零代码仿真与辅助设计平台在自动仓储系统规划中的应用

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摘要： 本文以某公司自主设计研发的中物视软件平台为背景，介绍了当前自动化仓储物流规划方案设计的全生命周期过程。针对自动化仓储物流设备能力仿真，描述了中物视平台的解决方案与案例应用。目前，该平台已经在行业内若干头部企业运用，能有效支撑方案的设计与优化，同时最大化地兼顾了项目建设的敏捷设计、经济性、智能化与可扩展性。

关键词：三维规划方案；物流能力仿真；虚拟现实；平台软件产品

作者：杨智 李羿 张兴 成伟

云南策蓝科技有限公司

一

引言

方案规划是自动化仓储物流项目建设中非常关键的环节，其结果既是项目需求、用户决策的输出，也是工程实施、项目落地的输入。规划方案的合理性、准确性、健壮性是项目成功的坚实基础。规划方案如果在项目安装调试阶段才进行验证，则为时已晚。所以方案验证、方案优化等工作，必须有一套未雨绸缪的解决措施，且在前期规划设计阶段完成。在前期规划设计阶段，基于仿真系统软件输入规划方案，输出物流动画和仿真结果，可以完成方案验证、支撑方案优化、辅助方案决策。

随着自动化物流行业的蓬勃发展，我国对自动化物流行业高效发展以及核心技术自主可控的需求，也变得愈发迫切。物流行业的转型升级阶段，传统依靠经验和简单模型的规划方式已经难以满足日益复杂的物流系统设计与优化要求。而拥有自主研发的工业仿真软件，不仅能够助力国内企业更精准地规划、设计和优化自动化物流系统方案，还能摆脱对国外同类软件的依赖，保障我国物流行业关键技术的自主性与安全性。

在此背景下，一款名为中物视的工业仿真软件应运而生。该软件在食品零售行业的自动化仓储规划应用如图1所示。

图1 中物视食品行业项目案例

二

需求分析

智慧物流集成项目规划方案通常涵盖物流设备选型、设备布局规划、物料运输路线规划、业务流程规划等，同时规划方案能动态展示。物流设备主要包括堆垛机、输送机、AGV、提升机、机械手、直行/环形穿梭车、托盘/料箱四向车、件箱分合流等。各个厂家的出厂设备外形尺寸、作业速度等参数不同，需要根据实际业务需求完成设备选型；物流设备布局规划、物料运输路线规划等受到厂房库房空间尺寸影响；不同物流业务流程的节拍不同，规划方案需要考虑流程之间的依赖和制约关系；为了用户更容易理解和评估方案，需要以动画形式动态展示规划方案的细节，比如业务流程和设备作业等。

基于智慧物流集成项目规划方案的实际需求，仿真平台软件需要具备如下功能：

（1）平台能够提供当下各类物流设备的模型和组件，以覆盖绝大多数项目的设备选型；

（2）平台能够参数化配置各类设备的长宽高尺寸、运行速度/加速度/减速度等；

（3）结合规划方案，平台能够定义和配置各个物流搬运业务的物流路线，包括起始点、目标点、过程途径点等；

（4）平台能够输出真三维的规划方案和仿真动画；

（5）平台能够输出仿真报告，包括入库量、出库量、库存吞吐量、设备利用率、物料搬运耗时、系统每天/每小时的物流能力等，以验证设计能力能否达到项目建设要求；

（6）简单易学，无需编程功底，高效快捷的完成三维可视化方案设计和物流仿真。

三

解决方案

1.软件开发工具

中物视产品所使用的软件开发工具包括3DMax、Visual Studio.Net和Unity3D。其中，3DMax完成厂房库房、立体仓库、物流设备、产线机台等实体的三维建模；Visual Studio.Net针对参数化配置、工业调度算法、物流路径与工作流、仿真报告等功能模块，完成其内核逻辑与程序设计的具体实现；Unity3D主要完成三维动画设计、业务流程可视化、虚拟现实、仿真视频的制作。

2.功能实现说明

（1）3DMax

使用3DMax完成三维建模，建模对象包括厂房库房、立库货架、物流设备、生产线及生产机台等实体的三维建模。建模完毕后，生成max、fbx、obj、dfx等格式的文件。

