)c++的編程能力，而且能夠提高邏輯思維，還能提高物流仿真建模能力以及動(dòng)手能力。

圖5 仿真優(yōu)化的流程圖

4 結(jié)語

通過利用該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真可以很好的替代許多因各種原因而無法在教學(xué)中使用的倉(cāng)庫設(shè)備，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用也能夠很好的解決因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的不足、設(shè)備的老舊等原因而產(chǎn)生的問題。而且通過對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)濟(jì)性，它既可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程與運(yùn)行結(jié)果的可視化，又能進(jìn)行修改，并且能夠?qū)崿F(xiàn)修改后的模型的可視化，通過對(duì)運(yùn)行結(jié)果的分析，學(xué)生可以完成對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程的優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)，這對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)有一定的借鑒意義。