将文件导入到中物视平台后，即构建了平台的物流装备组件包和工具包。该方式保证了三维物流模型的复用性，后续制作工业仿真时，不需要再度进行三维建模，直接从工具包中选择相应的物流装备，并拖拽至项目背景图中，即可完成静态三维方案的场景搭建。

（2）Visual Studio.Net

基于Visual Studio.Net开发工具和C#编程语言完成中物视平台所内置的工业调度算法、物流路径与工作流的解析和实现等。

不同的规划方案，物流路径各不相同，其工作流的节拍、频率也各不相同。中物视仿真动画中的内核逻辑是以路径和工作流作为输入；AGV车辆在行走过程中，涉及到车辆间的避让和等待、关键点的占用与释放等控制逻辑，需要构建路径导航、交通管理等功能模块。以上都属于工业调度算法，通过Visual Studio.Net开发工具和C#编程语言即可有效完成。将单体设备和业务流程的运行数据，以流程、设备、时间作为维度，加工计算后，则可输出仿真报告。

（3）Unity3D

结合智慧物流项目的规划方案，在中物视平台中Unity3D主要用于模拟物流系统的整体运行。通过引入堆垛机、四向车、输送机、AGV、生产机台等设备模型，在Unity3D中设定每台设备的作业动画和运行逻辑，则能够以仿真动画的效果，输出自单体设备至完整流程的全过程展示。对于堆垛机、AGV等搬运型设备，能够模拟其走行、升降、取卸货的作业流程；对于机械手等操作型设备，能够模拟其抓取、拆卸的工作流程和作业节拍；从整体来看，能够真实模拟物料的自动化入库存储流程和智能化出库上料投产流程等。

四

中物视平台在某食品行业成品立体库规划中的应用

1.项目概述

某食品行业成品立体库的物理楼层为2层，其中2楼完成入库业务，1楼完成出库业务。主要设备包括巷道堆垛机共5台，立库货位数4000个，入库码垛机械手4台，出库拆垛机械手4台，成品件箱入库分合流线1条，成品件箱出库分合流线1条，输送机369台，AGV小车共8台，成品发货月台5个。该成品立体库的三维规划方案如图2所示。

图2 成品立体库项目案例三维规划方案图

产成品入库流程。成品件箱自生产线下料后，AGV将成品搬运至件箱输送线，分合流输送线按照件箱条形码进行分流，机械手码垛件箱至单空托盘，成品实托盘经输送机、堆垛机搬运入立体库存储，形成库存。

成品发货出库流程。堆垛机自立体库内将成品实托盘取出，并卸货至输送机站台上。输送机将成品实托盘运输至机械手拆垛站台，机械手将成品件箱抓取至分合流输送线，分合流输送线按照件箱条形码进行分流。成品件箱经件箱输送线、伸缩皮带机运输至月台，人工装车发货。

2.规划方案开展流程

方案规划的具体流程以及中物视软件平台在方案规划各阶段所承担的功能和作用，如图3所示。方案规划涉及到项目需求调研、方案设计、方案评审、物流能力仿真、方案汇报、项目投标、方案述标、方案细化、方案冻结等主要环节。其中，方案设计至方案汇报的阶段性工作，可能是多轮迭代的。

图3 方案规划与中物视软件协同作业

3.中物视软件平台的操作流程

中物视软件平台提供了直观的三维模型组件，用户可以依照布局方案、业务流程、搬运路线、设备参数和物流场景，便捷地搭建出三维方案和仿真动画，使用操作流程如图4所示。

图4 中物视操作流程

（1）真三维规划方案场景搭建

启动中物视软件平台，新建中物视项目。结合规划方案，将厂房建筑、物流设备、物料载体、生产机台等各种三维模型组件拖拽到背景图中。按照相对位置，调整模型组件的X/Y/Z坐标值；按照设备的尺寸，调整模型组件的长宽高参数。以全局鸟瞰图的视野，调整方案布局，使三维方案的整体展示与规划方案图保持一致。依据设备供应商所提供的能力参数，完成各种物流设备的速度、加速度、减速度等参数配置。至此，静态的真三维规划方案制作完毕。

（2）配置物流路径与工作流

结合规划方案，根据搬运业务的起始点、目标点、途经点，可以定义出物流路径。按照物流业务的节拍、依赖和关联关系，配置出工作流；工作流由起始节点、节拍器/延时器、单项/复合业务流、分流/合流等模块组成。当设备运行参数、物流路径和工作流配置完毕后，如图5所示，平台内置的WCS智能调度算法即可在仿真模式下快速生成并时时渲染流程演示动画。

图5 物流路径与工作流

4.物流设备能力仿真

物流设备能力仿真的输出结果，主要依赖于规划方案和设备选型。规划方案不同、设备选型不同、搬运路线不同、业务节拍不同，其仿真结果也各不相同。在本项目案例中，系统有序运行一小时后，堆垛机仿真报告如表1所示、AGV仿真报告如表2所示。

表1 堆垛机能力仿真

表2 AGV车辆能力仿真

堆垛机是库区内的取卸货设备，输入参数由设备供应商提供，包括水平方向和垂直方向的加/减速度、取卸货周期、对位时间等。根据中物视的仿真运行结果，提取出运行/空闲时长、出入库搬运托盘数、水平运行距离等，并计算出设备利用率，即为输出参数。通过能力仿真，能够检验出堆垛机的实际出入库能力能否达到规划方案的要求，以评估是否需要更换堆垛机的选型。

本项目中AGV的选型为海康威视潜伏式AGV，以车辆号、搬运托盘数、空闲泊车时间、交通管制时间、充电时间、空载/满载移动时间、装卸载时间、移动距离、设备利用率等作为统计维度，输出能力仿真结果。该仿真结果，可以有效检验地面空间是否满足AGV的运行条件、AGV车辆行驶路径规划的合理性。最终能够有效评估出，是否需要增加或减少车辆数量、是否需要调整AGV系统的布局方案和预留空间等。

5.案例应用效果

该项目中，规划人员使用中物视软件仅用3天就完成了真三维规划方案制作，有效输出了物流动画和仿真报告。仿真动画可以导出为Mp4文件，仿真报告为Excel文件。在集成商内部评审阶段，该仿真方案顺利拉通了销售部、规划部和软件部的相关项目组成员，以10倍的速度运行仿真动画，可保证业务流程活动历时有效降低至实际情况的十分之一，最终降低沟通的时间成本；通过对物流动画和仿真报告进行讨论分析，挖掘出了规划方案的能力瓶颈和问题点，如规划方案布局、物流设备选型、业务流程之间的依赖关系等，为方案的调整和优化提供了可信赖支撑；在项目汇报阶段，以真三维方案向用户提供业务流程动画演示，将项目落成后的场景清晰直观的输出给了用户；在项目述标阶段，向评标委员会讲解了仿真报告，证明了方案的合理性与可行性，最终顺利中标。

五

发展趋势

目前，物流系统规划方案设计均采用AutoCad软件输出规划方案设备布局图和建筑结构图。在方案规划过程中，堆垛机、货架、输送机、四向穿梭车、AGV、机械手、提升机等设备，不同的方案规划人员采用的控件也各不相同。未来需要全面统一物流市场做方案规划时所采用的模型和控件，确保各个公司、各个项目在方案输出时，同种细分设备均采用完全一致的元素。

一旦CAD规划方案采用标准的设备模型元素，将规划方案CAD文件导入到中物视软件平台后，平台即可生成中物视CVD文件。这样可以免去规划人员通过AutoCad完成方案设计后，还需要在中物视平台上再度搭建三维方案的步骤。换言之，规划人员在通过AutoCad完成平面方案规划时，也同步完成了真三维规划和仿真方案的制作。

六

总结

仓储物流项目具有不受客户行业领域限制的特征，各种规模化的生产制造、采购销售型企业，都有智能仓库的建设需求。中物视平台可以有效保证项目建设单位、承建单位在一次设计中同步完成规划方案、流程动画、系统仿真、设备明细等产出物，彻底改变了物流方案需要由总体规划人员、三维建模人员、系统仿真人员等全方位协同作业完成的现状，节约人力物力，为项目建设的甲乙双方大幅降低前期成本。平面视图与三维视图的兼容互补、流程动画与系统仿真的有效结合，为方案评审、项目汇报、技术述标等环节提供强有力的支撑保障与竞争优势。

———— 物流技术与应用 ————

编辑、排版：王茜

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